Brevet FR2855653A1 — publié le 20041203

I SRUCTURE AMORPHE DE COUPLAGE OPTIQUE POUR DETECTEUR D'ONDES ELECTROMAGNETIQUES ET DETECTEUR ASSOCIE Le domaine de l'invention est celui des détecteurs d'ondes électromagnétiques en matériau semiconducteur et notamment à structure à multipuits quantiques, particulièrement adapté au domaine infrarouge. Les progrès rapides de la croissance par épitaxie sur substrats de 5 type GaAs ont permis le développement d'une nouvelle classe de détecteurs d'ondes électromagnétiques utilisant l'absorption d'un rayonnement autour d' une longueur d'onde lambda, correspondant à la transition d'électrons entre différents niveaux d'énergie au sein d'une même bande ou entre bande de valence et bande de conduction. Le schéma de la figure 1 illustre ce type de 10 transition. L'évolution récente des performances de ce type de composants est liée en particulier à la réalisation relativement facile de multicouches de semiconducteurs à hétérojonctions dans le système standard de l'épitaxie par jets moléculaires (MBE), c'est-à-dire le système GaAs/Ga (1-x)AI xAs. En 15 ajustant les paramètres de croissance, I'épaisseur des puits quantiques et le pourcentage x en Aluminium dans les barrières imposant le potentiel de confinement, on peut choisir de centrer une bande étroite ( environ 1 micron) de détection sur une longueur d'onde donnée. Ce type de structure présente l'intérêt de fournir de très bonnes 20 sensibilités en raison de la discrétisation des niveaux d'énergie au sein des bandes de conduction des matériaux photoconducteurs utilisés. Dans le contexte des transitions intersousbandes, pour que ce type de transitions soit possible il est nécessaire que le champ électrique de l'onde électromagnétique incidente ait une composante le long de la direction 25 de croissance des couches, soit selon la direction D indiquée en figure 1, direction perpendiculaire au plan des couches. Il a déjà été proposé d'utiliser des moyens de couplage de type réseau de diffraction (cf Goossen et Lyon, APL 47(1985), p1257-1259) pour générer ladite composante perpendiculaire en créant des rayonnements 30 diffractés. Notamment des réseaux lamellaires (1D) ou échelettes qui ne permettent de coupler qu'une seule polarisation de la lumière. Mais aussi des réseaux croisés de diffraction sont connus pour coupler les différentes composantes de champ électrique d'un rayonnement incident comme illustré en figure 2. Le réseau matriciel Rij permet de diffracter le rayonnement incident aussi bien selon la direction Dx que selon la direction Dy. L'inconvénient majeur de l'utilisation de réseaux est la résonance en longueur d'onde et en angle associée à l'augmentation de l'absorption, ce 5 qui limite l'utilisation de ces dispositifs à une fenêtre d'absorption très étroite. Ces résonances sont directement liées à la nature périodique des réseaux. Ainsi si l'on veut disposer d'un détecteur capable de détecter un domaine de longueurs d'onde ayant une bande spectrale plus large il faut rechercher d'autres solutions que les structures réseaux. C'est pourquoi la présente invention propose une nouvelle structure amorphe de couplage optique destinée à coupler un rayonnement électromagnétique à la surface d'un photo détecteur, pour gommer les effets périodiques tout en assurant un couplage optique efficace. Il s'agit d'une structure dans laquelle on peut définir un ordre à 15 courte distance qui apparaît dans les composantes de Fourier aux fréquences spatiales correspondant aux longueurs d'ondes auxquelles est sensible le détecteur destiné à utiliser cette structure de couplage, mais sans pouvoir définir un ordre à longue distance correspondant à une structure périodique. Plus précisément la présente invention a pour objet une structure de couplage optique destinée à coupler un rayonnement électromagnétique à la surface d'un photodétecteur caractérisée en ce qu'elle comporte une surface de couplage pavée selon une première et une seconde directions perpendiculaires entre elles, par un ensemble de N séries de premiers 25 motifs, de seconds motifs, ... de nième motifs, les motifs étant identiques au sein d'une même série, les motifs étant distribués selon la première et la seconde direction, les centres entre deux motifs adjacents ou les distances inter-réticulaires entre deux motifs adjacents étant variables. Avantageusement la densité de motifs à la surface de couplage 30 est sensiblement constante sur l'ensemble de ladite surface. Avantageusement les premiers, les seconds, ... les nième motifs peuvent être de forme carrée et/ou de forme rectangulaire. Avantageusement la surface de couplage optique est constituée d'un ensemble de N séries de premières, secondes, ... nième cellules 35 élémentaires identiques au