FR3158372A1

FR3158372A1 - Dispositif photonique comprenant une couche de composants disposée sur un substrat support et procédé de préparation d’un tel dispositif photonique

Info

Publication number: FR3158372A1
Application number: FR2400469A
Authority: FR
Inventors: Sylvie Menezo
Original assignee: Scintil Photonics SAS
Current assignee: Scintil Photonics SAS
Priority date: 2024-01-17
Filing date: 2024-01-17
Publication date: 2025-07-18
Anticipated expiration: 2044-01-17
Also published as: WO2025153192A1; FR3158372B1

Abstract

L’invention concerne un dispositif photonique (DP) comportant un guide d’onde hybride apte à propager un mode optique. Le dispositif comprend une couche de composants (2) disposée par une première surface sur une substrat support (1e) et comportant au moins un guide d’onde à arrête (2a) formé d’un socle affleurant une seconde surface de la couche de composants (2) et d’au moins une arrête orientée du côté du substrat support (1e). Une couche diélectrique (1b) est disposée sur et en contact avec la seconde surface de la couche de composants (2). Elle est agencée pour recouvrir un contour périphérique (Zb) du socle du guide d’onde à arrête (2a) sans toutefois s’étendre sur sa partie centrale. Une structure hétérogène (4) est disposée sur et en contact avec la partie centrale (Zc) du socle du guide d’onde (2a). La structure hétérogène (4) et le guide d’onde à arrête (2a) forment, en combinaison, le guide d’onde hybride. Figure 1 h

Description

Dispositif photonique comprenant une couche de composants disposée sur un substrat support et procédé de préparation d’un tel dispositif photonique

DOMAINE DE L’INVENTION

La présente invention concerne un dispositif photonique comprenant une couche de composants disposée sur un substrat support. Elle concerne également un procédé de préparation d’un tel dispositif photonique, le procédé comprenant le report de la couche de composants sur le substrat support.

ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION

On connaît de l’état de la technique des dispositifs photoniques propageant un mode optique dans un guide d’onde hybride formé de l’assemblage d’une structure hétérogène (par exemple une structure à matériaux semiconducteurs III-V) sur un guide d’onde en silicium pour former un dispositif de type laser ou de type amplificateur optique.

Le document de Liang et al. "Hybrid silicon evanescent approach to optical interconnects."Applied Physics A95 (2009), 1045-1057 propose de graver une couche superficielle d’un substrat de base en silicium pour former un guide d’onde en arrête et à coller directement la structure hétérogène sur l’arrête de ce guide d’onde. Avant leur mise en contact direct, les matériaux peuvent comprendre un oxide superficiel de très faible épaisseur formant une interface entre le guide d’onde en silicium et la structure hétérogène. L’indice optique du silicium étant plus élevé que celui du matériau formant la structure laser (généralement à base d’InP ou d’AsGa), le mode optique est majoritairement disposé dans la partie en silicium du guide d’onde hybride, ce qui est favorable à sa propagation dans le dispositif optique.

Ce procédé imposant de reporter la structure laser directement sur le guide d’onde en silicium, il ne permet toutefois pas d’intégrer d’autres composants dans le dispositif photonique que le guide d’onde hybride. La formation d’autres composants sur le substrat de base (par exemple un photodétecteur en germanium, un guide d’onde en nitrure de silicium, ou des lignes de métal formant des structures de contact enterrée) imposerait d’enfouir le guide d’onde en silicium sous des couches de matériaux, ce qui ne permettrait plus de mettre en contact direct la structure laser et le guide d’onde en silicium.

Par ailleurs, l’étape de gravure de la couche superficielle du substrat de base visant à former le guide d’onde en arrête peut conduire à en dégrader l’état de surface, ce qui peut rendre plus délicat l’étape de collage de la structure hétérogène. Cette étape de gravure est en effet précédée du dépôt d’un masque de gravure (en nitrure de silicium, en oxyde ou en une résine) sur la couche superficielle sur la surface destinée à former l’arrête du guide d’onde, et ce dépôt est susceptible de contaminer la surface recouverte.

Le document US7482184 divulgue un procédé de préparation d’un dispositif photonique qui comprend la formation d’une couche de composants photoniques dans un substrat de départ de type SOI. Ce substrat de départ est donc formé d’un substrat de base, d’une couche diélectrique enterrée, disposée sur et en contact avec le substrat de base, et d’une couche superficielle, qui peut être en silicium monocristallin, disposée sur et en contact avec la couche diélectrique enterrée. Les composants photoniques de la couche de composants photoniques comprennent au moins un guide d’onde formé dans la couche superficielle du substrat de départ, sur et en contact avec la couche diélectrique enterrée. Mais on peut également former sur et dans cette couche superficielle d’autres composants photoniques, tels que des guides d’onde en nitrure de silicium, des photodétecteurs, et des lignes de métal. Ces composants photoniques sont ensuite encapsulés par un matériau de recouvrement, typiquement de l’oxyde de silicium.

Dans une étape suivante, ce procédé de l’état de la technique comprend le report de la couche de composants photoniques sur un substrat support et l’élimination du substrat de base.

Dans la pratique, cette élimination peut être obtenue par meulage du substrat de base suivi par gravure chimique de la partie résiduelle, par exemple à l’aide d’une solution chimique de TMAH. La couche diélectrique enterrée forme une couche d’arrêt à la gravure.

