Brevet FR2833757A1 — publié le 20030620

DISPOSITIF D'EMISSION DE LUMIERE ET PROCEDE DE FABRICATION D'UN TEL DISPOSITIF DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un dispositif d'émission de lumière à micro-cavité ainsi qu'un procédé de fabrication de ce dispositif. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif d'émission de lumière à micro-cavité, dans le domaine infrarouge moyen, qui va de 2m à 6m, et un procédé de fabrication d'un tel dispositif. L'invention s'applique notamment - à la détection de gaz tels que les gaz polluants ou à effet de serre, plus particulièrement dans le domaine de l'industrie automobile (mesure de la concentration de gaz d'échappement) et dans le domaine de la climatologie (mesure du dioxyde de carbone dans l'atmosphère), et au tri automatique des plastiques qui absorbent également dans l'infrarouge à des longueurs d'ondes différentes selon leur composition. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Un dispositif d'émission de lumière à microcavité est un dispositif de type plan (en anglais "planar"), comprenant une structure émettrice que l'on photo-pompe grâce à une diode laser. Cette structure émettrice comprend une partie active à base de matériaux semiconducteurs, qui est insérée dans une micro-cavité. Cette dernière est délimitée par deux miroirs diélectriques (par exemple deux miroirs de Bragg) qui sont rapportés sur la partie active. L'ensemble de la micro-cavité et des deux miroirs repose sur un support mécanique. La longueur de la micro-cavité est très faible, de l'ordre de quelques demi-longueurs d'onde, et détermine la longueur d'onde de la lumière émise. Ce type de dispositif permet de n'avoir qu'un seul mode résonant à la longueur d'onde choisie. Au sujet de tels dispositifs, émettant dans le domaine infrarouge moyen, on se reportera par exemple au document suivant : E. Hadji et al., Optics Lett., Vol. 25, N010, 2000, pp. 725-727. On connaît plusieurs techniques de fabrication de ce genre de composant à micro-cavité. Selon une première technique connue, la partie active est épitaxiée directement sur un substrat cristallin. Ensuite, le premier des deux miroirs est déposé directement sur cette partie active mais le deuxième miroir ne peut être déposé qu'après ablation locale du substrat. A ce sujet, on se reportera par exemple au document suivant : K. Iga et al., IEEE J. of Quant. Electr., Vol. 24, N09, 1998, pp. 1845-1853. Cette technique connue nécessite l'emploi d'une couche d'arrêt pour la gravure du substrat, gravure qui doit s'arrêter à l'interface entre le substrat et la partie active épitaxiée sur ce substrat. Cette technique peut être mise en oeuvre avec le silicium et les semi-conducteurs III-V mais de tels matériaux émettent à des longueurs d'ondes inférieures à 1, 5jim. Pour pouvoir travailler dans le domaine infrarouge moyen (qui va de 3jJLm à 6 {im), il faut utiliser des matériaux à base de mercure ou d'antimoine. On peut alors reproduire la technique de gravure du substrat mais avec une couche d'arrêt adaptée aux matériaux utilisés, par exemple une couche d'arrêt en HgTe. L'ablation du substrat doit être faite avec une extrême précision car il faut l'arrêter à l'interface entre le substrat et la structure épitaxiée sur ce substrat. Pour ce faire, on utilise une méthode de gravure chimique qui permet une attaque sélective en fonction du matériau. Pour éliminer le substrat, on prévoit encore une couche d'arrêt qui stoppe l'attaque chimique du substrat. Cette élimination du substrat est fondée sur le fait qu'il existe une grande sélectivité d'attaque chimique entre CdTe et HgTe. Dans le cas des émetteurs infrarouges à micro-cavité, HgTe est donc un bon matériau d'arrêt. Cependant, une couche d'arrêt en HgTe est très absorbante et diminue notablement l'efficacité optique de la micro-cavité. Selon une deuxième technique connue, la partie active est épitaxiée sur un miroir cristallin de même nature, lui-même épitaxié sur un substrat qui supporte mécaniquement l'ensemble de la structure. A ce sujet, on se reportera par exemple au document suivant : E. Hadji et al., Appl. Phys. Lett., Vol. 67, N018, 1995, pp. 2591-2593. La fabrication de ce miroir est longue du fait de la faible vitesse de croissance cristalline. De plus, l'épitaxie nécessite d'accorder le paramètre cristallin des différentes couches du miroir, ce qui limite le choix des matériaux utilisables. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients de ces techniques connues. De façon précise, l'invention a pour objet un dispositif d'émission de lumière comportant un empilement qui comprend : - un substrat, une couche d'arrêt de gravure sur ce substrat, - une première couche de barrière sur cette couche d'arrêt, - une couche émettrice de lumière sur cette première couche de barrière, et - une deuxième couche de barrière sur cette couche émettrice, ce dispositif étant caractérisé en ce que la couche d'arrêt est de même nature que la couche émettrice. La couche émettrice et la couche d'arrêt de gravure peuvent être en CdxHgl-x. En variante la couche émettrice est en un en un matériau apte à émettre dans le domaine infrarouge. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un dispositif d'émission de lumière, ce dispositif comprenant une partie active et une micro-cavité, délimitée par des premier et deuxième miroirs et contenant la partie active, cette partie active étant formée sur le substrat et comportant une couche d'arrêt de gravure à l'interface de cette partie active avec le substrat, ainsi qu'une couche émettrice apte à émettre la lumière lorsqu'elle est optiquement pompée à travers le premier miroir, procédé dans lequel on forme le premier miroir sur la partie active, on élimine le substrat par gravure, et l'on forme le deuxième miroir sur la partie active, ce procédé étant caractérisé en ce que la couche émettrice est faite d'un matériau apte à émettre la lumière et aussi à arrêter la gravure et la couche d'arrêt de gravure est faite de ce matériau. Selon un mode de mise en oeuvre préféré du procédé objet de l'invention, la gravure est une gravure chimique. Selon un mode de mise en oeuvre particulier du procédé objet de l'invention, l'élimination du substrat comporte en outre un polissage de ce substrat avant la gravure de ce dernier. De préférence, le matériau de la couche émettrice est choisi pour que la lumière émise par cette couche émettrice soit un rayonnement infrarouge dont la longueur d'onde est comprise dans l'intervalle allant de 2gm à 6) lm. Dans ce cas, le matériau de la couche émettrice et de la couche d'arrêt de gravure est de préférence CdxHg1-xTe. Selon un mode de mise en oeuvre préféré de l'invention, l'épaisseur de la couche d'arrêt de gravure est inférieure à 50nm. On peut fixer le premier miroir à un support qui est transparent à la lumière de pompage optique. Du fait que la couche d'arrêt de gravure a la même composition que la couche émettrice, ce dispositif présente des avantages : Non seulement les photons émis par cette couche émettrice ne sont par absorbés par la couche d'arrêt de gravure mais encore cette dernière participe à l'émission lumineuse induite par le pompage optique. L'efficacité du dispositif objet de l'invention est ainsi supérieure à celle des dispositifs à microcavité connus. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faissant référence aux dessins annexés sur lesquel les figures 1 à 5 illustrent schématiquement des étapes d'un mode de mise en oeuvre particulier du procédé objet de l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Pour mettre en oeuvre cet exemple de procédé conforme à l'invention, on commence par former, sur un substrat 2 (figure 1), une structure émettrice, apte à engendrer un rayonnement infrarouge lorqu'elle est pompée optiquement. Cette structure émettrice comprend une partie active 4 et une micro-cavité qui est délimitée par deux miroirs (dont il sera question plus loin) et contient la partie active 4. Cette partie active est un empilement comprenant : - une couche 6 formant une couche d'arrêt de gravure du substrat et se trouvant à