Brevet FR2834130A1 — publié le 20030627

PROCEDE D'AMELIORATION DES CARACTERISTIQUES OPTIQUES DE COMPOSANTS OPTOELECTRONIQUES MULTICOUCHES La présente invention se rapporte à un procédé d'amélioration des caractéristiques optiques de composants optoélectroniques multicouches Des composants optoélectroniques, tels que les lasers à cascade quantique (dits QCL ) ou les guides d'ondes optiques à confinement optique vertical, comportent des couches superficielles fortement dopées et présentant un fort gradient d'indice de réfraction par rapport aux couches sous-jacentes. De nombreuses applications des composants optoélectroniques nécessitent que le champ optique qui y règne présente des qualités spectrales et spatiales bien déterminées. En outre, il est souhaitable de pouvoir contrôler le mode optique de ces composants, afin de pouvoir en augmenter les performances. A ce propos, on peut citer, à titre non limitatif, deux applications nécessitant un contrôle du mode optique. - Les lasers de type DFB ( Distributed Feedback ) ont été largement employés ces dernières années. Cette technologie permettait d'améliorer fortement les caractéristiques de bande passante et de fonctionnement monomode des lasers semiconducteurs, caractéristiques essentielles dans l'application aux télécommunications par fibres optiques. Cependant, dans les applications de forte puissance, qui nécessitent un mode de grandes dimensions, la technologie DFB ne convient pas pour contrôler la structure transverse du mode. Cela est limitant pour les applications de lasers de haute puissance. D'autres solutions sont envisageables, notamment des lasers dits a-DFB dont le concept est également compatible avec la méthode de fabrication proposée dans la présente demande. Pour pouvoir réaliser ces applications, on a utilisé des composants optoélectroniques multicouches dont l'indice de réfraction variait de façon périodique ou pseudo-périodique. De tels composants sont de plus en plus utilisés dans les dispositifs optoélectroniques modernes pour en maîtriser la cohérence spatiale et spectrale du champ optique. Pour fabriquer ces composants optoélectroniques à variation d'indice, on met en oeuvre des techniques connues de gravure par faisceau ionique à assistance chimique ( CAIBE , soit Chemical Assisted Ion Beam Etching ) ou de gravure ionique réactive ( RIE ). Cependant, le processus de gravure par lui-même peut entraîner un état de surface rugueux, et par conséquent des pertes optiques par diffusion. La gravure chimique permet de réduire la rugosité des surfaces gravées. Cependant, il est difficile de maîtriser ce processus de gravure chimique, en particulier pour des petites structures (de dimensions inférieures à 1 um), et ce processus est difficilement reproductible, et, dans la plupart des cas, l'attaque chimique est sélective et anisotropique. Souvent, des structures ainsi gravées peuvent être incompatibles avec le dépôt de couches de contact électrique. En outre, il peut être difficile dans certains cas de monter les composants avec la face épitaxiée vers le bas en vue d'améliorer les caractéristiques de radiateur thermique. Enfin, le couplage du champ optique vers le composant optoélectronique, peut être faible du fait que la partie gravée se trouve habituellement être la couche superficielle. La présente invention a pour objet un procédé de réalisation de composants optoélectroniques multicouches à indice de réfraction variant fortement localement, les composants réalisés selon ce procédé présentant des caractéristiques optiques les meilleures possible, étant facilement reproductibles, pouvant être munis de couches de contact électrique le cas échéant, et pouvant être montés de façon à présenter de bonnes qualités de dissipation thermique. La présente invention a également pour objet des composants optoélectroniques réalisés selon ce procédé, et dont le prix de revient soit le plus faible possible. Le procédé conforme à l'invention consiste à implanter des ions dans des zones discontinues d'une couche fortement dopée, de façon à modifier localement la concentration du dopage et donc l'indice de réfraction de cette couche. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de plusieurs modes de mise en oeuvre, pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, dans lequel : la figure 1 est une vue en coupe transversale d'un guide d'ondes optiques de l'art antérieur ; . la figure 2 est une vue en coupe transversale, similaire à celle de la figure 1, mais se rapportant à un guide d'ondes optiques réalisé selon le procédé de l'invention ; . la figure 3 est une vue simplifiée en perspective d'un guide d'ondes optiques réalisé selon le procédé de l'invention ; . la figure 4 est une vue en perspective d'un guide d'ondes de type Horizontal Arrow réalisé selon le procédé de l'invention ; . la figure 5 est une vue en coupe simplifiée du dispositif de la figure 4 ; la figure 6 est un diagramme montrant les variations relatives de l'indice de réfraction dans le sens de la largeur du laser de la figure 5 ; la figure 7 est une vue simplifiée en coupe d'un a-DFB c'est-à- dire un guide d'ondes à trajet en zig-zag, réalisé selon le procédé de l'invention ; et la figure 8 est une vue simplifiée en perspective d'un composant laser à réseau bi-dimensionnel de points d'implantation ionique, réalisé selon le procédé de l'invention. La présente invention est principalement caractérisée par l'implantation ionique ou protonique dans des guides d'ondes optiques à couches à effet plasma en vue de réaliser des composants optoélectroniques actifs à bande interdite ( band gap en anglais). Un guide d'ondes à couches à effet plasma tire parti de la résonance plasmique dans des couches fortement dopées permettant d'obtenir un fort gradient d'indice de réfraction nécessaire à un confinement optique efficace. Pour les longueurs d'onde situées dans le moyen ou le lointain infrarouge, cette solution est plus viable que de modifier la composition des alliages des couches dont la bande interdite se situe dans le visible ou le proche infrarouge, alliages tels que AlxGa (1~x) As. Parmi les composants concernés, on peut citer les composants à transition inter-sousbande tels que les lasers à cascade quantique ( QCL en anglais). La technologie de réalisation des composants optoélectroniques à bande interdite selon l'invention devient d'autant plus intéressante que la longueur d'onde de fonctionnement de ces composants augmente, du fait que les dimensions de ces composants augmentent, et qu'ils sont donc plus faciles à fabriquer, réduisant ainsi les exigences en matière de rugosité de surface. En outre, les distorsions dues à la température ont moins d'impact dans l'infrarouge lointain, rendant possible la réalisation de composants interférentiels à bande interdite photonique. Selon l'invention, on peut réaliser sur des composants optoélectroniques des motifs produisant une forte modulation de l'indice de réfraction par modulation correspondante du dopage local de ces composants, la modification du dopage étant obtenue par implantation d'ions ou de protons en suivant ces motifs. En outre, ces motifs ne sont pas nécessairement formés en surface, mais peuvent également être formés en profondeur si l'on augmente l'énergie des faisceaux d'implantation. L'invention prévoit de former des motifs périodiques ou pseudo-périodiques directement dans les couches des guides d'onde, permettant ainsi d'obtenir un couplage intense du champ optique, nécessaire à un bon fonctionnement des composants à bande interdite photonique. Une structure photonique obtenue par implantation ionique permet la réalisation de contacts électriques sur le composant, car le courant peut passer par les zones n'ayant pas subi d'implantation (les motifs n'occupent qu'une partie de la couche sur laquelle on doit déposer la couche métallique conductrice). De plus, on garde un état de surface plan, du fait que la structure en motifs est implantée en profondeur. Il est alors possible de monter ces composants avec la région active vers le bas, afin d'en améliorer la dissipation thermique, comme cela se fait déjà pour les diodes laser de puissance. On a représenté en figure 1, en vue en coupe simplifiée, un guide d'ondes optiques 1 à couches fortement dopées ( Plasmon enhanced ) de l'art antérieur. Ce guide d'ondes 1 comporte successivement, sur un substrat 2, une première couche 3 fortement dopée, une première couche 4 de revêtement, une couche 5 formant la zone active, et une deuxième couche fortement dopée 7. Selon un exemple de réalisation, les valeurs typiques des épaisseurs des couches 3 à 7 sont, respectivement, de 1 um-3, 5 um- 1, 7 um-3, 5 um et 1 um. On a représenté en 8 l'évolution du mode optique dans les différentes couches du composant 1. Les couches 3 et 7 sont fortement dopées par rapport aux couches 4 et 6 (environ 100 fois plus), de façon à obtenir par rapport à ces dernières un fort contraste d'indice de réfraction nécessaire au confinement du mode optique dans le guide. La population de porteurs libres est importante, ce qui fait que la fréquence plasmique des couches 3 et 7 est proche de la fréquence correspondant à la longueur d'onde de fonctionnement du composant 1. Le fort contraste d'indice de réfraction des couches 3 et 7 par rapport