Brevet FR2328293A1 — publié le 19770513

La présente invention concerne un dispositif semiconducteur à couplage lumineux comprenant au moins, dans un même corps cristallin, une diode électroluminescente, une diode photosensible, les jonctions desdites diodes étant sensiblement coplanaires, et une zone intermédiaire de transmission de la lumière entre lesdites diodes On connait les dispositifs à semiconducteurs de photocouplage associant un élément émetteur de lumière et un élément détecteur par 3'intermédiaire de fibres optiques ou simplement dtun milieu transparent de géométrie appropriée.On a cherché à réaliser des dispositifs de photocouplage qui soient d'encombrement minimal et qui permettent une modulation du faisceau lumineux et on a cherché notamment à réaliser ces dispositifs au sein d'une plaquette semiconductrice, selon les techniques connues utilisées pour la réalisation de circuits intégrés électroniques. Un dispositif semiconducteur optoélectronique comprenant au moins un élément émetteur, un élément détecteur et une région de transmission entre les deux éléments, a été décrit dans le brevet français n0 I 452 258. Dans ce dispositif les éléments sont des diodes dont les jonctions sont coplanaires, l'élément émetteur étant un laser à jonction et l'élément détecteur une diode à jonction photodétectrice. Mais dans ces dispositifs, le couplage est du à l'effet directif du laser, la région de transmission étant seulement transparente et n'ayant pas d'effet de guidage. Le laser exige une structure et une géométrie précises, une alimentation permettant de fortes intensités, et se justifie pour des signaux de fréquence très élevée.En outre, l'isolement entre l'élément émetteur et l'élément détecteur qui doivent être polarisés dans des sens opposés, est obtenu au moyen de zones diffusées profondes qui prennent une place importante sur la plaquette, nécessitent une opération de longue durée à haute température et par leur absorption, diminuent le couplage entre émetteur et détecteur De plus, la région de transmission ne permet pas d'autre modulation du signal que la modulation au niveau de l'excitation de l'émetteur Un des buts de l'invention est de pallier les inconvénients des dispositifs connus et de fournir un dispositif semiconducteur à couplage lumineux, intégré dans une plaquette cristalline, d'encombrement minimal, permettant une modulation optique du faisceau lumineux transmis et pouvant travailler à des fréquences élevées. Selon l'invention, un dispositif semiconducteur à couplage lumineux conforme au préambule, est remarquable principalement en ce que les diodes électroluminescente et photosensible, ainsi que ladite zone de transmission, coplanaire avec les parties actives desdites diodes et limitée au moins verticalement par des milieux d'indice de réfraction plus faible, sont constituées par des régions planes formées localement dans des dépôts épitaxiaux de matériaux de compositions différentes superposés sur un substrat monocristallin, lesdites régions étant isolées latéralement les unes des autres par des couches minces d'oxyde desdits matériaux, le dispositif comportant des moyens électro-optiques d'action sur la transmission par ladite zone. La zone de transmission située entre la diode électroluminescente et la diode photodétectrice et limitée verticalement, constitue un guide d'onde qui conduit la lumière de l'une à l'autre diode et assure le couplage optique sans qu'il soit nécessaire d'avoir une émission de laser, bien que la structure épitaxiale multicouches du dispositif soit également une structure favorable aux lasers. Cette structure permet un confinement des photons, en profondeur, dans la partie émissive de la diode électroluminescente, dans la partie transmettrice du guide d'onde et dans la partie sensible de la diode photodétectrice. Le confinement dans une couche active est obtenu par exemple en donnant au matériau de la couche sous-jacente une composition correspondant à une largeur de bande interdite plus importante que celle du matériau de la couche active.Avantageusement, la couche recouvrant la couche active est également une couche de matériau à largeur de bande interdite plus grande. Les divers éléments, diode électroluminescente , conduit de lumière, diode photodétectrice, étant contigus et seulement séparés par des couches minces d'oxyde, les pertes de couplage sont minimales, l'encombrement total est minimal et la surface d'une plaquette est utilisée de façon optimale. L'isolement par oxyde latéral permet en outre une gamme d'écarts de tension plus étendue qu'un isolement par zones diffusées. De préférence, en dehors des parois isolées, un confinement optique latéral dans les éléments émetteurs et récepteurs et un guidage latéral dans les conduits de