COMPOSANT OPTO-ELECTRONIQUE COMPRENANT UN GUIDE OPTIQUE SEMI-CONDUCTEUR AVEC UN COEUR ACTIF A INDICE

OPTIQUE RENFORCE

Le domaine de l'invention est celui des composants optoélectroniques pouvant être de type : dispositifs d'émission optique comportant au moins une section laser d'émission, photodiodes ou modulateurs électro-optiques en matériau semi-conducteur, à puits quantiques mettant en jeu des transitions inter sous-bande.

Ce type de modulateur est très attractif pour des applications exigeant une bande passante jusqu'à plusieurs centaines de GHz. En effet, la relaxation des porteurs en sous-bandes peut-être plus de 100 fois plus rapide que celle entre les bandes de valence et de conduction. Il est possible de concevoir la modulation ou la détection aux longueurs d'ondes utilisées dans les télécommunications par fibre optique avec un système de matériaux Nl-V à base de GaN. On exploite dans ce cas une discontinuité de bande de conduction multi électron-volt du matériau actif à puits quantiques réalisé à partir de couches en GaN/AIN ou InGaN/AIGaN qui présente des niveaux électroniques séparés par l'énergie de transition en proche infrarouge IR. Le rayonnement correspondant peut être modulé ou détecté grâce à l'effet électro-absorbant selon l'absence ou la présence des porteurs (électrons) sur le niveau fondamental.

Afin de pouvoir exploiter la vitesse intrinsèque de la transition pour la modulation avec un signal électrique, le dispositif doit avoir de très faibles résistance et capacité parasites. Une structure en guide de lumière, similaire à celles utilisées dans les modulateurs Nl-V classiques ou dans les photodiodes latérales, est connue pour optimiser les effets électroabsorbants par rapport à la capacité parasite. Elle présente aussi l'avantage nécessaire de pouvoir contrôler la polarisation du rayonnement par rapport au plan de puits quantiques.

Cependant, la conception d'un guide dans GaN-AIN proche de l'accord de maille et présentant les pertes optiques faibles présente une difficulté à cause des indices optiques très proches due à l'énergie du rayonnement très loin du gap de tous les matériaux du guide. Une difficulté supplémentaire à résoudre est l'accès électrique au matériau actif à très faible produit (résistance x capacité). En particulier, l'obtention d'une

résistance faible limite le choix de matériau surtout pour les semiconducteurs à grand gap proches des isolants diélectriques. A titre d'exemple le matériau actif en GaN/AIN présente l'indice de 2.1 , tandis que le matériau conducteur permettant de réaliser des couches de contact ohmique en GaN dopée n, a un indice 2.3.

Le cas de GaN/AIN n'est pas limitatif. Une difficulté similaire peut exister dans d'autres familles de matériaux pour d'autres applications.

Par ailleurs il convient de concevoir des architectures comprenant à la fois des couches de confinement optique pour délimiter une structure guidante et des couches de contact ohmique permettant de commander électriquement la structure de type modulateur

Selon une approche classique il convient de rechercher un matériau de confinement avec un à indice plus faible que celui du cœur en puits quantiques GaN/AIN. Une première possibilité consiste à utiliser AIN (indice de 2.00) comme couche de confinement positionnée entre la couche de n-GaN sur laquelle on réalise la prise de contact ohmique et la zone active. Le schéma du composant est représenté sur la figure 1. Sur un substrat S, on réalise l'empilement de couches semiconductrices suivant : - une première couche de contact ohmique C _c i

- une première couche de confinement C _o i

- une zone active d'émission Z ₃

- une seconde couche de confinement C ₀₂

- une seconde couche de contact ohmique C _c2 Le confinement latéral est assuré grâce à la réalisation d'une mesa au sein des couches C _o i, Z ₃ , C ₀ 2 et C _c2

Le problème d'un tel dispositif est la difficulté de réaliser un dopage n et la très faible mobilité électronique dans AIN (300cm ² V ^~ V ¹ ) qui ne permet pas de réaliser un accès électrique à faible résistance entre le contact ohmique sur n-GaN et la zone active. On retrouve la même situation si le matériau AIN isolant est remplacé par un diélectrique transparent quelconque comme par exemple SiO ₂ ou SisN ₄ . Dans le cas d'un modulateur, ce type de dispositif pourrait tout de même fonctionner mais avec l'inconvénient de très fortes tensions de commande, dû au champ électrique

reparti sur une épaisseur 10 à 20 fois plus élevée que celle de la couche active.

Une seconde possibilité consiste toujours à utiliser AIN (ou un diélectrique transparent) comme couche de confinement. Par contre, la couche de contact n-GaN est positionnée entre la couche de confinement AIN et la zone active. Le schéma du composant est représenté sur la figure 2. Sur un substrat S, on réalise l'empilement de couches semiconductrices suivant : - une première couche de confinement C _o i

- une première couche de contact ohmique C _c i . une zone active d'émission Z ₃

- une seconde couche de contact ohmique C _C2

- une seconde couche de confinement C ₀₂ Le confinement latéral est assuré grâce à la réalisation d'une mesa au sein de la couche C ₀ 2-

La mobilité électronique de n-GaN est importante (1000 cm ² V ^" V ¹ ) mais le produit ( résistance x capacité) RC d'un tel dispositif est élevé car, pour éviter des pertes optiques, les métallisations des contacts ( non représentées) doivent être éloignées de la zone active où il y a confinement du mode. L'estimation du produit RC indique que ce dispositif ne permet pas une utilisation à très hautes fréquences (-3dB d'atténuation à 10GHz).

