Brevet FR2767203A1 — publié le 19990212

La présente invention est relative aux dispositifs photoréfractifs et plus particulièrement aux dispositifs photoréfractifs destinés à être utilisés comme modulateurs spatiaux de lumière. DOMAINE TECHNIQUE - APPLICATION Les modulateurs spatiaux de lumière (MSL), à base de multipuits quantiques (MPQ), présentent un grand intérêt dans le cadre des interconnexions optiques, du calcul optique ou encore de la commutation rapide nécessaires aux futurs réseaux "tout optique" des télécommunications. Des modulateurs photoréfractifs de ce type ont déjà été proposés par la demanderesse notamment dans son brevet FR 2 678 093 ou dans sa demande de brevet FR 2 712 732. De tels modulateurs permettent de défléchir des faisceaux lumineux suivant un angle accordable qui dépend du pas d'un réseau de diffraction photo-inscrit à l'aide d'une figure d'interférence. Ce réseau de diffraction est induit par la modulation des propriétés non linéaires des MPQ liées à l'effet Stark confiné, au voisinage de la résonance excitonique, qui résulte de la variation du champ de charge d'espace que réalise le champ électrique extérieur auquel se superpose le champ électrique induit par le réseau de charges photo-générées. Or, un paramètre essentiel d'un MSL, en termes d'intégration dans un système de commutation, est la plage angulaire qu'il peut couvrir. Avec une plage suffisamment grande, on peut interconnecter plusieurs fibres et ceci dans un espace réduit. Or, on sait que cette plage angulaire est directement liée à la plage de pas de réseau de diffraction photo-inscrit. Comme le diamètre du MSL est de l'ordre de 500 pm (pour des raisons d'intégration), il existe un pas de réseau maximum pour lequel on doit pouvoir disposer d'un minimum de franges d'interférence (il faut un minimum de cinq franges). Par conséquent, le pas de réseau maximum est limité à une valeur autour de 80 pm. Par conséquent, pour disposer d'une plage angulaire importante, on cherche à diminuer la borne inférieure du pas de réseau de diffraction qui dépend fortement de la distribution des porteurs piégés. ETAT DE LA TECHNIQUE Les réseaux de diffraction à base de MPQ sont bien adaptés pour la commutation optique rapide. En effet, du fait de leur faible épaisseur (de l'ordre du micron), les temps de transit des porteurs photogénérés sont de l'ordre de quelques dizaines de picosecondes. Ainsi, il est envisageable de réaliser des composants diffractants rapides avec des temps de réponse voisins de 100 ns. Afin de maintenir le réseau de diffraction pendant quelques microsecondes (pour commuter des trains d'impulsions), il est nécessaire de fixer les charges photogénérées de part et d'autre du MPQ dans des zones de piégeage. En général, ces zones de piégeage sont constituées soit de matériaux semi-isolants classiques, soit de matériaux fortement résistifs obtenus par croissance basse température, soit encore de boîtes quantiques fortement enterrées. On pourra pour ces trois types de matériau de piégeage respectivement se référer aux publications suivantes [1] C. de Matos, A. Le Corre, H. L'Haridon, B. Lambert, S. Salaün, J. Pleumeekers, S. Gosselin, Appl. Phys. Lett. 68, 3576 (1996), [2] I. Lahiri, K.M. Kwolek, D.D. Nolte et M.R. Melloch, Appl. Phys. Lett. 67, 1408 (1995), [3] A. Le Corre, C. De Matos, H. L'Haridon, S. Gosselin et B. Lambert, Appl. Phys. Lett. 70, 1575 (1997). Toutefois, ces différents dispositifs présentent certains inconvénients. Pour les structures à zones de piégeage constituées de matériaux semi-isolants classiques, le pas du réseau de diffraction minimum est de l'ordre de 60 pm, ce qui est beaucoup trop important compte tenu des applications visées. Par contre, pour les structures à zones de piégeage en matériau fortement résistif, le pas de réseau de diffraction peut descendre jusqu'à 10 Hm, mais en contrepartie les fréquences de fonctionnement sont très faibles (quelques KHz contre quelques centaines de KHz pour les structures à zones de piégeage en matériaux semiisolants classiques). De plus, la croissance basse température dans la filière InP n'est pas adaptée pour obtenir des matériaux présentant de bonnes caractéristiques. Enfin, les structures à boîtes quantiques enterrées sont encore à un stade d'étude et ne sont pour l'instant pas encore optimisées. PRESENTATION DE L'INVENTION Le but de l'invention est donc de proposer une structure photoréfractive apte à supporter des pas de réseau faibles pour des fréquences de fonctionnement importantes. A