Cela conduit, à l’issue de l’étape d’élimination du substrat de base, à exposer la couche diélectrique enterrée.

Ensuite, ce procédé prévoit d’assembler une structure hétérogène (par exemple une structure à gain formée de matériaux semiconducteurs III-V) sur et en contact avec la couche diélectrique enterrée et au droit du guide d’onde. La couche diélectrique enterrée doit être suffisamment fine pour permettre le couplage optique entre la structure hétérogène et le guide d’onde.

Avec ce procédé d’intégration, la couche diélectrique doit présenter une épaisseur suffisante, par exemple de l’ordre de 100 nm ou de 50 nm, pour ne pas être traversée au moment de la structuration par gravure de la couche superficielle lors de la formation du guide d’onde. Avec ce procédé, il est donc difficile de disposer d’un diélectrique fin entre le guide d’onde en silicium et la structure hétérogène rapportée par collage sur le guide d’onde.

Le document US9507089 propose quant à lui un procédé de préparation d’un dispositif photonique par report de couche similaire à celui qui vient d’être présenté. L’élimination du substrat de base est suivie du retrait complet de la couche diélectrique enterrée. Cela est permis en prévoyant, lors de la préparation de la couche de composants photoniques sur le substrat de départ, une couche de protection en nitrure de silicium disposée sur les parties de la couche diélectrique qui ne sont plus couvertes par la couche superficielle après la structuration par gravure du guide d’onde. Après le report de la couche de composants photoniques sur le substrat support, l’élimination du substrat de base et de la couche diélectrique, on expose la couche de nitrure de silicium et une face arrière du guide d’onde. Puis une nouvelle couche diélectrique est reformée en recouvrement de la couche de nitrure de silicium et du guide d’onde.

On comprend toutefois que cette approche, nécessitant la présence de la couche de protection en nitrure de silicium, le retrait de la couche diélectrique enterrée du substrat de départ et la formation d’une nouvelle couche diélectrique, est particulièrement complexe..

OBJET DE L’INVENTION

Un but de l’invention est de remédier, au moins en partie, aux problèmes qui viennent d’être présentés. Plus particulièrement, un but de l’invention est de proposer un dispositif photonique comportant un guide d’onde hybride pour propager un mode optique et un procédé de préparation de ce dispositif qui soit à la fois simple à mettre en œuvre et moins sensible au risque provoqué par l’endommagement de la couche diélectrique enterrée tout en permettant un bon couplage diélectrique entre la structure laser et le guide d’onde.

BREVE DESCRIPTION DE L’INVENTION

En vue de la réalisation de l’un de ces buts, l’objet de l’invention propose un dispositif photonique comportant un guide d’onde hybride apte à propager un mode optique comprenant :

une couche de composants disposée par une première surface sur une substrat support, la couche de composants comportant, dans un matériau de recouvrement, au moins un guide d’onde à arrête formé d’un socle affleurant une seconde surface de la couche de composants, opposée à la première surface, et d’au moins une arrête orientée du côté du substrat support;
- une couche diélectrique disposée sur et en contact avec la seconde surface de la couche de composants, la couche diélectrique étant agencée pour recouvrir un contour périphérique du socle du guide d’onde à arrête sans toutefois s’étendre sur une partie centrale du socle du guide d’onde à arrête;
- une structure hétérogène sur et en contact avec la partie centrale du socle du guide d’onde, la structure hétérogène et le guide d’onde à arrête formant, en combinaison, le guide d’onde hybride.

Selon d’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l’invention, prises seules ou selon toute combinaison techniquement réalisable :

la structure hétérogène est une structure à gain formée d’une première couche de contact, d’une région active formée d'un empilement de couches en matériaux semi-conducteurs III-V disposée sur et en contact avec la première couche de contact et d’une deuxième couche de contact disposée sur et en contact avec la région active, et le dispositif photonique est un amplificateur ou un laser ;
la structure hétérogène comprend également, disposée entre et en contact avec le socle du guide d’onde et la première couche de contact, une couche intercalaire formée d’un matériau semi-conducteur non dopé ;
la première couche de contact et la deuxième couche de contact comportent des plots de contacts électriques ;
la structure hétérogène comprend un matériau présentant des propriétés électro-optiques, tel que du LiNbO3, du BTO, ou un empilement de matériaux III-V, et le dispositif photonique est un modulateur électro-optique ;
le dispositif photonique comprend au moins une cavité formée dans le socle du guide d’onde, la cavité étant couverte par la structure hétérogène ;
la cavité présente un fond formé d’au moins un motif d’arrêt à la gravure.
Le dispositif photonique comprend une couche d’encapsulation disposée sur la couche de composants et sur la structure hétérogène ;
le dispositif photonique comprend des pistes métalliques disposées sur la couche d’encapsulation, en contact électrique avec la structure hétérogène ;
la couche de composants comprend au moins une structure de contact enterrée ;
le dispositif photonique comprend en outre des via métalliques traversant la couche d’encapsulation, la couche diélectrique et une partie de la couche de composant pour contacter la structure de contact enterrée ;
le guide d’onde à arrête est constitué de silicium et la couche diélectrique est constituée de dioxyde de silicium.

