Brevet FR2655775A1 — publié le 19910614

La présente invention concerne les structures intégrées monolithiques guide-photodétecteur. L'expression "structure intégrée monolithique" désigne une structure qui fait appel à une technologie commune de réalisation des divers éléments et non à une technique d'assemblage de divers composants réalisés séparément. L'expression "structure guide-photodétecteur" désigne une structure qui comprend au moins un moyen apte à guider un rayonnement optique provenant par exemple d'une source laser ou d'un moyen équivalent, et un moyen photodétecteur sensible au rayonnement optique guidé. L'invention trouve en particulier application dans le domaine des télécommunications optiques. La réalisation de structures intégrées guide-photodétecteur a donné lieu à de nombreuses publications. A titre d'exemples, on citera les documents suivants - Applied Physics Letters, Vol 22, n0 9, Mai 1973, "Integrated Optical Photodetector" D.B. Ostrowsky, R. Poirier, L.M. Reiber et C. Deverdun, qui décrit une des premières structures guide-détecteur à base de silicium. - Applied Physics Letters, Vol 25, n0 1, Juillet 1974, "Monolithic Integrated InGaAs Schottky - barrier waveguide photodectector" G.E. Stillman, C.M. Wolfe, I. Melngailis qui décrit un photodétecteur intégré à un guide. - Applied Physics Letters, Vol 36, n0 2, Janvier 1980, "An Integrated Photoconductive Structure" J.C. Gammel, J.M. Ballantyne qui décrit un détecteur photoconducteur intégré à un guide. - Electronics Letters, Vol 21, n0 9, Avril 1985, "Monolithic InGaAs Photodiode Array Illuminated Through an Integrated Waveguide" R. Trommer qui décrit un photodétecteur intégré à un guide à base de matériau InP. - Electronics Letters, Vol 23, n0 1, Janvier 1987, "Waveguide-Integrated PIN Photodiode on InP" C. Bornholdt, W. Doldissen, F. Fiedler, R. Kaiser, W. Kowalsky. - Electronics Letters, Vol 23, n0 10, Mai 1987, "Monolithic Integrated Waveguide Photodetector", S. Chandrasekhar, J.C. Campbell, A.G. Dentai, G.J. Qua. - Proc. E.C.I.O. Mai 1987, "Monolithic Integration of An InP Inverted RIB Waveguide with A GaInAs Photodiode", M. Erman et al. - IEEE Electron Device Letters, Vol EDL 8, n0 11, Novembre 1987, "Integrated Waveguide p.i.n. Photodetector by MOVPE Regrowth" S. Chandrasekhar et al. - Electronics Letters, Vol 24, n0 18, Septembre 1988, "Integrated Directional Couplers with Photodetector by hybride Vapour Phase Epitaxy" qui décrit un photo-détecteur en matériau à base d'InP, intégré à un coupleur directif. Le document Electronics Letters, Vol 21, n0 9 précité décrit plus précisément comme représenté sur la figure 1 annexée une structure comprenant un substrat 10 en InP qui porte sur une première face une photodiode 20 à base d'une couche 22 de InGaAs et qui porte sur sa seconde face opposée un guide 30 formé de trois couches 32, 34, 36 en InP, InGaAsP, et InP. La photodiode 20 est réalisée par une première épitaxie de la couche 22 en InGaAs suivie d'une diffusion 24 de Zn, une passivation par dépôt 26 de Si3N4 et une métallisation 27, 28 Ti/Au pour l'établissement des contacts. Le guide 30 InP/InGaAsP/InP est réalisé grâce à une seconde épitaxie suivie d'une gravure chimique dans un plan cristallin pour la formation d'une surface de réflexion 40 apte à renvoyer la lumière 50 qui chemine dans le guide 30, vers la photodiode 20. Les diverses structures jusqu'ici proposées présentent différents inconvénients. On notera par exemple - que le détecteur photoconducteur décrit dans le document Applied Physics Letters, Vol 36, n0 2, est peu rapide et - que dans les dispositifs décrits dans les documents Electronics Letters, Vol 23, n0 1, Electronics Letters, Vol 23, n0 10, et Proc. E.C.I.O. Mai 1987, le couplage entre le guide et le photodétecteur se fait par onde évanescente les longueurs de couplage doivent être importantes. Il s'ensuit des dimensions de diode importantes, d'où des impédances importantes et donc des vitesses de modulation réduites. Par ailleurs et surtout, la plupart des structures connues exigent deux épitaxies. La présente invention a pour but principal de proposer un procédé de réalisation d'une structure intégrée guide-photodétecteur qui n exige qu'une seule épitaxie. Ce but est atteint selon l'invention grâce à un procédé qui comprend les étapes consistant i) à déposer successivement sur une face d'un substrat, et à l'aide d'une seule épitaxie: - une première couche de confinement en un matériau à faible indice, - une couche de guidage en un matériau de