Brevet FR2647965A1 — publié le 19901207

Modulateur.électro-optique du type transistor à effet de champ La préserte invention concerne un modulateur électro-optique, pouvant être également utilisé en commutateur électro-optique, comportant plusieurs couches en matériau semiconducteur superposées sur un substrat. L'une de ces couches, dite couche ou région active, a un indice de réfraction faible afin de constituer un guide pour une onde électromagnétique émise par un laser. Cette onde est modulée en fonction d'un signal de tension de quelques volts à plusieurs M}z entre deux électrodes du modulateur. Le modulateur fonctionne ainsi par variation du seuil d'absorption de la couche active sous l'effet d'un champ électrique. Actuellement il existe trois types de tels modulateurs électro-optiques. Selon un premier type décrit dans l'article de RETZO ChEN et CHEN S. TSAI, lERE Journal of Quantum Electronics, pages 2205 à 22cl, vol. OE-23, N 12, décembre 1987, le modulateur fonctionne par effet Franz-Keldysh et alune structure en diode p-i-n, telle que GaAs/GaAlAs/GaAs, et à électrode de contact direct Schottky. Les différences d'indice de réfraction entre couches sont petites. Par suite, les amplitudes des effets électro-optiques sont faibles et nécessitent un composant relativement long, de l'ordre de 1 cm, pour obtenir le déphasage d'onde désiré de r. Un second type de structure de modulateur électro-optique, analogue à celle d'un transistor à effet de champ, est composé d'hétérostructures du type GaAs/GaAlAs afin de présenter des effets "excitoniques" dans Qes puits quantiques. Ce second type est en particulier décrit par D.S. CH9MLA et al. dans Appl. Phys. Letters, pages 864 à 865, Vol. 42 (10), 15 mai 1983, et par A. KASTALSKY et al., pages 708 à 710, Appl. Phys. Letters, vol. 50 (12), 23 mars 1987. Ces seconds modulateurs, du fait que les effets excitoniques sont très résonnants, sont très sensibles à des "parasites" comne le "piaulement" (ch:rp) du laser d'émission, la température, la précision élevée sur la faible épaisseur des puits quantiques, etc... Enfin, selon . un troisième type. des modulateurs électro-optiques mettent en oeuvre l'absorptioh de porteurs libres dans une couche active. Selon l'article de K. ISHIDA et al dans Appl. Phys. Letters, pages 141 et 142, Vol. 50 (3), 19 janvier 1987, les porteurs libres sont injectés dans une diode p±i-n+, de type InP/InCaAsP/InP, polarisée en direct. Ce composant à injection de porteurs libres consomment énormément d'énergie, même lorsqu'il ne commute pas. Plus récemment, les porteurs libres peuvent être contrôlés par déplétion dans une hétérostructure du type p-AlGaAs/(n-GaAs/n-AlGaAs)/n-GaAs, selon l'article de X. S. WV et al. dans Electronics Letters, pages 328 et 329, Vol. 22, " 6, 13 mars 1986. Ce composant à déplétion offre des efficacités de guidage faibles imposées par les couches semiconductrices à large bande interdite ou gap, telle qu'AlGaAs, qui doivent être très minces pour obtenir un effet de champ à des tensions raisonnables inférieures à la dizaine de volts. Les contrastes optiques pendant la modulation ou la commutation sont donc faibles. La présente invention vise à remédier aux principaux inconvénients des modulateurs électro-optiques connus, et plus particulièrement à fournir un modulateur électro-optique ayant une structure analogue à celle d'un transistor à effet de champ sur isolant dans laquelle l'indice de réfraction de la couche active du guide d'onde varie par absorption de porteurs libres dont la densité est contrôlée par un potentiel extérieur. A cette fin, un modulateur électro-optique comprenant deS première, seconde et troisième couches en semiconducteur et une première électrode sur un substrat, ladite seconde couche constituant une région active de guide d'onde électromagnétique incidente en contact avec une double électrode, est caractérisé en ce que les première et troisième couches sont directement en contact sous et sur la seconde couche et sont en un matériau isolant ou semi-isolant tel que la différence de barrière entre