CA2769478A1 - Dispositifs electro-optiques bases sur la variation d'indice ou d'absorption dans des transitions isb - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne des composants électro-optiques à transition intersousbande par confinement quantique entre deux matériaux de type nitrure d'éléments de groupe III, typiquement par GaN/AIN. Elle concerne en outre des dispositifs ou systèmes incluant de tels composants, ainsi qu'un procédé de fabrication d'un tel composant. Selon l'invention, un tel composant (2) est du type comprenant au moins une région active (23) incluant au moins deux couches barrières dites extérieures (BLO, BL3) entourant une ou plusieurs structures quantiques (QWl, QW2, QW3) dopées « N », et est caractérisé en ce que ladite ou lesdites structures quantiques sont entourées chacune par deux zones barrières (BLO, BLl, BL2, BL3) non intentionnellement dopées d'une épaisseur d'au moins cinq couches monoatomiques.
Description
Dispositifs électro-optiques basés sur la variation d'indice ou d'absorption dans des transitions ISB
La présente invention concerne des composants électro-optiques à
transition intersousbande par confinement quantique entre deux matériaux de type nitrure d'éléments de groupe III.
Elle concerne en outre des dispositifs ou systèmes incluant de tels composants, ainsi qu'un procédé de fabrication d'un tel composant.
Domaine technique L'invention se situe dans le domaine de l'optoélectronique et la photonique, en particulier pour des applications dans les domaines des télécommunications optiques et des interconnexions optiques dans les circuits intégrés.
Le domaine de l'optoélectronique comprend différents types de composants traitant ou générant de la lumière, par exemple pour émettre des signaux lumineux destinés mesurer une grandeur comme dans de l'interférométrie, ou comme dans le domaine des télécommunications pour communiquer par des signaux comprenant de la lumière modulée transmise dans des fibres optiques.
Dès lors qu'un système utilise à la fois des signaux électriques et des signaux basés sur de la lumière, des composants de conversion électronique/optique sont nécessaires.
Par exemple, un modulateur électro-optique est un élément permettant de transférer une information depuis un signal électrique vers une onde optique, par exemple pour transformer une information numérique sous forme électronique en un signal numérique optique qui sera envoyé dans une fibre optique pour une transmission longue distance.
D'autres types d'émetteurs peuvent prendre la forme d'une diode classique (non cohérente) ou d'une diode laser, par exemple pour servir de source lumineuse.
D'autres composants optoélectroniques peuvent être aussi des filtres optiques accordables en longueur d'onde à commande électrique pour séparer certaines longueurs d'onde ou extraire un canal d'une transmission multi bandes, des dispositifs pour le routage optique reconfigurable à
La présente invention concerne des composants électro-optiques à
transition intersousbande par confinement quantique entre deux matériaux de type nitrure d'éléments de groupe III.
Elle concerne en outre des dispositifs ou systèmes incluant de tels composants, ainsi qu'un procédé de fabrication d'un tel composant.
Domaine technique L'invention se situe dans le domaine de l'optoélectronique et la photonique, en particulier pour des applications dans les domaines des télécommunications optiques et des interconnexions optiques dans les circuits intégrés.
Le domaine de l'optoélectronique comprend différents types de composants traitant ou générant de la lumière, par exemple pour émettre des signaux lumineux destinés mesurer une grandeur comme dans de l'interférométrie, ou comme dans le domaine des télécommunications pour communiquer par des signaux comprenant de la lumière modulée transmise dans des fibres optiques.
Dès lors qu'un système utilise à la fois des signaux électriques et des signaux basés sur de la lumière, des composants de conversion électronique/optique sont nécessaires.
Par exemple, un modulateur électro-optique est un élément permettant de transférer une information depuis un signal électrique vers une onde optique, par exemple pour transformer une information numérique sous forme électronique en un signal numérique optique qui sera envoyé dans une fibre optique pour une transmission longue distance.
D'autres types d'émetteurs peuvent prendre la forme d'une diode classique (non cohérente) ou d'une diode laser, par exemple pour servir de source lumineuse.
D'autres composants optoélectroniques peuvent être aussi des filtres optiques accordables en longueur d'onde à commande électrique pour séparer certaines longueurs d'onde ou extraire un canal d'une transmission multi bandes, des dispositifs pour le routage optique reconfigurable à
-2-commande électrique ou des détecteurs de lumière par exemple pour transformer des signaux de lumière en signaux électroniques dans un système de réception ou de réémission.
Etat de la technique Dans le domaine de l'optoélectronique, il est connu d'utiliser des structures de dimensions nanométriques combinant des semi conducteurs, en particulier à base d'éléments du groupe III et du groupe V, pour former des structures quantiques correspondant à des transitions de niveau d'énergie des électrons interagissant avec les longueurs d'onde lumineuses utilisées.
Ces structures quantiques peuvent présenter différentes forme telles que des couches bidimensionnelles d'épaisseur quantique formant des puits quantiques, alternées avec des couches bidimensionnelles formant des couches barrières. On utilise aussi des structures incluant des boîtes quantiques par exemple de forme sensiblement cylindriques, voire sous la forme de nano fils, noyées au sein d'un matériau formant barrière.
Il est à noter que des types différents de composants optoélectroniques utilisent parfois des structures quantiques et des matériaux similaires, et qu'une même technologie permet ainsi de réaliser plusieurs types de composants en organisant différemment l'implantation de la région active, par exemple par rapport aux électrodes ou par rapport au(x) guide(s) d'onde.
InP - Télécommunications (NIR) Dans le domaine des télécommunications, les longueurs d'onde utilisées sont celles du proche infra rouge (NIR pour near Infra Red ), et plus particulièrement de l'ordre de 800 nm à 1600 nm, typiquement 1,55 dam.
En particulier dans le domaine des télécommunications, il est connu d'utiliser des couples de matériaux tels que le InGaAsP pour former les structures quantiques, par exemple des couches formant puits quantiques (QW pour Quantum Well ), et du InAlAs ou du InP pour les structures barrières. Le matériau formant le puit quantique est choisi pour sa bande interdite plus étroite que celle du matériau formant barrière.
Etat de la technique Dans le domaine de l'optoélectronique, il est connu d'utiliser des structures de dimensions nanométriques combinant des semi conducteurs, en particulier à base d'éléments du groupe III et du groupe V, pour former des structures quantiques correspondant à des transitions de niveau d'énergie des électrons interagissant avec les longueurs d'onde lumineuses utilisées.
Ces structures quantiques peuvent présenter différentes forme telles que des couches bidimensionnelles d'épaisseur quantique formant des puits quantiques, alternées avec des couches bidimensionnelles formant des couches barrières. On utilise aussi des structures incluant des boîtes quantiques par exemple de forme sensiblement cylindriques, voire sous la forme de nano fils, noyées au sein d'un matériau formant barrière.
Il est à noter que des types différents de composants optoélectroniques utilisent parfois des structures quantiques et des matériaux similaires, et qu'une même technologie permet ainsi de réaliser plusieurs types de composants en organisant différemment l'implantation de la région active, par exemple par rapport aux électrodes ou par rapport au(x) guide(s) d'onde.
InP - Télécommunications (NIR) Dans le domaine des télécommunications, les longueurs d'onde utilisées sont celles du proche infra rouge (NIR pour near Infra Red ), et plus particulièrement de l'ordre de 800 nm à 1600 nm, typiquement 1,55 dam.
En particulier dans le domaine des télécommunications, il est connu d'utiliser des couples de matériaux tels que le InGaAsP pour former les structures quantiques, par exemple des couches formant puits quantiques (QW pour Quantum Well ), et du InAlAs ou du InP pour les structures barrières. Le matériau formant le puit quantique est choisi pour sa bande interdite plus étroite que celle du matériau formant barrière.
3 PCT/FR2010/051636 Ces matériaux sont utilisés par exemple pour réaliser des modulateurs électro-optiques bipolaires (c'est à dire à deux types de porteur : les électrons et les trous) à transition inter bande ( interband ) fonctionnant par absorption. Un tel modulateur comprend une région active comprenant une ou plusieurs structures quantiques. Lorsque l'on soumet la région active à une différence de potentiel, il se produit une modification les caractéristiques optiques de cette région active, dans ce cas sous la forme d'une variation de l'absorption lumineuse.