Selon un autre aspect, l’invention propose l’objet de l’invention propose un procédé de préparation d’un dispositif photonique comportant un guide d’onde hybride apte à propager un mode optique, le procédé comprenant les étapes suivantes :

fournir un substrat de départ comprenant un substrat de base, une couche diélectrique enterrée disposée sur et en contact avec le substrat de base et une couche superficielle disposée sur et en contact avec la couche diélectrique enterrée;
former une couche de composants dans le substrat de départ, la couche de composants comprenant au moins un guide d’onde à arrête formé d’un socle sur et en contact avec la couche diélectrique enterrée et d’au moins une arrête surplombant le socle, la couche de composants comprenant un matériau de recouvrement encapsulant le au moins un guide d’onde à arrête;
reporter la couche de composants sur un substrat support (1e) et éliminer le substrat de base pour exposer la couche diélectrique enterrée;
éliminer sélectivement la couche diélectrique pour exposer une partie centrale du guide d’onde à arrête tout en préservant la couche diélectrique sur un contour périphérique du guide d’onde;
former une structure hétérogène sur et en contact avec la partie centrale du socle du guide d’onde à arrête.

La structure hétérogène peut comprendre un empilement de matériaux semiconducteurs III-V ou un matériau électro-optique. Le procédé peut comprendre la préparation de la surface exposée de la partie centrale du socle du guide d’onde à arrête par un plasma d’oxygène avant l’étape de formation de la structure hétérogène.

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée de l’invention qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquelles :

FIG. 1 FIG. 1 FIG. 1 FIG. 1 FIG. 1 FIG. 1 FIG. 1 FIG. 1

Les figures 1a,1b,1c,1d,1e,1f,1g,1h représentent des étapes d’un procédé de préparation conforme à l’invention ;

FIG. 2 FIG. 2 FIG. 2 FIG. 2 FIG. 2 FIG. 2 FIG. 2

Les figures 2a,2b,2c,2d,2e,2f,2g représentent des étapes d’un autre procédé de préparation conforme à l’invention ;

FIG. 3LaFIG. 3représente un dispositif photonique conforme à l’invention.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION

Les figures 1h, 2g et 3 illustrent des dispositifs photoniques DP conforme à l’invention et comprenant un guide d’onde hybride apte à propager un mode optique.

Ce dispositif photonique DP comprend un substrat support 1e et une couche de composants 2 disposée sur le substrat support 1e. La couche de composants 2 présente une première surface disposée du côté du substrat support 1e, et une seconde surface opposée à la première surface, et donc plus éloignée du substrat support 1e que la première surface.

La couche de composants comporte, dans un matériau de recouvrement 2e, au moins un guide d’onde à arrête 2a. Le guide d’onde à arrête 2a est formé d’un socle affleurant la seconde surface de la couche de composants photoniques 2 et d’au moins une arrête orientée du côté du substrat support 1e. L’arrête vise à favoriser le confinement du mode optique dans la partie en silicium du guide d’onde hybride. Le guide d’onde à arrête 2a est avantageusement formé de silicium monocristallin, sans que cela ne forme une caractéristique essentielle de dispositif photonique DP qui forme l’objet de la présente description. Il peut être structuré pour permettre la formation la résonnance d’un mode optique.

Une couche diélectrique 1b est disposée sur et en contact avec la seconde surface de la couche de composants 2a. La couche diélectrique 1b est agencée pour recouvrir un contour périphérique Zb du socle du guide d’onde 2a sans toutefois s’étendre sur une partie centrale Zc de ce socle. La couche diélectrique 1b, est typiquement formée d’un oxyde de silicium et peut présenter une épaisseur comprise entre quelques dizaines de nanomètres et plusieurs milliers de nanomètres.

Une structure hétérogène 4 est assemblée à la partie centrale Zc du socle du guide d’onde 2a, et donc disposée sur et en contact avec ce guide d’onde 2a. La structure hétérogène 4 et le guide d’onde 2a forment, en combinaison, le guide d’onde hybride du dispositif optique DP dans lequel peut se propager un mode optique.

Par « structure hétérogène », on désigne un matériau ou un empilement de matériaux présentant une nature différente du matériau qui constitue le guide d’onde à arrête 2a.

Il peut ainsi s’agir d’une structure à gain, tel que cela est représenté sur les figures 1h et 2g, formé d’un empilement de couche en matériaux III-V, par exemple à base d’InP ou à base d’AsGa comme cela est bien connu en soi. Avec une telle structure à gain le dispositif photonique DP peut être un laser ou un amplificateur optique. Cette structure à gain 4 peut notamment comprendre une première couche de contact 4n, en matériau semi-conducteur de type N, disposée sur le guide d’onde 2a, une région active 4W (puits ou points quantiques) formée d’un empilement de couches en matériaux III-V disposée sur et en contact avec la première couche de contact 4n et une deuxième couche de contact 4p, en matériau semi-conducteur de type P, disposée sur et en contact avec la région active 4W.

On peut également prévoir dans la structure à gain 4, disposée entre et en contact avec le guide d’onde 2a et la première couche de contact 4n, une couche intercalaire formée d’un matériau semi-conducteur non dopé.

Qu’une telle couche intercalaire soit présente ou non, la structure à gain 4 comporte des plots de contacts électriques 5, respectivement en contact avec la première couche de contact 4n et la seconde couche de contact 4p.

