Brevet FR3078826A1 — publié le 20190913

B16812 - 17-GR3-0688 1 PHOTODIODE VERTICALE Domaine La présente description concerne le domaine de la photonique et plus particulièrement les convertisseurs de signaux lumineux en signaux électriques ou convertisseurs opto5 électriques. Exposé de l'art antérieur Les fibres optiques permettent le transfert de données sous la forme de signaux lumineux qui sont ensuite convertis en signaux électriques. 10 La vitesse de transfert de données à travers une fibre optique est limitée par les convertisseurs électro-optiques (modulateurs de la porteuse optique par un signal électrique) et opto-électriques (démodulateurs ou photodétecteurs) situés respectivement en amont et en aval de la fibre optique. 15 Résumé Un mode de réalisation prévoit une photodiode verticale comprenant une zone active dont toutes les prises de contact sont décalées de l'aplomb de la zone active. Selon un mode de réalisation, la zone active est 20 constituée d'une partie inférieure intrinsèque d'une zone de germanium, une partie supérieure de la zone de germanium étant B16812 - 17-GR3-0688 2 dopée d'un premier type de conductivité, la zone active étant formée dans une couche de matériau semiconducteur. Selon un mode de réalisation, une paroi latérale de la partie supérieure de la zone de germanium est en contact avec une première région dopée d'un premier type de conductivité, la première région s'étendant sur la face supérieure de la couche de matériau semiconducteur. Selon un mode de réalisation, la partie inférieure de la zone de germanium est en contact avec une deuxième région dopée d'un second type de conductivité, la deuxième région s'étendant jusqu'à la face supérieure de la couche de matériau semiconducteur. Selon un mode de réalisation, les prises de contact sont situées sur les première et deuxième régions, les première et 15 deuxième régions étant de préférence en silicium. Selon un mode de réalisation, la deuxième région est partiellement en SiGe. Selon un mode de réalisation, les première et deuxième régions s'étendent chacune d'un côté de la zone de germanium 20 intrinsèque. Selon un mode de réalisation, une tranchée isolante est au moins partiellement en contact avec une première face latérale de la zone en germanium. Selon un mode de réalisation, la partie de la première 25 face latérale n'étant pas en contact avec la tranchée isolante est en contact avec du silicium intrinsèque. Selon un mode de réalisation, la différence de potentiel entre les prises de contact de la photodiode est représentative du nombre de photons dans la zone active. 30 Un mode de réalisation prévoit un convertisseur opto- électrique comprenant une photodiode telle que décrite précédemment. Selon un mode de réalisation, le convertisseur comprend un guide d'onde. B16812 - 17-GR3-0688 3 Un mode de réalisation prévoit un procédé de fabrication d'une photodiode verticale dans lequel toutes les prises de contact sont décalées de l'aplomb d'une zone active. Selon un mode de réalisation, le procédé comprend les 5 étapes suivantes : creuser une cavité dans la face supérieure d'une couche de matériau semiconducteur, de préférence du silicium ; doper la couche de matériau semiconducteur de manière à former une première région dopée d'un premier type de conductivité sur la face supérieure de la couche de matériau 10 semiconducteur en contact avec une paroi latérale de la cavité et une deuxième région dopée d'un second type de conductivité en contact avec le fond de la cavité s'étendant jusqu'à la surface de la couche de matériau semiconducteur ; former du germanium intrinsèque dans la cavité ; et doper du premier type de conductivité la partie supérieure du germanium intrinsèque en contact avec la première région. Selon un mode de réalisation, les prises de contact sont formées sur les première et deuxième régions. Selon un mode de réalisation, le procédé comprend une 20 étape de formation d'une tranchée isolante, s'étendant parallèlement à la zone active. Selon un mode de réalisation, la cavité est creusée de manière à ce qu'un côté de la cavité soit au moins partiellement formé par la tranchée isolante. 