Brevet FR3080489A1 — publié le 20191025

DD18624 - ICG090247 1 DISPOSITIF OPTOELECTRONIQUE A DIODE CONTRAINTE EN TENSION PAR EFFET PIEZOELECTRIQUE INVERSE DOMAINE TECHNIQUE [1] Le domaine de l'invention est celui des dispositifs optoélectroniques comportant au moins une diode réalisée à base d'un composé semiconducteur contraint en tension. L'invention trouve une application notamment dans le domaine de la détection d'un rayonnement lumineux appartenant par exemple au proche infrarouge, la ou les diodes du dispositif optoélectronique pouvant alors être réalisées à base de germanium contraint en tension. 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 monocristallin, présentant une contrainte mécanique en tension. C'est le cas notamment de certaines sources de lumière dont le matériau de la couche émissive 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 germanium, du germanium étain, voire du silicium germanium. [3] Ainsi, le document US2014/o291682 décrit une photodiode à avalanche dont la couche semiconductrice d'absorption est réalisée en germanium contraint en tension. La photodiode est alors adaptée à absorber un rayonnement lumineux jusqu'à une longueur d'onde de coupure supérieure à 155onm, qui est la longueur d'onde de coupure d'absorption du germanium relaxé. Pour cela, la couche de germanium est revêtue par une couche de mise en contrainte formée d'un empilement de sous-couches de nitrure de silicium, d'oxyde de silicium et de silicium amorphe. Cependant, cette photodiode présente notamment l'inconvénient d'être obtenue en ayant recours à des techniques d'ingénierie de la contrainte mécanique par dépôt d'un empilement de couches minces, ce qui peut rendre complexe le procédé de fabrication. [4] Le document EP3151265 décrit un dispositif optoélectronique à diode comportant une couche semiconductrice contrainte en tension et réalisée à base de germanium. La couche semiconductrice a été ici mise en tension par une structuration localisée préalable de la couche, puis par une mise en suspension de la couche structurée au-dessus d'un substrat, suivi d'une solidarisation à ce dernier par collage direct. Un recuit de consolidation DD18624 - ICG090247 2 est enfin mis en oeuvre pour améliorer la tenue mécanique de la couche structurée contrainte collée au substrat. Cependant, ce dispositif optoélectronique présente notamment l'inconvénient d'être obtenu par un procédé de fabrication relativement complexe. De plus, comme dans le document précédent, la maîtrise de la valeur de la 5 contrainte en tension effectivement subie par la couche semiconductrice peut être particulièrement difficile. [005] Il existe donc un besoin de disposer d'un dispositif optoélectronique dont la valeur de la contrainte mécanique en tension subie par la ou les diodes est contrôlée de manière plus simple et plus précise. Il existe également un besoin de disposer d'un tel dispositif 10 optoélectronique susceptible de présenter un encombrement réduit et une haute résolution spatiale lorsqu'il comporte une matrice de diodes, et susceptible d'être obtenu par un procédé de fabrication simplifié. EXPOSÉ DE L'INVENTION 15 [006] L'invention a pour objectif de remédier au moins en partie aux inconvénients de l'art antérieur, et plus particulièrement de proposer un dispositif optoélectronique comportant une ou plusieurs diodes pouvant être mises en tension de manière active. Elle a également pour objectif de proposer un dispositif optoélectronique présentant un encombrement réduit, et susceptible d'être obtenu par un procédé de fabrication simplifié. Elle a également 20 pour objectif de proposer un dispositif optoélectronique comportant une matrice de diodes à haute résolution spatiale. [007] Pour cela, l'objet de l'invention est un dispositif optoélectronique comportant : o au moins une diode, comportant une portion semiconductrice présentant : - une première face et une deuxième face opposée, sensiblement parallèles à un plan 25 principal, et reliées l'une à l'autre par une bordure latérale, et - une jonction PN ou PIN formée par : - une première région dopée selon un premier type de conductivité, et - une deuxième région dopée selon un deuxième type de conductivité opposé au premier type, s'étendant à partir de la bordure latérale ; 30 o une couche conductrice périphérique, réalisée en au moins un matériau électriquement conducteur, s'étendant suivant le plan principal au contact de la deuxième région dopée de manière à entourer la portion semiconductrice ; o une portion piézoélectrique périphérique, réalisée en au moins un matériau piézoélectrique, s'étendant suivant le plan principal au contact de la couche conductrice périphérique de manière à entourer la portion semiconductrice ; DD18624 - ICG090247 3 un premier circuit électrique de polarisation de la portion piézoélectrique périphérique, adapté à générer un champ électrique dans la portion piézoélectrique périphérique en appliquant un potentiel électrique à au moins la couche conductrice périphérique, de manière à induire une déformation de la portion piézoélectrique périphérique orientée 5 suivant le plan principal entraînant alors une déformation en tension de la portion semiconductrice suivant le plan principal. [8] Certains aspects préférés mais non limitatifs de ce dispositif optoélectronique sont les suivants. [9] De préférence, la couche conductrice périphérique et la portion piézoélectrique 10 périphérique entourent la portion semiconductrice continûment. [nolo] De préférence, la couche conductrice périphérique revêt entièrement la bordure latérale de la portion semiconductrice suivant un axe orthogonal au plan principal, et la portion piézoélectrique périphérique revêt entièrement la couche conductrice périphérique suivant ledit axe orthogonal. 