Brevet FR2562328A1 — publié le 19851004

Procédé de fabrication d'un dispositif optique intégré monolithique comprenant un laser à semiconducteur et dispositif obtenu par ce procédé. La présente invention a pour objet un procé- dé de réalisation d'un "circuit optique", ce terme dé- signant de manière générale un dispositif comprenant des couches semiconductrices aptes à créer un milieu amplificateur, un moyen pour créer un résonateur opti- que, un moyen pour extraire du milieu amplificateur le rayonnement optique stimulé et le guider vers l'exté- rieur et divers autres composants tels que des photo- détecteurs ou des modulateurs électro-optiques. De tels dispositifs trouvent une application en télécom- munications optiques. L'invention vise à obtenir un tel circuit dans une version intégrée monolithique, c'està-dire qui fait appel à une technologie commune de réalisa- tion des divers éléments et non à une technique d'as- semblage de divers composants réalisés séparément. L'une des difficultés posées par l'intégra- tion monolithique d'un laser à semiconducteur, est la réalisation du résonateur, lequel permet, combiné à la couche active formant le milieu amplificateur, l'obtention d'un rayonnement lumineux cohérent. Plu- sieurs solutions ont été retenues dans l'art anté- rieur: réalisation de deux miroirs par usinage chimi- que ou ionique; emploi de structures périodiques du genre réseaux de diffraction, disposées à l'extérieur de la couche active ou réparties dans celle-ci. Un autre problème posé par l'intégration monolithique est la nécessité de pouvoir disposer d'une couche transparente apte à servir de guide opti- que au rayonnement émis par la couche active. Le cou- plage entre cette couche active et le guide optique conduit à une redéfinition de la structure du laser. Les figures 1 à 4 annexées permettent de mieux préciser ces questions. Elles décrivent quelques structures connues qui apportent différentes solutions à ces problèmes. Le laser représenté sur la figure 1 comprend un substrat 10, une première couche de confinement 11, une couche active 12, une seconde couche de confine- ment 13, une couche de contact 14, une couche métalli- que 15 formant premier contact ohmique et une couche métallique 16, disposée sous le substrat, et formant second contact ohmique. Une couche isolante et trans- parente 17 recouvre les bords de la structure. Un guide d'onde optique 18 est déposé de chaque côté du laser. La composition et l'épaisseur des principales couches peuvent être par exemple les suivantes : Cr-Au 14: p GaAs lpm 13: p+Alo,3Gao7As 2pm 12: p+ GaAs-Si lpm 11: n+Al 3Gao As 2,5pm : n GaAs 16: Au-Sn 17: SiO 18: n GaAs 12, pm - Cette structure connue est décrite dans l'article de C. E. HURWITZ et aI intitulé "Integrated GaAs-AlGaAs Double-heterostructure Lasers" publié dans Applied Physics Letters, Vol. 27, N 4, 15 août 1975, pages 241, 243. La structure représentée sur la figure 2, comprend elle aussi, un guide d'onde optique couplé à la couche active, mais dans une disposition différente qui est celle des laser dits "Integrated Lwin-Guide-Lasers with Distributed Bragg Reflector" ou en abrégé "DBR-ITG Lasers". Tel que représenté le laser comprend un substrat 30 en InP de type n, une couche 28 en GauIn 1_uAsvP1_v (u et v 4 1), une couche de confine- ment 26 en InP de type n, une couche active 31 en GaxIn1_xAsyP1_y (x et y 41), une couche 32 en GaInAsP de type p, une couche 34 en InP de type p, une couche de contact 36 en GaInAsP, enfin une couche d'or 40. Le réseau de diffraction est constitué sur la couche de séparation 26. La couche de SiO2 24 assure l'isolement électrique. Une telle structure est décrite notamment dans l'article de K. UTAKA et aI intitulé "1.5-1.6 pm GaInAsP/InP Integrated Twin-Guide lasers with First Order Distributed Bragg Reflectors" publié dans Elec- tronics Letters" 5 juin 1980, vol. 16, N0 12. L'indice de réfraction des couches est re- présenté sur la partie gauche de la figure. On obser- vera que l'indice de la couche 28 est supérieur