25 Selon un mode de réalisation, la cavité est creusée de manière à ce que trois côtés de la cavité soient au moins partiellement en contact avec du silicium. Brève description des dessins Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, 30 seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure LA est une vue de dessus illustrant un mode de réalisation d'un convertisseur de signaux lumineux en signaux 35 électriques ; B16812 - 17-GR3-0688 4 les figures lB et 1C sont des vues en coupe respectivement selon le plan B-B et selon le plan C-C de la figure lA ; les figures 2A à 2C sont des vues en coupe illustrant 5 des étapes de fabrication du mode de réalisation des figures lA à 1C ; et la figure 3 est une vue en coupe illustrant un autre mode de réalisation d'un convertisseur de signaux lumineux en signaux électriques. 10 Description détaillée De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Par souci de clarté, seuls les éléments utiles à la compréhension des modes de 15 réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes "avant", "arrière", "haut", "bas", "gauche", "droite", etc., ou relative, tels que les termes "dessus", "dessous", "supérieur", "inférieur", etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que les termes "horizontal", "vertical", etc., il est fait référence à l'orientation des éléments concernés dans les figures. Sauf précision contraire, les expressions "approximativement", "environ", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près. Les figures lA, lB et 1C sont respectivement une vue de dessus d'un mode de réalisation d'un convertisseur 10 de signaux lumineux en signaux électriques, une vue en coupe selon le plan B-B de la figure lA et une vue en coupe selon le plan C-C de la figure lA. Le convertisseur 10 reçoit un signal lumineux à une entrée 12 par une fibre optique 14. La fibre optique 14 et le convertisseur 10 peuvent être par exemple séparés par un circuit optique ayant des fonctions de multiplexage, ou un dispositif adapté à recevoir et à transmettre le signal optique provenant de B16812 - 17-GR3-0688 5 la fibre. Le convertisseur 10 comprend un substrat non représenté, par exemple en silicium. Ce substrat est recouvert d'une couche 16 d'isolant (figures 1B et 1C). La couche 16 est recouverte d'une couche de matériau semiconducteur 18, de préférence du silicium. 5 La couche 18 est recouverte d'une couche 24 d'isolant, non représentée en figure lA. Le convertisseur comprend un fuseau de guide d'onde 17. Le guide d'onde 17 comprend deux tranchées 20a et 20b, remplies d'isolant, formées dans la couche 18. Les tranchées 20a et 20b 10 délimitent une région 22 (figure lA et 1C), située entre les deux tranchées 20a et 20b, et des régions 23 en périphérie. Chaque tranchée 20a et 20b est située entre la région 22 et une région 23. La hauteur des tranchées 20a et 20b est inférieure à l'épaisseur de la couche 18. 15 La région 22 du guide d'onde 17 (figure lA), délimitée horizontalement par les tranchées 20a et 20b et verticalement par les couches 16 et 24, constitue la région dans laquelle se propage le signal lumineux. En effet, le silicium est transparent pour les longueurs d'onde considérées et l'isolant des tranchées 20a 20 et 20b et des couches 16 et 24 est choisi de manière à avoir un indice de réfraction suffisamment différent de celui du silicium pour contenir le signal lumineux. Par exemple, les tranchées 20a et 20b et les couches 16 et 24 sont en oxyde de silicium, dont l'indice de réfraction est de 1,45, alors que celui du silicium 25 est de 3,5. Le convertisseur 10 comprend, de plus, une photodiode 26 verticale (figures lA et 1B). Par photodiode verticale, on entend une photodiode dont la zone active est connectée, par l'intermédiaire de ses faces supérieure et inférieure et de 30 matériaux conducteurs ou semiconducteurs, à des prises de contact. La photodiode 26 comprend une zone 28 de germanium située en regard de la région 22 (figure lA), sur le trajet du signal lumineux. La zone 28 est donc dans la continuité de la région 22. La zone 28 a par exemple sensiblement la forme d'un 35 parallélépipède. La zone 28 comprend, comme cela est représenté B16812 - 17-GR3-0688 6 en figure 1B, une partie