cet effet, l'invention propose un dispositif photoréfractif comportant une structure à multipuits quantiques, ainsi qu'au moins une structure permettant de limiter la diffusion latérale des porteurs, qui est juxtaposée à ladite structure à multipuits quantiques, caractérisé en ce que ladite structure permettant de limiter la diffusion latérale des porteurs comporte une première couche sur laquelle est gravé un réseau et une deuxième couche qui est déposée sur ledit réseau et qui est en un matériau d'énergie de bande interdite différente de celle de la première couche. Avec une telle structure, on a ainsi défini des compartiments dont les électrons ou trous ne peuvent sortir. Avantageusement, notamment, la structure à multipuits quantiques est interposée entre deux structures de limitation de diffusion latérale. De préférence, le pas du réseau gravé d'une structure de limitation de diffusion est choisi inférieur au pas du réseau photoinscrit attendu. DESCRIPTION DETAILLEE D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit. Cette description est purement illustrative et non limitative. Elle doit être lue en regard de la figure unique annexée sur laquelle on a représenté les niveaux de bande de conduction et de bande de valence dans une structure du type de celle proposée par l'invention. Ainsi qu'on peut le voir sur cette figure, la structure qui y est représentée comporte une zone photoréfractive 1 à multipuits quantiques bordées de part et d'autre par des hétérostructures 2 latérales définissant des successions de créneaux de bande de conduction et de bande de valence qui limitent la diffusion latérale des électrons et des trous. Une telle structure est par exemple réalisée de la façon suivante. On réalise sur un substrat 3 la gravure d'un réseau de rubans de 1 pm séparés par un pas de 1 pm, et d'une profondeur qui est par exemple comprise entre 50 à 100 nm. Le substrat 3 est par exemple un substrat d'InP, mais pourrait également être un substrat de GaAs ou de tout autre matériau III-V. Le dopage de ce substrat 3 est préférentiellement de type n+. Il présente par exemple une concentration de 5.1ou7 cl~3. Cette gravure est réalisée soit par des techniques de gravure chimique, soit par des techniques de gravure sèche. Des rubans plus fins peuvent être obtenus en faisant appel à une technologie plus pointue : insolation par faisceau d'électrons et utilisation de la gravure sèche : il est alors possible d'obtenir des réseaux submicroniques (0,2 à 0,1 Hm, limites actuelles de la technologie InP). Après cette étape de gravure, on réalise une reprise d'épitaxie et une croissance d'une couche 4 en un matériau présentant une énergie de bande interdite différente de celle de la couche substrat. Un soin particulier doit être apporté à la préparation de surface du substrat 3 pour éviter la contamination par les dopants à l'interface de reprise. La préparation de surface de l'InP inclut la formation d'un oxyde obtenu par ozonage du substrat 3. Dans le cas d'un substrat d'InP, la couche 4 déposée par épitaxie est avantageusement une couche d'InGaAsP de 1,18 pm de longueur d'onde d'émission (matériau quaternaire désigné par la suite par Qui,18) dopée fer. Elle présente une épaisseur supérieure à l'épaisseur des rubans gravés, par exemple une épaisseur de 250 nm. La désorption de l'oxyde se fait par recuit de l'InP sous un mélange de phosphine et d'arsine. Lors de cette désoxydation, il faut réduire le temps où la structure reste sous AsH3/PH3 pour éviter l'aplanissement de la zone gravée. En respectant ces conditions, la profondeur initiale du mésa est parfaitement conservée. Pour des températures comprises entre 505 et 520 OC, les temps de traitement sont respectivement de 10 minutes à 2 minutes sous un mélange de 20 % d'Arsine dans la phosphine. Puis, on épitaxie sur cette couche la structure photoréfractive 1. Cette structure 1 est par exemple du type de celle qui est décrite de façon détaillée dans la publication [3] déjà citée à laquelle on se référera avantageusement. Elle est constituée de 110 périodes de puits quantiques 5 constitués chacun d'une alternance d'une couche de Q1,18 de 8 nm d'épaisseur et d'une couche de GaInAs de 7,25 nm d'épaisseur. Sur cet empilement de puits quantiques est déposée une couche 6 de Q1,18 dopée titane de 250 nm d'épaisseur. Et sur cette dernière couche 6, on réalise la même gravure que sur le substrat 3 d'InP (même profondeur, même pas). Cette gravure est de préférence réalisée complémentaire de la première, de façon