Brevet FR2719159A1 — publié le 19951027

i DISPOSITIF OPTOELECTRONIQUE INTEGRANT UN PHOTODETECTEUR A DEUX DIODES Domaine technique La présente invention a pour objet un dispositif optoélectronique intégrant un photodétecteur équivalent électriquement à 2 diodes montées tête-bêche. L'invention trouve une application en optoélectronique, et notamment en télécommunications optiques o le dispositif de l'invention peut constituer le récepteur optique d'un circuit de réception hétérodyne. Le dispositif de l'invention peut être utilisé également dans des interconnexions optiques entre "puces" électroniques rapides à haut degré d'intégration ou entre ordinateurs, ou à l'intérieur d'ordinateurs. Etat de la technique antérieure Un dispositif optoélectronique à guide optique et photodétecteur intégrés comprend généralement, sur un substrat semiconducteur, successivement une couche inférieure de confinement, une couche formant guide optique et une couche supérieure de confinement. Cette structure se complète par un photodétecteur placé soit à la partie inférieure du substrat, un miroir à 45 renvoyant vers le bas la lumière venant de la couche guide, soit à l'extrémité de la couche guide, soit, enfin, au-dessus de la couche guide pour un fonctionnement par onde évanescente. Le dispositif de la présente invention se rapporte au troisième mode de réalisation. C'est donc lui qui sera plus spécialement décrit dans la suite. Un dispositif guide-détecteur intégré à couplage par onde évanescente est décrit, par exemple, dans l'article de R.J. DERI et al., intitulé "Integrated Waveguide/Photodiodes with Vertical Impedance Matching", publié dans "Proceedings of the 1989 IEDM", Washington, D.C., Décembre 1989, ainsi que dans l'article de synthèse de R.J. DERI intitulé "Monolithic Integration of Optical Waveguide Circuiting with III-V Photodétectors for Advanced Lightwave Receivers", publié dans la revue "Journal of Lightwave Technology", vol. 11, n 8, August 1993, pp. 1296-1312. La figure 1 montre, en perspective, un dispositif de ce genre avec un substrat S dopé n+d, une couche guide CG, une couche antireflet CaR, un absorbant Ab, une couche dopée p+ référencée Ab(p+) et un contact métallique M. Dans cet exemple, le photodétecteur est formé par la diode PIN constituée par l'empilement Ab(p+)/Ab/CaR/CG/S(n+). La figure 2 montre une coupe à travers le photodétecteur, dans un mode de réalisation qui est décrit dans la demande de brevet français FR-A- 2 676 126 (ou dans son correspondant américain US-A-5,193,131). Certains moyens sont les mêmes que sur la figure 1 et portent les mêmes références. La structure de la figure 2 diffère de celle de la figure 1 par la présence d'une couche réfléchissante CR et par le fait que la couche CaR est dopée n+ de façon à réduire le temps de transit des porteurs. On voit également la couche inférieure de confinement CiC. Dans ces deux variantes, la couche supérieure de confinement n'existe pas à proprement parler, l'air ambiant apportant l'indice faible propre au confinement. La diode PIN n'est pas la seule structure possible permettant de réaliser un photodétecteur dans une structure optoélectronique intégrée. Il est possible aussi d'utiliser des diodes MSM (Métal-Semiconducteur- Métal) dont les contacts sont interdigités ou des diodes PIN latérales ou les contacts sont disposés côte à côte. Mais ces dispositifs sont difficiles à réaliser en raison de la finesse des contacts. Il est préférable donc en général d'utiliser la diode PIN classique. Cependant, la diode PIN n'est pas sans poser, elle aussi, quelques problèmes. En effet, les deux contacts métalliques qui l'encadrent doivent être réalisés sur deux semiconducteurs de dopages différents, l'un de type p, l'autre de type n. Si l'on veut réduire les résistances de contact, il faudra choisir le métal en fonction du semiconducteur sur lequel il est déposé. L'homme de l'art emploiera ainsi, par exemple, l'alliage Au-Mn-Ti-Au sur une couche p et l'alliage Ni- Ge-Au sur une couche n. Cela implique donc que deux opérations de métallisation différentes soient mises en oeuvre. Par ailleurs, ces deux contacts ne sont pas au même niveau puisque l'un se situe au sommet de l'empilement et l'autre à la base. Le problème technique que se propose de résoudre l'invention est de définir un dispositif optoélectronique à guide optique et photodétecteur intégrés dans lequel le photodétecteur, tout en étant toujours du type à diode PIN, présente une structure telle qu'une seule et même métallisation soit possible (et non plus deux), cette métallisation affectant un seul niveau (et non plus deux). On peut observer en outre que, dans les dispositifs optoélectroniques antérieurs, la