En commandant cette différence de potentiel par un signal électronique et en injectant dans cette région active une lumière régulière fournie par une source, on peut ainsi moduler l'intensité de la lumière sortant du composant et réaliser ainsi un modulateur électro-optique.
En plaçant cette région active en travers d'un signal optique, on peut aussi réaliser un filtre à commande électrique.
Dans l'état actuel de la technique, ce type de composant permet de fournir des contrastes d'intensité à partir de 10 dB, qui sont un minimum pour les applications de télécommunications. Il est cependant intéressant d'améliorer ce contraste, par exemple pour faciliter le décodage du signal mais aussi pour pouvoir diminuer l'encombrement des composants. En effet, le contraste total obtenu dépend de la longueur sur laquelle s'effectue la modulation.
Par ailleurs, ce type de composant permet une largeur spectrale de modulation (FWHM pour Full Width at Half Maximum ) de l'ordre de 50 meV à une longueur d'onde de 1,3 à 1.55 dam. Cette valeur de FWHM
donne un ratio de longueurs d'onde qui influe directement la dérive de fréquence ( chirp en anglais) et donc sur la qualité de séparation entre plusieurs canaux de fréquence au sein d'un même guide d'onde.
Un modulateur électro-optique peut aussi fonctionner par variation de phase : dans une configuration où la mise sous tension produit un changement de réfraction de la région active, et donc de la vitesse de transmission de la lumière. En injectant un signal régulier dans cette région active, on peut ainsi moduler sa phase par la commande de la différence de potentiel. Un tel modulateur de phase peut par exemple être incorporé dans
En commandant cette différence de potentiel par un signal électronique et en injectant dans cette région active une lumière régulière fournie par une source, on peut ainsi moduler l'intensité de la lumière sortant du composant et réaliser ainsi un modulateur électro-optique.
En plaçant cette région active en travers d'un signal optique, on peut aussi réaliser un filtre à commande électrique.
Dans l'état actuel de la technique, ce type de composant permet de fournir des contrastes d'intensité à partir de 10 dB, qui sont un minimum pour les applications de télécommunications. Il est cependant intéressant d'améliorer ce contraste, par exemple pour faciliter le décodage du signal mais aussi pour pouvoir diminuer l'encombrement des composants. En effet, le contraste total obtenu dépend de la longueur sur laquelle s'effectue la modulation.
Par ailleurs, ce type de composant permet une largeur spectrale de modulation (FWHM pour Full Width at Half Maximum ) de l'ordre de 50 meV à une longueur d'onde de 1,3 à 1.55 dam. Cette valeur de FWHM
donne un ratio de longueurs d'onde qui influe directement la dérive de fréquence ( chirp en anglais) et donc sur la qualité de séparation entre plusieurs canaux de fréquence au sein d'un même guide d'onde.
Un modulateur électro-optique peut aussi fonctionner par variation de phase : dans une configuration où la mise sous tension produit un changement de réfraction de la région active, et donc de la vitesse de transmission de la lumière. En injectant un signal régulier dans cette région active, on peut ainsi moduler sa phase par la commande de la différence de potentiel. Un tel modulateur de phase peut par exemple être incorporé dans
-4-un interféromètre pour fournir une modulation de phase, par exemple un interféromètre en anneau ou un interféromètre de type Mac Zehnder.
Actuellement, ce type de composant permet une variation de l'indice de réfraction de l'ordre de 10-3 (0,001).
A partir de ces matériaux, il a aussi été réalisé des modulateurs unipolaires à transition inter sous bande ( ISB pour InterSubBand ), mais uniquement en fonctionnement par absorption, et dans des longueurs d'onde peu utiles pour les applications de télécommunications, par exemple A=10 dam. En effet, dans les dispositifs ISB à base d'InGaAs/AIInAs sur InP
ou de GaAs/AIGaAs, la longueur d'onde minimale est limitée respectivement à A=3,5 dam et A=8 dam.
GaN - Infra rouge moyen (MIR) Dans d'autres domaines de longueurs d'onde, de l'ordre de 1 dam à
dam, il a été proposé d'utiliser des nitrures, et en particulier le matériau 15 GaN, pour réaliser des composants unipolaires à transition inter sous bande (ISB).
Le document US 6,593,589 décrit en particulier un modulateur unipolaire ISB fonctionnant par absorption autour de 5,2 dam, utilisant les couples QW-BL (pour Quantum Well - Barrier Layer ) : GaN-AIN ou GaN-20 InN ou InGaN-GaN. Il décrit des couches formant puits quantiques d'une épaisseur de 4 à 5 nm. De tels composants sont utilisés par exemple dans l'émission ou la détection aérienne, pour profiter de fenêtres de transparence atmosphérique aux longueurs d'onde 3-5 dam et 8-12 dam.
Les configurations proposées comprennent un ou deux puits quantiques, lesquels sont séparés par deux barrières minces choisies de façon à être pénétrables par effet tunnel.
Des travaux plus récents on développé l'utilisation du GaN pour des composants unipolaires ISB dans des longueurs d'ondes de 1 à 2,4 dam pour une différence de potentiel de 30V. Or il est intéressant de pouvoir utiliser des tensions les plus faibles possibles, par exemple pour être compatible avec les tensions d'alimentations couramment utilisées dans nombres de systèmes électroniques, souvent en 12V, voire 10V et surtout 3V.
Ainsi, Nevou et al. 2007 (Appt. Phys. Lett. 90, 223511, 2007) et Kheirodin et al. 2008 (IEEE Photon. Technol. Lett., vol.20, no.9, p1041-
Actuellement, ce type de composant permet une variation de l'indice de réfraction de l'ordre de 10-3 (0,001).
A partir de ces matériaux, il a aussi été réalisé des modulateurs unipolaires à transition inter sous bande ( ISB pour InterSubBand ), mais uniquement en fonctionnement par absorption, et dans des longueurs d'onde peu utiles pour les applications de télécommunications, par exemple A=10 dam. En effet, dans les dispositifs ISB à base d'InGaAs/AIInAs sur InP
ou de GaAs/AIGaAs, la longueur d'onde minimale est limitée respectivement à A=3,5 dam et A=8 dam.
GaN - Infra rouge moyen (MIR) Dans d'autres domaines de longueurs d'onde, de l'ordre de 1 dam à
dam, il a été proposé d'utiliser des nitrures, et en particulier le matériau 15 GaN, pour réaliser des composants unipolaires à transition inter sous bande (ISB).
Le document US 6,593,589 décrit en particulier un modulateur unipolaire ISB fonctionnant par absorption autour de 5,2 dam, utilisant les couples QW-BL (pour Quantum Well - Barrier Layer ) : GaN-AIN ou GaN-20 InN ou InGaN-GaN. Il décrit des couches formant puits quantiques d'une épaisseur de 4 à 5 nm. De tels composants sont utilisés par exemple dans l'émission ou la détection aérienne, pour profiter de fenêtres de transparence atmosphérique aux longueurs d'onde 3-5 dam et 8-12 dam.
Les configurations proposées comprennent un ou deux puits quantiques, lesquels sont séparés par deux barrières minces choisies de façon à être pénétrables par effet tunnel.
Des travaux plus récents on développé l'utilisation du GaN pour des composants unipolaires ISB dans des longueurs d'ondes de 1 à 2,4 dam pour une différence de potentiel de 30V. Or il est intéressant de pouvoir utiliser des tensions les plus faibles possibles, par exemple pour être compatible avec les tensions d'alimentations couramment utilisées dans nombres de systèmes électroniques, souvent en 12V, voire 10V et surtout 3V.
Ainsi, Nevou et al. 2007 (Appt. Phys. Lett. 90, 223511, 2007) et Kheirodin et al. 2008 (IEEE Photon. Technol. Lett., vol.20, no.9, p1041-
-5-1135 May 1, 2008) décrivent une amélioration des performances en utilisant une région active de vingt périodes comprenant chacune un puits quantique couplé (CQW pour Coupled Quantic Well ), lui-même formé
par des couches planes empilées au sein d'une région active plan, avec le couple de matériaux QW-BL en GaN-AIN.
