Brevet FR3150347A1 — publié le 20241227

L’invention concerne un composant optoélectronique à semi-conducteur comprenant un empilement de semi-conducteurs. Ledit empilement comporte une couche active, deux couches de confinement situées respectivement de part et d’autre de la couche active, deux couches d’électrode recouvrant chacune au moins en partie une couche respective parmi les couches de confinement. Une première face dudit empilement comprend un guide d’onde formé d’un ruban délimité par deux parois transverses, ledit guide d’onde comprenant au moins une portion de la couche de confinement adjacente à ladite première face, dite première couche de confinement, et au moins une portion de la couche d’électrode adjacente à ladite première face, dite première couche d’électrode. Ledit composant optoélectronique comprend en outre une couche métallique recouvrant au moins en partie la première face de l’empilement, ladite couche métallique venant en contact avec la portion de la première couche d’électrode située dans le guide d’onde ; une couche isolante située entre la couche métallique et la première face de l’empilement autour de la portion de la première couche d’électrode située dans le guide d’onde, ladite couche isolante comprenant, notamment étant formée par, du nitrure d’aluminium Composant optoélectronique à semi-conducteur ayant une dissipation thermique améliorée L’invention concerne le domaine des composants optoélectroniques à semi-conducteur. De tels composants optoélectroniques comprennent typiquement un empilement de couches de matériaux semi-conducteurs, notamment formé par épitaxie, destiné à émettre de la lumière à partir d’un courant électrique. Typiquement, le composant optoélectronique comprend deux contacts électriques pour acheminer le courant électrique dans l’empilement de semi-conducteurs. L’injection électrique est réalisée dans une zone active à l’origine de l’émission d’une onde lumineuse. A cet effet, une face de l’empilement comprend un guide d’onde formé d’un ruban délimité par deux parois transverses. Le guide d’onde peut être notamment défini par deux tranchées. Un des contacts électriques est positionné sur une face de l’empilement de semi-conducteurs. L’autre contact électrique est localisé au sommet du guide d’onde, de façon à localiser le champ électrique, et ainsi créer une zone active. Cependant, la conversion électro-optique n’est pas complète. Une partie de l’énergie délivrée par le courant injecté n’est pas transformée en onde lumineuse et se dissipe en chaleur par effet Joule. Dans le meilleur des cas, le taux de conversion est compris entre 60 et 65%, cependant il est généralement plus faible. Ainsi, lorsque la zone active émet de la lumière, le composant optoélectronique génère une chaleur qui est non négligeable. L’augmentation de température peut diminuer les performances, la fiabilité ou la durabilité du composant. La dissipation thermique de tels composants optoélectroniques est donc un problème primordial. Il est connu d’intégrer un dissipateur thermique sur l’empilement de semi-conducteurs. Cependant une telle solution peut ne pas être suffisante. En particulier, certaines topologies de composants optoélectroniques sont intrinsèquement désavantagées pour une dissipation thermique efficace. On connait des topologies de composants optoélectroniques comprenant des couches isolantes qui permettent de localiser l’injection électrique dans l’empilement de semi-conducteurs. De telles couches isolantes sont notamment réalisées en matériaux diélectriques, comme par exemple du dioxyde de silicium (SiO 2 ), du nitrure de silicium (Si 3 N 4 ) ou des matériaux polymères comme le benzocyclobutène. Cependant, ces matériaux ont de très faibles valeurs de conductivité thermique, par exemple de l’ordre de 1,2 W.m -1 .K -1 pour le dioxyde de silicium en couche mince, ou 2,5 W.m -1 .K -1 pour le nitrure de silicium en couche mince, ou 0,3 W.m -1 .K -1 pour le benzocyclobutène. Il est donc recherché une solution pour améliorer la dissipation thermique d’un composant optoélectronique à semi-conducteur. A cet effet, il est proposé un composant optoélectronique à semi-conducteur comprenant un empilement de semi-conducteurs, ledit empilement comportant une couche active, deux couches de confinement situées respectivement de part et d’autre de la couche active, deux couches d’électrode recouvrant chacune au moins en partie une couche respective parmi les couches de confinement, une