partie électrique occupe une place très importante du dispositif (par exemple une surface de 200 wm par pm) alors qu'un guide optique n'occupe jamais que quelques microns de large. La solution préconisée par l'invention, si elle vise essentiellement le photodétecteur, conduit en outre à un avantage supplémentaire qui est celui de permettre une meilleure utilisation de la place laissée disponible côté guide optique. Cette place pourra recevoir non plus un mais deux, voire plus de deux guides optiques. Exposé de l'invention A cette fin, la présente invention propose d'utiliser, comme photodétecteur, deux diodes montées tête- bêche et disposées côte à côte de manière symétrique. En fonctionnement, l'une des diodes se trouve être polarisée en inverse et sert de moyen de photodétection tandis que l'autre, polarisée nécessairement en direct, sert à conduire le courant de photodétection. Le premier contact métallique reste placé au sommet de l'une des diodes et se trouve en contact avec un semiconducteur par exemple de type p comme dans l'art antérieur. Mais, le second contact métallique, lui, se trouve renvoyé sur le sommet de l'autre diode, c'est-à-dire à la même hauteur que le premier. Par ailleurs, il se trouve en contact lui aussi avec un semiconducteur de type p. Il est donc bien possible d'effectuer une seule opération de métallisation avec un seul et même métal et cette métallisation porte sur deux niveaux situés à la même hauteur. De façon plus précise, la présente invention a donc pour objet un dispositif optoélectronique à guide optique et photodétecteur intégrés comprenant, sur un même substrat, des couches constituant des moyens de guidage optique, et, sur une partie de ces couches, un photodétecteur constitué par un premier empilement de couches semiconductrices constituant une première diode, ce dispositif comprenant encore des moyens de polarisation de la première diode, ce dispositif étant caractérisé par le fait que le photodétecteur comprend en outre un second empilement, identique au premier et placé à côté de celui-ci, ce second empilement constituant une seconde diode, les moyens de polarisation étant reliés à la première diode à travers la seconde, les deux diodes étant ainsi montées tête- bêche, l'une étant polarisée en inverse et l'autre en direct. Le photodétecteur peut comprendre deux diodes PIN ou deux diodes NIP. On peut observer que des dispositifs optoélectroniques à deux diodes sont déjà connus, dans le cas notamment de récepteurs cohérents à deux diodes équilibrées. Mais, dans ce cas, les deux diodes ne sont pas montées tête-bêche. Il n'est donc pas possible d'utiliser un seul type de métallisation avec seulement deux contacts à un seul niveau. Dans cet art antérieur, chaque diode possède ses deux métallisations, à deux niveaux différents. Par ailleurs, dans ces dispositifs, les deux diodes travaillent simultanément en photodétecteurs, alors que, dans l'invention, seule la diode polarisée en inverse assure la photodétection, l'autre (polarisée automatiquement en direct), n'assurant que le passage du photocourant. Dans la structure de l'invention, qui est symétrique et à deux diodes, il est possible de faire jouer à chaque diode le rôle de photodétecteur (l'autre diode assurant alors la circulation du photocourant). On peut donc associer à une telle structure non plus un mais deux guides optiques qui passeront respectivement sous les deux diodes. En polarisant en inverse l'une ou l'autre des diodes, on pourra travailler avec l'un ou l'autre des guides. L'ajout d'un guide optique permet de mieux utiliser la place laissée libre côté guidage optique. On peut d'ailleurs faire passer plusieurs guides sous une même diode. Pour bien marquer le caractère symétrique du double empilement réalisé et son caractère réversible, le déposant a baptisé sa structure par les acronymes "PINIP" ou "NIPIN" qui montrent bien que l'ordre des couches traversées par le courant de photodétection est toujours le même, quel que soit le sens de circulation du courant, donc quelle que soit la polarisation. Dans la suite de la description, on qualifiera donc les moyens de photodétection de "photodétecteur PINIP ou NIPIN". Brève description des dessins - la figure 1, déjà décrite, représente un photodétecteur conforme à l'art antérieur; - la figure 2, déjà décrite, représente, en coupe, un photodétecteur également conforme à l'art antérieur; - la figure 3 illutre, en coupe, un premier mode de réalisation d'un photodétecteur PINIP selon l'invention; - la figure 4 illustre, en coupe un second mode de réalisation d'un photodétecteur PINIP selon l'invention; - la figure 5 montre un dispositif conforme à l'invention à deux guides optiques; - la