Brevet FR2285624A1 — publié le 19760416

La présente invention concerne des filtres à semi-conducteur à bande passante variable et plus particulièrement des filtres passe-bande. Les filtres optiques sont généralement utilisés dans des dispositifs où lton souhaite permettre à des longueurs d'ondes particulières de passer vers les composants suivants. De façon générale, il y a trois types de filtres, passe-haut, passe-bas et passebande. Les filtres~passe-haut et passe-bas-ont une forte absorption pour des basses et fortes énergies respectivement. Les filtres passebande permettent seulement aux énergies-dans une bande relativement étroite de passer. La présente invention concerne les filtres passebande. Un filtre passe-bande peut être utilisé pour sélectionner des longeurs d'onde souhaitées à partir d'une source de lumière à spectre étendu, ou bien il peut etre utilisé pour rejeter des longueurs d'onde noil souhaitées. De façon générale, les filtres passebande disponibles ont une valeur fixe de largeur de bande d'énergie OE. Ceci entratne souvent une limitation sévère quant à l'utilisation de tels filtres puisque la largeur 2 E peut permettre à une composante indésirable de passeur, ou la bande passante transmise peut être trop large. La présente invention prévoit un filtre passe-bande ayant une largeur de bande variable. De façon générale, la présente invention prévoit un filtre passe-bande à semi-conducteur, l'un des "bords" de la bande pouvant être déplacé en utilisant un effet d'électroabsorption lui donnant une caractéristique accordable. La présente invention sera exposée en détail dans la description suivante d'un mode de réalisation faite en relation avec les dessins joints dans lesquels La figure 1 est un diagramme schématique représentant le décalage d'un bord de bande par application d'une polarisation inverse; La figure 2 est une coupe schématique d'un mode de réalisation d'un filtre à largeur de bande variable; La figure 3 représente la caractéristique d'absorption du dispositif modulateur de la figure 2; La figure 4 représente la caractéristique lumineuse de sortie obtenue quand une source à large spectre est couplée au dis positif de la figure 2; La figure 5 est une vue en coupe schématique d'un ensemble monolithique diode photoémettrice/modulateur;; La figure 6 représente la sortie lumineuse en fonction de l'augmentation de la polarisation inverse pour un dispositif tel que celui de la figure 5. En considérant un dispositif ayant une double hétérostructure classique, dans la région de guide d'onde, le bord d'absorption aura normalement la forme indiquée dans la courbe 10 de la figure 1. L'énergie E sera déterminée par la structure fondamentale du matériau, mais sera à environ l,4 eV pour le GaAs à température ambiante. La lumière passant à travers un tel matériau sera absorbée pour des énergies généralement supérieures à E et transmise pour des énergies qui sont,de façon générale, inférieures à EA, bien qu'une certaine variation puisse avoir lieu comme cela sera décrit. La variation à laquelle on s'est référé ci-dessus a lieu parce que les courbes 10 et ll ne sont pas es droites verticales. ainsi, en considérant la figure l, si la courbe 10 était verticale, comme cela est indiqué par la ligne en pointillé 10a, alors il serait vrai de dire que toute énergie lumineuse supérieure à EA est absorbée avec un coefficient d'absorption &alpha; = &alpha; max et que toutes les énergies lumineuses er-dessous de EÀ. sont retransmises avec &alpha; = 0.Il en est de mêr.e avec 1 courbe 11; si celle-ci était verticale, comme cela est inciqué par la ligne en pointillé lla, toute l'énergie supérieure à E serait absorbée avec &alpha; = &alpha; max et toutes les énergies lumineuses inférieures à E' seraient transmises aveco(= C. m figure 1, il y a une certaine augmentation de l'absorption au-cessous de O (#&alpha;") our des énergies inférieures à EA et à E' et une certaine diminution de l'absorption depuis &alpha; max (#&alpha;') pour des énergies supérieures à En et à E' Ces changements d'absorption (A&alpha;") et(#&alpha;') sont de petits effets compares à cz max. insi, dans l'exposé-suivant, on supposera que les bords d'absorption sont verticaux, comme cela est indiqué par les droites 10a et lla, bien que les situations exactes soient en fait celles indiquées par les courbes 10 et 11. En appliquant une polarisation inverse, le bord d'absorption peut être décalé. La quantité de laquelle le bord sera décalé dépen dra de l'amplitude de la polarisation inverse VR. La courbe ll en figure l représente un décalage correspondant à une valeur d'énergie E. Les fréquences entre EA et E'A sont maintenant absorbées, ce qui réduit l'intensité transmise, en-raison de la variation désignée ci-dessus. Une structure typhique est représentée en figure 2. Sur un substrat de type n 15, une série de couches 16, 17, 18, 19 sont formées séquentiellement pour former