Brevet FR2851826A1 — publié le 20040903

COUPLEUR OPTIQUE POUR CIRCUITS INT GR S GUIDE D'ONDE OPTIQUE La présente invention concerne le domaine des circuits intégrés. Elle concerne plus particulièrement la propagation d'un faisceau lumineux dans une structure semiconductrice et un coupleur d'introduction de lumière dans cette structure semi5 conductrice. De façon générale, les semiconducteurs sont transparents pour certaines longueurs d'onde optiques. Par exemple, le silicium est transparent, c'est-à-dire n'absorbe pratiquement la lumière, pour des faisceaux lumineux dans le proche infrarouge à 10 des longueurs d'onde comprise entre sensiblement 1,3 et 1,55 pm. Il serait intéressant de pouvoir propager de façon guidée à l'intérieur d'un circuit intégré un faisceau lumineux pour agir sur divers composants du circuit intégré. En effet, si par exemple une distribution à un signal d'horloge se fait dans un circuit 15 intégré par des conducteurs métalliques, ceux-ci présenteront inévitablement des caractéristiques capacitives, inductives et résistives. Aux fréquences élevées, de plus en plus utilisées dans les circuits intégrés, ceci entraîne des retards de propagation inégaux si les longueurs des chemins entre l'origine de 20 l'horloge et les points o elle est distribuée sont inégaux. Par contre, dans le cas d'une distribution par voie optique, les retards de propagation seront négligeables et on pourra considérer que les divers signaux d'horloge arrivent simultanément. En outre, pour des raisons de commodité, on souhaite pouvoir introduire la lumière dans un circuit intégré par sa 5 tranche de façon à ne pas modifier les procédés classiques d'encapsulation, tout en prévoyant par exemple une ouverture d'insertion d'une fibre optique sur un côté du boîtier. La présente invention sera décrite dans le cas plus particulier o le semiconducteur du circuit intégré est du sili10 cium mais on comprendra qu'elle s'applique à d'autres types de semiconducteur à condition d'adapter les conditions en tenant compte des indices et des plages de transparence de ces autres semiconducteurs. On désigne ici par circuit intégré en silicium, des circuits intégrés susceptibles de comprendre des zones de 15 germanium ou de silicium-germanium. La figure 1 représente une portion d'une plaquette de silicium massif dans laquelle on veut introduire un faisceau lumineux L. Il est clair que cela pose de nombreux problèmes, notamment pour guider le faisceau lumineux à l'intérieur du 20 silicium. La figure 2 représente un circuit intégré de type SOI, comprenant, sur une tranche de silicium 1, une couche mince d'oxyde de silicium 2 et une couche mince de silicium monocristallin 3 dans laquelle sont susceptibles d'être formés divers composants 25 électroniques. De façon courante, les couches minces 2 et 3 ont des épaisseurs de l'ordre de seulement quelques dixièmes de pn dans les circuits intégrés modernes. Si on veut injecter un faisceau lumineux L dans la couche mince de silicium, il se pose un problème important de couplage étant donné qu'un faisceau 30 lumineux, par exemple un faisceau laser, peut être concentré seulement, au mieux, en une tache lumineuse d'un diamètre de l'ordre de 0, 8 fois sa longueur d'onde, c'est-à-dire de l'ordre de 1 gm dans le cas d'un faisceau incident d'une longueur d'onde de 1,3 gm. Ce diamètre minimum du faisceau est nettement supé35 rieur à l'épaisseur de la couche mince de silicium. Le coef- f icient de couplage est donc extrêmement faible et ne dépasse pas une valeur de l'ordre du pourcent. Il faudrait donc prévoir une couche mince d'oxyde de silicium nettement plus épaisse que ce qui est usuel et cela rendrait impossible la fabrication des composants électroniques. On a donc prévu dans l'art antérieur diverses techniques d'introduction de la lumière orthogonalement à la couche mince mais ces techniques s'avèrent complexes et à faible rendement. Ainsi, un objet de la présente invention est de prévoir un circuit intégré de type SOI comprenant une partie de guide d'onde dans la couche mince de silicium. Un objet plus particulier de la présente invention est de prévoir un coupleur pour introduire l'énergie lumineuse dans la couche mince de 15 silicium. Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit un circuit intégré comprenant une couche semiconductrice formée avec une interface isolante au-dessus d'un substrat, comprenant un guide d'onde optique constitué d'une bande de la 20 couche semiconductrice, comprenant un coupleur latéral d'introduction de lumière, ledit coupleur comprenant une bande d'un matériau isolant ayant une épaisseur supérieure au diamètre d'un faisceau laser incident, recouvrant la bande semiconductrice, une structure de réseau étant formée dans la bande semi25 conductrice orthogonalement à la direction de propagation de la lumière, à l'interface avec la bande de matériau isolant. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le semiconducteur est du silicium monocristallin, la couche isolante sous-jacente de l'oxyde de silicium, le substrat du 30 silicium, et le matériau isolant est également de l'oxyde de silicium. Selon un mode de réalisation de la présente invention, à l'emplacement du guide d'onde, la couche de silicium présente une surépaisseur pour avoir une épaisseur totale de l'ordre de 35 0,3 jm et la couche d'oxyde de silicium supérieure a une épais- seur totale d'environ 1 Pm et une surépaisseur d'environ 1 Pm au-dessus de la bande de silicium, la bande de silicium ayant une largeur de l'ordre de 3 im et la surépaisseur de la bande d'oxyde de silicium supérieure ayant une largeur de 2,4 im. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le réseau est constitué de rainures parallèles transverses à la direction de la bande. Selon un mode de réalisation de la présente invention, en dehors de la zone d'introduction de lumière, la bande de 10 silicium servant de guide d'onde a une largeur de seulement quelques dixièmes de Pm et est reliée à la partie plus large de la zone de coupleur par une transition adiabatique. Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans 15 la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1 représente une vue en coupe schématique d'une plaquette de silicium; la figure 2 représente une vue en coupe schématique d'une structure de type SOI; les figures 3A à 3D représentent la structure d'un mode de réalisation de coupleur optique selon la présente invention, et plus particulièrement: - la figure 3A représente une vue en coupe schématique dans le plan de la lumière incidente; - la figure 3B représente une vue en coupe schématique dans un plan orthogonal à la lumière incidente; - la figure 3C représente une vue de dessus d'un coupleur 30 selon la présente invention; - la figure 3D représente une vue en coupe selon le plan D-D de la figure 3C; la figure 4 représente une vue de dessus d'un mode de réalisation d'un coupleur optique selon la présente invention; la figure 5 représente une vue de dessus d'un circuit intégré comprenant un guide d'onde optique et un coupleur selon la présente invention; la figure 6 est une vue schématique d'un diviseur optique; et les figures 7A et 7B sont une vue en coupe et une vue de dessus d'un exemple de capteur optoélectronique. La présente invention propose d'utiliser pour l'introduction du faisceau optique des coupleurs de type guide d'onde 10 optique réfléchissant antirésonant, couramment désignés dans la technique par l'appellation guide ARROW, de l'anglais AntiResonant Reflecting Optical Waveguides. Ainsi, selon l'invention, comme l'illustre la figure 3A, une couche d'oxyde de silicium plus épaisse 4 est déposée 15 au- dessus de la couche mince de silicium 3 d'une structure de type SOI comprenant un substrat de silicium 1, une couche mince d'oxyde de silicium 2 et une couche mince de silicium 3. La couche 4 repose au moins sur les parties de la couche mince de silicium devant servir de guide d'onde. Ainsi, la couche de 20 silicium est encadrée de deux couches de plus faible indice. Plus particulièrement, la structure a en coupe, perpendiculairement au faisceau incident L, la structure illustrée en figure 3B. La couche mince de silicium 3 comporte une bande en surépaisseur 5 aux emplacements o l'on veut effectuer le 25 guidage de lumière et la couche d'oxyde supérieure 4 présente une surépaisseur 6 aux emplacements o l'on veut effectuer le guidage de lumière. On notera, comme le représente la partie droite de la figure 3B, que la couche mince de silicium 3 peut être interrompue au-delà de la bande 5 servant de guide d'onde. 30 Il en est de même pour la couche d'oxyde 4 au-delà de part et d'autre de la région en surépaisseur 6. Comme le représente la vue de dessus de la figure 3C, la bande 5 de silicium délimitée dans la figure par deux traits en pointillés se termine sur un bord 10 de la plaquette de sili35 cium et la bande 6 d'oxyde de silicium se termine également sur le bord 10. Comme l'illustre la figure 3B, la bande d'oxyde de silicium 6 a une épaisseur suffisante, pour que l'on puisse y introduire sans difficultés un faisceau lumineux, par exemple un faisceau laser provenant de l'extrémité d'une fibre optique (non 5 représentée) accolée au bord 10. Un réseau il constitué de rainures dont le pas est choisi en fonction de la longueur d'onde de la lumière incidente et des indices des matériaux est formé