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WO2024133633A1 - Procédé de fabrication d'un élément optoélectronique, et élément optoélectronique - Google Patents

Procédé de fabrication d'un élément optoélectronique, et élément optoélectronique Download PDF

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Publication number
WO2024133633A1
WO2024133633A1 PCT/EP2023/087199 EP2023087199W WO2024133633A1 WO 2024133633 A1 WO2024133633 A1 WO 2024133633A1 EP 2023087199 W EP2023087199 W EP 2023087199W WO 2024133633 A1 WO2024133633 A1 WO 2024133633A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
mask
active region
deposition
contact electrode
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/087199
Other languages
English (en)
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WO2024133633A8 (fr
Inventor
Clémentine SYMONDS
Alban Gassenq
Vincent TOANEN
Aristide Lemaitre
Joël BELLESSA
Original Assignee
Centre National De La Recherche Scientifique
Universite Claude Bernard Lyon 1
Universite Paris-Saclay
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National De La Recherche Scientifique, Universite Claude Bernard Lyon 1, Universite Paris-Saclay filed Critical Centre National De La Recherche Scientifique
Publication of WO2024133633A1 publication Critical patent/WO2024133633A1/fr
Publication of WO2024133633A8 publication Critical patent/WO2024133633A8/fr

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    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
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    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/341—Structures having reduced dimensionality, e.g. quantum wires
    • H01S5/3412—Structures having reduced dimensionality, e.g. quantum wires quantum box or quantum dash

Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing an optoelectronic element.
  • the optoelectronic element comprises a semiconductor material comprising an active region located in the immediate vicinity of a surface of the semiconductor material.
  • the invention also relates to an optoelectronic element obtained by the manufacturing process.
  • the field of the invention is, in a non-limiting manner, that of microelectronics.
  • Optoelectronic components are components constituting an interface between electrical components and optical components. These are generally, but not exclusively, microelectronic components operating on the basis of semiconductors.
  • Emitters are semiconductor components that convert electrical charges into photons, such as lasers and light-emitting diodes.
  • Detectors are components that convert photons into electrical charges, such as photodiodes or solar cells.
  • An example of an emitter is a Tamm mode light source. It consists of a Bragg mirror (alternations of quarter-wave layers of materials with different refractive indices), containing emitters in its upper layers, for example quantum dots or quantum wells. A metal pellet is deposited directly on the layer upper part of the Bragg mirror. The pellet allows the formation and lateral confinement of an optical mode, called Tamm mode.
  • An example of such a source is described in FR. 2965665.
  • the optical mode is generated directly at the interface between the Bragg mirror and the metal patch. The quality and thickness of the upper layers of the Bragg mirror are therefore essential.
  • such optoelectronic components are manufactured by means of processes combining stages of epitaxy, lithography and etching.
  • the etching is not sufficiently selective, it can attack the layers adjacent to the etched layers and therefore damage them. Exposure to etching can therefore be problematic for layers or structures supporting interactions on micrometric dimensions. In particular, optical modes generated in such regions may be deteriorated. This applies in particular to Tamm mode light sources, but is also valid for other semiconductor components where the surface, and in particular the surface quality, plays a preponderant role.
  • the invention aims to resolve the disadvantages of the prior art described.
  • an optoelectronic element comprising a semiconductor material comprising an active region located under a surface of the semiconductor material, the method comprising the following steps: - deposition of a layer of electrical insulating material on the semiconductor material using a first mask placed directly on the active region, so that the layer of electrical insulating material has a recess at the level of the active region;
  • the term "active region” designates a region of the component in which a conversion of electrical energy into light energy, or vice versa, takes place. This involves, for example, the localization of an optical mode in which the emission takes place in response to an electric field applied to the component.
  • the active region is located on the surface, or in the immediate vicinity of the surface, that is to say, under the surface of the semiconductor material, inside it. In other words, the active region is located at the interface between the semiconductor material and a layer deposited on the surface thereof.
  • the active region can extend into the thickness of the semiconductor material from the surface, for example by a few hundred nanometers.
  • the manufacturing method according to the present invention makes it possible, by the step of depositing a layer of electrical insulating material on the surface of the semiconductor material using a mask, to protect this surface at the level of the region active.
  • the mask, placed directly on the active region, without an intermediate layer, and covering the surface at the active region makes it possible to make the recess in the electrical insulating layer without the need to use an etching technique.
  • the manufacturing process is thus distinguished from state-of-the-art processes by the effective protection of the semiconductor surface at the active region. This surface is never subjected to any engraving. The quality of the surface as well as the upper layers of semiconductor is therefore not altered by the manufacturing process. This is particularly important when the upper layer is made of a fragile material, such as gallium arsenide (GaAs).
  • GaAs gallium arsenide
  • the recess present in the electrical insulating layer makes it possible to naturally create an injection electrode when depositing the metal injection layer, without the need to carry out other technological steps.
  • the electrical insulator surrounding the injection electrode makes it possible to avoid any electrical contact with the semiconductor outside the recess, and therefore to inject the carriers only into the recess zone.
  • the injection electrode formed on the semiconductor surface of the active region that is to say in the recess of the electrical insulating layer, is also called “pad” in the present document.
  • optical element designates any optoelectronic component that can be implemented in an optoelectronic device or system, such as optical sensors, or that can operate alone, such as laser diodes.
  • the manufacturing method according to the invention may also comprise one or more steps allowing electrical contact of the optoelectronic element, in order to be able to power it electrically when it is implemented.
  • the method according to the invention may comprise, prior to deposition of the metallic injection layer, the creation of a contact electrode on the electrical insulating layer using a second mask , the second mask having a recess offset laterally with respect to the active region for the location of the contact electrode.
  • the contact electrode thus created allows easy contact, for example to carry out an electrical injection via the injection electrode.
