Brevet FR3078827A1 — publié le 20190913

B16811 - 17-GR3-0689 1 PHOTODIODE EN GERMANIUM 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) et opto-électriques (démodulateurs ou photodétecteurs) situés respectivement en amont et en aval de la fibre optique. 15 Les technologies actuelles de convertisseurs de signaux lumineux en signaux électriques permettent par exemple une vitesse de transfert d'environ 25 Gbps (Gigabits par seconde). Résumé Il serait souhaitable de pouvoir augmenter la vitesse 20 de transfert. Ainsi, un mode de réalisation prévoit une photodiode comprenant une zone active, la zone active comprenant au moins B16811 - 17-GR3-0689 2 une première région en germanium dans une première couche de silicium, la première région en germanium ayant, dans des coupes selon des plans orthogonaux au plan de la première couche, uniquement deux côtés en contact avec la première couche. Selon un mode de réalisation, chacun desdits côtés forme un angle supérieur à environ 10° avec la direction orthogonale au plan de la première couche. Selon un mode de réalisation, le plan de la première couche est défini par un repère formé des deux côtés les plus 10 longs de la première couche. Selon un mode de réalisation, ledit angle compris entre environ 10° et environ 20° avec la direction orthogonale au plan de la première couche. Selon un mode de réalisation, la première couche repose 15 sur une deuxième couche en matériau isolant. Selon un mode de réalisation, la première région est en contact avec la deuxième couche. Selon un mode de réalisation, la largeur de la première région est inférieure à environ 700 nm. 20 Selon un mode de réalisation, la largeur de la première région est comprise entre environ 400 et environ 600 nm. Selon un mode de réalisation, la zone active comprend une seconde région en germanium hors de la première couche. Un mode de réalisation prévoit un convertisseur opto25 électrique comprenant une photodiode telle que décrite précédemment. Selon un mode de réalisation, le convertisseur comprend un guide d'onde. Selon un mode de réalisation, le guide d'onde comprend 30 des tranchées en matériau isolant délimitant une zone de la première couche, ladite zone étant adaptée à recevoir des signaux lumineux. Selon un mode de réalisation, la première région est située dans ladite zone. B16811 - 17-GR3-0689 3 Selon un mode de réalisation, une tension est mesurée entre des portions de la première couche, les portions étant séparées de la première région par les tranchées en matériau isolant. 5 Selon un mode de réalisation, la hauteur des tranchées est sensiblement égale à la moitié de l'épaisseur de la première couche. Brève description des dessins Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, 10 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 : les figures lA à 1C sont respectivement une vue de dessus et des vues en coupe selon les plans B-B et C-C, illustrant 15 schématiquement un exemple de convertisseur de signaux lumineux en signaux électriques ; les figures 2A et 2B sont respectivement une vue de dessus et une vue en coupe selon le plan B-B illustrant schématiquement une étape de fabrication d'un mode de réalisation 20 d'un convertisseur de signaux lumineux en signaux électriques ; les figures 3A et 3B sont respectivement une vue de dessus et une vue en coupe selon le plan B-B illustrant schématiquement une autre étape de fabrication d'un mode de réalisation d'un convertisseur de signaux lumineux en signaux 25 électriques ; les figures 4A et 4B sont respectivement une vue de dessus et une vue en coupe selon le plan B-B illustrant schématiquement une autre étape de fabrication d'un mode de réalisation d'un convertisseur de signaux lumineux en signaux 30 électriques ; la figure 5 est une vue en coupe illustrant schématiquement un autre mode de réalisation d'un convertisseur de signaux lumineux en signaux électriques ; et B16811 - 17-GR3-0689 4 la figure 6 est une vue en coupe illustrant schématiquement un autre mode de réalisation d'un convertisseur de signaux lumineux en signaux électriques. Description détaillée 5 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 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 aux orientations des éléments concernés dans les figures. Sauf précision contraire, les expressions "approximativement", "sensiblement", "environ" et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près. Les