Brevet FR3095893A1 — publié le 20201113

Description Titre de l'invention : dispositif optoélectronique comportant une portion centrale contrainte en tension suivant un premier axe et polarisee électriquement suivant un deuxième axe Domaine technique 100011 Le domaine de l'invention est celui des dispositifs optoélectroniques d'émission ou de détection d'un rayonnement lumineux, tels que les diodes lasers, les diodes électroluminescentes et les photodiodes, comportant une portion centrale mise en contrainte par des bras tenseurs. L'invention trouve une application dans les circuits intégrés photoniques, notamment dans le cadre de la technologie dite photonique sur silicium. Technique antérieure [0002] Dans diverses applications microélectroniques ou optoélectroniques, il peut être avantageux d'utiliser une couche semiconductrice en un matériau cristallin, de préférence monocristallin, présentant localement 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 matériau semiconducteur cristallin peut être un matériau à base de germanium, par exemple peut être du germanium, du germanium étain, voire du silicium germanium. [0003] L'article de Petylçiewicz et al. intitulé Direct Bandgap Light Emission from Strained Ge Nanowires, Nano Lett., 2016, 16 (4), 2168-2173, décrit un exemple de source laser comportant une couche semiconductrice réalisée à base de germanium, la couche semiconductrice étant structurée pour former une membrane suspendue au-dessus d'une couche support. La membrane suspendue comporte une portion centrale allongée mise en tension suivant son axe longitudinal par des portions latérales formant des bras tenseurs. La portion centrale comporte une zone active, ici le milieu à gain de la source laser. Cette zone active est située dans une cavité optique définie par deux miroirs de Bragg, lesquels sont disposés dans les bras tenseurs et sont formés par une succession périodique de gravures localisées de la couche semiconductrice. L'émission lumineuse est ici obtenue par pompage optique du milieu à gain. [0004] La figure 1 illustre un exemple de dispositif optoélectronique 1 similaire à celui décrit dans l'article dc Petykiewicz et al. 2016, dans lequel le pompage du milieu à gain (zone active) est effectué de manière électrique. La partie structurée 11 (membrane suspendue) de la couche semiconductrice 10 comporte ainsi une portion centrale 20 allongée, et mise en tension par des bras tenseurs 30 suivant l'axe Ion- 2 gitudinal Al. Les bras tenseurs 30 et la portion centrale 20 forment donc la partie structurée 11 de la couche semiconductrice, qui est suspendue au-dessus d'une couche support 2 et est reliée à une partie périphérique 12 de la couche semiconductrice. La cavité optique est définie par des miroirs de Bragg 5 situés dans les bras tenseurs 30, et est donc orientée suivant l'axe longitudinal Al. Par ailleurs, dans le but d'effectuer le pompage électrique du milieu à gain, les bras tenseurs 30 sont en contact électrique avec des plots de connexion 6 qui permettent de polariser électriquement du milieu à gain, de sorte que les porteurs de charge sont injectés dans la portion centrale 20 à partir des plots de connexion via les bras tenseurs 30. [0005] Cependant, il existe un besoin de disposer d'un dispositif optoélectronique identique ou similaire, dont les propriétés optiques et/ou électroniques sont optimisées. Par ailleurs, il apparaît que les propriétés optiques et/ou électroniques d'un tel dispositif optoélectronique dépendent notamment de celles de la zone active située dans la portion centrale, lesquelles peuvent être impactées par le type de procédé de fabrication du dispositif optoélectronique mis en oeuvre. Aussi, il existe un besoin de disposer d'un tel dispositif optoélectronique dont les propriétés optiques et/ou électroniques sont moins dépendantes du type de procédé de fabrication mis en oeuvre. Exposé de l'invention [0006] 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 à portion centrale allongée, laquelle est mise en tension par des bras tenseurs, dont les propriétés optiques et/ou électroniques sont optimisées. L'invention a également pour objectif de proposer un dispositif optoélectronique dont la portion centrale allongée comporte une zone active polarisée électriquement, dont la polarisation électrique est sensiblement homogène suivant l'axe longitudinal de la portion centrale. [0007] Pour cela, l'objet de l'invention est un dispositif optoélectronique comportant une couche semiconductrice réalisée à base d'un matériau semiconducteur cristallin, laquelle comporte : une portion centrale présentant une forme allongée suivant un axe longitudinal, contrainte en tension suivant l'axe longitudinal, et comportant une zone active d'émission ou de détection d'un rayonnement lumineux ; ainsi que au moins deux premières portions latérales formant des bras tenseurs, opposés l'un à l'autre vis-à-vis de la portion centrale suivant l'axe longitudinal, et s'étendant à partir de la portion centrale, présentant une largeur moyenne