Brevet FR2681146A1 — publié le 19930312

DESCRIPTION Domaine technique La présente invention a pour objet un dispo- sitif optoélectronique à guide optique et à photodé- tecteur intégrés et un procédé de réalisation d'un tel dispositif. Elle trouve une application en optoélectro- nique, et notamment en télécommunications optiques o le dispositif de l'invention peut constituer le récepteur optique d'une Liaison (circuit de réception hétérodyne ou de détection directe,) Le dispositif de l'invention peut être utilisé également dans des interconnexions optiques entre "puces" électroniques rapides à haut degré d'intégration (entre ordinateurs, ou à l'intérieur d'ordinateurs). Un tel dispositif peut apparaître en métrologie dans, par exemp Le, des capteurs optiques intégrés. Etat de La technique Un dispositif optoélectronique à guide optique et à photodétecteur intégrés est représenté sur la figure 1 Ce dispositif comprend, sur un substrat semi- conducteur S, successivement: une première couche dite couche inférieure de confinement CIC, en un premier matériau ayant un premier indice, une deuxième couche dite couche guide CG en un deuxième matériau ayant un deuxième indice supérieur au premier, une troisième couche dite couche supérieure de confinement CSC en un troisième matériau ayant un troisième indice infé- rieur au second Ces couches sont gravées latéralement pour constituer un ruban de guidage RG. Cette structure se complète par un photo- détecteur PHD p Lacé au-dessus de La couche guide L'onde qui se propage dans La couche guide CG atteint La couche absorbante et est absorbée par un mécanisme d'onde évanescente. Un dispositif guide-détecteur intégré à cou- plage par onde évanescente est décrit, par exemple, dans l'article de R J DERI et a L, intitulé: "Integra- ted Waveguide/Photodiode with Vertical Impedance Mat- ching", pub Lié dans "Proceedings of the 1989 IEDM", Washington D C, Décembre 1989. Un autre dispositif connu à guide et à photo- détecteur intégrés est représenté sur La figure 2. IL comprend un substrat S, une couche inférieure de confinement CIC dopée n, une couche absorbante CA, une couche guide CG avec une partie diffusée p, référen- cée D(p), une couche de passivation CP et une couche métallique M. La disposition est donc inversée par rapport à celle de la figure 1, en ce sens que la couche absor- bante CA est disposée sous la couche guide CG et non au-dessus. Un tel dispositif est décrit dans le document EP-A-O 278 408. Bien que donnant satisfaction à certains égards, tous ces dispositifs présentent des inconvé- nients En particulier, ils nécessitent une grande longueur de photodétecteur si l'on veut obtenir une absorption totale du rayonnement optique Or, ceci va à l'encontre de l'un des buts recherchés qui est de diminuer le temps de réponse du dispositif, ce qui impliquerait plutôt une réduction de la surface du détecteur. Dans l'article de J C BOWERS et al, intitulé "Millimeter-Waveguide Mounted In Ga As Photodetectors", publié dans la revue Electronics Letters, 5 Juin 1986, vol 22, n 12, p 633, il est indiqué que, pour avoir une largeur de bande à 3 d B supérieure à 50 G Hz, la surface de la diode doit être inférieure à 200 Vm 2. L'évolution des dispositifs intégrés ces dernières années montre bien l'importance attachée à la réduction de la surface de la diode par diminution de la longueur d'absorption Le tableau présenté par M ERMAN et al dans leur article intitulé "Optical Circuits and Integrated Detectors" publié dans la revue IEE Proceedings-J, vol 138, n 2, Avril 1991, p 101, en donne un aperçu On peut y voir que les caracté- ristiques des systèmes intégrés tendent vers un rende- ment de couplage voisin de 100 % et une longueur d'ab- sorption la plus courte possible. Quant à la structure de la figure 2, elle présente avant tout l'avantage d'être planaire car, en renversant la disposition de la couche absorbante, elle permet d'éviter le mésa constitué par le photo- détecteur placé au-dessus du guide Mais cette variante conduit à un procédé de réalisation très complexe. En effet, la couche absorbante CA doit être déposée par reprise d'épitaxie localisée à l'intérieur d'une partie gravée dans une couche dopée N (la couche CIC) La couche guide CG est ensuite rajoutée par re- prise d'épitaxie Une diffusion localisée D(p) dans la zone de l'absorbant doit ensuite être réalisée dans la couche guide CG en dopant p cette partie du guide. Une diode détectrice PIN est ainsi obtenue o I repré- sente la zone intrinsèque, c'est-à-dire la couche absor- bante CA, P la zone diffusée D(p) et N la couche dopée n CIC sous la couche guide CG. Ce procédé est donc complexe En outre, le dopage p induit des pertes d'énergie lumineuse par les porteurs de charge Le dispositif souffre donc d'une réduction de rendement quantique. Exposé de L'invention La présente invention a justement pour but de remédier à ces inconvénients A cette fin, elle renonce à La complication technologique des dispositifs de la figure 2 pour en revenir à un dispositif à mésa du genre de celui de La figure 1; mais e L Le perfection- ne