bandes de conduction de ce matériau et celui de la seconde couche est supérieure à l'énergie de l'onde incidente, et en ce que la seconde couche est en un matériau ayant une largeur de bande interdite qui est nettement inférieure à celle du matériau des première et troisième couches et qui est supérieure à l'énergie de l'onde incidente. Le modulateur selon l'invention présente ainsi les avantages suivants - il est insensible à des paramètres comme la température, la précision sur le puits quantique dû à la région active, la précision de la fréquence de l'onde laser incidente, etc... - il fonctionne bien au-delà des seuils d'absorption, et donc absorbe peu à l'état passant - il ne consomme pas d'énergie une fois qu'il est commuté à l'état bloqué - il présente une excellente structure de guidage optique, due à la grande différence d'indices entre la couche active et les première et troisième couches. D'autres caractéristiques de l'invention apparaTtront plus clairement à la lecture de la description suivar.te de plusieurs modulateurs selon l'invention, en référence aux dessins annexés correspondants dans lesquels - la Fig. 1 est une vue schématique e coupe transversale de la structure d'un modulateur électro-optique selon l'invention - la Fig. 2 est un diagramme profondeur-énergie quantique de la structure lorsque le modulateur de la Fig. 1 est à l'état bloqué ; et - la Fig. 3 est un diagramme analogue à la Fig. 2, lorsque le modulateur est à l'état passant. En référence à la Fig. 1, un modulateur électro-optique selon l'invention se présente sous la forme générale d'un parallélépipède constitué essentiellement par un substrat semiconducteur SU et trois couches en semiconducteur SGG1, SPG et SGG2 superposées à partir d'une grande face rectangulaire du substrat. La première couche SGG1 est une couche épaisse en un semiconducteur à grand gap, c'est-à-dire à très large bande interdite entre bande de valence et bande de conduction, qui est déposée sur la grande face du substrat SU. La couche SGG1 est équivalente à une couche inférieure isolante ou seni-isolante bordant le guide d'onde optique du modulateur, qui s étend longltud'na'ement dans le substrat et qui est défini ci-aprts. La seconde couche SPG est une couche mince en un semiconducteur à petit gap qui est déposée sur la première couche SCOl. Cette seconde couche SPG constitue la région active du guide d'onde guidant un faisceau de lumière émis par un laser. La troisième couche SGG2 est une couche mince en un semiconducteur à grand gap qui est déposée sur la seconde couche SPG. La troisième couche est équivalente à une couche mince isolante ou semi-isolante et est en le même matériau semiconducteur que la première couche SGG1. La couche SGG2 constitue la bordure supérieure du guide d'onde. Tous les dépôts de couche sont effectués selon des procédés connus, tels que épitaxie, croissance thermique, etc... Le champ électrique destiné à moduler ou commuter le faisceau de lumière est appliqué entre une première électrode G et une seconde double électrode S-D. La première électrode G est déposée sur la face supérieure de la troisième couche SGG2, et est définie par des méthodes usuelles en microélectronique afin de s'étendre longitudinalement avec une largeur correspondant à celle du guide d'onde (égale à la longueur de canal d'un transistor à effet de champ). Puis, selon la réalisation illustrée, le long des bordures longitudinales de la première électrode G ainsi définie sont ménagées par gravure anisotropique deux encoches ou fenêtres droites longitudinales EN dans les deux couches SGG2 et SPG sous-jacentes à la première électrode, jusqu'à la surface supérieure de la première couche SGB1. Ensuite deux bandes métalliques longitudinales rectangulaires sont déposées au fond des encoches EN sur la couche SGG1 et contre les chants verticaux de la seconde couche SPG espacés de la largeur du guide d'onde. Les deux bandes métalliques constituent les contacts ohmiques S et G de la double électrode. Selon une autre variante, seule la troisième couche SGG2 est gravée pour y former