l'interface de la partie active et du substrat et donc en contact avec ce substrat, une couche de puits formant une couche émettrice 8, apte à émettre le rayonnement infrarouge lorsqu'elle est pompée optiquement à travers l'un des miroirs, ou miroir de fond, et - des première et deuxième couches de barrière 10 et 12. Conformément à l'invention, la couche émettrice 8 est faite d'un matériau qui est à la fois apte à émettre le rayonnement infrarouge et apte à arrêter la gravure du substrat 2 et la couche d'arrêt de gravure 6 est faite de ce matériau. Dans l'exemple de la figure 1, - le substrat 2 est en CdZnTe et a une épaisseur de 750 m, - la couche émettrice 8 est en CdxH91-xTe et chacune des couches de barrière est en CdyH9l-yTe, avec y > x, et - la couche d'arrêt de gravure 6 est aussi en CdxH9l-xTe. On fixe la composition de la couche émettrice, et donc la valeur de x, en fonction de la longueur d'onde dz du rayonnement à émettre (longueur d'onde de résonance de la micro-cavité). De préférence, on choisit x et y tels que : 0, 1 A titre purement indicatif et nullement limitatif, x est égal à 0,31 et y à 0,65. L'épaisseur de la partie active 4 (empilement de l'ensemble des couches 6 à 12) est de préférence comprise entre À/ (2n) et 10À/ (2n) et vaut par exemple k/n, où n est l'indice moyen de réfraction de l'empilement 4 des couches 6,8, 10 et 12. L'épaisseur de la couche d'arrêt de gravure 6 est aussi faible que possible, de préférence inférieure à 50nm, et vaut par exemple 35nm. Cette couche d'arrêt de gravure en CdxHg1-xTe participe à l'émission du rayonnement infrarouge sans absorber ce rayonnement. On augmente ainsi fortement l'efficacité optique du dispositif par rapport à celle des dispositifs de l'art antérieur. Pour former la structure émettrice, on forme d'abord, par épitaxie, l'empilement des couches 6 à 12 sur le substrat 2. On forme ensuite, sur la couche 12, un miroir de Bragg 14 (figure 2) appelé"miroir de fond", dont la réflectivité (vis-à-vis du rayonnement engendré par la partie active) est très grande et par exemple égale à 98%. On colle ensuite ce miroir de fond 14 sur un support formé par une lame de silice 16 (figure 3) dont l'épaisseur vaut par exemple 300Mm, au moyen d'une couche de colle en résine époxy 18 qui est transparente à la lumière destinée au pompage optique de la structure émettrice. On élimine ensuite le substrat 2. On commence par enlever 600 {im de ce dernier par polissage mécanique. On grave ensuite chimiquement les IBOjjm restants (figure 4). Pour ce faire, on utilise une gravure chimique sélective qui élimine le matériau du substrat 2 et s'arrête sur la couche 6. Cette gravure est réalisée au moyen d'un mélange d'acides. Dans l'exemple où le substrat est en CdZnTe, on utilise une solution à base d'acide fluorhydrique, d'acide nitrique et d'acide acétique. Pour obtenir cette solution, on mélange par exemple 1 volume d'acide fluorhydrique, 1 volume d'acide nitrique et 4 volumes d'acide acétique. On forme ensuite un autre miroir de Bragg 20 appelé"miroir de sortie"sur la couche 6, par un dépôt approprié (figure 5). La réflectivité de ce miroir 20 vaut par exemple 60% vis-à-vis du rayonnement 22 émis par la partie active 4, dont la longueur d'onde À vaut par exemple 3, 3, um. On précise que la réflectivité du miroir de fond 14 est très faible vis-à-vis de la lumière de pompage optique 24 dont la longueur d'onde vaut par exemple 0, 83pm. La structure émettrice ainsi obtenue, comportant une micro-cavité délimitée par les miroirs 14 et 20, constitue un dispositif d'émission de lumière 26 conforme à l'invention. Pour faire fonctionner ce dispositif 26, ce dernier est pompé optiquement par une diode laser 28 à travers le miroir de fond 14, soit directement soit par l'intermédiaire d'une lentille de focalisation 30. En ce qui concerne les miroirs 14 et 20, on précise que le miroir 14 (respectivement 20) est formé par dépôt d'un empilement de couches élémentaires sur la couche 12 (respectivement 6). Chacune de ces couches élémentaires a une épaisseur égale à