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FR2683392A1 - Procede de realisation de composants optoelectroniques par epitaxie selective dans un sillon. - Google Patents

Procede de realisation de composants optoelectroniques par epitaxie selective dans un sillon. Download PDF

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FR2683392A1
FR2683392A1 FR9113688A FR9113688A FR2683392A1 FR 2683392 A1 FR2683392 A1 FR 2683392A1 FR 9113688 A FR9113688 A FR 9113688A FR 9113688 A FR9113688 A FR 9113688A FR 2683392 A1 FR2683392 A1 FR 2683392A1
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FR
France
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zone
mask
width
epitaxy
Prior art date
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Withdrawn
Application number
FR9113688A
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English (en)
Inventor
Allovon Michel
Rose Benoit
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Orange SA
Original Assignee
France Telecom SA
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Filing date
Publication date
Application filed by France Telecom SA filed Critical France Telecom SA
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Priority to PCT/FR1992/001029 priority patent/WO1993009569A1/fr
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Abstract

Selon l'invention, on réalise le ruban actif du composant (112, 114, 116, 118) par épitaxie sélective dans un sillon gravé dans un matériau semi-isolant et cela à l'aide d'un masque constitué par deux bandes (B1, B2). Application à la réalisation de composants à laser et modulateur intégrés.