inférieure 30 (Ge(i)) en germanium intrinsèque et une partie supérieure 32 (Ge(P)) en germanium dopé. Dans l'exemple des figures 1A, 1B et 1C, le germanium de la partie supérieure 32 est dopé de type P. La partie inférieure 30 constitue 5 la zone active de la photodiode 26. La tranchée 20b s'étend le long de la zone 28, parallèlement à celle-ci. La tranchée 20a ne s'étend que dans le guide d'onde 17 et ne s'étend pas au niveau de la photodiode. Dans le plan de la coupe représentée en figure lB, la 10 face supérieure de la zone 28 est en contact avec la couche d'isolant 24 et les trois autres faces sont en contact avec le silicium de la couche 18. Une des faces latérales (à gauche en figure lB) est séparée de la tranchée 20b par une région 34 (Si(i)) de silicium intrinsèque. La tranchée 20b sépare la région 34 d'une 15 région 36 (Si(N+)) de silicium dopé de type opposé au type de la partie supérieure 32. Dans cet exemple la région 36 est dopée de type N. La région 36 est dans la continuité d'une des régions 23 du guide d'onde 17. La face inférieure de la zone 28 est en contact avec une région 38 (Si(N)) séparant la zone 28 de la couche 16 et 20 s'étendant de la zone 28 à la région 36. La région 38 est dopée du même type que la région 36 (ici N) et est par exemple moins fortement dopée que la région 36. L'autre face latérale de la zone 28 (à droite en figure lB) est en contact, au niveau de la partie inférieure 30, avec une région 40 (Si(i)) de silicium intrinsèque 25 et au niveau de la partie supérieure 32, avec une région 42 (Si(P+)) de silicium dopé du même type de conductivité que la partie supérieure 32 (ici P). La région 42 est par exemple dopée plus fortement que la partie supérieure 32. La région 42 s'étend sur la surface de la couche 18, plus précisément sur la région 30 40. La concentration de dopage de la partie supérieure 32 est par exemple comprise entre environ 1018 cm-3 et environ 1019 cm-3. La concentration de dopage des régions 36, 38 et 42 est par exemple comprise entre environ 1018 et environ 1020 cm-3. B16812 - 17-GR3-0688 7 Des prises de contact de la photodiode sont formées sur la région 36 et sur la région 42. Plus précisément, des plots de contact 44 sont formés sur la région 36 et des plots de contact 46 sont formés sur la région 42. Des vias 48 et 50 traversent la 5 couche d'isolant 24 pour atteindre respectivement les plots 44 et les plots 46. Les prises de contact de la photodiode sont donc toutes décalées de l'aplomb de la zone active 30. Ainsi, la face inférieure de la zone active 30 est connectée électriquement au via 48 par l'intermédiaire d'une 10 région semiconductrice dopée de type N (régions 36 et 38) s'étendant jusqu'à la surface de la couche 18 et la face supérieure de la zone active 30 est connectée électriquement au via 50 par l'intermédiaire d'une région semiconductrice dopée de type P (partie 32 et région 42). 15 Un signal lumineux fourni par la fibre optique 14 à l'entrée 12 peut se propager dans le guide d'onde 17 jusqu'à atteindre la photodiode 26, et plus précisément la partie inférieure 30 de la zone 28. La partie inférieure 30 en germanium intrinsèque crée alors des porteurs de charge lorsque le signal 20 lumineux l'atteint. Ainsi, la tension mesurée entre les régions 36 et la partie 32 (par l'intermédiaire de vias 48 et 50) est représentative des données transmises par le signal lumineux. Plus précisément, la différence de potentiel entre les prises de contact de la photodiode est représentative du nombre de photons 25 dans la zone active, et donc du signal lumineux atteignant la photodiode. La différence d'indice de réfraction entre le germanium (4,5) et le silicium intrinsèque (3,5) est suffisante pour confiner le signal dans la zone active le temps de transmettre le 30 message. A titre de variante, la partie inférieure 30 de la zone 28 peut être séparée de la région 38 par une couche de silicium-germanium (SiGe), non représentée, dopée du même type de conductivité que la région 38 (ici N). B16812 - 17-GR3-0688 8 La zone 28 a par exemple une largeur, dans le plan de coupe de la figure 1B, comprise entre environ 500 et environ 1200 nm, de préférence entre 500 et 1200 nm. La