figures lA à 1C sont respectivement une vue de dessus et des vues en coupe selon les plans B-B et C-C de la figure lA illustrant schématiquement un convertisseur 10 de signaux lumineux en signaux électriques. Le convertisseur 10 reçoit un signal lumineux à une entrée par une fibre optique 12. La fibre optique 12 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 la fibre. Le convertisseur 10 comprend un substrat non représenté, par exemple en silicium. Ce substrat est recouvert d'une couche 13 d'isolant (figure 1B et 1C). La couche 13 est recouverte d'une couche de silicium 14. Des tranchées 16 (figures lA et 1C), remplies d'isolant, sont formées dans la couche 14. La hauteur des tranchées 16 est sensiblement égale à la moitié de l'épaisseur de la couche 14. Les tranchées 16 délimitent une région 18, B16811 - 17-GR3-0689 5 délimitée par des pointillés en figure 1C. La couche 14 est, de plus, recouverte d'une couche 20 d'isolant, non représentée en figure LA. La région 18, délimitée horizontalement par les 5 tranchées 16 et verticalement par les couches 13 et 20, constitue un fuseau de guide d'onde, c'est-à-dire 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 16 et des couches 13 et 20 est choisi de manière à 10 avoir un indice de réfraction suffisamment différent de celui du silicium pour contenir le signal lumineux. Par exemple, les tranchées 16 et les couches 13 et 20 sont en oxyde de silicium, dont l'indice de réfraction est de 1,45, alors que celui du silicium est de 3,5. 15 Le convertisseur 10 comprend, de plus, une photodiode comprenant un bloc 22 de germanium. Le bloc 22 comprend une partie centrale 24, intrinsèque, située en regard de l'extrémité du guide d'onde constitué par la région 18. La partie 24 constitue la zone active de la photodiode d'un point de vue optique, c'est-à-dire 20 la zone photosensible. Le bloc 22 comprend aussi une partie 26, dopée N (la partie gauche en figure 1B) et une partie 28, dopée P (la partie droite en figure 1B). Les tranchées 16 sont plus éloignées l'une de l'autre à proximité de la photodiode que de l'entrée, de manière à élargir 25 la région 18 lorsque l'on s'éloigne de la fibre optique. La partie centrale 24 crée des porteurs de charge lorsqu'un signal lumineux l'atteint. Ainsi, la tension mesurée entre les parties 26 et 28 (par l'intermédiaire de vias conducteurs 30 traversant la couche 20) est représentative des 30 données transmises par le signal lumineux. La vitesse de transfert de données dans ce convertisseur 10, c'est-à-dire la fréquence à laquelle peuvent être lues des données, est dépendante de la capacité de la partie 24 intrinsèque et donc de la largeur de la partie 24 (la distance entre les B16811 - 17-GR3-0689 6 régions 26 et 28). La vitesse de transfert de données est aussi dépendante de la résistance entre la partie 24 et les vias 30. Le bloc 22 de germanium a par exemple une largeur de 1,6 pin, et la distance maximale entre les régions 26 et 28 est 5 par exemple d'approximativement 700 nm. Une telle structure permet un transfert de données à une vitesse de 25 Gbps. Les parties 26 et 28 ayant été formées en dopant du germanium intrinsèque, les limites entre les parties 26 et 28, et la partie 24, sont peu précises et difficiles à contrôler, ce qui 10 rend le contrôle de la capacité également difficile. Pour maitriser la largeur de la partie intrinsèque 24 et pour pouvoir la diminuer, on cherche à former un convertisseur comprenant uniquement un bloc de germanium intrinsèque, et ne comprenant pas de germanium dopé (les parties dopées 26 et 28). 15 Les figures 2A, 2B, 3A, 3B, 4A et 4B illustrent un procédé de fabrication d'un mode de réalisation d'un convertisseur opto-électrique. Les figures 2A et 2B sont respectivement une vue de dessus et une vue en coupe selon le plan B-B de la figure 2A 20 illustrant schématiquement une étape de fabrication au cours de laquelle on forme un guide d'onde similaire au guide d'onde illustré par la figure 1C. Au cours de cette étape, on forme une couche 42 d'isolant sur un substrat non représenté. On forme aussi, sur la couche 42, 25 une couche 44 de silicium. Des tranchées 46 sont gravées dans la couche 44 de manière à délimiter une région centrale 48, ou zone centrale, où se propagera le signal lumineux, et deux portions 49 de la couche 44. Chaque tranchée 46 sépare la région 48 d'une portion 49. Une couche 50 d'isolant (non représentée