Brevet FR2854469A1 — publié le 20041105

PROCEDE DE FABRICATION D'UN DISPOSITIF OPTIQUE SEMI-CONDUCTEUR COMPORTANT UNE REGION MUNIE D'UNE COUCHEACTIVE A EPAISSEUR VARIABLE La présente invention concerne le domaine des semi-conducteurs et plus précisément porte sur un procédé de fabrication d'un dispositif optique en semi-conducteur comportant une région de déconfinement de mode optique et une région active munies d'une couche active à épaisseur variable. Il existe déjà des dispositifs optiques en semi-conducteur comportant une région active prolongée par une région conçue pour déconfiner le mode optique en vue d'un meilleur couplage avec une fibre optique. Le document EP0641049 décrit ainsi un procédé de fabrication d'un laser en semi-conducteur d'axe longitudinal donné et muni d'une couche active dont l'épaisseur varie progressivement suivant cet axe dans la région adaptée pour le déconfinement du mode optique. La couche active est une structure à puits quantique en InGaAsP intercalée entre une couche de gaine inférieure et une couche de gaine supérieure en InP. Comme la couche de gaine supérieure, la couche active est formée par une technique de croissance à sélectivité de zone (Sélective Area Growth en anglais), en utilisant un masque en matériau diélectrique de type silice et de géométrie adapté pour réaliser le profil d'épaisseur souhaité. L'emploi de la technique de croissance à sélectivité de zone pour former la couche active introduit un changement dans la composition de cette couche qui induit des contraintes mécaniques en tension, une biréfringence (dépendance à la polarisation) voire des formations de dislocations. Cette technique est notamment déconseillé pour la fabrication d'un amplificateur optique en semi-conducteur en particulier lorsque le matériau de la couche active est massif. L'objet de l'invention de l'invention est de fournir un procédé de fabrication d'un dispositif optique en semi-conducteur dont la couche active est de qualité optimisée et dont le profil en épaisseur est maîtrisé et modulable en fonction des besoins. L'invention propose à cet effet un procédé de fabrication d'un dispositif optique en semi-conducteur, d'axe longitudinal donné, comportant une région active et au moins une région de déconfinement de mode optique adjacente à la région active et réalisée de manière intégrée, les régions comprenant une couche active, de composition donnée, disposée sur une couche de gaine inférieure et ayant un profil d'épaisseur comprenant dans la région de déconfinement de mode optique une variation progressive suivant l'axe longitudinal, le procédé comprenant une étape de formation de la couche de gaine inférieure, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes ultérieures suivantes:- une étape de croissance uniforme d'une première couche audessus de la couche de gaine inférieure, en ladite composition de la couche active, - une étape de formation d'une deuxième couche semi-conductrice, au-dessus de ladite première couche, à partir d'une technique de croissance à sélectivité de zone telle que ladite deuxième couche présente un profil d'épaisseur comprenant dans au moins une zone une variation progressive suivant l'axe longitudinal, - une étape de gravure définie par une profondeur de gravure sensiblement uniforme et de façon à reproduire sensiblement au niveau de la première couche ledit profil d'épaisseur de la deuxième couche et former ladite couche active. Avant gravure, la première couche est une couche précurseur de la couche active. Cette première couche est obtenue par une croissance classique, par exemple épitaxiale. La couche active est ainsi de qualité supérieure à une couche active obtenue par une technique à sélectivité de zone comme dans l'art antérieur. Lors de la gravure la deuxième couche est supprimée au moins dans la région de déconfinement de mode optique. Le procédé selon l'invention est simple de réalisation et permet outre d'obtenir une lente variation d'épaisseur et même de réduire à zéro l'épaisseur de couche active, pour éviter les réflexions parasites notamment. En outre, l'invention s'applique directement à toute couche active quelle que soit sa composition, contrairement à l'art antérieur qui nécessite de concevoir un masque bien adapté au choix des matériaux semiconducteurs. De préférence, le procédé selon l'invention peut comprendre, antérieurement à l'étape de gravure, une étape de croissance uniforme d'une troisième couche directement sur la première couche et en un matériau tel que la vitesse de gravure de ladite troisième