Brevet FR3124890A1 — publié le 20230106

L’invention concerne un composant opto-électronique (1) caractérisé en ce qu’il comprend : - une hétérostructure semiconductrice (2) apte à émettre un rayonnement laser formée en des premiers matériaux semiconducteurs comprenant une cascade de zones actives (21) à gain à transition radiative interbande de type II, - une structure de support (30) comprenant un substrat non natif (3) différent des premiers matériaux semiconducteurs, ladite hétérostructure semiconductrice (2) étant formée par croissance épitaxiale sur la structure de support (30). Figure pour l’abrégé : Fig.1 Composant optoélectronique Domaine technique de l'invention La présente invention concerne de manière générale les composants opto-électroniques émetteurs de lumière à base de semi-conducteurs composés sur des substrats non natifs. L’invention montre une application particulièrement avantageuse pour l’intégration de composants opto-électroniques émetteurs de lumière dans ou sur des circuits intégrés photoniques. Etat de la technique L’intégration de composants opto-électroniques émetteurs de lumière à base de matériaux semi-conducteurs, comme les lasers ou les diodes électroluminescentes, sur des substrats non natifs, c’est à dire un substrat formé en un matériau différent des matériaux formant le composant, permet d’étendre leur champ d’application et de diminuer leurs coûts de fabrication. En effet, certaines filières technologiques, par exemple celles basées sur les substrats en silicium ou en arséniure de gallium, se sont développées depuis de nombreuses années et bénéficient d’avantages en termes de coût. Elles ouvrent ainsi la perspective de pouvoir utiliser des technologies d’intégration matures, tels que les procédés de fabrication de l’industrie microélectronique, pour réaliser des composants photoniques. Par ailleurs, la photonique sur silicium est un domaine de recherche très prometteur visant à intégrer des fonctions photoniques avec des circuits électroniques à l’échelle de plaques de silicium. L’intégration de composants semiconducteurs sur substrat non natif peut être effectuée principalement par deux méthodes : soit de manière dite hétérogène, c’est-à-dire par le collage de couches ou composants semiconducteurs sur le substrat non natif, soit de manière dite monolithique, c’est-à-dire par croissance épitaxiale de couches de semiconducteurs directement sur le substrat non natif. La croissance épitaxiale sur un substrat qui ne possède pas le même paramètre de maille que le matériau épitaxié engendre la présence de dislocations au sein du composant formé. Les dislocations sont des défauts linéaires (c'est-à-dire non-ponctuels), correspondant à une discontinuité dans l'organisation de la structure cristalline. Elles ont une influence en particulier sur les propriétés électroniques des matériaux semi-conducteurs. Il est constaté et reconnu que les lasers à puits quantiques présentent une sensibilité aux dislocations et que les lasers à puits quantiques épitaxiés sur des substrats non natifs connaissent en conséquence une dégradation de leurs performances du fait des dislocations générées par la croissance épitaxiale. On peut par exemple recenser les articles « Realization of GaAs/AlGaAs lasers on Si substrates using epitaxial lateral overgrowth by metalorganic chemical vapor deposition ” de Kazi et al., ou encore « Theoretical Study on the Effects of Dislocations in Monolithic III-V Lasers on Silicon ” de Hantschmann et al., qui soulignent cette problématique. L’article « Lasing Characteristics and Reliability of 1550 nm laser monolithically grown on Si “ de Shi et al. rapporte les contraintes de fonctionnement de diodes laser en phosphure d'indium fabriquées par croissance épitaxiale sur un substrat de silicium. Une diminution du temps de vie du laser et un courant de seuil augmenté d’un ordre de grandeur par rapport à des diodes laser épitaxiées sur un substrat natif ont notamment été observés. Cette baisse de performances est attribuée à des fuites de porteurs de charge via les dislocations. Des lasers à boîtes quantiques, décrits par exemple dans les articles « Photonic Integration With Epitaxial III–V on Silicon » de A. Liu et J. Bowers, ou encore “ Low-Threshold Epitaxially Grown 1.3- μ m InAs Quantum Dot Lasers on Patterned (001) Si ” de Shang et al., ont été fabriqués par croissance épitaxiale sur substrat non natif. Ceux-ci présentent de meilleures performances en comparaison aux lasers à puits quantiques fabriqués selon le même procédé. Cependant, les performances des lasers à boîtes quantiques fabriqués sur substrat non natif restent limitées par la densité des dislocations. Celle-ci doit rester faible, de l’ordre de 10 6 − 10 7 cm −2 , pour assurer le bon fonctionnement de ces lasers, comme décrit