dans la bande de silicium 5 de la façon illustrée en vue de dessus en figure 3C et en vue en coupe dans la figure 3D. On 10 peut montrer que, si l'épaisseur de la bande de silicium 5, en tenant compte de l'épaisseur de la couche d'isolement 2, est convenablement choisie, on a un couplage pratiquement total (plus de 90 %) de la lumière incidente qui passe de la bande d'oxyde de silicium 6 à la bande de silicium 5 et continue à s'y 15 propager. Ainsi, comme l'illustre la figure 3B, la lumière incidente sur la bande d'oxyde de silicium 6 selon la flèche L se propage après le réseau dans la bande de silicium 5 comme cela est indiqué par la référence L'. A titre d'exemple de valeurs numériques, et sans que 20 cela constitue une limitation de la présente invention, on pourra choisir, pour un faisceau incident à une longueur d'onde de 1,3 gm, les dimensions approximatives suivantes: - épaisseur de la couche d'oxyde de silicium 2, el = 0,4 gm, épaisseur de la couche de silicium 3, e2 = 0,2,um, 25 - surépaisseur de la bande 5, hl = 0,11 um, - épaisseur totale de la bande 5, e2 + hl = 0,31 um, - épaisseur de la couche d'oxyde de silicium 4, e3 = 3 bm, surépaisseur de la bande 6 de la couche 4, h2 = 1 gm, - largeur de la bande 5, ll = 3 gm, et 30 - largeur de la bande 6, 12 = 2, 4 Mm. Avec de telles valeurs, et en utilisant un réseau tel qu'illustré en figures 3C et 3D, on a obtenu un rendement de transfert de l'énergie lumineuse entre le faisceau incident L et le faisceau L' se propageant dans le guide d'onde supérieur à 35 70%. La figure 4 représente une vue de dessus du coupleur selon un mode de réalisation de la présente invention. Cette vue est similaire à celle de la figure 3C. On peut y voir, à partir du côté d'introduction 10 de la lumière L, la bande de silicium 5 5 représentée ici en traits pleins, la bande d'oxyde de silicium 6 représentée ici en pointillés, et la partie de réseau 11. En outre, on a représenté une transition, dite transition adiabatique, correspondant à un resserrement progressif 12 entre la bande d'introduction de lumière 5J et une bande de silicium 13 10 (en légère surépaisseur comme la bande 5 décrite précédemment mais pouvant avoir une largeur 13 de l'ordre de seulement quelques dixièmes de gm, par exemple 0, 3 à 0,5 gm), ce qui réduit l'encombrement du guide d'onde dans la couche mince de la structure SOI. La bande 13 est gravée dans le silicium, a de 15 préférence la même épaisseur que la bande 5, et est recouverte d'une couche isolante à faible indice, telle que SiO2. La couche de revêtement n'a pas nécessairement la même épaisseur que la bande 6. Elle correspond à une couche de protection/passivation classique de circuit intégré. Selon un avantage important de 20 l'invention, la distance totale occupée par le réseau peut avoir une longueur Ll de seulement environ 40 gm tandis que la zone de transition adiabatique peut avoir une longueur L2 de seulement environ 35 gm. C'est-à-dire que l'ensemble du coupleur, depuis la zone d'introduction de lumière jusqu'à la partie de guide 25 d'onde 13 de faible largeur, a une longueur totale nettement inférieure à 100 um pour une largeur non supérieure à 3 à 5 gm du côté entrée. Le coupleur peut donc facilement être placé à la périphérie d'un circuit intégré, dans une zone non utilisée par des composants élémentaires et des plots de contact. La figure 5 représente de façon schématique un exemple de vue de dessus d'un circuit intégré de type SOI incluant un système de guide d'onde optique et un coupleur d'introduction (ainsi qu'un coupleur de sortie) selon la présente invention. Le coupleur selon la présente invention est désigné par la réfé35 rence 20 et correspond à ce qui est représenté en vue de dessus en figure 4. On a en outre représenté à gauche du coupleur, du côté d'un bord 10 du circuit intégré une rainure, par exemple une rainure en V 21, formée sur le bord de la plaquette de circuit intégré et destinée à tenir en place une fibre optique 5 22 dont le coeur est en regard de la bande 6, sensiblement comme cela est représenté en figure 3B. On a représenté dans le circuit intégré un guide d'onde ramifié 24. Ce guide comprend diverses extrémités 25-1, 25-2, 25-3, 25-4 et 25-5 destinées à agir sur divers éléments du circuit intégré. L'extrémité 25-5 10 est représentée comme couplée à un bloc 26, par exemple un bloc convertisseur de longueur d'onde ou un bloc assurant une modulation du faisceau optique. Il ressort de ce bloc 26, par l'intermédiaire d'un coupleur de sortie 30, similaire au coupleur 20 décrit précédemment, un faisceau lumineux modulé ou 15 modifié d'une autre manière vers une fibre optique de sortie 32. Comme on l'a indiqué précédemment, un