Brevet FR2520158A1 — publié le 19830722

On fabrique les circuits logiques rapides avec des puces de semiconducteur de plus en plus grandes et com- plexes A l'heure actuelle, ces puces de semiconducteur con- sistent entièrement en dispositifs électroniques Si ces pu- ces continuent d'être complètement électroniques, la vitesse à laquelle elles pourront traiter des signaux externes sera limitée par le temps nécessaire pour transmettre des signaux électriques d'une partie de la puce à une autre La constan- te de temps RC du dispositif d'attaque et le conducteur de connexion relativement long sur la puce seront les facteurs principaux dans la détermination de la vitesse de la puce. On pourrait faire fonctionner beaucoup plus rapidement un circuit intégré complexe rapide si la transmission des si- gnaux sur la puce s'effectuait au moyen d'un signal optique. Fondamentalement, on peut remplacer le conducteur par un gui- de d'ondes optique, avec une source ou un émetteur optique à une extrémité du guide d'ondes et un détecteur à l'autre extrémité. L'invention procure un circuit intégré optique ra- pide multicouche dans lequel au moins trois groupes séparés de couches semiconductrices sont fabriqués sur un substrat, et chaque groupe est optimisé pour accomplir l'une des trois fonctions de dispositif optique suivantes: émission, trans- mission ou détection Chaque groupe de couches comporte une couche principale et une ou plusieurs couches secondaires au-dessus et au-dessous de la couche principale, avec éven- tuellement l'exception qui consiste en ce que la couche principale située au niveau le plus élevé est susceptible de se trouver sur la surface du dispositif Les couches secon- daires ont une énergie de bande interdite plus élevée et donc un indice de réfraction inférieur à celui de la couche prin- cipale du m 9 me groupe Dans le mode de réalisation décrit, une seule couche constitue la couche secondaire pour deux groupes de couches et fait ainsi fonction de couche secondai- re pour une couche principale située aussi bien au-dessus qu'au-dessous de la couche considérée. Les trois couches principales, qu'on utilise pour produire une émission optique, une transmission optique et une détection optique, ont une relation très particulière en- tre leurs énergies de bande interdite La couche principale utilisée pour produire un guidage d'ondes ou une transmission optique est fabriquée de façon qu'elle ait la plus grande énergie de bande interdite E 1 On fait en sorte que la couche principale utilisée pour produire l'émission optique ait une énergie de bande interdite E 2 qui soit inférieure à E 1 Enfin, on fabrique la couche principale qui est utilisée pour pro- duire la détection optique de façon qu'elle ait une énergie de bande interdite E 3 qui soit inférieure à l'énergie de bande interdite de la couche principale qui produit l'émission opti- que On peut exprimer ces conditions par la relation mathéma- tique suivante: E 1 > E 2 > E 5. Dans le mode de réalisation décrit, l'invention est misé en oeuvre dans une puce de semiconducteur fabriquée avec le système de matières In Ga As P On fait croître initialement deux couches supplémentaires sur le substrat de phosphure d'indium, pour permettre la fabrication de dispositifs con- sistant en transistors à effet de champ (TEC), qu'on utilise pour alimenter la source optique et pour amplifier les signaux optiques détectés Dans d'autres modes de réalisation, on peut fabriquer les dispositifs électriques à partir de couches qui sont utilisées en tant que couches principales et secondaires de la partie optique du dispositif à semiconducteur. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une vue de dessus d'un circuit inté- gré optique multicouche qui utilise l'invention, la figure 2 est une coupe d'un circuit intégré opti- que multicouche construit conformément à l'invention, la figure 3 est une vue de dessus du dispositif re- présenté sur la figure 2, La figure 4 est un schéma du dispositif représenté sur les figures 2 et 3, La figure 5 est un tableau de couches semiconduc- trices représentées sur la figure 2, qui donne la composition de chacune de ces couches, et la figure 6 est un schéma en coupe de la partie de guide d'ondes de la puce de semiconducteur représentée sur les figures 2 et 3. Ia figure 1 montre une puce de semiconducteur 10 sur laquelle on a fabriqué un circuit électronique intégré complexe 11 Comme il est indiqué sur la figure 1, on peut utiliser un transistor à effet de champ 15 pour appliquer électriquement un signal présentsur la puce à un dispositif émetteur de lumière 16 qui convertit à son tour ce signal électrique en un signal optique Le signal optique est trans- mis par un guide d'ondes optique 17 à un photodétecteur 18 qui applique à son tour un signal électrique à la grille d'un transistor à effet de champ 19 De cette manière, un signal optique provenant de la partie inférieure gauche de la puce de