sein de la même série constituant le pavage, chaque première, seconde, ... nième cellule élémentaire comprenant un motif homothétique à ladite cellule élémentaire. Selon une première variante de l'invention l'espace inter-réticulaire entre les motifs est constant. Selon une seconde variante de l'invention, chaque motif est centré au sein d'une cellule élémentaire, la distance inter-réticulaire entre motifs n'étant pas constante, le taux de remplissage des cellules élémentaires par les motifs étant constant Typiquement la surface de couplage peut comprendre des premiers, des seconds, des troisièmes et des quatrièmes motifs respectivement de dimensions a.a, b.b, a.b et b.a. Les motifs peuvent aussi bien être gravés au niveau de la surface de couplage que réalisés à la surface de la surface de couplage par des 15 procédés classiques de photolithographie et comprendre typiquement une profondeur de gravure de l'ordre de lambda 14. L'invention a aussi pour objet un détecteur à ondes électromagnétiques comprenant une structure à multipuits quantiques 20 fonctionnant sur des transitions interbandes ou intersousbandes par absorption d'un rayonnement autour d' une longueur d'onde lambda, et comprenant des moyens de couplage optique dudit rayonnement, caractérisé en ce que les moyens de couplage optique comprennent une structure de couplage optique selon l'invention. De manière générale, I'invention a pour objet de renforcer le champ électromagnétique sous forme de modes optiques au niveau de la couche active et peut donc être appliquée aux transitions intersousbandes ou interbandes. Le détecteur peut avantageusement comprendre un empilement 30 de couches réalisé à la surface d'un substrat, ledit empilement comprenant la structure à multipuits quantiques et des couches externes, les premiers et les seconds motifs étant gravés au sein d'une couche externe. L'invention a encore pour objet un détecteur d'ondes électromagnétiques matriciel caractérisé en ce qu'il comprend une matrice 35 d'éléments détecteurs unitaires selon l'invention, chaque élément unitaire détecteur comportant un empilement de couches, ledit empilement comprenant la structure à multipuits quantiques et des couches externes, les premiers et seconds motifs étant gravés au sein d'une couche externe, lesdits éléments étant réalisés à la surface d'un substrat commun. Selon une variante de l'invention l'empilement des couches actives est un empilement de couches semiconductrices de type GaAs, GaAIAs dopées, le substrat étant de type GaAs dopé ou non. Selon une variante de l'invention, le détecteur peut comprendre un substrat transparent à la longueur d'onde du rayonnement et une couche réflectrice à ladite 10 longueur d'onde, ladite couche réflectrice étant à la surface des motifs, de manière à faire fonctionner le détecteur en réflexion. L'invention a enfin pour objet une source laser comprenant une structure à multipuits quantiques fonctionnant sur des transitions interbandes ou intersousbandes à une longueur d'onde lambda et comprenant une structure de couplage optique selon 15 I'invention. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et grâce aux figures annexées parmi lesquelles: * La figure 1 schématise une structure à multipuits quantiques selon l'art connu. * La figure 2 illustre un détecteur à multipuits quantiques possédant des moyens de couplage optique de type réseau matriciel de diffraction, selon l'art antérieur * La figure 3 illustre une première variante de structure de couplage optique selon l'invention. * La figure 4 illustre une seconde variante de structure de couplage optique selon l'invention. * La figure 5 illustre une troisième variante de structure optique de couplage selon l'invention. * La figure 6 illustre un exemple de détecteur à multipuits quantiques 30 selon l'invention, vu en coupe. * La figure 7 illustre un exemple de détecteur matriciel selon l'invention. De manière générale la structure de couplage selon l'invention comprend un ensemble de motifs pavés au niveau d'une surface de couplage, répartis selon deux directions orthogonales Dx et Dy, la densité de motifs sur l'ensemble de la surface 35 étant sensiblement constante. Pour réaliser une structure de couplage amorphe il est nécessaire de répartir les motifs de manière apériodique. Pour réaliser cette condition nous allons décrire ci-après différentes alternatives non exhaustives qui permettent d'atteindre le but recherché. Première variante: La surface de couplage est composée de 4 séries de motifs élémentaires, deux séries de motifs carrés de dimensions c*c, d*d et deux séries de motifs rectangulaires de dimensions c*d et d*c, comme illustré en figure 3. La distance entre motifs est constante et égale à e. La dimension c+e est adaptée