première face dudit empilement comprenant un guide d’onde formé d’un ruban délimité par deux parois transverses, ledit guide d’onde comprenant au moins une portion de la couche de confinement adjacente à ladite première face, dite première couche de confinement, et au moins une portion de la couche d’électrode adjacente à ladite première face, dite première couche d’électrode, ledit composant optoélectronique comprenant en outre : une couche métallique recouvrant au moins en partie la première face de l’empilement, ladite couche métallique venant en contact avec la portion de la première couche d’électrode située dans le guide d’onde, une couche isolante située entre la couche métallique et la première face de l’empilement autour de la portion de la première couche d’électrode située dans le guide d’onde, ladite couche isolante comprenant, notamment étant formée par, du nitrure d’aluminium. Grâce au nitrure d’aluminium, le composant optoélectronique selon l’invention présente une dissipation thermique améliorée par rapport à l’art antérieur. Selon un mode de réalisation, chacune des parois transverses délimitant ledit guide d’onde forme une paroi latérale d’une tranchée respective formée dans la première face de l’empilement, chaque tranchée s’étendant depuis la première couche d’électrode jusque dans la première couche de confinement. Selon un mode de réalisation, une surface de ladite portion de la première couche d’électrode, comprise dans la première face, présente des ondulations. Selon une variante, les ondulations sont situées dans une surface de la première couche d’électrode qui est en contact avec la couche métallique. Selon une variante, lesdites ondulations forment, vu de dessus, un réseau de cavités. Selon une variante particulière, ledit réseau de cavités comprend, vu de dessus, des premières cavités arrondies ayant une première envergure et de secondes cavités arrondies ayant une seconde envergure, la première envergure étant supérieure à la seconde envergure et lesdites secondes cavités étant entre lesdites premières cavités. Selon une variante, les ondulations ont une hauteur comprise entre 500 et 900 nm. Selon un mode de réalisation, la portion de la première couche d’électrode située dans le guide d’onde présente une épaisseur minimale comprise entre 100 et 200 nm. Selon un mode de réalisation, le composant optoélectronique à semi-conducteur comprend un dissipateur thermique, et une surface externe de la portion de la première couche d’électrode est fixée contre le dissipateur thermique. L’invention concerne en outre un composant optoélectronique à semi-conducteur comprenant un empilement de semi-conducteurs, ledit empilement comportant une couche active, deux couches de confinement situées respectivement de part et d’autre de la couche active, deux couches d’électrode recouvrant chacune au moins en partie une couche respective parmi les couches de confinement, une première face dudit empilement comprenant un guide d’onde formé d’un ruban délimité par deux parois transverses, ledit guide d’onde comprenant au moins une portion de la couche de confinement adjacente à ladite première face, dite première couche de confinement, et au moins une portion de la couche d’électrode adjacente à ladite première face, dite première couche d’électrode, de manière à permettre, dans la couche active, une zone active entre les couches de confinement pour la formation d’une onde lumineuse, composant optoélectronique à semi-conducteur, dans lequel une surface de ladite portion de la première couche d’électrode, comprise dans la première face, présente des ondulations. Grâce aux ondulations, la portion de la première couche d’électrode comprise dans le guide d’onde a une surface externe plus grande par rapport à l’art antérieur, ce qui permet d’augmenter la surface de dissipation thermique et améliore le refroidissement du composant optoélectronique. Ces ondulations forment donc une structure de l’empilement semi-conducteur et sont ainsi au plus proche de la zone active qui génère de la chaleur. Cela permet un traitement de la chaleur plus rapide que dans l’art antérieur. Ce composant optoélectronique peut comprendre l’une quelconque des caractéristiques décrites en relation avec le composant optoélectronique précédent. D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit en relation aux figures annexées suivantes : : la illustre un empilement de semi-conducteurs d’un composant optoélectronique selon un exemple