Dans le dispositif photonique DP sur laFIG. 3, structure hétérogène 4 est formé d’un bloc de matériau présentant des propriété électro-optiques, tel que du LiNbO3, du BTO ou un empilement de matériaux III-V. Avec une telle structure hétérogène le dispositif photonique DP peut être un modulateur électro-optique. La structure hétérogène 4 est dans ce cas surmonté de plots de contacts électriques S,G,S. Le guide d’onde à arrête 2a peut présenter deux arrêtes, chaque arrête constituant un bras de modulateur.

Le dispositif photonique DP peut comprendre une couche d’encapsulation 6 disposée sur la couche de composants photoniques 2 et sur la structure hétérogène 4. Cette couche d’encapsulation 6 peut notamment être en dioxyde de silicium. Des pistes métalliques 8 peuvent être disposées sur la couche d’encapsulation 6, en contact électrique avec la structure hétérogène 4, notamment avec les plots de contacts électriques 5 si cette structure en est pourvue.

Le dispositif photonique DP peut comprendre d’autres composants photoniques que le guide d’onde en arrête 2a. Ainsi, sur le mode de mise en œuvre représenté sur laFIG. 1, la couche de composants photonique comprend un guide d’onde 2b en nitrure de silicium, un photodétecteur 2c, au moins une structure de contact enterrée 7 dans la couche de recouvrement 2e sous la forme de pistes ou de vias métalliques. Des via métalliques traversant la couche d’encapsulation 6, la couche diélectrique 1b et une partie de la couche de composant 2 permet de contacter la structure de contact enterrée 7.

Dans le dispositif photonique DP représenté sur laFIG. 2, on a prévu au moins une cavité 20 (deux cavités 20 sur l’exemple représenté) formée dans le socle du guide d’onde à arrête 2a, la cavité 20 étant recouverte par la structure hétérogène 4. Afin de faciliter sa fabrication, la cavité 20 présente un fond formé d’un motif 9 d’arrêt à la gravure, par exemple un motif 9 constitué d’un siliciure ou un métal, tel que du TiN métallique. La ou les cavité(s) peuvent permettre de faciliter l’assemblage de la structure hétérogène 4 sur le guide d’onde à arrête 2a pour absorber les espèces gazeuses qui peuvent se former lors de cette étape d’assemblage, notamment lorsqu’elle est menée par collage moléculaire.

En référence aux figures 1a à 1h, on présente maintenant un mode de mise en œuvre d’un procédé de préparation d’un dispositif photonique DP conforme à l’invention.

Dans une première étape représentée sur laFIG. 1, on fournit un substrat de départ 1. Ce substrat, par exemple de type silicium sur isolant, est formé d’un substrat de base 1a, typiquement en silicium et présentant plusieurs centaines de microns d’épaisseur. Une couche diélectrique enterrée 1b, typiquement en oxyde de silicium, est disposée sur et en contact avec le substrat de base 1a. Cette couche peut présenter une épaisseur comprise entre quelques dizaines de nanomètres et plusieurs milliers de nanomètres.

Le substrat de départ 1 comprend également une couche superficielle 1c, généralement semi-conductrice, disposée sur et en contact avec la couche diélectrique enterrée 1b. Cette couche 1c peut notamment être formée de silicium monocristallin et présenter une épaisseur comprise entre 50nm et 1000nm.

On note que la couche diélectrique enterrée 1b, notamment lorsqu’elle est formée d’oxyde de silicium, résulte de l’oxydation, à haute température, du substrat de base et/ou d’un substrat donneur dans lequel la couche superficielle a été prélevée au cours de la fabrication du substrat de départ. Elle présente donc une densité élevée, plus élevée que la densité d’une couche diélectrique déposée. Elle se distingue donc d’une couche de recouvrement (dont on fera une description ultérieure), formée par dépôt, même lorsque ces deux couches sont de même nature, typiquement en oxyde de silicium.

La couche diélectrique enterrée 1b peut être relativement épaisse, par exemple présenter une épaisseur supérieure à 20nm, ou à 50 nm, 100nm, voire même atteindre un ou plusieurs microns. Les interfaces entre la couche d’oxyde enterrée 1b, le substrat de base 1a d’une part et la couche superficielle 1b d’autre part sont très peu rugueuses, inférieur à 1nm en mesure crête à pic (de l’expression anglo-saxonne « peak to valley »).

Au cours d’une deuxième étape d’un procédé de ce mode de mise en œuvre, illustrée sur laFIG. 1, on traite le substrat de départ 1 pour former, dans et sur la couche superficielle 1c, des composants et notamment des composants photoniques. La couche de composants 2 s’étend d’une première surface exposée à une seconde surface, opposée à la première surface, en contact avec la couche diélectrique enterrée 1b.

Comme cela est bien connu en soi, ce traitement peut comprendre tout type d’étapes technologiques conventionnelles dans le monde de ma microélectronique : dépôt, gravure, photolithographie, afin de définir des motifs permettant de rendre ces composants fonctionnels. A titre d’illustration, ces étapes technologiques conventionnelles peuvent être enchainées pour former, par gravure de la couche superficielle 1c, au moins un guide d’onde à arrête 2a. Comme on l’a précisé antérieurement, ce guide d’onde comprend un socle reposant sur la couche diélectrique enterrée 1b et une arrête saillante sur le socle.