  • An element thus provided with a contact electrode can be easily integrated into an integrated circuit for example.
  • Several such optoelectronic elements can thus be produced and integrated on the same semiconductor wafer.
  • the method according to the invention may further comprise, after deposition of the injection metal layer, creation of a contact electrode on the metal layer using a second mask photosensitive, the mask having a recess offset laterally from the active region for the location of the contact electrode.
  • the metallic injection layer, and therefore the pellet is made of silver.
  • the contact electrode is preferably made of gold.
  • Silver and gold have very high conductivity, making it possible to minimize losses.
  • metals can be used for the injection layer and the contact electrode, for example platinum or aluminum.
  • the metals used and their configurations are chosen in particular according to the desired emission (or detection) wavelength.
  • the creation of the contact electrode may comprise the following steps:
  • a metal layer called a contact layer
  • lift-off of the second mask the part of the metal layer, called the contact layer, remaining after the lift-off forming the contact electrode.
  • the contact electrode is created near the active region while protecting the semiconductor surface of the latter.
  • the semiconductor surface of the active region is not subjected to etching to create the contact electrode.
  • the method according to the invention can further comprise the lateral delimitation of the metallic injection layer so that it essentially covers the locations of the active region and of the contact electrode, using a third mask essentially covering the locations of the active region and the contact electrode.
  • This lateral delimitation of the metal injection layer makes it possible to spatially restrict the metal injection layer in order to form a metal pad extending at the level of the active region and the contact electrode.
  • This metal pad thus defines the extent of the optoelectronic element, for example on a semiconductor wafer comprising several of these optoelectronic elements.
  • the lateral delimitation of the metal injection layer may comprise the following steps:
  • the electrical insulating layer can be deposited by directional deposition.
  • Directional deposition is an anisotropic deposition of material which notably allows material to be deposited only on surfaces directly. exposed to the beam of the material to be deposited. Surfaces not directly exposed will not be covered by the deposited material. This subsequently makes it possible to carry out differentiated operations on the surfaces covered by the deposited material and those not covered, such as engraving or lift-off.
  • the semiconductor material may comprise a stack of semiconductor layers comprising, in a direction Z perpendicular to the surface of the semiconductor material, an alternation of layers of high and low refractive index to form an interference mirror.
  • Interference mirrors of this type can be implemented in different types of optoelectronic elements and devices.
  • a Tamm mode light source includes an interference mirror whose stacking is perfectly periodic (called a Bragg mirror in this case).
  • the layers of the stack are for example made of gallium arsenide (GaAs) and an alloy of gallium arsenide and aluminum arsenide (GaAlAs). These materials are suitable for the emission and/or detection of electromagnetic radiation in infrared wavelengths.
  • GaAs gallium arsenide
  • GaAlAs aluminum arsenide
  • GaN gallium nitride
  • Si silicon
  • SiC silicon
  • AIN aluminum nitride
  • AIGaN aluminum nitride
  • the active region may comprise at least one light emitter or detector.
  • the at least one light transmitter or detector may comprise a quantum well or a quantum dot.
  • the at least one light emitter or detector is located near the surface of the semiconductor material.
  • wells or quantum dots as light emitters are provided in the upper layers of the stack.
  • an optoelectronic element obtained by the manufacturing process according to the invention.
  • Figure 1 is a schematic representation of a non-limiting embodiment of a manufacturing process according to the invention.
  • Figure 2 is a schematic representation of a non-limiting embodiment of steps of the manufacturing process according to the invention.
  • Figure 3 is a schematic representation of an example of an optoelectronic component that can be obtained by the manufacturing process according to the invention
  • Figure 4 shows a top view of an optoelectronic element obtained by steps of the manufacturing process according to one embodiment of the invention.
  • Figure 5 shows a top view of optoelectronic elements obtained by other steps of the manufacturing process according to one embodiment of the invention.
  • Figures 1 and 2 are schematic representations of non-limiting embodiments of a manufacturing process according to the present invention.
  • Tamm mode light source Such a source is illustrated in Figure 3.
  • This Tamm mode source is an exemplary embodiment of an optoelectronic element obtained by the manufacturing process according to the invention.
  • the layers are stacked in a vertical direction z.
  • the stack 2 comprises light emitters 3, for example quantum boxes or wells, located in the upper layers of the stack 2.
  • the source also includes a metal contact 8 to power the metal pellet 7.
  • the active region is located immediately below the electrode 7 present in the opening of the insulating layer 4, at the location of the light emitters 3 near the interface formed by the upper layer of the stack and the electrode. It is in fact near this interface that the Tamm mode can be created.
  • the Tamm mode extends a few tens of nm in the metallic layer 7 and a few hundreds of nm in the stack, starting from the metal/semiconductor interface.
  • the beam M emerging from the pad 7 represents the coupling of the Tamm mode with laser waves when the optoelectronic element is implemented as a laser diode.
  • the Tamm mode is also confined in the lateral direction, orthogonal to the stacking direction.
  • the metal pellet 7 allows both the confinement and/or manipulation of the Tamm mode and to bring carriers to carry out the electrical injection (illustrated by the arrows e).
  • the metal pellet 7 can also be called an injection electrode.
  • the layers of stack 2 are for example made of gallium arsenide (GaAs) and an alloy of gallium arsenide and aluminum arsenide (GaAlAs), with the upper layer made of GaAs.
  • GaAs gallium arsenide
  • GaAlAs aluminum arsenide
  • other combinations of materials can be used for the layers to form an interference mirror.
  • the metal pellet 7 is preferably made of silver, and the insulating layer of yttrium(III) oxide (Y2O3) or silica (SiOz).
  • the substrate can also be GaAs.
  • the method 10, shown in Figure 1 comprises a phase 12 of creating an electrical insulating layer 4 with an opening 5 on a Bragg mirror 2, forming part of an optoelectronic element (not shown) as described below -above.