haut indice, - une seconde couche de confinement en un matériau de faible indice, et - une couche photodétectrice d'énergie de bande interdite inférieure aux trois précédentes, ii) puis à réaliser un biseau dans la structure, apte à renvoyer la lumière de la couche de guidage, vers la couche photodétectrice. Outre le fait de n'exiger qu'une seule épitaxie, le procédé précité, conforme à la présente invention, offre les avantages suivants par rapport à celui décrit dans le document Electronics Letters, Vol 21, n0 9: - dans le cas de la structure décrite dans le document Electronics Letters, Vol 21, n0 9, le faisceau lumineux qui chemine dans le guide 30 doit traverser le substrat 10 d'InP, formé d'une couche épaisse d'environ 200,ut, qui atténue une partie importante du faisceau du fait de l'absorption des porteurs libres. Par contre, dans le cadre de l'invention, le faisceau lumineux doit seulement traverser la couche de confinement supérieure pour atteindre la couche détectrice. - dans le cas de la structure décrite dans le document Electronics Letters, Vol 21, n0 9, il s'avère difficile de faire coïncider avec précision la surface réflectrice 40 réalisée par gravure chimique sur une première face du substrat, et la structure photodétectrice 24 réalisée par diffusion sur la face opposée du substrat. La présente invention concerne également la structure intégrée guide-photodétecteur obtenue par la mise en oeuvre du procédé précité, et comprenant, sur une face d'un substrat et déposées à l'aide d'une seule épitaxie - une première couche de confinement en un matériau à faible indice, - une couche de guidage en un matériau de haut indice, - une seconde couche de confinement en un matériau de faible indice, et - une couche photodétectrice d'énergie de bande interdite inférieure aux trois précédentes, ainsi que - un biseau réalisé dans la structure, pour renvoyer la lumière de la couche de guidage vers la couche photodétectrice. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels - la figure 1 représente une vue schématique en coupe d'une structure guide-photodétecteur classique, précédemment décrite, - la figure 2 représente une vue schématique en coupe d'une première variante de réalisation d'une structure guide-photodétecteur conforme à la présente invention, - la figure 3 représente schématiquement un premier mode de réalisation de cette variante à base de GaAs, - la figure 4 représente schématiquement un second mode de réalisation de cette même variante à base d'InP, - la figure 5 représente schématiquement une autre variante de réalisation d'une structure guide-photodétecteur conforme à la présente invention à base d'InP, - les figures 6 et 7 représentent schématiquement deux étapes du procédé conformes à la présente invention, et - la figure 8 représente selon une vue schématique en coupe une troisième variante de réalisation d'une structure guide-photodétecteur conforme à la présente invention. On aperçoit sur la figure 2 annexée, une structure guidephotodétecteur conforme à la présente invention comprenant - un substrat 100 sur une face duquel sont déposées successivement, à l'aide d'une seule épitaxie - une première couche de confinement inférieure 110, puis - une couche de guidage 120, puis - une couche de confinement supérieure 130, et - une couche détectrice 140 dans laquelle est réalisée une jonction par diffusion référencée 142. Un biseau est ensuite réalisé dans la structure pour définir une surface réflectrice 150 inclinée, apte à renvoyer la lumière cheminant dans la couche de guidage 120, vers la couche détectrice 140, et plus précisément vers la jonction formée grâce à la diffusion 142. Comme indiqué précédemment, la première couche de confinement 110 est en matériau à faible indice, la couche de guidage 120 est en un matériau de haut indice, la seconde couche de confinement 130 est en un matériau de faible indice, et la couche photodétectrice 140 est en un matériau d'énergie de bande interdite inférieure aux trois précédentes. Selon le mode de réalisation particulier représenté sur la figure 3, à base de GaAs - le substrat 100 est réalisé en GaAs type n+, - la première couche de confinement 110 est réalisée en GaAlAs type n-, - la couche de guidage 120 est réalisée en GaAs type n-, - la deuxième couche de confinement 130 est réalisée en GaAlAs type n-, - la couche photodétectrice 140 est réalisée en GaInAs type n-, et - la jonction p-n est réalisée par diffusion de Zn dans la plage référencée 142. On décrira par la suite différents