Brevet FR2484710A1 — publié le 19811218

L'invention se rapporte à une diode électroluminescente et à son procédé de fabrication. De tels composants électroniques sont couramment utilisés comme source d'énergie lumineuse dans les systèmes de liaisons par.fibres optiques. Ces systèmes sont mis en oeuvre pour assurer des télécommunications par voie optique dans de nombreux domaines. A titre d'exemples non limitatifs, on peut citer les transmissions téléphoniques ou télex, la télématique ou la télédistribution. Pour les transmissions sur de longues distances , des fibres optiques à très faibles pertes linéiques sont utilisées. Un soin particulier doit être également apporté aux couplages entre fibres d'une part, et d'autre part, entre les fibres et les organes optoélectroniques d'émission et de détection de l'énergie lumineuse transmise par ces fibres optiques. Ces couplages doivent être maxima de façon à limiter le plus possible les pertes. Enfin un procédé de transmissionade données décrit dans la demande de brevet déposée ce jour par la demanderesse et intitulée: "SYSTEME DE LIAISONS BIDIRECTIONNELLES PAR FIBRE OPTIQUE" permet d'établir des liaisons bidirectionnelles en n'utilisant qu'une seule fibre optique. Pour ce faire, une première liaison unidirectionnelle, dans un premier sens, est établie en transmettant une vibration lumineuse de façon conventionnelle par le coeur de la fibre optique, et une seconde liaison unidirectionnelle, en sens contraire, est établie en transmettant une vibration lumineuse par une autre région de la fibre optique. On sait en effet qu'une fibre optique comprend un coeur et diverses gaines ou supports entourant ce coeur, d'indices de réfraction optique différents de celui du coeur, les indices de réfraction de ces diverses régions étant en outre différents les uns des autres. Il s'en suit que l'on peut capter et guider des vibrations lumineuses dans une ou plusieurs régions de la fibre optique en plus de son coeur. Pour obtenir un couplage optimum, il est nécessaire que la source émettant ces dernières vibrations lumineuses soit de forme adaptée à celle de la zone de captation, c'est-à-dire à une zone de forme annulaire. Enfin il ne doit pas y avoir de diaphonie entre les différentes vibrations lumineuses qui se propagent simultanément dans la fibre optique. L'invention se propose de répondre aux besoins qui viennent d'être évoqués L'invention a donc pour objet une diode electroluminescente comprenant un substrat plan en matériau semiconducteur d'un type de conductivité donné sur lequel ont été déposées des couches épitaxiales en matériaux semiconducteurs dopés; ces couches comprenant une première couche de confinement, une seconde couche de confinement, une couche active comprise entre ces deux couches au sein de laquelle se réalise une recombinaison d'électrons et de trous injectés par les première et seconde couches de confinement émettant une radiation de longueur d'onde déterminée et une couche superficielle fortement dopée destinée à assurer un contact ohmique; diode principalement caractérisée en ce qu'un premier évidement central est réalisé dans le substrat, d'axe orthogonal au plan du substrat, de façon à permettre le positionnement au sein du substrat d'une première fibre optique d'un premier diamètre et en ce qu'un second évidement, de même axe que celui-ci, est réalisé dans les couches épitaxiales de façon à permettre l'accès d'une deuxième fibre optique d'un second diamètre extérieur et son couplage optique à la première fibre optique, le premier diamètre étant supérieur au second diamètre. L'invention a encore pour objet le procédé de-fabrication d'une telle diode électroluminescente . L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à raide de la description qui suit en référence aux figures annexees: - La figure 1 illustre schématiquement un système de liaisons bidirectionnelles par une fibre optique unique. - La figure 2 est une coupe de la diode électroluminescente de l'invention . La diode électroluminescente selon l'invention étant