une double hétérostructure. Ces couches sont obtenues par croissance épitaxiale en phase liquide et le dopage des couches est tel que la couche 16, une couche de confinement, est du meome type de dopage (n) que le substrat et est constituée de GaAlAs. La couche 17 est la couche active, et est constituée de GaAs, elle peut être de type n ou p, et peut contenir une faible quantité d'aluminium, par exemple typiquement jusqu'à 10 . La couche 18 est une autre couche de confinement de. type p en GaAlAs. La couche 19 est une couche de couverture de type p en GaAs. Le procédé pour faire crotte les couches 16 à 19 sera décrit de façon générale ci-aprés. Les couches de contact métallique 20 et 20a sont appliquées aux faces opposées des dispositifs pour le connecter élec triquement à un circuit. Une couche anti-reflets (AR) optionnelle 21 peut dextre appliquée d l'extrémité d'entrée pour améliorer le rendement du couplage et ltextrdmité de sortie comporte un revêtement multidiélectrique 22. Le revêtement 22 est choisi pour fournir la caractéristique de coupure à basse énergie souhaitée. Le revêtement 22 peut strie déposé à l'extrémité d'entrée au lieu de l'extrémité de sortie, si cela est souhaité. La figure 3 représente la caractéristique de l'électro- absorption d'un dispositif tel que celui de la figure 2. Le c3té à fathle énergie de la bande passante est déterminé par la caractéristique de coupure du revêtement diélectrique à couches multiples 22 et est défini par la courbe 25. Le c8té à haute énergie est variable et est déterminé par les propriétés de l'effet d'électroabsorption qui déplace le bord d'absorption vers des énergies plus basses quand la polarisation inverse augmente. Les courbes 26a, 26b, 26c, 26d et 26e représentent différentes valeurs de coupure pour diverses valeurs de la polarisation inverse. Par exemple, la courbe 26a peut être considerée comme représentant la limite sans polarisation inverse et les courbes 26b, 26c, 26d et 26e des conditions de polarisation inverse croissante. La figure 4 représente la lumière résultante quand une source lumineuse à spectre étendu est couplée au dispositif de la figure 2, ayant une largeur de bande variable comme cela est representé en figure 3. La sortie lumineuse résultante a une largeur de bande variable et les courbes 27 et 28a, 28s, 28c, 28d et 28e correspondent typiquement aux courbes 25 et 26a, 26b, 26c, 26d et 26e de la figure 3, Une telle largeur de bande variable peut être utile par exemple, dans des applications où une résolution améliorée est désirée sans changer physiquement de filtre; Comme on l'a exposé, les couches 16, 17, 18 et 19 sont obtenues par croissances épitaxiales successives en phase liquide.Les pastilles substrats, typiquement en arséniure de gallium sont amenées successivement en contact avec quatre solutions, les couches étant amenées à rostre en refroidissent les pastilles et la solution dans une gamme de température prédéterminée. De façon commode, selon un procédé, les pastilles sont montées dans un support en carbone muni de quatre réservoirs contenant les solutions d'épitaxie. Ainsi, une pastille est positionnée dans un évidement d'un élément coulissant et après préchauffage à une température déterminée, par exemple 8300C,- l'élément coulissant est déplacé pour positionner la pastille en-dessous du premier réservoir. Après refroidissement dans une gamme de température prédéterminée pour faire pousser une première couche, l'élément coulissant est déplacé pour positionner la pastille sous le second réservoir. Le reeroidissement, puis le déplacement ont lieu séquentiellement pour faire pousser les quatre couches, ce qui est suivi de la phase finale de refroidissement et de nettoyage des pastilles. Le tableau suivant représente les caractéristiques de diverses couches et des concentrations de dopants en mg pour 4 g de solution Epaisseur Concentration Couche Type Al Te Ge ( ) des porteurs 16 N-Ga0,65Al0,35As 6 2 2 3 5x1017 cm-3 17 pGa0,95Al0,05s 1 - 0,5 1,0 2x10 18 D-Ga0,65Al0,35As 7 - 120 1,0 5x1.017 o,35 19 p-GeAs - - 40 1 > 5 l,5 ln Une variante pour la couche if est Concentration Couche Type Al Te Ge Epaisseur de porteurs 17 n-GaO 95Alo As 1 Sn - 1,0 (20 g) Dans certains cas, une quantité de GaP est ajoutée à la solution pour les couches 16 et 18. La quantité ajoutée à 4 g est de 100/Ag et résulte en une couche ayant la formule générale Ga0,65Al0,35As1-y-yPy ou y est estimé être inférieur à 0,02. L'inclusion de P amène une diminution des contraintes aux interfaces entre les couches 16 et 17 et entre les couches 17 et 18. Les épaisseurs de couches 16 et 18 ne sont pas critiques, mais elles sont de préférence inférieures à 1 de façon à fournir des propriétés de guide d'onde convenables. a couche 17 est de préférence de l'ordre de 1 mais peut être plus mince. Les niveaux de dopage sont raisonnablement critiques, et de façon générale, les couches 16 et 18 doivent