Des étapes de dépôt sélectif, par exemple de germanium, permettent de former un photodétecteur 2c. Des étapes de dépôt de nitrure de silicium permettent de former un guide d’onde additionnel 2b. On peut prévoir également, à titre d’illustration, un modulateur 2d. On peut aussi former des pistes métalliques, à différents niveaux, pour conduire des signaux électriques. De multiples étapes de dépôt, qui peuvent être suivies d’étape de polissage, d’un matériau de recouvrement 2e, par exemple du dioxyde de silicium, permet d’encapsuler l’ensemble et former une couche de composants 2 reposant sur le substrat de base 1a, par l’intermédiaire de la couche diélectrique enterrée 1b.

Le matériau de recouvrement 2e dont est constitué en partie la couche de composant 2 peut être ouvert par gravure, au cours de l’étape de traitement du substrat de départ pour former des vias métalliques 2d, qui peuvent entrer en contact avec les pistes métalliques 7, permettant par exemple de prendre des contacts sur les composants actifs de la couche de composants 2. Par simplicité d’expression, on désignera par « structure de contact enterré » les pistes 7 et vias métalliques 2d disposé dans le matériau de recouvrement 2e.

A l’issue de cette étape de traitement, et quelles que soient les composants formés dans et sur la couche superficielle 1c, on dispose d’une couche de composants 2 s’étendant de la première à la seconde surface, ces composants étant encapsulés dans un matériau de recouvrement 2e. Les composants 2a,2b,2c,2d,7 de la couche 2 comprennent au moins un guide d’onde à arrête 2a formé dans la couche superficielle 1c. On note que ce guide d’onde 2a ayant été formé dans la couche superficielle 1c, il repose par l’intermédiaire de son socle sur, et est en contact avec, la couche diélectrique enterrée 1b, le socle affleurant la seconde surface.

On peut prévoir, en fin de cette étape de traitement, de polir la première surface, exposée, de la couche de composants photoniques 2 afin de faciliter l’étape suivante de report.

Dans une troisième étape représentée sur laFIG. 1, on reporte la couche de composants 2 sur un substrat support 1e. Ce report peut être réalisé par toute technique qui convient. Ce report comprend généralement l’assemblage de la couche de composants 2 portée par le substrat de base 1a avec ce substrat support 1e par l’intermédiaire de la première surface. Il peut s’agir par exemple d’un assemblage par adhésion moléculaire. Cet assemblage peut également être exploité pour mettre en contact des composant formés dans le substrat support avec des pistes métalliques de la couche de composant 2, par l’intermédiaire de plots de contact superficiels, comme cela est notamment illustré dans le document de J. A. Theil, et al "Recent Developments in Fine Pitch Wafer-To-Wafer Hybrid Bonding with Copper Interconnect,"2019 International Wafer Level Packaging Conference (IWLPC), San Jose, CA, USA, 2019, pp. 1-6.

Une fois l’assemblage réalisé, on élimine le substrat de base 1a pour exposer la couche diélectrique enterrée 1b. Cette élimination peut être réalisée par meulage assisté par une gravure sèche ou humide, la couche diélectrique enterrée 1b formant une couche d’arrêt à cette gravure. En choisissant une couche diélectrique enterrée 1c avantageusement épaisse, on s’assure que l’étape d’élimination du substrat de base 1a ne conduit pas à traverser ou percer cette couche diélectrique enterrée 1b. On préserve ainsi la qualité des couches sous-jacentes, notamment la couche de composants 2 et les composants photoniques qu’elle contient.

Dans une quatrième étape représentée sur les figures 1d et 1e, on élimine sélectivement la couche diélectrique 1b pour exposer une partie centrale Zc du guide d’onde à arrête 2a, notamment pour exposer une partie centrale du socle de ce guide d’onde 2a, tout en préservant la couche diélectrique au droit de son contour périphérique Zb. Pour obtenir cela, on peut tout d’abord former, comme cela est représenté sur laFIG. 1, une couche masque 3 recouvrant la couche diélectrique enterrée 1b. La couche masque 3 peut être constituée d’une résine. Une étape de photolithographie permet de former au moins une ouverture dans la couche masque 3, cette ouverture étant disposée au droit d’une partie centrale Zc du guide d’onde 2a. On s’assure lors de cette étape de préserver une partie de la couche masque 3 en recouvrement du guide d’onde 2a, au droit de son contour périphérique Zb.

L’ouverture peut présenter sous une forme rectangulaire surplombant le socle du guide d’onde à arrête 2a, dont la largeur est typiquement comprise entre 30 micromètres et 1mm, et la longueur de quelques millimètres, par exemple 2 mm ou jusqu’ à 2 mm. Le contour périphérique Zb peut quant à lui présenter une largeur de l’ordre de 10 micromètres, par exemple compris entre 5 micromètres et 30 micromètres.