de l’invention ; : la illustre un composant optoélectronique selon un exemple de l’invention comprenant l’empilement représenté en ; : la illustre une étape de fabrication du composant optoélectronique selon un exemple de l’invention représenté en ; : la illustre une étape de fabrication du composant optoélectronique selon un exemple de l’invention représenté en ; : la illustre une étape de fabrication du composant optoélectronique selon un exemple de l’invention représenté en ; : la illustre un exemple de réseau de cavités utilisé dans le composant optoélectronique selon un exemple de l’invention représenté en . La illustre un empilement de semi-conducteurs 100 d’un composant optoélectronique selon un exemple de l’invention. L’empilement 100 comporte une couche active 103 dans laquelle une injection électrique permet d’obtenir un gain optique. Deux couches de confinement 104a, 104b sont situées respectivement de part et d’autre de la couche active 103. Notamment, une couche de confinement 104a est située d’un côté de la couche active 103 ; une autre couche de confinement 104b est située du côté opposé de la couche active 103. Les couches de confinement 104a, 104b ont en particulier des indices de réfraction inférieurs à celui de la couche active 103, permettant ainsi de confiner l’onde lumineuse dans la couche active 103 et de la guider. Deux couches d’électrode 106a, 106b recouvrent chacune au moins en partie une couche respective parmi les couches de confinement 104a, 104b. En particulier, une couche d’électrode 106a recouvre une couche de confinement 104a, notamment sur un côté opposé à la couche active 103 ; une autre couche d’électrode 106b recouvre l’autre couche de confinement 104b, notamment sur un côté opposé à la couche active 103. En particulier, les couches d’électrode 106a et de confinement 104a situées d’un côté de la couche active 103, et les couches d’électrode 106b et de confinement 104b situées de l’autre côté de la couche active 103 présentent des dopages de types opposés. Par exemple, en , les couches d’électrode 106a et de confinement 104a situées au-dessus de la couche active 103 ont un dopage de type p, et les couches d’électrode 106b et de confinement 104b situées en dessous de la couche active 103 ont un dopage de type n. Mais l’inverse est aussi possible. En particulier, dans les couches de confinement, 104a, 104b, le profil de dopage augmente progressivement depuis la couche active 103 vers chaque couche d’électrode 106a, 106b de manière à maximiser les recombinaisons radiatives des porteurs et permettre un seuil de transparence à proximité de la couche active. La couche active 103 peut comprendre une couche formant puits quantique 101. Notamment, deux couches optiques élargies 102a, 102b sont situées respectivement de part et d’autre de la couche formant puits quantique 101. La couche formant puits quantique 101 sert au confinement et à la recombinaison des charges électriques. Les couches optiques élargies permettent de confiner les photons. La couche active 103 peut comprendre plusieurs couches formant puit quantique 101 superposées l’une au-dessus de l’autre. La présente une vue partielle d’un composant optoélectronique 10 selon un exemple de l’invention, comprenant l’empilement de semi-conducteurs 100 illustré en . La correspond à une vue en coupe de l’empilement 100 illustré en , suivant une direction perpendiculaire au plan de la . Seules une première couche d’électrode 106a et une première couche de confinement 104a situées à proximité d’une première face S de l’empilement 100 sont représentées. La première face S de l’empilement 100 comprend un guide d’onde G. Le guide d’onde G forme un ruban défini par deux parois transverses 107,108. Une portion 1006a de la première couche d’électrode 106a et une portion 1004a de la première couche de confinement 104a sont comprises dans le guide d’onde G. Notamment, les parois 107, 108 coupent transversalement la première couche d’électrode 106a et la première couche de confinement 104a. Ainsi, en particulier, sur une première hauteur le guide d’onde G est formé par la portion 1006a de la première couche d’électrode 106a ; et sur une deuxième hauteur, le guide d’onde G est formé par la portion 1004a de la première couche de confinement 104a. Notamment, chaque paroi transverse 107, 108 coupe donc transversalement la première couche d’électrode 106a sur la première hauteur, et la première couche de confinement 104a sur la deuxième hauteur. Le