processus de génération du biseau 150. Le second mode de réalisation à base d'InP représenté sur la figure 4 est obtenu selon le processus suivant. Sur un substrat 100 d'InP de type n+ plan 100, on dépose par épitaxie M.O.C.V.D., L.P.E. ou E.J.M., successivement - une première couche de confinement 110 d'InP type n-. Cette première couche de confinement 110 a typiquement une épaisseur de quelques ijm, par exemple 2cil, puis - une couche de guidage 120 de GaInAsP type n-. L'épaisseur de la couche de guidage 120 est typiquement de l'ordre de 0,8ut. Elle présente une énergie de bande interdite de l'ordre de 1eV. - puis une couche de confinement supérieure 130 d'InP type n-. La couche de confinement supérieure 130 a typiquement une épaisseur de quelques Cim, par exemple de l'ordre de 2#m, - enfin, une couche de photodétection 140 de Ga0,471n0,53As type n-. Cette couche 140 a typiquement une épaisseur de l'ordre de 1,5pm. Par la suite, une diffusion localisée 142 dans la dernière couche 140 déposée permet d'obtenir la jonction p-n de la photodiode. La diffusion est par exemple de type Zn. Enfin, par un décapage approprié, par exemple une attaque chimique, on réalise le biseau 150 apte à renvoyer la lumière de la couche de guidage 120 vers la photodiode 140-142. Le cas échéant, un traitement par dépôt métallique sur la surface réflechissante 150 permet d'optimiser la réflexion. Selon un mode de réalisation préférentiel, représenté sur la figure 5, on dépose en outre par épitaxie, sur la couche 140 de GaInAs type n-, une couche 144 d'InP type n-, et la diffusion 142 est réalisée dans cette dernière. Ce dernier mode de réalisation s'avère préférentiel du fait que la photodiode réalisée dans l'InP présente de meilleures caractéristiques que dans le GaInAs. On va maintenant décrire plus en détail un processus particulier de réalisation du biseau 150. Comme représenté schématiquement sur la figure 6, on procède tout d'abord au dépôt sur la couche finale 140 (ou le cas échéant sur la couche 144) d'une couche 160 de nitrure de silicium (SiNX). Ensuite une ouverture 162 d'un diamètre d'environ 30,um est réalisée dans la couche 160 de SiNX. Puis on procède à une diffusion de type P localisée, par cette ouverture, pour réaliser la diode photodétectrice 142-140 (ou le cas échéant 142-144). Comme indiqué précédemment, la diffusion de type P pour réaliser la photodiode, est de préférence une diffusion de Zn. Par la suite, comme représenté schématiquement sur la figure 6, dans la direction [ 011 ] une partie de la couche 160 de SiNx est enlevée pour permettre une attaque chimique selon un plan cristallin [ Ii 1 ] . Si la première couche à attaquer est de type InP, l'attaque est réalisée à l'aide d'une solution de H3PO4(1V) et HCl(îV). Si la première couche à attaquer est la couche 140 de GaInAs, l'attaque est réalisée à l'aide d'une solution de H2 SO 4(5V), H2O2(lV), et H2O(îV). Puis on précède à l'attaque de la couche 130 d'InP à l'aide de la solution précitée H3PO4(lV) et HCl(lV), puis une attaque de la couche 120 GaInAsP à l'aide d'une solution H2SO4(lV), H2O2(îOV), et H2O(1V), et enfin une attaque de la couche de confinement inférieure 110 d'InP avec la solution H3PO4(1V) et HCl(lV). On obtient ainsi, comme représenté sur la figure 7, le biseau 150 dans le plan [ 1 Il ] . Pour terminer, on peut procéder à un dépôt d'or sur la surface 150 pour rendre cette dernière quasi-parfaitement réflechissante. Le processus particulier de gravure dans le plan [ 111 ] précité s'applique à un matériau type InP comme représenté sur les figures 4 et 5. L'homme du métier pourra aisément adapté ce processus au cas d'un matériau GaAs comme représenté sur la figure 3. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée à la réalisation de la surface réfléchissante 150 par une gravure chimique. Dans le cadre de la présente invention, la surface réfléchissante 140 peut être réalisée à l'aide des techniques connues de l'homme de l'art dénommées F.I.B. (faisceau d'ions focalisés), U.I. (usineur ionique), R.I.E. (reactive ion etching), R.I.B.E. (reactive ion beam etching) ou encore par toutes techniques équivalentes. On a représenté sur la figure 8 annexée, un mode de réalisation selon lequel on a intégré monolithiquement une source lumière laser L, un guide 120 et un détecteur 140-142. Plus précisément, comme représenté sur la figure 8 annexée, la structure comprend, déposées successivement sur une même face d'un substrat 100, et à l'aide d'une seule épitaxie - une première couche 170 