avantage important de l'utilisation de tels guides optiques à l'intérieur d'un circuit intégré est que la propagation dans un guide optique se fait de façon quasi instantanée avec un retard négligeable et 20 notamment le délai de propagation n'est pas affecté pour diverses portions du guide d'onde par des constantes de type capacitif, résistif ou inductif. Ainsi, on peut synchroniser par exemple un signal d'horloge vers divers composants et tous ces divers composants recevront des fronts d'horloge au même instant 25 avec une extrême précision. En figure 5, on a indiqué divers branchements du guide d'onde optique 4. La figure 6 représente très schématiquement un diviseur 35 comprenant un guide d'entrée 36 et deux guides de sortie 37, 38 gravés dans la couche de silicium. L'homme de 30 l'art saura dimensionner les diverses surfaces de silicium pour réaliser de tels couplages. Divers types de coupleurs optiques pourront être utilisés, par exemple des coupleurs à cavités intermédiaires. Les figures 7A et 7B représentent respectivement une 35 vue en coupe et une vue de dessus d'un détecteur utilisable dans une structure de circuit intégré à guide d'onde optique selon l'invention. Le guide d'onde optique de silicium est désigné par la référence 5 et est revêtu de la couche isolante 6. Au-dessus d'une portion du guide de silicium 5 est formée une région en 5 germanium 40 comprenant deux portions, respectivement dopées P et N 41 et 42, respectivement reliées à des circuits appropriés non représentés. Quand de la lumière passe dans le guide d'onde 5, la jonction PN devient passante et ceci peut être détecté de façon classique. La présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. Notamment, les dimensions des diverses couches pourront être adaptées tant en épaisseur qu'en largeur du moment que les conditions de couplage sont satisfaites de façon à assurer un 15 rendement de couplage suffisant. Divers modes d'introduction de lumière, autres qu'une fibre optique, pourront être utilisés. Par exemple, on pourra utiliser un bloc de source lumineuse directement accolé à la puce semiconductrice portant le circuit intégré. D'autre part, la présente invention a été décrite dans le cadre d'un circuit de type silicium sur isolant. Elle s'appliquerait également dans le cas o la couche mince isolée d'un substrat est une couche d'un semiconducteur autre que du silicium et o l'isolant est un matériau autre que de l'oxyde de 25 silicium. Il faudra alors bien entendu tenir compte de la plage de transparence de la couche semiconductrice, et des indices respectifs de la couche semiconductrice, de la couche isolante sous-jacente et du substrat sur lequel est formée cette couche, et choisir en conséquence la couche isolante déposée au-dessus 30 de la partie de guide d'onde semiconducteur. REVENDICATIONS 1. Circuit intégré comprenant une couche semiconductrice (3) formée avec une interface isolante (2) au-dessus d'un substrat (1), comprenant un guide d'onde optique constitué d'une bande (5) de la couche semiconductrice, comprenant un coupleur 5 latéral d'introduction de lumière, ledit coupleur comprenant une bande d'un matériau isolant (6) ayant une épaisseur supérieure au diamètre d'un faisceau laser incident, recouvrant la bande semiconductrice, une structure de réseau (11) étant formée dans la bande semiconductrice orthogonalement à la direction de 10 propagation de la lumière, à l'interface avec la bande de matériau isolant. 2. Circuit intégré selon la revendication 1, de type SOI, dans lequel le semiconducteur est du silicium monocristallin, la couche isolante sousjacente de l'oxyde de silicium, 15 le substrat du silicium, et dans lequel le matériau isolant est également de l'oxyde de silicium. 3. Circuit intégré selon la revendication 2, dans lequel, à l'emplacement du guide d'onde, la couche de silicium présente une surépaisseur pour avoir une épaisseur totale de 20 l'ordre de 0,3,um et la couche d'oxyde de silicium supérieure a une épaisseur totale d'environ 1 um et une surépaisseur d'environ 1 Dom au-dessus de la bande de silicium, la bande de silicium ayant une largeur de l'ordre de 3 gm et la surépaisseur de la bande d'oxyde de silicium supérieure ayant une largeur de 25 2,4,um. 4. Circuit intégré selon la revendication 2, dans lequel le réseau est constitué de rainures parallèles transverses à la direction de la bande. 5. Circuit intégré selon la revendication 1, dans 30 lequel, en dehors de la zone d'introduction de lumière, la bande de silicium servant de guide d'onde a une largeur de seulement quelques dixièmes de /m et est reliée à la partie plus large de la zone de coupleur par une transition adiabatique (12).