avoir plus d' un ordre de grandeur de dopage de plus que la couche 17.Ceci implique que la plus grande partie des champs appliqués apparattra aux bornes de la couche 17 là où il est requis d'affecter la lumière dans le guide d'onde Pour des concentrations de porteurs de 2.1016/cm3, ltépais- seur d'un micron de la couche 17 sera entièrement vidée de porteurs libres, même pour une polarisation nulle, (c'est-à-dire que la largeur de zone déserte, ou d'épuisement, est sensiblement d'un micron pour une concentration de porteurs de 2.10 /cm ). Ainsi, le niveau de dopage et l'épaisseur de la couche 17 sont raisonnablement critiques pour obtenir une performance de dispositif optimal.Des épaisseurs accrues pour la couche 17 entratneraient un couplage moins efficace de la lumière au champ électrique, tandis que des épaisseurs réduites présenteraient, en quelque sorte, une complexité accrue pour le couplage de la lumière dans un guide d'onde plus étroit. Un type d'appareil pour faire croltre séquentiellement trois couches ou plus est décrit dans "Preparation of GaAs p-n Junctions by Multiple-Layer Liquid Phase Epitaxy" par B. I. Miller et H. C. Casey Jr., article 24, Symposium de 1972 sur GaAs; et un autre type d'appareil est décrit dans le brevet canadien 902.805. Après formation des quatre couches, le dispositif peut être fabriqué comme suit a a - diffuser du zinc dans la couche 19 en utilisant une source de ZnAs2 à 6000C pendant 15 minutes sous atmosphère d'azote; b - évaporer Cr (500A) et Au (2.000A) sur la couche 19 en maintenant la structure à 2000C pendant l'évaporation pour former la couche de contact 20; c - abraser le substrat 15 de GaAs de type n à une épaisseur d'environ 100 microns; d - nettoyer, évaporer 4.000A d'Au (12 ffi de Ge) sur la surface abrasée, la structure étant maintenue à 2000C; e - allier à 450"C pendant trois minutes sous une atmosphère d'azote pour former la couche de contact 20a; f - rayer et découper pour former des dispositifs élémentaires ou puces;; g - former la couche anti-reflets 21 et le revêtement multidiélectrique 22. Un revêtement multidiélectrique typique comprend plusieurs couches alternées de matériaux à haut et bas indices de réfraction. Une combinaison possible est (2,5 L) HLHLHLHLHL (0,5 L) où L et H se réfèrent à des épaisseurs quart d'onde de diélectriques à bas et haut indices respectivement. Dans exemple, les indices seraient n = 3 > 8 pour le bas indice (L tel que Si0) et n = 3,8 pour le haut indice (H tel que Ge). Une variante du dispositif selon la présente invention est représentée en figure 5 et est un ensemble monolithique diode photoémettrice/modulateur tel qu il est décrit dans la demande debrevet français déposée par la demanderesse le 17 septembre 1974 sous le numéro 75/ 28514. .Ce type de dispositif comprend un émetteur ou diode photoémettrice 30 et un modulateur 31, formés à partir d'une double hétérostructure commune et ayant une jonction p-n diffusée dans la diode photoémettrice dans la couche active. Principalement le dispositif comprend un substrat 32 sur lequel sont formées des couches épitaxiales 55, 34, 35 et 36. La couche 33 est une couche de confinement, dopée selon le même type que le substrat 52 et est en GaA Dis. La couche 4 est la couche active de GaAs, avec, éventuellement, une faible quantité d'aluminium, dopée pour être du même type que la couche 33. La couche 33 est une couche de confinement de jonction en GaAlAs dopée pour être de type opposé à la couche 34 et la couche 36 est une couche de couverture en GaAs dopée pour être de même type que la couche 55. La couche active 34 est dopée sensiblement à 1016/cl) et les couches 53 et 55 sont dopées à approximativement 1018/cl3. Les zones de modulateurs sont masquées avant l'étape de diffusion par Zn, de sorte que la diffusion a lieu seulement dans la couche de couverture 36 dans les régions de modulateurs 31. Toutefois, dans la partie photoémettrice 50, une jonction p-n 37 est forméedans lacouche active 34. La profondeur de diffusion de Zn est indiquée par la ligne en pointillé 37 (jonction p-n) et la ligne en pointillé 41.Des rainures d'isolation 38 sont définies par~photolithographie^-et attaquées chimiquement pour fournir l'isolation entre les émétteurs 30 et les modulateurs 51. Avec une telle structure, dans des conditions de dopage différentes dans la couche active de l'émetteur par rapport au modulateur, l'émetteur émet de la lumière à une longueur d'onde pour laquelle le modulateur présente de faibles pertes. Les couches de contact D9 sont fermées sur les surfaces opposées du dispositif. En appliquant une polarisation inverse au modulateur, la largeur de bande est réduite, mais dans cet exemple l'amplitude est également réduite. La figure 6 représente, dans les courbes 40, 40a, 40b, 40c des sorties lumineuses typiques du modulateur, la courbe 40 étant associée à un potentiel inverse nul et les courbes 40a, 40b, 40c à