Brevet FR2694099A1 — publié le 19940128

I La présente invention concerne les structures monolithiques à guide de lumière et miroir intégrés. L'expression "structure 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 "guide de lumière" recouvre dans le texte de la présente invention, aussi bien les structures propres à guider la lumière de façon passive que les structures propres à guider la lumière avec amplification de l'onde lumineuse. La présente invention trouve en particulier application dans le domaine des télécommunications optiques. Une structure à guide de lumière et miroir intégrés est décrite dans le document FR-A-2 655 775 Plus particulièrement, ce document propose de réaliser une structure guide-photodétecteur, en épitaxiant sur un substrat plan diverses couches de matériaux nécessaires à la réalisation d'un guide de lumière et d'un photodétecteur Un miroir est ensuite formé par attaque chimique ou autre des différentes couches épitaxiées, ce miroir étant apte à renvoyer la lumière depuis le guide vers le photodétecteur. On a représenté sur la figure 1 une structure guide- photodétecteur réalisée par un procédé conforme à l'art antérieur, tel que décrit dans le document FR-A-2 655 775 On aperçoit sur cette figure un substrat 100, sur lequel on a déposé par épitaxie, successivement, une couche de confinement inférieure 110, une couche formant guide 120, une couche de confinement supérieure 130, et une couche photodétectrice 140, comprenant une jonction de photodiode 150 Le plan incliné formant miroir est réalisé par attaque chimique des différentes couches épitaxiées 110, , 130 et 140 et renvoie la lumière depuis la couche formant guide de lumière 120 vers la jonction de photodiode 150. Bien que la structure à guide de lumière et miroir intégrés proposée dans le document FR-A-2 655 775 soit obtenue par un procédé qui constitue une amélioration notable des procédés antérieurement proposés, en ne comportant notamment qu'une seule étape d'épitaxie, elle présente toutefois l'inconvénient d'être coûteuse et délicate à fabriquer car le plan incliné formant miroir 160 est réalisé à l'aide d'une succession d'attaques chimiques sélectives, donc différentes, des couches épitaxiées 110, 120, 130 et 140. Par ailleurs, la structure à guide de lumière et miroir intégrés obtenue par ce procédé se révèle être particulièrement fragile au niveau de l'arête saillante 165 du miroir 160. La présente invention a pour objet de proposer un procédé de réalisation d'une structure améliorée à guide de lumière et miroir intégrés, remédiant à ces inconvénients, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: graver un substrat pour former un plan incliné sur celui-ci, déposer sur la face du substrat portant le plan incliné, par épitaxie, diverses couches de matériaux aptes à former un guide de lumière, décaper le substrat, par sa face opposée auxdites couches épitaxiées, jusqu'au plan incliné, pour former un miroir apte à renvoyer la lumière depuis le guide de lumière dans une direction donnée. De préférence, les diverses couches de matériaux aptes à former le guide de lumière comprennent une couche de confinement inférieure, une couche de guidage propre à guider la lumière, d'indice plus élevé que la couche de confinement inférieure, une couche de confinement supérieure, d'indice moindre que la couche de guidage. Lorsque le substrat est décapé par voie chimique, le procédé conforme à l'invention comprend, en outre, l'étape consistant à: déposer sur le substrat, par épitaxie, une couche d'arrêt, avant dépôt des diverses couches de matériaux aptes à former un guide de lumière. Dans une réalisation, le substrat est en phosphure d'indium In P, la couche de confinement inférieure en In P, la couche de guidage en matériau quaternaire Ga In As P, la couche de confinement supérieure en In P, et la couche d'arrêt est de même composition que la couche de guidage. Dans le cas o le procédé est appliqué plus particulièrement à la réalisation d'une structure guide-photodétecteur, le procédé se caractérise en ce qu'il comprend en outre l'étape consistant à: déposer sur le substrat, par épitaxie, une couche photodétectrice, le miroir étant alors adapté à renvoyer la lumière depuis le guide de lumière vers la couche photodétectrice. Dans le cas o le procédé est appliqué plus particulièrement à la réalisation d'une structure de diode superluminescente, le procédé comprend en outre l'étape consistant à: déposer sur le substrat, par épitaxie, au moins une couche formant zone active, propre à amplifier la lumière. La présente invention a également pour objet une structure à guide de lumière et miroir intégrés, obtenue par la mise en oeuvre du procédé selon l'invention Cette structure se caractérise en ce qu'elle comprend: un substrat présentant deux régions espacées entre elles, de hauteurs