couche est sensiblement identique à la vitesse de gravure de la deuxième couche, ceci pour préserver l'uniformité de la gravure. Cette troisième couche sert de couche de protection afin de ne pas endommager la première couche par un contact du masque isolant utilisé pour la croissance à sélectivité de zone. Cette dernière est supprimée au moins dans la région de déconfinement de mode optique. Les deuxième et troisième couches peuvent être à base de semiconducteurs identiques. De préférence, la gravure peut être réalisée par voie sèche, par exemple par gravure ionique (RIE pour reactive ion etching en anglais). Selon une caractéristique, la couche active peut être choisie parmi une structure à puits quantique et une couche en matériau massif. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, la composition de la couche active est à base d'InGaAsP, les deuxième et troisième couches et la couche de gaine inférieure sont à base d'InP. Dans un autre mode de réalisation préféré de l'invention, la composition de la couche active est soit à base d'AIGaAs soit à base d'InGaAs, les deuxième et troisième couches et la couche de gaine inférieure sont à base d'AsGa. Le procédé selon l'invention peut comprendre une étape de formation d'un ruban longitudinal et sensiblement central, incluant sur une certaine longueur, la couche de gaine inférieure et la couche active et de section longitudinale sensiblement rectangulaire sur ladite longueur. La réalisation d'un profil d'épaisseur variable pour la couche active dispense de la formation d'un ruban de largeur variable dans la partie incluant la couche active. Selon une caractéristique, le dispositif peut comprendre un amplificateur optique en semi-conducteur et le procédé peut comprendre une étape de dépôt d'une couche de guidage passif apte à fournir un couplage évanescent entre la couche active et ladite couche de guidage, disposée en dessous de la couche de gaine inférieure. La structure ruban peut être enterré ou non. Le procédé permet ainsi de fabriquer un amplificateur à ruban enterré (BRS pour Buried Ridge Structure) et par exemple une hétérostructure dite pnBH (BH en anglais pour Buried Hétérostructure). Un tel amplificateur optique en semi-conducteur peut comprendre une autre région de déconfinement de mode optique adjacente à la région active et réalisée de manière intégrée, aussi la technique de croissance à sélectivité de zone est telle que ladite deuxième couche présente un profil d'épaisseur comprenant une variation progressive suivant l'axe longitudinal dans une deuxième zone. Le dispositif souhaité peut comprendre un amplificateur optique en semi-conducteur, aussi le procédé peut comprendre une étape de dépôt d'une couche de guidage passif apte à fournir un couplage évanescent entre la couche active et ladite couche de guidage, disposée en-dessous de la couche de gaine inférieure. Le dispositif optique en semi-conducteur dans cette dernière configuration est par exemple un convertisseur en longueur d'onde à structure de type Mach Zehnder ou un moyen de sélection en longueur d'onde. Le dispositif optique en semi-conducteur est choisi par exemple parmi les lasers en semi-conducteur, les modulateurs optiques en semiconducteur, les amplificateurs optiques en semi-conducteur, les diodes électroluminescentes du type à émission de lumière par la face d'extrémité et les photodiodes. Les caractéristiques et objets de la présente invention ressortiront de la description détaillée donnée ci-après en regard des figures annexées, présentées à titre illustratif et nullement limitatif. Dans ces figures : les figures 1 à 7 montrent les étapes successives d'un procédé de fabrication selon l'invention d'un amplificateur optique en semiconducteur. Dans toutes ces figures les éléments communs, c'est-à-dire remplissant la même fonction, sont désignés par les mêmes numéros de référence. Les figures ne sont pas à l'échelle. La figure 1 présente une vue schématique en coupe longitudinale d'un amplificateur optique en semi-conducteur 10 en cours de fabrication. La figure 1 illustre le résultat d'une série de dépôts successifs de semiconduteurs. La croissance est uniforme et de type épitaxiale, par exemple par MOVPE (Métal Organic Vapor Phase Epitaxy en anglais) ou par MBE (Molecular Beam Epitaxy en anglais) sur une même face dite supérieure d'un substrat 1. A ce stade de la fabrication, l'amplificateur 10 comprend verticalement dans cet ordre : - le substrat 1 à base d'InP et dopé n, - optionnellement une couche de guidage passif 2 dopée n et en matériau à