15 [non] De préférence, la bordure latérale s'étend de manière sensiblement orthogonale au plan principal. [0012] La portion piézoélectrique périphérique peut présenter une épaisseur au moins égale à celle de la portion semiconductrice. [0013] Le dispositif optoélectronique peut comporter un deuxième circuit électrique, de 20 polarisation de la diode, adapté à appliquer ledit potentiel électrique à la deuxième région dopée par le biais de la couche conductrice périphérique et un potentiel électrique différent à la première région dopée. [0014] La première portion dopée peut s'étendre à partir de la première face et est distante de la bordure latérale. 25 [0015] La diode peut comporter : - une jonction PIN, la première région dopée étant entourée dans le plan principal et au contact d'une région non intentionnellement dopée, ou - une jonction PN, la première région dopée étant entourée dans le plan principal et au contact de la deuxième région dopée. 30 [0016] De préférence, la portion semiconductrice est réalisée à base de germanium. [0017] De préférence, la portion piézoélectrique périphérique est réalisée en PZT. [0018] De préférence, la portion piézoélectrique périphérique s'étend suivant le plan principal de manière sensiblement coplanaire à la diode. DD18624 - ICG090247 4 [0019] Le dispositif optoélectronique peut comporter une matrice de diodes coplanaires, dont les portions semiconductrices sont isolées électriquement les unes des autres par une portion piézoélectrique périphérique s'étendant suivant le plan principal de manière continue. 5 [0020] Le dispositif optoélectronique peut comporter une métallisation entourant chaque portion semiconductrice et reposant sur une extrémité de la portion piézoélectrique périphérique débouchant sur la première face ou la deuxième face, le premier circuit étant adapté à appliquer une différence de potentiel électrique entre la métallisation et la couche conductrice périphérique de chaque diode, de manière à provoquer une déformation en 10 compression de la portion piézoélectrique périphérique suivant le plan principal. [0021] Le dispositif optoélectronique peut comporter une deuxième couche conductrice périphérique agencée de sorte que la portion piézoélectrique périphérique est intercalée, suivant le plan principal, entre la deuxième couche conductrice périphérique et ladite couche conductrice périphérique au contact de la portion semiconductrice, le premier 15 circuit étant adapté à appliquer une différence de potentiel électrique entre lesdites couches conductrices périphériques, de manière à provoquer une déformation de la portion piézoélectrique périphérique dans le plan principal suivant une direction opposée à la portion semiconductrice. [0022] L'invention porte également sur un procédé de fabrication d'un dispositif 20 optoélectronique selon l'une quelconque des caractéristiques précédentes, comportant au moins les étapes suivantes : - réalisation d'au moins la portion semiconductrice ; - dépôt conforme de la couche conductrice périphérique sur et au contact de la bordure latérale de la portion semiconductrice ; 25 - formation de la portion piézoélectrique périphérique par dépôt d'un matériau piézoélectrique sur et au contact d'une face de la couche conductrice périphérique opposée à la bordure latérale. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS 30 [0023] 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 lesquels : DD18624 - ICG090247 5 la figure 1A est une vue partielle et schématique, en coupe transversale, d'un dispositif optoélectronique selon un premier mode de réalisation dans lequel le dispositif optoélectronique comporte au moins une diode ; la figure 1B est une vue partielle et schématique, en coupe transversale, d'un dispositif 5 optoélectronique selon un deuxième mode de réalisation dans lequel le dispositif optoélectronique comporte une matrice de diodes ; les figures 2A et 2B sont des vues de dessus, partielles et schématiques, de variantes du dispositif optoélectronique illustré sur la figdA, de forme circulaire pour l'une (fig.2A) et carrée pour l'autre (fig.2B), et la figure 2C est une vue de dessus, partielle et schématique, 10 d'un dispositif optoélectronique similaire à celui illustré sur la fig.2C, comportant une matrice de diodes de forme carrée ; les figures 3A et 3B sont des vues partielles et schématiques, en coupe transversale, d'un dispositif optoélectronique selon deux variantes du deuxième mode de réalisation ; les figures 4A à 4N illustrent, de manière schématique et partielle, et en vue en coupe 15 transversale, différentes étapes d'un procédé de fabrication d'un dispositif optoélectronique selon le deuxième mode de réalisation similaire à celui illustré sur la fig.1B. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS [0024] Sur les figures et dans la suite de la description, les mêmes références représentent 20 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 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 10% près. Par ailleurs, l'expression « comportant 25 un » doit être comprise comme « comportant au moins un », sauf indication contraire. [0025] L'invention porte d'une manière générale sur un dispositif optoélectronique comportant au moins une diode, et de préférence une matrice de diodes, comprenant chacune une portion semiconductrice entourée, dans un plan principal de la diode, par une 30 portion piézoélectrique périphérique. La portion semiconductrice de la diode est destinée à être mise en tension en conséquence d'une déformation de la portion piézoélectrique périphérique dans le plan principal de la diode. La portion piézoélectrique périphérique est déformée par effet piézoélectrique inverse. Les contraintes en tension subies par la portion semiconductrice se traduisent alors par une modification des propriétés optiques et/ou DD18624 - ICG090247 6 électriques de la diode, comme, par exemple, un élargissement de la gamme spectrale d'absorption d'un rayonnement lumineux dans le cas d'une photodiode. La mise en contrainte en tension peut également être suffisante pour rendre sensiblement directe la structure de bandes d'énergie du composé semiconducteur, dans le cas où ce dernier 5 présente une structure de bandes indirecte lorsqu'il est à l'état relaxé. Les performances du dispositif optoélectronique peuvent alors être améliorées, notamment dans le cas d'une diode d'émission lumineuse. [0026] Par portion contrainte, on entend une portion réalisée en un composé semiconducteur cristallin subissant une contrainte mécanique en tension ou en 10 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 mailles du réseau dans un plan. Dans le cadre de l'invention, la portion semiconductrice est destinée à être contrainte en tension dans un plan principal de la diode. Cela se traduit par le fait que son paramètre de maille, dans le plan principal, présente une valeur dite effective 15 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 est orientée dans le plan principal de la diode. [0027] Le composé semiconducteur, alors soumis à des contraintes mécaniques en tension, présente donc des propriétés optiques et/ou électriques modifiées. En particulier, il peut 20 présenter une énergie de bande interdite diminuée, notamment celle associée à la vallée F (ou vallée directe). L'énergie de bande interdite peut être estimée en fonction de la déformation en tension, comme le décrit dans le cas d'une couche en germanium la publication de Guilloy et al. intitulée Germanium under high tensile stress: Nonlinear dependence of direct band gap vs strain, ACS Photonics 2016, 3, 1907-1911. Par ailleurs, la 25 contrainte mécanique en tension subie par la portion semiconductrice peut être suffisante pour que la structure de bandes d'énergie devienne directe. [0028] 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 EBC,F de la bande de conduction de la vallée F 30 (ou vallée directe), autrement dit : A.E = EBcj, - EBc,r 0. Par sensiblement égal, on entend 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. De préférence, la portion semiconductrice est réalisée à base de germanium dont la structure de bandes d'énergie est indirecte à l'état relaxé, autrement dit A.E REVENDICATIONS1. Dispositif optoélectronique (1), comportant : o au moins une diode (2), comportant une portion semiconductrice (20) présentant : - une première face (21) et une deuxième face (22) opposée, sensiblement parallèles à un plan principal, et reliées l'une à l'autre par une bordure latérale (23), et - une jonction PN ou PIN formée par : - une première région (24) dopée selon un premier type de conductivité, et - une deuxième région (25) dopée selon un deuxième type de conductivité opposé au premier type, s'étendant à partir de la bordure latérale (23) ; o une couche conductrice périphérique (40), réalisée en au moins un matériau électriquement conducteur, s'étendant suivant le plan principal au contact de la deuxième région dopée (25) de manière à entourer la portion semiconductrice (20) ; o une portion piézoélectrique périphérique (30), réalisée en au moins un matériau piézoélectrique, s'étendant suivant le plan principal au contact de la couche conductrice périphérique (40) de manière à entourer la portion semiconductrice (20) ; o un premier circuit électrique de polarisation de la portion piézoélectrique périphérique (30), adapté à générer un champ électrique dans la portion piézoélectrique périphérique (30) en appliquant un potentiel électrique à au moins la couche conductrice périphérique (40), de manière à induire une déformation de la portion piézoélectrique périphérique (30) orientée suivant le plan principal entraînant alors une déformation en tension de la portion semiconductrice (20) suivant le plan principal. 