semiconducteur 10 peut 9 tre transmis rapidement à la par- tie inférieure droite de la puce de semiconducteuro On a déjà proposé l'appellation "photonique" pour le domaine te- chnique qui correspond à la combinaison de circuits optiques et électroniques sur un seul dispositif à semiconducteur. Des couplages électro-optiques similaires d'une partie de la puce vers une autre peuvent être réalisés par d'autres sour- ces, guides d'ondes et détecteurs dans d'autres régions de la puce de semiconducteur 10. la figure 4 montre un schéma du circuit type qui est constitué par les éléments 15-19 sur la figure 1 Cormme il est indiqué sur la figure 4, un signal électrique est ap- pliqué à la grille du transistor à effet de champ dont la source est polarisée et dont le drain est connecté par un conducteur à une diode électroluminescente 16 La lumière que produit la diode 16 est transmise par le guide d'ondes 17 vers un photodétecteur 18 qui applique un signal électrique à la grille d'un second transistor à effet de champ 19 Le drain du TEC 19 est polarisé et sa source fournit le signal de sortie qu'on peut utiliser dans la seconde zone de lapuce de semiconducteur. Conformément à l'invention, les fonctions représen- tées sur la figure 4 sont obtenues au moyen d'un circuit in- tégré optique multicouche qui est représenté sur la figure 2 o la fabrication du dispositif représenté sur la figure 2 est effectuée conformément au tableau présenté sur la figure 5, en utilisant des procédures qu'on décrira par la suite On peut dire brièvement qu'on fabrique la couche principale 207 avec une bande d'énergie qui convient pour la génération d'énergie optique Du fait de la forme biseautée de la couche principale 210 et de la couche de gaine 211 qui se trouve au- dessus d'elle dans le dispositif représenté sur la figure 2, une partie de l'énergie optique provenant de la couche 207 est transmise dans la couche 210 qui fait à son tour fonction de guide d'ondes entre deux sections du circuit intégré opti- que multicouche A l'extrémité éloignée de la couche principa- le 210, on utilise un biseau similaire dans la couche 210 et la couche de gaine 211 pour réfléchir l'énergie optique guidée vers le bas, à travers les couches du dispositif de la figure 2, en direction d'une couche principale 205 qui est fabriquée de façon à avoir une bande interdite plus étroite que les deux autres bandes interdites, et peut donc faire fonction de détecteur de l'énergie optique Comme indiqué sur la figure 5, les couches principales qui assurent l'émission, la détection et le guidage sont entourées par des couches secondaires qui ont des énergies de bande interdite plus élevées et donc des indices de réfraction plus faibles. La fabrication du dispositif commence par la crois- sance des couches épitaxiales 202-211 représentées sur la fi- gure 2 et spécifiées sur la figure 5, sur un substrat de phos- phure d'indium 201 L'épaisseur, le dopage et la composition de chacune des couches sont indiqués sur la figure 5 On peut effectuer cette croissance par épitaxie en phase liquide, en utilisant les techniques classiques de croissance de semicon- ducteurs Comme indiqué sur la figure 5, la tranche qui en résulte consiste en couches alternées de type p et de type n et en groupes de couches ayant des épaisseurs variables et des compositions chimiques variables, pour donner les diffé- rentes énergies de bande interdite. Dans le mode de réalisation décrit, les régions du dispositif qui sont destinées à être utilisées pour l'émission et la détection optiques sont ensuite isolées par diffusion 2520 158 de zinc à travers un masque pour créer des régions de couches de type N qui sont complètement entourées par de la matière de type p Ces régions de matière de type N sont complètement entourées par de la matière de type p de forme annulaire, com- me le montrent les régions 220 et 221 sur la figure 2 La structure de ces régions est également représentée sur la fi- gure 3 qui est une vue de dessus du dispositif représenté sur la figure 2 Comme il est indiqué sur la figure 3, les régions dopées par du zinc ont fondamentalement une forme annulaire et elles sont diffusées jusqu'à la profondeur de la couche tampon 203, comme indiqué sur la figuré 2. Pour comprendre la nécessité des opérations suivan- tes dans le traitement de la puce de semiconducteur, il con- vient de comprendre tout d'abord une caractéristique de l'in- vention qui concerne un procédé original de guidage des ondes lumineuses d'une zone de la puce à une autre Ce procédé ori- ginal fait intervenir une structure de guide d'ondes chargée par une nervure, du type représenté sur la figure 6 Comme il est indiqué sur la figure 6, la couche 210 a une largeur fi- nie par rapport à la couche 209 et la lumière est guidée dans la couche 210 uniquement sous la région de cette couche qui est chargée par la couche de gaine supérieure 211 Pour con- finer la lumière guidée dans un seul mode, on