lumière, sont obtenus par la différence de largeur de bande interdite des matériaux ou par la présence d'un milieu contigu à ces régions et d'indice sensiblement plus faible, par exemple l'air d'une simple rainure ou un matériau de composition très différente. Dans une forme préférentielle de réalisation, les matériaux des couches épitaxiales sont à structure de bande directe et dopés avec des impuretés d'énergies d'ionisation très faibles, les transitions se faisant ainsi de bande à bande, et les diodes électroluminescentes et les diodes photodétectrices sont formées de régions localisées dans les mêmes couches épitaxiales. Avantageusement les diodes ont môme composition, môme dopage et même épaisseur, les surfaces des régions correspondant aux diodes électroluminescentes tant plus petites que les surfaces des régions correspondant aux phôtodétecteurs. Selon une forme de réalisation du dispositif la couche transmettrice des guides de lumière est constituée par un dépôt épitaxique d'un matériau composé de largeur de bande interdite plus petite que celle du matériau des couches entre lesquelles elle est comprise et plus grande que celle du matériau de la couche active des émetteurs et récepteurs qui lui sont contigus. Les différences de largeur de bande interdite sont avantageusement obtenues par des différences de composition entre matériaux composés des mêmes constituants, par exemple les couches sont en arséniure de gallium et d'aluminium Gaî#xAlxAs avec diverses concentrations en aluminium, x étant compris entre 0 et 0,5. En outre, pour éviter l'absorption par les porteurs libres, les portions de couche ayant fonction de guide de lumière sont de préférence constituées par des dépôts de matériau semi-isolant ou de faible conductivité compris entre des portions de couches déposées faites d'un matériau de plus faible résistivité. Un tel dépôt semi-isolant est par exemple obtenu par la technique connue du bombardement de protons. Les émetteurs sont de préférence des diodes électroluminescentes à jonction P/N à confinement de porteurs dont un exemple connu en élément discret est constitué par une couche de composé Gal-xAlxAs comprise entre une couche inférieure de composé use et7couehe supérieure Ga1~zAlzAs avec 0 4 y Ga1~xAlxAs soit par épitaxie, soit par diffusion. Les récepteurs sont de préférence des diodes polarisées en inverse de même structure que les émetteurs décrits ci-dessus, leur dimension parallèlement à la jonction et la surface du dispositif dans le sens de la pénétration du rayonnement incident en provenance des conduits de lumière qui leur sont contigus, est fonction de cette pénétration. Les moyens permettant d'agir sur la transmission de la lumière entre les émetteurs et les récepteurs sont constitués de préférence par des jonctions P/N permettant par polarisation en direct une injection de porteurs libres sur une partie du trajet du faisceau lumineux, cette injection provoquant un effet d'absorption, ou par des jonctions P/N permettant, par polarisation en inverse, une modification de l'absorption sous l'effet du champ électrique provoqué. Ces jonctions P/N sont obtenues soit par épitaxie, soit par diffusion. Des déflecteurs ou des modulateurs peuvent être également constitués, au sein des couches conduisant la lumière, par des régions très dopées localisées de part et d'autre du trajet du faisceau lumineux, respectivement de type N et de type P ; une diode P/I/N est ainsi formée et sa polarisation en inverse permet une modification sensible de la direction de propagation ou de l'intensité du rayonnement lumineux. L'invention concerne également un procédé de réalisation des dispositifs de couplage tels qu'ils viennent d'être spécifiés. Ce procédé, selon lequel les éléments constituant un dispositif sont réalisés par dépôts épitaxiques successifs, est remarquable principalement en ce que, sur la surface d'un substrat monocristallin on dépose par épitaxie une succession de couches susceptibles de former des éléments du dispositif, on procède ensuite au décapage localisé des couches déposées, jusqu'au substrat, en épargnant les plages correspondant auxdits éléments et on termine au moins le traitement de décapage de façon qu'un oxyde soit formé par dépôt ou croissance, exclusivement sur les flancs des portions de couches épitaxiales qui subsistent, en sorte qu'un dépôt épitaxique puisse sty former, et on procède au dépôt épitaxique sur les parties de surface de substrat mises à nu, d'une succession de couches susceptibles de former d'autres éléments du dispositif, les successions de couches étant déterminées en épaisseur de façon que les couches actives des différents éléments soient coplanaires. Le dépôt d'oxyde subsistant sur les flancs des portions de couches épitaxiales est