à celui des couches 4 et 6 est mis à profit pour réaliser un guide d'ondes optiques. De tels guides d'ondes optiques ont été utilisés pour réaliser des lasers à cascade quantique fonctionnant en infrarouge moyen. Selon l'invention, et ainsi que schématiquement illustré en figure 2, on implante des ions ou des protons dans la deuxième couche fortement dopée (correspondant à la couche 7 de la figure 1) afin de réduire fortement son dopage en certaines zones. Ces zones sont disposées selon un motif déterminé qui peut être formé soit à l'aide d'un masque, soit en contrôlant la déflexion d'un faisceau d'implantation. Une telle implantation entraîne la diminution de l'effet des porteurs libres de ladite couche (fortement dopée avant l'implantation) sur l'indice de réfraction de la couche dans les zones concernées par l'implantation. Il en résulte que l'on obtient ainsi des variations locales complexes de l'indice de réfraction de la couche concernée. Ces variations suivent le motif formé par les zones d'implantation, et elles sont fonction à la fois des doses du bombardement ionique et des variations spatiales de l'intensité de ce bombardement, et elles peuvent avoir un effet important sur la formation du mode optique dans le composant traité. Le guide d'ondes 9 représenté en figure 2 comporte les mêmes couches 2 à 6 que le composant 1 de la figure 1. Seule la couche supérieure 10, qui avait, avant traitement par bombardement ionique, les mêmes caractéristiques que la couche 7 du composant 1, comporte un motif périodique ou quasi périodique de zones implantées 11 et s'étendant sur toute la largeur du composant, comme on le voit sur la figure 3 (la direction longitudinale du composant 9 est la direction du faisceau laser 12 passant dans le composant lors de son utilisation). Dans le cas présent, les zones 11 sont régulièrement espacées et occupent une grande partie de l'épaisseur de la couche 10, mais il est bien entendu que pour d'autres exemples de réalisation, les zones implantées peuvent avoir d'autres caractéristiques, en fonction des caractéristiques recherchées pour les composants traités, c'est- à-dire en fonction des profils des modes optiques que l'on veut obtenir. Une application possible de l'invention est la réalisation de lasers DFB ( Distributed Feedback ) qui ont alors une structure similaire à celle représentée en figures 2 et 3. On a représenté en figures 4 et 5 un guide d'ondes optiques de type ARROW ( Antiresonant Reflecting Optical Waveguide ) qui permet un excellent confinement optique dans des couches minces ayant un indice de réfraction inférieur à celui du substrat. Ce confinement peut être de type horizontal dans des guides d'ondes optiques planaires. Le guide d'ondes des figures 4 et 5 est réalisé selon l'invention de la façon suivante. Ce guide d'ondes 13 est formé de façon habituelle d'un substrat 14 sur lequel sont déposées, dans l'ordre, une couche 15 fortement dopée, une couche 16 de revêtement, une couche 17 de zone active, une couche 18 de revêtement et une couche 19 fortement dopée. Selon l'invention, on implante dans la couche 19 un motif de barres 20 parallèles entre elles et parallèles au trajet du faisceau laser 21 passant dans le guide d'ondes en régime de fonctionnement (on remarquera à ce propos, que dans le mode de réalisation des figures 2 et 3, les barres"11 étaient perpendiculaires au trajet du faisceau laser en fonctionnement). Dans l'exemple illustré en figures 4 et 5, on a implanté plusieurs barres 20 et seules les quatre barres centrales ont été représentées. On a représenté en figure 6 les variations d'indice de réfraction relatif (en trait interrompu) et les variations d'intensité du champ optique (en trait continu), selon un axe transversal Ox (perpendiculaire à la direction du faisceau laser 21). On constate que l'intensité du champ optique est maximale (en M1) au milieu de la largeur du guide, c'est-à-dire au milieu de la zone de largeur D1, puis cette intensité présente des pointes M2 et M3 (symétriques par rapport à l'emplacement de M1), d'amplitude plus faible qu'en M1, dans les premières zones inter-barres suivantes, puis des pointes M4 et M5, d'amplitude encore plus faible, dans les secondes zones interbarres suivantes, et ainsi de suite jusqu'aux extrémités latérales du guide, où l'intensité du champ est pratiquement nulle. L'indice de réfraction est minimal au droit des zones inter-barres et maximal au droit des barres, les valeurs maximales sont égales entre elles, et les valeurs minimales sont égales entre elles. Les guides d'ondes optiques de type ARROW présentent des avantages importants du point de vue optique