supérieure à une largeur moyenne de la portion centrale, de manière à contraindre en tension la portion centrale suivant l'axe longitudinal ; et au moins deux plots de connexion, adaptés à appliquer une polarisation élecnique à la portion centrale. [0008] Selon l'invention, la couche semiconductrice comporte en outre au moins deux 3 deuxièmes portions latérales formant des bras de polarisation, opposés l'un à l'autre vis-à-vis de la portion centrale suivant un axe transversal orienté de manière orthogonale à l'axe longitudinal, et s'étendant à partir de la portion centrale, chacun étant formé : d'une partie principale, en contact électrique avec l'un des plots de connexion, les parties principales des bras de polarisation étant dopées selon des types de conductivité opposés ; et d'une pluralité de parties de raccord reliant la partie principale à la portion centrale. [0009] Certains aspects préférés mais non limitatifs de ce dispositif optoélectronique sont les suivants. [0010] Le matériau semiconducteur cristallin dans les bras tenseurs est de préférence in- trinsèque. [0011] Le dispositif optoélectronique peut être adapté à émettre un rayonnement lumineux à une longueur d'onde X. Les parties de raccord peuvent être agencées suivant l'axe longitudinal de manière périodique, la période p de l'agencement des parties de raccord suivant l'axe longitudinal étant inférieure à la longueur d'onde k. [0012] Un rapport de la largeur des parties de raccord suivant l'axe longitudinal sur une distance séparant deux parties de raccord adjacentes suivant l'axe longitudinal, et le rapport de la période p sur la longueur d'onde k, peuvent être tels que les parties de raccord forment des réflecteurs optiques définissant une cavité optique vis-à-vis d'un mode optique de longueur d'onde k supporté par la portion centrale. [0013] Les parties de raccord peuvent présenter une jonction courbée avec la portion centrale, avec un rayon de courbure égal, à 10% près, à la moitié d'une distance séparant deux parties de raccord adjacentes suivant l'axe longitudinal. [0014] Les bras de polarisation peuvent comporter chacun : une partie continue, distincte de la portion centrale, s'étendant longitudinalement suivant l'axe longitudinal, et reliant les parties de raccord entre elles ; et au moins une partie intermédiaire reliant la partie principale à la partie continue, la partie intermédiaire présentant une longueur et une largeur inférieures à celles de la partie principale correspondante, de sorte que les bras de polarisation induisent dans la portion centrale une contrainte en tension orientée suivant l'axe transversal. [0015] La portion centrale peut présenter une structure de bandes d'énergie directe. [0016] La couche semiconductrice peut être réalisée à base de germanium. [0017] Les plots de connexion peuvent reposer sur et au contact des parties principales des bras de polarisation. [0018] La couche semiconductrice peut comporter une partie dite structurée et une partie dite périphérique, la partie structurée étant formée de la portion centrale, des bras tenseurs et des bras de polarisation, la partie structurée étant une membrane suspendue au-dessus d'une couche support, ou étant au contact de la couche support et distincte de celle-ci dans un plan parallèle à la couche support. [0019] La couche semiconductrice peut comporter des tranchées traversantes, s'étendant entre les plots de connexion et la partie périphérique. Brève description des dessins [0020] D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de 'buttes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre (l'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1, déjà décrite, est une vue de dessus, schématique et partielle, d'un exemple de dispositif optoélectronique (l'émission d'une lumière cohérente dans lequel le pompage électrique de la zone active (milieu à gain) est effectué par le biais des bras tenseurs ; les figures 2A à 2C sont des vues schématiques et partielles, respectivement en vue de dessus, en coupe suivant l'axe longitudinal Al et en coupe suivant Faxe transversal A2, d'un dispositif optoélectronique d'émission de lumière cohérente selon un mode de réalisation dans lequel la portion centrale est suspendue au-dessus d'une couche support ; les figures 3A et 3B sont des vues schématiques et partielles, et en perspective, d'un dispositif optoélectronique selon un exemple de Fart antérieur (fig.3A) et d'un dispositif optoélectronique selon un mode de réalisation (fig.3B), et la figure 3C illustre l'évolution de la contrainte mécanique s,x, orientée suivant l'axe longitudinal Al, subie par la portion centrale et par les bras tenseurs, pour les deux dispositifs optoélectroniques illustrés sur ces fig.3A et 3B ; les figures 4A et 4B sont des vues de dessus, schématiques et partielles, de dispositifs optoélectroniques d'émission d'une lumière cohérente selon différents modes de réalisation dans lesquels la cavité optique est définie par les parties de raccord des bras de polarisation ; les figures SA et 5B sont