Brevet FR2588701A1 — publié le 19870417

Procédé de réalisation d'une structure intégrée laser-photodétecteur La présente invention a pour objet un procédé de réalisation d'une structure intégrée laser-photodé- tecteur. Le domaine technique de l'invention est celui des lasers à semiconducteurs à double hétérostructure, soit classique, soit quantique (cette dernière étant désignée généralement par "multi-puits quantique") et à géométrie de jonction en forme de ruban. Une double hétérostructure est constituée d'un empilement de cou- ches minces d'alliage semiconducteurs différents. Ces couches sont déposées sur un substrat monocristallin, soit par épitaxie en phase liquide ou gazeuse, soit par jet moléculaire. L'épaisseur de la zone active, région o sont créés à la fois les paires électrons-trous et les photons, est de l'ordre de 100 nm pour une double hétérostructure classique. Elle est réduite à une dizaine de nanomètres dans le cas d'une structure quan- tique. Pour les lasers émettant entre 0,8 et 0,9 pm, les couches constituant la double hétérostructure sont en alliage Gal1_xAlxAs, tandis que pour les lasers émet- tant entre 1,3 et 1,65 p les couches sont en alliage Ga 1-xInxAs -yPy. En télécommunications par fibre optique, do- maine privilégié des lasers à semiconducteurs, la puis- sance émise par les lasers est sensible aux fluctua- tions de température et aux dégradations partielles dues à une longue durée de fonctionnement. Il est donc nécessaire de stabiliser en puissance l'émetteur laser. Cette stabilisation est obtenue par un photodétecteur placé à l'arrière du laser. Le signal détecté est in- jecté dans un circuit de contre-réaction qui permet, de réajuster le courant d'alimentation du laser. Ce détec- teur, monté, comme le laser, dans la tête optique, doit être positionné avec précision pour collecter le maxi- mum de puissance. Lors de son montage il peut aussi être nécessaire de l'incliner pour éviter une instabi- lité de l'émission par réinjection de photons dans la cavité Laser. L'intégration d'un laser et d'un photodétec- teur a déjà fait l'objet de travaux ces dernières an- nées. Deux solutions ont déjà été rapportées: l'inté- gration monolithique et l'intégration hybride. 1. Dans la première de ces techniques, il s'agit de réaliser un canal perpendiculaire au ruban du laser par attaque chimique ou ionique de la double hé- térostructure, ce qui permet de séparer deux compo- sants: le laser d'un côté et le photodétecteur de l'autre. Les fonctions de ces deux composants sont dif- férenciées par la polarité de la tension appliquée à la jonction p-n qu'ils comprennent tous deux: le laser voit sa jonction polarisée dans le sens passant (p-n directe), alors que le photodétecteur voit sa jonction polarisée en inverse. Deux- types d'intégration sont possibles selon le mode de couplage entre le laser et le photodétecteur: a) - couplage à travers un guide: Dans ce cas, la double hétérostructure est constituée, d'une part, des différentes couches habituelles (première couche de confinement, cou- che active, deuxième couche de confinement et cou- che de contact) et, d'autre part, d'un guide pas- sif situé sous la première couche de confinement. Son indice a une valeur intermédiaire entre celui de la zone active et celui de la couche de confi- nement. L'attaque des différentes couches est alors arrêtée juste endessous de la zone active, dans la première couche de confinement. Le coupla- ge entre les deux composants s'effectue à travers le guide et dépend de l'épaisseur de la première couche de confinement ainsi que du profil de l'ou- verture réalisée. Un tel mode de couplage est dé- crit dans l'article de J.L. MERZ et L.R. LOGAN in- titulé "Integrated GaAs-GaALAs injection laser and detector with etched reflector" publié dans Applied Physics Letters, vol. 30, n 10, page 530, mail977etdansl'articlede P.D. WRIGHT, R.J. NELSON, R.B. WILSON, intitulé "Monolithic Integration of InGaAsP Heterostructure Lasers and Electrooptical Devices" publié dans IEEE Journal of Quantuum Electron. Vol. QE 18, n 2, février 1982. b) - Couplage direct: La double hétérostructure ne comporte pas né- cessairement de guide passif sous la couche acti- ve. L'ouverture pratiquée est suffisamment pro- fonde pour supprimer tout couplage guidé entre le laser et le détecteur. Deux sections de couche ac- tive sont alors face à face: l'une pour l'émis- sion, l'autre pour la détection. Un dispositif de ce type est décrit dans l'article de O. WADA et al intitulé "AlGaAs-GaAs Microcleaved Facet (MCF) Laser Monolithically integrated with photodiode", publié dans Electronic Letters, vol. 18, n 5, 4 mars 1982 et dans l'article de Yoshia Suzuki and al., intitulé "InP/InGals 1.5 pm Region etching cavity laser" Jpn.J. Appl. Phys. vol. 23, (1984). 2. La deuxième voie possible est celle d'une intégration hybride. Une telle solution est décrite dans le brevet américain n 293826 "Hybrid semiconduc- tor Laser/detectors" délivré à D.R. SCIFRES et al. Dans cette technique, le laser est monté sur un support en silicium usiné et diffusé pour réaliser un détecteur en 4 2588701 face duqueL Le laser est prépositionné. Un ensemble ri- gide laser-photodétecteur est ainsi obtenu. Si elles donnent satisfaction à certains égards, ces techniques présentent néanmoins toutes des inconvénients. D'une façon générale, Les structures in- tégrées laser-photodétecteur sont, par principe mon- tées, côté substrat, sur un dissipateur thermique des- tiné à réduire leur température de fonctionnement. La résistance thermique non négligeable de ces lasers sup- pose que ceux-ci aient un courant de seuil faible pour permettre un fonctionnement en continu. Par ailleurs, une bonne sensibilité du système de contre-réaction (rapport de la variation du courant photodétecté à cel- le du courant d'alimentation du Laser) est souhaitable. Dans le cas de la solution utilisant un guide passif, le courant de seuil est doublé par rapport à un laser isolé à deux faces clivées (6 kA/cm au lieu de 3 kA/cm2). Cette structure nécessite en outre un con- trôle très précis de la gravure des miroirs pour ne pas que le guide optique soit attaqué. Aucune caractéristi- que en continu n'est fournie par les rapporteurs de cette technique. Les valeurs de sensibilité mesurées sont de l'ordre de 10%. La structure intégrée à couplage direct per- met d'obtenir des courants de seuil relativement fai- bles (de l'ordre de 40 mA) grâce essentiellement à La qualité des faces microclivées. En revanche, la valeur de la sensibilité reste faible (environ 1,5%). Ceci est dû à la faible surface active de détection (épaisseur de la couche active d'environ 10 nm). La sensibilité est encore plus faible dans le cas des doubles hétéro- structures à couches quantiques (épaisseur d'environ mm) et sensibilité de l'ordre de 0,045%. La structure hybride laser-photodétecteur rassemble L'ensemble des performances souhaitées: 2588701 bonne qualité des faces miroirs des Lasers (faces cli- vées) et forte sensibilité du détecteur (détecteur au silicium). Mais les Limitations de cette technique tiennent à l'hybridation qui pose des problèmes de pré- cision, de fiabilité et de coût de montage. L'invention a justement pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un ensemble laser-pho- todétecteur intégré monolithiquement sur un même subs- trat et présentant un faible courant de seuil et une grande sensibilité différentielle. Ce but est atteint grâce à la mise en oeuvre d'une seule et même technique pour réaliser le ruban laser, l'une des faces réfléchissantes du laser et l'emplacement du photodétecteur. L'invention conduit à un ensemble fiable et performant et permet d'abaisser le coût des têtes optiques pour télécommunications. De façon précise, l'invention a pour objet un procédé