Brevet FR2732782A1 — publié le 19961011

La présente invention concerne le domaine des dispositifs photoréfractifs. Par dispositifs "photoréfractifs" on entend les dispositifs dans lesquels est susceptible de se manifester l'effet photoréfractif, c'est-à-dire la création d'un champ de charge d'espace résultant de la photo-excitation de porteurs de charge redistribués de façon inhomogène sous l'effet d'un éclairement inhomogène, tel qu'une figure d'interférence. On pourra trouver des explications sur cet effet photoréfractif dans les documents suivants: (1) L'effet photoréfractif, David PEPPER, Jack FEINBERG, Nicolai KUKHTAREV, Pour La Science, n 158, décembre 1990, pages 58 à 64. (2) Topics in Applied Physics, Springer Verlag, vol. 61, Photorefractive materials and their applications, Tome 1, Chapitre 8, The Photorefractive Effect in Semiconductors, Alastair MN. Glass and Jefferson Strait. De nombreux dispositifs photoréfractifs ont déjà été proposés. En particulier, on a déjà proposé plusieurs dispositifs photoréfractifs à base de structures à puits quantiques multiples (MQW - multiple quantum wells en anglais). On sait que les composants basés sur les propriétés des puits quantiques multiples sont très prometteurs dans le domaine du traitement du signal optique. Le spectre d'absoption optique de puits quantiques multiples permet d'observer une raie excitonique à température ambiante. Cette propriété est remarquable par rapport aux matériaux massifs et correspond au fait que l'exciton est confiné dans les puits par les barrières. De même, l'application d'un champ électrique perpendiculaire (QCSE-quantum confined Stark effet en anglais) aux interfaces permet de déplacer la résonance excitonique vers les basses énergies. Au contraire, dans un semiconducteur massif, l'application d'un champ électrique n'entraîne pas une variation importante d'absorption. Dans les structures à puits quantiques multiples, la présence de l'exciton à température ambiante permet d'observer des non-linéarités très fortes au voisinage de la résonance excitonique. Différents dispositifs utilisant ces propriétés des structures à puits quantiques multiples ont été proposés (tels que par exemple modulateur spatial de lumière ou spatial light modular-SLMI en anglais, modulateur sensible à la phase... et des dispositfs photoréfractifs). Pour ce qui est des dispositifs photoréfractifs à base de structure à puits quantiques multiples, pour la commutation optique, on peut par exemple se référer au document (3) FR-A-2678093. Par ailleurs, on sait que les réseaux de diffraction rapides, sont bien adaptés pour la commutation optique rapide. Sur ce point on peut se référer au document (4) Demande de brevet déposée en France le 17 Novembre 1993 sous le n 93 13718 "Cellule Photoréfractive, N. Pelekanos, B. Deveaud et B. Lambert. Grâce à des temps de transit très courts (de l'ordre de la picoseconde pour des puits quantiques multiples judicieusement choisis et pour des épaisseurs de l'ordre du micron) on peut atteindre des temps de réponse très courts. De ce fait, il est possible de concevoir un système du commutation rapide (de l'ordre de 100-200 ns) adapté aux transmissions par paquets (par exemple de type ATM). La commutation se fait sur un réseau de diffraction photo-inscrit dans la structure à puits quantiques multiples. De façon à garder le réseau inscrit pendant le temps du paquet ATM (durée de l'ordre de la micro-seconde) il est nécessaire de fixer les charges à l'extérieur de la structure à puits quantiques multiples dans des zones de piégeage (semi-isolants classiques ou boites quantiques fortement enterrées). L'efficacité de diffraction d'un tel ensemble est de l'ordre de 1%. Sur ce point on peut se référer par exemple aux documents suivants: (5) A. Partovi et coli. Appl. Phys. Lett. 62, 464 (1993) "Cr-doped GaAs/AIGaAs semi-insulating multiple quantum well photorefractive devices". (6) S.R. Bowman et coll. Appl. Phys. Lett. 65 956 (1994) "High- resolution spatial light modulators using GaAs/AlGaAs multiple quantum wells". L'un des inconvénients des dispositifs décrits ci-dessus réside dans leur faible rendement et efficacité de diffraction, de l'ordre de 1%. Le rendement est défini par le rapport de l'intensité diffractée sur l'intensité incidente. L'efficacité de diffraction est égale au rapport de l'intensité diffractée sur l'intensité transmise. On a certes déjà tenté