destiné à assurer l'isolement entre les éléments. En outre, les surfaces latérales mises à nu par le prenier décapage et recouvertes d'oxyde ne pouvant donner lieu à la croissance d'une couche épitaxiale, le second dépôt épitaxique mentionné ci-dessus permet de former des couches planes, parallè- les à la surface du substrat mise a nu. De préférence, le second dépôt épitaxique est poursuivi jusqu a atteindre le niveau du prenier dépôt, de façon que le dispositif présente une surface supérieure plane sur laquelle sont déposées des couches métalliques de prises de contact. Lorsque la jonction d'un élément est obtenue par épitaxie, les dépôts sont réalisés avec addition des dopants adéquats dans la solution d'épitaxie. Lorsque la jonction d'un élément est une jonction diffusée, la diffusion est effectuée de préférence après les divers dépôts épitaxiques, les profondeurs de jonction pouvant être déterminées pour que les couches actives des différents éléments soient copla naires. Eventuellement, après le second dépôt épitaxique précité, un nouveau décapage localisé est effectué, déterminant de nouvelles limites de régions, par exemple des parois de conduits de lumière. Il est possible également que ce nouveau décapage détermine la mise à nu de parties de substrat sur lesquelles, après une croissance d'oxyde sur les flancs subsistant, on peut procéder au dépôt épitaxique d'une autre succession de couches formant d'autres éléments constituants du dispositif. La description qui va suivre en regard des dessins annexés fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 est une coupe schématique, selon la ligne AA de la figure 3, d'un dispositif de couplage dans une première forme de réalisation. La figure 2 est une coupe schématique selon la ligne BB de la figure 3, du même dispositif. La figure 3 est une vue en plan du même dispositif, vu au niveau de la ligne CC de la figure 2. La figure 4 est une vue en plan d'un dispositif de couplage comportant deux liaisons optiques, dans une seconde forme de réalisation, vu au niveau de la ligne EE de la figure 5. La figure 5 est une coupe schématique du dispositif de la figure 4, selon la ligne de coupe DD. Le dispositif représenté en coupe schématique sur les figures 1 et 2, et en plan sur la figure 3, comprend trois éléments : une diode émettrice de rayonnements, une diode photoréceptrice et une région de transmission avec des moyens de modulation de cette transmission. Les trois éléments sont réalisés sur un substrat 1 fait d'un matériau semiconducteur d'un premier type de conductivité. La diode émettrice est constituée par une succession de couches épitaxiales déposées sur le substrat 1 et formant une première région 2 faite d'un matériau semiconducteur de même type de conductivité que le substrat, une deuxième région 3 de type de conductivité opposé à celui de la région 2, de faible épaisseur, faite d'un matériau semiconducteur présentant des propriétés d'électroluminescence et dont la largeur de bande interdite est plus petite que celle du matériau de la région 2, une troisième région 4 faite du môme matériau que la région 2 mais de type de conductivité opposé. La diode réceptrice est aussi constituée par une succession de couches épitaxiales déposées sur le substrat 1 et formant une première région 5 faite d'un matériau semiconducteur de môme type de conductivité que le substrat, une deuxième région 6 de type de conductivité opposé à celui de la région 5, faite d'un matériau semiconducteur photosensible au moins pour le rayonnement émis par la région 3, les régions 3 et 6 étant sensiblement coplanaires, une troisième région 7 faite du môme matériau que la région 5 mais de type de conductivité opposé. Entre la diode émettrice et la diode photoréceptrice se trouve une zone de transmission de la lumière formée par une succession de couches épitaxiales déposées sur le substrat 1 : une première couche 8 faite d'un matériau semiconducteur fortement dopé du môme type de conductivité que le substrat, une deuxième couche 9 faite d'un matériau compensé semi-isolant dont la largeur de bande interdite est plus grande que celle du matériau de la région 3 et dont l'indice de réfraction, pour la longueur d'onde émise, est supérieur à celui du matériau de la couche 8 et d'une troisième couche 10, faite d'un matériau semiconducteur fortement dopé du type de conductivité opposé à celui de la couche 8 mais de même largeur de bande interdite. La région 3 et une partie au moins de la couche 9 sont coplanaires. La diode émettrice et la diode réceptrice sont isolées de la zone de transmission par des parois isolantes 12 constituées par une couche mince d'oxyde des matériaux voisins, qui peut être obtenue par exemple à l'issue d'une opération de décapage de localisation. Latéralement, la