par rapport au guide d'ondes optiques classiques à confinement dans un matériau à fort indice de réfraction. Tout d'abord, ils ne sont le siège que d'un seul mode optique transversal, quelle que soit la taille du mode. De plus, il est facile de réaliser des couplages entre guides d'ondes et réseaux de phase pour des lasers semiconducteurs à forte luminosité. En outre, il est possible d'immuniser les guides d'ondes au phénomène de la saturation spatiale du gain (gain spatial hole burning). On a schématiquement représenté en figure 7, une vue partielle de dessus de laser de type a-DFB ( Distributed Feedback ) à structure périodique oblique. Un tel laser peut être un laser de puissance formé dans une bande large de guide d'ondes, à sortie en limite de diffraction. Cette structure périodique est en forme de motif anguleux, ce qui oblige la lumière à suivre un trajet en zig-zag , dans le guide d'ondes. Ceci a pour conséquence l'augmentation importante de la dépendance angulaire de la réaction optique, ne permettant ainsi que l'oscillation des modes arrivant avec une incidence normale sur la face frontale du guide d'ondes. La structure de type DFB a pour effet que la largeur spectrale est faible. Sur la figure 7, on a représenté un guide d'ondes optiques 23 conformé en laser DFB , dans lequel un couloir étroit 24 est délimité par deux bandes 25,26 à fort gradient d'indice de réfraction. Ces deux bandes sont réalisées, conformément à l'invention, par implantation ionique de motifs dans l'épaisseur du guide, dans des plans parallèles à l'axe du couloir 24. On a représenté en figure 8 un exemple possible de réalisation d'une cavité laser 27 à bande photonique interdite bi-dimensionnelle, conforme à l'invention. Cette cavité 27 est réalisée à partir d'un guide d'ondes optiques à zone active (similaire à celui de la figure 1) dont les faces latérales sont traitées spéculairement. Sur la surface supérieure du guide 27, on implante un motif bidimensionnel de micro-pavés 28 présentant un défaut. La configuration de ce motif est fonction de l'effet recherché. Dans le présent exemple, les micro-pavés ont une face supérieure sensiblement carrée, et sont disposés en lignes et colonnes et régulièrement espacés dans les lignes et les colonnes. Seul manque un pavé, par exemple au centre du motif. Sous l'emplacement vide (ou défaut ) 29, le champ optique est le plus intense. De façon générale, le motif implanté à la surface, ou près de la surface, d'un guide d'ondes optique peut être périodique ou apériodique, et la forme des pavés implantés peut être différente de celle représentée en figure 8. Ce motif peut présenter zéro, un ou plusieurs défauts . Selon la configuration du motif ainsi implanté, on peut agir finement sur le mode optique régnant dans le composant obtenu, et l'ajuster aux exigences particulières de chaque application. Ainsi, on peut, par exemple, contrôler le profil du faisceau laser ou réaliser des microcavités ou ajuster les propriétés dispersives de la couche plasmique. REVENDICATIONS 1. Procédé d'amélioration des caractéristiques optiques de composants optoélectroniques multicouches, caractérisé par le fait qu'il consiste à implanter des ions dans des zones discontinues (11,20, 28) d'une couche fortement dopée (10,19), de façon à modifier localement la concentration du dopage de la couche, et donc l'indice de réfraction de cette couche. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'implantation est faite selon un motif périodique (11,20). 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'implantation est faite selon un motif apériodique. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'implantation est faite selon motif bi-dimensionnel (28). 5. Procédé selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé par le fait que le motif comporte au moins un défaut (29). 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'implantation est faite en surface. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que l'implantation est faite en profondeur. 8. Guide d'ondes de type ARROW , caractérisé par le fait qu'il est réalisé selon le procédé de la revendication 1 ou 2. 9. Laser de type DFB , caractérisé par le fait qu'il est réalisé selon le procédé de la revendication 1 ou 3. 10. Laser de type -DFB)) à structure périodique oblique, caractérisé par le fait qu'il comporte un guide d'ondes optique (23) dans lequel un couloir (24) est délimité par deux bandes (25,26) à fort gradient d'indice de réfraction réalisées selon le procédé de la revendication 1 ou 2. 11. Laser de type QCL , caractérisé par le fait qu'il est réalisé selon le procédé de la revendication 1.