Ce puits quantique couplé est constitué d'une couche puits quantique dite réservoir, d'une épaisseur de 3 nm, suivie d'une couche barrière suffisamment fine pour être pénétrée par effet tunnel, d'une épaisseur de 1 nm, suivie d'une couche formant un puits quantique étroit d'une épaisseur de1nm.
Ces travaux soulignent les performances de vitesses apportées par la transition ISB. Kheirodin et al. indique que le temps de passage de l'électron par effet tunnel d'un puits à l'autre est une limite à la vitesse intrinsèque du modulateur, et propose pour améliorer cette caractéristique de diminuer les dimensions de la région active du modulateur, par exemple en l'insérant directement dans le guide d'onde.
Ces technologies présentent un certain nombre d'inconvénients, ou seraient utilement améliorées, par exemple en matière de performance, de simplicité et de souplesse d'ingénierie ou de compacité.
En outre, la diminution des dimensions de la région active entraine une diminution de la longueur d'interaction, ce qui peut être néfaste pour d'autres performances, par exemple en matière de contraste d'intensité.
Par ailleurs, l'évolution des matériels et des réseaux en matière de télécommunications rend utile et intéressant toutes les améliorations disponibles, en particulier en matière de performances, par exemple en vitesse ou contraste ou spécificité spectrale ou stabilité de fréquence, ainsi qu'en matière de compacité, de simplicité et de liberté de conception et d'implantation et de réalisation.
Un but de l'invention est de fournir une technologie palliant tout ou partie des inconvénients de l'état de la technique, et permettant tout ou partie de ces améliorations.
Exposé de l'invention L'invention propose un composant électro-optique à transition intersousbande par confinement quantique entre deux matériaux de type
par des couches planes empilées au sein d'une région active plan, avec le couple de matériaux QW-BL en GaN-AIN.
Ce puits quantique couplé est constitué d'une couche puits quantique dite réservoir, d'une épaisseur de 3 nm, suivie d'une couche barrière suffisamment fine pour être pénétrée par effet tunnel, d'une épaisseur de 1 nm, suivie d'une couche formant un puits quantique étroit d'une épaisseur de1nm.
Ces travaux soulignent les performances de vitesses apportées par la transition ISB. Kheirodin et al. indique que le temps de passage de l'électron par effet tunnel d'un puits à l'autre est une limite à la vitesse intrinsèque du modulateur, et propose pour améliorer cette caractéristique de diminuer les dimensions de la région active du modulateur, par exemple en l'insérant directement dans le guide d'onde.
Ces technologies présentent un certain nombre d'inconvénients, ou seraient utilement améliorées, par exemple en matière de performance, de simplicité et de souplesse d'ingénierie ou de compacité.
En outre, la diminution des dimensions de la région active entraine une diminution de la longueur d'interaction, ce qui peut être néfaste pour d'autres performances, par exemple en matière de contraste d'intensité.
Par ailleurs, l'évolution des matériels et des réseaux en matière de télécommunications rend utile et intéressant toutes les améliorations disponibles, en particulier en matière de performances, par exemple en vitesse ou contraste ou spécificité spectrale ou stabilité de fréquence, ainsi qu'en matière de compacité, de simplicité et de liberté de conception et d'implantation et de réalisation.
Un but de l'invention est de fournir une technologie palliant tout ou partie des inconvénients de l'état de la technique, et permettant tout ou partie de ces améliorations.
Exposé de l'invention L'invention propose un composant électro-optique à transition intersousbande par confinement quantique entre deux matériaux de type
-6-nitrure d'éléments de groupe III. Selon l'invention, ce composant comprend au moins une région active incluant au moins deux couches barrières dites extérieures entourant une ou plusieurs structures quantiques dopées N .
Dans tous les modes de réalisation, cette ou ces structures quantiques sont entourées chacune par deux zones barrières non intentionnellement dopées d'une épaisseur suffisante pour éviter le passage d'électrons par effet tunnel, notamment d'une épaisseur minimale de plus de quatre couches monoatomiques, c'est à dire d'au moins cinq couches monoatomiques voire au moins six ou huit épaisseurs monoatomiques.
Dans le cas d'une seule structure quantique, celle-ci est entourée par les deux couches barrières extérieures, lesquelles sont non intentionnellement dopées et présentent cette épaisseur minimale.
Dans le cas où une même région active comprend plusieurs structures quantiques, au moins deux structures quantiques successives (et avantageusement toutes) sont toutes dopées N et sont séparées deux à
deux par une zone barrière non intentionnellement dopée réalisant cette épaisseur minimale.
L'épaisseur des barrières extérieures dépend de la conception du composant complet et notamment de la composition des couches de confinement. Leur épaisseur de plus de quatre monocouches peut aussi être notablement plus importante, et conditionne la gamme de tension de fonctionnement du dispositif.
Selon une particularité non obligatoire, les couches barrières de séparations entre structures quantiques peuvent être d'épaisseurs égales entre elles, à une ou deux épaisseurs monoatomiques près.
Selon une autre particularité non obligatoire, ces structures quantiques successives présentent une épaisseur identique entre elles, à
une ou deux épaisseurs monoatomiques près.
Dans un type particulier de mode de réalisation, le composant selon l'invention comprend au moins une région active incluant une pluralité de structures quantiques successives séparées deux à deux par une zone barrière non intentionnellement dopée, d'une épaisseur suffisante pour
Dans tous les modes de réalisation, cette ou ces structures quantiques sont entourées chacune par deux zones barrières non intentionnellement dopées d'une épaisseur suffisante pour éviter le passage d'électrons par effet tunnel, notamment d'une épaisseur minimale de plus de quatre couches monoatomiques, c'est à dire d'au moins cinq couches monoatomiques voire au moins six ou huit épaisseurs monoatomiques.
Dans le cas d'une seule structure quantique, celle-ci est entourée par les deux couches barrières extérieures, lesquelles sont non intentionnellement dopées et présentent cette épaisseur minimale.
Dans le cas où une même région active comprend plusieurs structures quantiques, au moins deux structures quantiques successives (et avantageusement toutes) sont toutes dopées N et sont séparées deux à
deux par une zone barrière non intentionnellement dopée réalisant cette épaisseur minimale.
L'épaisseur des barrières extérieures dépend de la conception du composant complet et notamment de la composition des couches de confinement. Leur épaisseur de plus de quatre monocouches peut aussi être notablement plus importante, et conditionne la gamme de tension de fonctionnement du dispositif.
Selon une particularité non obligatoire, les couches barrières de séparations entre structures quantiques peuvent être d'épaisseurs égales entre elles, à une ou deux épaisseurs monoatomiques près.
Selon une autre particularité non obligatoire, ces structures quantiques successives présentent une épaisseur identique entre elles, à
une ou deux épaisseurs monoatomiques près.
Dans un type particulier de mode de réalisation, le composant selon l'invention comprend au moins une région active incluant une pluralité de structures quantiques successives séparées deux à deux par une zone barrière non intentionnellement dopée, d'une épaisseur suffisante pour
-7-éviter le passage d'électrons par effet tunnel, notamment d'une épaisseur d'au moins cinq couches monoatomiques.
Plusieurs structures quantiques sont souhaitables par exemple pour augmenter l'absorption dans l'état absorbant et la compacité du dispositif.
Tout dépend des performances désirées par le concepteur du composant, par exemple dans le compromis entre d'une part simplicité et coût de fabrication et d'autre part performances et/ou compacité du composant.
De façon avantageuse, dans le composant selon l'invention, les structures quantiques comprennent en majorité du Nitrure de Gallium et les zones barrières comprennent en majorité du Nitrure d'Aluminium ou du AIGaN.
Ces matériaux sont particulièrement bien adaptés à la mise en oeuvre de l'invention, par exemple par la discontinuité de potentiel en bande de conduction AEc=1,75 eV pour GaN/AIN, et en raison des capacités techniques actuelles qui permettent depuis au moins 2006 la réalisation de structures de couches précises à une ou deux couches monoatomiques près, et d'une épaisseur pouvant descendre jusqu'à trois couches monoatomiques.
Dans le cas d'une application de type télécommunication, l'épaisseur des structures quantiques est déterminée pour accorder ce composant sur une longueur d'onde comprise entre 1,0 dam et 1,7 dam.
