Brevet FR3130086A1 — publié le 20230609

La présente invention concerne un dispositif photonique et plus particulièrement un dispositif photonique qui comprend une source laser hétérogène et des moyens de dissipation thermique configurés pour dissiper la chaleur susceptible d’être émise par la source laser. Plus particulièrement, les moyens de dissipation thermique mettent en œuvre une couche de transfert thermique et un élément de transfert thermique agencés pour coopérer avec des plots de contact accessibles par la face avant du dispositif photonique. à cet égard, la couche de transfert thermique est faite d’un matériau électriquement isolant et est au contact de l’un et/ou l’autre des plots de contact, tandis que l’élément de transfert thermique se trouve exclusivement au contact de la couche de transfert thermique. Figure 2 dispositif photonique pourvu d’une source laser et de moyens de gestion de la dissipation de chaleur DOMAINE DE L’INVENTION La présente invention se rapporte aux domaines de la microélectronique, de l’optique, de l’électro-optique et de la photonique. L’invention concerne notamment un dispositif photonique pourvu d’au moins une source laser à semi-conducteurs III-V intégrée dans un substrat de silicium et pourvu de moyens de dissipation thermique dont l’agencement permet une dissipation thermique plus efficace, au regard des agencements connus de l’homme du métier. La présente invention propose un dispositif permettant de fournir l’alimentation électrique à un ou plusieurs lasers intégrés sur un support par exemple en silicium, tout en améliorant la dissipation thermique des lasers vers une plaque de dissipation thermique. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION Le document [1] cité à la fin de la description divulgue un dispositif 1 laser hétérogène. Ce dispositif 1, tel qu’illustré à la , comprend, d’une face arrière 1B vers une face avant 1A, un substrat support 2, notamment fait de silicium, sur une face principale 3 duquel repose une couche photonique 4. Notamment, la couche photonique 4 comprend au moins une couche de matériau diélectrique et dans laquelle sont encapsulés un guide d’onde 5 et un empilement photonique 6 formé d’une pluralité de couches de matériaux semi-conducteurs III-V structurées en un deuxième guide d’onde. Plus particulièrement, l’empilement photonique 6 et le guide d’onde 5 sont optiquement couplés de manière à former une source laser hétérogène. Plus particulièrement, la couche photonique 4, telle que représentée à la , comprend, à partir de la face principale 3, un empilement de trois couches, dites, respectivement, première couche 7, deuxième couche 8 et troisième couche 9. A cet égard, le guide d’onde 5 peut être disposé dans la première couche 7 et en affleurement avec l’interface formée entre la première couche 7 et la deuxième couche 8, tandis que l’empilement photonique 6, à l’aplomb du guide d’onde 5, peut être disposé dans la troisième couche 9 et en affleurement avec l’interface formée entre la deuxième couche 8 et la troisième couche 9. Par ailleurs, le dispositif 1 représenté à la comprend également des moyens d’interconnexion pourvus de plots de contact 10A et 10B accessibles par la face avant 1A et électriquement connectés à l’empilement photonique 6 au moyen de vias de connexion 10A et 10B qui s’étendent dans la couche photonique 4 et plus particulièrement dans la troisième couche 9. Ainsi, dès lors qu’une tension est imposée à chacun des plots de contact, l’empilement photonique est susceptible d’émettre un rayonnement laser. Ce rayonnement laser est guidé dans le guide d’onde 5 et l’empilement photonique 6, et peut, selon la configuration du dispositif 1, être injecté dans une fibre optique ou un autre dispositif photonique par l’intermédiaire de moyens de couplage formés dans le dispositif 1. Aussi, afin d’assurer un confinement optimal du rayonnement laser dans le guide d’onde, et par voie de conséquence limiter les pertes optiques, la couche photonique est généralement formée de couches diélectriques 7, 9 d’épaisseurs relativement importantes, par exemple de l’ordre de 800 nm, voire supérieures. Hors, en fonctionnement, l’empilement photonique 6 subit un échauffement qui, s’il n’est pas maitrisé, est susceptible d’affecter les performances du dispositif 1 et plus particulièrement de la source laser. Les couches diélectriques formant la couche photonique constituent à cet égard un obstacle à la dissipation thermique et viennent, par voie de conséquence, exacerber cet échauffement. Le document [2] cité à la fin de la description propose également un dispositif laser hétérogène. Notamment, ce dispositif laser comprend (conformément à la du document [2]) un substrat de silicium sur une face duquel reposent, dans l’ordre, une couche de dioxyde de silicium, une couche de silicium, et un empilement photonique. L’empilement photonique, à l’instar de celui proposé dans le document [1], est formé d’une pluralité de couches de matériaux semi-conducteurs III-V structurées en un guide d’onde, dit guide laser. Le guide laser est à cet égard couplé avec un guide d’onde formé dans la couche