destinée à être mise en oeuvre dans le cadre de transmissions de données par fibres optiques, il est utile de rappeler la structure d'une fibre optique. Un des procédés les plus couramment utilisés pour obtenir une fibre optique est le procédé dit "MCVD", de ltexpression anglo-saxonne : "Modified chemical vapor deposition" qui peut se traduire par "procédé modifié de dépôt en phase gazeuse". Une telle fibre est principalement constituée d'un coeur entouré d'une gaine optique, d'un tube support et d'une gaine de protection. Il existe deux types de fibres: des fibres optiques du type dit multimode, le plus souvent à gradient d'indice, pour lesquelles le diamètre de coeur est typiquement de 50 /um et le diamètre extérieur de la gaine optique est de 70/plu. - des fibres du type dit monomode, le plus souvent à saut d'indice, pour lesquelles le diamètre de coeur est compris entre 5 et 10/um et le diamètre extérieur de la gaine optique est d'environ 4Ojum. Le diamètre extérieur du tube support, le plus souvent en silice pure, est d'environ 125 /um et le diamètre extérieur de la gaine de protection, en silicone par exemple, est de l'ordre de 300 1um. De façon classique le tube support est en silice pure d'indice de réfraction nS. Si on appelle nl, n2 et n3 les indices de réfractions respectifs du coeur de la gaine optique et de la gaine de protection, la relation suivante est vérifiée dans le cas de fibres optiques à saut d'indice conventionnelles: n1 > n3 > n2 > n4 Dans un système classique de liaisons utilisant une fibre optique on injecte, par exemple à l'aide d'une source laser, de la lumière modulée par des informations à transmettre dans le coeur de la fibre.Du fait de la présence des différentes gaines et tube support, d'indices différents de celui du coeur et répondant à la relation précitée, cette lumière se trouve "piégée" dans le coeur de la fibre qui agit en tant que guide de lumière. - Il est possible également de guider de la lumière dans l'une des gaines ou tube support entourant le coeur, puisque les indices de réfraction optiques de ces gaines ou tube support sont différents de celui du coeur et différents entre eux. Ce procédé est décrit dans la demande de brevet précité. On peut donc par ce procédé transmettre des informations sous forme de vibrations lumineuses modulées dans un premier sens, en utilisant le coeur de la fibre, et dans un second sens, en utilisant par exemple le tube support. Il est donc possible d'obtenir des liaisons bidirectionnelles n'utilisant qu'une seule fibre optique, ce sans mettre en oeuvre des coupleurs directionnels ou en recourant à des émetteurs d'énergie lumineuse de longueurs d'onde différentes. La fibre optique utilisée peut être, soit une fibre de type "MCVD" couramment disponible sur le marché ou une fibre optique optimisée en vue de l'application envisagée.Dans ce dernier cas, on est amené à effectuer les choix suivants lors de la fabrication: - Choix systématique d'un tube support à faible atténuation optique linéaire, c'est le cas d'un tube support en silice pure. - Dopage intermédiaire de la gaine optique de façon à accentuer la différence d'indice à l'interface support-gaine optique. Comme il a été rappelé précédemment, il est nécessaire dans tous les cas dans lesquels on envisage des liaisons sur de longues distances que les pertes optiques soient les plus faibles possibles. Il est donc nécessaire, entre autre, d'optimiser le couplage optique entre les fibres optiques de liaison et les moyens optoélectroniques d'émission et de réception d'énergie lumineuse. L'ensemble optoélectronique d'émission-réception d'énergie lumineuse dans le cadre particulier du procédé de transmissions bidirectionnelles qui a été rappelé est illustré schématiquement par la figure 1. La fibre optique f est une fibre de liaison assurant ces transmissions bidirectionnelles symbolisées par des flèches. Elle comporte, comme il a été rappelé, un coeur 1 entouré d'une gaine optique 2, d'un tube support 3 et d'une gaine de protection 4. Les transmissions dans un