choisit l'épais- seur t de la couche 210 égale à 0,5 micromètre, dans le mode de réalisation considéré Dans ce mode de réalisation, dans lequel les couches 209 et 211 sont fabriquées en phosphure d'induim, l'indice de réfraction de ces couches est approxi- mativement égal à 1,35 En utilisant les équations de la théo- rie de la propagation des ondes guidées dans le mode de lame, on peut calculer l'indice de réfraction pour la couche 210 et cet indice détermine la composition de la couche 210 qui est indiquée sur la figure 5 En utilisant les équations de l'ar- ticle de H W Kogelnik dans le livre intitulé Integrated Optice par T Tamir, Springer-Verlag, 1975, pages 23-24, on peut calculer la valeur minimale de l'épaisseur qui supporte la propagation monomode dans ce type de guide d'ondes Dans le cas présent dans lequel les couches ont la composition in- diquée sur la figure 5, cette valeur d'épaisseur minimale est approximativement égale à 0,3 micromètre La valeur de la largeur, w, de la couche de gaine 211, établissant la charge par une nervure, qui limite la propagation à un seul mode, peut 9 tre déterminée le mieux de façon expérimentale mais la théorie prévoit que cette largeur tombera dans la plage de 2 à 5 micromètres. Avec les paramètres indiqués ci-dessus pour les couches 209, 210 et 211, la lumière peut Ctre déviée hors du guide d'ondes vers un niveau inférieur sur la puce de semi- conducteur en formant par attaque un biseau, comme il est représenté sur la figure 2, qui descend sur les couches 210 et 211 Si ce biseau traverse entièrement la couche 210, la lumière sera réfléchie par réflexion interne totale Il faut cependant noter qu'il suffit que le biseau traverse la couche 211 et pénètre au moins en partie dans la couche 210 jusqu'à une épaisseur qui est approximativement égale à la moitié de l'épaisseur nécessaire pour supporter la propagation monomode. Il suffif que la couche 210 soit suffisamment large pour dé- finir de chaque coté de la couche 211 une région égale à la moitié environ de la couche 211. Après croissance des couches semiconductrices re- présentées sur la figure 2 et implantation des régions 220 et 221, dopées par du zinc, on peut poursuivre le traitement de la puce de semiconducteur en formant dans les couches 210 et 211 les structures du type nervure qui sont représentées sur la figure 6 On fabrique ces bandes de guide d'ondes à nervu- re pour les couches 210 et 211 en utilisant la photolithogra- phie -pour masquer les zonés des bandes, puis en utilisant une combinaison d'attaque par plasma ionique et réactive ou une attaque chimique pour effectuer une attaque traversant les couches 21 O et 211 On utilise ensuite une autre opération de photolithographie pour masquer la totalité de la tranche, sauf les zones proches des extrémités des bandes de guide de lumière On utilise ensuite une attaque chimique qui produit une extrémité biseautée sur les couches 210 et 211 et procure donc un couplage optique entre les extrémités du guide de lu- mière et les couches de source et de détecteur qui se trou- vent au-dessous. Du fait des différences de bande interdite entre les diverses couches, il est possible d'utiliser des agents d'attaque sélectifs qui attaquent rapidement un type de cou- che et ralentissent de façon appréciable lorsqu'ils atteignent la couche suivante Il existe plusieurs documents susceptibles de guider le fabricant du dispositif dans l'accomplissement de ces opérations On pourra voir par exemple les documents- suivants: J Electrochem Soc: Solid-State Science and Technology, Vol 126, no 2, février 1979, "Material-Selective Chemical Etching in the System In Ga As P/In P", par S B Phatak et col, pages 287-292; Japanese Journal of Applied Physics, Vol 19, n O 1, janvier 1980, "Chemical Etching of In P and Ga In As P For Fabricating Laser Diodes and Integrated Optical Circuits", par T Kambayash et colo, pages 79-85; J. Electrochem Soc: S Qlid State Science, vol 118, no 5, mai 1-971, "Selective Etching of Gallium Arsenide Crystals in H 2504-H 202-H 20 System", par S Lida, pages 768-771. On utilise ensuite un masque de photolithographie pour recouvrir toutes les zonessauf celles dans lesquelles la couche suivante, 209 sur la figure 2, doit etre enlevée. On enlève ensuite les couches 209, 210 et 211 aux endroits auxquels elles sont à nu On utilise ensuite un nouveau mas- que de photolithographie pour recouvrir toutes les zones sauf aux endroits auxquels la couche suivante, 208 sur la figure 2, doit 9 tre enlevée, et on enlève ensuite la couche 208 par attaque, là o elle est à nu. On répète ce processus pour les couches restantes, 207 à 202, sur-la figure 2. On dépose ensuite sur la tranche une pellicule dié- lectrique isolante 231, par exemple 300 nm de Si O, et on la recouvre d'un masque de photogravure sauf aux endroits aux- quels on désire des trous pour établir le contact électrique avec les couches semiconductrices, aux points qui ont