aux indices des couches adjacentes 26 et 30, ce qui est propice au guidage du rayonnement dans la couche 28. Comme il est également connu, le réseau de diffraction du laser peut être réparti tout au long du milieu amplificateur au lieu d'être placé. à chacune des extrémités. On obtient alors un laser dit DFB pour "Distributed Feedback". Un tel dispositif est représenté sur la figure 3. Il comprend un substrat 70 en GaAs, de type n, une couche 72 en Gao,7Alo,3As, de type n, une cou- che active 74 en GaAs de type p, une couche 76 en Ga 0,8Alo,2As de type p surmontée d'une couche 78 en Gao,93Alo,07As de type p o est formé le réseau dis- tribué, une couche 80 en Gao0,7 Alo,3As de type p, une couche 81 en Ga 0,9Alo,1As dopée de type p par diffu- sion de Zn au-dessus de la couche active et une couche conductrice 83. La sortie du rayonnement s'effectue par un guide d'onde comprenant une couche 82 en GaO 7ALo 03As de type p surmontée d'une couche 84 en GaO 9ALo,1As, non dopée en dehors de La couche active du Laser. Une telle structure est décrite par K. AIKI et aL dans un article intituLé "A Frequency Multi- plexing Light Source with Monolithically Integrated Distributed-feedback Diode Lasers" publié dans IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. QE-13, N04, AvriL 1977, pages 220-223. La figure 4, enfin, montre un dispostif optique intégré comprenant-un laser 90 et un photodé- tecteur 92, chacun de ces éléments comprenant essen- tielLement' une couche active identique, respective- ment 91 et 93. Ces couches sont couplées optiquement à un guide optique 94, selon les principes exposés plus haut. Une teLLe structure est décrite dans l'article de J. L. MERZ et aI intituLé "GaAs Integrated Optical Circuits by Wet Chemical Etching" publié dans IEEE JournaL of Quantum Electronics vol. QE-15, N 2, fé- vrier 1979, pages 72-82. Toutes ces techniques présentent des incon- vénients, soit qu'elles conduisent à un couplage mé- diocre entre la couche active et Le guide optique (va- riantes des figures 2 et 4), soit qu'elles nécessitent plusieurs opérations d'épitaxies- (variantes des figu- res 1 et 3). La présente invention a justement pour but de remédier à ces inconvénients. A cette fin, elle propose un procédé de fabrication qui ne requiert qu'une seule opération d'épitaxie et qui conduit à un excellent couplage entre La couche active et La couche servant de guide-optique. De façon précise, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un dispositif optique in- tégré monolithique comprenant au moins un laser à se- miconducteur et un guide d'onde optique par empilement de couches semiconductrices par épitaxie sur un subs- trat, ce procédé étant caractérisé par le fait qu'il comprend les opérations suivantes: - on donne au substrat un profil présentant au moins une marche de hauteur (h) entre deux niveaux de hau- teurs différentes, un niveau inférieur et un niveau supérieur, - on dépose sur ce substrat, par une seule opération d'épitaxie réalisée en phase vapeur, successivement une première couche de confinement, une couche de guidage en un matériau transparent pour le rayonne- ment émis par le laser, une deuxième couche de con- finement, une couche active, une troisième couche de confinement, une couche de contact, - on choisit le matériau transparent pour que son in- dice de réfraction soit supérieur aux indices des couches de confinement qui l'encadrent, - on donne aux épaisseurs de la couche transparente, de la deuxième couche de confinement et de la couche active des valeurs telles que la distance (d) sépa- rant les plans médians de la couche active et de la couche transparente soit égale à la hauteur (h) de la marche du substrat, la couche active de l'empile- ment inférieur déposé sur le niveau inférieur du substrat se trouvant alors au même niveau que la couche transparente de l'empilement supérieur dépo- sé sur le niveau supérieur du substrat, l'empilement inférieur constituant un laser émettant un rayonne- ment dans le plan de la couche active, ce rayonne- ment