partie 30 en germanium intrinsèque a une épaisseur par exemple comprise entre environ 5 150 et environ 500 nm, de préférence entre 150 et 500 nm. La partie supérieure 32 en germanium dopé a par exemple une épaisseur comprise entre environ 50 et environ 100 nm, de préférence entre 50 et 200 nm. La tranchée 20b a, dans le plan de coupe de la figure 1B, une largeur par exemple comprise entre environ 400 et 10 environ 800 nm, de préférence entre 600 et 800 nm. La zone 28 et le plot de contact 46 sont écartés d'une distance par exemple comprise entre environ 400 et environ 800 nm, de préférence entre 400 et 800 nm. On aurait pu choisir de former les plots de contact 46 15 et les vias 50 directement sur la partie supérieure 32 de la zone 28. Toutefois, des imprécisions de fabrication auraient pu entrainer la formation de vias 50 s'étendant partiellement dans la partie 32. La partie des vias 50 s'étendant dans le germanium de la partie 32 absorberait alors une partie du signal lumineux 20 qui serait donc perdue. De plus, la fabrication de plots sur deux matériaux différents est contraignante du point de vue du procédé de fabrication. Un avantage du mode de réalisation des figures lA à 1C est qu'une imprécision de fabrication au niveau des vias 50 25 pourrait tout au plus engendrer un prolongement du via 50 jusqu'à la région 42, mais pas dans la zone 28. Ainsi, le via 50 ne se trouverait pas sur le trajet du signal lumineux. Les figures 2A à 2C sont des vues en coupe illustrant des étapes de fabrication du mode de réalisation des figures lA 30 et 1B. La figure 2A illustre une étape de fabrication. Au cours de cette étape, la couche 16 d'isolant est formée sur un substrat non représenté. La couche 18 de matériau semiconducteur, de préférence en silicium intrinsèque, est ensuite formée sur la 35 couche 16. Les tranchées 20a et 20b sont formées dans la couche B16812 - 17-GR3-0688 9 18. La tranchée 20b s'étend sur l'ensemble du convertisseur optoélectrique 10 (guide d'onde et photodiode) et la tranchée 20a, non représentée en figures 2A à 2C, s'étend jusqu'à l'emplacement où sera formée la photodiode. Le guide d'onde dans lequel se 5 propagera le signal lumineux depuis la fibre optique jusqu'à la photodiode est ainsi formé entre les tranchées 20a et 20b. Le plan de la coupe de la figure 2A est situé dans la partie où sera située la photodiode. Seule la tranchée 20b est donc représentée. La tranchée 20b représentée en figure 2A sépare une 10 région 52 et la région 36. La région 52 est située en face de l'extrémité du guide d'onde non représenté. Des dopages sont ensuite effectués. En particulier, la région 36 est dopée de type N (N+), la région 38 située sous la région 52, sous la tranchée 20b et sous la région 36, est aussi 15 dopée de type N. La région 38 est moins fortement dopée que la région 36. La région 42, située en surface de la couche 18 et s'étendant de la périphérie de la couche 18 (à droite en figure 2A) jusqu'à la région 52 et partiellement sur la région 52, est dopée de type P (P+). 20 Les plots de contact 44 et 46 sont ensuite formés, respectivement sur les régions 36 et 42. Une couche d'isolant 54 est déposée sur la structure décrite, de manière à remplir les tranchées 20a et 20b et à recouvrir la couche 18 et les plots 44 et 46. La couche 54 est 25 par exemple en le même isolant que la couche 16, par exemple en oxyde de silicium. La figure 2B illustre une étape postérieure de fabrication. Au cours de cette étape, une cavité 56 est formée dans la couche 54 et dans la région 52. 30 La cavité 56 est suffisamment profonde pour que le fond de la cavité 56 se situe dans la région 38. De plus, la cavité 56 est située de telle manière que la région 42 constitue une partie d'une paroi latérale de la cavité 56. Dans l'exemple des figures 2A à 2C, la cavité 56 est située de telle manière que la région 35 34 en silicium intrinsèque sépare la cavité de la tranchée 20b. B16812 - 17-GR3-0688 10 La figure 2C illustre une étape postérieure de fabrication. Au cours de cette étape, du germanium est formé dans la cavité 56 par croissance épitaxiale, de manière à former la zone 28, remplissant entièrement la partie de la cavité 56 située 5 dans la couche 18. Eventuellement, le germanium peut remplir l'ensemble de la cavité 56. Dans le plan de la coupe de la figure 3C, le germanium est formé sur trois parois. La partie supérieure 32 de la zone 28 est ensuite dopée de type P. La partie inférieure 30, intrinsèque, constitue la zone 10 active. La structure est de nouveau recouverte d'isolant, par exemple le même isolant que la couche 16, par exemple de l'oxyde de silicium, de manière à former la couche 24 décrite précédemment. 