d'améliorer cette situation. Par exemple, le document: (7) J. Krawvczak et coll. Optics Lett. 15 1264 (1960) "Diffraction efficiency gain, blazing, and apodizing of a symmetric square reflection grating in an etalon" a proposé d'associer un réseau ayant une faible efficaticté de diffraction et un étalon commercial de type GiresTournois. Le document (7) pécité a ainsi démontré qu'il est possible de gagner un ordre de grandeur sur l'efficacité de diffraction. Néanmoins, pour l'instant, cette démonstration et,restée à l'échelle d'une expérience de Laboratoire. Les Spécialistes n'ont pas réussi à transposer cette structure de laboratoire à l'échelle industrielle. Récemment le document suivant: (8) D.D. Nolte Optics Lett. 19, 819 (1994) 'Dynamic holographic phase gratings in multiple-quantum-well assymetric Fabry-Perot reflection modulators" a proposé une structure extrêmement simplifiée o en utilisant deux couches de tampons appropriés (buffers) il compense la différence de phase de - entre la réflexion buffer-métal et air-buffer. La simulation prévoit une efficacité de diffraction de seulement 1%. La présente invention a maintenant pour but de perfectionner les dispositifs photoréfractifs connus. Un but important de la présente invention est de proposer un dispositif photoréfractif présentant un rendement et une efficacité supérieur à ceux des dispositifs de la technique antérieure. Ces buts sont atteints selon la présente invention grâce à un dispositif photoréfractif comprenant une zone optiquement active formée de puits quantiques multiples, caractérisé par le fait qu'au moins un réflecteur de Bragg distribué est associé à la zone active de puits quantiques multiples. Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, la zone active de puits quantiques multiples et le réflecteur de Bragg distribué sont réalisés par epitaxie par jets moléculaires. Cependant ces structures peuvent être réalisées par toute autre technique d'épitaxie. 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'exemple non limitatif et sur lesquels la figure unique annexée représente une vue schématique en coupe verticale d'un dispositif photoréfractif conforme à un mode de réalisation préférentiel de la présente invention. Le dispositif photoréfractif représenté sur la figure 1 annexée comprend successivement - un substrat 10, - une couche tampon 20, - un réflecteur de Bragg distribué 30, - une première couche de piégeage 40, - une zone à puits quantiques multiples 50, - une seconde couche de piégeage 60, et - une métallisation supérieure 70. Cette structure de dispositif photoréfractif est de préférence réalisée à l'aide d'un bâti d'épitaxie par jets moléculaires utilisant les éléments (P et As) de la colonne V ou d'autres éléments similaires, tels que les éléments In et Ga de la colonne III sous forme de gaz (GSMIBE). Comme on le précisera par la suite, le composant peut être réalisé en utilisant les moyens classiques de la technologie: photolithographie pour la réalisation de structures "mésa" et/ou dépôt de diélectrique. Le substrat 10 est de préférence un substrat InP, par exemple de 250Fm d'épaisseur. En variante, le substrat 10 peut être du GaAs, ou du InGaSb par exemple. La couche tampon 20 est de préférence une couche InP, par exemple de 0,5$m d'épaisseur. Le réflecteur de Bragg distribué 30 est constitué de paires de couches alternées de semi-conducteur ayant des différences d'indice les plus grandes possibles, de préférence de paires de couches alternées de la couche considérée (InP ou Q1.45) et x correspond à la longueur d'onde d'utilisation (soit par exemple de préférence 1,5im). La couche à "petit intervalle de bande interdite" du réflecteur est constituée avantageusement d'un quaternaire Qayant une longueur d'onde de coupure à environ 1,451tm. La réflectivité de ce réflecteur 30 dépend du nombre de paires de couche InP/Q1.45. Ce nombre est ajusté en fonction de l'absorption dans la zone 50 à puits quantiques multiples. Selon un mode de réalisation préférentiel, le réflecteur 30 comprend 13 paires de couches ayant une réflectivité d'environ 60%. Une simulation montre que l'on obtient ainsi une efficacité de diffraction supérieue à 10% pour une réflectivité comprise entre 45 et %. A titre d'exemple non limitatif, dans le réflecteur 30, les couches d'lnP ont une épaisseur de l'ordre de 1220A tandis que les couches de quaternaires ont une épaisseur de l'ordre de 