Dans ce contexte, la présente invention propose d'augmenter l'indice du cœur actif de la structure, pour pouvoir utiliser avantageusement des couches uniques permettant de jouer à la fois le rôle de couche de confinement optique et de couche de contact ohmique.

Plus précisément l'invention a pour objet un composant optoélectronique comportant un guide optique semi-conducteur avec un cœur actif comprenant une structure à puits quantiques à base de Al _x ln _y Ga _z N, avec x, y, z fractions molaires comprises entre 0 et 1 .insérée entre des couches de contact ohmique, à la surface d'un substrat, caractérisé en ce que le cœur comprend en outre au moins une couche de fort indice optique en un premier matériau semiconducteur à base de nitrure d'indium , ledit indice étant plus élevé que celui de ladite structure et en ce qu 'il comprend des couches de confinement optiques réalisées à partir d'un second

matériau semiconducteur à forte mobilité électronique de type GaN dopé n ou AIGaN dopé n, lesdites couches de confinement optique étant les couches de contact ohmique.

Selon une première variante de l'invention, le cœur actif peut comprendre de part et d'autre de la structure à puits quantiques deux couches en matériau de fort indice .

Selon une seconde variante de l'invention, le cœur actif peut comprendre deux structures à multipuits quantiques séparées entre elles par une couche de matériau à fort indice. Avantageusement le matériau à fort indice peut-être de type InN dopé n , InGaN dopé n ou bien encore AIGaInN dopé n.

Avantageusement le composant opto-électronique selon l'invention peut comprendre une architecture de type mesa de manière à confiner l'émission du guide selon une direction parallèle au plan des couches.

Avantageusement le composant opto-électronique selon l'invention peut comprendre un cœur actif confiné latéralement et verticalement au sein d'une couche de contact ohmique, de manière à réaliser le guide.

L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles :

- La figure 1 illustre un premier exemple de réalisation de composant opto-électronique avec un guide optique selon l'art connu.

- La figure 2 illustre un second exemple de réalisation de composant opto-électronique avec un guide optique selon l'art connu. - La figure 3 illustre une première variante de l'invention comprenant une couche de matériau à fort indice, intégrée entre deux structures à puits quantiques et comprenant une architecture de type mesa La figure 4 illustre une première variante de l'invention comprenant une couche de matériau à fort indice, intégrée

entre deux structures à puits quantiques et comprenant un cœur actif confiné latéralement

- La figure 5 illustre une seconde variante de l'invention comprenant deux couches de matériau à fort indice de part et d'autre d'une structure à puits quantiques et comprenant une architecture de type mesa

- La figure 6 illustre une seconde variante de l'invention comprenant deux couches de matériau à fort indice de part et d'autre d'une structure à puits quantiques et comprenant un cœur actif confiné latéralement

La figure 7 illustre des résultats de simulation pour un exemple de composant opto-électronique avec un guide selon la première variante de l'invention

- La figure 8 illustre des résultats de simulation pour un exemple de composant opto-électronique avec un guide selon la seconde variante de l'invention.

De manière générale, le composant opto-électronique selon l'invention peut-être un laser, un modulateur, une photodiode nécessitant un guidage.

Dans ce dernier cas la modulation peut-être réalisée directement sur le laser source en pilotant son courant d'alimentation ou en réalisant un composant intégré comportant, sur le même substrat, une section laser d'émission et une section de modulation de la puissance optique émise par le laser.

Le composant selon l'invention peut également être de type photodiode présentant une grande rapidité de réaction.

Selon l'invention, en intégrant dans le cœur de la structure, une couche de fort indice optique, il devient possible contrairement à l'art antérieur d'utiliser des couches classiques de forte mobilité électronique comme couches de confinement optique qui généralement présentent des indices optiques relativement élevés

Plus précisément il s'agit d'introduire des couches à fort indice optique dans le cœur ayant l'indice le plus faible de façon à garder ces propriétés actives. Le nouvel empilement de couches présentera l'indice

optique moyen du centre du guide, supérieur à celui des couches de confinement choisies pour leur bonne conductivité électrique.

Nous allons décrire ci-après un exemple du composant de type modulateur inter sous-bande GaN/AIN pour décrire la solution proposée ; Néanmoins l'idée de base s'applique à d'autres matériaux semi-conducteur comme InGaN/AIGaN.