en figure 30 2A) est ensuite déposée de manière à remplir les tranchées 46 et à recouvrir la couche 44. La couche 50 peut aussi être un empilement de couches isolantes, par exemple en nitrure de silicium et en oxyde de silicium. Le plan de la couche 44 est défini par un repère formé 35 par les deux côtés les plus longs de la couche 44. Le plan de la B16811 - 17-GR3-0689 7 couche 44 correspond donc par exemple au plan de la face inférieure de la couche 44 ou à un plan parallèle à ce plan. Les portions 49 sont délimitées d'un côté par les tranchées 46 et de l'autre côté par des tranchées isolantes non 5 représentées qui atteignent par exemple la couche d'isolant 42 de manière à isoler le convertisseur de composants voisins. La hauteur des tranchées 46 est par exemple égale à la moitié de l'épaisseur de la couche 44. L'épaisseur de la couche 50 est par exemple comprise entre environ 10 et environ 100 nm. 10 L'épaisseur de la couche 44 est par exemple comprise entre environ 250 et environ 350 nm, par exemple environ 300 nm, et la hauteur des tranchées 46 est par exemple comprise entre environ 125 et environ 175 nm, par exemple environ 150 nm. La largeur de la région 48, c'est-à-dire la distance entre les deux tranchées 46 15 est par exemple comprise entre environ 600 et environ 800 nm. La largeur des tranchées 46 est par exemple comprise entre environ 400 et environ 900 nm. La largeur des portions 49 est par exemple comprise entre environ 300 et environ 500 nm. Les figures 3A et 3B sont respectivement une vue de 20 dessus et une vue en coupe selon le plan B-B de la figure 3A illustrant schématiquement une autre étape de fabrication. Au cours de cette étape, la couche 50 est gravée de manière à former une ouverture 52 en regard d'une partie de la région 48 où l'on cherche à former la zone active. La région 48 25 est gravée à travers cette ouverture 52 jusqu'à atteindre la couche 42 pour former une cavité 54 sur le trajet du signal lumineux. La cavité 54 a une forme parallélépipédique. Dans l'exemple de la figure 3B, les dimensions de l'ouverture 52 sont supérieures à celles de la cavité 54. Elles 30 pourraient cependant être identiques. Les figures 4A et 4B sont respectivement une vue de dessus et une vue en coupe selon le plan B-B de la figure 4A illustrant schématiquement une autre étape de fabrication. Au cours de cette étape, on fait croitre par épitaxie 35 du germanium dans la cavité 54, par exemple en utilisant du GeH4, B16811 - 17-GR3-0689 8 jusqu'à former la zone active d'une photodiode. La zone active comprend une région 55 dans la couche 44, formée en remplissant la cavité 54 et, éventuellement, une région 58, dépassant de la couche 44, formée en remplissant l'ouverture 52. La région 52 est 5 donc hors de la couche 44. La région 55 comprend, dans des coupes selon des plans orthogonaux au plan de la couche 44, deux côtés, les parois latérales, en contact avec la couche 44 et un côté, la face inférieure, en contact avec la couche 42. 10 Des plots de connexion 56 (non représentés en figure 4A) sont par la suite formés sur les portions 49. La structure est ensuite recouverte d'une couche d'isolant 60 (non représentée en figure 4A). Des vias 62 traversent la couche 60 pour atteindre les plots de connexion 56 et permettent la mesure de la tension 15 entre les deux portions 49. Cette tension représente des données transmises par la fibre optique de la même manière que la tension entre les vias 30 des figures LA à 1C. Les isolants des couches 42, 50 et 60 sont choisis de manière à avoir un indice de réfraction suffisamment différent de 20 celui du silicium pour contenir le signal lumineux. Les couches 42, 50 et 60 sont par exemple en oxyde de silicium. Au cours de ce procédé de fabrication, les zones de la couche 44 situées entre la zone active et les plots de connexions 56 sont dopées P d'un côté, et N de l'autre. Cela permet, entre 25 autres, de modifier la résistance entre la photodiode et les plots 56, et donc de modifier, dans une certaine mesure, la vitesse de transmission de données au niveau du convertisseur. Ainsi, il est possible de contrôler la largeur de germanium intrinsèque précisément, en contrôlant la largeur les 30 dimensions de la cavité 54, tout en conservant des zones dopées P et N mais dans un autre matériau, ici du silicium. On aurait pu penser à former une zone active n'atteignant pas la couche 42. La croissance du