  • the upper layer of the Bragg mirror 2 is preferably made of GaAs.
  • Phase 12 of creating the electrical insulator comprises a step 22 of depositing a protective layer 13 on the Bragg mirror 2.
  • the protective layer 13 can in particular be a photosensitive resin.
  • the resin can be deposited by centrifugal spin coating).
  • the photosensitive resin is exposed to light irradiation using a mask to define the future location of the metal pellet.
  • Resin 13' outside of this location is soluble in developer.
  • the soluble part of the resin 13' as well as the upper layer 2' are etched.
  • the resin pad 14 placed on the upper layer of etched GaAs, persists.
  • the resin pad 14 has a longitudinal section in the shape of an isosceles trapezoid, with the short side towards the Bragg mirror 2. This shape is in fact important for the smooth running of the following steps of the method 10.
  • Phase 12 of creating the insulator then comprises a step 24 of depositing a layer of electrical insulator 4 over the entire etched surface of the upper GaAs layer and the pad 14 of resin.
  • the deposition is carried out by pulsed laser ablation (pulsed laser deposition, PLD) at room temperature.
  • the insulation can be, for example, SiOz or Y2O3.
  • the thickness of the insulating layer can be of the order of 100 nm. Thanks to the section in the shape of an “inverted isosceles trapezoid” of the resin pad 14 and a directional deposition of the insulator, the insulating layer does not cover the sides of the pad 14, but only its upper surface.
  • the pad 14 of resin covered with insulation is removed by a lift-off technique, using a solvent such as acetone. As the sides of the resin pad 14 are not covered by the insulation, the pad 14 is soluble in the solvent.
  • the Bragg mirror 2 is covered with the electrical insulating layer 4 with the exception of the future location of the metal pellet where the insulating layer has an opening 5.
  • the method 10 continues with a phase 14 of creating a contact electrode 8.
  • the phase 14 of depositing the contact electrode 8, as shown in Figure 1, comprises a step 31 of depositing a resin mask 9, by photolithography, on the electrical insulating layer 4 and its opening 5 .
  • THE resin mask 9 has a recess near the opening 5 of the insulating layer 5, but covers the opening 5 well. The GaAs layer in the opening 5 is thus well protected by the resin mask 9 to the next step.
  • the first metallic layer 15 is preferably made of gold. It can be supplemented by an intermediate layer 19, between the metallic contact layer 15 and the mask 9, serving as an adhesion layer, as illustrated in the embodiment of Figure 1.
  • the adhesion layer 19 can be, for example, chrome or titanium.
  • the first metal layer 15 is not in contact with the upper layer of the Bragg mirror 2 present in the opening 5 of the insulating layer 4.
  • the resin mask 9 is removed by a lift-off technique, using a solvent such as acetone. This results in a contact electrode 8 placed on the insulating layer 4, near the opening 5, the future location of the metal pellet.
  • the method 10 according to the invention further comprises a phase 16 of creating an injection electrode 7.
  • the phase 16 of deposition of the injection electrode 7, as shown in Figure 1, comprises a step 41 of deposition of a second metal layer 18, called injection, over essentially the entire surface of the element optoelectronic obtained during the previous phases of the process.
  • the metallic injection layer 18 is preferably made of silver.
  • Phase 16 of the method then comprises a step 43 of lateral delimitation, or structuring, of the metal injection layer 18, during which the lateral extent of the second metal layer 18 is defined.
  • This step can be carried out, for example, by attacking layer 18 using a solution of potassium iodide (Kl) and diodine (b) in water. The attacked locations 6' then become non-conductive.
  • Kl potassium iodide
  • b diodine
  • the resin mask 17 is then removed by a lift-off technique, using a solvent such as acetone.
  • the last step 43 defines a metal pad 6, for example made of silver, which covers the contact electrode 8 as well as the opening 5.
  • the part of the pad 6 covering the upper layer of the Bragg mirror constitutes the metal pad 7 previously mentioned , functioning as an injection electrode.
  • a Tamm mode can be generated and confined to the interface between the patch 7 and the upper layer of the Bragg mirror.
  • FIG. 5 An image (obtained by bright field optical microscopy) presenting a top view of four optoelectronic elements 1 obtained after phase 16 of the process is shown in Figure 5.
  • the pellets 7 in Figure 5 have different diameters, making it possible to have emitting regions of variable size.
  • the phases of creating a contact electrode 8 and creating an injection electrode 7 can be reversed. Indeed, it is possible to first create the injection electrode 7 and the metal pad 6 and then place the contact electrode 8 on the metal pad 6.
  • Figure 2 illustrates steps of phase 12 of creating an electrical insulating layer 4 and of phase 16 of creating an injection electrode 7.
  • Phase 12 of creating an insulating layer 4 with its opening 5 is identical to what has been detailed with reference to Figure 1.
  • the metallic layer injection 18 is deposited directly on the insulating layer 4 and its opening, in order to form the injection pellet 7 at the level of the opening 5.
  • the contact electrode can then be deposited on the injection layer 18.

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Abstract

L'invention concerne un procédé (10) de fabrication d'un élément optoélectronique (1), l'élément optoélectronique (1) comprenant un matériau semi-conducteur comprenant une région active localisée sous une surface du matériau semi- dépôt (12) d'un couche d'isolant électrique (4) sur le matériau semi-conducteur à l'aide d'un premier masque (14) posé directement sur la région active, de sorte à ce que la couche d'isolant électrique (4) présente un évidement (5) au niveau de la région active; dépôt (16) d'une couche métallique (18), dite d'injection, sur l'ensemble obtenu à l'étape précédente, de sorte à ce que la couche métallique d'injection (18) forme une électrode (7) sur la surface du matériau semi-conducteur au niveau de la région active. L'invention concerne également un élément optoélectronique (1) obtenu par le procédé (10) de fabrication.