premier sens sont assurées par le guidage de vibrations lumineuses dans le coeur 1. Le couplage optimum de la fibre de liaison avec un détecteur D, par exemple une photodiode, peut être obtenu de façon conventionnelle, ce, sans difficulté. Dans le cas présent une fibre intermédiaire fi est utilisée, de section au moins égale à la section circulaire de la zone radiante, c'est-à-dire le coeur 1 de la fibre optique f. La zone active 7 de la photodiode D, montée sur un support 8, doit simplement avoir un diamètre supérieur au diamètre extérieur de la fibre intermédiaire fi. Le couplage de la source S avec le tube support 3 de la fibre de liaison pour assurer les transmissions dans le second sens, est plus délicat à réaliser. En effet, la zone de captage étant de forme annulaire, il faut que la source S soit adaptée à cette configuration tout en laissant le passage libre à la fibre intermédiaire f. . Sur la figure 1, la source S est représentée schématiquement par un anneau 5; comportant un canal 6 pour être enfilé sur la fibre intermédiaire fi. Le diamètre extérieur de la source S doit être au moin égal au diamètre extérieur du tube support de.la fibre f. L'invention vise à répondre aux besoins évoqués et propose une diode électroluminescente dont la structure particulière permet de minimiser les pertes de couplage à l'interface entre la fibre optique de liaison et les moyens optoélectroniques d'émission-réception et éviant toute diaphonie entre les deux sens de transmission. La figure 2 représente un exemple de réalisation pratique d'une diode électroluminescente selon l'invention. Cette diode comprend un ensemble de couches épitaxiales 22 à 25 déposées sur un substrat 21 par un procédé d'épitaxie connu, comme l'épitaxie en phase liquide. Ces couches constituent entre elles des hétérojonctions. Il est donc important pour préserver leur qualité, que les mailles cristallines des matériaux des différentes couches 22 à 25 soit toutes égales à celles du substrat 21, ce avec une précision meilleure que 10-3. La fonction et l'épaisseur approximative de ces couches sont décrites ci-après: Substrat 21: Matériau semicondcteur d'un type de conductivité donné n ou p, d'épaisseur 100/um. Couche 22 : couche de confinement en semiconducteur dont la largeur de bande interdite est supérieure à celle de la couche 23 ci-après, de type de conductivité identique à celui du substrat 21 et d'épaisseur 6/um. Couche 23 : Couche active dans laquelle a lieu la recombinaison radiative des électrons et trous injectés par les couches confinantes 22 et 24, de largeur de bande interdite voisine de l'énergie des photons à émettre et d'épaisseur l/um. . Couche 24 : Couche de confinement de composition voisine de celle de la couche 22, de type de conductivité opposé et d'épaisseur 21um. Couche 25 : Couche de contact de composition et dopage tels qu'ils permettent un bon contact ohmique avec la métallisation 26 qui sera décrite ultérieurement, de préférence transparente au rayonnement émis par la couche 23. Les matériaux constituant ces couches sont décrits dans les tableaux I et Il placés en fin de description, concernant deux exemples préférés de réalisation de diodes électroluminescentes destinées à émettre dans les gammes de longueurs d'onde 0,8 à 0,9 /um et 1 à 1,7 /um respectivement. Les types de conductivité n ou p des tableaux I et il peuvent être intervertis à volonté. Les dépôts s'effectuent selon l'ordre qui vient d'être décrit. La zone active d'émission est limitée à une zone annulaire centrale respectivement 241 et 251 des couches 4 et 5 par implantation de protons dans les zones restantes, 242 et 252 respectivement. D'autres procédés comme le dépot d'une couche- d'isolant, par exemple d'alumine ou de nitrure de silicium, suivi d'une ouverture ou d'une diffusion localisée peuvent être également utilisées. Deux couches supplémentaires métalliques, respectivement 20 et 26, sont déposées de part et d'autre de l'ensemble et constituent des contacts électriques. Les ouvertures dans ces métallisations 20 et 26 sont