de confinement inférieure de la zone active laser, - une couche 180 formant zone active laser, - une couche 110 servant à la fois de confinement supérieure pour la zone active laser et de confinement inférieure pour la couche de guidage, - une couche de guidage 120, - une couche de confinement supérieure de la couche de guidage, et - une couche de détection 140 pourvue de la diffusion 142. Par rapport aux modes de réalisation décrits précédemment en regard des figures 2 à 7, on notera la présence supplémentaire de la couche de confinement inférieure 170 et de la couche zone active laser 180. L'intégration monolithique de la structure laser L et de la couche de guidage 120 illustrée schématiquement dans l'encadré en traits interrompus référencé 200 sur la figure 8 est réalisée selon des techniques connues décrites dans la demande de brevet français publiée sous le n0 2562328. La technique de réalisation de la structure 200 ne sera donc pas décrite en détail par la suite. On notera simplement qu'au niveau de cette structure 200, le substrat 100 présente au moins une marche telle que, après dépôt des différentes couches par épitaxie, la zone active laser 180 soit placée en regard de la couche de guidage 120. L'homme de l'art se rapportera utilement à la description du document FR-A-2562328 pour bien comprendre le processus de fabrication, et la structure détaillée des moyens 200. Les variantes de réalisation conformes à la présente invention à base d'InP sont de préférence axées sur le domaine des télécommunications optiques (longueur d'ondes de l'ordre de 1,3Ci à 1,5Ci), tandis que les modes de réalisation à base de GaAs sont de préférence axés vers des applications mettant en oeuvre des longueurs d'ondes plus faibles, telle que la lecture laser par exemple. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation particuliers qui viennent d'être décrits mais s'étend à toutes variantes conformes à son esprit. REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation d'une structure intégrée guidephotodétecteur caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes consistant: i) à déposer successivement sur une face d'un substrat (100) et à l'aide d'une seule épitaxie - une première couche (110) de confinement en un matériau de faible indice, - une couche de guidage (120) en un matériau de haute indice, - une seconde couche de confinement (130) en un matériau de faible indice, et - une couche photodétectrice (140) d'énergie de bande interdite inférieure au trois précédentes, ii) puis à réaliser un biseau (150) dans la structure, apte à renvoyer la lumière de la couche de guidage (120) vers la couche photodétectrice (140). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il consiste à déposer successivement sur un substrat (100) en GaAs - une première couche de confinement (110) en GaAlAs, - une couche de guidage (120) en GaAs, - une seconde couche de confinement (130) en GaAlAs, et - une couche photodétectrice (140) en GaInAs. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu il consiste à déposer successivement sur un substrat (100) en InP, à l'aide d'une seule épitaxie - une première couche de confinement (110) en InP, - une couche de guidage (120) en GaInAsP, - une seconde couche de confinement (130) en InP, et - une couche photodétectrice (140) en GaInAs. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre l'étape consistant à déposer sur la couche photodétectrice (140), une couche supplémentaire en InP. 5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la couche de confinement inférieure (110) a une épaisseur de l'ordre de 2pm, la couche de guidage (120) a une épaissseur de l'ordre de 0,8pu, la couche de confinement supérieure (130) a une épaisseur de l'ordre de 2pm et la couche photodétectrice (140) a une épaisseur de l'ordre de 1,5cil. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre les étapes consistant - à déposer une couche de masquage (160) sur la dernière couche (140, 144) déposée par épitaxie, - à réaliser une ouverture (162) dans la couche de masquage (160), puis - à réaliser une jonction de photodiode (140-142, 144-142) par diffusion à travers l'ouverture (162). 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le matériau de masquage (160) est du SiNX. 8. Procédé selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé par le fait que la diffusion est de type P. 9. Procédé selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé par le fait que le matériau diffusé est du Zn. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que le biseau conçu pour renvoyer la lumière de la couche de guidage (120) vers la couche photodétectrice (140) est réalisé par gravure chimique. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé par le fait que la gravure chimique est réalisée par utilisation d'une solution de H2SO4, H202, et H2O à l'égard des couches (140) de GaInAs, à l'aide d'une solution H3PO4 et HC1 à l'égard des couches (144, 130, 110) d'InP et à l'aide d'une solution H2SO4, H2O2, et H2O à l'égard des couches (120) de GaInAsP. 12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que le biseau (150) conçu pour renvoyer la lumière de la couche de guidage (120) vers la couche photodétectrice (140, 144) est réalisé à l'aide d'une technique choisie dans le groupe comprenant l'usinage par faisceau d'ions focalisés, l'usinage ionique, l'usinage par reactive ion etching et l'usinage par reaction ion beam etching. 13. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre l'étape consistant à déposer une couche métallique sur la surface réfléchissante (150). 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé par le fait que le dépôt métallique sur la surface réfléchissante (150) est à base d'or. 15. Procédé selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre les étapes initiales consistant à déposer sur le substrat (100), et au cours de la même épitaxie une première couche de confinement inférieure (170) et une couche active laser (180), avant la première couche de confinement en un matériau à faible indice (110), et le substrat présentant, de façon localisée, au moins une marche, afin d'intégrer la structure guide-photodétecteur à une source lumière laser. 16. Structure intégrée guide-photodétecteur obtenue par la mise en oeuvre du procédé conforme à l'une des revendications 1 à 15. 17. Structure intégrée selon la revendication 16, caractérisée par le fait qu'elle comprend, déposées successivement sur une face d'un substrat (100) et à l'aide d'une seule épitaxie - une première couche de confinement (110) en un matériau à faible indice, - une couche de guidage (120) en un matériau de haut indice, - une seconde couche (130) de confinement en un matériau de faible indice, et - une couche photodétectrice (140) d'énergie de bande interdite inférieure aux trois précédentes, - ainsi qu'un biseau (150) réalisé dans la structure pour renvoyer la lumière de la couche de guidage (120) vers la couche photodétectrice (140). 18. Structure intégrée selon la revendication 17, caractérisée par le fait que - le substrat (100) est en GaAs, - la première couche de confinement (110) est en GaAlAs, - la couche de guidage (120) est en GaAs, - la seconde couche de confinement (130) est en GaAlAs, et - la couche photodétectrice (140) est en GaInAs. 19. Structure intégrée selon la revendication 17, caractérisée par le fait que - le substrat (100) est en InP, - la première couche de confinement (110) est en InP, - la couche de guidage (120) est en GaInAsP, - la seconde couche de confinement (130) est en InP, et - la couche photodétectrice (140) est en GaInAs. 20. Structure intégrée selon l'une des revendications 18 ou 19, caractérisée par le fait qu'elle comprend sur la couche photodétectrice en GaInAs, une couche supplémentaire (144) en InP. 21. Structure intégrée selon la revendication 19, caractérisée par le fait que - la première couche de confinement (110) en InP a une épaisseur de l'ordre de 2clam, - la couche de guidage (120) en GaInAsP a une épaisseur de l'ordre de 0,8cil, - la seconde couche de confinement (130) a une épaisseur de l'ordre de 2pm, et - la couche photodétectrice (140) en GaInAs a une épaisseur de l'ordre de 1,51lm. 22. Structure intégrée selon l'une des revendications 16 à 21, caractérisée par le fait qu'elle comprend en outre, dans la couche photodétectrice (140, 144), une diffusion (142), de préférence une diffusion de Zn, pour la réalisation d'une jonction de photodiode. 23. Structure intégrée selon l'une des revendications 16 à 22, caractérisée par le fait qu'elle comprend en outre, sur la surface réfléchissante (150) du biseau, un dépôt métallique, de préférence un dépôt d'or. 24. Structure intégrée selon l'une des revendications 16 à 23, caractérisée par le fait qu'elle comprend en outre, sous la première couche de confinement (110) en un matériau à faible indice, d'une part une première couche de confinement (170) d'une zone active laser, et une couche active laser, le substrat (100) étant par ailleurs pourvu d'au moins une marche localisée.