Description

DESCRIPTION
Titre Procédé de fabrication d'un élément optoélectronique, et élément optoélectronique
Domaine technique
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un élément optoélectronique. L'élément optoélectronique comprend un matériau semi- conducteur comprenant une région active localisée à proximité immédiate d'une surface du matériau semi-conducteur. L'invention concerne également un élément optoélectronique obtenu par le procédé de fabrication.
Le domaine de l'invention est, de manière non limitative, celui de la microélectronique.
Etat de la technique
Les composants optoélectronique sont des composants constituant une interface entre les composants électriques et les composants optiques. Il s'agit généralement, mais pas exclusivement, de composants microélectroniques fonctionnant à base de semi-conducteurs.
Parmi les composants optoélectroniques peuvent être distingués des émetteurs et des détecteurs. Les émetteurs sont des composants semi- conducteurs convertissant des charges électriques en photons, comme des lasers et des diodes électroluminescentes. Les détecteurs sont des composants convertissant des photons en charges électriques, comme des photodiodes ou cellules solaires.
Un exemple d'un émetteur est une source lumineuse à mode Tamm. Elle consiste en un miroir de Bragg (alternances de couches quart d'onde de matériaux d'indices de réfraction différents), contenant dans ses couches supérieures des émetteurs, par exemple des boites quantiques ou puits quantiques. Une pastille métallique est déposée directement sur la couche supérieure du miroir de Bragg. La pastille permet la formation et le confinement latéral d'un mode optique, appelé mode de Tamm. Un exemple d'une telle source est décrit dans FR. 2965665. Le mode optique est généré directement à l'interface entre le miroir de Bragg et la pastille métallique. La qualité et l'épaisseur des couches supérieures du miroir de Bragg sont donc essentielles.
De manière générale, de tels composants optoélectroniques sont fabriqués au moyen de procédés enchainant des étapes d'épitaxie, de lithographie et de gravure. Lorsque la gravure n'est pas suffisamment sélective, celle-ci peut attaquer les couches adjacentes aux couches gravées et donc les endommager. L'exposition à la gravure peut donc être problématique pour des couches ou des structures supportant des interactions sur des dimensions micrométriques. En particulier, des modes optiques générés dans de telles régions peuvent être détériorés. Ceci s'applique notamment aux sources lumineuses à mode de Tamm, mais est également valable pour d'autres composants à semi-conducteurs où la surface, et notamment la qualité de surface, joue un rôle prépondérant.
Exposé de l'invention
L'invention vise à résoudre les inconvénients de l'art antérieur décrits.
Il est notamment un but de l'invention de proposer un procédé de fabrication d'un élément optoélectronique permettant, lors de sa mise en œuvre, de protéger une région semi-conductrice active sensible pour qu'elle ne soit soumise à aucune détérioration physique ou chimique.
Il est un autre but de la présente invention de proposer un procédé de fabrication d'un élément optoélectronique permettant de réaliser une large variété de tels éléments pouvant être mis en œuvre dans des applications variées.
Au moins un de ces buts est atteint avec un procédé de fabrication d'un élément optoélectronique, l'élément optoélectronique comprenant un matériau semi-conducteur comprenant une région active localisée sous une surface du matériau semi-conducteur, le procédé comprenant les étapes suivantes : - dépôt d'un couche d'isolant électrique sur le matériau semi- conducteur à l'aide d'un premier masque posé directement sur la région active, de sorte à ce que la couche d'isolant électrique présente un évidement au niveau de la région active ;
- dépôt d'une couche métallique d'injection sur l'ensemble obtenu à l'étape précédente, de sorte à ce que la couche métallique d'injection forme une électrode sur la surface du matériau semi- conducteur au niveau de la région active.
Dans le présent document, le terme « région active » désigne une région du composant dans laquelle a lieu une conversion d'énergie électrique en énergie lumineuse, ou vice versa. Il s'agit par exemple de la localisation d'un mode optique dans lequel l'émission a lieu en réponse à un champ électrique appliqué au composant. La région active est localisée à la surface, ou à proximité immédiate de la surface, c'est-à-dire, sous la surface du matériau semi- conducteur, à l'intérieur de celui-ci. En d'autres termes, la région active se trouve à l'interface entre le matériau semi-conducteur et une couche déposée sur la surface de celui-ci. La région active peut s'étendre dans l'épaisseur du matériau semi-conducteur depuis la surface, par exemple de quelques centaines de nanomètres.
Le procédé de fabrication selon la présente invention permet, par l'étape de dépôt d'une couche d'isolant électrique sur la surface du matériau semi- conducteur à l'aide d'un masque, de protéger cette surface au niveau de la région active. Le masque, posé directement sur la région active, sans couche intermédiaire, et couvrant la surface au niveau de la région active permet de réaliser l'évidement dans la couche d'isolant électrique sans avoir besoin d'utiliser une technique de gravure.
Le procédé de fabrication se distingue ainsi des procédés de l'état de l'art par la protection effective de la surface semi-conductrice au niveau de la région active. Cette surface n'est jamais soumise à aucune gravure. La qualité de la surface ainsi que des couches supérieures de semi-conducteur n'est donc pas altérée par le procédé de fabrication. Ceci est particulièrement important lorsque la couche supérieure est en un matériau fragile, tel que l'arséniure de gallium (GaAs).
L'évidement présent dans la couche d'isolant électrique permet de créer naturellement une électrode d'injection lors du dépôt de la couche métallique d'injection, sans avoir besoin d'effectuer d'autres étapes technologiques. L'isolant électrique entourant l'électrode d'injection permet d'éviter tout contact électrique avec le semi-conducteur en dehors de l'évidement, et donc d'injecter les porteurs uniquement dans la zone d'évidement.