Un mode de réalisation préféré de l'invention propose un tel composant agencé selon une architecture réalisant un modulateur électro-optique. Un tel modulateur peut être agencé pour fonctionner par absorption, par exemple pour optimiser prioritairement le contraste obtenu.
Il peut aussi être agencé pour fonctionner par modulation de l'indice de réfraction, par exemple pour privilégier la variation de phase.
Dans d'autres modes de réalisation, l'architecture de région active selon l'invention peut aussi être utilisée dans un composant agencé selon une architecture réalisant en particulier :
- un modulateur à transfert de charges, ou - un photodétecteur, par exemple à cascade quantique, ou - un émetteur électro-optique, ou - un commutateur électro-optique ,
Plusieurs structures quantiques sont souhaitables par exemple pour augmenter l'absorption dans l'état absorbant et la compacité du dispositif.
Tout dépend des performances désirées par le concepteur du composant, par exemple dans le compromis entre d'une part simplicité et coût de fabrication et d'autre part performances et/ou compacité du composant.
De façon avantageuse, dans le composant selon l'invention, les structures quantiques comprennent en majorité du Nitrure de Gallium et les zones barrières comprennent en majorité du Nitrure d'Aluminium ou du AIGaN.
Ces matériaux sont particulièrement bien adaptés à la mise en oeuvre de l'invention, par exemple par la discontinuité de potentiel en bande de conduction AEc=1,75 eV pour GaN/AIN, et en raison des capacités techniques actuelles qui permettent depuis au moins 2006 la réalisation de structures de couches précises à une ou deux couches monoatomiques près, et d'une épaisseur pouvant descendre jusqu'à trois couches monoatomiques.
Dans le cas d'une application de type télécommunication, l'épaisseur des structures quantiques est déterminée pour accorder ce composant sur une longueur d'onde comprise entre 1,0 dam et 1,7 dam.
Un mode de réalisation préféré de l'invention propose un tel composant agencé selon une architecture réalisant un modulateur électro-optique. Un tel modulateur peut être agencé pour fonctionner par absorption, par exemple pour optimiser prioritairement le contraste obtenu.
Il peut aussi être agencé pour fonctionner par modulation de l'indice de réfraction, par exemple pour privilégier la variation de phase.
Dans d'autres modes de réalisation, l'architecture de région active selon l'invention peut aussi être utilisée dans un composant agencé selon une architecture réalisant en particulier :
- un modulateur à transfert de charges, ou - un photodétecteur, par exemple à cascade quantique, ou - un émetteur électro-optique, ou - un commutateur électro-optique ,
-8-- ou un filtre optique à bande commandée électriquement, ou - une combinaison de ces types de fonctions.
En effet, le champ d'application de l'invention est potentiellement très large. Outre les composants de conversion utilisés par exemple dans les télécommunications, l'invention s'applique aussi à des composants ou dispositifs tels que les filtres accordables, le routage optique reconfigurable ainsi que des capteurs optiques pour la chimie ou la biologie, et d'autres applications mettant à profit la variation d'absorption ou d'indice.
Il est par exemple possible de réaliser un commutateur en insérant la région active au sein d'un guide d'onde ou d'un faisceau que l'on souhaite interrompre ou autoriser.
De plus, il est envisageable d'utiliser ce type de région active pour réaliser un filtre dont la longueur d'onde de filtrage est commandée de façon électrique, par le réglage de la différence de potentiel appliquée à la région active.
En particulier, les structures quantiques peuvent être des couches essentiellement bidimensionnelles, en particulier planes, formant puits quantiques. Chacun de ces puits quantiques est entouré de chaque côté par au moins une couche bidimensionnelle, en particulier plane, formant barrière.
De façon avantageuse, un tel composant est agencé pour fonctionner avec une polarisation de la lumière perpendiculaire au plan des couches formant les structures quantiques, ou à une surface tangente à ces couches.
Dans un mode de réalisation typique, un modulateur électro-optique selon l'invention comporte une région active incluant trois puits quantiques successifs non couplés.
Par exemple pour un composant accordé sur des fréquences de types télécommunications et plus précisément dans le domaine spectral A=1,3 dam à A=1,55 dam, les puits quantiques sont en GaN dopé N et présentent une épaisseur de 4 à 6 couches monoatomiques (soit environ 1 à 1,5 nm).
Ces couches puits quantiques sont alors séparées l'une de l'autre par des couches barrières en AIN non intentionnellement dopé présentant une épaisseur de cinq couches monoatomiques ou plus.
En effet, le champ d'application de l'invention est potentiellement très large. Outre les composants de conversion utilisés par exemple dans les télécommunications, l'invention s'applique aussi à des composants ou dispositifs tels que les filtres accordables, le routage optique reconfigurable ainsi que des capteurs optiques pour la chimie ou la biologie, et d'autres applications mettant à profit la variation d'absorption ou d'indice.
Il est par exemple possible de réaliser un commutateur en insérant la région active au sein d'un guide d'onde ou d'un faisceau que l'on souhaite interrompre ou autoriser.
De plus, il est envisageable d'utiliser ce type de région active pour réaliser un filtre dont la longueur d'onde de filtrage est commandée de façon électrique, par le réglage de la différence de potentiel appliquée à la région active.
En particulier, les structures quantiques peuvent être des couches essentiellement bidimensionnelles, en particulier planes, formant puits quantiques. Chacun de ces puits quantiques est entouré de chaque côté par au moins une couche bidimensionnelle, en particulier plane, formant barrière.
De façon avantageuse, un tel composant est agencé pour fonctionner avec une polarisation de la lumière perpendiculaire au plan des couches formant les structures quantiques, ou à une surface tangente à ces couches.
Dans un mode de réalisation typique, un modulateur électro-optique selon l'invention comporte une région active incluant trois puits quantiques successifs non couplés.
Par exemple pour un composant accordé sur des fréquences de types télécommunications et plus précisément dans le domaine spectral A=1,3 dam à A=1,55 dam, les puits quantiques sont en GaN dopé N et présentent une épaisseur de 4 à 6 couches monoatomiques (soit environ 1 à 1,5 nm).
Ces couches puits quantiques sont alors séparées l'une de l'autre par des couches barrières en AIN non intentionnellement dopé présentant une épaisseur de cinq couches monoatomiques ou plus.
-9-Selon une particularité, la région active d'un tel composant est entourée de deux couches de confinement d'une certaine épaisseur, par exemple d'au moins 0,4 micromètre, et est disposée dans une partie en forme d'arête ou de mesa formant un guide d'onde par variation ou par saut d'indice.
Ces couches de confinement sont par exemple en Alo.5Gao.5N
dopées n . Elles assurent le confinement optique du mode guidé par saut d'indice et sont aussi utilisées pour former les contacts électriques, jouant ainsi également un rôle de couche de contact.
L'une de ces deux couches de confinement (ou de contact) porte à sa surface une ou plusieurs électrodes d'une première polarité, par exemple une électrode unique sur la plus grande partie de sa surface extérieure, du côté opposé à la région active.
L'autre couche de confinement (ou de contact) porte à sa surface une ou plusieurs électrodes d'une deuxième polarité, par exemple deux électrodes de même polarité portées à la surface de deux épaulements de la couche de confinement s'étendant de chaque côté de l'axe du guide d'onde.
Le guide d'onde formé par les couches de confinement et la région active peut être par exemple disposé sur au moins une couche tampon en semi conducteur, par exemple un nitrure d'élément du groupe III tel que du AIN. Cette couche tampon est portée elle-même par un substrat, par exemple du saphir.
D'autres configurations connues peuvent aussi être utilisées, utilisant par exemple un substrat conducteur portant une électrode de la deuxième polarité sur sa surface du côté opposé au guide d'onde.
Selon un autre aspect, l'invention propose un dispositif ou un système comprenant au moins un composant tel qu'exposé ici.
Elle propose aussi un procédé de fabrication d'un composant ou d'un dispositif ou système optoélectronique, comprenant des étapes de réalisation utilisant des techniques de fabrication connues de l'homme du métier choisies, agencées et combinées pour réaliser un composant tel qu'exposé.
Ces couches de confinement sont par exemple en Alo.5Gao.5N
dopées n . Elles assurent le confinement optique du mode guidé par saut d'indice et sont aussi utilisées pour former les contacts électriques, jouant ainsi également un rôle de couche de contact.