diode émettrice, la diode réceptrice et la zone de transmission sont limitées par un décapage donnant au dispositif la forme de mesa, les parties décapées étant éventuellement revêtues d'un matériau 17 opaque ou réfléchissant ou d'indice de réfraction plus faible que celui des matériaux des diodes et de la zone de transmission. La surface du dispositif est recouverte d'une couche mince isolante d'oxyde Il dans laquelle sont ouvertes des fenêtres destinées à la prise de contact sur les différents éléments du dispositif : une fenêtre 18 pour la diode émettrice, une fenêtre 20 pour la diode réceptrice, une fenêtre 19 pour la modulation de la transmission dans la zone 9. Les polarisations nécessaires sont appliquées par l'intermédiaire de connexions constituées de dépôts métalliques 13 pour la diode émettrice, 14 pour la diode réceptrice, 15 pour la modulation de la transmission. Un dépôt métallique 16 sur le substrat 1 forme une connexion commune aux différents éléments. La diode P/N émettrice est polarisée en direct, la diode P/N réceptrice est polarisée en inverse, la diode PiN constituée par les couches 8, 9, 10 reçoit une tension de modulation, l'injection de porteurs libres lorsque la diode est polarisée en direct modifiant l'absorption. Le dispositif représenté en plan sur la figure 4, dont la figure 5 constitue une vue partielle en coupe selon la ligne DD, comprend un élément émetteur central, deux éléments récepteurs de part et d'autre, avec interposition de deux éléments de transmission avec modulation. Le dispositif est représenté sur la figure 4 au niveau de la ligne EE de la figure 5. Le dispositif comprend un substrat 21 d'arséniure de gallium Ga As de type de conductivité N. Sur le substrat 21 on a déposé une première couche épitaxiale 22 d'arséniure de gallium et d'aluminium Gal,xA1,As avec x de l'ordre de 0,2, puis une deuxième couche épitaxiale 23 d'arséniure de gallium et d'aluminium Gal,xAlxAs avec x de l'ordre de 0,1, puis une troisième couche épitaxiale 24 d'arséniure de gallium et d'aluminium Ga1#xAlxAs avec x de l'ordre de 0,2 et une quatrième couche épitaxiale 25 d'arséniure de gallium Ga As. Toutes ces couches sont de type de conductivité N et sont localisées en forme de mésas par décapage après dépôt de façon à ménager des parties de surface plane 50 du substrat.Sur le flanc des couches 22 à 25, on fait croître des parois minces 36 d'oxyde isolant et transparent, qui permettent une croissance plane régulière de dépôts épitaxiques sur la surface plane 50 du substrat, où l'on fait croître une couche épitaxiale localisée 26 d'arséniure de gallium et d'aluminium Ga1#xAlxAs avec x de l'ordre de 0,3, de type de conductivité N+, fortement dopée, puis une couche épitaxiale 27 d'arséniure de gallium et d'aluminium Ga1~xAlxAs avec x de l'ordre de 0,2, de type compensé semi-isolant, puis une couche épitaxiale 28 d'arséniure de gallium et d'aluminium Ga1~xAlxAs avec x- de l'ordre de 0,3, également de type compensé semi-isolant. Les épaisseurs des différentes couches sont déterminées pour que la couche 23 et une partie au moins de la couche 27 soient coplanaires. Une diffusion localisée de zinc donnant le type de conductivité P est effectuée dans les couches 23, 24 et 25, de part et d'autre des portions de couches localisées telles que 26, 27 et 28. On obtient ainsi des régions diffusées de type P dont les parties supérieures telles que 31 et 34 présentent une concentration élevée et sont destinées à améliorer les prises de contact. Des régions diffusées 32, 33, 34 sont destinées à former une diode électroluminescente, la jonction entre la région 32 et la couche 23 sous jacente, polarisée en direct, étant électroluminescente. Des régions diffusées telles que 29, 30, 31 sont destinées à former les deux diodes de détection du rayonnement émis par la diode précédente, les jonctions entre les régions telles que 29 et la couche 23 sous-jacente, polarisées en inverse, étant photosensibles. Une diffusion localisée d'impuretés donnant le type de conductivité P est également effectuée dans la couche 28. On obtient ainsi des régions diffusées de type P telles que 35 qui, avec les couches 27 et 26 sous-jacentes forment des diodes PiN permettant par injection de porteurs dans la couche semi-isolante 27, de modifier l'absorption que cette couche présente pour le rayonnement émis par la diode 32123. Le dispositif est recouvert d'une couche d'oxyde ou de nitrure de silicium 37, dans laquelle sont ouvertes des fenêtres de prise de contact. Sur la vue en plan de la figure 4 sont représentés les contours des régions diffusées de la diode émettrice 34 des diodes détectrices 31 et 47, des diodes de modulation 35 et 48, ainsi que le contour des ouvertures de prise de contact : 42 pour la