L'électrode d'injection formée sur la surface semi-conductrice de la région active, c'est-à-dire dans l'évidement de la couche d'isolant électrique, est également appelée « pastille » dans le présent document.
Le terme « élément optoélectronique » désigne tout composant optoélectronique pouvant être mis en œuvre dans un dispositif ou un système optoélectronique, tels que des capteurs optiques, ou pouvant fonctionner seul, tels que des diodes laser.
Le procédé de fabrication selon l'invention peut également comprendre une ou plusieurs étapes permettant le contactage électrique de l'élément optoélectronique, afin de pouvoir l'alimenter électriquement lorsqu'il est mis en œuvre.
Selon un mode de réalisation, le procédé selon l'invention peut comprendre, préalablement au dépôt de la couche métallique d'injection, la création d'une électrode de contact sur la couche d'isolant électrique à l'aide d'un deuxième masque, le deuxième masque ayant un évidement décalé latéralement par rapport à la région active pour l'emplacement de l'électrode de contact.
L'électrode de contact ainsi créée permet un contactage aisé, par exemple pour réaliser une injection électrique via l'électrode d'injection.
Un élément ainsi pourvu d'une électrode de contact peut être facilement intégré dans un circuit intégré par exemple. Plusieurs de tels éléments optoélectroniques peuvent ainsi être réalisés et intégrés sur une même plaquette semi-conductrice.
Alternativement, selon un mode de réalisation, le procédé selon l'invention peut comprendre en outre, après le dépôt de la couche métallique d'injection, création d'une électrode de contact sur la couche métallique à l'aide d'un deuxième masque photosensible, le masque ayant un évidement décalé latéralement par rapport à la région active pour l'emplacement de l'électrode de contact.
Il est en effet possible d'inverser l'ordre des étapes de dépôt de la couche métallique d'injection et de la création de l'électrode de contact.
L'ordre de ces étapes est notamment choisi en fonction du choix des métaux et de leur capacité d'adhérer l'un sur l'autre.
De préférence, la couche métallique d'injection, et donc la pastille, est en argent. L'électrode de contact est, de préférence, en or.
L'argent et l'or présentent en effet une conductivité très élevée, permettant de minimiser les pertes.
Bien entendu, d'autres métaux peuvent être utilisés pour la couche d'injection et l'électrode de contact, par exemple du platine ou de l'aluminium. Les métaux mis en œuvre et leurs configurations sont notamment choisis en fonction de la longueur d'onde d'émission (ou de détection) souhaitée.
Selon un mode de réalisation, la création de l'électrode de contact peut comprendre les étapes suivantes :
- dépôt d'une résine photosensible sur l'ensemble obtenu à l'étape précédente, lithographie et gravure de la résine pour obtenir le deuxième masque ;
- dépôt directif d'une couche métallique, dite de contact, sur le deuxième masque ; et lift-off du deuxième masque, la partie de la couche métallique, dite de contact, restante après le lift-off formant l'électrode de contact.
Grâce à la présence du deuxième masque, l'électrode de contact est créée à proximité de la région active tout en protégeant la surface semi-conductrice de cette dernière. En effet, la surface semi-conductrice de la région active n'est pas soumise à la gravure pour la création de l'électrode de contact.
Avantageusement, le procédé selon l'invention peut comprendre en outre la délimitation latérale de la couche métallique d'injection de sorte à ce qu'elle couvre essentiellement les emplacements de la région active et de l'électrode de contact, à l'aide d'un troisième masque couvrant essentiellement les emplacements de la région active et de l'électrode de contact.
Cette délimitation latérale de la couche métallique d'injection permet de restreindre spatialement la couche métallique d'injection afin de former un pad métallique s'étendant au niveau de la région active et de l'électrode de contact. Ce pad métallique définit ainsi l'étendue de l'élément optoélectronique, par exemple sur une plaquette semi-conductrice comportant plusieurs de ces éléments optoélectroniques.
Selon un exemple de mise en œuvre, la délimitation latérale de la couche métallique d'injection peut comprendre les étapes suivantes :
- dépôt d'une résine photosensible sur l'ensemble obtenu à l'étape précédente, lithographie et gravure de la résine pour obtenir le troisième masque ;
- attaque chimique des parties de la couche métallique d'injection non couvertes par le troisième masque ; et lift-off du troisième masque.
Avantageusement, la couche d'isolant électrique peut être déposée par dépôt directif.
Le dépôt directif est un dépôt anisotrope de matériau qui permet notamment de ne déposer du matériau uniquement sur les surfaces directement exposées au faisceau du matériau à déposer. Les surfaces non exposées directement ne seront pas couvertes par le matériau déposé. Ceci permet par la suite de réaliser des opérations différentiées sur les surfaces couvertes par le matériau déposé et celles non couvertes, comme la gravure ou le lift-off.
Selon un mode de réalisation, le matériau semi-conducteur peut comprendre un empilement de couches semi-conductrices comprenant, selon une direction Z perpendiculaire à la surface du matériau semi-conducteur, une alternance de couches d'indice de réfraction élevé et faible pour former un miroir interférentiel.
Les miroirs interférentiels de ce type peuvent être mis en œuvre dans différents types d'éléments et dispositifs optoélectroniques.
Par exemple, une source lumineuse à mode de Tamm comprend un miroir interférentiel dont l'empilement est parfaitement périodique (appelé miroir de Bragg dans ce cas).
Les couches de l'empilement sont par exemple en arséniure de gallium (GaAs) et en alliage d'arséniure de gallium et d'arséniure d'aluminium (GaAlAs). Ces matériaux sont adaptés pour l'émission et/ou la détection d'un rayonnement électromagnétique dans les longueurs d'onde infrarouges.
