Brevet FR3071676A1 — publié le 20190329

SOURCE LASER A MEMBRANE SUSPENDUE A BASE DE GERMANIUM ET GUIDE D'ONDE INTEGRE PARTICIPANT A FORMER LA CAVITE OPTIQUE DOMAINE TECHNIQUE [1] Le domaine de l'invention est celui des sources laser comportant une membrane suspendue réalisée à base de germanium, dont le milieu d'amplification optique est situé 5 dans une portion centrale mise en tension par des bras tenseurs. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE [2] Dans diverses applications microélectroniques ou optoélectroniques, il peut être avantageux d'utiliser une couche en un composé semiconducteur cristallin, de préférence 10 monocristallin, présentant une contrainte mécanique en tension. C'est le cas notamment de certaines sources de lumière dont le matériau d'amplification optique présente, hors contrainte, une structure de bandes d'énergie indirecte, la structure de bandes étant alors rendue directe par l'application d'une contrainte en tension suffisante. Le composé semiconducteur cristallin peut être un composé à base de germanium, par exemple du 15 germanium, du germanium étain, voire du silicium germanium. [3] La figure 1 illustre schématiquement une source laser 1 à membrane suspendue selon un exemple de l'art antérieur, tel que décrit dans l'article de Petykiewicz et al. intitulé Direct Bandgap Light Emission from Strained Ge Nanowires, Nano Lett., 2016,16 (a), 2168-2173. La source laser 1 comporte une couche semiconductrice 10 réalisée à base de 20 germanium, celle-ci étant structurée pour former une membrane suspendue au-dessus d'une couche support. La membrane suspendue comporte une portion centrale 20 mise en tension par des portions latérales 3o formant des bras tenseurs. La portion centrale 20 forme le milieu d'amplification optique de la source laser 1, celui-ci étant situé dans une cavité optique définie par deux miroirs de Bragg 52. Ces derniers, disposés dans les bras 25 tenseurs 3o, sont formés par une succession périodique de gravures localisées de la couche semiconductrice 10. [4] fi existe cependant un besoin de disposer d'une source laser à membrane suspendue à base de germanium dont les propriétés mécaniques de la membrane suspendue sont améliorées. Il existe également un besoin de disposer d'une telle source laser dont les 30 propriétés optiques et/ou électroniques de la membrane suspendue sont améliorées. 2 EXPOSÉ DE L'INVENTION [5] L'invention a pour objectif de remédier au moins en partie aux inconvénients de l'art antérieur, et de proposer une source laser dont les propriétés mécaniques de la membrane suspendue sont améliorées, ainsi que les propriétés optiques et/ou électroniques de cette dernière. [6] Pour cela, l'objet de l'invention est une source laser comportant une couche semiconductrice réalisée à base de germanium, comportant une membrane suspendue au-dessus d'une couche support, la membrane suspendue étant formée : - d'une portion centrale, contrainte en tension dans un plan parallèle à la couche support, comportant une section d'amplification optique adaptée à produire un rayonnement lumineux par émission stimulée ; et - de plusieurs portions latérales formant des bras tenseurs, opposées les unes aux autres vis-à-vis de la portion centrale, et agencées de manière à maintenir la portion centrale suspendue et contrainte en tension, les bras tenseurs présentant une largeur moyenne supérieure à une largeur moyenne de la portion centrale. [007] Selon l'invention, la source laser comporte en outre un guide d'onde intégré, participant à former une cavité optique avec au moins la section d'amplification optique, situé au niveau de la couche support et à distance de la membrane suspendue, et comportant : - une section de couplage, située en regard de la section d'amplification optique, adaptée à permettre le couplage optique à celle-ci par onde évanescente ; et - au moins une section courbe, prolongeant la section de couplage, et agencée de sorte que le guide d'onde intégré soit disposé à distance, en projection orthogonale, des bras tenseurs. [008] Certains aspects préférés mais non limitatifs de cette source laser sont les suivants. [009] La source laser étant adaptée à émettre un rayonnement lumineux de longueur d'onde d'émission X, le guide d'onde intégré peut présenter une distance minimale vis-à-vis des bras tenseurs, en projection orthogonale, supérieure ou égale à X/4. [0010] La section courbe peut présenter un rayon de courbure moyen supérieur ou égal à 30 X/4. Elle peut présenter un rayon de courbure moyen inférieur ou égal à 2X. [0011] Le guide d'onde intégré peut présenter une forme longitudinale en anneau, et comporter deux sections courbes prolongeant la section de couplage et situées de part et d'autre de celui-ci, et une section dite distale, reliée à la section de couplage par les sections courbes. 