à une première longueur d'onde Il et la dimension d+e est adaptée à une seconde longueur d'onde 22, de manière à obtenir une structure de couplage efficace sur une certaine bande spectrale. Seconde variante: La surface de couplage optique est définie en surfaces élémentaires encore appelées cellules élémentaires de dimensions a*a, a*b, b*a et b*b, comme illustré en figure 4. Selon cette variante: quatre séries de motifs sont employées (Mli, M2i, M3i, M4i) homothétiques desdites cellules élémentaires. Les motifs ont respectivement des dimensions c*c, cM*dM, dM*cM et d*d. Les dimensions CM et dM sont déterminées pour conserver le même taux de remplissage que les cellules a*a et b*b. La dimension a est adaptée à une première longueur d'onde;1 et la dimension b est adaptée à une seconde longueur d'onde;2, de manière à obtenir une structure de couplage efficace sur une certaine bande spectrale. Pour chaque type de cellule, le motif est placé au centre de la cellule, l'écart entre chaque motif est variable au sein de la structure ( ec+eM, eM+ed, 30 ed+ed, ...). Troisième variante: La surface de couplage optique est définie en surfaces élémentaires encore appelées cellules élémentaires de dimensions a*a, a*b, b*a et b*b, comme illustré en figure 5. Selon cette variante: quatre séries de motifs sont employées (Mli, M2i, M3i, M4i) homothétiques desdites cellules élémentaires. Les motifs ont respectivement des dimensions c*c, c*d, d*c et d*d. La dimension c est adaptée à une première longueur d'onde X1 et la 10 dimension d est adaptée à une seconde longueur d'onde 2, de manière à obtenir une structure de couplage efficace sur une certaine bande spectrale. Le taux de remplissage n'est pas le même entre les cellules carrées et les cellules rectangulaires. De manière générale, la structure optique selon l'invention peut comprendre des motifs gravés (mode préféré car technologiquement plus facile à réaliser) .. Le détecteur peut être de manière classique réalisé à la surface d'un substrat en matériau semiconducteur qui peut être non dopé S. Un 20 assemblage de couches constituant un contact ohmique dit inférieur Ci en matériau semiconducteur fortement dopé est déposé à la surface du substrat. Ce contact ohmique supporte l'ensemble des couches semiconductrices constitutives de la structure à multipuits quantiques MPQ, celle-ci est en contact avec un assemblage de couches constituant un 25 contact ohmique dit supérieur Cs, la détection étant assurée entre les deux couches de contact ohmiques. Avantageusement les motifs peuvent être gravés dans la couche de contact ohmique Cs comme illustré en figure 6 qui représente une vue en coupe. La description ci-dessus a montré des configurations de couplage optique pour un détecteur élémentaire qui peuvent être avantageusement appliquées dans le cadre d'un détecteur matriciel comportant des éléments unitaires, chacun de ces éléments unitaires comportant en surface des moyens de couplage optique comprenant des motifs de diffraction selon les 35 directions Dx et Dy. La figure 7 illustre un exemple de détecteur matriciel selon l'invention dans lequel l'ensemble des motifs est réalisé à la surface d'un substrat commun avec une couche de contact ohmique également commune. Pour réaliser cette architecture, on procède de la manière suivante: Sur un substrat transparent aux longueurs d'onde auxquelles est sensible le détecteur, on réalise une première couche de contact ohmique Ci également 10 transparente. Sur cette couche de contact ohmique, on réalise un empilement de couches constitutives de la structure à multipuits quantiques. On procède au dépôt de la seconde couche de 15 contact ohmique Cs. On grave les motifs au sein de la couche Cs. On procède à la définition des éléments unitaires de détection en gravant l'ensemble des couches jusqu" à la surface de la couche de contact inférieure Ci. 20 - Sur le détecteur matriciel ainsi obtenu, on peut avantageusement procéder au dépôt d'une couche d'encapsulation. Exemple de réalisation Nous allons décrire un exemple de détecteur selon l'invention, fonctionnant dans le domaine infrarouge et plus particulièrement adapté aux domaines 8-12 microns: Sur un substrat en GaAs intrinsèquement non dopé, on réalise le 30 dépôt de la couche de contact ohmique inférieur en GaAs dopé Si avec un taux de dopage de 5. 10 18 cm -3 et une épaisseur typiquement de 2 microns. La structure à multipuits quantiques est réalisée par l'empilement de 50 périodes composées d'une couche de GaAs dopée Si avec une 35 concentration en porteurs de charge de 5. 