différentes, une pluralité de couches déposées par épitaxie sur le substrat, propres à former un guide de lumière sur au moins l'une desdites régions, l'une au moins des couches s'étendant entre les deux régions selon un plan incliné pour former un miroir apte à renvoyer la lumière depuis le guide de lumière dans une direction donnée. Plus particulièrement, dans le cas d'une structure guide- photodétecteur, celle-ci comprend avantageusement: un substrat présentant deux régions espacées entre elles et de hauteurs différentes, une pluralité de couches déposées par épitaxie sur le substrat, propres à former un guide de lumière sur au moins l'une desdites régions ainsi qu'une couche photodétectrice, l'une au moins desdites couches s'étendant entre lesdites régions, selon un plan incliné, pour former un miroir apte à renvoyer la lumière depuis le guide de lumière vers la couche photodétectrice. Avantageusement, la pluralité de couches comprend, succes- sivement déposées par épitaxie sur le substrat une couche de confinement inférieure, une couche de guidage propre à guider la lumière, d'indice plus élevé que la couche de confinement inférieure, une couche de confinement supérieure, d'indice moindre que la couche de guidage, une couche photodétectrice, et de préférence, lorsque le substrat est attaqué sur l'arrière par voie chimique, la pluralité de couches comprend, successivement déposées par épitaxie sur le substrat une couche d'arrêt, une couche de confinement inférieure, une couche de guidage propre à guider la lumière, d'indice plus élevé que la couche de confinement inférieure, une couche de confinement supérieure, d'indice moindre que la couche de guidage, une couche photodétectrice. Plus particulièrement, dans le cas d'une structure de diode superluminescente, la pluralité de couches déposées par épitaxie sur le substrat, forme une zone active de diode superluminescente. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaî- tront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de réalisation non limitatifs de l'invention, et à l'examen du dessin annexé sur lequel: la figure I est une vue en coupe d'une structure à guide de lumière et miroir intégrés précédemment décrite, servant à illustrer l'état de la technique, les figures 2 à 5 illustrent, de façon schématique, les différentes étapes d'un procédé selon l'invention, la figure 6 est une vue en coupe d'une structure de diode super- luminescente obtenue par la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. On a représenté sur les figures 2 à 5 différentes étapes d'un procédé de réalisation d'une structure à guide de lumière et miroir intégrés conforme à l'invention. Conformément à l'invention, on commence par graver un substrat 200 pour former un plan incliné sur celui-ci Le substrat 200 peut être gravé par voie chimique ou par usinage ionique à l'aide de faisceaux d'ions réactifs ou non, selon des méthodes connues en elles-mêmes De préférence, le plan incliné est gravé par voie chimique Dans un exemple de réalisation non limitatif de l'invention, le substrat 200 est en phosphure d'indium In P. On commence par réaliser sur le substrat 200 en In P, par photolithographie, un masque 220, puis le substrat 200 recouvert du masque 220 est gravé à l'aide d'une solution acide HCI ( 1 volume) + H 3 PO 4 ( 1 volume) à température ambiante, selon des techniques de photo- lithographie connues en elles-mêmes. Dans l'exemple de la figure 2, la surface initiale 210 du substrat 200 est plane et s'étend dans un plan Dans la suite de la description, l'expression "hauteur" se référera à une direction perpendicu- laire au plan de la surface plane 210 La gravure chimique s'effectue de façon privilégiée selon un plan cristallin du substrat 200, qui est désigné par la référence 230 sur la figure 3 Le substrat 200 est ensuite préparé pour être recouvert par épitaxie d'un ensemble de couches propres à former un guide de lumière. Les figures 4 et 5 dont la description va suivre se réfèrent plus particulièrement à l'application du procédé conforme à l'invention à la réalisation d'une structure guide-photodétecteur. Sur la figure 4, on aperçoit une couche d'arrêt 240, une couche de confinement inférieure 250, une couche formant guide de lumière 260, une couche de confinement supérieure 270 et une couche photodétectrice 280, déposées successivement par épitaxie sur le substrat 200 On notera que les couches de confinement supérieure et inférieure sont réalisées en des matériaux d'indice plus faible que la couche de guidage 260 de façon à former un guide de lumière. Avantageusement, la couche d'arrêt est en matériau quater- naire In Ga As P, de préférence ayant la composition In 072 Ga 028 As 061 P 0,39 et d'épaisseur 500 A Les couches de confinement inférieure 250 et supérieure 270 sont réalisées en phosphure d'indium In P d'épaisseur voisine