des vues en perspective, schématiques et partielles, d'un dispositif optoélectronique selon un mode de réalisation dont la jonction entre les parties de raccord et la portion centrale est sensiblement orthogonale (fig.5A) et d'un dispositif optoélectronique selon un autre mode de réalisation dont la jonction entre ces éléments est courbée (fig.5B), et la figure SC illustre l'évolution de la contrainte mécanique e' orientée suivant l'axe longitudinal Al, subie par la portion centrale et par les bras tenseurs, pour les deux dispositifs optoélectroniques illustrés sur ces fig.SA et 5B ; les figures 6A et 6B sont des vues schématiques et partielles, respectivement de dessus et en perspective, de dispositifs optoélectroniques selon différents modes de réalisation, dans lesquels les bras de polarisation sont adaptés à induire une mise en tension de la portion centrale suivant l'axe transversal A2 ; les figures 7A à 7C sont des vues schématiques et partielles de dispositifs optoélectroniques selon différents modes de réalisation. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS [0021] 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 différents modes de réalisation et variantes ne sont pas exclusifs les uns des autres et peuvent être combinés entre eux. Sauf indication contraire, les ternies « sensiblement». « environ », « de l'ordre de » signifient à 10% près, et de préférence à 5% près. Par ailleurs, les termes « compris entre ... et ... » et équivalents signifient que les bornes sont incluses, sauf mention contraire. [0022] L'invention porte sur un dispositif optoélectronique d'émission ou de détection d'un rayonnement lumineux, par exemple une diode laser, une diode électroluminescente, ou un photodétecteur, comportant une couche semiconductrice formée de : une portion centrale allongée, mise en tension suivant son axe longitudinal Al, et comportant une zone active adaptée à émettre ou à détecter un rayonnement lumineux d'intérêt ; des bras tenseurs, assurant une mise en tension de la portion centrale suivant l'axe longitudinal Al de cette dernière ; et des bras de polarisation électrique, adaptés à assurer la polarisation électrique de la zone active suivant un axe transversal A2 de la portion centrale, chaque bras de polarisation étant formé : - d'une partie dite principale, laquelle est en contact électrique avec un plot de connexion, les parties principales des bras de polarisation étant dopées selon des types de conductivité opposés, - d'une pluralité de parties dite de raccord, qui relient la partie principale à la portion centrale. [0023] D'une manière générale, la couche semiconductrice est réalisée en au moins un matériau semiconducteur cristallin, lequel est de préférence monocristallin. Il peut être choisi notamment parmi les éléments de la colonne IV de la classification périodique, tels que le germanium Ge, le silicium Si, l'étain Sn dans sa phase semiconductrice, et parmi les composés formés de ces éléments, par exemple le GeSn, le SiGeSn, et le SiGe. Il peut également être choisi parmi les composés III-V comportant des éléments des colonnes HI et V de la classification périodique, comme par exemple le GaInAs et l'InP, voire parmi les composés II-VI comportant des éléments des colonnes II et VI, comme par exemple le CdHgTe. 6 [0024] De préférence, la couche semiconductrice est réalisée à base d'un matériau semi- conducteur d'intérêt dont la structure de bandes d'énergie, en l'absence de déformation en tension suffisante de son réseau cristallin est indirecte. La déformation en tension subie par le matériau semiconducteur de la couche semiconductrice au niveau de la portion centrale peut alors être suffisante pour que sa structure de bandes soit sensiblement directe. La couche semiconductrice est ici de préférence réalisée à base de germanium. Par réalisée à base germanium, on entend que la couche semiconductrice est formée majoritairement en germanium ou en ses composés. [0025] Par portion contrainte, on entend une portion de la couche semiconductrice 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 mailles du réseau dans un plan. Dans le cadre de l'invention, la portion centrale de la couche semiconductrice est contrainte en tension dans le plan de la couche, ce qui se traduit par le fait que son paramètre de maille présente une valeur dite effective supérieure à sa valeur naturelle lorsque le matériau semiconducteur est relaxé (i.e. non contraint). Dans la suite de la description, sauf indication contraire, la contrainte considérée est orientée dans le plan de la couche semiconductrice. [0026] Par structure de bandes directe ou sensiblement directe, on entend que le minimum d'énergie de la bande de conduction de la vallée L (ou vallée indirecte) est supérieur ou sensiblement égal au minimum d'énergie EBc., de la bande de conduction de la vallée F (ou vallée directe), autrement dit : AL = EEcT EBCT > O. 