Une fois cette ouverture réalisée, on peut éliminer par gravure, par exemple une gravure humide, la partie exposée de la couche diélectrique enterrée 1b. La solution de gravure est choisie pour être sélective vis-à-vis du matériau composant le guide d’onde 2a. Il peut s’agir d’une solution à base d’acide fluorhydrique (HF) dans le cas où la couche diélectrique enterrée 1b est en oxyde de silicium et le guide d’onde 2a en silicium. Le contour périphérique du guide d’onde Zb étant recouvert par la couche masque 3, la couche diélectrique enterrée 1b est préservée au-dessus de ce contour. On évite ainsi que la solution de gravure n’endommage la couche diélectrique enterrée 1b au droit du contour périphérique Zb du guide d’onde. On évite également que cette solution de gravure ne s’infiltre sur les côtés du guide d’onde 2a et endommage la couche de recouvrement 2e en son voisinage. La surface révélée du guide d’onde 2a, au niveau de la zone centrale Zc, présente une rugosité faible, identique ou proche de celle présente à l’interface entre la couche superficielle 1c et la couche diélectrique enterrée 1b du substrat de départ 1. Elle n’a pas été affectée par la solution de gravure exploitée lors de l’élimination du substrat de base 1a. Elle présente donc des caractéristiques favorables, notamment en termes de rugosité, propreté, et de planéité pour recevoir, par assemblage, une structure laser dans une cinquième étape d’un procédé conforme à l’invention.

On a représenté sur laFIG. 1l’état de la structure à l’issue de cette étape d’élimination sélective de la couche diélectrique. La couche masque 3 peut être éliminée à l’issue de cette étape ou dans une étape ultérieure.

Dans une cinquième étape du procédé, on dispose une structure hétérogène 4 sur et en contact avec la partie centrale Zc du guide d’onde à arrête 2a, sur la surface exposée du socle.

Comme on l’a précisé antérieurement, cette structure hétérogène 4 peut par exemple être une structure à gain d’un laser ou d’un amplificateur optique ou une structure formée d’un matériau présentant des propriétés électro-optiques d’un modulateur.

Dans l’exemple représenté sur les figures 1f à 1h, la structure hétérogène est une structure à gain 4. Celle-ci comprend, comme cela est bien connu en soi, une première couche de contact 4n, en matériau semi-conducteur de type N, disposée sur le guide d’onde 2a, une région active 4W (puit ou points quantique(s)) formée d'un empilement de couches en matériaux III-V disposée sur et en contact avec la première couche de contact, une deuxième couche de contact 4p, en matériau semi-conducteur de type P disposée sur la région active 4W.

On peut prévoir, disposée entre et en contact avec le guide d’onde 2a et la première couche de contact 4n, une couche intercalaire formée d’un matériau semi-conducteur non dopé, pour éviter que le courant injecté dans l’empilement ne fuie dans le silicium. Cette couche non dopée peut être formée de tout matériau semi-conducteur qui convient.

Pour permettre son fonctionnement, la structure à gain 4 comprend des plots de contacts électriques 5, respectivement en contact avec la première couche de contact 4n et la deuxième couche de contact 4b.

La cinquième étape de formation de la structure à gain 4 peut être réalisée selon plusieurs approches. Dans l’approche représentée sur laFIG. 1, on reporte tout d’abord sur la surface exposée du guide d’onde 2a révélée au cours de l’étape précédente, un empilement 4’ constitué de la deuxième couche de contact 4p, de région active 4W, de première couche de contact 4n et, le cas échéant, de la couche intercalaire, sous la forme d’une vignette. Ce report peut être réalisé par l’assemblage, par exemple par adhésion moléculaire de la vignette formée de l’empilement 4’. Dans une étape suivante, cet empilement 4’ est structuré, par exemple par gravure sèche, pour révéler une surface de la première couche 4n. Puis on réalise deux plots de contacts électriques 5, respectivement en contact avec la première et la seconde couche de contact 4p,4n. Ces plots 5 permettent de faire circuler un courant un travers la structure à gain 4 et provoquer la génération/l’amplification d’un mode optique, comme cela est bien connu en soi. On dispose à l’issue de cette séquence d’une structure à gain 4, munie donc de ses plots de contacts électriques 5, sur et en contact avec le guide d’onde 2a, comme cela est représenté sur laFIG. 1. On pourra se référer au document WO2010100882A1 pour obtenir plus de détail de réalisation sur cette première variante de ce mode de mise en œuvre.

Dans une alternative à cette variante selon laquelle la structure à gain 4 est finalisée après le report de l’empilement 4’ dans l’ouverture aménagée dans la couche diélectrique enterrée 1c, on peut prévoir de reporter directement la structure à gain 4 entièrement finalisée. Cela peut être fait par exemple selon la technique d’impression par microtransfert (« micro transfer printing » selon la désignation anglo-saxonne dans le domaine). On pourra trouver une description de cette technique et de son usage dans le domaine de la photonique dans le document de Camiel Op de Beeck, et al "Heterogeneous III-V on silicon nitride amplifiers and lasers via microtransfer printing," Optica 7, 386-393 (2020). En bref, et selon cette technique, on prépare entièrement une structure à gain 4, y compris l’empilement 4’ structuré et les contacts électriques 5, sur un substrat temporaire. A l’aide d’une poignée, on prélève cette structure à gain 4 de son substrat temporaire, on la reporte et on l’assemble sur un substrat final, ici sur et en contact avec la surface révélée du socle du guide d’onde en arrête 2a.

En contraste avec la première approche, on réalise dans cette variante les contacts électriques 5 de la structure à gain 4, avant son assemblage sur la partie centrale du guide d’onde.