2. Dispositif optoélectronique (1) selon la revendication 1, dans lequel la couche conductrice périphérique (40) et la portion piézoélectrique périphérique (30) entourent la portion semiconductrice (20) continûment. 3. Dispositif optoélectronique (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la couche conductrice périphérique (40) revêt entièrement la bordure latérale (23) de la portion semiconductrice (20) suivant un axe orthogonal au plan principal, et la portion piézoélectrique périphérique (30) revêt entièrement la couche conductrice périphérique (40) suivant ledit axe orthogonal. 4. Dispositif optoélectronique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la bordure latérale (23) s'étend de manière sensiblement orthogonale au plan principal. DD18624 - ICG090247 23 5. Dispositif optoélectronique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la portion piézoélectrique périphérique (30) présente une épaisseur au moins égale à celle de la portion semiconductrice (20). 6. Dispositif optoélectronique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, 5 comportant un deuxième circuit électrique de polarisation de la diode (2), adapté à appliquer ledit potentiel électrique à la deuxième région dopée (25) par le biais de la couche conductrice périphérique (40) et un potentiel électrique différent à la première région dopée (24). 7. Dispositif optoélectronique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans 10 lequel la première portion dopée (24) s'étend à partir de la première face (21) et est distante de la bordure latérale (23). 8. Dispositif optoélectronique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la diode (2) comporte: - une jonction PIN, la première région dopée (24) étant entourée dans le plan principal et 15 au contact d'une région (26) non intentionnellement dopée, ou - une jonction PN, la première région dopée (24) étant entourée dans le plan principal et au contact de la deuxième région dopée (25). 9. Dispositif optoélectronique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la portion semiconductrice (20) est réalisée à base de germanium. 20 10. Dispositif optoélectronique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel la portion piézoélectrique périphérique (30) est réalisée en PZT. 11. Dispositif optoélectronique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel la portion piézoélectrique périphérique (30) s'étend suivant le plan principal de manière sensiblement coplanaire à la diode (2). 25 12. Dispositif optoélectronique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, comportant une matrice de diodes (2) coplanaires, dont les portions semiconductrices (20) sont isolées électriquement les unes des autres par une portion piézoélectrique périphérique (30) s'étendant suivant le plan principal de manière continue. 13. Dispositif optoélectronique (1) selon la revendication 12, comportant une 30 métallisation (42) entourant chaque portion semiconductrice (20) et reposant sur une extrémité de la portion piézoélectrique périphérique (30) débouchant sur la première face (21) ou la deuxième face (22), le premier circuit étant adapté à appliquer une différence de DD18624 - ICG090247 24 potentiel électrique entre la métallisation (42) et la couche conductrice périphérique (40) de chaque diode (2), de manière à provoquer une déformation en compression de la portion piézoélectrique périphérique (30) suivant le plan principal. 14. Dispositif optoélectronique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, 5 comportant une deuxième couche conductrice périphérique (402) agencée de sorte que la portion piézoélectrique périphérique (30) est intercalée, suivant le plan principal, entre la deuxième couche conductrice périphérique (402) et ladite couche conductrice périphérique (40,) au contact de la portion semiconductrice (20), le premier circuit étant adapté à appliquer une différence de potentiel électrique entre lesdites couches conductrices 10 périphériques (40,, 402), de manière à provoquer une déformation de la portion piézoélectrique périphérique (30) dans le plan principal suivant une direction opposée à la portion semiconductrice (20). 15. Procédé de fabrication d'un dispositif optoélectronique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant au moins les étapes suivantes : 15 - réalisation d'au moins la portion semiconductrice (20) ; - dépôt conforme de la couche conductrice périphérique (40) sur et au contact de la bordure latérale (23) de la portion semiconductrice (20) ; - formation de la portion piézoélectrique périphérique (30) par dépôt d'un matériau piézoélectrique sur et au contact d'une face de la couche conductrice périphérique (40) 20 opposée à la bordure latérale (23).