des valeurs croissantes de la polarisation inverse. L'amplitude réduite de la sortie lumineuse peut rendre la structure de la figure 5 moins intéressante dans certains cas. La structure de la figure 5 ne nécessite pas de 'revêtement multidiélectrique comme cela est défini en 22, en figure 2, car le côté à basse énergie de la sortie lumineuse est déjà déterminé par l'émetteur, ou diode photoémettrice. Dans les dispositils du type des figures 2 et 5, la raideur du bord d'absorption affectera le fonctionnement du dispositif. Pour un filtre, cette raideur déterminera les caractéristiques de coupure du côté à haute énergie, en gardant dans l'esprit la variation d'absorption de la pente de la courbe décrite précécemmen. La raideur du côté à basse énergie sera déterminée par le revêtement multidiélectrique 22. La raideur du côté à haute énergie sera déterminée par les propriétés cristallines. La quantité selon laquelle le bord d'absorption peut être décalé par un champ électrique sera une propriété importante. Des décalages d'environ 100 meV peuvent être obtenus avec des polarisations-inverses de l'ordre de 10 volts. Ceci implique que la largeur de bande peut être modifiée sur une gamme d'environ 700A bien que ces valeurs ne doivent pas être considérées comme limitatives. Une autre variation qui a lieu, en se réfèrent aux courbes ayant trait aux bords d'absorption, est que la pente varie quelque peu avec la polarisation inverse appliquée. Ainsi, comme on le voit en figure 4, les courbes 28b, 28c, 28d et 28e deviennent successivement moins raides. Ceci diminue effectivement la largeur de bande et ont doit prêter attention à ce phénomène en ce qui concerne la polarisation inverse. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est-au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. HEVENDICATIONS 1 - Filtre optique à semiconducteur à largeur de bande variable muni d'un substrat et d'une structure multicouches sur la surface supérieure du substrat, cette structure comprenant une première couche de confinement sur le substrat, une couche active sur la première couche de confinement et une autre couche de confinement sur la couche active, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, des moyens pour appliquer une polarisation inverse pour faire varier la caractéristique de coupure à haute énergie. 2 - Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une couche de couverture sur l'autre couche de confinement. 3 - Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un revêtement anti-reflets (21) sur sa face d'entrée. 4 - Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à ), caractérisé en ce que le substrat est un matériau d'un premier type de conductivité et la première couche de confinement, un matériau du même type de conductivité que le substrat; la couche active étant de l'un ou l'autre type de conductivité et d'un plus faible dopage que la première couche de confinement; l'autre couche de confinement étant du type de conductivité opposé à celui de la première couche de confinement et d'un niveau de dopage supérieur à celui de la couche active. 5 - Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les couches de confinement et la couche active sont obtenues par croissance épitaxiale de gallium-aluminium-arsenic. 6 - Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend une couche de contact sur la surface inférieure du substrat et sur la- surface supérieure de la couche supérieure de la structure multicouches. 7 - Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qutil comprend un revêtement multidiélectrique (22) sur une surface d'extrémité du filtre, ce revêtement définissant la caractéristique de coupure à basse énergie du filtre. 8 - Filtre selon la revendication 7, caractérisé en ce que le revêtement multidiélectrique 22 est placé à la surface de sortie du filtre. 9 - Procédé de fabrication d'un filtre optique à semiconducteur à largeur de bande variable consistant à faire rostre épitaxia lement et successivement une première couche de confinement, une couche active > et une autre couche de confinement sur un substrat, caractérisé en ce qu'il consiste, en outre, à former une zone de contact sur le substrat et la structure multicouches pour fournir des moyens propres à appliquer une polarisation inverse pour faire varier la caractéristique de coupure à haute énergie. 10 - Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer un revêtement multidiélectrique (22) sur une première extrémité de substrat (15) et une structure en couches multiples (16, 17, 18) pour définir une caractéristique de coupure basse énergie. il - Procédé selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce qu'il consiste à faire croltre épitaxialement une couche de couverture sur l'autre couche de confinement, la zone de contact sur la structure multicouches comprenant une couche électriquement conductrice sur la couche de couverture.