15 Au cours d'une étape postérieure non représentée, les vias 48 et 50 sont formés à travers la couche 24. A titre de variante, une étape non représentée de formation d'une couche de SiGe dopé de type N au fond de la cavité 56 peut aussi être présente. 20 La figure 3 est une vue en coupe illustrant un autre mode de réalisation d'un convertisseur de signaux lumineux en signaux électriques. Dans ce mode de réalisation, la cavité 56 est creusée de telle manière qu'une des parois de la cavité est partiellement formée par la tranchée 20b. De plus, la hauteur de 25 la tranchée 20b est inférieure à celle de la tranchée 20b du mode de réalisation des figures 2A à 2C. Ainsi, la paroi de la zone active 30 située du côté de la tranchée 20b est partiellement en contact avec la tranchée 20b et partiellement en contact avec une région 58. La région 58 est 30 en le matériau de la couche 18, de préférence en silicium intrinsèque. La région 58 a une hauteur faible par rapport à l'épaisseur de la zone 28 de germanium. A titre de variante, la tranchée 20b pourrait avoir une épaisseur supérieure à la hauteur de la zone 28 de silicium. 35 Ainsi, la paroi de la zone 28 située du côté de la tranchée 20b B16812 - 17-GR3-0688 11 serait entièrement en contact avec la tranchée 20b. Ainsi, dans le plan de coupe de la figure 3, le germanium de la zone 28 se serait formé sur deux parois uniquement. Lors de l'étape de croissance épitaxiale, la formation 5 sur deux parois de la cavité 56 (dans le plan de la coupe de la figure 3) et éventuellement sur la région 58, d'une faible hauteur du germanium permet de diminuer le nombre de dislocations dans le germanium, causant des pertes au niveau des signaux transmis, par rapport au mode de réalisation de la figure lB. Cependant, la 10 croissance du germanium est alors plus longue que dans le mode de réalisation de la figure lB. La fréquence du convertisseur 10 est dépendante de la résistance entre la zone active et les prises de contact et de la capacité de la zone active entre la région 38 (dopée N) et la 15 région 32 (dopée P). Plus la capacité et la résistance sont faibles, plus la fréquence est élevée. Un avantage d'un tel mode de réalisation est qu'il est possible pour la zone active d'avoir une faible épaisseur, et donc une faible capacité, tout en conservant une largeur suffisante 20 pour que les dislocations se formant lors de la croissance épitaxiale du germanium soient en périphérie de la zone 28. Il est donc possible d'augmenter la fréquence d'un tel convertisseur par rapport aux convertisseurs usuels ce qui autorise une augmentation du débit par rapport aux technologies actuelles qui 25 permettent une vitesse de transfert d'environ 25 Gbps (Gigabits par seconde). La hauteur de la tranchée 20b est par exemple comprise entre environ la moitié de l'épaisseur de la couche 18 et environ cinq sixièmes de l'épaisseur de la couche 18. L'épaisseur de la 30 couche 18 est par exemple environ égale à 300 nm, de préférence égale à 300nm, et la hauteur de la tranchée 20b est par exemple comprise entre environ 50 et environ 150 nm, de préférence comprise entre 50 et 150 nm. Le choix de la profondeur de la tranchée 20b permet de 35 modifier la résistance entre la zone active et certaines des B16812 - 17-GR3-0688 12 prises de contact ce qui permet aussi de modifier la fréquence du convertisseur. Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de 5 l'art. En particulier, les types de conductivité P et N peuvent être échangés. A titre d'exemple particulier de réalisation, le convertisseur décrit est adapté à un signal lumineux ayant par exemple une longueur d'onde de 1310 nm ou une longueur d'onde de 10 1550 nm. Divers modes de réalisation avec diverses variantes ont été décrits ci-dessus. On notera que l'homme de l'art pourra combiner divers éléments de ces divers modes de réalisation et variantes sans faire preuve d'activité REVENDICATIONS1. Photodiode verticale (26) comprenant une zone active (30) comprenant des prises de contact (44, 48 ; 46, 50) toutes décalées de l'aplomb de la zone active. 2. Photodiode selon la revendication 1, dans laquelle 5 la zone active est constituée d'une partie inférieure (30) intrinsèque d'une zone de germanium, une partie supérieure (32) de la zone de germanium étant dopée d'un premier type de conductivité, la zone active étant formée dans une couche de matériau semiconducteur (18). 10 3. Photodiode selon la revendication 2, dans laquelle une paroi latérale de la partie supérieure de la zone de germanium est en contact avec une première région (42) dopée du premier type de conductivité, la première région s'étendant sur la face supérieure de la couche de matériau semiconducteur. 15 4. Photodiode selon la revendication 3, dans laquelle la partie inférieure de la zone de germanium est en contact avec une deuxième région (36, 38) dopée d'un second type de conductivité, la deuxième région s'étendant jusqu'à la face supérieure de la couche de matériau semiconducteur. 20 5. Photodiode selon la revendication 4, dans laquelle les prises de contact sont situées sur les première et deuxième régions, les première et deuxième régions étant de préférence en silicium. 6. Photodiode selon la revendication 4 ou 5, dans 25 laquelle la deuxième région est partiellement en SiGe. 7. Photodiode selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans laquelle les première et deuxième régions s'étendent chacune d'un côté de la zone de germanium intrinsèque. 8. Photodiode selon l'une quelconque des revendications 30 2 à 7, dans laquelle une tranchée isolante (20b) est au moins partiellement en contact avec une première face latérale de la zone en germanium. 9. Photodiode selon la revendication 8, dans laquelle la partie de la première face latérale n'étant pas en contact avec B16812 - 17-GR3-0688 14 la tranchée isolante est en contact avec du silicium intrinsèque (58). 10. Photodiode selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans laquelle la différence de potentiel entre les prises 5 de contact de la photodiode est représentative du nombre de photons dans la zone active. 11. Convertisseur opto-électrique comprenant une photodiode selon l'une des revendications 1 à 10. 12. Convertisseur selon la revendication 11, comprenant 10 un guide d'onde (17). 13. Procédé de fabrication d'une photodiode verticale comprenant des prises de contact (44, 48 ; 46, 50) toutes décalées de l'aplomb d'une zone active. 14. Procédé selon la revendication 13, comprenant les 15 étapes suivantes : creuser une cavité (56) dans la face supérieure d'une couche de matériau semiconducteur, de préférence du silicium ; doper la couche de matériau semiconducteur de manière à former une première région dopée d'un premier type de conductivité 20 sur la face supérieure de la couche de matériau semiconducteur en contact avec une paroi latérale de la cavité et une deuxième région dopée d'un second type de conductivité en contact avec le fond de la cavité s'étendant jusqu'à la surface de la couche de matériau semiconducteur ; 25 former du germanium intrinsèque dans la cavité ; et doper du premier type de conductivité la partie supérieure du germanium intrinsèque en contact avec la première région. 15. Procédé selon la revendication 14, dans lequel les 30 prises de contact sont formées sur les première et deuxième régions. 16. Procédé selon la revendication 14 ou 15, comprenant une étape de formation d'une tranchée isolante, s'étendant parallèlement à la zone active. B16812 - 17-GR3-0688 15 17. Procédé selon la revendication 16, dans lequel la cavité est creusée de manière à ce qu'un côté de la cavité soit au moins partiellement formée par la tranchée isolante. 18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 14 5 à 17, dans lequel la cavité est creusée de manière à ce que trois côtés de la cavité soient au moins partiellement en contact avec du silicium.