Brevet FR2887373A1 — publié le 20061222

COMPOSANT OPTO-ELECTRONIQUE COMPRENANT UN GUIDE OPTIQUE SEMI-CONDUCTEUR AVEC UN COEUR ACTIF A INDICE OPTIQUE RENFORCE Le domaine de l'invention est celui des composants optoélectroniques pouvant être de type: dispositifs d'émission optique comportant au moins une section laser d'émission, photodiodes ou modulateurs électro-optiques en matériau semi-conducteur, à puits quantiques mettant en jeu des transitions inter sous-bande. Ce type de modulateur est très attractif pour des applications exigeant une bande passante jusqu'à plusieurs centaines de GHz. En effet, la relaxation des porteurs en sous-bandes peut-être plus de 100 fois plus rapide que celle entre les bandes de valence et de conduction. II est possible de concevoir la modulation ou la détection aux longueurs d'ondes utilisées dans les télécommunications par fibre optique avec un système de matériaux III-V à base de GaN. On exploite dans ce cas une discontinuité de bande de conduction multi électron-volt du matériau actif à puits quantiques réalisé à partir de couches en GaN/AIN ou InGaN/AIGaN qui présente des niveaux électroniques séparés par l'énergie de transition en proche infrarouge IR. Le rayonnement correspondant peut être modulé ou détecté grâce à l'effet électro-absorbant selon l'absence ou la présence des porteurs (électrons) sur le niveau fondamental. Afin de pouvoir exploiter la vitesse intrinsèque de la transition pour la modulation avec un signal électrique, le dispositif doit avoir de très faibles résistance et capacité parasites. Une structure en guide de lumière, similaire à celles utilisées dans les modulateurs III-V classiques ou dans les photodiodes latérales, est connue pour optimiser les effets électroabsorbants par rapport à la capacité parasite. Elle présente aussi l'avantage nécessaire de pouvoir contrôler la polarisation du rayonnement par rapport au plan de puits quantiques. Cependant, la conception d'un guide dans GaN-AIN proche de l'accord de maille et présentant les pertes optiques faibles présente une difficulté à cause des indices optiques très proches due à l'énergie du rayonnement très loin du gap de tous les matériaux du guide. Une difficulté supplémentaire à résoudre est l'accès électrique au matériau actif à très faible produit (résistance x capacité). En particulier, l'obtention d'une résistance faible limite le choix de matériau surtout pour les semiconducteurs à grand gap proches des isolants diélectriques. A titre d'exemple le matériau actif en GaN/AIN présente l'indice de 2.1, tandis que le matériau conducteur permettant de réaliser des couches de contact ohmique en GaN dopée n, a un indice 2.3. Le cas de GaN/AIN n'est pas limitatif. Une difficulté similaire peut exister dans d'autres familles de matériaux pour d'autres applications. Par ailleurs il convient de concevoir des architectures comprenant à la fois des couches de confinement optique pour délimiter une structure guidante et des couches de contact ohmique permettant de commander électriquement la structure de type modulateur Selon une approche classique il convient de rechercher un matériau de confinement avec un à indice plus faible que celui du coeur en puits quantiques GaN/AIN. Une première possibilité consiste à utiliser AIN (indice de 2.00) comme couche de confinement positionnée entre la couche de n-GaN sur laquelle on réalise la prise de contact ohmique et la zone active. Le schéma du composant est représenté sur la figure 1. Sur un substrat S, on réalise l'empilement de couches semiconductrices suivant: une première couche de contact ohmique Cri une première couche de confinement Coi une zone active d'émission Za une seconde couche de confinement Col une seconde couche de contact ohmique Cc2 Le confinement latéral est assuré grâce à la réalisation d'une mesa au sein des couches Coi, Za, Co2 et Cc2 Le problème d'un tel dispositif est la difficulté de réaliser un dopage n et la très faible mobilité électronique dans AIN (300cm2V-'s') qui ne permet pas de réaliser un accès électrique à faible résistance entre le contact ohmique sur n-GaN et la zone active. On retrouve la même situation si le matériau AIN isolant est remplacé par un diélectrique transparent quelconque comme par exemple SiO2 ou Si3N4. Dans le cas d'un modulateur, ce type de dispositif pourrait tout de même fonctionner mais avec l'inconvénient de très fortes tensions de commande, dû