germanium s'effectuerait alors à partir des parois latérales et du fond de 35 la cavité 54 par exemple avec une même vitesse. Toutefois, lorsque B16811 - 17-GR3-0689 9 le germanium formé sur une de ces surfaces rejoindrait le germanium formé sur une autre de ces surfaces, leurs mailles ne seraient pas correctement alignées. Cela provoquerait la création de nombreuses dislocations dans le germanium, dans plusieurs 5 directions. Ces dislocations entraineraient une perte de porteurs de charge et une perte de signal. Dans le mode de réalisation des figures 4A et 4B, lors de l'étape de croissance épitaxiale, le germanium croit uniquement sur les parois latérales de la cavité 54. La région 55 remplissant 10 la cavité 54 ne comprend alors qu'une dislocation 64 centrale régulière dans la hauteur. La dislocation 64 s'étend sensiblement sur toute la hauteur de la région 55 et sur sensiblement toute sa longueur (dans la direction orthogonale au plan de coupe de la figure 4B). 15 En pratique, des petites dislocations, non représentées et négligeables, sont présentes au niveau des parois. Ces petites dislocations sont dues à la différence de paramètre cristallin (lattice constant) entre le germanium (5,658 A) et le silicium (5,431 A). Ces dislocations ont généralement un faible impact sur 20 les signaux transmis. La cavité 54, et donc la région 55 de la zone active, a par exemple une largeur inférieure à environ 700 nm, par exemple comprise entre environ 400 et environ 600 nm, par exemple comprise entre 400 et 600 nm. On définit la largeur de la cavité comme la 25 valeur de la dimension de la cavité dans la direction commune au plan de la couche 44 et au plan de coupe de la figure 4B. Cela permet d'avoir une capacité dans la région 55 inférieure à la capacité dans la partie 24 des figures LA et 1B. Une telle structure peut par exemple atteindre une vitesse de transfert 30 sensiblement égale à 50 Gbps. La figure 5 est une vue en coupe illustrant schématiquement un autre mode de réalisation préféré d'un convertisseur 80 de signaux lumineux en signaux électriques. B16811 - 17-GR3-0689 10 Le mode de réalisation de la figure 5 est obtenu par un procédé similaire à celui décrit en relation avec les figures 2A, 2B, 3A, 3B, 4A et 4B, à l'exception de la forme de la cavité 54. Dans ce mode de réalisation, la cavité 54 a, dans des 5 coupes selon des plans orthogonaux au plan de la couche 44 une forme de trapèze, par exemple de trapèze isocèle. Comme précédemment, la cavité 54, dans une coupe selon un plan orthogonal à la couche 44, par exemple celle représentée en figure 5, ne comprend que deux côtés en contact avec la couche 44 en 10 silicium, correspondant aux parois latérales de la cavité 54. De plus, la zone active est, dans cet exemple, en contact, par sa face inférieure, avec la couche 42. L'angle a d'une paroi latérale de la cavité 54 par rapport à la direction verticale, c'est à dire la direction 15 orthogonale au plan de la couche 44, est par exemple supérieur à environ 10°, par exemple entre environ 10° et environ 20°. De préférence, les angles a des deux parois sont égaux. Lors de l'étape de croissance épitaxiale, le germanium croit sur les parois latérales de la cavité 54 de manière à former 20 une région 82 dans la couche 44 et éventuellement une région 83 dépassant de la couche 44. Le germanium se formant sur la partie inférieure des parois se rejoint plus rapidement que dans la partie supérieure, créant une dislocation 84 dans la partie inférieure de la cavité 54 sans y former de dislocation 25 significative. Il n'y a donc qu'une dislocation 84 significative, située dans la partie inférieure de la région 82. De plus, l'angle a des parois de la cavité 54 permet de diminuer la quantité de petites dislocations négligeables le long de chaque paroi. En effet, lors de la gravure du silicium pour 30 former la cavité 54 de la figure 5, les atomes de silicium sont aussi gravés et les dimensions de chaque atome au niveau des parois de la cavité sont alors plus proches du paramètre cristallin du germanium que dans le cas des figures 2A, 2B, 3A, 3B, 4A et 4B. B16811 - 17-GR3-0689 11 La cavité 54 a par exemple une largeur au niveau de la face supérieure de la couche 44 inférieure à environ 700 nm, par exemple comprise entre environ 400 et environ 600 nm, par exemple comprise entre 400 nm et 600 nm. 5 Le figure 6 est une vue en coupe illustrant schématiquement un