L'une de ces deux couches de confinement (ou de contact) porte à sa surface une ou plusieurs électrodes d'une première polarité, par exemple une électrode unique sur la plus grande partie de sa surface extérieure, du côté opposé à la région active.
L'autre couche de confinement (ou de contact) porte à sa surface une ou plusieurs électrodes d'une deuxième polarité, par exemple deux électrodes de même polarité portées à la surface de deux épaulements de la couche de confinement s'étendant de chaque côté de l'axe du guide d'onde.
Le guide d'onde formé par les couches de confinement et la région active peut être par exemple disposé sur au moins une couche tampon en semi conducteur, par exemple un nitrure d'élément du groupe III tel que du AIN. Cette couche tampon est portée elle-même par un substrat, par exemple du saphir.
D'autres configurations connues peuvent aussi être utilisées, utilisant par exemple un substrat conducteur portant une électrode de la deuxième polarité sur sa surface du côté opposé au guide d'onde.
Selon un autre aspect, l'invention propose un dispositif ou un système comprenant au moins un composant tel qu'exposé ici.
Elle propose aussi un procédé de fabrication d'un composant ou d'un dispositif ou système optoélectronique, comprenant des étapes de réalisation utilisant des techniques de fabrication connues de l'homme du métier choisies, agencées et combinées pour réaliser un composant tel qu'exposé.
- 10-Avantages apportés De façon générale, le composant selon l'invention et en particulier le modulateur présente un grand nombre d'avantages, par exemple en matière de performances mais aussi par une simplification de l'ingénierie et un large domaine d'emploi.
Ces avantages comprennent en particulier Meilleur contraste d'intensité : Les avantages apportés par l'invention comprennent en particulier une amélioration du contraste d'intensité, obtenu à température ambiante à environ 14 dB pour une différence de potentiel de 7V et à environ 10 dB pour 5V, dans une bande spectrale allant de 1,2 dam à 1,6 dam. A titre de comparaison, la valeur de 14 dB permet un taux d'erreur à la détection de l'ordre de 10-15 alors que la valeur de 12 dB
de l'état de la technique donnait un taux d'erreur de l'ordre de 10-9, soit une amélioration d'un facteur valant 10 à la puissance six.
Meilleur contraste d'indice : Dans le cas d'un modulateur fonctionnant en modulation de phase, la variation de réfraction obtenue est de l'ordre de An=10-2 (0,01), ce qui constitue une amélioration d'un facteur dix.
Amélioration du chirp de modulation : On obtient en outre une exaltation de la variation d'indice au voisinage de la ligne d'absorption, ce qui rend le fonctionnement plus stable, en particulier en diminuant la dérive de fréquence lors de la modulation.
Plus grande largeur spectrale de la ligne d'absorption : La spécificité
spectrale obtenue est améliorée à environ 100 meV pour une transition de 0,9 eV soit a,=1,38 dam, ce qui conduit à un ratio de valant environ 25%. Cette largeur spectrale est en particulier largement supérieure par rapport aux modulateurs électro-absorbants à base d'effet Franz-Keldysh ou Stark confiné. Cela permet de meilleures performances ou un traitement aval facilité, par exemple en matière de séparation des canaux.
Ajustement simplifié de la position de la liane d'absorption: la structure simplifiée des puits quantiques non couplés permet une plus grande liberté de conception de l'architecture de la région active, et donc plus facile à adapter au cahier des charges. En effet, l'ajustement de la position spectrale de la ligne d'absorption se fait par le contrôle de
Ces avantages comprennent en particulier Meilleur contraste d'intensité : Les avantages apportés par l'invention comprennent en particulier une amélioration du contraste d'intensité, obtenu à température ambiante à environ 14 dB pour une différence de potentiel de 7V et à environ 10 dB pour 5V, dans une bande spectrale allant de 1,2 dam à 1,6 dam. A titre de comparaison, la valeur de 14 dB permet un taux d'erreur à la détection de l'ordre de 10-15 alors que la valeur de 12 dB
de l'état de la technique donnait un taux d'erreur de l'ordre de 10-9, soit une amélioration d'un facteur valant 10 à la puissance six.
Meilleur contraste d'indice : Dans le cas d'un modulateur fonctionnant en modulation de phase, la variation de réfraction obtenue est de l'ordre de An=10-2 (0,01), ce qui constitue une amélioration d'un facteur dix.
Amélioration du chirp de modulation : On obtient en outre une exaltation de la variation d'indice au voisinage de la ligne d'absorption, ce qui rend le fonctionnement plus stable, en particulier en diminuant la dérive de fréquence lors de la modulation.
Plus grande largeur spectrale de la ligne d'absorption : La spécificité
spectrale obtenue est améliorée à environ 100 meV pour une transition de 0,9 eV soit a,=1,38 dam, ce qui conduit à un ratio de valant environ 25%. Cette largeur spectrale est en particulier largement supérieure par rapport aux modulateurs électro-absorbants à base d'effet Franz-Keldysh ou Stark confiné. Cela permet de meilleures performances ou un traitement aval facilité, par exemple en matière de séparation des canaux.
Ajustement simplifié de la position de la liane d'absorption: la structure simplifiée des puits quantiques non couplés permet une plus grande liberté de conception de l'architecture de la région active, et donc plus facile à adapter au cahier des charges. En effet, l'ajustement de la position spectrale de la ligne d'absorption se fait par le contrôle de
-11-l'épaisseur des structures formant puits quantiques. Chacune ne comprenant qu'une seule région continue (puits non couplés) et non deux région couplées comme dans l'état de la technique (puits couplés), le contrôle de l'épaisseur de cette région est plus facile et a moins de répercussions annexes sur d'autre caractéristiques de fonctionnement de l'ensemble.
Pour un modulateur ou un détecteur ou un émetteur, il est ainsi possible d'accorder plus facilement la structure du composant à la longueur d'onde à traiter. Pour le couple GaN/AIN, les transitions ISB peuvent être accordées dans la plage 1,3 dam - 1,55 dam en utilisant des épaisseurs de GaN de 4 à 6 couches monoatomiques, soit de 1 à 1,5 nm.
Faible sensibilité à la température de la position de la ligne d'absorption, qui permet un fonctionnement plus stable et plus facile à
gérer.
Ingénierie de l'indice de réfraction : cet indice peut être ajusté en contrôlant la composition et l'épaisseur des couches de la région active, en particulier pour les structures quantiques.
Large domaine spectral de transparence : permettant d'utiliser ou de traiter des flux lumineux allant du spectre Ultra Violet au proche Infra Rouge.
Maîtrise du confinement du mode optique : se faisant par contraste d'indice, ce qui apporte performances et simplicité d'ingénierie par exemple pour la conception des circuits.
Valeur de l'indice de réfraction : située aux environs de 2,2, elle permet la réalisation de composants très compacts. Il peut s'agir par exemple de la possibilité de fabriquer des barrettes avec un grand nombre de pixels, par exemple pour l'imagerie.
Caractéristiques électriques : l'invention permet un faible effet thermique, de l'ordre de 10-5 K-1 pour An/AT. Elle permet aussi une diminution de la résistivité, autorisant d'utiliser des différences de potentiel de l'ordre de 12V ou 10V voire 5V ou 3V. Cela qui permet une intégration plus facile et plus économique dans de nombreux systèmes électroniques, qui sont souvent alimentés en tension continue inférieure à ces valeurs.
Pour un modulateur ou un détecteur ou un émetteur, il est ainsi possible d'accorder plus facilement la structure du composant à la longueur d'onde à traiter. Pour le couple GaN/AIN, les transitions ISB peuvent être accordées dans la plage 1,3 dam - 1,55 dam en utilisant des épaisseurs de GaN de 4 à 6 couches monoatomiques, soit de 1 à 1,5 nm.
Faible sensibilité à la température de la position de la ligne d'absorption, qui permet un fonctionnement plus stable et plus facile à
gérer.
Ingénierie de l'indice de réfraction : cet indice peut être ajusté en contrôlant la composition et l'épaisseur des couches de la région active, en particulier pour les structures quantiques.
Large domaine spectral de transparence : permettant d'utiliser ou de traiter des flux lumineux allant du spectre Ultra Violet au proche Infra Rouge.