des encoches afin de déposer deux bandes métalliques sur la surface supérieure de la seconde couche SPG, en prenant soin que l'épaisseur de ces bandes soit inférieure à celle de la couche 5002. Selon encore une variante, sensiblement analogue à la précédente, la double électrode S-D est obtenue par deux implantations ioniques dans la couche SPG, au fond des encoches de la couche SGG , ou de puits d'autoalignement pratiqués dans la couche SGG2 le long de l'électrode G. Les bandes métalliques selon ces deux dernières variantes constituent également deux contacts électriques pour la couche active de guide d'onde SPG. Dans la suite, la première électrode G et les contacts S et G de la double électrode sont appelés grille, source et drain, respectivement, en raison de la sensible analogie de la structure du modulateur avec celle de type "S.O.I." d'un transistor à effet de champ sur isolant, et plus particulièrement d'un transistor MESFET. La structure du modulateur présente ainsi un guide d'onde SPG pour guider un faisceau de lumière entre deux couches isolantes ou semi-isolantes SGG1 et SGG2 ayant une constante diélectrique différente de et nettement supérieure à celle de la couche active SPG. Le fonctionnement du modulateur électro-optique est le suivant, en supposant que la couche SPG est en un semiconducteur dopé avec des impuretés de type n. Er. référence à la Fig. 2, une tension négative VG est appliquée à la grille métallique G par rapport à la source S et au drain D, tous deux à la masse. Des électrons libres sont repoussés dans la couche SPG vers les électrodes S et D et déserte une zone sous-jacente à la grille G. Lorsque l'épaisseur de la zone désertée est égale ou supérieure à l'épaisseur de la couche SPG, tous les électrons se sont échappés par les électrodes de drain et source. Aucun électron libre ne se trouve dans la couche SPG, et la structure du modulateur n'absorbe pas. En référence à la Fig. 3, on applique maintenant à la grille G une tension positive supérieure à la tension correspondant à une bande interdite BI plate entre bande de valence BV et bande de conduction BC dans la couche intermédiaire SPG. Ces électrons libres sont attirés des contacts de drain D et source S vers le centre de la couche SPG. La densité électronique devient égale à celle du dopage dans la couche SPG et est même localement supérieure à la densité de dopage dans la zone centrale c accumulation des électrons. La couche se-iccnductrice S:G absorbe donc, d'autant plus qu'elle est dopée. Sachant que l'indice de réfraction de la couche SPG varie en fonction de la concentration des électrons libres, le modulateur peut ainsi servir à commuter une onde électromagnétique, en choisissant convenablement la longueur du modulateur suffisamment grande pour obtenir l'extinction de l'onde incidente. Pour obtenir un fonctionnement convenable du modulateur, il est impératif de satisfaire les deux conditions suivantes - la largeur AE de la bande interdite BI de la seconde couche SPG doit être supérieure à l'énergie EC de l'onde de lumière incidente ; dans le cas contraire, la couche SPG serait toujours en état d'absorption - la différence de hauteur de barrière DH doit être supérieure à l'énergie EC de l'onde incidente, sinon les porteurs libres seront photo-injectés dans la couche SGG2 et par suite, le fonctionnement du modulateur sera perturbé ; cette condition constitue une différence de résultat essentiel comparativement aux modulateurs à déplétion de porteurs déjà évoqués. A titre d'exemple préféré, la couche active SPG du guide d'onde est en silicium Si et les couches SGG1 et SGG2 sont en oxyde de silicium SiO L'onde incidente de lumière a une longueur d'onde A=1,55 un correspondant à une énergie EC=O,8 eV. Dans ce cas, la hauteur de barrière entre Si et SiO2 est DH=4 eV, et la largeur de la bande BI de silicium est dE11,12 eV ; DH et Ac sont bien supérieurs à EC. En outre, la très grande différence des indices de réfraction 11,8 et 3,9 des couches SGG1 et SGG2 et de la couche SPG assure un excellent effet de guidage optique. Ceci