faible indice de réfraction, de préférence un alliage quaternaire InGaAsP dont la stoechiométrie est ajustée pour avoir une longueur d'onde de photoluminescence à 1,18 Microm, d'épaisseur entre 100 et 150 nm, - une couche classique de gaine inférieure 3 en InP et dopée n, d'épaisseur égale à 300 nm, - une couche précurseur d'une couche active 4 en un matériau à fort indice de réfraction, par exemple massif, de préférence un alliage quaternaire InGaAsP dont la stoechiométrie est ajustée pour avoir une longueur d'onde de photoluminescence à 1,55 ,um, d'épaisseur choisie entre 50 et 600 nm et par exemple 100 nm,- optionnellement une couche 5 dite de protection de préférence en InP et dopée p, d'épaisseur choisie entre 10 à 100 nm et par exemple 50 nm. La figure 2 présente une vue schématique de dessus de l'amplificateur optique en semi-conducteur 10 d'axe central longitudinal Z au stade d'une étape suivante préparatoire d'une croissance à sélectivité de zone. Est formé sur la couche de protection 5 un masque 6 en un matériau diélectrique tel que la silice et en deux parties 61, 62 disposées symétriquement par rapport à l'axe Z. Un motif a été défini dans ce masque 6 pour laisser apparente des première, deuxième et troisième zones R1, R2, R3 respectivement de la couche de protection 5 qui évite la détérioration de la couche précurseur 4. La deuxième zone R2 est allongée et sensiblement rectangulaire, les première et troisième zones R1, R3 ont une largeur qui augmente progressivement depuis l'extrémité adjacente à la deuxième zone R2 jusqu'à l'extrémité E1, E2 respectivement de l'amplificateur 10. De façon classique, la vitesse de dépôt d'un matériau semiconducteur est alors plus rapide dans la deuxième zone R2 que dans les première et troisième zones R1, R3. Ainsi, la figure 3 présente une vue schématique et partielle en coupe longitudinale de l'amplificateur optique en semi-conducteur 10 et montre le résultat d'une étape suivante de formation d'une couche semi-conductrice 7 par croissance à sélectivité de zone. La couche semi-conductrice 7, dite à épaisseur variable, est de préférence en un matériau sensiblement identique à la couche de protection 5 et de préférence en InP. Cela assure une simplicité de réalisation, un bonne accrochage, garantit une même vitesse d'attaque par gravure et cela laisse la liberté de conserver une partie de cette couche. Cette couche à épaisseur variable 7 présente le profil d'épaisseur suivant : - dans la deuxième zone R2 une épaisseur constante choisie entre 100 à 200 nm et par exemple 160 nm environ, - dans la première zone R1 et la troisième zone (non représentée) une épaisseur diminuant en continu suivant l'axe longitudinal Z entre l'extrémité adjacente à la deuxième zone R2 et l'extrémité E1 de l'amplificateur 10, par exemple jusqu'à 10 nm environ. La figure 4 présente une vue schématique et partielle en coupe longitudinale de l'amplificateur optique en semi-conducteur 10 et montre le résultat d'une étape suivante de gravure réalisée de préférence par voie sèche par exemple par bombardement ionique. L'étape de gravure est définie par une profondeur de gravure P (symbolisée en pointillés) sensiblement uniforme et suffisante pour transposer sensiblement au niveau de la couche précurseur 4 le profil d'épaisseur de la couche à épaisseur variable 7. La couche active est ainsi formée. Suivant l'épaisseur choisie pour la couche de protection 5, le profil d'épaisseur de la couche à épaisseur variable 7 et le profil d'épaisseur souhaité pour la couche active 4, ces couches 5 et 7 sont partiellement supprimées ou totalement supprimées. La profondeur de gravure P est naturellement toujours supérieure à la somme de l'épaisseur de la couche de protection 5 et de l'épaisseur de la couche à épaisseur variable 7 au niveau de l'extrémité E1 de l'amplificateur 10. Dans l'exemple présenté, la profondeur de gravure est supérieure à l'épaisseur maximale de la couche à épaisseur variable 7, par exemple de l'ordre de 200 nm environ de sorte que cette dernière couche 7 est totalement supprimée et la couche de protection 5 est partiellement supprimée. Dans l'exemple la couche de gaine inférieure 3 est légèrement attaquée à proximité des extrémités E1 sans incidence sur les performances du composant 10. Dans une première région Ra destinée à former une région de déconfinement de mode optique et aboutissant à l'une des extrémités E1 de l'amplificateur 10, la couche active 4 est partiellement présente : son épaisseur variant progressivement de 100 nm à jusqu'à 0 sur une longueur choisie