Maîtrise du confinement du mode optique : se faisant par contraste d'indice, ce qui apporte performances et simplicité d'ingénierie par exemple pour la conception des circuits.
Valeur de l'indice de réfraction : située aux environs de 2,2, elle permet la réalisation de composants très compacts. Il peut s'agir par exemple de la possibilité de fabriquer des barrettes avec un grand nombre de pixels, par exemple pour l'imagerie.
Caractéristiques électriques : l'invention permet un faible effet thermique, de l'ordre de 10-5 K-1 pour An/AT. Elle permet aussi une diminution de la résistivité, autorisant d'utiliser des différences de potentiel de l'ordre de 12V ou 10V voire 5V ou 3V. Cela qui permet une intégration plus facile et plus économique dans de nombreux systèmes électroniques, qui sont souvent alimentés en tension continue inférieure à ces valeurs.
- 12 -Par ailleurs, l'invention permet au composant une bonne tenue mécanique, en température, au flux d'optique et aux radiations ionisantes.
De plus, les matériaux mis en jeu sont d'une nature biocompatible, et peu gênants du point de vue du respect de l'environnement Les avantages cités ici s'ajoutent en outre aux avantages déjà connus pour l'utilisation de transition ISB.
Rapidité intrinsèque : Il s'agit par exemple d'un fonctionnement ultra-rapide obtenu entre autre par la rapidité de relaxation ISB via phonons LO :
aux environs de 0,15 ps à 0,4 ps, permettant d'envisager par exemple des composants du type commutateur tout optique fonctionnant dans le régime Tbit/s.
Tout ou partie de ces avantages s'appliquent aussi pour de nombreux composants électro-optiques utilisant des transitions interbandes autres que le modulateur, par exemple ceux cités plus haut.
Autres types de composants Il est à noter que des structures de couches de GaN formant puits quantiques sont utilisées dans des composants différents et fonctionnant selon un mécanisme différent, pour réaliser des commutateurs ou switchs tout-optique, comme décrits dans les documents JP 2005 215395 et JP 2001 108950.
Ainsi le document JP 2005 215395 décrit un conducteur optique réalisant une fonction de switch tout optique, et non pas électro-optique. Ce switch tout-optique comprend un empilement de couches de nitride de semiconducteur formant puits quantiques, dans le but de fonctionner avec une plus faible énergie de commutation.
L'empilement de couches présente la forme d'une arête ou mesa, de largeur décroissante par paliers, formant un guide d'onde optique. Cette arête reçoit une lumière d'entrée par une extrémité d'entrée et émet par une extrémité de sortie une lumière commandée par transition intersousbande et fonctionnant par absorption saturable sous l'action de l'énergie de la lumière d'entrée.
Ce type de composant est typiquement utilisé pour produire un signal lumineux de sortie à partir d'un signal lumineux d'entrée. Il peut s'agir par
De plus, les matériaux mis en jeu sont d'une nature biocompatible, et peu gênants du point de vue du respect de l'environnement Les avantages cités ici s'ajoutent en outre aux avantages déjà connus pour l'utilisation de transition ISB.
Rapidité intrinsèque : Il s'agit par exemple d'un fonctionnement ultra-rapide obtenu entre autre par la rapidité de relaxation ISB via phonons LO :
aux environs de 0,15 ps à 0,4 ps, permettant d'envisager par exemple des composants du type commutateur tout optique fonctionnant dans le régime Tbit/s.
Tout ou partie de ces avantages s'appliquent aussi pour de nombreux composants électro-optiques utilisant des transitions interbandes autres que le modulateur, par exemple ceux cités plus haut.
Autres types de composants Il est à noter que des structures de couches de GaN formant puits quantiques sont utilisées dans des composants différents et fonctionnant selon un mécanisme différent, pour réaliser des commutateurs ou switchs tout-optique, comme décrits dans les documents JP 2005 215395 et JP 2001 108950.
Ainsi le document JP 2005 215395 décrit un conducteur optique réalisant une fonction de switch tout optique, et non pas électro-optique. Ce switch tout-optique comprend un empilement de couches de nitride de semiconducteur formant puits quantiques, dans le but de fonctionner avec une plus faible énergie de commutation.
L'empilement de couches présente la forme d'une arête ou mesa, de largeur décroissante par paliers, formant un guide d'onde optique. Cette arête reçoit une lumière d'entrée par une extrémité d'entrée et émet par une extrémité de sortie une lumière commandée par transition intersousbande et fonctionnant par absorption saturable sous l'action de l'énergie de la lumière d'entrée.
Ce type de composant est typiquement utilisé pour produire un signal lumineux de sortie à partir d'un signal lumineux d'entrée. Il peut s'agir par
- 13 -exemple de régénérer la forme des signaux au sein d'un conducteur optique, ou de connecter deux circuits optiques entre eux par une liaison du type photonic cross-connect (PXC) aussi appelé transparent cross-connect (OXC).
Des modes de réalisation variés de l'invention sont prévus, intégrant les différentes caractéristiques optionnelles exposées ici, selon l'ensemble de leurs combinaisons possibles.
D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels :
- les FIGURE la et b illustrent un état de la technique utilisant une vingtaine de périodes de couches puits quantiques couplés de GaN
séparés par des couches barrières de AIN ;
- la FIGURE 2 est un schéma illustrant le principe d'un modulateur électro-optique dans un mode de réalisation de l'invention, recevant une source lumineuse par la tranche ou selon l'angle de Brewster ;
- la FIGURE 3 est un schéma de principe en coupe illustrant l'architecture du modulateur de la FIGURE 2 ;
- la FIGURE 4 est un schéma de principe en coupe illustrant l'architecture de la région active du modulateur de la FIGURE 2 ;
- les FIGURE 5a et b sont des schémas de fonctionnement illustrant la variation d'énergie selon l'épaisseur de la région active de la FIGURE 4, o FIGURE 5a : avec une différence de potentiel négative, et o FIGURE 5b : avec une différence de potentiel positive ;
- la FIGURE 6 est une courbe illustrant la variation du contraste d'intensité en fonction de la différence de potentiel appliqué aux électrodes du modulateur de la FIGURE 2, en mode d'illumination par la tranche.
Des modes de réalisation variés de l'invention sont prévus, intégrant les différentes caractéristiques optionnelles exposées ici, selon l'ensemble de leurs combinaisons possibles.
D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels :
- les FIGURE la et b illustrent un état de la technique utilisant une vingtaine de périodes de couches puits quantiques couplés de GaN
séparés par des couches barrières de AIN ;
- la FIGURE 2 est un schéma illustrant le principe d'un modulateur électro-optique dans un mode de réalisation de l'invention, recevant une source lumineuse par la tranche ou selon l'angle de Brewster ;
- la FIGURE 3 est un schéma de principe en coupe illustrant l'architecture du modulateur de la FIGURE 2 ;
- la FIGURE 4 est un schéma de principe en coupe illustrant l'architecture de la région active du modulateur de la FIGURE 2 ;
- les FIGURE 5a et b sont des schémas de fonctionnement illustrant la variation d'énergie selon l'épaisseur de la région active de la FIGURE 4, o FIGURE 5a : avec une différence de potentiel négative, et o FIGURE 5b : avec une différence de potentiel positive ;
- la FIGURE 6 est une courbe illustrant la variation du contraste d'intensité en fonction de la différence de potentiel appliqué aux électrodes du modulateur de la FIGURE 2, en mode d'illumination par la tranche.
- 14-Description détaillée des figures Les FIGURE la et b illustrent un état de la technique décrit par Nevou et al. 2007 (Appt. Phys. Lett. 90, 223511, 2007) et Kheirodin et al. 2008 (IEEE Photon. Technol. Lett., vol.20, no.9, p1041-1135 May 1, 2008). Cette publication présente un modulateur utilisant dans région active une vingtaine de périodes de couches puits quantiques couplés de GaN séparés par des couches barrières de AIN.
La FIGURE lb est une photo en coupe d'une partie de la région active, qui montre environ cinq paires de puits couplés CQW séparés par des couches barrières de 2,7 nm de AIN (en gris foncé). Chacun de ces puits couplés CQW comprend un puits quantique réservoir QWR d'une épaisseur de 3 nm et un puits quantique dopé-n QWN d'une épaisseur de 1 nm, tous deux en GaN (en gris clair). Au sein de chacun de ces paires de puits couplés CQW, les deux régions en GaN sont séparées par une barrière de couplage BLI d'une épaisseur de 1 nm en AIN (en gris foncé).