de réalisation d'une structure intégrée laser- photodétecteur, dans lequel: - on dépose sur un substrat une couche tampon puis une double hétérostructure comprenant une première cou- che de confinement, une couche active, une seconde couche de confinement, - on attaque une partie de cette double hétérostructure pour créer une face non clivée servant de face réflé- chissante pour le laser, - on réalise, à proximité du laser et du côté de la face non clivée, un photodétecteur, ce procédé étant caractérisé par le fait que, pour réa- Liser le photodétecteur, on attaque une partie de la double hétérostructure au moins jusqu'à la couche tam- pon et l'on crée le photodétecteur sur la couche tampon ainsi dégagée. Dans une variante de réalisation, le photodé- tecteur est obtenu par un contact Schottky. Dans une autre variante, le photodétecteur est une jonction p-n. Le substrat peut être plan ou présenter un profil en marche d'escalier, ce qui permet de surélever le photodétecteur. De toute façon, les caractéristiques de L'in- vention apparaîtront mieux après la description qui va suivre, d'exemples de réalisation donnés à titre expLi- catif et nullement limitatif. Cette description se ré- fère à des dessins annexes sur lesquels: - la figure 1 montre un premier mode de réa- lisation du procédé de l'invention utilisant un détec- teur Schottky, - la figure 2 montre une variante dans la- quelle le substrat présente une forme de marche, - la figure 3 montre un autre mode de réali- sation utilisant un substrat semi-isolant, - la figure 4 illustre une variante dans la- quelle le photodétecteur est une jonction p-n. L'invention sera décrite dans le cas des ma- + tériaux GaAs-GaAlAs sur substrat n. Cette description s'étend directement aux lasers formés sur substrat se- mi-isolant et sur des matériaux tels que InP-GaInAsP. On forme d'abord sur un substrat 10, une cou- che tampon 12 de type n dopé à 1016-1017 cm-3 (partie a de la figure 1). Puis on forme une double hétérostruc- ture, c'est-à-dire un empilement des couches suivan- tes: - une première couche de confinement 16 dopée n en AlxGa lxAs avec x=0,3, - une couche active 18, non dopée, en AlyGa1lyAs avec y \ 0,1, une seconde couche de confinement 20 dopée en AL Ga As avec x=0,3, Ax 1-x+ - une couche 22 dopée p en GaAs. Dans le cas de structures quantiques (x de l'ordre de 0,6), la couche active 18 est constituée d'un ou plusieurs puits d'épaisseur de l'ordre de 10 nm. 7 2588701 Le ruban Laser définissant latéraLement les Limites de guide est réalisé soit Lors de La croissan- ce, soit après croissance (par implantation de pro- tons). La face 24 de la double hétérostructure est clivée. On obtient une structure telle que représentée en coupe sur la partie b de la figure 1. Une face non clivée 26 est réalisée en attaquant les matériaux à travers un masque 25 jusqu'à une épaisseur suffisante pour dégager la couche tampon 12. Cette attaque peut être chimique, ionique ou réactive (RIE). La couche tampon dégagée va constituer la couche sensible du pho- todétecteur. Un détecteur Schottky est alors réalisé à l'arrière de la face laser non clivée 26, par le dépôt d'une couche métallique 30. Cette couche peut être en alliage Ti/Au. La distance laser-détecteur est de l'or- dre de 50 pm. Comme illustré sur la figure 2, on peut aussi partir d'un substrat 10 présentant une forme d'escalier avec une rampe 11 joignant une marche supérieure 13 à une marche inférieure 15 (partie a). L'angle de la ram- pe peut être de 40 à 50 . Ce substrat peut être réalisé par attaque chimique ou ionique. Dans ce cas, la double hétérostructure 14 est déposée par OMCVD (Organo Metal- lic Chemical Vapor Deposition) ou par MBE (Molecular Beam Epitaxy). Comme dans le cas précédent, à travers un masque 25 déposé sur une partie de la double hétéro- structure, on attaque les couches déposées sur la mar- che supérieure et sur La zone