pénétrant dans et étant guidé par la' couche transparente de l'empilement supérieur servant de guide optique. Ce procédé peut présenter diverses varian- tes selon le type de résonateur utilisé (miroirs usi- nés, réseaux de diffraction extérieurs à la couche active) ou selon la structure finale à obtenir (laser -associé à un photodétecteur, etc...), selon les consi- dérations développées plus haut à propos de l'art an- térieur. La présente invention a également pour objet un dispositif obtenu par le procédé qui vient d'être défini. Ce dispositif est caractérisé par le fait qu'il comprend: - un substrat ayant un profil présentant au moins une marche de hauteur (h) entre deux niveaux de hauteurs différentes, un niveau inférieur et un niveau supé- rieur, - sur ce substrat successivement une première couche de confinement, une couche de guidage en un matériau transparent pour le rayonnement émis par le Laser, une deuxième couche de confinement, une couche acti- ve., une troisième couche de confinement, une couche de contact, - le matériau transparent ayant un indice de réfrac- tion supérieur aux indices des couches de confine- ment qui l'encadrent, - les épaisseurs de la couche transparente, de la deuxième couche de confinement et de la couche acti- ve ayant des valeurs telles cqe la distance (d) sé- parant les plans médians de la couche active et de la couche transparente soit égale à la hauteur (h) de la marche du substrat, la couche active de l'em- pilement inférieur déposé sur le niveau inférieur du substrat se trouvant alors au même niveau que la couche transparente de l'empilement supérieur dépo- sé sur le niveau supérieur du substrat, - l'empilement inférieur de ce dispositif constituant un Laser émettant un rayonnement dans le plan de la couche active, ce rayonnement pénétrant dans et étant guidé par la couche transparente de l'empile- ment supérieur servant de guide optique. De toute façon, les caractéristiques et avantages de L'invention apparaîtront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif. Cette des- cription se réfère à des dessins annexés sur les- quels: - la figure 1, déjà décrite, représente schématiquement un Laser à faces usinées avec un guide optique de sortie, - la figure 2, déjà décrite, représente un laser à réseaux de diffraction situés à l'extérieur de la couche active, au-dessus d'un guide optique de cou- plage, - la figure 3, déjà décrite, représente un laser à réaction distribuée et à guide de sortie, - La figure 4, déjà décrite, illustre un dispositif intégré à laser et à pihotodétecteur, coru- plés par un guide d'onde, - la figure 5 montre, en coupe,-une structu- re générale illustrant le procédé de l'invention, - la figure 6 montre un mode particulier de mise en oeuvre du procédé de l'invention, dans le cas d'une structure dont les réflecteurs sont des réseaux, - la figure 7 illutre un autre mode de mise en oeuvre dans le cas d'une structure à laser et à photodétecteur ou modulateur électro-opti cque. L'idée de base de l'invention est d'utiliser le double fait suivant: - la croissarce par épitaxie en phase vapeur (organo- métallique ou par jet moLéculaire) sur un substrat, suit ri goureusement, dans le cas général, le profil du substrat, - la zone de transition entre deux niveaux de hauteurs différentes n'est pratiquement pas perturbée dans sa composition. Ces propriétés'de l'épitaxie en phase vapeur sont utilisées dans l'invention pour provoquer un dé- calage dans l'ordre des couches déposées sur les deux marches du substrat et pour permettre l'injection di- recte-de la Lumière d'une des couches dans une autre. Pour cela, La hauteur de la marche doit être choisie de façon à ce que La zone active du laser se trouve en face d'une couche transparente. Par ail- leurs, pour que cette dernière soit guidante, il suf- fit qu'elle soit environnée de deux couches de plus faible indice. Si la couche en question est, par exem- pLe, en AlxGaixAs, les couches adjacentes seront en ALyGa1 As avec y > x. Les épaisseurs et les compositions