figure 6 est un schéma de la structure PINIP; - la figure 7 est un circuit électrique équivalent à la structure PINIP; - la figure 8 est un ensemble de courbes courant- tension; - la figure 9 illustre une première application de l'invention à un dispositif optoélectronique pour la détection directe; - la figure 10 illustre une deuxième application de l'invention à un dispositif optoélectronique pour la détection cohérente pour une seule polarisation optique; - la figure 11 illustre une troisième application de l'invention à un dispositif optoélectronique à quatre coupleurs optiques pour la détection cohérente à diversité de polarisation; - la figure 12 illustre une quatrième application de l'invention à un dispositif optoélectronique à à quatre guides optiques et une seule structure PINIP. Exposé détaillé de modes de réalisation On voit, sur la figure 3, un premier mode de réalisation du dispositif de l'invention. Ce dispositif est représenté en coupe suivant un plan passant par le photodétecteur. Sur un substrat S, on trouve successivement une couche inférieure de confinement 10, une couche de guidage 12, une couche 14 dopée n, une couche 16 intrinsèque, une première zone diffusée 181 de type p, une seconde zone diffusée 182 de type p, un premier contact métallique 191 et un second contact métallique 192. La diode Dl est formée par l'empilement de droite, utilisant la zone 181 et le contact 191 et la diode D2 par l'empilement de gauche, utilisant la zone 182 et le contact 192. Sur la figure 4, le dispositif représenté comprend, sur un substrat S, successivement une couche inférieure de confinement 20, une couche de guidage 22, une couche 24 dopée n, une première couche intrinsèque 261 et une seconde couche intrinsèque 262, une première couche 281 dopée p, une seconde couche 282 dopée p, un premier contact métallique 291 et un second contact métallique 292. La figure 5 illustre encore cette seconde variante mais en perspective. On retrouve les mêmes éléments que sur la figure 4 avec les mêmes références. L'intérêt de la figure 5, entre autre, est de montrer que deux guides optiques G1, G2 peuvent être utilisés et que ceux-ci passent sous les deux diodes Dl, D2, c'est-à- dire sous les empilements 261, 281, 291 et 262, 282, 292. Deux faisceaux optiques peuvent donc être présents dans une telle structure, alternativement dans Gi ou dans G2. Si l'on revient aux figures 3 et 4, on voit que l'emplacement des deux modes optiques possibles est schématisé par les deux ovales Ml et M2. Un procédé de réalisation possible d'une telle structure peut comprendre les opérations suivantes: 1) on part d'un substrat en InP et l'on dépose, par épitaxie, successivement les matériaux suivants (leur épaisseur est indiquée entre parenthèses): - Inp (1 pm): couche 20 - GaInAsp (0,9 im): couche 22 - GaInAsP dopée n+ (0,4 Pn): couche 24 - GaInAs (intrinsèque) (1 plm): couche 261, - InP dopé p+ (0, 5 prn):couche 281, 282 - GaInAs dopé p+ (50 nm): couche 281, 282 2) Par gravure utilisant un faisceau d'ions ("Ion Beam Etching" ou IBE) ou par gravure ionique réactive ("Reactive Ion Etching" ou RIE), on forme un canal dans l'empilement pour former deux mésas, on laisse subsister la couche 24 en GaInAsP n+. 3) On protège (par un nitrure ou une résine) une zone un peu plus large de quelques pin et on attaque chimiquement et sélectivement la structure jusqu'à la couche guide 22 en GaInAsP. 4) On grave les guides optiques (par gravure RIE). ) On protège l'ensemble guide-détecteur et on grave l'ensemble jusqu'au substrat (par RIE). 6) On dépose un polyimide et on ouvre dans celui-ci deux ouvertures au sommet des deux mésas. 7) On effectue un dépôt métallique dans les ouvertures et on réalise des plots constituant les deux contacts p+ du photodétecteur PINIP. Dans les modes de réalisation des figures 3, 4 et 5, on n'observera qu'il n'y a pas à proprement parler de couche supérieure de confinement, ce confinement supérieur étant obtenu automatiquement par l'air libre présent au-dessus de la couche de guidage. Les caractéristiques électriques de la structure PINIP de l'invention peuvent être explicitées à l'aide des figures 6, 7 et 8. La figure 6, tout d'abord, montre schématiquement la structure avec son double empilement PIN formant deux diodes PIN respectivement D1 et D2. Cette figure montre également le sens de circulation du photocourant Iph pour un éclairement ph dirigé sur la diode D2. Sur cette figure, la polarisation produite par la source de tension SP est telle que la diode D2 se trouve polarisée en inverse et la diode D1 en direct. La figure 7 montre le schéma électrique équivalent de la structure. Elle illustre bien le montage tête- bêche des deux