3 [0012] Le guide d'onde intégré peut présenter une forme longitudinale dite ouverte. Il peut comporter une première section dite distale, reliée à la section de couplage par la section courbe et comprenant un premier réflecteur optique. [0013] La source laser peut comporter un deuxième réflecteur optique situé dans un bras 5 tenseur opposé au bras tenseur à proximité duquel est située la première section distale, de sorte que la cavité optique est définie par le premier réflecteur optique situé dans la première section distale et par le deuxième réflecteur optique situé dans le deuxième bras tenseur. [0014] Le guide d'onde intégré peut comporter une deuxième section distale comprenant 10 un deuxième réflecteur optique, distincte de la première section distale, et reliée à la section de couplage par une deuxième section courbe, de sorte que la cavité optique est définie par le premier réflecteur optique situé dans la première section distale et par le deuxième réflecteur optique situé dans la deuxième section distale. [0015] La section de couplage peut comporter au moins une zone de couplage qui présente 15 une dimension transversale qui varie suivant l'axe longitudinal du guide d'onde intégré, de sorte qu'un indice effectif du mode optique supporté par la section de couplage passe localement d'une valeur supérieure à un indice effectif du mode optique supporté par la section d'amplification optique à une valeur inférieure à celui-ci. [0016] La zone de couplage peut former un transformateur de mode adiabatique. 20 [0017] La zone de couplage peut présenter un couplage partiel de manière à permettre une extraction du rayonnement lumineux hors de la cavité optique par la membrane suspendue, ou présente un couplage total de manière à permettre une extraction du rayonnement lumineux hors de la cavité optique au moyen d'un guide d'onde d'extraction situé au niveau de la couche support et couplé optiquement au guide d'onde intégré. 25 [0018] La membrane suspendue peut comporter deux zones dopées selon des types de conductivité opposés s'étendant au moins en partie dans les portions latérales de part et d'autre de la section d'amplification optique, celle-ci comportant un matériau non intentionnellement dopé ou dopé de type n. [0019] Le guide d'onde intégré peut être situé à distance, en projection orthogonale, 30 desdites zones dopées. [0020] La portion centrale peut présenter des contraintes mécaniques moyennes en tension, d'une valeur suffisante pour rendre sensiblement directe sa structure de bandes d'énergie au niveau de la section d'amplification optique. 4 [0021] L'invention porte également sur un procédé de fabrication d'une source laser selon l'une quelconque des caractéristiques précédentes, comportant les étapes suivantes : i. réalisation du guide d'onde intégré dans la couche support ; ii. réalisation de la couche semiconductrice comportant la membrane formée de la 5 portion centrale et des bras tenseurs, de sorte que la section de couplage soit située en regard de la section d'amplification optique et que les bras tenseurs soient situés à distance, en projection orthogonale, du guide d'onde intégré ; iii. mise en suspension de la membrane, de sorte que la portion centrale soit contrainte en tension par les bras tenseurs. 10 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS [0022] D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur 15 lesquels : la figure 1, déjà décrite, est une vue de dessus, schématique et partielle, d'une source laser à membrane suspendue selon un exemple de l'art antérieur, dans lequel la cavité optique est formée par des miroirs de Bragg situés dans les bras tenseurs ; les figures 2A et 2B sont des vues de dessus et en coupe longitudinale, schématiques et 20 partielles, d'une source laser à membrane suspendue selon un premier mode de réalisation, comportant une cavité optique en partie formée par un guide d'onde intégré en anneau ; les figures 3A et 3B sont des vues en coupe longitudinale de la source laser selon le premier mode de réalisation, qui illustrent deux exemples de réalisation de la section suspendue d'amplification optique telle qu'illustrée sur la fig.2B ; 25 la fig.4 est une vue de dessus d'une partie de la source laser selon le premier mode de réalisation illustré sur la fig.2A, au niveau d'une section courbe du guide d'onde intégré ; les figures 5A à 5C sont des vues de dessus, schématiques et partielles, de la source laser selon différentes variantes du premier mode de réalisation ; les figures 6A à 61 sont des vues de dessus, schématiques et partielles, de différentes étapes 30 de réalisation de la source laser selon le premier mode de réalisation illustré sur la fig.2A ; les figures 7A et 7B sont des vues de dessus, schématiques et partielles, de deux variantes d'une source laser selon un deuxième mode de réalisation, dans lequel la source laser est de type DBR (pour Distributed Bragg Reflector, en anglais). 