Oxydation thermique humide pour le confinement électro-optique

Oxydation thermique humide pour le confinement électrooptique

L’oxydation humide latérale des matériaux semi-conducteurs III-V à base d’aluminium a suscité beaucoup d’intérêt dans le domaine des composants électroniques et optoélectroniques, car elle permet de manière similaire en microélectronique avec le couple Si/SiO2 d’appliquer un confinement latéral en s’affranchissant des problèmes liés à la surface. Les matériaux semi-conducteurs, typiquement l’AlGaAs, présentent, une fois oxydés par voie humide sous forme de AlxOy, des propriétés isolantes ainsi qu’un faible indice de réfraction. Ainsi, ces propriétés diélectriques peuvent être mises à profit dans des guides d’onde comme pour les lasers à ruban, sous forme de diaphragmes de confinement dans les VCSELs, ou encore pour bénéficier du grand contraste d’indice entre semi conducteur et oxyde dans les miroirs de Bragg ou les miroirs à réseau sub longueurs d’onde. Dans cette thèse, j’ai appliqué la méthode d’oxydation d’une part pour le confinement latéral sous forme de diaphragme afin d’améliorer les performances des VCSELs, et d’autre part pour former un miroir HCG avec le contraste d’indice élevé disponible entre GaAs et AlxOy (nommé également AlOx).

Dans le cas des MIR-VCSELs, le confinement latéral est difficilement réalisable à cause principalement des problématiques de matériaux. Ceci alors qu’un confinement latéral est fortement souhaitable pour améliorer les performances des composants, considérant les limites physiques, notamment les pertes optiques, dans le moyen infrarouge.

L’oxydation thermique par voie humide de matériaux aluminés a été principalement étudiée dans les années 1990 pour le système de matériaux AlGaAs [1]. Par suite, dans le but d’élargir le champ d’application de cette technique vers d’autres bandes spectrales et donc sur d’autres substrats (InP et GaSb), l’oxydation thermique a été expérimentée sur des alliages antimoniures (AlAsSb) [2] et arséniures (AlInAs) [3].

Méthodes de confinement latéral dans les VCSELs

Le confinement latéral électrique et optique dans les VCSELs est essentiel pour réduire les dimensions de la cavité, réduire le courant de seuil et obtenir une émission performante et monomode. Historiquement, trois principales méthodes de confinement des photons ont été développées pour les VCSELs: l’implantation ionique, la gravure de Mesa et le confinement par diaphragme d’oxyde enterré .

La première méthode de confinement est réalisée par implantation ionique profonde au sein de la structure multicouche du VCSEL, dans le but de créer une zone amorphe et isolante enterrée perdante pour les modes optiques. La forme des zones confinées latéralement est définie par le masquage en surface via des procédés lithographiques. Les protons sont le plus souvent utilisés, afin d’atteindre des profondeurs de pénétration de plusieurs microns à travers le DBR supérieur. Le bombardement de semi-conducteurs avec des ions tend à endommager la structure cristalline du matériau implanté et il doit donc être utilisé avec prudence à proximité de la couche active. L’implantation se fait au niveau du miroir supérieur du VCSEL ; là où les porteurs diffusent latéralement, et se recombinent d’une part dans la zone active et d’autre part sous la zone implantée. Cette partie ne participe pas à l’effet laser et constitue donc des pertes. Or l’implantation au niveau des puits quantiques, permet un confinement latéral des porteurs en évitant leur fuite. Mais le phénomène de recombinaison dans la zone implantée consomme les porteurs et donc détruit l’effet désiré. D’un point de vue général, cette technique de confinement reste problématique à cause des pertes optiques par diffraction et diffusion engendrées par les défauts cristallins.

La deuxième méthode dite structure Mesa permet simultanément de confiner latéralement le courant et le mode optique. La Mesa est obtenue par la gravure du DBR supérieur sous forme d’un cylindre, qui agit comme un guide d’onde à saut d’indice important entre le semiconducteur et l’air. Malheureusement les pertes optiques sur les flancs de gravure sont élevées à cause des défauts et des rugosités de surface, et la dissipation thermique vers l’air est très limitée. De plus la présence de l’électrode annulaire en surface obstrue une part du faisceau émis, notamment dans le cas des petits diamètres.

Finalement le confinement par diaphragme d’oxyde nommé AlOx reste à ce jour la méthode de confinement la plus fiable pour assurer de faible courants et tensions de seuil [4] et un rendement maximum [5]. Cette méthode est réalisée grâce à l’oxydation humide latérale d’une couche riche en Aluminium située près de la zone active. Elle permet d’obtenir à la fois un confinement électrique et optique. Cette méthode est la plus adaptée pour ajuster la dimension de la zone active, qui permet notamment de sélectionner un seul mode d’émission pour le laser avec une puissance de quelques milliwatts [6]. Ces hautes performances des VCSELs à confinement par oxyde ont mené à leur large commercialisation avec la filière (Al)GaAs dans la gamme du proche infrarouge (850-1000nm).