Bien entendu, d'autres combinaisons de matériaux peuvent être utilisées pour les couches de l'empilement. Par exemple, la combinaison du nitrure de gallium (GaN) avec différentes porosités peut être utilisée pour une émission dans le visible/proche ultra-violet, la combinaison de silicium (Si)/dioxyde de silicium (silice, SiC ) dans le visible/infrarouge, ou la combinaison du nitrure d'aluminium (AIN)/nitrure d'aluminium-gallium (AIGaN) dans l'ultraviolet.
Selon un mode de réalisation, la région active peut comprendre au moins un émetteur ou détecteur de lumière.
Selon des exemples, l'au moins un émetteur ou détecteur de lumière peut comprendre un puit quantique ou une boite quantique.
L'au moins un émetteur ou détecteur de lumière est localisé à proximité de la surface du matériau semi-conducteur. Par exemple, pour la fabrication d'une source lumineuse à mode de Tamm, des puits ou des boites quantiques en tant qu'émetteurs de lumière sont prévus dans les couches supérieures de l'empilement.
Selon un autre aspect de la même invention, il est prévu un élément optoélectronique obtenu par le procédé de fabrication selon l'invention.
Description des figures et modes de réalisation
D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'exemples nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels :
- [Fig.l] la Figure 1 est une représentation schématique d'un exemple de réalisation non limitatif d'un procédé de fabrication selon l'invention ;
- [Fig.2] la Figure 2 est une représentation schématique d'un exemple de réalisation non limitatif d'étapes du procédé de fabrication selon l'invention ;
- [Fig.3] la Figure 3 est une représentation schématique d'un exemple de composant optoélectronique pouvant être obtenu par le procédé de fabrication selon l'invention ;
- [Fig.4] la Figure 4 présente une vue de dessus d'un élément optoélectronique obtenu par des étapes du procédé de fabrication selon un mode de réalisation de l'invention ; et
- [Fig.5] la Figure 5 présente une vue de dessus d'éléments optoélectroniques obtenu par d'autres étapes du procédé de fabrication selon un mode de réalisation de l'invention.
Il est bien entendu que les modes de réalisation qui seront décrits dans la suite ne sont nullement limitatifs. En particulier toutes les variantes et tous les modes de réalisation décrits sont combinables entre eux si rien ne s'oppose à cette combinaison sur le plan technique. Sur les figures, les éléments communs à plusieurs figures peuvent conserver la même référence.
Les figures 1 et 2 sont des représentations schématiques de modes de réalisation non limitatifs d'un procédé de fabrication selon la présente invention.
Le procédé selon l'invention sera décrit en prenant l'exemple d'une source lumineuse à mode de Tamm. Une telle source est illustrée sur la figure 3. Cette source à mode de Tamm est un exemple de réalisation d'un élément optoélectronique obtenu par le procédé de fabrication selon l'invention.
Il s'agit d'une source semi-conductrice 1 comprenant un empilement 2 de couches quart d'onde diélectriques, ou semi-conductrices, d'indices de réfraction ni et n2, avec ni > n2, formant un miroir interférentiel, aussi appelé miroir de Bragg lorsque l'empilement 2 est parfaitement périodique. Il est également possible d'avoir des variations d'épaisseurs des couches. Les couches sont empilées selon une direction verticale z. L'empilement 2 comprend des émetteurs lumineux 3, par exemple des boîtes ou puits quantiques, localisés dans les couches supérieures de l'empilement 2. Une couche d'isolant électrique
4 est déposée sur la couche supérieure de l'empilement 2, la couche d'isolant ayant une ouverture 5 à laquelle la couche supérieure n'est pas couverte d'isolant. Une couche métallique 6 est déposée sur la couche d'isolant 4, formant ainsi une pastille métallique 7 déposée sur la couche supérieure de l'empilement 2. La pastille 7 peut avoir une forme circulaire, elliptique ou encore toute autre forme. La dimension de l'ouverture 5 de la couche d'isolant 4, et donc de la pastille 7, définira la dimension latérale du mode de Tamm. La source comprend également un contact métallique 8 pour alimenter la pastille métallique 7.
L'empilement 2 est posé sur un substrat semi-conducteur S, ce substrat
5 étant posé sur une couche métallique CO constituant un contact ohmique.
Dans un tel dispositif, la région active se situe immédiatement en-dessous de l'électrode 7 présente dans l'ouverture de la couche d'isolant 4, au niveau de l'emplacement des émetteurs lumineux 3 près de l'interface formée par la couche supérieure de l'empilement et l'électrode. C'est en effet près de cette interface que le mode de Tamm peut être créé. A titre d'exemple, le mode de Tamm s'étend quelques dizaines de nm dans la couche métallique 7 et quelques centaines de nm dans l'empilement, en partant de l'interface métal/semi- conducteur.
Le faisceau M sortant de la pastille 7 représente le couplage du mode de Tamm avec des ondes laser lorsque l'élément optoélectronique est mis en œuvre en tant que diode laser.
Par les dimensions latérales réduites de l'interface électrode - couche supérieure de l'empilement, le mode de Tamm est également confiné dans la direction latérale, orthogonalement à la direction d'empilement. La pastille métallique 7 permet à la fois le confinement et/ou la manipulation du mode de Tamm et d'amener des porteurs pour réaliser l'injection électrique (illustrée par les flèches e ). La pastille métallique 7 peut être également appelée électrode d'injection.
Les couches de l'empilement 2 sont par exemple en arséniure de gallium (GaAs) et en alliage d'arséniure de gallium et d'arséniure d'aluminium (GaAlAs), avec la couche supérieure en GaAs. Bien entendu, d'autres combinaisons de matériaux peuvent être utilisées pour les couches afin de former un miroir interférentiel.