ces dispositifs en prévoyant un moyen apte à augmen- ter L'absorption dans la couche absorbante ce qui permet de réduire La longueur du photodétecteur. Ce moyen consiste à dégager la partie infé- rieure de la couche guide CG pour la mettre à l'air. L'indice de l'air étant faible par rapport à l'indice des matériaux généralement utilisés pour constituer les guides, une désadaptation d'indice importante est ainsi créée, qui a pour effet de "repousser" la lumière vers la couche absorbante et d'augmenter l'efficacité du photodétecteur. Le dispositif obtenu est par ailleurs très simple à réaliser, puisqu'il ne nécessite qu'une seule opération d'épitaxie Par ailleurs, les performances électriques et optiques sont excellentes: un rendement quantique maximal de 100 % est obtenu et, avec un guide d'épaisseur 0, 65 ?m, la longueur du photodétecteur peut être réduite d'un facteur 2. Brève description des dessins la figure 1, déjà décrite, représente schématiquement un dispositif à guide optique et à photodétecteur intégrés selon l'art antérieur; la figure 2, déjà décrite, représente une variante inversée d'un tel dispositif selon l'art antérieur; la figure 3 montre, en coupe, le résultat d'une simulation de la distribution d'inten- sité d'un faisceau optique dans un dispo- sitif de structure connue; la figure 4 montre une simulation semblable dans un dispositif conforme à l'invention; les figures 5 a, 5 b, 5 c, 5 d, 5 e illustrent différentes étapes du procédé de réalisation de l'invention. Exposé détaillé d'un mode de réalisation Une étude théorique et expérimentale a permis aux inventeurs de montrer l'efficacité d'une couche d'air au contact avec une couche guide dans un dispo- sitif intégré Les figures 3 et 4 illustrent les résul- tats de cette étude Elles représentent, en coupe, la distribution de l'intensité du faisceau lumineux. Il s'agit de simulations optiques obtenues par la métho- de dite BPM pour "Beam Propagation Method". Ces simulations permettent de comparer l'ab- sorption dans une structure classique (fig 3) et dans une structure selon l'invention (fig 4) Pour la simu- lation, les inventeurs ont considéré une longueur d'onde de 1,52 Pm pour un faisceau qui se propage de la gauche vers la droite Le passage d'une courbe à l'autre cor- respond à une atténuation de l'intensité du faisceau de 3 d B (c'est-à-dire d'un facteur 2). La géométrie choisie pour la simulation cor- respond à une structure de guidage (partie gauche) à deux couches de confinement (couche inférieure de confinement CIC et couche supérieure de confinement CSC) en In P (indice 3,17) et à une couche guide CG en Ga In As P (bande interdite à 1,3 pm, indice 3,38). Les épaisseurs des couches sont indiquées sur l'échel Le verticale en micromètres: soit 1 pm pour Les couches de confinement, 0,65 Fm pour la couche guide CG et 2 ym pour la couche absorbante CA. Dans le cas de la figure 3, L'air n'intervient pas dans L'absorption La Longueur d'absorption est de 15 ym pour une atténuation de 21 d B ( 2 99 %). Dans Le cas de La figure 4, l'air en contact avec la couche guide CG intervient en déplaçant vers la couche absorbante le mode optique, ce qui permet de réduire d'un facteur 2 La Longueur d'absorption ( 8 Âm pour une même atténuation de 21 d B). Les figures 5 a à 5 e illustrent différentes étapes d'un procédé de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention. Le procédé comprend schématiquement quatre phases a) sur un substrat S, dont la surface est préalablement dopée n+ (couche C(n+ )), on dépose par épitaxie une couche infé- rieure de confinement CIC, une couche guide CG, une couche supérieure de confi- nement CSC et une couche absorbante CA, (figure 5 a), b) on grave latéralement les couches de confi- nement et la couche guide pour constituer un ruban de guidage RG et on grave la couche absorbante CA pour lui donner la forme d'un mésa en bout de structure de guidage, (figure 5 b) On peut également graver la couche supérieure de confinement CSC devant le mésa, sur un certain intervalle 2 d'environ 10 lm Cet intervalle 2 permet d'éviter l'absorption dès L'entrée dans Le matériau absorbant et donc d'éloigner le détecteur du bord du mésa Dans cet intervalle 2, le guide CG est au contact de l'air par sa face supérieure, ce qui "repousse" l'onde optique en profondeur grâce au faible indice de l'air (relativement au matériau du guide qui est généralement en Ga In As P). Le détecteur, c'est-à-dire la fenêtre de diffusion, peut être écarté du bord du mésa d'environ 3 pm sans perte d'absorption au passage dans la zone absor- bante. c) on retire localement la couche inférieure de confinement CIC sous le mésa pour mettre la surface inférieure de la couche guide CG en contact avec l'air, (fig 5 c ou d), d) on réalise, sur le mésa de la couche absor- bante, un détecteur, soit de type MSM, soit de type PIN, soit de tout autre type connu On peut former par exemple une zone dopée p+ (CA(p+), par exemple à l'aide de zinc, une électrode de contact M, ainsi que diverses couches de passivation CP (fig 5 e) L'étape d'épitaxie a) peut