délimitées, par des procédés de photolithographie connus, aux dimensions approximatives des cavités 27 et 28 à pratiquer au sein des différentes couches des matériaux semiconducteurs 21 à 25. Ces cavités sont réalisées par attaque chimique au moyen, par exemple, d'une solution de 1 à 3 % de brome dans de l'alcool méthylique. Du côté du substrat 21, la cavité 27 est réalisée à travers celui-ci jusqu a la couche 22, la cavité ayant un diamètre correspondant au diamètre extérieur de la fibre de liaisons f.Du côté des couches épitaxiales, la cavité 28, sous forme d'un canal débouchant dans la cavité 27, a un diamètre correspondant au diamètre extérieur de la fibre intermédiaire f.. De tels composants peuvent être effectués en série sur une plaquette semiconductrice qui est ensuite découpée comme il est connu en puces individuelles. Celles-ci sont ensuite soudées sur un support métallique 29 comportant un canal 30 permettant le passage de la fibre intermédiaire fi2. Ce support peut servir de connexion électrique, une connexion supplémentaire, C2 étant soudée sur le support 29. Il en est de même pour la connexion C1 qui est soudée sur la couche métallique 20. Ces connexions sont réalisées de manière conventionnelle. La diode électroluminescente ainsi réalisée permet simultanément un couplage optimum de sa zone émissive avec ta zone de captation de la fibre optique f, c'est-à-dire avec le tube support, un bon maintien mécanique de cette dernière fibre grâce au premier évidement 27 ainsi qu'un bon couplage entre le coeur de la fibre f et les organes optoélectroniques de détection D via la fibre intermédiaire fi, cette dernière étant positionnée correctement et maintenue mécaniquement grâce au second évidement 28.En outre une fois le couplage optique réalisé, les fibres peuvent être scellées à l'aide d'une colle et notamment pour la fibre fi par remplissage de l'évidement 30.Enfin la diaphonie entre les deux voies de transmission (coeur 1 et tube support 3) est réduite au minimum, notamment par la métallisation 26 qui empêche toute émission d'énergie lumineuse vers la fibre f sous une incidence autre qu'une incidence quasi-normale. TABLEAU I : MATERIAUX DU SYSTEME Gal-x Alx As LONGUEUR D'ONDE D'EMISSION DE 0,8 à 0,9 m concentration en 3 COUCHE N X TYPE atomes par cm 21 0,00 n 1018 22 0,35 n 1017 23 0,00 à 0,1 n ou p 1018 24 0,35 p îo17 25 0,10 à 0,20 P l018à1019 TABLEAU II: MATERIAUX DU SYSTEME GaxEl xAsyP17 AVEC x = 0,1894y/ (0,4184 - 0,013y) LONGUEUR D'ONDE D'EMISSION DE 1 à 1,7 m Concentration en 3 COUCHE Ne Y TYPE atomes par cm3 21 0 P 1018 22 0,0à0,5 p 23 0,3 à 1,0 n ou p 1018 24 0,0 à 0,5 n 25 0,0 à 1,0 n 1018 à 1019 REVENDICATIONS 1. Diode électroluminescente comprenant un substrat plan (21) en matériau semiconducteur d'un type de conductivité donné sur lequel ont été déposées des couches épitaxiales en matériaux semiconducteurs dopés, ces couches comprenant une première couche de confinement (22), une seconde couche de confinement (24), une couche active (23) comprise entre ces deux couches au sein de laquelle se réalise une recombinaison d'électrons et de trous injectés par les première et seconde couches de confinement émettant une radiation de longueur d'onde déterminée et une couche superficielle (25) fortement dopée destinée à assurer un contact ohmique; diode caractérisée en ce qu'un premier évidement central (27) est réalisé dans le substrat, d'axe orthogonal au plan du substrat, de façon à permettre le positionnement au sein du substrat d'une première fibre (f) d'un premier diamètre et en ce qu'un second évidement (28) débouchant dans le premier évidement (27), de même axe que celui-ci, est réalisé dans les couches épitaxiales de façon à permettre l'accès d'une deuxième fibre optique (fi) d'un second diamètre extérieur et son couplage optique à la première fibre optique, le premier diamètre étant supérieur au second diamètre. 