5 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS [0023] Sur les figures et dans la suite de la description, les mêmes références représentent les éléments identiques ou similaires. De plus, les différents éléments ne sont pas représentés à l'échelle de manière à privilégier la clarté des figures. Par ailleurs, les 5 différents modes de réalisation et variantes ne sont pas exclusifs les uns des autres et peuvent être combinés entre eux. Sauf indication contraire, les termes « sensiblement », « environ », « de l'ordre de » signifient à io% près. Par ailleurs, l'expression « comportant un » doit être comprise comme « comportant au moins un », sauf indication contraire. 10 [0024] L'invention porte sur une source laser adaptée à émettre un rayonnement lumineux cohérent à une longueur d'onde d'émission X. [0025] La source laser comporte une membrane suspendue réalisée à base de germanium, la membrane comportant une portion centrale qui est suspendue et mise en tension par des portions latérales formant des bras tenseurs. La membrane suspendue est réalisée à base de 15 germanium, celui-ci étant alors contraint en tension d'une manière suffisante pour permettre l'émission du rayonnement lumineux par recombinaison radiative de paires électron-trou. De préférence, la contrainte mécanique en tension est suffisante pour que la portion centrale présente, au moins sur une section longitudinale, une structure de bandes d'énergie directe. 20 [0026] La portion centrale comporte une section d'amplification optique dans laquelle est situé le milieu à gain, celle-ci étant disposée dans une cavité optique résonnante formée au moins en partie par un guide d'onde intégré. La cavité optique est alors formée par le guide d'onde intégré et par au moins la section d'amplification optique. [0027] Ainsi, la cavité optique est dite hybride, dans la mesure où elle est formée en partie 25 par le guide d'onde intégré d'une part, et au moins par la section d'amplification optique de la membrane suspendue d'autre part. Comme décrit plus loin, selon un premier mode de réalisation, la cavité optique est définie par l'anneau que forme le guide d'onde intégré. Et selon un deuxième mode de réalisation, la cavité optique est définie par des réflecteurs optiques, par exemple de type miroirs de Bragg, dont au moins l'un est situé dans une section dite distale du guide d'onde intégré. Dans ce cas, la cavité optique présente une forme longitudinale dite ouverte, par opposition à la forme longitudinale en anneau du premier mode de réalisation. [0028] Le guide d'onde est dit intégré, dans la mesure où il est situé au niveau de la couche support au-dessus de laquelle est suspendue la membrane. Le guide d'onde intégré est alors 35 situé à distance, suivant un axe orthogonal, de la membrane suspendue, et donc de la 6 portion centrale. Il peut être situé dans la couche support et peut déboucher ou non sur la face supérieure de celle-ci. Il peut également être situé sur la face supérieure de la couche support. [0029] La section suspendue d'amplification optique est couplée optiquement à une section 5 dite de couplage du guide d'onde intégré par onde évanescente. Pour cela, la section de couplage est située en regard de la section d'amplification optique. Par en regard, on entend au droit, ou à la perpendiculaire. Le couplage optique est notamment permis par le fait que l'indice effectif du mode optique supporté par la section de couplage est, au moins localement, inférieur à l'indice effectif du mode optique supporté par la portion centrale, 10 permettant ainsi le transfert, partiel ou total, du mode optique, de la section de couplage à la section suspendue d'amplification optique, et inversement. [0030] De plus, le guide d'onde intégré comporte au moins une section courbe qui prolonge la section de couplage, et relie cette dernière à une section dite distale qui participe à former la cavité optique. La section courbe est agencée de sorte que le guide d'onde intégré soit 15 situé à distance, en projection orthogonale, vis-à-vis des bras tenseurs. Il en est de même pour la section distale. Par projection orthogonale, on entend la projection, suivant un axe orthogonal, dans un plan suivant lequel s'étendent les bras tenseurs de la membrane suspendue. Ainsi, le guide d'onde intégré n'est pas situé sous par les bras tenseurs, et n'est donc pas recouvert par ceux-ci, même partiellement. En d'autres termes, en projection 20 orthogonale dans le plan suivant lequel s'étend la membrane suspendue, le guide d'onde intégré est situé à une distance minimale