s'effectuer par toute technique connue: dépôt en phase vapeur aux organométalliques (MOCVD), épitaxie par jet moléculaire (EJM), etc Pour mettre la surface inférieure de la couche guide en contact avec l'air sous le mésa absorbant, deux variantes sont possibles: on réalise un trou 4 dans le substrat jus- qu'à la couche inférieure de confinement CIC, puis on effectue une attaque chimique sélective de la couche inférieure de confi- nement CIC sans attaquer la couche guide CG (fig 5 c), on laisse le substrat mais on forme une poche d'air 6 (Fig 5 d) Pour cela, on attaque d'abord la couche dopée n+ C(n+) (généralement en Ga In As P) et ensuite la couche inférieure de confinement CIC (généralement en In P) Le contrôle de l'attaque par sous-gravure est en effet plus facile pour Ga In As Pque pour In P. D'autres méthodes d'attaque sélective de ce type peuvent être utilisés notamment avec le système de Ga As/Ga AI As comme décrit par C A BEYLER et al dans l'article intitulé "Small Dimension BRAGG Reflection Formed by Air-Isolated Ga As Layers" publié dans Electronics Letters, vol 27, n 7, p 588, le 28 mars 1991 Le procédé consiste à modifier la structure cristalline par diffusion de silicium Une fois réalisé le retrait de Ga In As P, soit par étalonnage de la solution de l'attaque latérale, soit par contrôle pendant l'attaque en utilisant des motifs de repérage, on peut passer à la dernière étape d'obtention du détecteur. La figure 5 e montre un dispositif optoélectro- nique terminé, dans la variante o l'on a dégagé la couche guide en perçant une ouverture dans le substrat (opération illustrée par l'ouverture 4). REVENDICATIONS 1 Dispositif optoélectronique à guide optique et à photodétecteur intégrés comprenant, sur un meme substrat semiconducteur (S), un guide optique constitué par une première couche dite couche inférieure de confi- nement (CIC), une deuxième couche dite couche guide (CG), une troisième couche dite couche supérieure de confinement (CSC), ces couches étant gravées latéra- lement pour constituer un ruban de guidage (RG) et un photodétecteur (PHD) en forme de mésa disposé au-des- sus de la couche supérieure de confinement (CSC), ce photodétecteur comprenant notamment une quatrième couche dite couche absorbante (CA) apte à absorber un rayon- nement provenant de la couche guide (CG) par évanescence à travers la couche supérieure de confinement (CSC), ce dispositif étant caractérisé par le fait que, dans la zone située sous Le photodétecteur (PHD), au moins la couche inférieure de confinement (CIC) est enlevée, de telle sorte que la couche guide (CG) soit au moins en partie, sous la couche absorbante (CA), en contact avec l'air. 2 Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé par le fait que le substrat (S) est creusé sous le photodétecteur (PHD) pour dégager la couche guide (CG) sous le photodétecteur (PHD). 3 Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé par le fait que le substrat (S) subsiste sous le photodétecteur (PHD) et qu'une poche d'air ( 6) est ménagée sous le photodétecteur (PHD) entre la couche guide (CG) et le substrat (S). 4 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la couche supérieure de confinement (CSC) est enlevée devant le photodétecteur sur une certaine longueur ( 2). Procédé de réalisation d'un dispositif optoéLectronique à guide optique et à photodétecteur intégrés se Lon la revendication 1, caractérisé par Le fait qu'i L comprend Les opérations suivantes: a) sur un substrat (S), on dépose par épitaxie une couche inférieure de confinement (CIC), une couche guide (CG), une couche supé- rieure de confinement (CSC) et une couche absorbante (CA), b) on grave Latéra Lement Les couches de confi- nement et La couche guide pour constituer un ruban de guidage (RG) et on grave la couche absorbante (CA) pour lui donner la forme d'un mésa, c) on retire localement la couche inférieure de confinement (CIC) sous au moins une partie du mésa ( 4, 6) pour mettre au moins une partie de la surface inférieure de La couche guide (CG) sous la couche absor- bante en contact avec l'air, d) on forme sur Le mésa de La couche absor- bante des moyens de contact. 6 Procédé se Lon la revendication 5, carac- térisé par le fait que, pour mettre la surface infé- rieure de La couche guide (CG) en contact avec L'air sous La couche absorbante, on réa Lise un trou ( 4) dans Le substrat (S) jusqu'à la couche inférieure de confi- nement (CIC), puis on effectue une attaque sélective de La couche inférieure de confinement (CIC) sans at- 1 1 taquer la couche guide (CG). 7 Procédé selon la revendication 5, carac- térisé par le fait que, pour mettre La surface infé- rieure de la couche guide (CG) en contact avec l'air sous la couche absorbante ( 6), on attaque la couche inférieure de confinement (CIC) par sous gravure d'une couche superficielle du substrat. 8 Procédé selon la revendication 5, carac- térisé par le fait que, Lors de l'opération de gravure de La couche absorbante (CA), on grave également la couche supérieure de confinement (CSC) devant le mésa, sur un certain intervalle ( 2).