diodes Dl et D2 et, à nouveau, le sens de circulation du photocourant. Pour le courant extérieur, en direct comme en inverse, il y a blocage (par l'une des diodes). La résistance de la structure PINIP est donnée par la résistance des couches traversées par le courant, c'est-à-dire d'abord par la résistance des couches p+, i, et n+, comme pour une diode normale, puis par la résistance de la couche i à nouveau traversée et celle de la couche p+. La résistance de la structure PINIP n'est donc guère plus grande que celle d'une diode PIN ordinaire. Pour une structure de 10 pm de largeur par 20 pm de longueur, cette résistance est de l'ordre de Ohms. Pour ce qui est de la capacité de la structure PINIP, c'est celle de deux diodes montées en série. L'inverse de la capacité totale est donc égal à la somme des inverses des capacités des deux diodes. La capacité totale est donc sensiblement égale à la moitié de la capacité d'une seule diode pour une tension nulle. En augmentant la tension, la capacité de la PIN polarisée en direct ira en augmentant, et celle qui est polarisée inverse tendra vers une valeur constante correspondant à la capacité d'une seule diode. Pour ce qui est du photocourant, il est engendré par la partie de la PINIP appauvrie en porteurs de charge et polarisée en inverse et il traverse la partie de la PINIP en direct uniquement si la polarisation appliquée compense son appauvrissement à la tension V=O. En d'autres termes, avec une polarisation nulle, les deux zones intrinsèques sont appauvries. En éclairant l'une des parties de la PINIP, le photocourant créé sera bloqué par l'autre partie, appauvrie. En appliquant une tension, une partie de la PINIP se trouve polarisée en inverse et reste appauvrie tandis que l'autre, polarisée, en direct, devient conductrice. La première diode fonctionnant dans le sens inverse (le photocourant créé circule dans le sens bloqué) se comporte donc comme un générateur de courant qui débite dans la seconde diode polarisée dans le sens passant (direct). Bien que la structure PINIP empêche le courant extérieur de passer, le photocourant pourra être détecté. Cette propriété tient au fait que le photocourant dans une diode PIN circule dans le sens inverse du sens passant d'un courant extérieur. Le photocourant détecté par la structure PINIP de l'invention est représenté sur la figure 8 dans un diagramme courant-tension I(V) classique. Ce diagramme permet en outre de comparer le courant obtenu avec celui d'une diode PIN classique. Sur la figure 8, les courbes sont référencées de 1 à 6 et correspondent aux conditions suivantes: - courbe 1: une seule diode PIN dans l'obscurité, - courbe 2: structure PINIP dans l'obscurité, - courbe 3: une seule diode PIN éclairée, - courbe 4: structure PINIP éclairée, - courbe 5: différence entre les courbes 4 et 2 (structure PINIP éclairée et non éclairée), - courbe 6: différence entre les courbes 3 et 1 (une seule diode PIN éclairée et non éclairée). On remarque que, pour une tension supérieure à 0,5V, on obtient le même photocourant. Pour une tension inférieure, le photocourant de la PINIP n'est plus détecté puisqu'il est bloqué par la zone appauvrie de la diode polarisée en direct. En général, les diodes PIN sont polarisées à des valeurs supérieures à 1V; ainsi, la structure PINIP peut-elle remplacer la diode PIN sans problème de détection. Toutefois, le courant d'obscurité est plus important puisqu'il y a deux jonctions (pi et ip). Mais il reste tout de même faible (6nA à 2V au lieu de 4nA). Comme il a été exposé plus haut, la présente invention résoud non seulement les problèmes liés à la réalisation du photodétecteur (une même métallisation sur un même niveau) mais permet également une meilleure utilisation de la partie optique. Ce dernier avantage est illustré sur les figures 9 à 12 qui montrent quelques exemples non limitatifs de mise en oeuvre de l'invention. Sur la figure 9, tout d'abord, on voit un dispositif d'amplification et de détection directe d'un type connu, mais qui présente l'originalité de comprendre deux voies au lieu d'une, et un seul photodétecteur. Chaque voie comprend un dispositif optique de transition ("taper" en anglais) référencé T1 pour une voie et T2 pour l'autre, un amplificateur optique AO1 (AO2), un filtre optique F1 (F2), un guide optique G1 (G2), et une seule structure de photodétection PINIP, reliée à un circuit d'amplification électronique 63. L'un des guides optiques passe sous l'une des diodes de la structure PINIP et l'autre sous l'autre diode. La figure 10 montre un ensemble à détection cohérente pour une seule polarisation de la lumière. Ce dispositif se distingue encore de l'art antérieur par le doublement des moyens