été mis à nu par les opérations d'attaque précédentes On forme ces trous par attaque dans le diélectrique, et on évapore sur la tranche des pellicules conductrices en métal 212 et 213 (consistant en une combinaison de 100 nm de chrome et de 400 nm d'or) On utilise ensuite un masque de photolithogra- phie pour recouvrir les bandes de métal utilisées pour l'in- terconnexion électrique, et on fait disparaître par attaque le métal situé hors de ces bandes. On soumet ensuite la tranche à un traitement ther- mique (alliage) pour améliorer le contact ohmique entre le métal et le semiconducteur Enfin, on sépare les puces indi- viduelles et on les monte dans des bottiers. Ce qui a été décrit ci-dessus ne constitue qu'un exemple de réalisation de l'invention L'homme de l'art peut y apporter de nombreuses modifications sans sortir du cadre de l'invention Par exemple, la couche de gaine supérieure 211 peut 4 tre complètement absente, en particulier dans les cas dans lesquels on prévoit que la couche de guidage prin- cipale 210 guidera plus d'un seul mode Dans ces cas, la couche principale 210 peut être exposée à l'air ou recouver- te par la pellicule d'oxyde 231. Z 20153 REVENDICATIONS 1 Dispositif électro-optique intégré comprenant un substrat sur lequel on a fait croître un ensemble de cou- ches épitaxiales, caractérisé en ce que trois au moins des couches de l'ensemble de couches épitaxiales sont des couches principales ( 205, 207 et 210), une première couche principale ( 205) étant formée avec une bande interdite qui convient pour la détection optique, une seconde couche principale ( 207) étant formée avec une bande interdite plus large qui convient pour la génération de lumière pouvant être détectée par la première couche principale, et une troisième couche principa- le ( 210) étant formée avec une bande interdite qui est supé- rieure à la bande interdite de la première ou de la seconde couche principale, deux régions ( 220, 221) au moins de l'en- semble de couches étant isolées électriquement; et il existe une première structure d'électrode ( 213) qui est destinée à établir une connexion électrique avec la première couche principale dans l'une des deux régions, et une seconde struc- ture d'électrode ( 212) qui est destinée à établir une conne- xion électrique avec la seconde couche principale dans une seconde des régions qui sont au moins au nombre de deux, et les première, seconde et troisième couches principales com- portent au moins une c ouche barrière ( 206, 209) entre des couches principales adjacentes, avec une bande interdite su- périeure à celles des deux couches principales adjacentes. 2 Dispositif électro-optique intégré selon la re- vendication 1, caractérisé en ce que la première couche prin- cipale est la couche principale qui est la plus proche du substrat ( 201), et la troisième couche principale est la cou- che principale qui est la plus éloignée du substrat. 3 Dispositif électro-optique intégré selon la re- vendication 2, caractérisé en ce que l'ensemble de couches épitaxiales comprend une couche en forme de bande réalisée sous la forme d'une nervure surmontant la troisième couche principale, et la largeur de cette couche en bande est choi- sie de façon à confiner à un nombre prédéterminé de modes la lumière qui est guidée dans la troisième couche principale. 4 Dispositif électro-optique intégré selon la re- vendication 3, caractérisé en ce que la couche en bande et la troisième couche principale se terminent au moins en un point par un biseau qui entraîne la déflexion de la lumière guidée à l'intérieur de la troisième couche principale vers les couches épitaxiales inférieures du circuit électro-opti- que intégré. 1 5 Dispositif électro-optique intégré selon la re- vendication 4, caractérisé en ce que les deux régions, au moins, sont électriquement isolées par un agent de dopage qui a été diffusé dans les couches épitaxiales du dispositif, et' en ce que le biseau qui termine la couche en bande et la troisième couche principale se trouve à l'intérieur de l'une au moins de ces deux régions. E Dispositif électro-optique intégré selon la re- vendication 1, caractérisé en ce que le substrat consiste essentiellement en indium et en phosphore, et les couches épitaxiales consistent essentiellement en éléments choisis dans le groupe comprenant l'indium, le phosphore, la gallium et l'arsenic. 7 Dispositif électro-optique intégré selon la re- vendication 6, caractérisé en ce que l'ensemble de couches épitaxiales qu'on a fait crottre sur le substratcomprend au moins deux couches épitaxiales adjacentes au substrat qu'on. a fait croître avec des caractéristiques de dopage qui con- viennent pour la fabrication de dispositifs électriques. 8 Dispositif électro-optique intégré selon la re- vendication 7, caractérisé en ce que les couches épitaxiales adjacentes au substrat comprennent au moins une couche qu'on a fait croître pour qu'elle présente un dopage intrinsèque.