au champ électrique reparti sur une épaisseur 10 à 20 fois plus élevée que celle de la couche active. Une seconde possibilité consiste toujours à utiliser AIN (ou un diélectrique transparent) comme couche de confinement. Par contre, la couche de contact n-GaN est positionnée entre la couche de confinement AIN et la zone active. Le schéma du composant est représenté sur la figure 2. Sur un substrat S, on réalise l'empilement de couches semiconductrices suivant: une première couche de confinement Col une première couche de contact ohmique Cc1 une zone active d'émission Za une seconde couche de contact ohmique Cc2 une seconde couche de confinement Col Le confinement latéral est assuré grâce à la réalisation d'une mesa au sein de la couche Col. La mobilité électronique de n-GaN est importante (1000 cm2V-'s') mais le produit ( résistance x capacité) RC d'un tel dispositif est élevé car, pour éviter des pertes optiques, les métallisations des contacts ( non représentées) doivent être éloignées de la zone active où il y a confinement du mode. L'estimation du produit RC indique que ce dispositif ne permet pas une utilisation à très hautes fréquences ( 3dB d'atténuation à 10GHz). Dans ce contexte, la présente invention propose d'augmenter l'indice du coeur actif de la structure, pour pouvoir utiliser avantageusement des couches uniques permettant de jouer à la fois le rôle de couche de confinement optique et de couche de contact ohmique. Plus précisément l'invention a pour objet un composant opto-électronique comportant un guide optique semi-conducteur avec un coeur actif comprenant une structure à puits quantiques à base de AIXInyGaZN, avec x, y, z fractions molaires comprises entre 0 et 1,insérée entre des couches de contact ohmique, à la surface d'un substrat, caractérisé en ce que le coeur comprend en outre au moins une couche de fort indice optique en un premier matériau semiconducteur à base de nitrure d'indium, ledit indice étant plus élevé que celui de ladite structure et en ce qu 'il comprend des couches de confinement optiques réalisées à partir d'un second matériau semiconducteur à forte mobilité électronique de type GaN dopé n ou AIGaN dopé n, lesdites couches de confinement optique étant les couches de contact ohmique. Selon une première variante de l'invention, le coeur actif peut 5 comprendre de part et d'autre de la structure à puits quantiques deux couches en matériau de fort indice. Selon une seconde variante de l'invention, le coeur actif peut comprendre deux structures à multipuits quantiques séparées entre elles par une couche de matériau à fort indice. Avantageusement le matériau à fort indice peut-être de type InN dopé n, InGaN dopé n ou bien encore AIGaInN dopé n. Avantageusement le composant opto-électronique selon l'invention peut comprendre une architecture de type mesa de manière à confiner l'émission du guide selon une direction parallèle au plan des 15 couches. Avantageusement le composant opto-électronique selon l'invention peut comprendre un coeur actif confiné latéralement et verticalement au sein d'une couche de contact ohmique, de manière à réaliser le guide. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles: - La figure 1 illustre un premier exemple de réalisation de composant opto-électronique avec un guide optique selon l'art connu. - La figure 2 illustre un second exemple de réalisation de composant optoélectronique avec un guide optique selon l'art connu. - La figure 3 illustre une première variante de l'invention comprenant une couche de matériau à fort indice, intégrée entre deux structures à puits quantiques et comprenant une architecture de type mesa La figure 4 illustre une première variante de l'invention comprenant une couche de matériau à fort indice, intégrée 30 35 entre deux structures à puits quantiques et comprenant un coeur actif confiné latéralement - La figure 5 illustre une seconde variante de l'invention comprenant deux couches de matériau à fort indice de part et d'autre d'une structure à puits quantiques et comprenant une architecture de type mesa - La figure 6 illustre une seconde variante de l'invention comprenant deux couches de matériau à fort indice de part et d'autre d'une structure à puits quantiques et comprenant un coeur actif confiné latéralement La figure 7 illustre des résultats de simulation pour un exemple de composant optoélectronique avec un guide selon la première variante