Description

DESCRIPTION Dondaine technique
La présente invention a pour objet un procédé de réalisation de composants optoélectroniques. Elle trouve une application générale dans la réalisation de divers composants tels que lasers, amplificateurs de lumière, guides optiques, coupleurs optiques, modulateurs d'intensité lumineuse, etc.. Mais elle trouve une application privilégiée dans la réalisation de composants à deux (ou plus de deux) éléments, par exemple un laser et un modulateur, ces deux éléments étant intégrés sur un même substrat.
Le domaine général de l'invention est celui des télécommunications optiques, notamment celui des liaisons à haut débit sur de longues distances.
Etat de La technique antérieure
Bien que la présente invention ne se limite nullement à la réalisation d'un composant à laser et à modulateur intégrés, c'est dans ce cas que l'état de la technique va être rappelé et les caractéristiques de l'invention exposées.
L'article intitulé "novez MQW DFB Laser
Diode/Modulator Integrated Light Source Using Bandgap
Energy Control Epitaxial Growth Technique" par T.
KATO et aL publié dans les Comptes-Rendus de la
Conférence IOOC qui s'est tenue à Paris en septembre 91, décrit un procédé de réalisation d'un composant laser-modulateur intégrés, qui est illustré sur les figures annexées la et lb.
Sur un substrat 10 en InP de type n on forme un réseau de diffraction 11 puis on dépose, dans une première étape d'épitaxie, une couche 12 en InGaAsP de type ,-, de 0,1 tcm d'épaisseur et une couche 14 en
InP de type n de 0,1 fm. Sur l'ensemble ainsi obtenu on dépose un masque en siO2 constitué par deux bandes 21, 22 présentant chacune une grande et une faible largeurs.
A travers ce masque on effectue une deuxième épitaxie, sélective celle-là, pour former un ruban à multi-puits quantiques. Une épitaxie sélective requiert des conditions de croissance particulières de telle sorte qu'aucun dépôt ne s'effectue sur les masques en silice. Le ruban peut comprendre un empilement de puits en InGaAs alternant avec des barrières en InGaAsP, cet empilement étant encadré par deux couches de confinement. On obtient ainsi un ruban 24 en forme de mésa (figure la).
Après avoir retiré les masques 21 et 22, on recouvre le ruban 24 par une couche 30 en InP de type p (figure lb) et l'ensemble par une couche de contact 32 en InGaAsP de type p+. La couche de contact 32 est ensuite partiellement enlevée entre les deux régions pour isoler électriquement la région à réseau qui va constituer un laser à réaction distribuée (DFB) et l'autre région qui va constituer un modulateur.
Des électrodes 36 et 38 en Ti/Au sont ensuite déposées pour prendre un contact électrique respectivement sur la partie laser et sur la partie modulateur.
L'intérêt de ce procédé réside dans la deuxième épitaxie, qui s'effectue dans des zones masquées.
La différence de largeur des masques suffit à modifier légèrement les conditions de L'épitaxie, donc l'épaisseur des couches épitaxiées. En étudiant le spectre d'électroluminescence des couches épitaxiées ainsi obtenues, les auteurs ont trouvé que, dans la région à masques Larges, La longueur d'onde maximum était de 1,54 Um alors que dans la région à masques étroits cette longueur d'onde tombait à 1,48 lum. Ainsi, une différence de 33 meV dans les énergies peut être produite dans les deux parties du ruban, uniquement par modification de la largeur des masques utilisés.
Cette technique revêt un intérêt certain lorsqu'il s'agit de réaliser un composant intégrant deux dispositifs devant présenter des caractéristiques optiques légèrement différentes, comme c'est le cas avec un laser et un modulateur. Mais elle souffre de deux inconvénients. D'abord, elle conduit à une structure qui n'est pas planaire en raison de la formation d'un ruban en forme de mésa (cf. Fig. la). Ensuite, et corrélativement, elle nécessite que soit enterré ce mésa dans une couche qui doit assurer en même temps la prise de contact électrique (couche 30 sur la figure lb) et le confinement optique au-dessus du ruban ainsi que le confinement optique latéral. Cette couche doit donc être dopée. Mais elle produit alors une capacité latérale qui perturbe le fonctionnement du laser et surtout celui du modulateur.
Cette technique peut donner des performances satisfaisantes pour un laser à modulation directe, mais conduit à une capacité beaucoup trop élevée pour un modulateur rapide. En effet, ce qui limite la bande passante d'un laser est le produit RsC où R5 est la résistance série de la diode qui vaut typiquement 3 à 5 Ohms, alors que, pour un modulateur, c'est plutôt le produit de la capacité par une résistance externe normalisée de 50 Ohms (ReC) qui limite la bande passante, bien que la résistance série du modulateur joue également un rôle. Par contre, une gravure des parties latérales jusqu'au substrat suivie d'un remplissage avec du polyimide, qui marcherait bien dans le cas des modulateurs, donnerait des résultats catastrophiques pour le confinement latéral d'un ruban laser, à cause des recombinaisons électroniques très fortes qui auraient lieu aux interfaces couche active/polyimide et qui dégraderaient le gain du laser.
Il faut donc, soit envisager des procédés différents pour les deux parties du monolithe, ce qui complique beaucoup la technologie, soit utiliser de l'InP semi-isolant qui peut servir pour confiner aussi bien le laser que le modulateur. Mais on ne peut pas se contenter d'enterrer les rubans par de l'InP semi-isolant, car on perd le contact électrique avec la partie supérieure du ruban.
Exposé de L'invention
La présente invention a justement pour but de remédier à cet inconvénient. A cette fin, elle propose un procédé qui permet d'obtenir, simultanément, une structure planaire avec une très faible capacité, tout en autorisant la prise de contact.
Selon l'invention, on enterre le ruban actif du composant dans une couche de matériau semi-isolant, par exemple en InP et, pour cela, on grave d'abord un sillon dans une couche de ce matériau à l'aide d'un masque, puis on effectue une épitaxie sélective du ruban dans ce sillon et à travers ce masque. On peut ensuite déposer sur l'ensemble une couche de prise de contact.
On observera que, selon l'invention, deux techniques d'épitaxie sont combinées, à savoir l'épitaxie dans un sillon gravé et l'épitaxie sur un substrat masqué. Ces deux techniques permettent de jouer sur
la vitesse de croissance des couches épitaxiées. La seconde a été décrite pLus haut en liaison avec les figures la et lb. Pour ce qui est de la première, on rappelle que la vitesse de croissance dans des sillons gravés dans un substrat plan est plus grande que sur le substrat. Cet effet a été utilisé pour intégrer des lasers (épitaxiés sur une zone du substrat préalablement gravée) avec des guides (épitaxiés simultanément sur une zone plane adjacente) dans des systèmes GaAs/GaAlAs (voir l'article de C.J.
CHANG-HASNAIN, E. KAPON, J.P. HARBISON et L.T. FLOREZ, publié dans Appl. Phys. Lett., vol. 56, pp. 429-431, 1990). Des effets analogues sur la vitesse de croissance ont été démontrés pour d'autres systèmes de matériaux, en particulier à grande longueur d'onde (voir l'article de F.S. TURCO, M.C. TAMARGO, D.M.