guide d’onde G permet de définir, dans la couche active, une zone active à entre les couches de confinement 104a, 104b. De façon connue en soi, la zone active de la couche active forme un volume dans lequel l’onde lumineuse est produite. En particulier, lors du fonctionnement du composant optoélectronique 10, l’injection du courant électrique est localisée au niveau du sommet du guide d’onde G, permettant de former la zone active en dessous du guide d’onde G, et d’atteindre ainsi le gain nécessaire à l’obtention d’un laser. Une couche métallique 116 est déposée sur la première face S de l’empilement 100 pour permettre une injection électrique dans l’empilement à partir d’une source électrique. En particulier, la couche métallique 116 est en contact avec la portion 1006a de la première couche d’électrode 106a, située dans le guide d’onde G. Ainsi, la couche métallique 116 peut acheminer un courant électrique dans la portion 1006a de la première couche d’électrode 106a. Une couche isolante 118 est située entre la couche métallique 116 et la première face S de l’empilement 100 autour de la portion 1006a de la première couche d’électrode 106 située dans le guide d’onde G. Cette couche d’isolant 118 permet de localiser l’injection de courant dans la portion 1006a de la première couche d’électrode 106a. La couche isolante 118 comprend, notamment est formée par, du nitrure d’aluminium (AlN). Le nitrure d’aluminium a par exemple une conductivité thermique d’environ 20 W.m -1 .K -1 pour une couche de 10 nm d’épaisseur, ou une conductivité thermique d’environ 100 W.m -1 .K -1 pour une couche de 100 nm d’épaisseur. Le nitrure d’aluminium est particulièrement avantageux, car c’est un isolant qui présente une conductivité thermique supérieure aux isolants utilisés dans les composants optoélectroniques de l’art antérieur, tels que le dioxyde de silicium (SiO 2 ), le nitrure de silicium (Si 3 N 4 ) ou des matériaux polymères comme le benzocyclobutène. Du fait de sa proximité avec la zone active, la couche isolante 118 améliore la dissipation thermique par la première face S. En outre, le nitrure d’aluminium est optiquement transparent sur une gamme de longueur d’onde allant de l’ultraviolet jusqu’à 6 µm, ce qui le rend particulièrement avantageux dans des composants optoélectroniques émettant dans ces longueurs d’onde car il n’induira pas de pertes optiques. En particulier, le contact entre la couche métallique 116 et la portion 1006a de la première couche d’électrode 106a, située dans le guide d’onde G, est localisée sur une portion extrémale du guide d’onde G située entre les parois transverses 107, 108 de sorte que lorsqu’un champ électrique est appliqué, il s’exerce verticalement, dans la direction d’empilement. L’empilement 100 peut comprendre des tranchées 113, 114 dans la première face S pour définir le guide d’onde G. En définissant le guide d’onde G avec des tranchées 113, 114, on obtient une protection mécanique du guide d’onde G par le reste de la première face S. Alternativement, le guide d’onde G pourrait être défini en gravant toute la portion de la première face S entourant le guide d’onde G, de manière à obtenir une surface intégralement plane autour du guide d’onde G. Notamment, chaque paroi transverse 107, 108 du guide d’onde G forme une paroi latérale d’une tranchée 113, 114. Les tranchées 113, 114 sont formées dans la première face S de l’empilement de semi-conducteurs 100, et s’étendent de la surface de la première couche d’électrode 106a jusque dans la première couche de confinement 104a. La portion 1006a de la première couche d’électrode 106a comprise dans le guide d’onde G a une première surface Se comprise dans la première face S de l’empilement 100. Contrairement à l’art antérieur, dans le composant optoélectronique 10, la première surface Se de la couche d’électrode 106a peut présenter des ondulations W. Ces ondulations W permettent d’augmenter la surface externe de la première couche d’électrode 106a et, ce faisant, la surface de dissipation thermique. Cela améliore encore l’évacuation, par la première face S de l’empilement 100, de la chaleur émise lors de la production d’onde lumineuse par la zone active. En outre, l’augmentation de la surface externe de la première couche d’électrode 106a permet de diminuer la résistance électrique de contact entre la première couche d’électrode 106a et la couche métallique 116 faisant contact électrique. Vu de dessus, les ondulations W peuvent former un réseau