que les rubans gravés soient très exactement en regard les uns des autres. Puis on recouvre cette gravure d'une couche 7 d'InP type p (5.1017 cm-3) pour former la jonction p-n, avec les mêmes contraintes sur le nettoyage de surface et sur la désorption de l'oxyde que celles précédemment décrites. D'autres matériaux que le Q1,18 peuvent être envisagés pour réaliser la modulation latérale. En particulier, on peut utiliser un matériau de plus petite énergie de bande interdite que le Qu,18, tout en conservant une longueur d'onde d'émission inférieure à 1,55 pm (pour éviter d'absorber le signal de lecture dans les zones de piégeage). Les différentes épitaxies sont réalisées en mettant en oeuvre une épitaxie par jets moléculaires (sources solides ou gazeuses) ou par dépôt en phase vapeur d'organométalliques. RESULTATS Des simulations numériques concernant la dynamique des porteurs sous champ électrique ont permis d'évaluer le profil des porteurs accumulés contre les barrières d'InP (aux extrémités de la structure). Sous un champ électrique de 60 kV/cm2 et avec une densité surfacique de porteurs de quelques 1011cm-2 (cette densité de porteurs permet de couvrir la quasi totalité du champ électrique appliqué), on obtient une distance moyenne d'étalement des porteurs de 100 nm. Cette valeur représente un cas extrêmement défavorable compte tenu du fait que le champ local (au voisinage de la barrière d'InP), à l'instant t = (0+E), est très faible (la forte densité de porteurs écrante localement le champ électrique appliqué). Par conséquent, une gravure de profondeur 100nm suffit à bloquer la majorité des porteurs. Pour obtenir une bonne efficacité de diffraction avec un pas de réseau (réseau) de 10 pm, on utilise un pas de gravure (Aq) de 2 Hm avec une profondeur de 100 nm. De façon plus générale, Ag La technique de limitation de diffusion qui vient d'être décrite peut également être utilisée pour améliorer nettement la fréquence de fonctionnement du dispositif. En diminuant la diffusion latérale des porteurs dans le MPQ, on évite en effet l'introduction de centres profonds, ce qui permet de disposer de matériaux plus purs (meilleures qualités optique et électrooptique) et plus rapides, pouvant fonctionner à des fréquences supérieures au mégahertz. REVENDICATIONS 1. Dispositif photoréfractif comportant une structure à multipuits quantiques (1), ainsi qu'au moins une structure (2) permettant de limiter la diffusion latérale des porteurs, qui est juxtaposée à ladite structure à multipuits quantiques, caractérisé en ce que ladite structure (2) permettant de limiter la diffusion latérale des porteurs comporte une première couche sur laquelle est gravé un réseau et une deuxième couche qui est déposée sur ledit réseau et qui est en un matériau d'énergie de bande interdite différente de celle de la première couche. 2. Dispositif photoréfractif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure à multipuits quantiques (1) est interposée entre deux structures de limitation de diffusion latérale (2). 3. Dispositif photoréfractif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les réseaux des deux structures de limitation de diffusion sont identiques et superposés. 4. Dispositif photoréfractif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le pas du réseau gravé d'une structure de limitation de diffusion est choisi inférieur au pas du réseau photoinscrit attendu. 5. Dispositif photoréfractif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'une des couches de la structure de limitation de diffusion latérale est une couche d'InP, l'autre couche étant une couche d'InGaAsP de 1,18 pm de longueur d'onde d'émission. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte - un substrat (3) d'InP, sur lequel est gravé un réseau, - une couche (4) d'InGaAsP de 1,18 pm de longueur d'onde d'émission dopée fer qui est déposée sur ledit substrat et qui présente une épaisseur supérieure à l'épaisseur du réseau gravé, - une structure photoréfractive (1) déposée sur ladite couche d'InGaAsP constituée de 110 périodes de puits quantiques (5) constitués chacun d'une alternance d'une couche d'InGaAsP de 1,18 pm de longueur d'onde d'émission de 8 nm d'épaisseur et d'une couche de GaInAs de 7,25 nm d'épaisseur, - une couche (6) d'InGaAsP de 1,18 pm de longueur d'onde d'émission dopée titane sur laquelle est gravé un réseau, - une couche (7) d'InP. 7. Modulateur spatial de lumière, caractérise en ce qu'il est constitué par un dispositif selon l'une des revendications précédentes.