combinés à un photodétecteur. Le dispositif représenté comprend deux transitions T1, T2, deux sources laser L1, L2, deux coupleurs à 3 dB, Cl, C2 et deux photodétecteurs respectivement PINIP 1 et PINIP 2, reliés à un circuit d'amplification électronique 65. La figure 11 montre un ensemble à détection cohérente et à diversité de polarisation. Tel que représenté, ce dispositif comprend: - d'une part, deux transitions T1, T2, deux séparateurs de polarisation SP1, SP2, deux coupleurs travaillant en mode transverse électriquement (C/TE)1 et (C/TE)2, et deux photodétecteurs PINIP 1 et PINIP 2, - d'autre part, deux lasers L1, L2, deux rotateurs de polarisation RP1, RP2, deux coupleurs travaillant en mode transverse magnétique (C/TM)1 et (C/TM)2, et deux autres photodétecteurs PINIP 3, PINIP 4. Les quatre photodétecteurs PINIP sont reliés à un circuit électronique 67. L'intérêt de ces dispositifs est que, grâce à l'invention, ils présentent une certaine redondance, chacun des deux guides passant sous la structure PINIP pouvant être utilisé à volonté. Si l'une des voies vient à être défectueuse, on pourra toujours utiliser l'autre en transférant la fonction de photodétection sur la diode PIN correspondante. Ce transfert est immédiat puisqu'il suffit de faire basculer le sens de polarisation. La durée de vie de ces dispositifs est donc augmentée et, par là-même, leur fiabilité. La figure 12, enfin, montre quatre guides G1, G2, G3, G4 associés à un seul photodétecteur PINIP. Seul le meilleur des quatre guides sera utilisé. Dans tous les exemples décrits, le photodétecteur PINIP peut être éclairé par dessus à travers des couches P, donc par éclairage direct, sans utiliser le guide. Ce dernier permet d'ajouter une fonction optique. Toute la description faite sur la variante PINIP peut être transposée aisément à la variante NIPIN en inversant les couches n et p. REVENDICATIONS 1. Dispositif optoélectronique à guide optique et photodétecteur intégrés comprenant, sur un même substrat (S), des couches constituant des moyens de guidage optique (CG), et, sur une partie de ces couches, un photodétecteur constitué par un premier empilement (14, 16, 181) (24, 261, 281) de couches semiconductrices constituant une première diode (D1), ce dispositif comprenant encore des moyens de polarisation (SP) de la première diode, ce dispositif étant caractérisé par le fait que le photodétecteur comprend en outre un second empilement (14, 16, 182) (24, 262, 282), identique au premier et placé à côté de celui-ci, ce second empilement constituant une seconde diode (D2), les moyens de polarisation (SP) étant reliés à la première diode à travers la seconde, les deux diodes (Dl, D2) étant ainsi montées tête-bêche, l'une étant polarisée en inverse et l'autre en direct. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le photodétecteur est du type PINIP. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le photodétecteur est du type NIPIN. 4. Dispositif optoélectronique selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le photodétecteur comprend une seule couche semiconductrice inférieure (14) de type n disposée au- dessus des moyens de guidage optique (12), une seule couche semiconductrice intrinsèque (16), une première et une seconde zones diffusées de type p (181, 182) disposées côte à côte à la surface de la couche semiconductrice intrinsèque (16), un premier et un second contacts métalliques (191, 192) surmontant la première et la seconde zones diffusées (181, 182). 5. Dispositif optoélectronique selon la revendication 2, caractérisé par le fait que chacune des première et seconde diodes PIN (Dl, D2) comprend une couche semiconductrice de type n (24) disposée au- dessus des moyens de guidage optique (22), une couche semiconductrice intrinsèque (261, 262), une couche épitaxiée dopée p (281, 282) et un contact métallique (291, 292) disposé sur la couche dopée p (281, 282), la première couche (24) semiconductrice de type n étant commune aux première et seconde diodes (Dl, D2). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que les moyens de guidage optique comprennent au moins un premier guide optique (G1) et un second guide optique (G2), ces guides étant placés côte à côte sur le substrat (S), le premier guide (Gi) passant sous le premier empilement constituant la première diode PIN (D1), le second guide (G2) passant sous le second empilement constituant la seconde diode PIN (D2), la photodétection se produisant dans celle des deux diodes (D1, D2) qui est polarisée en inverse pour le guide optique (Gi, G2) correspondant. 7. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le photodétecteur PINIP est éclairé par dessus au travers des couches P.