de l'invention La figure 8 illustre des résultats de simulation pour un exemple de composant opto-électronique avec un guide selon la seconde variante de l'invention. De manière générale, le composant opto-électronique selon l'invention peut-être un laser, un modulateur, une photodiode nécessitant un 20 guidage. Dans ce dernier cas la modulation peut-être réalisée directement sur le laser source en pilotant son courant d'alimentation ou en réalisant un composant intégré comportant, sur le même substrat, une section laser d'émission et une section de modulation de la puissance optique émise par le laser. Le composant selon l'invention peut également être de type photodiode présentant une grande rapidité de réaction. Selon l'invention, en intégrant dans le coeur de la structure, une couche de fort indice optique, il devient possible contrairement à l'art antérieur d'utiliser des couches classiques de forte mobilité électronique comme couches de confinement optique qui généralement présentent des indices optiques relativement élevés Plus précisément il s'agit d'introduire des couches à fort indice optique dans le coeur ayant l'indice le plus faible de façon à garder ces propriétés actives. Le nouvel empilement de couches présentera l'indice 10 15 optique moyen du centre du guide, supérieur à celui des couches de confinement choisies pour leur bonne conductivité électrique. Nous allons décrire ci-après un exemple du composant de type modulateur inter sous-bande GaN/AIN pour décrire la solution proposée; Néanmoins l'idée de base s'applique à d'autres matériaux semi-conducteur comme InGaN/AIGaN. Une des structures possibles utilise GaN dopé n ou AIGaN dopé n, bons conducteurs, comme couches de confinement et de contact et InN dopé n, InGaN dopé n ou AIGaInN dopé n, à indice supérieur de celui des couches de confinement, comme couches constituant notamment le coeur actif. Ce coeur actif a un indice plus fort que celui des couches de confinement et englobe la zone active d'indice faible. L'intérêt de n-InN ou n-InGaN est la grande mobilité électronique de ces matériaux (3000 cm2V-1s 1). II est donc possible de réduire la résistance d'accès par le haut de la structure en utilisant par exemple une structure en mesa et de diminuer le RC pour un emploi à haute fréquence. Selon une première variante de l'invention, une couche centrale CF est insérée entre deux structures à puits quantiques MPQ1 et MPQ2, de manière à réaliser le coeur actif, au desus d'une première couche de confinement Col à la surface d'un substrat S. Une première solution pratique consiste à utiliser une couche d'indice élevé par d'exemple en InGaN dopé n (indice de 2.70) positionné au centre avec la zone active de part et d'autre (indice de 2.10). Le schéma du composant est représenté en figure 3 dans le cas d'un guide dont le confinement latéral est réalisé grâce à une architecture en mesa, au sein de la couche de confinement supérieure CO2. La figure 4 illustre la même variante avec une architecture de guide enterré, dans laquelle le coeur actif est confiné latéralement au sein d'une couche unique de confinement Co. Selon une seconde variante de l'invention, le guide peut comprendre deux couches de matériau à fort indice CF1 et CF2, pouvant typiquement être en n-InGaN (indice de 2.70) positionné de part et d'autre de la structure à puits quantique MPQ (indice de 2.10) de manière à former le coeur actif. Le schéma du composant est représenté en figure 5, dans le cas d'un guide dont le confinement latéral est réalisé grâce à une architecture en mesa, au sein de la couche de confinement supérieure CO2. La figure 6 illustre la même variante avec une architecture de guide enterré, dans laquelle le coeur actif est confiné latéralement au sein d'une couche unique de confinement Co. Plusieurs variantes d'empilement des couches du coeur actif sont envisageables à condition que I' indice moyen dudit empilement soit supérieur à celui des couches conductrices de confinement. On va avantageusement utiliser des empilements simples pour réduire la complexité technologique et qui optimisent le confinement du champ optique dans la couche active. De manière générale le guide actif proposé dans le composant optoélectronique selon l'invention présente l'avantage de réduire d'une façon très significative la résistance d'accès par rapport aux guides semiconducteurs opérant loin du gap et connus de l'état de