des cou- ches sont choisies en fonction des propriétés recher- chées pour Le circuit. On évitera en particulier qu'il y ait transfert de lumière par onde évanescente de la couche active vers des couches adjacentes (effet uti- Lisé dans les coupleurs directifs). La figure 5 illustre le procédé de l'inven- tion dans sa conception générale. - Sur un substrat 100 semi-isolant orienté (001), par exemple en GaAs, on réalise par usinage chimique ou ionique une marche 102 de hauteur h (par exemple 1,5 pm). Cette marche est parallèle à 'un des plans de clivage (par exemple parallèLe à la direction (110). Des couches semiconductrices sont ensuite dépo- sées par épitaxie en phase vapeur: une première cou- + che conductrice 104 en GaAs de type n, de 0,5 Nm d'épaisseur, qui sert de contact commun au circuit et qui est nécessaire du fait que Le substrat est semi- isolant; une couche 106 en Al0,25G a, 75As de type n de 3 pm, qui sert de confinement optique pour Le gui- de; une couche 108 de ALo0,20Gao,80As de type n de 1 pm, qui sert de guide; une couche 110 de Alo0 25Ga0 75As de type n de 1 pm, qui sert de confine- ment optique à La fois pour la couche précédente et pour la couche suivante; une couche 112 en GaAs d'épaisseur 0,2 pm, qui sert de couche active au laser; une couche 114 en Al0,30Ga0,70As de 1,3 pm de type p, qui sert au confinement pour la couche acti- ve; et enfin une couche de contact 116 en GaAs de + type p de 0,5 pm. On obtient ainsi deux empilements de couches semiconductrices: un empilement inférieur 120i dépo- sé sur le niveau inférieur du substrat (partie gauche de la figure 5) et un empilement supérieur 120s déposé sur le niveau supérieur du substrat (partie droite). Ces deux empilements sont de compositions identiques mais les niveaux des différentes couches sont décalés d'une hauteur h. Les couches 108, 110 et 112 ont une épais- seur telle que la distance d entre les plans médians des couches 108 et 112 est égale à la hauteur h de la marche 102. Ainsi, la couche 112 de l'empilement infé- rieur 120i de la partie gauche est-elle en regard de la couche 108 de l'empilement supérieur 120s de la partie droite. Sur la figure 5, la partie qui s'intercale entre les deux empilements 120i et 120s n'est pas re- présentée explicitement, car elle dépend de la struc- ture finale souhaitée. Sur la figure 6, on verra un cas o les couches sont continues et se rejoignent mutuellement par une zone fortement inclinée épousant la forme de la marche du substrat. Sur la figure 7 on verra un autre exemple o les deux empilements sont séparés par un canal. Pour en revenir à la figure 5, il est clair que, pour certaines applications, les couches 112, 114 et 116 de l'empilement supérieur 120s n'ont aucune utilité et qu'elles peuvent alors être supprimées, par décapage. Le dispositif peut alors présenter une face supérieure plane, si les épaisseurs des couches 114 et 116 ont été convenablement choisies. Il convient également de traiter l'ensemble et surtout l'empilement inférieur 120i, par les opéra- tions habituelles propres à la réalisation des lasers à semiconducteurs: par exemple bombardement protoni- que pour délimiter un ruban actif et dépôt d'une cou- che métallique formant contact ohmique sur la couche 116. Sur les parties gauche et droite de la figu- re 5 sont représentées en outre les variations de L'indice de réfraction des différentes couches. On observera que la couche 108, qui sert de guide dans la partie droite de la structure, a son indice supérieur à celui des couches voisines 106 et 110. La figure 6 représente une variante de mise en oeuvre dans laquelle le substrat 100 présente deux marches 102' et 102", donc deux niveaux supérieurs 's et 120"s encadrant un niveau inférieur 120i. Selon ce mode de mise en oeuvre, la couche 110 est l'objet d'un traitement approprié apte à conférer à ses propriétés de guidage une modulation périodique (125', 125") permettant de former des réflecteurs de Bragg. La structure obtenue est donc finalement un laser de type DBR avec