de silicium. Ce dispositif comprend également des moyens de dissipation thermique configurés pour dissiper la chaleur susceptible d’être produite par l’empilement photonique. Plus particulièrement, lesdits moyens comprennent des ponts de silicium poly cristallin formés à l’aplomb de l’empilement photonique et configurés pour dissiper la chaleur produite par l’empilement photonique vers le substrat de silicium. Le document [3] cité à la fin de la description propose une autre architecture afin de maîtriser la dissipation thermique. Plus particulièrement, et tel qu’illustré à la (j) du document [3], le dispositif laser hétérogène comprend des ponts thermiques faits de métal, et reliant thermiquement le substrat de silicium avec les plots de contact de l’empilement photonique. Enfin le document [4] cité à la fin de la description divulgue également un dispositif photonique pourvu de moyens de dissipation thermique configurés pour dissiper la chaleur produite par un empilement photonique. Notamment, l’empilement photonique est formé d’une pluralité de couches de matériaux semi-conducteurs III-V structurées en un guide d’onde, dit guide laser. Le guide laser est à cet égard couplé avec un guide d’onde formé à l’aplomb dudit guide laser. Dans l’architecture proposée, les moyens de dissipation thermique comprennent des niveaux métalliques encapsulés dans une couche diélectrique reposant sur une face d’un substrat support et permettent de dissiper la chaleur produite par l’empilement photonique vers un substrat support. Néanmoins, l’efficacité des solutions proposées dans ces documents reste limitée. Par conséquent, un but de la présente invention est de proposer un dispositif laser hétérogène pourvu de moyens de dissipation thermique dont l’efficacité est améliorée au regard des solutions connues de l’état de la technique. BREVE DESCRIPTION DE L’INVENTION L’invention concerne un dispositif photonique comprenant une puce photonique et un substrat support, la puce photonique comprenant une couche support et une couche photonique reposant par sa face, dite inférieure, sur une face principale de la couche support, ladite couche photonique, qui comprend au moins un matériau diélectrique, encapsule au moins une source laser formée par un guide d’onde et un empilement photonique optiquement couplés entre eux, l’empilement photonique étant constitué de matériaux semi-conducteurs III-V, la puce photonique comprend également un premier et un deuxième plot métallique présentant, respectivement, une première et une deuxième surface, accessibles par une face supérieure de la couche photonique opposée à la face inférieure, et électriquement connectés à l’empilement photonique au moyen de vias de connexion qui s’étendent dans la couche photonique, le premier plot et le deuxième plot sont configurés pour permettre la circulation d’un courant électrique dans l’empilement photonique afin de commander l’émission d’un rayonnement laser par la source laser, le dispositif photonique comprend en outre : - des premiers moyens de dissipation thermique configurés pour dissiper la chaleur susceptible d’être émise par la source laser, les premiers moyens comprennent une couche de transfert et un élément de transfert en contact thermique avec la couche de transfert, la couche de transfert comprend un matériau électriquement isolant qui est en recouvrement au moins partiel d’au moins l’une de la première et de la deuxième surface; - des moyens de connexion configurés pour connecter électriquement le premier plot et le deuxième plot avec un premier terminal et un deuxième terminal disposés sur l’un ou l’autre du substrat support et de la couche de transfert. Selon un mode de mise en œuvre, la couche de transfert est au contact du premier plot et du deuxième plot. Selon un mode de mise en œuvre, la couche de transfert est faite d’un matériau, dit matériau de transfert, qui présente une conductibilité thermique supérieure ou égale à 20 W/m/K, la couche de transfert comprenant avantageusement au moins un des matériaux choisis parmi : un matériau polymère, de l’AlN ou du silicium. Selon un mode de mise en œuvre, le guide d’onde est en silicium, ou en nitrure de silicium ou de forme hybride en nitrure de silicium et en silicium. Selon un mode de mise en œuvre, ledit dispositif photonique comprend également des deuxièmes moyens configurés pour dissiper de la chaleur susceptible d’être émise par la source laser vers le support, les deuxièmes moyens comprennent des seconds vias qui s’étendent, en direction de la face principale, et à partir du guide d’onde. Selon un mode de mise en œuvre, les deuxièmes moyens comprennent également un insert métallique de forme généralement plane et s’interposant entre les seconds vias et la face principale, les deuxièmes moyens comprennent en outre des seconds vias terminaux qui s’étendent de l’insert métallique vers la face principale, un insert additionnel est avantageusement intercalé entre la face principale et les seconds vias terminaux. Selon un mode de mise en œuvre, ledit dispositif photonique comprend également des troisièmes moyens configurés pour dissiper de la