dans les articles « Origin of defect tolerance in InAs/GaAs quantum dot lasers grown on Si ”, de Liu et al., ou encore « Impact of threading dislocation on the lifetime of InAs quantum dot lasers on Si », de Jung et al. Présentation de l'invention Dans ce contexte, la présente invention propose un composant optoélectronique insensible aux dislocations, comprenant une hétérostructure semiconductrice à puits quantiques apte à émettre un rayonnement laser et formée par croissance épitaxiale sur un substrat non natif. En d’autres termes, les performances de ce composant optoélectronique ne sont pas affectées par les dislocations dues à la fabrication par croissance épitaxiale et sont similaires à celles obtenues par croissance épitaxiale sur substrat natif. Ainsi, l’invention va à l’encontre du préjugé précédemment évoqué selon lequel, des sources lumineuses, telles que des lasers, à base de matériaux semi-conducteurs fabriquées par croissance épitaxiale sur des substrats non natifs, présentent des performances dégradées en comparaison aux sources fabriquées par croissance épitaxiale sur des substrats natifs. L’invention propose ainsi un composant opto-électronique comprenant : - une hétérostructure semiconductrice apte à émettre un rayonnement laser formée en des premiers matériaux semiconducteurs comprenant une cascade de zones actives à gain à transition radiative interbande de type-II, - une structure de support comprenant un substrat non natif différent des premiers matériaux semiconducteurs, ladite hétérostructure semiconductrice étant formée par croissance épitaxiale sur la structure de support. D’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du composant opto-électronique conforme à l’invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes : - la structure de support comprend en outre sur le substrat non natif au moins une couche tampon, -la structure de support comprend en outre une première couche de transition supplémentaire, une première zone de confinement et une deuxième couche de transition supplémentaire, -le substrat non natif est formé en un matériau du groupe IV, - le substrat non natif est formé en silicium, - les premiers matériaux semiconducteurs comprennent un antimoniure, - les zones actives sont chacune constituées d’un puits quantique de trou inséré entre deux puits quantiques d’électrons, ledit puits quantique de trou et les deux puits quantiques d’électrons formant un ensemble situé entre deux couches barrières, - les zones actives comprennent chacune : - une première couche en antimoniure d’aluminium AlSb et d’épaisseur comprise entre 1 nm et 3.5 nm, - une deuxième couche en arséniure d’indium InAs et d’épaisseur entre 1 nm et 4 nm, - une troisième couche en matériau ternaire à base de gallium, d’indium et d’antimoine dont la teneur en indium varie entre 0% et 50%, et d’épaisseur comprise entre 1.5 nm et 4.5 nm, - une quatrième couche en arséniure d’indium InAs et d’épaisseur entre 1 nm et 3.5 nm, - les zones actives sont chacune située entre une zone de blocage d’électrons et une zone de blocage de trous, - chaque zone de blocage d’électrons comprend : - une couche en antimoniure d’aluminium AlSb et d’épaisseur comprise entre 0.3 et 3 nm, - une couche en antimoniure de gallium GaSb et d’épaisseur comprise entre 1.5 et 5 nm, - une couche en antimoniure d’aluminium AlSb et d’épaisseur comprise entre 0.3 et 3 nm, - une couche en antimoniure de gallium GaSb et d’épaisseur comprise entre 2et 5.5 nm, - une couche en antimoniure d’aluminium AlSb et d’épaisseur comprise entre 1 et 3.5 nm. - chaque zone de blocage de trous comprend : - une couche en arséniure d’indium InAs et d’épaisseur comprise entre 3 et 6 nm, - une couche en antimoniure d’aluminium AlSb et d’épaisseur comprise entre 0.6 et 3 nm, - une couche en arséniure d’indium InAs:Si de densité de dopage comprise entre 5 10 17 et 2 10 19 cm -3 et d’épaisseur comprise entre 2 et 5 nm, - une couche en antimoniure d’aluminium AlSb et d’épaisseur comprise entre 0.6 et 3 nm, - une couche en arséniure d’indium InAs:Si de densité de dopage comprise entre 5 10 17 et 2 10 19 cm -3 en matériau et d’épaisseur comprise entre 1.5 et 4 nm, - une couche en antimoniure de gallium AlSb et d’épaisseur comprise entre 0.6 et 3 nm, - une couche en arséniure d’indium InAs:Si de densité de dopage comprise entre 5 10 17 et 2 10 19 cm -3 et d’épaisseur comprise entre 1 et 4 nm, - une couche en antimoniure de gallium AlSb et d’épaisseur comprise entre 0.6 et 3 nm, - une couche en arséniure d’indium InAs:Si de densité de dopage comprise entre 5 10 17 et 2 10 19 cm -3 et d’épaisseur comprise entre 1 et 4 nm, - une couche en antimoniure de gallium AlSb et d’épaisseur comprise entre 0.6 et 3 nm, - une couche en arséniure d’indium InAs et d’épaisseur comprise entre 1 et 4 nm, - l’hétérostructure semiconductrice présente une densité de dislocations comprise entre 10 6 et 10 9 cm -2 . Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. Composant opto-électronique (1) caractérisé en ce qu’il comprend : - une hétérostructure semiconductrice (2) apte à émettre un rayonnement laser formée en des premiers matériaux semiconducteurs comprenant une cascade de zones actives (21) à gain à transition radiative interbande de type II, - une structure de support (30) comprenant un substrat non natif (3) différent des premiers matériaux semiconducteurs, ladite hétérostructure semiconductrice (2) étant formée par croissance épitaxiale sur la structure de support (30). Composant opto-électronique (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure de support (30) comprend en outre sur le substrat non natif (3) au moins une couche tampon (4). Composant opto-électronique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la structure de support (30) comprend en outre une première couche de transition supplémentaire (53a), une première zone de confinement (51) et une deuxième couche de transition supplémentaire (53b). Composant opto-électronique (1) selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le substrat non natif (3) est formé en un matériau du groupe IV. Composant opto-électronique (1) selon la revendication 4, caractérisé en ce que le substrat non natif (3) est formé en silicium. Composant opto-électronique (1) selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les premiers matériaux semiconducteurs comprennent un antimoniure. Composant opto-électronique (1) selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les zones actives (21) sont chacune constituées d’un puits quantique de trou inséré entre deux puits quantiques d’électrons, ledit puits quantique de trou et les deux puits quantiques d’électrons formant un ensemble situé entre deux couches barrières. Composant opto-électronique (1) selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les zones actives comprennent chacune : - une première couche 243 en antimoniure d’aluminium AlSb et d’épaisseur comprise entre 1 nm et 3.5 nm, - une deuxième couche 242a en arséniure d’indium InAs et d’épaisseur entre 1 nm et 4 nm, - une troisième couche 241 en matériau ternaire à base de gallium, d’indium et d’antimoine dont la teneur en indium varie entre 0% et 50%, et d’épaisseur comprise entre 1.5 nm et 4.5 nm, - une quatrième couche 242b en arséniure d’indium InAs et d’épaisseur entre 1 nm et 3.5 nm. Composant opto-électronique (1) selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les zones actives sont chacune située entre une zone de blocage d’électrons (23) et une zone de blocage de trous (22). Composant opto-électronique (1) selon la revendication 9, caractérisé en ce que : - chaque zone de blocage d’électrons (23) comprend : - une couche 231 en antimoniure d’aluminium AlSb et d’épaisseur comprise entre 0.3 et 3 nm, - une couche 232 en antimoniure de gallium GaSb et d’épaisseur comprise entre 1.5 et 5 nm, - une couche 233 en antimoniure d’aluminium AlSb et d’épaisseur comprise entre 0.3 et 3 nm, - une couche 234 en antimoniure de gallium GaSb et d’épaisseur comprise entre 2 et 5.5 nm, - une couche 235 en antimoniure d’aluminium AlSb et d’épaisseur comprise entre 1 et 3.5 nm. - chaque zone de blocage de trous (22) comprend : - une couche 221 en arséniure d’indium InAs et d’épaisseur comprise entre 3 et 6 nm, - une couche 222a en antimoniure d’aluminium AlSb et d’épaisseur comprise entre 0.6 et 3 nm, - une couche 223 en arséniure d’indium InAs:Si de densité de dopage comprise entre 5 10 17 et 2 10 19 cm -3 et d’épaisseur comprise entre 2 et 5 nm, - une couche 222b en antimoniure d’aluminium AlSb et d’épaisseur comprise entre 0.6 et 3 nm, - une couche 224 en arséniure d’indium InAs:Si de densité de dopage comprise entre 5 10 17 et 2 10 19 cm -3 en matériau et d’épaisseur comprise entre 1.5 et 4 nm, - une couche 222c en antimoniure de gallium AlSb et d’épaisseur comprise entre 0.6 et 3 nm, - une couche 225 en arséniure d’indium InAs:Si de densité de dopage comprise entre 5 10 17 et 2 10 19 cm -3 et d’épaisseur comprise entre 1 et 4 nm, - une couche 222d en antimoniure de gallium AlSb et d’épaisseur comprise entre 0.6 et 3 nm, - une couche 226 en arséniure d’indium InAs:Si de densité de dopage comprise entre 5 10 17 et 2 10 19 cm -3 et d’épaisseur comprise entre 1 et 4 nm, - une couche 222e en antimoniure de gallium AlSb et d’épaisseur comprise entre 0.6 et 3 nm, - une couche 227 en arséniure d’indium InAs et d’épaisseur comprise entre 1 et 4 nm. Composant opto-électronique (1) selon l’une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l’hétérostructure semiconductrice présente une densité de dislocations comprise entre 10 6 et 10 9 cm -2 .