une partie centrale émissive (couche active 112) et deux parties réfléchissantes (120's, 120"s) formant résonateur. Les interfaces abruptes induites par la mar- che entre l'empilement central 120i et les deux empi- lements supérieurs 120's et 120"s permettent d'obtenir Le transfert direct de la lumière de la couche active 112 vers les deux guides, sans avoir à usiner de mi- roirs entre la partie centrale 120i et les parties extrêmes 120's et 120"s. Naturellement, on peut aussi, avec le procé- dé de l'invention, obtenir une structure à contre- réaction distri buée (laser DBR) selon les principes exposés plus haut à propos de la figure 3. Enfin, la figure 7 représente une variante dans laquelle la partie intermédiaire entre les deux empilements est usinée par les techniques habituelles de gravure de façon à créer un canal 121. Ceci fait apparaître un miroir 123, un autre miroir 125 étant obtenu par clivage. On obtient ainsi un laser à deux miroirs, L'un usiné et l'autre clivé, ce laser émet- tant dans un guide de lumière extérieur. Avec le dispositif de la figure 7, il est possible, si besoin est, d'agir par effet électro-op- tique sur la lumière sortant du guide en polarisant en inverse une diode Schottky, ou une jonction p-n (à condition d'avoir conservé, au cours de la remise à niveau des deux parties du dispositif tout ou partie de la couche épitaxiée de type p). Après cette description, on a compris que l'intérêt majeur du procédé de l'invention tient dans la possibilité d'opérer en une seule opération d'épi- taxies. Pour obtenir des dispositifs semblables à ceux qui ont été décrits, on pourrait toujours procéder en plusieurs étapes, par exemple en déposant d'abord sur un côté d'un substrat une structure de guidage, puis en déposant sur l'autre côté une structure d'amplifi- cation, (ce qui d'ailleurs soulève une difficulté ma- jeure dans l'alignement des deux sous-ensembles), puis enfin, en formant des couches recouvrant l'ensemble et en assurant le confinement Latéral. Mais une telle procédure demanderait trois opérations d'épitaxies. Dans L'invention, une seuLe opération d'épitaxies est nécessaire, L'aLignement entre La couche active et Le guide étant obtenu automatiquement. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un dispositif optique intégré monolithique comprenant au moins un laser à semiconducteur et un guide d'onde optique, par empilement de couches semiconductrices par épitaxie sur un substrat, ce procédé étant caractérisé par le fait qu'il comprend les opérations suivantes: - on donne au substrat (100) un profil présentant au moins une marche (102) de hauteur (h) entre deux niveaux de hauteurs différentes, un niveau inférieur et un niveau supérieur, - on dépose sur ce substrat, par une seule opération d'épitaxie réalisée en phase vapeur, successivement une première couche de confinement (106), une couche de guidage (108) en un matériau transparent pour le rayonnement émis par le laser, une deuxième couche de confinement (110), une couche active (112), une troisième couche de confinement (114), une couche de contact (116), - on choisit le matériau transparent (108) pour que son indice de réfraction soit supérieur aux indices des couches de confinement (106, 110) qui l'enca- drent, - on donne aux épaisseurs de la couche transparente (108) de la deuxième couche de confinement (110) et de la couche active (112) des valeurs telles que La distance (d) séparant les plans médians de la couche active (112) et de la couche transparente (108) soit égale à la hauteur (h) de la marche (102) du subs- trat, le plan médian de La couche active (112) de l'empilement inférieur (120i) déposée sur le niveau inférieur du substrat se trouvant alors au même ni- veau que le plan médian de la couche transparente (108) de l'empilement supérieur (120s) déposé sur le niveau supérieur du substrat, l'empilement infé- J rieur (120i) constituant un laser émettant un rayon- nement dans le plan de la couche active, ce rayonne- ment pénétrant dans et étant guidé par la couche transparente de l'empilement supérieur (120s) ser- vant de guide optique. 