contribue à diminuer l'épaisseur de la troisième couche SGG1 sous la grille mét' lique G et, par conséquent, à diminuer les tensions de fo.ictionnement du modulateur. En pratique, l'épaisseur de la couche SGG2 est inférieure au moins à la demi-épaisseur de la couche active SPG. Par ailleurs, l'utilisation du silicium donne la possibilité d'une intégration du modulateur avec d'autres composants. Par exemple, si la couche active de silicium SPG est dopée avec des impuretés de type n ayant une concentration de 5 x 1017 cm-3 et a une épaisseur de 0,1 un, la couche est complètement déplétée à 5 volts de potentiel de surface. La couche SPG offre une variation d'indice An égale à 2.10-3 pour la longueur d'onde incidente de 1,55 un et présente une absorption a égale à 2 -1 cm . Le modulateur a alors une longueur de 0,8 mm pour une perte théorique de 0,6 dB. Le facteur de confinement r est égal à C,37, lequel est nettement supérieur de dix fois à celui de la structure à puits quantiques de KASTALSKY et al. D'autres semiconducteurs peuvent être choisis si l'onde incidente optique a une énergie inférieure à 0,5 eR' correspondant à une longueur d'onde supérieure 2,5 um. Par exemple, des alliages semiconducteurs des groupes III-V peuvent être utilisés : la couche active à petit gap SPG peut être en GaAs, GaSb, Incas, respectivement en correspondance avec des première et seconde couches à grand gap SGG1 et SGG2 en AlGaAs, AlSb, InAlAs. R E V E N D I C A T I O N S 1 - Modulateur électro-optique du type à transistor à effet de champ, comprenant des première, seconde et troisième couches en semiconducteur (SGG1, SPG, SGG2) et une première électrode (G) sur un substrat (SU), ladite seconde couche (SPG) constituant une région active de guide d'onde électromagnétique incidente en contact avec une double électrode (S, D), caractérisé en ce que les première et troisième couches (SOC1 et SGG2) sont directement en contact sous et sur la seconde couche (SPG) et sont en un matériau isolant ou semi-isolant tel que la différence de barrière (DB) entre bandes de conduction de ce matériau et celui de la seconde couche est supérieure à l'énergie (EC) de l'onde incidente, et en ce que la seconde couche (SPG) est en un matériau ayant une largeur (Le! de bande interdite (BI) qui est nettement inférieure à celle du matériau des première et troisième couches (SGG1, SGG2) et qui est supérieure à l'énergie (EC) de l'onde incidente. 2 - Modulateur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur de la troisième couche (SGG2) recouverte par la première électrode (G) est inférieure à la demi-épaisseur de la seconde couche (SPG). 3 - Modulateur conforme à la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les première, seconde et troisième couches (SGG1, SPG, SGG2) sont en SiO2, Si et SiO2 respectivement. 4 - Modulateur conforme à la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les première, seconde et troisième couches (SGG1, SPU; SGG2) sont respectivement en AlGaAs, GaAs et AlGaAs, ou en AlSb, GaSb et AlSb, ou en InAlAs, InGaAs et InAlAs. 5 - Modulateur con orme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'indice de. réfraction des première et troisième couches (SGG1, SGG2) est supérieur au double de l'indice de réfraction de la seconde couche (SPG). 6 - Modulateur conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la double électrode est composée de deux bandes conductrices (S, D) déposées sur la première couche (SGG1) dans des encoches longitudinales (EN) pratiquées dans les seconde et troisième couches (SPG, SGG2). 7 - Modulateur confonne à l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la double électrode est composée de deux bandes conductrices (S, D) déposées sur la seconde couche (SPG) dans des encoches longitudinales pratiquées dans la troisième couche (SGG2). 8 - Modulateur conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la double électrode est composée de deux bandes conductrices (S, D) implantées dans la seconde couche (SPG) au fond d'encoches longitudinales pratiquées dans la troisième couche (SGG2).