entre 10 à 200 Microm, par exemple 20 Microm. L'absence de couche active peut être obtenue sur une longueur entre 5 /vm et 150 Microm. Dans une autre région (non représentée) destinée à former une région de déconfinement de mode optique et aboutissant à l'autre des extrémités de l'amplificateur 10, la couche active 4 est partiellement présente : son épaisseur variant progressivement de 100 nm à 0 sur une même longueur de décroissance. Dans une région Rb (partiellement représentée) intercalée entre les régions de déconfinement de mode optique Ra et destinée à former la région active, la couche active 4 est d'épaisseur constante égale à 100 nm sur une longueur par exemple de l'ordre de 1 mm. La longueur totale du composant 10 est choisie entre 0,5 mm et 1,5 mm. La couche active 4 est de bonne qualité : la composition est uniforme et il n'y a pas formation de dislocations ou ni de contraintes en tension élevées. La figure 5 présente une vue schématique latérale au niveau de l'extrémité E1 de l'amplificateur optique en semi-conducteur 10 après une étape de formation d'un ruban central longitudinal WG. Ce ruban WG est réalisé par masquage et gravure sèche jusqu'au substrat 1 et comprend trois parties : - une première partie médiane WG1 incluant la couche de guidage passif 2, la couche de gaine inférieure 3 et la couche active 4, de largeur égale à 4 Microm environ, - une deuxième partie WG2 et une troisième partie (non visible) situées de part et d'autre de la partie médiane WG1 et débouchant chacune sur une extrémité distincte E1 du composant 10, chaque partie WG2 incluant la couche de guidage passif 2 et la couche de gaine inférieure 3 et étant de largeur augmentant progressivement de 4 //m à 5 //m environ.La figure 6 présente une vue schématique latérale au niveau de l'extrémité E1 de l'amplificateur optique en semi-conducteur 10 après une série de dépôts. Un dépôt par épitaxie d'InP dopé p vient enterrer le ruban central WG et former une couche de gaine supérieure 8 au-dessus du ruban WG. Une couche de contact 9, en AsGaln et dopée p est ensuite déposée et recouvre la couche de gaine supérieure 8. La figure 7 présente une vue schématique et partielle de dessus de l'amplificateur optique en semi-conducteur 10 après l'étape de dépôt de la couche de contact 9. La partie médiane WG1 du ruban WG (non visible, représentée en pointillés) est de section longitudinale rectangulaire. La deuxième partie WG2 du ruban WG (non visible, représentée en pointillés) est de section longitudinale trapézoïdale. La couche de guidage passif 2 est apte à fournir un couplage évanescent entre la couche active 4 et cette couche de guidage 2 dans les régions à déconfinement du mode optique Ra. Ensuite, pour une injection de courant, une électrode métallique (non représentée) est formée au-dessus de la couche de contact 9 dans la région active Rb . L'amplificateur obtenu 10 par le procédé décrit précédemment présente les avantages suivants en termes de performances: - une modification continue et lente de l'indice effectif le long de l'axe Z assurant une conversion de mode adiabatique, - un couplage optimisé avec une fibre optique en entrée comme en sortie, - une réflectivité résiduelle limitée en particulier par une couche active d'épaisseur décroissant lentement jusqu'à zéro, - une indépendance à la polarisation, - une résistance série et un courant de fuite limité minimisée de par la largeur constante du ruban. Dans une variante de réalisation (non représentée), la couche active 4 est une structure à multi puits quantique, chaque puits quantique étant d'épaisseur par exemple de l'ordre de 6 nm et intercalé entre des couches barrières classiques de 10 à 20 nm d'épaisseur. Dans une autre variante (non représentée), des couches bloquantes sont disposées de part et d'autre du ruban WG, pour une structure de type pnBH . De même, la section transversale du ruban peut être trapézoïdale. Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre purement illustratif. On pourra sans sortir du cadre de l'invention remplacer tout moyen par un moyen équivalent. Le procédé selon l'invention s'applique aussi bien pour la fabrication des lasers en semi-conducteur par exemple un laser de pompe pour amplificateur à fibre dopée erbium fonctionnant à 1,48,um, un laser à rétroaction distribuée (DFB pour distributed feedback laser en anglais) fonctionnant à 1,3 Microm ou une source laser fonctionnant à 1,55 Microm. Dans ces applications, une seule région de déconfinement de mode optique est nécessaire. La couche active peut aussi bien être à base d'AIGaAs ou d'InGaAs. Les couches de gaine, la couche à épaisseur variable ainsi que la couche de protection sont alors à base de GaAs, par exemple pour fabriquer un laser de pompe fonctionnant à 980 nm. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un dispositif optique en semi-conducteur (10), d'axe longitudinal (Z) donné, comportant une région active (Rb) et au moins une région de déconfinement de mode optique adjacente (Ra) à la région active et réalisée de manière intégrée, les régions (Ra, Rb) comprenant une couche active (4), de composition donnée, disposée sur une couche de gaine inférieure (3) et ayant un profil d'épaisseur comprenant dans la région de déconfinement de mode optique une variation progressive suivant l'axe longitudinal, le procédé comprenant une étape de formation de la couche de gaine inférieure, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes ultérieures suivantes:- une étape de croissance uniforme d'une première couche (4) audessus de la couche de gaine inférieure (3), en ladite composition de la couche active, - une étape de formation d'une deuxième couche semi-conductrice (7), au-dessus de ladite première couche, à partir d'une technique de croissance à sélectivité de zone telle que ladite deuxième couche présente un profil d'épaisseur comprenant dans au moins une zone (R1) une variation progressive suivant l'axe longitudinal, - une étape de gravure définie par une profondeur de gravure (P) sensiblement uniforme et de façon à reproduire sensiblement au niveau de la première couche ledit profil d'épaisseur de la deuxième couche et former ladite couche active. 2. Procédé de fabrication d'un dispositif optique en semi-conducteur (10) selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend, antérieurement à ladite étape de gravure, une étape de croissance uniforme d'une troisième couche (5) directement sur la première couche (4) et en un matériau tel que la vitesse de gravure de ladite troisième couche est sensiblement identique à la vitesse de gravure de la deuxième couche (7). 3. Procédé de fabrication d'un dispositif optique en semi-conducteur (10) selon la revendication 2 caractérisé en ce que les deuxième et troisième couches (5, 7) sont à base de semi-conducteurs identiques. 4. Procédé de fabrication d'un dispositif optique en semi-conducteur (10) selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la gravure est réalisée par voie sèche. 5. Procédé de fabrication d'un dispositif optique en semi-conducteur (10) selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la couche active (4) est choisie parmi une structure à puits quantique et une couche en matériau massif. 6. Procédé de fabrication d'un dispositif optique en semi-conducteur (10) selon la des revendication 2 caractérisé en ce que la composition de la couche active (4) est à base d'InGaAsP, les deuxième et troisième couches (5, 7) et la couche de gaine inférieure (3) sont à base d'InP. 7. Procédé de fabrication d'un dispositif optique en semi-conducteur selon la revendication 2 caractérisé en ce que la composition de la couche active est soit à base d'AIGaAs soit à base d'InGaAs, les deuxième et troisième couches et la couche de gaine inférieure sont à base d'AsGa. 8. Procédé de fabrication d'un dispositif optique en semi-conducteur (10) selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce qu'il comprend une étape de formation d'un ruban (WG, WG1) longitudinal et sensiblement central, incluant sur une certaine longueur, la couche de gaine inférieure (3) et la couche active (4), et de section longitudinale sensiblement rectangulaire sur ladite longueur. 9. Procédé de fabrication d'un dispositif optique en semi-conducteur (10) selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que le dispositif comprenant un amplificateur optique en semi-conducteur, le procédé comprend une étape de dépôt d'une couche de guidage passif (2) apte à fournir un couplage évanescent entre la couche active (4) et ladite couche de guidage (2), disposée en-dessous de la couche de gaine inférieure (3). 10. Procédé de fabrication d'un dispositif optique en semi-conducteur (10) selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que le dispositif comprenant une autre région de déconfinement de mode optique adjacente à la région active (Ra) et réalisée de manière intégrée, la technique de croissance à sélectivité de zone est telle que ladite deuxième couche (7) présente un profil d'épaisseur comprenant une variation progressive suivant l'axe longitudinal (Z) dans une deuxième zone.