10 18 cm -3 d'épaisseur 5 nm, insérée entre deux couches barrières constituées de Ga 0,75 AI 0,25 As d'épaisseur 50 nm. La couche de contact supérieur est identique à la couche de contact inférieur et présente également une épaisseur de 2 microns; Les motifs du motif de couplage amorphe sont réalisés au sein de cette couche de contact supérieur. Pour obtenir les effets diffractants recherchés à une longueur d'onde de fonctionnement autour de 9 microns, les profondeurs de gravure sont de 1. 2 micron et les pas des motifs a et b de 2,4 microns et 2.7 microns 10 (l'indice optique moyen de la structure étant de 3,3 à 9 microns). Le taux de remplissage de la surface de la couche de contact supérieur est typiquement de l'ordre de 50%. REVENDICATIONS 1. Structure de couplage optique destinée à coupler un rayonnement électromagnétique à la surface d'un photodétecteur, caractérisée en ce qu'elle comporte une surface de couplage pavée selon une première et une seconde directions perpendiculaires entre elles, par un 5 ensemble de N séries (Mli, M2i, ... Mni) de premiers motifs, de seconds motifs, ... de nièmes motifs, les motifs étant identiques au sein d'une même série, les motifs étant distribués selon la première et la seconde direction, la distance entre les centres de deux motifs adjacents ou les distances interréticulaires entre deux motifs adjacents étant variables. 10 2. Structure de couplage optique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les premiers, les seconds, ... les nième motifs sont de forme carrée et/ou de forme rectangulaire 3. Structure de couplage optique selon la revendication 2, caractérisée en ce que les motifs de forme carrée ou rectangulaire ont des distances inter-réticulaires constantes. 4. Structure de couplage optique selon la revendication 2, 20 caractérisée en ce que la surface de couplage optique est constituée d'un ensemble de N séries de premières, secondes, ... nième cellules élémentaires identiques au sein de la même série constituant le pavage, chaque première, seconde, ... nième cellule élémentaire comprenant un motif homothétique à ladite cellule élémentaire. 5. Structure de couplage optique selon la revendication 3, caractérisée en ce que la surface de couplage est constituée de quatre séries de cellules élémentaires respectivement a*a, b*b, a*b et b*a. 6. Structure de couplage optique selon la revendication 5, caractérisée en ce que le taux de remplissage des cellules par les motifs est constant, les distances entre motifs étant variables. 7. Structure de couplage optique selon la revendication 5, caractérisée en ce que le taux de remplissage des cellules est variable. 8. Détecteur d'ondes électromagnétiques comprenant une 5 structure à multipuits quantiques fonctionnant sur des transitions interbandes ou intersousbandes par absorption d'un rayonnement à une longueur d'onde lambda, et comprenant des moyens de couplage optique dudit rayonnement, caractérisé en ce que: Les moyens de couplage optique comprennent unes structure de 10 couplage optique selon l'une des revendications 1 à 7 9. Détecteur d'ondes électromagnétiques selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend un empilement de, couches réalisé à la surface d'un substrat, ledit empilement comprenant la structure à multipuits 15 quantiques et des couches externes, les motifs étant gravés au sein d'une couche externe. 10. Détecteur d'ondes électromagnétiques selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'épaisseur des premiers et seconds motifs est de 20 I'ordre de lambda/4. 11. Détecteur d'ondes électromagnétique selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que l'empilement des couches actives est un empilement de couches semiconductrices de type GaAs, 25 GaAIAs dopées, le substrat étant de type GaAs dopé ou non. 12. Détecteur d'ondes électromagnétiques selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend un substrat transparent à la longueur d'onde du rayonnement et une couche réflectrice à 30 ladite longueur d'onde, ladite couche réflectrice étant à la surface des motifs, de manière à faire fonctionner le détecteur en réflexion. 13. Détecteur d'ondes électromagnétiques matriciel, caractérisé en ce qu'il comprend une matrice d'éléments unitaires détecteurs selon l'une 35 des revendications 8 à 12, chaque élément unitaire détecteur comportant un empilement de couches, ledit empilement comprenant la structure à multipuits quantiques et des couches externes, les motifs étant gravés au sein d'une couche externe, lesdits éléments étant réalisés à la surface d'un substrat commun. 14. Source laser comprenant une structure à multipuits quantiques fonctionnant sur des transitions interbandes ou intersousbandes à une longueur d'onde lambda, et comprenant des moyens de couplage optique dudit rayonnement, caractérisé en ce que: Les moyens de couplage optique comprennent une structure de couplage optique selon l'une des revendications 1 à 7