L’assemblage peut être réalisé, par exemple, par adhésion moléculaire, tout comme dans la première variante. On note que la surface d’accueil de la structure hétérogène, la surface exposée du socle du guide d’onde, n’ayant reçu aucun traitement susceptible de la dégrader, est particulièrement adaptée à recevoir la structure hétérogène.

Pour faciliter cette adhésion, et quelle que soit l’approche retenue, on peut prévoir de préparer la surface exposée du guide d’onde 2a qui est destiné à recevoir la structure à gain 4. Cette préparation peut comprendre, à titre d’illustration, l’exposition de cette surface à un plasma, par exemple un plasma d’oxygène.

On retrouve sur laFIG. 1l’état du dispositif photonique à l’issue de cette étape de formation de la structure à gain 4.

Pour finaliser ce dispositif photonique, on peut déposer une couche d’encapsulation 6 sur la couche de composants photoniques 2 et sur la structure à gain 4. Puis on réalise des pistes électriques 8 sur la couche d’encapsulation 6, ces pistes pouvant comprendre des via métalliques 8’ traversant la couche d’encapsulation 6 jusqu’à une structure de contact enterré 7 dans la couche de recouvrement 5 et aux contacts électriques 5 de la structure 4.

Pour obtenir le modulateur électro-optique DP représenté sur laFIG. 3, la cinquième étape comprend le report sur la surface exposée du socle du guide d’onde à arrête 2a, d’un bloc de matériau présentant des propriété électro-optiques, par exemple en LiNbO3, du BTO ou un empilement de matériaux III-V. Tout comme dans le cas précédent, on peut former des pistes électriques 8 sur une couche d’encapsulation 6, ces pistes formant également des plots de contacts électriques S,G,S sur la structure hétérogène 4 en matériau électro-optique. On note que le guide d’onde à arrête 2a peut présenter dans ce cas deux arrêtes, chaque arrête constituant un bras de modulateur.

Les figures 2a à 2f illustrent une variante du procédé de préparation, qui peut s’appliquer à une structure hétérogène 4 quelconque, dans laquelle on forme au moins une cavité 20 dans le socle du guide d’onde en arrête 2a pour absorber des produits de dégazage résultants du collage de la structure hétérogènes sur le socle.

Comme cela est représenté sur laFIG. 2, cette variante de procédé comprend la formation d’au moins un motif 9 d’arrêt à la gravure sur le socle du guide d’onde 2a lors de l’étape de formation de la couche de composants photoniques. Sur cetteFIG. 2, et à titre d’illustration, on a défini un guide d’onde en arrête 2a, dans la couche superficielle 1c du substrat de départ 1 et deux motifs d’arrêt 9 en contact avec la couche superficielle, de part et d’autre de l’arrête du guide d’onde 2a. Un motif d’arrêt peut notamment être constitué d’un siliciure ou un métal, tel que du TiN.

On reporte ensuite la couche de composants photoniques 2 sur le substrat support 1e et on élimine le substrat de base pour exposer la couche diélectrique enterrée 1b, tout comme dans le premier mode de mise en œuvre (FIG. 2).

A ce stade, et comme cela est représenté sur laFIG. 2, on dispose une première couche masque 3a sur la couche diélectrique enterrée 1b, cette première couche masque 3a présentant des ouvertures au droit des motifs d’arrêt 9 à la gravure. On procède alors à la gravure localisée successive de la couche diélectrique enterrée 1b et de la couche 1c, par exemple par gravure sèche. La gravure sèche s’arrête très précisément sur le motif d’arrêt 9. Ce retrait peut également être opéré par gravure humide. Dans tous les cas, cette gravure est bloquée par le motif d’arrêt 9. La première couche masque 3a peut alors être éliminée.

On peut ensuite reprendre le procédé tel que décrit précédemment, en plaçant une deuxième couche masque 3b, cette fois pour exposer la partie centrale Zc du socle du guide d’onde en arrête 2a tout en masquant sa zone périphérique Zc. La deuxième couche masque 3b est ouverte également sur les ouvertures débouchant sur le motif d’arrêt 9.

On note que la surface plane de collage du guide d’onde 2a n’a pas été couverte par aucune couche masque 3a,3b. Elle présente donc des caractéristiques favorables, notamment en termes de rugosité, propreté, et de planéité pour recevoir, par assemblage, la structure hétérogène.

Lorsque, dans l’étape suivante de formation de la structure hétérogène 4, on assemble cette structure sur la face exposée du guide d’onde 2a, on forme des cavités 20, recouverte par la couche inférieure du la structure hétérogène. Cette cavité 20 peut être très utile pour capturer les espèces, notamment gazeuses, qui se forment ou qui se dégagent au niveau de l’interface d’assemblage entre la structure hétérogène 4 et le guide d’onde 2a. C’est notamment le cas lorsque cet assemblage est réalisé par adhésion moléculaire.

Pour finaliser la préparation du dispositif photonique DP, on peut déposer une couche d’encapsulation 6 sur la couche de composants 2 et sur la structure hétérogène 4. Puis, après une éventuelle étape de planarisation, on réalise des pistes électriques 8 sur la couche d’encapsulation 6, ces pistes pouvant comprendre des via métalliques permettant de prendre les contacts électriques avec la structure hétérogène 4.

Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications.

Claims

Dispositif photonique (DP) comportant un guide d’onde hybride apte à propager un mode optique comprenant :
une couche de composants (2) disposée par une première surface sur une substrat support (1e), la couche de composants (2) comportant, dans un matériau de recouvrement (2e), au moins un guide d’onde à arrête (2a) formé d’un socle affleurant une seconde surface de la couche de composants (2), opposée à la première surface, et d’au moins une arrête orientée du côté du substrat support (1e);
une couche diélectrique (1b) disposée sur et en contact avec la seconde surface de la couche de composants (2), la couche diélectrique étant agencée pour recouvrir un contour périphérique (Zb) du socle du guide d’onde à arrête (2a) sans toutefois s’étendre sur une partie centrale du socle du guide d’onde à arrête (2a) ;

une structure hétérogène (4) sur et en contact avec la partie centrale (Zc) du socle du guide d’onde (2a), la structure hétérogène (4) et le guide d’onde à arrête (2a) formant, en combinaison, le guide d’onde hybride.
Dispositif photonique (DP) selon la revendication 1 dans lequel la structure hétérogène (4) est une structure à gain formée d’une première couche de contact (4n), d’une région active (4W) formée d'un empilement de couches en matériaux semi-conducteurs III-V disposée sur et en contact avec la première couche de contact (4n) et d’une deuxième couche de contact (4p) disposée sur et en contact avec la région active (4W), et le dispositif photonique (DP) est un amplificateur ou un laser.
Dispositif photonique (DP) selon la revendication précédente dans lequel la structure hétérogène (4) comprend également, disposée entre et en contact avec le socle du guide d’onde (2a) et la première couche de contact (4n), une couche intercalaire formée d’un matériau semi-conducteur non dopé.
Dispositif photonique (DP) selon l’une des revendications 2 et 3 dans lequel la première couche de contact (4n) et la deuxième couche de contact (4p) comportent des plots de contacts électriques (5).
Dispositif photonique (DP) selon la revendication 1 dans lequel la structure hétérogène (4) comprend un matériau présentant des propriétés électro-optiques, tel que du LiNbO3, du BTO, ou un empilement de matériaux III-V, et le dispositif photonique (DP) est un modulateur électro-optique.
Dispositif photonique (DP) selon l’une des revendications précédentes comprenant au moins une cavité (20) formée dans le socle du guide d’onde (2a), la cavité (20) étant couverte par la structure hétérogène (4).
Dispositif photonique (DP) selon la revendication précédente dans lequel la cavité (20) présente un fond formé d’au moins un motif (9) d’arrêt à la gravure.
Dispositif photonique (DP) selon l’une des revendications précédentes comprenant une couche d’encapsulation (6) disposée sur la couche de composants (2) et sur la structure hétérogène (4).
Dispositif photonique (DP) selon la revendication précédente comprenant des pistes métalliques (8) disposées sur la couche d’encapsulation (6), en contact électrique avec la structure hétérogène (4).
Dispositif photonique (DP) selon l’une des deux revendications précédentes dans lequel la couche de composants (2) comprend au moins une structure de contact enterrée (7,2d).
Dispositif photonique (DP) selon la revendication précédente comprenant en outre des via métalliques traversant la couche d’encapsulation (6), la couche diélectrique (1b) et une partie de la couche de composant (2) pour contacter la structure de contact enterrée (7,2d).
Dispositif photonique (DP) selon l’une des revendications précédentes dans laquelle le guide d’onde à arrête (2a) est constitué de silicium et la couche diélectrique (1b) est constituée de dioxyde de silicium.
Procédé de préparation d’un dispositif photonique (DP) comportant un guide d’onde hybride apte à propager un mode optique, le procédé comprenant les étapes suivantes :
fournir un substrat de départ (1) comprenant un substrat de base (1a), une couche diélectrique enterrée (1b) disposée sur et en contact avec le substrat de base (1a) et une couche superficielle (1c) disposée sur et en contact avec la couche diélectrique enterrée (1b);

former une couche de composants (2) dans le substrat de départ (1), la couche de composants comprenant au moins un guide d’onde à arrête (2a) formé d’un socle sur et en contact avec la couche diélectrique enterrée (1b) et d’au moins une arrête surplombant le socle, la couche de composants (2) comprenant un matériau de recouvrement (2e) encapsulant le au moins un guide d’onde à arrête (2a);

reporter la couche de composants (2) sur un substrat support (1e) et éliminer le substrat de base (1a) pour exposer la couche diélectrique enterrée (1b);

éliminer sélectivement la couche diélectrique (1b) pour exposer une partie centrale (Zc) du guide d’onde à arrête (2a) tout en préservant la couche diélectrique sur un contour périphérique (Zb) du guide d’onde (2a);

former une structure hétérogène (4) sur et en contact avec la partie centrale du socle du guide d’onde à arrête (2a).
Procédé de préparation selon la revendication précédente dans lequel la structure hétérogène (4) comprend un empilement de matériaux semiconducteurs III-V ou un matériau électro-optique.
Procédé de préparation selon l’une des revendications 13 à 14 comprenant en outre, la préparation de la surface exposée de la partie centrale (Zc) du socle du guide d’onde à arrête (2a) par un plasma d’oxygène avant l’étape de formation de la structure hétérogène (4).