chaleur susceptible d’être émise par la source laser, les troisièmes moyens comprennent des troisièmes vias qui s’étendent, en direction de la face principale, et à partir, respectivement, du premier plot et du deuxième plot. Selon un mode de mise en œuvre, les troisièmes moyens comprennent également deux inserts métalliques dits, respectivement, premier insert et deuxième insert, de forme généralement plane, le premier insert s’interposant entre la face principale et le troisième via qui s’étend à partir du premier plot, le deuxième insert s’interposant entre la face principale et le troisième via qui s’étend à partir du deuxième plot, les troisièmes moyens comprennent en outre au moins un troisième via terminal qui s’étend du premier insert vers la face principale, et au moins un autre troisième via terminal qui s’étend du deuxième insert vers la face principale. Selon un mode de mise en œuvre, la face support est assemblée avec une face de la couche support, dite face secondaire, opposée à la face principale de ladite couche support. Selon un mode de mise en œuvre, le recouvrement par la couche de transfert de l’une de la première et de la deuxième surface est partiel, et laisse libre d’accès une première section et une deuxième section, respectivement, de la première surface et de la deuxième surface, un premier fil connecte directement le premier terminal et le premier plot, tandis qu’un deuxième fil connecte directement le deuxième terminal et le deuxième plot, le premier terminal et le deuxième terminal étant disposés sur le substrat support. Selon un mode de mise en œuvre, la couche de transfert comprend deux plots métalliques secondaires, dits respectivement, premier plot secondaire et deuxième plot secondaire accessibles par une face contact de la couche de transfert en regard de la face supérieure, une première bille métallique connectant le premier plot secondaire et le premier plot, et une deuxième bille métallique connectant le deuxième plot secondaire et le deuxième plot, le premier terminal et le deuxième terminal sont disposés sur la face contact, le premier terminal et le premier plot secondaire sont connectés via une première ligne de redistribution, tandis que le deuxième terminal et le deuxième plot secondaire sont connectés via une deuxième ligne de redistribution. Selon un mode de mise en œuvre, la face support est assemblée à la couche photonique par la face supérieure au moyen de billes métalliques assurant également la connexion électrique des premier et deuxième plots avec, respectivement le premier terminal et le deuxième terminal, le substrat support comprenant une ouverture traversante traversant le substrat support de la face support vers une face du substrat support opposée à la face support, ladite ouverture traversante étant configurée pour permettre le positionnement des premiers moyens. Selon un mode de mise en œuvre, ledit dispositif photonique comprend des moyens de couplage configurés pour injecter un rayonnement laser émis par la source laser dans une fibre optique ou un réseau de fibres optiques. Selon un mode de mise en œuvre, les moyens de couplage sont configurés pour permettre le couplage par une tranche, dite tranche de couplage, dudit dispositif perpendiculaire à la face principale, avantageusement les moyens de couplage comprennent une lentille associée à la tranche de couplage. Selon un mode de mise en œuvre, les moyens de couplage comprennent un réseau de diffraction disposé dans la couche photonique et configuré pour permettre un couplage optique par la face supérieure du rayonnement laser émis par le source laser et un fibre optique ou un réseau de fibres optiques. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquelles : La est une représentation schématique d’un dispositif photonique pourvu d’une source faite de matériau semi-conducteur III-V connue de l’état de la technique ; La est une représentation schématique d’un dispositif photonique selon un premier mode de réalisation de la présente invention et pour lequel seuls les premiers moyens sont représentés, le dispositif photonique est notamment représenté selon un plan de coupe perpendiculaire à la face principale ; La est une représentation schématique d’un dispositif photonique selon un premier mode de réalisation de la présente invention, et pour lequel les premiers, les deuxièmes et les troisièmes moyens sont représentés, le dispositif photonique est notamment représenté selon un plan de coupe perpendiculaire à la face principale ; La est une représentation schématique d’un exemple de dispositif photonique conforme au mode de réalisation représenté à la , la est notamment simplifiée pour des raisons de clarté, en particulier dans cet exemple, la couche photonique est formée par un empilement d’une première couche, d’une deuxième couche et d’une troisième couche, le dispositif photonique est notamment représenté selon un plan de coupe perpendiculaire à la face principale ; La est une représentation schématique d’un empilement photonique susceptible d’être mis en œuvre dans un dispositif photonique selon la présente invention, par souci de