FR3127341A1 - Structure semi-conductrice pour applications optoelectroniques - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne une structure semi-conductrice (150) pour applications optoélectroniques comprenant : - une première couche (10) en un matériau semi-conducteur cristallin, disposée sur - une couche intermédiaire (50) incluant ou adjacente à une interface de collage direct, la couche intermédiaire étant disposée sur - une deuxième couche (40) en un matériau semi-conducteur cristallin, la structure semi-conductrice (150) étant caractérisée en ce que la couche intermédiaire (50) est composée d’un matériau différent de ceux des première (10) et deuxième (40) couches et dont le coefficient d’atténuation est inférieur à 100 et l’indice de réfraction s’écarte de moins de 0,3 de l’indice de réfraction : - d’au moins une sous-couche de la première couche (10), adjacente à la couche intermédiaire (50), et - d’au moins une sous-couche de la deuxième couche (40), adjacente à la couche intermédiaire (50). Figure 2

Description

STRUCTURE SEMI-CONDUCTRICE POUR APPLICATIONS OPTOELECTRONIQUES
DOMAINE DE L’INVENTION
La présente invention vise le domaine des semi-conducteurs et particulièrement de l’optoélectronique. Elle concerne une structure semi-conductrice comprenant une première couche en matériau semi-conducteur cristallin assemblée sur une deuxième couche, via une couche intermédiaire présentant un indice de réfraction très proche des première et deuxième couches.
ARRIÈRE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
Les diodes laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL pour « vertical-cavity surface-emitting laser ») connaissent un développement croissant dans les applications grand public émergentes que sont la reconnaissance faciale dans le domaine de la téléphonie mobile notamment, et la télédétection (Lidar pour « light detection and ranging ») pour l’automobile.
Les VCSEL 100 sont élaborés à partir d’empilements de couches semi-conductrices III-V, par croissances épitaxiales successives (figures 1a, 1b). La composition, le dopage et l’épaisseur de chaque couche sont finement définis pour former d’une part, une région active 2 constituée d'un ou plusieurs puits quantiques permettant la génération du faisceau laser, et d’autre part, deux miroirs de Bragg 3a,3b prenant la région active 2 en sandwich et constitués d’une alternance de couches à haut et bas indices de réfraction.
Il est connu de former l’empilement de couches d’un VCSEL 100 sur un substrat massif 1, comme illustré sur la , par exemple en arséniure de gallium (GaAs) pour des longueurs d’onde de laser comprises entre 650nm et 1300nm, ou en phosphure d’indium (InP) pour des longueurs d’onde de laser comprises entre 1300nm et 2000nm. Ledit substrat massif 1 doit présenter une excellente qualité pour assurer la fonction de germe d’épitaxie et garantir la haute qualité de l’empilement de couches, pour une haute performance du VCSEL 100.
Alternativement, pour adresser des problèmes de coûts liés à l’utilisation de substrats massifs de haute qualité, une couche utile mince de haute qualité 10 peut être transférée sur un substrat support 1’ dont les propriétés sont plus modestes et/ou adaptées à d’autres contraintes, par exemple d’intégration ou de packaging du VCSEL 100 ( ). Un tel transfert de couche utile sur un substrat support est notamment proposé dans le document WO2021/125005.
Un transfert de couche(s) mince(s) peut également être utile pour la réalisation du VCSEL lui-même. Par exemple, dans le cas où les miroirs de Bragg 3a,3b nécessitent un très grand nombre d’alternances de couches du fait de limitations de compositions et dopages imposées par la croissance épitaxiale, il peut être plus favorable de transférer un ensemble de couches minces (miroir de Bragg) plutôt que de le faire croitre par épitaxie. On pourra par exemple se référer à l’article de A. Syrbu et al, “1.5-mW single-mode operation of wafer-fused 1550-nm VCSELs”, IEEE Photonics Technology Letters, Volume : 16, Issue: 5, pp1230-1232, Mai 2004.
Dans tous les cas de transferts, l’assemblage entre la couche utile mince 10 et le substrat support 1’ doit permettre de conserver la haute qualité de ladite couche 10 et éviter d’apporter des perturbations dans le fonctionnement du VCSEL 100. Un problème peut venir du fait que le collage direct entre une couche utile mince 10 et un substrat support 1’, tous deux en matériaux semi-conducteurs III-V, nécessite plusieurs étapes de préparation des surfaces à assembler, par voie chimique, lesquelles peuvent s’avérer complexes et donc couteuses.
OBJET DE L’INVENTION
La présente invention propose une solution simplifiant la fabrication de VCSEL et plus généralement la fabrication de composants optoélectroniques, mettant en œuvre le transfert d’une première couche sur une deuxième couche. Elle concerne en particulier une structure semi-conductrice comprenant une première couche en matériau semi-conducteur cristallin assemblée sur une deuxième couche également en matériau semi-conducteur cristallin, via une couche intermédiaire présentant un indice de réfraction très proche de celui d’au moins une sous-couche de la première et d’au moins une sous-couche de la deuxième couche, lesdites sous-couches étant adjacentes à la couche intermédiaire. La couche intermédiaire présente en outre un coefficient d’atténuation très faible.
BREVE DESCRIPTION DE L’INVENTION
La présente invention concerne une structure semi-conductrice pour applications optoélectroniques comprenant :
- une première couche en un matériau semi-conducteur cristallin, disposée sur
- une couche intermédiaire incluant ou adjacente à une interface de collage direct, la couche intermédiaire étant disposée sur
- une deuxième couche en un matériau semi-conducteur cristallin.
La structure semi-conductrice est remarquable en ce que la couche intermédiaire est composée d’un matériau différent de ceux des première et deuxième couches et dont l’indice de réfraction s’écarte de moins de 0,3 de l’indice de réfraction :
- d’au moins une sous-couche de la première couche, adjacente à la couche intermédiaire, et
- d’au moins une sous-couche de la deuxième couche, adjacente à la couche intermédiaire.
La couche intermédiaire présente en outre un coefficient d’atténuation inférieur à 100.
Selon des caractéristiques avantageuses de l’invention, prises seules ou selon toute combinaison réalisable :
  • le coefficient d’atténuation de la couche intermédiaire est inférieur à 10, voire inférieur à 1, voire encore préférentiellement au plus proche de 0 ;
  • le matériau de la couche intermédiaire est amorphe ;
  • le matériau de la première couche est un monocristal de haute qualité cristalline pour former un germe pour épitaxie ;
  • la première couche forme tout ou partie d’une diode laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL) ;
  • la deuxième couche est un substrat support présentant une transparence optique supérieure à 30% ;
  • le matériau semi-conducteur de la première couche est l’arséniure de gallium, le matériau semi-conducteur de la deuxième couche est l’arséniure de gallium, et le matériau de la couche intermédiaire est le silicium ;
  • la première couche est une région active d’une diode laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL), et la deuxième couche est un miroir de Bragg en multicouches de ladite diode laser ;
  • le matériau semi-conducteur de la première couche est le phosphure d’indium, le matériau semi-conducteur d’au moins une sous-couche de la deuxième couche adjacente à la couche intermédiaire est l’arséniure de gallium, et le matériau de la couche intermédiaire est le phosphure de zinc germanium ou le carbure de bore ou l’arséniure de zinc silicium.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquelles :
Les figures 1a et 1b présentent des structures semi-conductrices pour la fabrication d’un VCSEL, selon l’état de la technique ;
La présente une structure semi-conductrice conforme à l’invention ;
La présente une structure semi-conductrice selon un premier mode de réalisation de l’invention ;
Les figures 4a à 4g présentent des étapes d’un procédé de fabrication d’une structure semi-conductrice selon un premier mode de réalisation de l’invention ;
Les figures 5a et 5f présentent des étapes d’un procédé de fabrication d’une structure semi-conductrice, selon une variante du premier mode de réalisation de l’invention ;
Les figures 6a à 6c présentent des structures semi-conductrices selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.
Les figures sont des représentations schématiques qui, dans un objectif de lisibilité, ne sont pas à l’échelle. En particulier, les épaisseurs des couches selon l’axe z ne sont pas à l’échelle par rapport aux dimensions latérales selon les axes x et y.
Les mêmes références sur les figures pourront être utilisées pour des éléments de même nature.