La pastille métallique 7 est de préférence en argent, et la couche d'isolant en oxyde d'yttri um(III) (Y2O3) ou en silice (SiOz). Le substrat peut également être en GaAs.
Le procédé 10, représenté sur la figure 1, comprend une phase 12 de création d'une couche d'isolant électrique 4 avec une ouverture 5 sur un miroir de Bragg 2, faisant partie d'un élément optoélectronique (non représenté) comme décrit ci-dessus.
La couche supérieure du miroir de Bragg 2 est de préférence en GaAs.
La phase 12 de création de l'isolant électrique comprend une étape 22 de dépôt d'une couche protectrice 13 sur le miroir de Bragg 2. La couche protectrice 13 peut notamment être une résine photosensible. La résine peut être déposée par enduction centrifuge spin coating).
Ensuite, lors d'une étape 23 de photolithographie, la résine photosensible est exposée à une irradiation lumineuse à l'aide d'un masque pour définir l'emplacement futur de la pastille métallique. La résine 13' en dehors de cet emplacement est soluble dans un développeur. Lors du développement, la partie soluble de la résine 13' ainsi que la couche supérieure 2' sont gravées. La partie non soluble de la résine, en forme de plot 14, protège le futur emplacement de la pastille métallique du développeur.
Comme illustré sur la figure 1, après le développement, le plot 14 de résine, posé sur la couche supérieure de GaAs gravée, persiste. Le plot 14 de résine a une section longitudinale de la forme d'un trapèze isocèle, avec le côté court vers le miroir de Bragg 2. Cette forme est en effet importante pour le bon déroulement des étapes suivantes du procédé 10.
La phase 12 de création de l'isolant comprend ensuite une étape 24 de dépôt d'une couche d'isolant électrique 4 sur l'ensemble de la surface gravée de la couche supérieure en GaAs et le plot 14 de résine. Le dépôt est effectué par ablation laser pulsé pulsed laser deposition, PLD) à température ambiante. L'isolant peut être, par exemple, du SiOz ou Y2O3. L'épaisseur de la couche d'isolant peut être de l'ordre de 100 nm. Grâce à la section en forme de « trapèze isocèle inversé » du plot 14 de résine et un dépôt directif de l'isolant, la couche d'isolant ne couvre pas les côtés du plot 14, mais seulement sa surface supérieure.
Lors d'une étape 25, le plot 14 de résine couvert d'isolant est enlevé par une technique de lift-off, à l'aide d'un solvant tel que de l'acétone. Comme les côtés du plot 14 de résine ne sont pas couverts par l'isolant, le plot 14 est soluble dans le solvant.
A la fin de la phase 12 de dépôt de la couche d'isolant électrique 4, le miroir de Bragg 2 est recouvert de la couche d'isolant électrique 4 à l'exception du futur emplacement de la pastille métallique où la couche d'isolant présente une ouverture 5.
Le procédé 10, tel que représenté dans le mode de réalisation de la figure 1, se poursuit avec une phase 14 de création d'une électrode 8 de contact.
La phase 14 de dépôt de l'électrode 8 de contact, telle que représentée sur la figure 1, comprend une étape 31 de dépôt d'un masque de résine 9, par photolithographie, sur la couche d'isolant électrique 4 et son ouverture 5. Le masque de résine 9 présente un évidement à proximité de l'ouverture 5 de la couche d'isolant 5, mais couvre bien l'ouverture 5. La couche de GaAs dans l'ouverture 5 est ainsi bien protégée par le masque 9 de résine pour l'étape suivante.
Lors d'une étape 32, une première couche métallique 15, dite de contact, est déposée sur le masque de résine 9 par évaporation. La première couche métallique 15 est de préférence en or. Elle peut être complétée par une couche intermédiaire 19, entre la couche métallique de contact 15 et le masque 9, servant de couche d'accroche, tel qu'illustré dans le mode de réalisation de la figure 1. La couche d'accroche 19 peut être, par exemple, en chrome ou en titane. La première couche métallique 15 n'est pas en contact avec la couche supérieure du miroir de Bragg 2 présente dans l'ouverture 5 de la couche d'isolant 4.
Ensuite, lors d'une étape 33, le masque de résine 9 est enlevé par une technique de lift-off, à l'aide d'un solvant tel que de l'acétone. Il en résulte une électrode 8 de contact placée sur la couche d'isolant 4, à proximité de l'ouverture 5, futur emplacement de la pastille métallique.
Une image (obtenue par microscopie optique en champ clair) présentant une vue de dessus de l'élément optoélectronique obtenu à ce stade est montrée sur la figure 4. On y voit le dessus de l'électrode de contact 8.
Le procédé 10 selon l'invention comprend en outre une phase 16 de création d'une électrode 7 d'injection.
La phase 16 de dépôt de l'électrode 7 d'injection, telle que représentée sur la figure 1, comprend une étape 41 de dépôt d'une deuxième couche métallique 18, dite d'injection, sur essentiellement toute la surface de l'élément optoélectronique obtenu lors des phases précédentes du procédé. La couche métallique d'injection 18 est de préférence en argent.
Lors d'une étape 42 du procédé 10, un masque de résine 17, réalisé par photolithographie, est déposé sur la deuxième couche métallique 18. Le masque 17 couvre la deuxième couche métallique 18 au niveau de l'ouverture 5 dans la couche d'isolant 4 ainsi que de l'électrode 8 de contact. La phase 16 du procédé comprend ensuite une étape 43 de délimitation, ou structuration, latérale de la couche métallique d'injection 18, lors de laquelle l'étendue latérale de la deuxième couche métallique 18 est définie. Cette étape peut être réalisée, par exemple, par une attaque de la couche 18 à l'aide d'une solution d'iodure de potassium (Kl) et de diiode (b) dans de l'eau. Les endroits attaqués 6' deviennent alors non-conducteurs. Lorsque la couche d'injection 18 est en argent, les endroits exposés se transforment alors en de l'iodure d'argent (Agi).