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. La couche semiconductrice est de préférence réalisée à base de germanium dont la structure de bandes d'énergie est indirecte en-dehors de la portion centrale, autrement dit AL REVENDICATIONS[Revendication 1] Dispositif optoélectronique (1), comportant : une couche semiconductrice (10) réalisée à base d'un matériau semiconducteur cristallin, comportant : - une portion centrale (20), présentant une forme allongée suivant un axe longitudinal (AI), - contrainte en tension suivant l'axe lon- gitudinal (AI), et - comportant une zone active d'émission ou de détection d'un rayonnement lumineux ; - au moins deux premières poilions latérales formant des bras tenseurs (30), opposés l'un à l'autre vis-à-vis de la portion centrale (20) suivant l'axe longitudinal (Al), et s'étendant à partir de la portion centrale (20), et présentant une largeur moyenne supérieure à une largeur moyenne de la portion centrale (20), de manière à contraindre en tension la portion centrale (20) suivant l'axe longitudinal (A1) ; au moins deux plots de connexion (6), adaptés à appliquer une polarisation électrique à la portion centrale (20) ; caractérisé en ce que la couche semiconductrice (10) comporte en outre : - au moins deux deuxièmes portions latérales formant des bras de polarisation (40), opposés l'un à l'autre vis-à-vis de la portion centrale (20) suivant un axe transversal (A2) orienté de manière orthogonale à l'axe longitudinal (A1), et s'étendant à partir de la portion centrale (20), chacun étant formé : - d'une partie principale (41), en contact électrique avec l'un des plots de connexion (6), les parties principales (41) des bras de pola- 24 risation (40) étant dopées selon des types de conductivité opposés, - d'une pluralité de parties dc raccord (42) reliant la partie principale (41) à la portion centrale (20). [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5] [Revendication 6] Dispositif optoélectroniquc (1) scion la rcvcndication 1, dans lequel le matériau scmiconducteur cristallin dans les bras tenseurs (30) est intrinsèque. Dispositif optoélectronique (1) selon la revendication 1 ou 2, adapté à émettre un rayonnement lumineux à une longueur d'onde X, dans lequel les parties de raccord (42) sont agencées suivant l'axe longitudinal (A1) de manière périodique, la période p de l'agencement des parties de raccord (42) suivant l'axe longitudinal (A1) étant inférieure à la longueur d'onde X. Dispositif optoélectronique (1) selon la revendication 3, dans lequel un rapport de la largeur des parties de raccord (42) suivant l'axe longitudinal (A1) sur une distance séparant deux parties de raccord (42) adjacentes suivant l'axe longitudinal (Al), et le rapport de la période p sur la longueur d'onde X, sont tels que les parties de raccord (42) forment des réflecteurs optiques (5) définissant une cavité optique vis-à-vis d'un mode optique de longueur d'onde X supporté par la portion centrale (20). Dispositif optoélectronique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les parties de raccord (42) présentent une jonction courbée avec la portion centrale (20), avec un rayon de courbure égal, à 10% près, à la moitié d'une distance séparant deux parties de raccord (42) adjacentes suivant l'axe longitudinal (Al). Dispositif optoélectronique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les bras de polarisation (40) comportent chacun : une partie continue (44), distincte de la portion centrale (20), s'étendant longitudinalement suivant l'axe longitudinal (AI), et reliant les parties de raccord (42) entre elles ; et au moins une partie intermédiaire (43) reliant la partie principale (41) à la partie continue (44), la partie intermédiaire (43) présentant une longueur et une largeur inférieures à celles 25 de la partie principale (41) correspondante, de sorte que les bras de polarisation (40) induisent dans la portion centrale (20) une contrainte en tension orientée suivant l'axe transversal (A2). [Revendication 7] Dispositif optoélectronique (1) selon l'une quelconque des reven- dications I à 6, dans lequel la portion centrale (20) présente une structure de bandes d'énergie directe. [Revendication 8] Dispositif optoélectronique (1) selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 7, dans lequel la couche semiconductrice (10) est réalisée à base de germanium. [Revendication 9] Dispositif optoélectronique (1) selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 8, dans lequel les plots de connexion (6) reposent sur et au contact des parties principales (41) des bras de polarisation (40). [Revendication 10] Dispositif optoélectronique (1) selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 9, dans lequel la couche semiconductrice (10) comporte une partie dite structurée (11) et une partie dite périphérique (12), la partie structurée (11) étant formée de la portion centrale (20), des bras tenseurs (30) et des bras de polarisation (40), la partie structurée (11) étant une membrane suspendue au-dessus d'une couche support (2), ou étant au contact de la couche support (2) et distincte de celle-ci dans un plan parallèle à la couche support (2).