HWANG, R.E. NAHORY, J. WERNER, K. KASH et E. KAPON, publié dans Appel. Phys. Lett., vol. 56, pp. 72-74, 1990 et l'article de P. DEMEESTER, L. BUVDENS et P.
VAN DAELE, publié dans Appl. Phys. Lett., vol. 57, pp. 168-170, 1990).
Bien que le procédé de l'invention puisse s'appliquer à la réalisation d'un composant optoélectronique unique (laser, amplificateur, guide, coupleur, modulateur, etc.) l'invention trouve surtout un intérêt dans la réalisation de structures à deux composants, par exemple un laser et un modulateur. En effet, le procédé de l'invention permet, grâce à l'épitaxie s'effectuant à la fois dans un sillon et à travers un masque, de modifier localement les paramètres du ruban sur une partie de celui-ci, en jouant sur les dimensions latérales du masque. On peut ainsi, en une seule étape d'épitaxie, obtenir les deux composants souhaités (laser et modulateur).
En particulier, l'invention s'applique à la réalisation d'un composant à laser et à modulateur à super réseau très couplé, composant ayant fait l'objet de la demande de brevet français EN 91 11046 du 6 septembre 1991.
Brève description des dessins
- les figures la et lb illustrent un procédé
de l'art antérieur,
- les figures 2a, 2b, 2c, 2d et 2e montrent
différentes étapes d'un procédé selon
l'invention pour la réalisation d'un
composant à laser et à modulateur intégrés.
Exposé détaiLLé d'un mode de réalisation
Un procédé conforme à l'invention comprend les opérations suivantes. Sous un substrat 100 (conducteur ou semi-isolant) par exemple en InP de type n s'il s'agit d'un substrat conducteur, on forme une métallisation 102 et, sur ce substrat 100, on dépose éventuellement une couche tampon 104 en InP de type n (Fig. 2a).
On dépose ensuite une couche de confinement 106 en quaternaire GaInAsP de type n, qui est, elLe aussi, facultative, mais qui peut servir avantageusement de couche d'arrêt dans l'opération d'attaque chimique sélective qui va suivre.
On dépose ensuite une couche de confinement 108 en InP semi-isolant puis une couche 110 en quaternaire GaInAsP dopé n servant de barrière de diffusion pour les accepteurs entre la couche de confinement 108 et la future couche confinement de type p (couche 120 sur la figure 2e). Cette couche 110 peut servir également de masque d'attaque sélective pour la future gravure du sillon.
On obtient ainsi un empilement représenté en coupe sur la figure 2a.
On définit ensuite, par photolithographie, sur la couche supérieure 110 de l'empilement un ou des motifs de masquage en nitrure ou en silice. Pour un procédé de réalisation collective, on disposera plusieurs de ces motifs largement espacés, par exemple d'environ 400 pm. Chaque motif à l'allure représentée sur la figure 2b avec deux bandes Bl, B2, dont la largeur L1 est plus grande dans une zone L que la largeur L2 dans une zone M. Par exemple, la largeur L1 sera de 8 Um et la largeur L2 de 4 tram. Ces deux bandes sont séparées par un intervalle étroit, par exemple de 2 pm. La longueur totale du masque peut être de l'ordre de 1 mm.
Les bandes du masque sont de préférence alignées suivant une direction cristallographique du substrat, par exemple la direction < 110 > .
On grave ensuite les couches 110 et 108 à travers un tel masque, par exemple par attaque chimique sélective. On obtient ainsi (Fig. 2c) un sillon 111 qui s' arrête exactement à l'interface entre les couches 106 et 108. Le profil de ce sillon est très reproductible car limité par des plans cristallographiques d'arrêt pour la solution chimique utilisée (par exemple HCl) non seulement au fond du sillon mais aussi sur les flancs.
On conserve de préférence les masques de la gravure chimique (mais on pourrait les modifier ou en utiliser d'autres) pour réaliser une seconde épitaxie, sélective celle-là, et former un ruban dans le sillon gravé. Ce ruban comprend au moins une couche active correspondant au composant optoélectronique désiré. Cette couche active peut être une couche où a Lieu l'émission stimulée si le composant est un laser, ou une couche où a lieu l'absorption de lumière si le composant est un modulateur, etc. Ce ruban peut comprendre, par exemple, (figure 2d) une couche de protection 112 (facultative) en InP, une couche active 114, soit en quaternaire, soit constituée d'un empilement de puits quantiques et de barrières d'épaisseur et de composition appropriées à la longueur d'onde visée (puits en ternaire GaInAs et barrières en quaternaire GaInAsP par exemple) et comprenant un guide d'onde en quaternaire de composition constante ou graduelle ; une couche de protection 116 en InP est éventuellement déposée suivie d'une ou de plusieurs couches 118 destinées à être gravées en réseau de diffraction. Ces couches sont en GaInAsP/InP.
Du fait de la plus grande largeur L1 du masque dans la zone L que dans la zone M, le ruban formé dans ladite zone L va correspondre à une longueur d'onde légèrement plus grande que celle de la zone
M. La première zone L du ruban constituera donc le laser du composant et la seconde, M, le modulateur.
La couche 112 peut servir à éliminer sélectivement les couches déposées lors de l'étape d'épitaxie sélective dans les larges ouvertures situées entre les différents motifs utilisées.
Pour ce qui est de la couche 118 gravée en réseau de diffraction, plusieurs solutions sont possibles. La plus simple, parce qu'elle n'ajoute pas d'étape d'épitaxie, consiste à épitaxier sélectivement cette couche au-dessus de la couche active 114, de façon à ce qu'elle se termine sensiblement à la même hauteur que la couche 110, pour avoir la surface la plus plane possible pour la fabrication du réseau (une dénivellation de 100 à 200 nm est cependant acceptable). Les masques de nitrure peuvent être laissés pendant la fabrication du réseau (par holographie suivie d'une attaque chimique). Dans ce cas, le réseau sera présent seulement au-dessus de la couche active.
Dans le cas contraire, il débordera ldtéralement au-dessus de la couche 110. En revanche, il faudra impérativement protéger, pendant cette étape, la zone
M du futur modulateur (par exemple par un dépôt de nitrure), pour limiter la formation du réseau à la zone laser.
Après avoir retiré les masques B1, B2, on dépose une couche 120 (Fig. 2e), par exemple un InP de type p puis une couche de contact 122 par exemple en GaInAs dopée p+ et enfin une métallisation 124 au-dessus du ruban actif.
Dans la description qui précède, les bandes B1 et 82 présentent, sur l'essentiel de leur longueur, soit la largeur LI, soit la largeur L2, la zone de transition marquée T sur la figure 2b étant de longueur très réduite. Mais on ne sortirait pas du cadre de l'invention en utilisant des masques où cette zone de transition T occuperait une part plus importante des bandes. Une telle transition conduit à un ruban présentant des propriétés graduelles entre les propriétés dans une première zone et les propriétés dans une seconde zone. On peut même utiliser une transition qui s'étend jusqu'à l'une des extrémités des bandes, où même une transition qui s'étend d'une extrémité à l'autre, la première zone et la seconde zone étant, dans ce cas particulier extrême, réduites aux bords des bandes.
Une telle zone de transition peut être utile pour améliorer le couplage optique entre les deux éléments du composant.