La FIGURE la est un graphique représentant l'absorption obtenue (échelle à gauche) en fonction de la longueur d'onde (échelle au dessus) ou de l'énergie (échelle au dessous) de la lumière utilisée.
L'insert au sein de cette FIGURE la représente le mode de fonctionnement d'une paire CQW de ces puits couplés, et les variations d'énergie (échelle à gauche) en fonction de sa structure transversale aux différentes couches (échelle en dessous). La répartition horizontale des variations en dents de scie correspond ainsi à la structure des différentes couches de cette paire CQW de puits couplés, soient successivement de gauche à droite : QWR, puis BLI, puis QWN.
Les FIGURE 2 et FIGURE 3 sont des schémas représentant schématiquement l'architecture d'un modulateur électro-optique dans un exemple de mode de réalisation de l'invention.
En FIGURE 2 est illustré le principe de fonctionnement d'un tel modulateur 2. Ce modulateur comprend une région active 23 formant un guide d'onde entre deux régions de confinement 22 et 24. Cette région active est commandée par au moins une électrode 26 d'une première polarité et au moins une électrode (ici répartie en deux éléments 251
La FIGURE lb est une photo en coupe d'une partie de la région active, qui montre environ cinq paires de puits couplés CQW séparés par des couches barrières de 2,7 nm de AIN (en gris foncé). Chacun de ces puits couplés CQW comprend un puits quantique réservoir QWR d'une épaisseur de 3 nm et un puits quantique dopé-n QWN d'une épaisseur de 1 nm, tous deux en GaN (en gris clair). Au sein de chacun de ces paires de puits couplés CQW, les deux régions en GaN sont séparées par une barrière de couplage BLI d'une épaisseur de 1 nm en AIN (en gris foncé).
La FIGURE la est un graphique représentant l'absorption obtenue (échelle à gauche) en fonction de la longueur d'onde (échelle au dessus) ou de l'énergie (échelle au dessous) de la lumière utilisée.
L'insert au sein de cette FIGURE la représente le mode de fonctionnement d'une paire CQW de ces puits couplés, et les variations d'énergie (échelle à gauche) en fonction de sa structure transversale aux différentes couches (échelle en dessous). La répartition horizontale des variations en dents de scie correspond ainsi à la structure des différentes couches de cette paire CQW de puits couplés, soient successivement de gauche à droite : QWR, puis BLI, puis QWN.
Les FIGURE 2 et FIGURE 3 sont des schémas représentant schématiquement l'architecture d'un modulateur électro-optique dans un exemple de mode de réalisation de l'invention.
En FIGURE 2 est illustré le principe de fonctionnement d'un tel modulateur 2. Ce modulateur comprend une région active 23 formant un guide d'onde entre deux régions de confinement 22 et 24. Cette région active est commandée par au moins une électrode 26 d'une première polarité et au moins une électrode (ici répartie en deux éléments 251
- 15 -et 252) d'une deuxième polarité commandées par un dispositif 3 de commande électrique par variation de tension.
Dans une configuration, la région active 23 reçoit un flux lumineux 41 par la tranche. Ce flux est conduit au sein de la région active et en ressort de l'autre côté en un flux lumineux de sortie 42.
Dans une autre configuration, un flux lumineux 411 pénètre à travers la couche de confinement supérieure 24 selon l'angle de Brewster 410, et la traverse jusqu'à la région active 23. Ce flux est alors guidé par cette région active et en ressort en un flux lumineux de sortie 42.
Sous l'effet de la différence de potentiel entre les électrodes 251, 252 d'une part et 26 d'autre part, la région active 24 présente une absorption lumineuse qui varie en fonction de la commande électrique 3 sur une certaine longueur de modulation LM. Le flux lumineux la traversant en ressort donc avec une intensité 42 modulée selon la commande électrique 3.
Dans une configuration de modulateur, avec une commande électrique 3 recevant un signal électrique d'entrée, on obtient en sortie un flux lumineux 42 modulé en fonction de ce même signal électrique de commande. Cette modulation peut être appliquée à un flux lumineux 41 d'entrée provenant d'une source régulière telle qu'un laser, ou bien être appliquée à un flux lumineux 41 comprenant déjà lui-même un signal.
On peut aussi utiliser la commande électrique 3 pour commander en tout ou rien une absorption du flux lumineux d'entrée 41, et ainsi obtenir une atténuation voire un blocage de ce flux d'entrée 41, réalisant un commutateur ou un filtre commandé pour ce flux d'entrée 41.
Les FIGURE 3 et FIGURE 4 représentent plus précisément cet exemple d'architecture de modulateur 2.
Cette architecture est obtenue par croissance successive, selon des procédés connus de l'homme du métier, ou selon ceux cités dans les documents énoncés précédemment.
Sur un substrat 20, par exemple en saphir, on fait croître une couche tampon 21 de 1 dam de AIN.
Dans une configuration, la région active 23 reçoit un flux lumineux 41 par la tranche. Ce flux est conduit au sein de la région active et en ressort de l'autre côté en un flux lumineux de sortie 42.
Dans une autre configuration, un flux lumineux 411 pénètre à travers la couche de confinement supérieure 24 selon l'angle de Brewster 410, et la traverse jusqu'à la région active 23. Ce flux est alors guidé par cette région active et en ressort en un flux lumineux de sortie 42.
Sous l'effet de la différence de potentiel entre les électrodes 251, 252 d'une part et 26 d'autre part, la région active 24 présente une absorption lumineuse qui varie en fonction de la commande électrique 3 sur une certaine longueur de modulation LM. Le flux lumineux la traversant en ressort donc avec une intensité 42 modulée selon la commande électrique 3.
Dans une configuration de modulateur, avec une commande électrique 3 recevant un signal électrique d'entrée, on obtient en sortie un flux lumineux 42 modulé en fonction de ce même signal électrique de commande. Cette modulation peut être appliquée à un flux lumineux 41 d'entrée provenant d'une source régulière telle qu'un laser, ou bien être appliquée à un flux lumineux 41 comprenant déjà lui-même un signal.
On peut aussi utiliser la commande électrique 3 pour commander en tout ou rien une absorption du flux lumineux d'entrée 41, et ainsi obtenir une atténuation voire un blocage de ce flux d'entrée 41, réalisant un commutateur ou un filtre commandé pour ce flux d'entrée 41.
Les FIGURE 3 et FIGURE 4 représentent plus précisément cet exemple d'architecture de modulateur 2.
Cette architecture est obtenue par croissance successive, selon des procédés connus de l'homme du métier, ou selon ceux cités dans les documents énoncés précédemment.
Sur un substrat 20, par exemple en saphir, on fait croître une couche tampon 21 de 1 dam de AIN.
- 16-On fait ensuite croître une première couche de confinement 22, ou couche contact, dopée n , par exemple à 5.1018 cm-3, par exemple d'une de épaisseur de 0,5 dam de Alo.5Gao.5N.
Sur une partie de cette première couche de confinement 22, par exemple dans une partie centrale, on réalise alors la région active 23, représentée plus en détail en FIGURE 4.
Sur une autre partie de la première couche de confinement 22, par exemple des deux côtés autour de la région active 22, on dépose une ou plusieurs couches 251 et 252 conductrices voire métalliques formant une électrode d'une polarité.
Sur la région active 23, on fait alors croître une deuxième couche de confinement 24 ou couche contact, dopée n , par exemple à 5.1018 cm-3, par exemple d'une de épaisseur de 0,5 dam de Alo.5Gao.5N.
Sur la deuxième couche de confinement 24, on dépose au moins une couche 26 conductrice voire métallique formant une électrode de l'autre polarité.
La FIGURE 4 représente plus en détail la structure en coupe verticale de la région active 23. Pour réaliser cette région active, on fait croître successivement :
- une première couche barrière BLO extérieure en AIN d'au moins 3 nm environ ;
- plusieurs couches quantiques, ici trois couches formant puits quantiques QW1, QW 2 et QW 3 en GaN d'épaisseurs égales, chacune d'une épaisseur de 4 à 6 couches monoatomiques soit environ 1 à
1,5 nm ;
- entre les couches puits quantiques QW1, QW 2 et QW 3, on fait croître des couches barrières après chacune et avant la suivante, ici deux couches barrières BL1 et BL2, en AIN d'une épaisseur de typiquement 3 nm ;
- une deuxième couche barrière extérieure BL3 en AIN d'au moins 3 nm environ.