non nulle vis-à-vis des bras tenseurs. [0031] La couche semiconductrice de la membrane suspendue est réalisée à base de germanium, c'est-à-dire que le matériau semiconducteur cristallin, de préférence monocristallin, de la couche semiconductrice est en germanium et/ou en un ou plusieurs 25 alliages à base de germanium, tels que, par exemple, le SiGe, le GeSn, le SiGeSn. De préférence, le matériau semiconducteur cristallin à base de germanium de la couche semiconductrice présente, en l'absence de déformation en tension de son réseau cristallin, une structure de bandes d'énergie indirecte. La déformation en tension subie par le matériau à base de germanium peut être suffisante pour que la structure de bandes de ce 30 dernier soit au moins localement sensiblement directe. En variante, le matériau à base de germanium peut présenter, au moins localement, un niveau de dopage de type n et une déformation en tension qui soient suffisants pour permettre l'émission du rayonnement lumineux. Dans ce cas de figure, la déformation en tension et le dopage de type n permettent de peupler en électrons la vallée L (ou vallée indirecte) et au moins partiellement la vallée F (ou vallée directe). La recombinaison radiative entre les porteurs de charge situés dans la bande de valence et la vallée directe de la bande de conduction est alors possible. 7 [0032] Par portion contrainte, on entend une portion de couche réalisée en un composé semiconducteur cristallin présentant une contrainte mécanique en tension ou en compression, entraînant une déformation des mailles de son réseau cristallin. La portion est contrainte en tension lorsqu'elle subit une contrainte mécanique qui tend à étirer les 5 mailles du réseau dans un plan. Dans le cadre de l'invention, la portion centrale de la membrane suspendue est contrainte en tension dans le plan de la couche semiconductrice, ce qui se traduit par le fait que son paramètre de maille présente une valeur dite effective supérieure à sa valeur naturelle lorsque le composé semiconducteur est relaxé (i.e. non contraint). Dans la suite de la description, sauf indication contraire, la contrainte considérée 10 est orientée dans le plan de la couche semiconductrice. [0033] Par structure de bandes directe ou sensiblement directe, on entend que le minimum d'énergie EBC,L de la bande de conduction de la vallée L (ou vallée indirecte) est supérieur ou sensiblement égal au minimum d'énergie Esc,r de la bande de conduction de la vallée F (ou vallée directe), autrement dit : AE = EBC,L - EBCT o. Par sensiblement égal, on entend 15 ici que cette différence d'énergie est de l'ordre de grandeur ou inférieure à kT, où k est la constante de Boltzmann et T la température du matériau. La couche semiconductrice est réalisée à base de germanium dont la structure de bandes d'énergie est indirecte en-dehors de la portion centrale de la membrane suspendue, autrement dit AE REVENDICATIONS1. Source laser (1), comportant : o une couche semiconductrice (10) réalisée à base de germanium, comportant une membrane suspendue au-dessus d'une couche support (3), la membrane suspendue étant formée : - d'une portion centrale (20), contrainte en tension dans un plan parallèle à la couche support (3), comportant une section d'amplification optique (21) adaptée à produire un rayonnement lumineux par émission stimulée, et - de plusieurs portions latérales (30) formant des bras tenseurs, opposées les unes aux autres vis-à-vis de la portion centrale (20), et agencées de manière à maintenir la portion centrale (20) suspendue et contrainte en tension, les bras tenseurs (30) présentant une largeur moyenne supérieure à une largeur moyenne de la portion centrale (20), caractérisé en ce qu'elle comporte en outre : o un guide d'onde intégré (40), participant à former une cavité optique avec au moins la section d'amplification optique (21), situé au niveau de la couche support (3) et à distance de la membrane suspendue, et comportant : - une section de couplage (41), située en regard de la section d'amplification optique (21), adaptée à permettre le couplage optique à celle-ci par onde évanescente, et - au moins une section courbe (42), prolongeant la section de couplage (41), et agencée de sorte que le guide d'onde intégré (40) soit disposé à distance, en projection orthogonale, des bras tenseurs (30). 2. Source laser (1) selon la revendication 1, adaptée à émettre un rayonnement lumineux de longueur d'onde d'émission X, dans laquelle le guide d'onde intégré (40) présente une distance minimale (dmin) vis-à-vis des bras tenseurs (30), en projection orthogonale, supérieure ou égale à X/4. 3. Source laser (1) selon la revendication 1 ou 2, adaptée à émettre un rayonnement lumineux de longueur d'onde d'émission X, dans laquelle la section courbe (42) présente un 30 rayon de courbure moyen (R) supérieur ou égal à X/4. 