Claims (9)

  1. Structure semi-conductrice (150) pour applications optoélectroniques comprenant :
    - une première couche (10) en un matériau semi-conducteur cristallin, disposée sur
    - une couche intermédiaire (50) incluant ou adjacente à une interface de collage direct, la couche intermédiaire étant disposée sur
    - une deuxième couche (40) en un matériau semi-conducteur cristallin,
    la structure semi-conductrice (150) étant caractérisée en ce que la couche intermédiaire (50) est composée d’un matériau différent de ceux des première (10) et deuxième (40) couches, et en ce que ladite couche intermédiaire (50) présente un coefficient d’atténuation inférieur à 100 et un indice de réfraction s’écartant de moins de 0,3 de l’indice de réfraction :
    - d’au moins une sous-couche de la première couche (10), adjacente à la couche intermédiaire (50), et
    - d’au moins une sous-couche de la deuxième couche (40), adjacente à la couche intermédiaire (50).
  2. Structure semi-conductrice (150) selon la revendication précédente, dans laquelle le matériau de la couche intermédiaire (50) est amorphe.
  3. Structure semi-conductrice (150) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le matériau de la première couche (10) est un monocristal de haute qualité cristalline pour former un germe pour épitaxie.
  4. Structure semi-conductrice (150) selon l’une des revendications 1 et 2, dans laquelle la première couche (10) forme tout ou partie d’une diode laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL).
  5. Structure semi-conductrice (150) selon l’une des deux revendications précédentes, dans lequel la deuxième couche (40) est un substrat support présentant une transparence optique supérieure à 30%.
  6. Structure semi-conductrice (150) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le matériau semi-conducteur de la première couche (10) est l’arséniure de gallium, le matériau semi-conducteur de la deuxième couche (40) est l’arséniure de gallium, et le matériau de la couche intermédiaire (50) est le silicium.
  7. Structure semi-conductrice (150) selon l’une des revendications 1 et 2, dans laquelle la première couche (10) est une région active d’une diode laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL), et la deuxième couche (40) est un miroir de Bragg en multicouches de ladite diode laser.
  8. Structure semi-conductrice (150) selon la revendication précédente, dans laquelle le matériau semi-conducteur de la première couche (10) est le phosphure d’indium, le matériau semi-conducteur d’au moins une sous-couche de la deuxième couche (40) adjacente à la couche intermédiaire (50) est l’arséniure de gallium, et le matériau de la couche intermédiaire (50) est le phosphure de zinc germanium ou le carbure de bore ou l’arséniure de zinc silicium.
  9. Structure semi-conductrice (150) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le coefficient d’atténuation de la couche intermédiaire (50) est inférieur à 1.
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