diode émettrice, 44 et 45 pour les diodes détectrices, 43 et 46 pour les diodes de modulation. Les contacts sont pris sur chacune des diodes au moyen de dépôts métalliques tels que 38 pour la diode émettrice, 40 pour les diodes détectrices, 39 pour les diodes de modulation, une électrode commune étant prévue en 41 sur le substrat 21. R E V E N I C A# T I D N S 1. Dispositif semiconducteur a couplage lumineux comprenant au moins, dans un môme corps cristallin, une diode électroluminescente, une diode photosensible, les jonctions desdites diodes étant sensiblement coplanaires, et une zone intermédiaire de transmission de la lumière entre lesdites diodes, caractérisé en ce que les diodes électroluminescente et photosensible, ainsi que ladite sone de transmission coplanaire avec les parties actives desdites diodes et limitée, au moins verticalement, par des milieux d'indice de réfraction plus faible, sont constituées par des régions planes formées localement dans des dépôts épitaxiaux de matériaux de compositions différentes superposés sur un substrat monocristallin, lesdites régions étant isolées latéralement les unes des autres par des couches minces d'oxyde desdits matériaux, le dispositif comportant des moyens électro-optiques d'action sur la transmission par ladite zone. 2. Dispositif semiconducteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le matériau de la couche sous-jacente à une partie active a une composition correspondant à une largeur de bande interdite plus grande que celle du matériau de ladite partie active 3. Dispositif semiconducteur selon l'une des revendications I et 2 caractérisé en ce que la couche recouvrant une partie active est une couche de matériau à largeur de bande interdite plus grande. 4. Dispositif semiconducteur selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que des parties actives sont limitées latéralement par des zones de matériau à largeur de bande interdite différente. 5. Dispositif semiconducteur selon lune des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que des parties actives sont limitées latéralement par la présence d'un milieu contigu d'indice de réfraction sensiblement plus faible. 6. Dispositif semiconducteur selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que les matériaux des couches epi- taxiales sont à structure de bande directe et dopés avec des impuretés d'énergies d'ionisation très faibles, les diodes électroluminescente et photodétectrice étant formées de régions localisées dans les mêmes couches épitaxiales et ayant même composition, même dopage et même épaisseur. 7. Dispositif semiconducteur selon l'une des revendications l à 6 caractérisé en ce que la couche de transmission entre les diodes émettrice et réceptrice est constituée par un dépôt épitaxique de matériau composé de largeur de bande interdite plus petite que celle du matériau des couches entre lesquelles elle est comprise et plus grande que celle du matériau de la couche active desdites diodes. 8. Dispositif semiconducteur selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que les matériaux de couches à largeurs de bande interdite différentes sont des matériaux composés des mêmes constituants en concentrations différentes. 9. Dispositif semiconducteur selon ltune des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que les portions de couches épitaxiales ayant fonction de guide de lumière sont constituées par des dépôts de matériau semi-isolant compris entre des portions de couches déposées faites d'un matériau de plus faible résistivité. 10. Dispositif semiconducteur selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que les moyens permettant d'agir sur la transmission de la lumière entre émetteurs et récepteurs sont constitués par des jonctions P/N polarisées. 11. Procédé de réalisation d'un dispositif conforme à l'une des revendications I à 10 caractérisé en ce que, sur la surface d'un substrat monocristallin on dépose par épitaxie une succession de couches formant les éléments du dispositif, on décape localement les couches déposées jusqu'au substrat en épargnant les plages correspondant auxdits éléments et on fait croître une couche mince d'oxyde exclusivement sur les flancs des portions de couches qui subsistent et on dépose par épitaxie sur les surfaces de substrat mises à nu une succession de couches formant d'autres éléments du dispositif, les épaisseurs étant déterminées pour que les couches actives soient coplanaires. 12. Procédé selon la revendication Il caractérisé en ce que après le dépôt épitaxique de la seconde succession de couches, on effectue un nouveau décapage localisé mettant à nu d'autres parties de substrat sur lesquelles on dépose par épitaxie une autre succession de couches formant d'autres éléments du dispositif.