de cavités 110, 112, notamment un réseau régulier de cavités, comme par exemple illustré schématiquement en . En formant des cavités sur la surface on obtient facilement les ondulations W. Les parois latérales des cavités 110, 112, forment des surfaces de dissipation thermique supplémentaires par rapport à un art antérieur dans lequel la surface Se de la portion 1006a de la première couche d’électrode 106a, comprise dans le guide d’onde G, est plane. Dans l’exemple illustré en , les cavités 110, 112 ont des formes arrondies, en particulier en forme de cercle. Des premières cavités 110 ont une envergure, en particulier un diamètre, qui est supérieure à l’envergure, en particulier le diamètre, des deuxièmes cavités 112. Les deuxièmes cavités 112 sont situées entre les premières cavités. Un tel réseau de cavités permet de répartir efficacement les ondulations sur la surface Se de la couche d’électrode 106a. Le réseau de cavités forme notamment un réseau régulier. Les cavités 110, 112 pourraient avoir des formes autres qu’arrondie. Pour préserver la fonctionnalité électrique de la portion 1006a de la première couche d’électrode 106a située dans le guide d’onde G, la portion 1006a présente notamment une épaisseur minimale de 150 nm. Dans le guide d’onde G, la première couche d’électrode 106a, notamment la portion 1006a, présente par exemple une épaisseur entre la première couche de confinement 1004a et les ondulations W, qui est supérieure ou égale à une valeur comprise entre 100 et 200nm. Cette épaisseur minimale garantit que la première couche d’électrode 106a a suffisamment de charges électriques pour assurer sa fonction d’électrode. Une épaisseur désigne notamment une distance considérée suivant la direction d’empilement. Ainsi, par rapport à l’art antérieur, la portion 1006a de la première couche d’électrode 106a, située dans le guide d’onde G, comprend notamment une surépaisseur dans laquelle les ondulations W sont formées. Il est préférable que les ondulations W ne soient pas trop hautes pour permettre un remplissage des surfaces concaves des ondulations W lors de la formation d’un contact électrique sur la portion 1006a. Cependant, les hauteurs des ondulations W sont de préférence significatives pour obtenir une amélioration de la dissipation thermique par rapport à l’art antérieur. Ainsi, par exemple, les ondulations ont une hauteur comprise entre 500 et 900 nm. La hauteur d’une ondulation désigne notamment la distance entre deux points extrémaux de l’ondulation. Notamment, la couche métallique 116 recouvre les ondulations W. Ainsi, la chaleur évacuée par les ondulations W peut être directement transmise par la couche métallique 116. En particulier, la couche d’isolant 118 et la couche métallique 116 s’étendent dans les tranchées 113, 114. Notamment, la couche d’isolant 118 et la couche métallique 116 s’étendent le long des parois des tranchées 113, 114, laissant un volume libre dans les tranchées 113, 114. En particulier, la couche métallique 116 s’étend le long des parois des ondulations W de façon à laisser un volume libre dans les creux des ondulations W. Ces volumes libres facilitent la fixation d’un dissipateur thermique sur la première face S de l’empilement 100. Notamment, lors d’une telle fixation, la couche métallique 116 et la couche d’isolant 118 se retrouvent entre la première face S de l’empilement 100 et le dissipateur thermique. En particulier, une brasure utilisée pour la fixation du dissipateur thermique peut remplir les volumes libres, améliorant ainsi la fixation du dissipateur. Les figures 3 à 5 illustrent un exemple de procédé de fabrication du composant optoélectronique illustré en . L’empilement de couches de semi-conducteur 100, par exemple illustré en , est notamment formé par épitaxie, par exemple par une épitaxie par jet moléculaire ou MOCVD. En , seules la première couche d’électrode 106a et la première couche de confinement 104a sont représentées. On procède ensuite à un marquage ou une lithographie de la première face S de l’empilement 100, de manière à définir des zones de gravure pour former le guide laser G. Puis on procède à la gravure, suite à quoi les tranchées 113, 114 sont notamment formées, comme illustré par exemple en . On procède ensuite au dépôt de la couche d’isolant 118 en nitrure d’aluminium sur la première face S de l’empilement 100. Un tel dépôt peut être effectué par pulvérisation électrique ou réactive, par un procédé de dépôt par couche atomique ou ALD (pour « Atomic Layer Deposition » en anglais) ou fast ALD (pour un ALD rapide). En , les ondulations W sont formées par des étapes de lithographie et de gravure de la couche d’isolant 118 et de la première couche d’électrode 106a. Ensuite, la couche métallique 116 est déposée pour obtenir le composant optoélectronique illustré en . Le composant optoélectronique 10 peut être par exemple un laser à semi-conducteur, tel qu’un laser à cascade quantique, ou une diode électroluminescente, en particulier une diode laser. Le composant optoélectronique 10 peut adresser des domaines spectraux dans la gamme du proche au moyen infrarouge, en fonction des matériaux semi-conducteurs utilisés. Le composant optoélectronique est particulièrement avantageux dans des applications où la gestion thermique est particulièrement contraignante. Composant optoélectronique à semi-conducteur (10) comprenant un empilement de semi-conducteurs (100), ledit empilement (100) comportant une couche active (103), deux couches de confinement (104a, 104b) situées respectivement de part et d’autre de la couche active (103), deux couches d’électrode (106a, 106b) recouvrant chacune au moins en partie une couche respective parmi les couches de confinement, une première face (S) dudit empilement (100) comprenant un guide d’onde (G) formé d’un ruban délimité par deux parois transverses (107,108), ledit guide d’onde (G) comprenant au moins une portion (1004a) de la couche de confinement (104a) adjacente à ladite première face (S), dite première couche de confinement, et au moins une portion (1006a) de la couche d’électrode (106a) adjacente à ladite première face (S), dite première couche d’électrode, ledit composant optoélectronique (10) comprenant en outre : une couche métallique (116) recouvrant au moins en partie la première face (S) de l’empilement (100), ladite couche métallique (116) venant en contact avec la portion (1006a) de la première couche d’électrode (106a) située dans le guide d’onde (G), une couche isolante (118) située entre la couche métallique (116) et la première face (S) de l’empilement (100) autour de la portion (1006a) de la première couche d’électrode (106a) située dans le guide d’onde (G), ladite couche isolante (118) comprenant, notamment étant formée par, du nitrure d’aluminium. Composant optoélectronique à semi-conducteur (10) selon la revendication 1, dans lequel chacune des parois transverses (107,108) délimitant ledit guide d’onde (G) forme une paroi latérale d’une tranchée (113, 114) respective formée dans la première face (S) de l’empilement (100), chaque tranchée (107,108) s’étendant depuis la première couche d’électrode (106a) jusque dans la première couche de confinement (104a). Composant optoélectronique à semi-conducteur (10) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel une surface (Se) de ladite portion (1006a) de la première couche d’électrode (106a), comprise dans la première face (S), présente des ondulations (W). Composant optoélectronique à semi-conducteur (10) selon la revendication 3, dans lequel les ondulations (W) sont situées dans une surface de la première couche d’électrode (106a) qui est en contact avec la couche métallique (116). Composant optoélectronique à semi-conducteur (10) selon la revendication 3 ou 4, dans lequel lesdites ondulations (W) forment, vu de dessus, un réseau de cavités (110, 112). Composant optoélectronique à semi-conducteur (10) selon la revendication précédente, dans lequel ledit réseau de cavités comprend, vu de dessus, des premières cavités arrondies (110) ayant une première envergure et de secondes cavités arrondies (112) ayant une seconde envergure, la première envergure étant supérieure à la seconde envergure et lesdites secondes cavités (112) étant entre lesdites premières cavités (110). Composant optoélectronique à semi-conducteur (10) selon l’une des revendications 3 à 6, dans lequel les ondulations (W) ont une hauteur comprise entre 500 et 900 nm. Composant optoélectronique à semi-conducteur (10) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la portion (1006a) de la première couche d’électrode (106a) située dans le guide d’onde (G) présente une épaisseur minimale comprise entre 100 et 200 nm. Composant optoélectronique à semi-conducteur (10) selon l’une des revendications précédentes, comprenant un dissipateur thermique et dans lequel, une surface externe de la portion (1006a) de la première couche d’électrode (106a) est fixée contre le dissipateur thermique.