4. Source laser (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, adaptée à émettre un rayonnement lumineux de longueur d'onde d'émission X, dans laquelle la section courbe (42) présente un rayon de courbure moyen (R) inférieur ou égal à 2X. 27 5. Source laser (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle le guide d'onde intégré (4o) présente une forme longitudinale en anneau, et comporte deux sections courbes (42) prolongeant la section de couplage (41) et situées de part et d'autre de celui-ci, et une section dite distale (43), reliée à la section de couplage (41) par les sections courbes 5 (42). 6. Source laser (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle le guide d'onde intégré (4o) présente une forme longitudinale dite ouverte, et comporte une première section dite distale (43.1), reliée à la section de couplage (41) par la section courbe (42.1) et comprenant un premier réflecteur optique (52.1). 10 7. Source laser (1) selon la revendication 6, comportant un deuxième réflecteur optique (52.2) situé dans un bras tenseur (30.2) opposé au bras tenseur (30.1) à proximité duquel est située la première section distale (43.1), de sorte que la cavité optique est définie par le premier réflecteur optique (52.1) situé dans la première section distale (43.1) et par le deuxième réflecteur optique (52.2) situé dans le deuxième bras tenseur (30.2). 15 8. Source laser (1) selon la revendication 6, dans laquelle le guide d'onde intégré (40) comporte une deuxième section distale (43.2) comprenant un deuxième réflecteur optique (52.2), distincte de la première section distale (43.1), et reliée à la section de couplage (41) par une deuxième section courbe (42.2), de sorte que la cavité optique est définie par le premier réflecteur optique (52.1) situé dans la première section distale (43.1) et par le 20 deuxième réflecteur optique (52.2) situé dans la deuxième section distale (43.2). 9. Source laser (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle la section de couplage (41) comporte au moins une zone de couplage (41 .1, 41.2 ; 44.1, 44.2) qui présente une dimension transversale qui varie suivant l'axe longitudinal du guide d'onde intégré (4o), de sorte qu'un indice effectif du mode optique supporté par la section de 25 couplage (41) passe localement d'une valeur supérieure à un indice effectif du mode optique supporté par la section d'amplification optique (21) à une valeur inférieure à celui-ci. 10. Source laser (1) selon la revendication 9, dans laquelle la zone de couplage (41.1, 41.2) forme un transformateur de mode adiabatique. 11. Source laser (1) selon la revendication 9 ou 10, dans laquelle la zone de couplage (41 .1, 30 41.2 ; 44.1, 44.2) présente un couplage partiel de manière à permettre une extraction du rayonnement lumineux hors de la cavité optique par la membrane suspendue, ou présente un couplage total de manière à permettre une extraction du rayonnement lumineux hors de 28 la cavité optique au moyen d'un guide d'onde d'extraction (51) situé au niveau de la couche support (3) et couplé optiquement au guide d'onde intégré (4o). 12. Source laser (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à il, dans laquelle la membrane suspendue comporte deux zones (32, 33) dopées selon des types de conductivité 5 opposés s'étendant au moins en partie dans les portions latérales (3o) de part et d'autre de la section d'amplification optique (21), celle-ci comportant un matériau (22) non intentionnellement dopé ou dopé de type n. 13. Source laser (1) selon la revendication 12, dans laquelle le guide d'onde intégré (4o) est situé à distance, en projection orthogonale, desdites zones dopées (32, 33). 10 14. Source laser (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, dans laquelle la portion centrale (2o) présente des contraintes mécaniques moyennes en tension, d'une valeur suffisante pour rendre sensiblement directe sa structure de bandes d'énergie au niveau de la section d'amplification optique (21). 15. Procédé de fabrication d'une source laser (1) selon l'une quelconque des 15 revendications précédentes, comportant les étapes suivantes : i. réalisation du guide d'onde intégré (4o) dans la couche support (3) ; ii. réalisation de la couche semiconductrice (io) comportant la membrane formée de la portion centrale (2o) et des bras tenseurs (3o), de sorte que la section de couplage (41) soit située en regard de la section d'amplification optique (21) et que les bras 20 tenseurs (3o) soient situés à distance, en projection orthogonale, du guide d'onde intégré (40) ; iii. mise en suspension de la membrane, de sorte que la portion centrale (2o) soit contrainte en tension par les bras tenseurs (30). 25