Le masque de résine 17 est ensuite enlevé par une technique de lift-off, à l'aide d'un solvant tel que de l'acétone.
La dernière étape 43 définit un pad métallique 6, par exemple en argent, qui couvre l'électrode 8 de contact ainsi que l'ouverture 5. La partie du pad 6 couvrant la couche supérieure du miroir de Bragg constitue la pastille métallique 7 précédemment mentionnée, fonctionnant en tant qu'électrode d'injection. Un mode de Tamm peut être généré et confiné à l'interface entre la pastille 7 et la couche supérieure du miroir de Bragg.
Une image (obtenue par microscopie optique en champ clair) présentant une vue de dessus de quatre éléments optoélectroniques 1 obtenu après la phase 16 du procédé est montrée sur la figure 5. On y distingue les pads métalliques 6 et les pastilles 7, les pads métalliques 6 recouvrant les électrodes de contact, respectivement. Les pastilles 7 dans la figure 5 ont des diamètres différents, permettant de disposer de régions émettrices de taille variable.
Selon un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention, les phases de création d'une électrode 8 de contact et de création d'une électrode 7 d'injection peuvent être inversées. En effet, il est possible de créer d'abord l'électrode 7 d'injection et le pad métallique 6 et poser ensuite l'électrode 8 de contact sur le pad métallique 6.
La figure 2 illustre des étapes de la phase 12 de création d'une couche d'isolant électrique 4 et de la phase 16 de création d'une électrode 7 d'injection. La phase 12 de création d'une couche d'isolant 4 avec son ouverture 5 est identique à ce qui a été détaillé en référence à la figure 1. Lors de la phase 16 de création de l'électrode d'injection, la couche métallique d'injection 18 est déposée directement sur la couche d'isolant 4 et son ouverture, afin de former la pastille d'injection 7 au niveau de l'ouverture 5. L'électrode de contact pourra ensuite être déposée sur la couche d'injection 18.
Le choix de l'ordre de la réalisation de ces étapes dépend des matériaux utilisés. Il est par exemple plus aisé de faire adhérer de l'argent sur de l'or, que vice versa.
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

REVENDICATIONS
1. Procédé (10) de fabrication d'un élément optoélectronique (1), l'élément optoélectronique (1) comprenant un matériau semi-conducteur (2) comprenant une région active localisée sous une surface du matériau semi-conducteur, le procédé (10) comprenant les étapes suivantes :
- dépôt (12) d'un couche d'isolant électrique (4) sur le matériau semi- conducteur à l'aide d'un premier masque (14) posé directement sur la région active, de sorte à ce que la couche d'isolant électrique (4) présente un évidement (5) au niveau de la région active ;
- dépôt (16) d'une couche métallique (18), dite d'injection, sur l'ensemble obtenu à l'étape précédente, de sorte à ce que la couche métallique d'injection (18) forme une électrode (7) sur la surface du matériau semi- conducteur au niveau de la région active.
2. Procédé (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend en outre :
- préalablement au dépôt (16) de la couche métallique d'injection (18), création (14) d'une électrode de contact (8) sur la couche d'isolant électrique (4) à l'aide d'un deuxième masque (9), le deuxième masque (9) ayant un évidement décalé latéralement par rapport à la région active pour l'emplacement de l'électrode de contact (8).
3. Procédé (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre :
- après le dépôt (16) de la couche métallique d'injection (18), création d'une électrode de contact sur la couche métallique à l'aide d'un deuxième masque photosensible, le masque ayant un évidement décalé latéralement par rapport à la région active pour l'emplacement de l'électrode de contact.
4. Procédé (10) selon l'une quelconque des revendications 2 à 3, caractérisé en ce que la création (14) de l'électrode de contact (8) comprend les étapes suivantes : - dépôt d'une résine photosensible sur l'ensemble obtenu à l'étape précédente, lithographie et gravure de la résine pour obtenir le deuxième masque (9) ;
- dépôt (32) directif d'une couche métallique (15), dite de contact, sur le deuxième masque (9) ; et
- lift-off (33) du deuxième masque (9) ; la partie de la couche métallique de contact (15) restante après le lift-off formant l'électrode de contact (8).
5. Procédé (10) de fabrication selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend en outre :
- délimitation latérale (43) de la couche métallique d'injection (18) de sorte à ce qu'elle couvre essentiellement les emplacements de la région active et de l'électrode de contact (8), à l'aide d'un troisième masque (17) couvrant essentiellement les emplacements de la région active et de l'électrode de contact.
6. Procédé (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la délimitation latérale (43) de la couche métallique d'injection (18) comprend les étapes suivantes :
- dépôt d'une résine photosensible sur l'ensemble obtenu à l'étape précédente, lithographie et gravure de la résine pour obtenir le troisième masque (17) ;
- attaque chimique des parties de la couche métallique d'injection non couvertes par le troisième masque (17) ; et
- lift-off du troisième masque (17).
7. Procédé (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche d'isolant électrique (4) est déposée par dépôt directif.
8. Procédé (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau semi-conducteur comprend un empilement (2) de couches semi-conductrices comprenant, selon une direction Z perpendiculaire à la surface du matériau semi-conducteur, une alternance de couches d'indice de réfraction élevé et faible pour former un miroir interférentiel.
9. Procédé (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la région active comprend au moins un émetteur (3) ou détecteur de lumière.
10. Procédé (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'au moins un émetteur ou détecteur de lumière comprend un puit quantique (3) ou une boite quantique (3).
11. Procédé (10) selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que l'au moins un émetteur (3) ou détecteur de lumière est localisé à proximité de la surface du matériau semi-conducteur.
12. Élément optoélectronique (1) obtenu par le procédé (10) de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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