2. Diode selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre des première et seconde couches supplémentaires (20, 26) constituant chacune une couche de métallisation respectivement des faces principales extérieures du substrat (21) et de la couche superficielle (25) fortement dopée ; et en ce qu'elle est disposée sur un support conducteur (29) comportant un évidement central (30) de diamètre au moins égal au second diamètre; ce support formant un contact galvanique avec la seconde couche supplémentaire de métallisation (26); 3. Diode selon l'une quelconque des revendications 1 ou 22 caractérisée en ce que l'émission de radiation de longueur d'onde déterminée est limitée à une zone annulaire de diamètre inférieur égal au second diamètre et de diamètre supérieur sensiblement égal au premier diamètre. 4. Diode selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le substrat (21) et les couches épitaxiales (22-25) sont en matériau semiconducteur de formule chimique générale Ga1 x Alx As et en ce que le tableau suivant est vérifié: - substrat (21): x = 0 - première couche de confinement (22): x = 0,35 - Couche active (23): 0$x 40,1 - seconde couche de confinement (24): x = 0,35 - couche superficielle (25): 0,1# x 5.Diode selon rune quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le substrat (21) et les couches épitaxiales (22-25) sont en matériau semiconducteur de formule chimique générale Gax In1-x As P1 y, dans laquelle la relation suivante est vérifiée x = 0,1894 y (0,4184 - 0,013 y) et en ce que le tableau est en outre vérifié: - substrat (21): y = 0 - première couche de confinement (22): 0 - couche active (23): 0,3#y cl - seconde couche de confinement (24): 0 > g y 4 0,5 - couche superficielle (25): 0% 6. Diode selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisée en ce que le substrat (21) a une épaisseur de l'ordre de 100 /um, la première couche de confinement (22) une épaisseur de Pordre de 6/um, la couche active (23) une épaisseur de l'ordre de l/um et la seconde couche de confinement (24) une épaisseur de l'ordre de 2/um et en ce que le type de conductivité de la première couche de confinement (22) est identique à celui du substrat (21), le type de conductivité de la seconde couche de confinement (24) et de la couche superficielle (25) étant de type opposé. 7. Procédé de fabrication d'une diode selon Tune quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - dépôt épitaxial sur le substrat (21) en matériau semiconducteur de la première couche de confinement (22) - dépôt épitaxial sur la première couche de confinement (22) de la couche active (23) - dépôt épitaxial sur la seconde couche de confinement (24) d'une couche superficielle fortement dopée (25) - dépôt d'une couche métallique (20,26) sur les faces externes du substrat (21) et de la couche superficielle (25) - ouverture d'une fenêtre par photogravure dans chacune des deux couches métalliques, aux dimensions respectives des premier et second diamètres - et attaque chimique pour réaliser dans le substrat (21) et les couches épitaxiales (22,25) respectivement les premier et second évidements (30). 8. -Procédé selon la revendication 79 caractérisé en ce qu'il comprend une étape supplémentaire consistant à limiter la zone active d'émission de radiations à une zone centrale d'un diamètre sensiblement égal au premier diamètre par implantation de protons dans la seconde couche de confine ment (24) et la couche superficielle (25) dans les zones (242, 252) autres que cette zone centrale (241 251). 9. Procédé selon la revendication 79 caractérisé en ce qu'il comprend une étape supplémentaire consistant à limiter la zone active d'émission de radiations à une zone centrale de diamètre sensiblement égal au premier diamètre par dépôt d'une couche de matériau isolant sur la couche superficielle et ouverture d'une fenêtre par photogravure correspondant à cette zone centrale; le matériau isolant étant choisi parmi les suivants: é alumine ou nitrure de silicium. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que l'attaque chimique s'effectue à l'aide d'une solution de brôme dans de l'alcool méthylique, la proportion de brôme étant comprise dans la gamme 1 à 3 %.