2. Procédé selon la revendication 1, carac- térisé par le fait qu'avant de déposer la première couche de confinement (106), on dépose sur le subs- trat, s'il est semi-isolant, une couche conductrice de contact (104). 3. Procédé selon la revendication 1, carac- térisé par le fait qu'on décape tout ou partie des couches supérieures (114, 116) de l'empilement supé - rieur (120s) pour mettre à niveau-Les deux empilements inférieur et supérieur (120i, 120s). 4. Procédé selon la revendication 1, carac- térisé par Le fait que l'on donne à la deuxième couche de confinement (110) située sur La couche transparente (108) de l'empilement supérieur (120s) une structure en réseau de diffraction distribué. 5. Dispositif optique intégré monolithique obtenu parle procédé selon la revendication 1, ce dis- positif comprenant un laser à semiconducteur et un guide d'onde optique formés d'empilements de couches épitaxiées sur un substrat, ce dispositif étant carac- térisé par Le fait qu'il comprend: - un substrat (100) ayant un profil présentant au moins une marche (102) de hauteur (h) entre deux niveaux de hauteurs différentes, un niveau inférieur et un niveau supérieur, - sur ce substrat successivement une première couche de confinement (106),une couche de guidage (108) en un matériau transparent pour le rayonnement émis par le laser, une deuxième couche de confinement (110), une couche active (112), une troisième couche de confinement (114), une couche de contact (116), - le matériau transparent (108) ayant un indice de ré- fraction supérieur aux indices des couches de confi- nement (106, 110) qui t'encadrent, - Les épaisseurs de la couche transparente (108) de la deuxième couche de confinement (110) et de La couche active (112) ayant des vaLeurs telles que La distan- ce (d) séparant les plans médians de la couche acti- ve (112) et de la couche transparente (108) soit égaLe à La hauteur (h) de La.marche (102) du subs- trat (100), le plan médian de La couche active (112) de l'empilement inférieur (120i) déposé sur le ni- veau inférieur du substrat (100) se trouvant alors au même niveau que le plan médian de la couche transparente (108) de l'empilement supérieur (120s) déposé sur le niveau supérieur du substrat, - l'empilement inférieur (120i) de ce dispositif cons- tituant un laser émettant un rayonnement dans le plan de la couche active (112), ce rayonnement péné- trant dans et étant guidé par la couche transparente (108) de l'empilement supérieur (120s) servant de guide optique. 6. Dispositif selon la revendication 5, ca- ractérisé par le fait qu'il comprend, entre la premiè- re couche de confinement (106) et le substrat (100), une couche conductrice de contact (104), si le subs- trat est semi-isolant. 7. Dispositif selon la revendication 5, ca- ractérisé par le fait que les couches supérieures (114, 116) de l'empilement supérieur (120s) sont déca- pées en tout ou en partie, les deux empilements infé- rieur (120i) et supérieur (120s) arrivant alors au même niveau. 8. Dispositif selon la revendication 5, ca- ractérisé par le fait qu'il comprend un empilement in- férieur (120i) prolongé par deux empilements supé- ieurs (120's, 120"s), Le rayonnement émis par la cou- che active (112) de L'empitement inférieur (120i) pé- nétrant dans et étant guidé par Les couches transpa- rentes (108) des deux empilements supérieurs (120's, 120"s), la deuxième couche de confinement (110) située sur La couche transparente (108) des empilements supé- rieurs (120's, 120"s) ayant une structure de réseau de diffraction distribué (125', 125"). 9. Dispositif selon la revendication 5, ca- ractérisé par le fait que l'empilement inférieur (120i) constituant Le Laser est séparé de L'empitement supérieur (120s) par un sillon gravé (121). 10. Dispositif selon La revendication 9, caractérisé par Le fait que L'empilement supérieur (120s) est agencé pour remplir une fonction éLectro- optique, notamment une photodétection ou une modula- tion.