Claims (1)

REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation d'un composant optoélectronique caractérisé par le fait qu'il comprend les opérations suivantes - sur un substrat (100) on dépose, par une première épitaxie, une couche de confinement (108) en matériau semi-isolant, - on dépose sur l'ensemble un masque consti tué par deux bandes parallèles (B1, 82) séparées par un intervalle, - on grave la couche de confinement (108) en matériau semi-isolant à travers ce masque (B1, 82) pour constituer un sillon (111) sous l'intervalle séparant les deux bandes, - on forme, par une seconde épitaxie, sélective ve celle-là, dans ce sillon (111) et à tra vers le masque (B1, B2), un ruban formé d'au moins une couche active (114) correspon dant au composant optoélectronique désiré, - on retire le masque (B1, B2), et - on établit un contact électrique (120, 122,
124) avec le ruban.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les deux bandes (B1, B2) du masque ont leurs bords parallèles à un plan cristallographique du substrat (100).
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, sur le substrat (100) et sous la couche de confinement (108), on dépose une couche (106) jouant le rôle de couche d'arrêt dans l'opération de gravure du sillon (111), ce sillon étant limité, en profondeur, par cette couche d'arrêt (106).
4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on dépose en outre une couche supplémentaire (110) sur la couche de confinement en matériau semi-isolant (108), cette couche supplémentaire (110) servant de barrière de diffusion pour les accepteurs entre la couche de confinement (108) et une future couche de confinement dopée (120) et éventuellement de masque d'attaque sélective pour la gravure du sillon (111) dans la couche de confinement (108).
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'on dépose un masque formé de deux bandes (B1, B2) ayant une première largeur (L1) dans une première zone (L) et une seconde largeur (L2) dans une seconde zone (M), la première largeur (L1) étant supérieure à la seconde (L2), la seconde épitaxie conduisant à un ruban ayant des premières propriétés dans la première zone (L) correspondant à la première largeur (L1) et des secondes propriétés dans la seconde zone (M) correspondant à la seconde largeur (L2).
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que chaque bande présente une zone de transition (T) entre la première zone (L) de première largeur (L1) et la seconde zone (M) de seconde largeur (L2), le ruban obtenu après la seconde épitaxie présentant des propriétés passant graduellement desdites premières propriétés auxdites secondes propriétés.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendication 5 et 6, caractérisé par le fait que l'on forme dans la première zone (L) un laser et dans la seconde zone (M) un modulateur.
8. Procéué selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le matériau semi-isolant constituant la couche de confinement (108) dans lequel est gravé le sillon (111) est de l'InP semi-isolant.
9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, dans la seconde épitaxie sélective, on forme un empilement comprenant une couche active (114) qui est à multipuits quantiques.
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