Sur une partie de cette première couche de confinement 22, par exemple dans une partie centrale, on réalise alors la région active 23, représentée plus en détail en FIGURE 4.
Sur une autre partie de la première couche de confinement 22, par exemple des deux côtés autour de la région active 22, on dépose une ou plusieurs couches 251 et 252 conductrices voire métalliques formant une électrode d'une polarité.
Sur la région active 23, on fait alors croître une deuxième couche de confinement 24 ou couche contact, dopée n , par exemple à 5.1018 cm-3, par exemple d'une de épaisseur de 0,5 dam de Alo.5Gao.5N.
Sur la deuxième couche de confinement 24, on dépose au moins une couche 26 conductrice voire métallique formant une électrode de l'autre polarité.
La FIGURE 4 représente plus en détail la structure en coupe verticale de la région active 23. Pour réaliser cette région active, on fait croître successivement :
- une première couche barrière BLO extérieure en AIN d'au moins 3 nm environ ;
- plusieurs couches quantiques, ici trois couches formant puits quantiques QW1, QW 2 et QW 3 en GaN d'épaisseurs égales, chacune d'une épaisseur de 4 à 6 couches monoatomiques soit environ 1 à
1,5 nm ;
- entre les couches puits quantiques QW1, QW 2 et QW 3, on fait croître des couches barrières après chacune et avant la suivante, ici deux couches barrières BL1 et BL2, en AIN d'une épaisseur de typiquement 3 nm ;
- une deuxième couche barrière extérieure BL3 en AIN d'au moins 3 nm environ.
- 17-Les FIGURE 5a et b illustrent le fonctionnement d'un modulateur selon l'invention, dans le mode de réalisation décrit plus haut à trois puits quantiques non couplés. Les trois créneaux en dent de scie vers le bas sont positionnés aux emplacements des couches QW1 à QW3 de GaN formant puits quantiques, sur un axe des abscisses représentant la dimension de la région active 23 transversale aux couches quantiques QW et barrières BL.
La FIGURE 6 est illustrant la variation du contraste d'intensité
obtenue, en fonction de la différence de potentiel appliqué aux électrodes du modulateur décrit plus haut, en mode d'illumination par la tranche.
On voit que le contraste obtenu pour une différence de potentiel de +7V est de 14 dB, ce qui constitue une performance intéressante par rapport à l'état de la technique. Le contraste de 10,2 dB est une performance moins bonne dans l'absolu, mais est ici obtenu avec une différence de potentiel moins importante à -5V, ce qui permet la réalisation d'un composant nécessitant une moindre tension, par exemple avec une alimentation de plus basse tension. On obtient ainsi un bon rapport entre les performances et les contraintes d'ingénierie sur le plan du circuit électrique. En particulier, cette différence de potentiel de 5V est compatible avec une tension d'alimentation de 5V qui est un standard extrêmement courant dans le domaine des petits appareils électriques ainsi que des composants et circuits intégrés en général.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.
La FIGURE 6 est illustrant la variation du contraste d'intensité
obtenue, en fonction de la différence de potentiel appliqué aux électrodes du modulateur décrit plus haut, en mode d'illumination par la tranche.
On voit que le contraste obtenu pour une différence de potentiel de +7V est de 14 dB, ce qui constitue une performance intéressante par rapport à l'état de la technique. Le contraste de 10,2 dB est une performance moins bonne dans l'absolu, mais est ici obtenu avec une différence de potentiel moins importante à -5V, ce qui permet la réalisation d'un composant nécessitant une moindre tension, par exemple avec une alimentation de plus basse tension. On obtient ainsi un bon rapport entre les performances et les contraintes d'ingénierie sur le plan du circuit électrique. En particulier, cette différence de potentiel de 5V est compatible avec une tension d'alimentation de 5V qui est un standard extrêmement courant dans le domaine des petits appareils électriques ainsi que des composants et circuits intégrés en général.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.
Claims (15)
1. Composant (2) électro-optique à transition intersousbande par confinement quantique entre deux matériaux de type nitrure d'éléments de groupe III, du type comprenant au moins une région active (23) incluant au moins deux couches barrières dites extérieures (BL0, BL3) entourant une ou plusieurs structures quantiques (QW1, QW2, QW3) dopées N , caractérisé en ce que ladite ou lesdites structures quantiques sont entourées chacune par deux zones barrières (BL0, BL1, BL2, BL3) non intentionnellement dopées d'une épaisseur d'au moins cinq couches monoatomiques.
2. Composant selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une région active (23) incluant une pluralité de structures quantiques successives (QW1, QW2, QW3) séparées deux à deux par une zone barrière non intentionnellement dopée (BL1, BL2), d'une épaisseur suffisante pour éviter le passage d'électrons par effet tunnel, notamment d'une épaisseur d'au moins cinq couches monoatomiques.
3. Composant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les structures quantiques (QW1, QW2, QW3) comprennent en majorité du Nitrure de Gallium et les zones barrières (BL0, BL1, BL2, BL3) comprennent en majorité du Nitrure d'Aluminium et/ou du AlGaN.
4. Composant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur des structures quantiques (QW1, QW2, QW3) est déterminée pour accorder ledit composant (2) sur une longueur d'onde comprise de plus de 1,0 µm, notamment entre 1,0 µm et 1,7 µm.
5. Composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il présente une architecture réalisant un modulateur électro-optique à absorption.
6. Composant selon l'une quelconque des revendication s 1 à 4, caractérisé en ce qu'il présente une architecture réalisant un modulateur électro-optique à variation de phase.
7. Composant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il présente une architecture réalisant - un modulateur à transfert de charges, ou - un photodétecteur, par exemple à cascade quantique, ou - un émetteur électro-optique, ou - un commutateur électro-optique , - ou un filtre optique à bande commandée électriquement, ou - une combinaison de ces types de fonctions.
8. Composant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les structures quantiques (QW1, QW2, QW3) sont des couches bidimensionnelles formant puits quantiques entourées chacune par des couches bidimensionnelles formant barrière.
9. Composant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est agencé pour fonctionner avec une polarisation de la lumière (41, 42) perpendiculaire au plan des couches formant les structures quantiques (QW1, QW2, QW3).
10. Composant selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que les puits quantiques (QW1, QW2, QW3) sont en GaN
dopé N et présentent une épaisseur de quatre à six couches monoatomiques, et sont séparés par des couches barrières (BL0, BL1, BL2, BL3) en AIN non intentionnellement dopé présentant une épaisseur de plus de quatre couches monoatomiques.
dopé N et présentent une épaisseur de quatre à six couches monoatomiques, et sont séparés par des couches barrières (BL0, BL1, BL2, BL3) en AIN non intentionnellement dopé présentant une épaisseur de plus de quatre couches monoatomiques.
11. Composant selon l'une quelconque des revendications 2 à 10, caractérisé en ce que la région active (23) comprend trois puits quantiques (QW1, QW2, QW3).
12. Composant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la région active (23) est entourée de deux couches de confinement (22, 24) d'une épaisseur d'au moins 0,4 micromètre, et est disposée dans une partie en forme d'arête (200) ou de mesa formant un guide d'onde par contraste d'indice.
13. Dispositif ou système comprenant au moins un composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 12.
14. Procédé de fabrication d'un composant ou dispositif ou système selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, comprenant au moins une étape utilisant le contrôle de l'épaisseur des structures formant puits quantiques pour ajuster la position spectrale de la ligne d'absorption et/ou l'indice de réfraction.
15. Procédé de fabrication de composant ou de dispositif ou système optoélectronique comprenant des étapes sélectionnées, définies et combinées de façon à réaliser un composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 12.
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- 2009-07-30 FR FR0955365A patent/FR2948816B1/fr not_active Expired - Fee Related
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- 2010-07-30 CA CA2769478A patent/CA2769478A1/fr not_active Abandoned
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FZDE | Discontinued |
Effective date: 20150730 |