l'art. Notamment, il autorise le choix des matériaux de confinement ayant l'indice supérieur de l'indice de la couche à effet actif (électro-absorption, électro-optique, absorption, gain etc.) qui, de cette façon, peuvent être choisis pour des propriétés de bonne conductivité. Pour valider les performances des composants de l'invention décrits cidessus et notamment leur structure guidante, des simulations ont été réalisées à l'aide d'un logiciel ALCOR ( Beam protocole method développé par la société France Telecom) à partir des exemples de réalisation des variantes précédemment décrites: Premier exemple de réalisation: Couches de confinement en n-GaN Couche active en puits quantiques réalisés à partir de l'alternance de couches AIN / GaN Couche à fort indice de part et d'autre de n-InGaN: Une plaque épitaxiée est constituée sur substrat en AI2O3 de: - 2pm de couche de confinement Col en n-GaN, - 0.05pm de couche active MPQ1, - 0.20pm de couche à fort indice CF en n-InGaN, 0.05pm de couche active MPQ 2 - et 1 pm de couche de confinement Col en n-GaN. On élabore une structure ruban pour assurer le confinement latéral de 0. 75pm et de largeur de 2pm. Cette structure guide est monomode. Cette structure est modélisée en utilisant le logiciel ALCOR. ALCOR donne comme résultat que la structure est monomode avec un indice moyen de 2.32 pour un confinement dans la zone active de 13.8%. Le mode est représenté sur la figure 7. Deuxième exemple de réalisation: Couches de confinement en n-GaN Couche active en multi-puits quantiques réalisés à partir de l'alternance de couches AIN / GaN Couche à fort indice de part et d'autre de n-InGaN: Une plaque épitaxiée est constituée sur substrat AI2O3 de: 2pm de confinement Col en n-GaN, 0.10pm de couche à fort indice CF1 en n-InGaN, 0.10pm de couche active MPQ, - 0.15pm de couche à fort indice CF2 en n-InGaN - et lpm de couche de confinement CO2 en n-GaN. On élabore une structure ruban pour assurer le confinement latéral de 0. 75pm et de largeur de 2pm. Cette structure guide est monomode. Cette structure est modélisée en utilisant le logiciel ALCOR. ALCOR donne comme résultat que la structure est monomode avec un indice moyen de 2.32 pour un confinement dans la zone active de 15.4%. Le mode est représenté sur la figure 8. Les simulations ci-dessus prouvent le fonctionnement monomode, souvent recherché pour un couplage efficace avec fibres optiques, et la possibilité d'obtenir les facteurs de confinement optique dans le coeur actif compatibles avec le bon fonctionnement des dispositifs (>10%). REVENDICATIONS 1. Composant opto-électonique comprenant un guide optique semi-conducteur comportant un coeur actif comprenant une structure à puits quantiques (MPQ, MPQ1, MPQ2) à base de AIXInyGaZN, avec x, y, z fractions molaires comprises entre 0 et 1, insérée entre des couches de contact ohmique, à la surface d'un substrat (S), caractérisé en ce que le coeur actif comprend en outre au moins une couche de fort indice optique (CF, CF1, CF2) en un premier matériau semiconducteur à base de niture d'indium, ledit indice étant plus élevé que celui de ladite structure et en ce qu'il comprend des couches de confinement optiques (Col, CO2) réalisées à partir d'un second matériau semiconducteur à forte mobilité électronique de type GaN dopé n ou AIGaN dopé n, lesdites couches de confinement optique étant les couches de contact ohmique. 2. Composant opto-électronique selon la revendication 1, 15 caractérisé en ce que le coeur actif comprend de part et d'autre de la structure à puits quantiques deux couches en matériau de fort indice (CF1, CF2). 3. Composant opto-électronique selon la revendication 1, 20 caractérisé en ce le coeur actif comprend deux structures à puits quantiques (MPQ1, MPQ2) séparées entre elles par une couche de matériau à fort indice 4. Composant opto-électronique selon l'une des revendications 1 25 à 3, caractérisé en ce que la couche de fort indice est en matériau de type InN, InGaN ou AIGaInN dopé n. 5. Composant opto-électronique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend une architecture de type mesa de manière à confiner l'émission du guide selon une direction parallèle au plan des couches. 6. Composant opto-électronique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le coeur actif est confiné latéralement et verticalement au sein d'une couche de confinement (Co), de manière à réaliser le guide.