de 1 pm La couche de guidage 260 est réalisée en matériau quaternaire de même composition que la couche d'arrêt et d'épaisseur voisine de 0,65 Prm. La couche photodétectrice 280 d'épaisseur voisine de 2 prm est réalisée en matériau ternaire Ga In As, de préférence ayant la composition Ga 047 In 053 As. Conformément à l'invention, le substrat 200 est ensuite localement décapé sur l'arrière, c'est-à-dire par la face 215 du substrat 200 opposée à la face 210, jusqu'au plan incliné 230, pour former un miroir apte à renvoyer la lumière depuis la couche de guidage 260 dans une direction donnée, c'est-à-dire, dans l'exemple de réalisation de la figure 5, vers la couche photodétectrice 280. De préférence, comme cela vient d'être décrit, on a déposé sur le substrat 200 lors de l'épitaxie une couche d'arrêt 240, et on réalise le décapage de l'arrière du substrat 200 par voie chimique, en réalisant tout d'abord, par photolithographie, un masque présentant une ouverture au niveau du plan incliné 230 La couche d'arrêt 240 est choisie de telle sorte qu'elle protège les différentes couches 250, 260, 270, 280 déposées par épitaxie lors de l'attaque chimique pour former le miroir. Le substrat 200 est attaqué localement avec une solution acide HCI ( 1 volume) + H 3 PO 4 ( 1 volume), étant bien entendu que ceci n'est qu'un exemple et que ces proportions peuvent varier Cette solution acide a la propriété, entre autres, d'attaquer In P avec une vitesse de l'ordre de 1,5 pm/mn à température ambiante tandis que le matériau quaternaire Ga In As P n'est attaqué qu'à une vitesse inférieure à 0,01 pm/mn L'homme de l'art comprend ainsi aisément que la couche d'arrêt ralentit considé- rablement la progression de l'attaque chimique effectuée localement sur l'arrière du substrat lorsque celle-ci atteint le niveau du plan incliné 230, et protège ainsi l'ensemble des couches 250, 260, 270, 280 déposées par épitaxie. Le miroir intégré ainsi formé présente une face réfléchissante qui coîncide avec le plan incliné 230, propre à renvoyer la lumière depuis la couche de guidage 260 dans une direction donnée, plus particulièrement, dans le cas de la structure guide-photodétecteur représentée sur la figure 5, vers une jonction de photodiode 295 formée sur la couche détectrice 280. Cette jonction de photodiode 295 est réalisée par dépôt d'une couche de masquage, par exemple en nitrure de silicium Si NX, sur la dernière couche 280 déposée par épitaxie, pour ensuite réaliser la jonction de photodiode 295 par diffusion de type P au travers d'une ouverture pratiquée dans cette couche de masquage, par exemple une diffusion de zinc. On peut proposer, sans sortir du cadre de l'invention, de réaliser le décapage de l'arrière du substrat par usinage ionique de préférence réactif (attaque sélective), à l'aide d'un faisceau d'ions. On peut également proposer, sans sortir du cadre de l'invention, de choisir d'autres matériaux (Ga As, Ga Al As, etc), de changer la composition du substrat et des différentes couches déposées par épitaxie, ainsi que leur épaisseur, pour les adapter aux paramètres de longueur d'onde de la lumière dans le guide par exemple, ou pour former dans le guide de lumière ou en son voisinage une zone active susceptible d'amplifier l'onde lumineuse, voire former une structure laser (par exemple du type à rétroaction répartie (DFB)). Ainsi, on a représenté sur la figure 6 une structure de diode superluminescente obtenue par la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. On aperçoit sur cette figure un substrat 200 comportant deux régions disjointes espacées 201 et 202, de hauteurs différentes mesurées en prenant pour origine le plan de la face 215 du substrat 200, et une pluralité de couches 310, 320, 330, 340 déposées par épitaxie sur les deux régions disjointes 201 et 202 du substrat, s'étendant entre celles-ci selon un plan incliné 230 pour former un miroir apte à renvoyer la lumière depuis la couche 330, qui constitue la zone active, vers la surface S de la structure. Dans l'exemple de réalisation décrit, le substrat 200 est en phosphure d'indium In P, la couche 310 est une couche d'arrêt en matériau quaternaire, la couche 320 est une couche de confinement inférieure en In P, la couche formant zone active 330 est en matériau quaternaire, et la couche 340 de confinement supérieure en In P. Dans le mode de réalisation présenté sur la figure 6, l'espace intérieur 1000 aux deux régions disjointes espacées 201, 202 est au contact avec l'air, mais on peut proposer de remplir éventuellement cet espace par un matériau de remplissage de faible indice, en veillant naturellement à ce que la différence d'indice entre la première couche déposée par épitaxie et s'étendant entre lesdites régions disjointes espacées et le matériau de remplissage soit telle qu'il y ait réflexion sur le plan 230. On peut également