autre mode de réalisation d'un convertisseur 90 de signaux lumineux en signaux électriques. Pour former la structure de la figure 6, la cavité 54 est gravée de manière à avoir, dans des coupes selon des plans 10 orthogonaux au plan de la couche 44, une forme de triangle, par exemple de triangle isocèle. L'extrémité du triangle peut ne pas atteindre la couche isolante 42, comme cela est le cas en figure 6. Plus précisément, la cavité 54 ne comprend, dans une telle coupe, que deux côtés en contact avec du silicium, correspondant 15 aux parois latérales de la cavité 54. Ainsi, lors de l'étape de croissance épitaxiale, le germanium croit sur les parois latérales de la cavité 54 de manière à former la zone active comprenant une région 92 dans la couche 44 et éventuellement une région 93 dépassant de la cavité 54. La région 92 remplissant la cavité 54 20 ne comprend qu'une dislocation 94 significative, comme la structure de la figure 5. La cavité 54 a par exemple une largeur au niveau de la face supérieure de la couche 44 inférieure à environ 700 nm, par exemple comprise entre environ 400 et environ 600 nm, par exemple 25 comprise entre 400 et 600 nm. L'angle a d'une paroi latérale de la cavité 54 par rapport à la direction verticale, c'est à dire la direction orthogonale à la couche 44, est par exemple supérieur à 10°. De préférence, les angles a des deux parois sont égaux. 30 Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, le germanium rempli, dans les figures décrites, la cavité 54 et l'ouverture 52 dans la couche 50. Alternativement, le germanium peut ne remplir que la cavité 54. B16811 - 17-GR3-0689 12 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 1550 nm. 5 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 comprenant une zone active, la zone active comprenant au moins une première région (55, 82, 92) en germanium dans une première couche (44) de silicium, la première région en germanium ayant, dans des coupes selon des plans orthogonaux au plan de la première couche, uniquement deux côtés en contact avec la première couche. 2. Photodiode selon la revendication 1, dans laquelle chacun desdits côtés forme un angle supérieur à environ 10° avec la direction orthogonale au plan de la première couche (44). 3. Photodiode selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le plan de la première couche (44) est défini par un repère formé des deux côtés les plus longs de la première couche (44). 4. Photodiode selon la revendication 2 ou 3, dans 15 laquelle ledit angle avec la direction orthogonale au plan de la première couche (44) est compris entre environ 10° et environ 20°. 5. Photodiode selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle la première couche (44) repose sur une deuxième couche (42) en matériau isolant. 20 6. Photodiode selon la revendication 5, dans laquelle la première région (55, 82, 92) est en contact avec la deuxième couche (42). 7. Photodiode selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle la largeur de la première région (55, 82, 25 92) est inférieure à environ 700 nm. 8. Photodiode selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle la largeur de la première région (55, 82) est comprise entre environ 400 et environ 600 nm. 9. Photodiode selon l'une quelconque des revendications 30 1 à 8, dans laquelle la zone active comprend une seconde région (58, 83, 93) en germanium hors de la première couche (44). 10. Convertisseur opto-électrique comprenant une photodiode selon l'une des revendications 1 à 8. B16811 - 17-GR3-0689 14 11. Convertisseur selon la revendication 10, comprenant un guide d'onde (46, 48). 12. Convertisseur selon la revendication 11, dans lequel le guide d'onde (46, 48) comprend des tranchées (46) en matériau 5 isolant délimitant une zone (48) de la première couche, ladite zone étant adaptée à recevoir des signaux lumineux. 13. Convertisseur selon la revendication 12, dans lequel la première région (55, 82, 92) est située dans ladite zone (48). 14. Convertisseur selon la revendication 12 ou 13, dans 10 lequel une tension est mesurée entre des portions (49) de la première couche (44), les portions étant séparées de la première région (55, 82, 92) par les tranchées (46) en matériau isolant. 15. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, dans lequel la hauteur des tranchées (46) 15 est sensiblement égale à la moitié de l'épaisseur de la première couche (44).