1140À. t Les zones de piégeages 40 et 60 situées de part et d'autre de la zone 50 ont pour fonction de piéger les charges extraites de cette zone 50 à puits quantiques multiples afin d'écranter le champ électrique extérieur. Les zones de piégeage 40 et 60 peuvent faire l'objet de plusieurs variantes. Selon une première variante, les zones de piégeage 40 et 60 peuvent être formées à base de matériaux InP semi-isolants: de l'InP dopé Fe (la concentration en ions Fe étant de l'ordre de 1017cm-3) pour la couche afin de piéger les électrons et de l'InP: Fe, Si pour la couche 40 afin de piéger les trous de façon efficace à champ électrique élevé. Le cas échéant pour la couche 40, soit pour piéger les trous, on peut utiliser une couche InP: Ti, Be. Selon une seconde variante, les zones de piégeage 40 et 60 peuvent être réalisées en utilisant des boîtes quantiques auto-assemblées (S.A.QD. ). Pour ce faire il est nécessaire de pratiquer une interruption de croissance après le dépôt d'une couche bi-dimensionnelle (2D) d'InAs sur une couche InP: on obtient ainsi une croissance tri-dimensionnelle (3D) générée par la relaxation élastique du paramètre de maille de InAs fortement contraint sur InP. Les îlots sont fortement "enterrés" dans les couches d'InP de façon à ce que les porteurs restent piégés même à fort champ électrique. Pour la bonne compréhension de cette configuration à "boites quantiques auto-assemblées", on pourra se référer par exemple au document: (9) VIII Euro MBE Workshop, Sierra Nevada - Grenada, Mars 1995, "Growth by GSMBE and Characterization of InAs Islands on InP", A. Le Corre et al. Les couches de piégeage 40 et 60 ont typiquement une épaisseur de l'ordre de 2400A. La zone 50 à puits quantiques multiples est constituée d'une succession de puits et de barrières. Les puits sont formés par exemple de composés ternaires InGaAs accordés au paramètre de maille du substrat InP 10. La largeur d'environ 80A (par exemple 78A) de chaque,puits est ajustée de façon à avoir une résonance excitonique à 1,5tm à température ambiante. Afin d'optimiser la variation de la résonance excitonique en fonction du champ électrique appliqué, les inventeurs ont fait croître d'autres zones 50 à puits quantiques multiples avec des quaternaires (Q) GaInAsP dans les puits. Les barrières de la zone 50 sont de préférence en lnP ou mieux en quaternaire (Q) GaInAsP ajusté de façon à avoir à la fois un confinement suffisant pour observer une résonance excitonique importante et un transport vertical (perpendiculaire aux interfaces) de façon à balayer les charges photocrées hors de la zone 50 en quelques picosecondes. Selon le mode de réalisation préférentiel, la zone 50 possède des barrières en Q 1,18 d'une épaisseur de l'ordre de 65A (c'est- à-dire ayant une longueur d'onde de coupure à 1,18dm). Selon une variante, les inventeurs ont réalisé des barrières en AllnAs afin d'optimiser la zone 50. Grâce à l'introduction de l'AI dans les barrières le saut dans la bande de valence est minimisé. L'ensemble de la zone à puits quantiques 50 est dopé avec des éléments de transition 3d (Fe, Ti) afin de piéger les porteurs photocrées en quelques dizaines de picosecondes. Il est ainsi possible de limiter la diffusion latérale (parallèle aux interfaces) des porteurs permettant d'augmenter le temps de maintien du réseau photoinscrit et de réduire le pas du réseau. L'épaisseur totale de la zone 50 est un multiple de.'/2. La zone 50 peut comprendre par exemple 80 paires de couches alternées de puits et barrières. La couche de métallisation supérieure 70 déposée sur la couche de piégeage 60, forme une électrode semi-transparente. La structure illustrée sur la figure 1 et précédemment décrite, réalisée par épitaxie par jets moléculaires est ajustée pour travailler à environ 1,55$Um. La couche de piégeage 60 est dopée p+, tandis que les couches 10, , 30 et 40 sont dopées n+ pour appliquer un champ électrique perpendiculairement aux interfaces sur la zone 50. Le faisceau incident (côté du substrat InP 10) tombe avec un angle d'environ 10 , on détecte le faisceau diffracté suivant une direction proche de la normale. L'efficacité de diffraction est supérieure à 10% pour une tolérance angulaire d'environ 5-6 . La structure de dispositif photoréfractif conforme à la présente invention permet d'augmenter par au moins un ordre de grandeur l'efficacité de diffraction par rapport à l'état de la technique (et donc de passer à des efficacités de diffraction supérieures à 10%) et d'augmenter de façon conséquente le rendement de diffraction. La cavité, conforme à la présente invention, comportant un réflecteur de Bragg distribué 30 permet entre autre, l'utilisation de puits quantiques multiples 50 de plus faible épaisseur que la technique antérieure, réduisant ainsi la tension appliquée. Le mode de ce dispositif est suffisamment large angulairement pour maintenir la "résonance" sur plusieurs degrés. On peut donc envisager la commutation vers différentes fibres optiques. Plusieurs procédés technologiques peuvent être utilisés pour réaliser le dispositif conforme à l'invention. Selon une première variante, le dispositif peut comprendre des structures "mésa" réalisées par des procédés de photolithographie et des contacts métalliques annulaires afin d'obtenir une structure "photoconductrice". On obtient ainsi une pixelisation o chaque élément a un diamètre utile par exemple de 400[tm. Selon une seconde variante, afin d'éviter la pixelisation et d'obtenir un fort parallélisme, la zone 50 de puits quantiques multiples peut être enrobée seule entre une, voire deux couches de diélectrique. Cette dernère peut être constituée soit d'un matériau connu sous la désignation SOG (Spin Oxided Glass) soit de SiO2. L'ensemble est déposé sur un support (substrat) en saphir soit en utilisant une colle appropriée, soit un collage de type van der Waals. Finalement le réflecteur de Bragg constitué de couches diélectriques (Silicium - Silice ou TiO2) est déposé sur la structure précitée. En ce qui concerne le collage type Van der Walls, on peut par exemple se référer au document: (10) Appl. Phys. Lett 59(24) 9 Dec. 1991, p. 3159, "Van der Waals bonding of GaAs on Pd leads to a permanent, solidphase-topotaxial, metallurgical bond", E Yablonovitch et al. En ce qui concerne la technique de réalisation et séparation de l'ensemble par rapport à son substrat d'origne avant dépôt sur un support en saphir, on peut se référer au document: (11) Appl. Phys. Lett. 51(26), 28 Dec. 1987, "Extreme selectivity in the lift-off of epitaxial GaAs films", Eli Yablonovitch et al. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation particulier qui vient d'être décrit mais s'étend à toute variante conforme à son esprit. En particulier, la présente invention n'est pas limitée à une configuration dite "repliée", comme représentée sur la figure 1, qui permet une meilleure gestion de l'encombrement lors de l'utilisation du composant dans une architecture de commutation optique rapide, dans laquelle la couche métallique 70 déposée sur la partie supérieure du dispositif sert à la fois de contact électrique et de miroir de forte réflectivité. Le cas échéant, le dispositif peut comprendre deux réflecteurs de Bragg distribué, respectivement de part et d'autre de la zone à puits quantiques multiples. Le dispositif photoréfractif rapide conforme à la présente invention utilise non seulement les propriétés optiques de la structure à puits quantiques multiples, mais encore les propriétés offertes par les semi-isolants (InP: Fe, InP: Ti) ou les inclusions pour piéger les charges. D'autre part le dispositif photoréfractif doit présenter un choix judicieux de puits et de barrières, tel que le transport vertical (perpendiculaire aux interfaces) soit efficace. REVENDICATIONS 1. Dispositif photoréfractif comprenant une zone optiquement active (50) formée de puits quantiques multiples, caractérisé par le fait qu'au moins un réflecteur de Bragg distribué (30) est associé à la zone active de puits quantiques multiples (50). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la zone active (50) de puits quantiques multiples et le réflecteur de Bragg distribué (30) sont réalisés par épitaxie, de préférence par jets moléculaires. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que la zone active de puits quantiques multiples (50) et le réflecteur de Bragg distribué (30) sont réalisés à l'aide des éléments P et As de la colonne V et/ou les éléments In et Ga de la colonne III. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le réflecteur de Bragg distribué (30) est formé d'un empilement de deux semi-conducteurs ayant des différences d'indices. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'il est agencé sous forme d'une structure Fabry-pérot assymétrique. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il comprend des zones de piégeage (40, 60) de part et d'autre de la zone optiquement active (50). 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'il comprend successivement - un substrat (10), - une couche tampon (20), - un réflecteur de Bragg distribué (30), - une première couche de piégeage (50), - une zone à puits quantiques multiples (50), une seconde couche de piégeage (60), et - une métallisation supérieure (70). 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que la zone optiquement active (50) est prise en sandwich entre des zones de dopage respectivement n et p, de façon à appliquer un champ électrique perpendiculairement aux interfaces. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que la zone à puits quantiques multiples (50) comprend des puits formés de composés ternaires InGaAs accordés aux paramètres de maille du substrat. 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que la largeur des puits de la zone optiquement active (50) est de l'ordre de 80A. 11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que les puits de la zone optiquement active (50) sont formés de composés quaternaires GaInAsP. 12. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait que les barrières de la zone optiquement active (50) sont formées de matériau InP. 13. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait que les barrières de la zone optiquement actives (50) sont formées de matériau quaternaire GaInAsP. 14. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé par le fait que les barrières de la zone optiquement active (50) ont une longueur d'onde de coupure à 1,1 8pnm. 15. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé par le fait que les barrières de la zone optiquement active (50) sont formées de matériau AllnAs. 16. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé par le fait que l'ensemble de la zone optiquement active (50) est dopé avec des éléments de transition 3d. 17. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé par le fait que l'ensemble de la zone optiquement active (50) est dopé avec des ions Fe, Ti. 18. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 17, caractérisé par le fait que l'épaisseur totale de la zone optiquement active (50) est un multiple de.'/2 avec.' = X/n o n est l'indice moyen de la couche considérée (InP ou Q0.45) et X correspond à la longueur d'onde d'utilisation. 19. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 18, caractérisé par le fait que le réflecteur de Bragg distribué (30) est constitué de paires de couches alternées InP/matériau quaternaire, ce dernier ayant une longueur d'onde de coupure de l'ordre de 1,451m. 20. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 19, caractérisé par le fait que le réflecteur de Bragg distribué (30) présente une réflectivité au moins égale à 60%. 21. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 20,caractérisé par le fait que les zones de piégeage (40, 60) sont formées de matériau InP semi-isolants. 22. Dispositif selon la revendication 21, caractérisé par le fait que les zones de piégeage (40, 60) sont formées de matériau InP dopé Fe pour piéger les électrons et de matériau InP dopé Fe, Si, pour piéger les trous. 23. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 21, caractérisé par le fait que les zones de piégeage (40, 60) sont formées de matériau InP dopé Ti, Be pour piéger les trous. 24. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 20, caractérisé par le fait que les zones de piégeage (40, 60) sont formées de boîtes quantiques auto-assemblées. 25. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 24, caractérisé par le fait qu'il est réalisé sous forme de structures "mesa" avec contact métallique annulaire. 26. Dispositif selon la revendication 25, caractérisé par le fait que chaque pixel à un diamètre utile de l'ordre de 4001lm. 27. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 24, caractérisé par le fait que la zone optiquement active (50) est enrobée entre une ou deux couches de diélectrique. 28. Dispositif selon la revendication 27, caractérisé par le fait que la couche de diélectrique est constituée à base d'oxyde, de préférence soit de SOG, soit de SiO2. 29. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 28, caractérisé par le fait qu'il comprend deux réflecteurs de Bragg (30) disposés respectivement de part et d'autre de la zone optiquement active (50).