proposer de déposer une métallisation représentée en pointillés sur les figures 5 et 6 sur l'arrière du miroir, de façon à améliorer les qualités de réflexion de ce dernier. Finalement, le procédé objet de la présente invention s'avère être particulièrement avantageux, en ne nécessitant qu'une seule étape d'épitaxie et en permettant de réaliser le miroir par des techniques simples, par exemple des techniques de photolithographie, avec un positionnement précis du miroir par rapport au guide. Les structures à guide de lumière et miroir intégrés obtenues par ce procédé, qu'il s'agisse de structures guide-photodétecteur, de structures de diodes superluminescentes ou de structures laser sont de coût réduit et s'avèrent particulièrement robustes. REVENDICATIONS 1/ Procédé de réalisation d'une structure à guide de lumière et miroir intégrés, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: graver un substrat ( 200) pour former un plan incliné ( 230) sur celui- ci, déposer sur la face du substrat portant le plan incliné, par épitaxie, diverses couches de matériaux aptes à former un guide de lumière, décaper le substrat, par sa face ( 215) opposée aux couches épitaxiées, jusqu'au plan incliné, pour former un miroir apte à renvoyer la lumière depuis le guide dans une direction donnée. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on dépose en outre sur le substrat ( 200), par épitaxie, une couche d'arrêt ( 240) avant dépôt des diverses couches de matériaux aptes à former un guide de lumière. 3/ Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape consistant à déposer sur le substrat ( 200), par épitaxie, une couche photodétectrice ( 280), le miroir étant alors adapté à renvoyer la lumière depuis le guide de lumière vers la couche photodétectrice ( 280). 4/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les diverses couches de matériaux aptes à former un guide de lumière comprennent: une couche de confinement inférieure ( 250), une couche de guidage ( 260) propre à guider la lumière, d'indice plus élevé que la couche de confinement inférieure, une couche de confinement supérieure ( 270), d'indice moindre que la couche de guidage. / Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le substrat ( 200) est en phosphure d'indium In P, la couche de confinement inférieure ( 250) en In P, la couche de guidage ( 260) en matériau quaternaire Ga In As P, la couche de confinement supérieure ( 270) en In P, la couche photodétectrice ( 280) en Ga In As. 6/ Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la couche d'arrêt ( 240) est de même composition que la couche de guidage ( 260). 7/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape consistant à: déposer sur le substrat, par épitaxie, au moins une couche ( 330) formant zone active, propre à amplifier la lumière. 8/ Structure à guide de lumière et miroir intégrés obtenue par la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle comprend: un substrat ( 200) présentant deux régions ( 201, 202) espacées entre elles, de hauteurs différentes, une pluralité de couches ( 240, 250, 260, 270, 280) déposées par épitaxie sur le substrat ( 200), propres à former un guide de lumière sur au moins une ( 201) desdites régions, l'une au moins des couches ( 240) s'étendant entre les deux régions ( 201, 202) selon un plan incliné ( 230) pour former un miroir apte à renvoyer la lumière depuis le guide de lumière dans une direction donnée. 9/ Structure selon la revendication 8, caractérisée en ce que ladite pluralité de couches comprend, successivement déposées par épitaxie sur le substrat ( 200): une couche de confinement inférieure ( 250), uhe couche de guidage ( 260) propre à guider la lumière, d'indice plus élevé que la couche de confinement inférieure, une couche de confinement supérieure ( 270), d'indice moindre que la couche de guidage, une couche photodétectrice ( 280). / Structure selon la revendication 8, caractérisée en ce que ladite pluralité de couches comprend, successivement déposées par épitaxie sur le substrat: une couche d'arrêt ( 240), une couche de confinement inférieure ( 250), Il une couche de guidage ( 260) propre à guider la lumière, d'indice plus élevé que la couche de confinement inférieure, une couche de confinement supérieure ( 270), d'indice moindre que la couche de guidage, une couche photodétectrice ( 280). 11/ Structure selon la revendication 10, caractérisée en ce que le substrat ( 200) est en In P, la couche d'arrêt ( 240) en Ga In As P, la couche de confinement inférieure ( 250) en In P, la couche de guidage ( 260) en Ga In As P, la couche de confinement supérieure ( 270) en In P, la couche photodétectrice ( 280) en Ga In As. 12/ Structure selon la revendication 8, caractérisée en ce que ladite pluralité de couches déposées par épitaxie forme en outre une zone active de diode superluminescente.