Une des structures possibles utilise GaN dopé n ou AIGaN dopé n, bons conducteurs, comme couches de confinement et de contact et InN dopé n, InGaN dopé n ou AIGaInN dopé n, à indice supérieur de celui des couches de confinement, comme couches constituant notamment le cœur actif. Ce cœur actif a un indice plus fort que celui des couches de confinement et englobe la zone active d'indice faible. L'intérêt de n-InN ou n- InGaN est la grande mobilité électronique de ces matériaux (3000 cm ² V ^" V ¹ ). Il est donc possible de réduire la résistance d'accès par le haut de la structure en utilisant par exemple une structure en mesa et de diminuer le RC pour un emploi à haute fréquence.

Selon une première variante de l'invention, une couche centrale C _F est insérée entre deux structures à puits quantiques MPQi et MPQ ₂ , de manière à réaliser le cœur actif, au desus d'une première couche de confinement C _o i à la surface d'un substrat S. Une première solution pratique consiste à utiliser une couche d'indice élevé par d'exemple en InGaN dopé n (indice de 2.70) positionné au centre avec la zone active de part et d'autre (indice de 2.10). Le schéma du composant est représenté en figure 3 dans le cas d'un guide dont le confinement latéral est réalisé grâce à une architecture en mesa, au sein de la couche de confinement supérieure C ₀ 2

La figure 4 illustre la même variante avec une architecture de guide enterré, dans laquelle le cœur actif est confiné latéralement au sein d'une couche unique de confinement C ₀ .

Selon une seconde variante de l'invention, le guide peut comprendre deux couches de matériau à fort indice C _F i et CF2, pouvant typiquement être en n-InGaN (indice de 2.70) positionné de part et d'autre de la structure à puits quantique MPQ (indice de 2.10) de manière à former le cœur actif Le schéma du composant est représenté en figure 5, dans le cas d'un guide dont le confinement latéral est réalisé grâce à une architecture en mesa, au sein de la couche de confinement supérieure C ₀ 2-

La figure 6 illustre la même variante avec une architecture de guide enterré, dans laquelle le cœur actif est confiné latéralement au sein d'une couche unique de confinement C ₀ .

Plusieurs variantes d'empilement des couches du cœur actif sont envisageables à condition que I' indice moyen dudit empilement soit supérieur à celui des couches conductrices de confinement. On va avantageusement utiliser des empilements simples pour réduire la complexité technologique et qui optimisent le confinement du champ optique dans la couche active. De manière générale le guide actif proposé dans le composant opto-électronique selon l'invention présente l'avantage de réduire d'une façon très significative la résistance d'accès par rapport aux guides semiconducteurs opérant loin du gap et connus de l'état de l'art. Notamment, il autorise le choix des matériaux de confinement ayant l'indice supérieur de l'indice de la couche à effet actif (électro-absorption, électro-optique, absorption, gain etc.) qui, de cette façon, peuvent être choisis pour des propriétés de bonne conductivité.

Pour valider les performances des composants de l'invention décrits ci-dessus et notamment leur structure guidante, des simulations ont été réalisées à l'aide d'un logiciel « ALCOR » ( « Beam protocole method » développé par la société France Telecom) à partir des exemples de réalisation des variantes précédemment décrites :

Premier exemple de réalisation : Couches de confinement en n-GaN

Couche active en puits quantiques réalisés à partir de l'alternance de couches AIN / GaN

Couche à fort indice de part et d'autre de n-InGaN :

Une plaque épitaxiée est constituée sur substrat en AI ₂ O ₃ de : - 2μm de couche de confinement C01 en n-GaN,

- 0.05μm de couche active MPQi,

- 0.20μm de couche à fort indice C _F en n-InGaN,

- 0.05μm de couche active MPQ ₂

- et 1 μm de couche de confinement C ₀₂ en n-GaN.

On élabore une structure ruban pour assurer le confinement latéral de 0.75μm et de largeur de 2μm. Cette structure guide est monomode. Cette structure est modélisée en utilisant le logiciel ALCOR.

ALCOR donne comme résultat que la structure est monomode avec un indice moyen de 2.32 pour un confinement dans la zone active de 13.8%. Le mode est représenté sur la figure 7.

Deuxième exemple de réalisation :

Couches de confinement en n-GaN Couche active en multi-puits quantiques réalisés à partir de l'alternance de couches AIN / GaN

Couche à fort indice de part et d'autre de n-InGaN : Une plaque épitaxiée est constituée sur substrat AI ₂ O ₃ de :

- 2μm de confinement C ₀₁ en n-GaN, - 0.10μm de couche à fort indice CFI en n-InGaN,

- 0.10μm de couche active MPQ,

- 0.15μm de couche à fort indice CF2 en n-InGaN

- et 1 μm de couche de confinement Co ₂ βn n-GaN.

On élabore une structure ruban pour assurer le confinement latéral de 0.75μm et de largeur de 2μm. Cette structure guide est monomode. Cette structure est modélisée en utilisant le logiciel ALCOR.

ALCOR donne comme résultat que la structure est monomode avec un indice moyen de 2.32 pour un confinement dans la zone active de 15.4%. Le mode est représenté sur la figure 8. Les simulations ci-dessus prouvent le fonctionnement monomode, souvent recherché pour un couplage efficace avec fibres optiques, et la possibilité d'obtenir les facteurs de confinement optique dans le cœur actif compatibles avec le bon fonctionnement des dispositifs (>10%).