clarté, l’empilement photonique est représenté isolé dudit dispositif photonique et selon un plan de coupe perpendiculaire à la face principale ; La est une représentation schématique d’un guide d’onde susceptible d’être mis en œuvre dans un dispositif photonique selon la présente invention, par souci de clarté, le guide d’onde est représenté isolé dudit dispositif photonique et selon un plan de coupe perpendiculaire à la face principale ; La est une représentation simplifiée du dispositif de la détaillant l’agencement des deuxièmes moyens ; La est une représentation simplifiée du dispositif de la détaillant l’agencement des troisièmes moyens; La est une représentation schématique et simplifiée d’un dispositif photonique pourvu de moyens de couplage selon un deuxième exemple, le dispositif photonique est notamment représenté selon un plan de coupe perpendiculaire à la face principale ; La est une représentation schématique et simplifiée d’un dispositif photonique pourvu de moyens de couplage selon un premier exemple, le dispositif photonique est notamment représenté selon un plan de coupe perpendiculaire à la face principale ; La est une vue par la face avant d’un dispositif photonique pourvu d’une pluralité de sources laser et d’un premier moyen commun à toutes les sources laser ; La représente un dispositif photonique conforme à la présente invention et qui comprend une puce de pilotage ; La est une représentation schématique d’un dispositif photonique selon un deuxième mode de réalisation de la présente invention, le dispositif photonique est notamment représenté selon un plan de coupe perpendiculaire à la face principale ; La est une représentation schématique d’un dispositif photonique selon un troisième mode de réalisation de la présente invention, le dispositif photonique est notamment représenté selon un plan de coupe perpendiculaire à la face principale. Dispositif photonique (100) comprenant une puce photonique (101) et un substrat support (210), le substrat support (210) étant pourvu d’une face support (210A), la puce photonique (101) comprenant une couche support (200) et une couche photonique (300) reposant par sa face, dite inférieure (300A), sur une face principale (200A) de la couche support (200), ladite couche photonique (300), qui comprend au moins un matériau diélectrique, encapsule au moins une source laser formée par un guide d’onde (400) et un empilement photonique (500) optiquement couplés entre eux, l’empilement photonique étant constitué de matériaux semi-conducteurs III-V, la puce photonique comprend également un premier (601) et un deuxième (602) plot métallique présentant, respectivement, une première (601A) et une deuxième (602A) surface, accessibles par une face supérieure (300B) de la couche photonique (300) opposée à la face inférieure (300A), et électriquement connectés à l’empilement photonique (500) au moyen de vias de connexion (603, 604) qui s’étendent dans la couche photonique (300), le premier plot (601) et le deuxième plot (602) sont configurés pour permettre la circulation d’un courant électrique dans l’empilement photonique (500) afin de commander l’émission d’un rayonnement laser par la source laser, le dispositif photonique comprend en outre : - des premiers moyens (700) de dissipation thermique configurés pour dissiper la chaleur susceptible d’être émise par la source laser, les premiers moyens (700) comprennent une couche de transfert (701) et un élément de transfert (702) en contact thermique avec la couche de transfert (701), la couche de transfert (701) comprend un matériau électriquement isolant qui est en recouvrement au moins partiel d’au moins l’une de la première et de la deuxième surface (601A, 602A) ; - des moyens de connexion configurés pour connecter électriquement le premier plot (601) et le deuxième plot (602) avec un premier terminal (211) et un deuxième terminal (212) disposés sur l’un ou l’autre du substrat support (210) et de la couche de transfert (701). Dispositif photonique (100) selon la revendication 1, dans lequel la couche de transfert (701) est au contact du premier plot (601) et du deuxième plot (602). Dispositif photonique (100) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la couche de transfert (701) est faite d’un matériau, dit matériau de transfert, qui présente une conductibilité thermique supérieure ou égale à 20 W/m/K, la couche de transfert (701) comprenant avantageusement au moins un des matériaux choisis parmi : un matériau polymère, de l’AlN ou du silicium. Dispositif photonique (100) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le guide d’onde (400) est en silicium, ou en nitrure de silicium ou de forme hybride en nitrure de silicium et en silicium. Dispositif photonique (100) selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel ledit dispositif photonique comprend également des deuxièmes moyens (720) configurés pour dissiper de la chaleur susceptible d’être émise par la source laser vers la couche support (200), les deuxièmes moyens (720) comprennent des seconds vias (721) qui s’étendent, en direction de la face principale (200A), et à partir du guide d’onde (400). Dispositif photonique (100) selon la revendications 5, dans lequel les deuxièmes moyens (720) comprennent également un insert métallique (722) de forme généralement plane et s’interposant entre les seconds vias (721) et la face principale (200A), les deuxièmes moyens comprennent en outre des seconds vias terminaux (723) qui s’étendent de l’insert métallique (722) vers la face principale (200A), un insert additionnel est avantageusement intercalé entre la face principale et les seconds vias terminaux. Dispositif photonique (100) selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel ledit dispositif photonique comprend également des troisièmes moyens (740) configurés pour dissiper de la chaleur susceptible d’être émise par la source laser, les troisièmes moyens (740) comprennent des troisièmes vias (741, 742) qui s’étendent, en direction de la face principale (200A), et à partir, respectivement, du premier plot (601) et du deuxième plot (602). Dispositif photonique (100) selon la revendication 7, dans lequel les troisièmes moyens (740) comprennent également deux inserts métalliques dits, respectivement, premier insert (743) et deuxième insert (744), de forme généralement plane, le premier insert (743) s’interposant entre la face principale (200A) et le troisième via (741) qui s’étend à partir du premier plot (601), le deuxième insert (744) s’interposant entre la face principale (200A) et le troisième via (742) qui s’étend à partir du deuxième plot (602), les troisièmes moyens (740) comprennent en outre au moins un troisième via terminal (745) qui s’étend du premier insert (743) vers la face principale (200A), et au moins un autre troisième via terminal (746) qui s’étend du deuxième insert (744) vers la face principale (200A). Dispositif photonique (100) selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel la face support (210A) est assemblée avec une face de la couche support (200), dite face secondaire (200B), opposée à la face principale (200A) de ladite couche support. Dispositif photonique (100) selon la revendication 9, dans lequel le recouvrement par la couche de transfert (701) de l’une de la première et de la deuxième surface (601A, 602A) est partiel, et laisse libre d’accès une première section (601B) et une deuxième section (602B), respectivement, de la première surface (601A) et de la deuxième surface (602A), un premier fil (605) connecte directement le premier terminal (211) et le premier plot (601), tandis qu’un deuxième fil (606) connecte directement le deuxième terminal (212) et le deuxième plot (602), le premier terminal (211) et le deuxième terminal (212) étant disposés sur le substrat support (210). Dispositif photonique (100) selon la revendication 9, dans lequel la couche de transfert (701) comprend deux plots métalliques secondaires, dits respectivement, premier plot secondaire (703) et deuxième plot secondaire (704) accessibles par une face contact (701A) de la couche de transfert (701) en regard de la face supérieure (300B), une première bille métallique (705) connectant le premier plot secondaire (703) et le premier plot (601), et une deuxième bille métallique (706) connectant le deuxième plot secondaire (704) et le deuxième plot (602), le premier terminal (211) et le deuxième terminal (212) sont disposés sur la face contact (701A), le premier terminal (211) et le premier plot secondaire (703) sont connectés via une première ligne de redistribution, tandis que le deuxième terminal (212) et le deuxième plot secondaire (704) sont connectés via une deuxième ligne de redistribution. Dispositif photonique (100) selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel la face support est assemblée à la couche photonique par la face supérieure au moyen de billes métalliques (607, 608) assurant également la connexion électrique des premier et deuxième plots avec, respectivement le premier terminal et le deuxième terminal, le substrat support comprenant une ouverture traversante (213) traversant le substrat support de la face support vers une face du substrat support opposée à la face support, ladite ouverture traversante étant configurée pour permettre le positionnement des premiers moyens. Dispositif photonique (100) selon l’une des revendications 1 à 12, dans lequel ledit dispositif photonique (100) comprend des moyens de couplage configurés pour injecter un rayonnement laser émis par la source laser dans une fibre optique ou un réseau de fibres optiques. Dispositif photonique (100) selon la revendication 13, dans lequel les moyens de couplage sont configurés pour permettre le couplage par une tranche, dite tranche de couplage (200C), dudit dispositif perpendiculaire à la face principale (200A), avantageusement les moyens de couplage comprennent une lentille (800) associée à la tranche de couplage. Dispositif photonique (100) selon la revendication 13, dans lequel les moyens de couplage comprennent un réseau de diffraction (803) disposé dans la couche photonique (300) et configuré pour permettre un couplage optique par la face supérieure du rayonnement laser émis par le source laser et un fibre optique ou un réseau de fibres optiques.