Â./ (4n), et n étant définis plus haut. De plus, dans chaque empilement, on fait alterner des couches élémentaires différentes l'une de l'autre de sorte que chaque miroir est un empilement de paires de couches élémentaires différentes, chaque paire comprenant par exemple une couche de YF3 de 365nm d'épaisseur et une couche de ZnS de 565nm d'épaisseur. La réflectivité de ce genre de miroir est une fonction croissante du nombre de couches élémentaires. En ce qui concerne le miroir 14, pour obtenir une réflectivité de 98%, il suffit d'empiler 6 paires de couches du genre YF3 (365nm)/ZnS (565nm). L'invention n'est pas limitée à la génération d'un rayonnement du domaine infrarouge. Elle s'applique à la fabrication de tout dispositif d'émission de lumière à micro-cavité dont la couche émettrice est faite d'un matériau apte à servir également de matériau de couche d'arrêt de gravure. En particulier, on a décrit plus haut un exemple de dispositif conforme à l'invention comprenant, sur le substrat 2, l'empilement des couches 6, 10, 8 et 12. On obtient aussi un dispositif conforme à l'invention en formant un tel empilement (comprenant une couche émettrice de lumière entre des première et deuxième couches de barrière et une couche d'arrêt de gravure entre le substrat et la première couche de barrière) dans lequel la couche d'arrêt est de même nature que la couche émettrice, par exemple en CdxHgl-x. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'émission de lumière comportant un empilement qui comprend : - un substrat (2) - une couche d'arrêt de gravure (6) sur ce substrat, une première couche de barrière (10) sur cette couche d'arrêt, - une couche émettrice de lumière (8) sur cette première couche de barrière, et une deuxième couche de barrière (12) sur cette couche émettrice, ce dispositif étant caractérisé en ce que la couche d'arrêt est de même nature que la couche émettrice. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la couche émettrice (8) et la couche d'arrêt de gravure (6) sont CdxHgl-x. 3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la couche émettrice (8) est en un matériau apte à émettre dans le domaine infrarouge. 4. Procédé de fabrication d'un dispositif (26) d'émission de lumière, ce dispositif comprenant une partie active (4) et une micro-cavité, délimitée par des premier et deuxième miroirs (14,20) et contenant la partie active, cette partie active étant formée sur le substrat et comportant une couche d'arrêt de gravure (6) à l'interface de cette partie active avec le substrat, ainsi qu'une couche émettrice (8) apte à émettre la lumière (22) lorsqu'elle est optiquement pompée à travers le premier miroir (14), procédé dans lequel on forme le premier miroir (14) sur la partie active, on élimine le substrat par gravure, et l'on forme le deuxième miroir (20) sur la partie active, ce procédé étant caractérisé en ce que la couche émettrice (8) est faite d'un matériau apte à émettre la lumière (22) et aussi à arrêter la gravure et la couche d'arrêt de gravure (6) est faite de ce matériau. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la gravure est une gravure chimique. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, dans lequel l'élimination du substrat (2) comporte en outre un polissage de ce substrat avant la gravure de ce dernier. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans lequel le matériau de la couche émettrice (8) est choisi pour que la lumière (22) émise par cette couche émettrice soit un rayonnement infrarouge dont la longueur d'onde est comprise dans l'intervalle allant de 2jim à 6jim. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel le matériau de la couche émettrice (8) et de la couche d'arrêt de gravure (6) est CdxHg1-xTe. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, dans lequel l'épaisseur de la couche d'arrêt de gravure (6) est inférieure à 50nm. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, dans lequel on fixe le premier miroir (14) à un support (16) qui est transparent à la lumière de pompage optique (24).