inclinée jusqu'à la cou- che tampon 12 (partie b de la figure 2). Une métaLisation 30 est ensuite déposée à cheval sur la marche supérieure et sur la zone incli- née. 8 2588701 L'invention peut être appliquée également au cas d'un substrat semiisolant comme illustré sur la figure 3. Ce substrat 10' est surmonté d'une couche 10" dopée N. L'attaque de la double hétérostructure est poursuivie jusqu'au substrat dans la zone intercalaire 32, pour isoler électriquement le laser du photodétec- teur. Dans les exemples qui précèdent, le photodé- tecteur est constitué par un contact Schottky. Mais l'invention ne se limite pas à ce cas. On peut fort bien réaliser une jonction p-n comme illustré sur la figure 4. La première étape (a) est la même que précé- demment, si ce n'est que la face décapée 26 du laser est réalisée avant la formation du ruban et des métal- lisations. Une implantation et un recuit, ou bien une diffusion d'une impureté de type p sélective, sont en- suite réalisés sur la couche tampon 12 dans une zone 34. Une métallisation 36 est ensuite effectuée par la technique du "lift off" (4b). Le ruban laser est ensuite formé par exemple par implantation par des protons en masquant par une résine 36 toute la région du détecteur jusqu'au sommet de la face usinée (figure 4c). Cette suite d'opérations peut s'effectuer aussi bien sur un plan (comme illustré) que sur une marche (comme pour la figure 2). De même, le substrat peut être semiconducteour ou semi-isolant (comme sur la figure 3). Dans les exemples qui viennent d'être dé- crits, le substrat 10 et la couche tampon 12 servant au photodétecteur sont en GaAs. Si l'on utilise un subs- trat en InP, il faudra épitaxier une couche en InGaAsP dont la largeur de bande interdite est inférieure ou égale à celle de la couche active, et ceci avant d'épi- taxier la couche de confinement en InP. 9 2588701 REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation d'une structure in- tégrée laser-photodétecteur, dans lequel: - on dépose sur un substrat (10) une couche tampon (12) puis une double hétérostructure (14) comprenant une première couche de confinement (16), une couche acti- ve (18), une seconde couche de confinement (20), - on attaque une partie de cette double hétérostructure pour créer une face non clivée (26) servant de face réfléchissante au laser, - on réalise, à proximité du laser et du côté de la face non clivée, un photodétecteur, caractérisé par le fait que pour réaliser ce photodé- tecteur, on attaque une partie de la double hétéro - structure au moins jusqu'à la couche tampon (12) et l'on crée le photodétecteur sur la couche tampon ainsi déga- gée. 2. Procédé selon la revendication 1, caracté- risé par le fait que l'on dépose sur la couche tampon ainsi dégagée une couche métallique (30) formant avec cette couche tampon un détecteur Schottky. 3. Procédé selon la revendication 1, caracté- risé par le fait que l'on réalise un dopage d'une zone (34) de La couche tampon ainsi dégagée avec une impure- té d'un type de dopage opposé à celui du substrat puis on dépose une couche métallique (36) sur la zone ainsi dopée pour constituer un photodétecteur à jonction. - 4. Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 2 et 3, caractérisé par le fait que la double hétérostructure est déposée sur un substrat (10) en forme d'escalier avec une marche supérieure (13) et une marche inférieure (15), reliées par une zone inclinée (11), le laser étant constitué sur la marche inférieure (15) et Le photodétecteur en partie sur la marche supé- rieure (13) et sur la zone inclinée (11). 5. Procédé selon L'une queLconque des reven- dications 2 et 3, caractérisé par Le fait que le subs- trat (10') étant semi-isoLant et recouvert d'une couche dopée (10"), on poursuit l'attaque de La double hétéro- structure dans une zone (32) située entre Le laser et le photodétecteur jusqu'au substrat semi-isoLant.