Dans le cas des MIR-VCSELs, qui sont étudiés dans cette thèse, la réalisation du confinement latéral reste un verrou. Aucune étude dans la littérature n’a permis de démontrer un confinement par oxyde sur les VCSELs dans cette gamme spectrale et sur un support autre que GaAs. Les seules démonstrations sur des VCSELs infrarouge sur InP et GaSb pour réaliser un confinement latérales exploitent une jonction tunnel enterrée [7][8], ou une sous gravure sélective au niveau de la cavité [9][10].

Le confinement par jonction tunnel enterrée a été développée par l’équipe de M. Amann du Schottky Institut et la société Vertilas toutes deux à Munich. Cette technique se déroule en plusieurs étapes : une première épitaxie d’une ½ structure VCSEL terminée par une jonction tunnel suivi de la gravure localisée de cette jonction, puis une reprise d’épitaxie pour réaliser le miroir supérieur. Le confinement est ainsi localisé dans la zone où la jonction tunnel n’a pas été gravée. De plus, seule l’épaisseur de cavité incluant la jonction tunnel produira un mode de cavité résonnant.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Miroir à réseau à fort contraste indice
I. Introduction sur les miroirs à réseau pour les VCSELs
II. Miroirs à réseau de diffraction
II.1 Phénomène de diffraction
II.2 Miroirs à réseau à fort contraste d’indice
III. Méthode RCWA
III.1 Problématiques et contexte théorique
III.2 Méthode numérique et résolution des équations de Maxwell
Conclusion du chapitre I
Bibliographie du chapitre I
Chapitre II : Oxydation thermique humide pour le confinement électro-optique
I. Introduction
II. Méthodes de confinement latéral dans les VCSELs
III. Principes d’oxydation humide latérale
III.1 Description du four d’oxydation
III.2 La cinétique d’oxydation
IV. Oxydation thermique humide d’AlAs sur substrat GaSb
IV.1 Principe
IV.2 Démonstration du confinement dans une RCLED
IV.3 Influence du diaphragme d’oxyde sur les performances des composants
IV.4 Oxydation de couches épaisses pour le contraste d’indice GaAs/AlOx
V. Oxydation thermique humide des couches d’AlAsSb sur substrat GaSb
V.1 Les cinétiques d’oxydation
V.2 Influence de l’épaisseur de couche
V.3 Analyse structurale et réactions chimiques associées à l’oxydation de AlAs0.08Sb0.92
V.4 Sublimation des espèces antimoniées par recuit thermique
VI. Caractérisation de l’oxyde d’antimoine
VI.1 Caractérisation électrique
VI.2 Caractérisation par spectroscopie RAMAN localisée
VI.2.1 Oxydation
VI.2.2 L’effet du recuit sur l’oxyde d’antimoine
Conclusion du chapitre II
Bibliographie du chapitre II
Chapitre III : Technologie pour la réalisation de miroir à réseaux à fort contraste d’indice
I. Introduction
II. Conceptions et approches
II.1 Miroir à réseau en GaAs
II.2 Miroir à réseaux en GaAs/AlOx
II.3 Fabrication
II.4 Epitaxie
II.5 Méthodes de nanolithographie
II.5.1 Nanolithographie par projection
II.5.2 Nanolithographie par lithographie électronique
II.6 Gravure sèche
II.6.1 Principe de la gravure sèche
II.6.2 Gravure ICP-RIE
II.6.3 Influence des paramètres de gravure sur le profil du réseau
II.6.4 Sélectivité de gravure par rapport au masque
II.6.5 Evaluation de recettes de gravures pour le GaAs
II.6.6 Contrôle de la profondeur de gravure
II.6.7 Gravure des réseaux dans le GaAs
II.6.8 Perspectives d’améliorations
II.6.9 Oxydation thermique latérale d’AlAs
III. Caractérisation des miroirs
III.1 Description du banc de caractérisation
III.2 Réflectivité du Miroir à réseau en GaAs
III.3 Réflectivité du miroir à réseau en GaAs/AlOx
Conclusion du chapitre III
Bibliographie du chapitre III
Chapitre IV : VCSELs dans le moyen infrarouge (VCSEL-MIR)
I. Introduction des VCSELs à HCG
II. VCSEL-MIR à diaphragme d’oxyde
II.1 Fabrication
II.2 Miroirs de Bragg diélectriques dans le VCSEL
II.2.1 Miroir de Bragg a-Si/SiO2
II.2.2 Miroir de Bragg a-Si/SiNx
II.3 Caractérisations du VCSEL à diaphragme d’oxyde métamorphique
III. Intégration du miroir à réseau HCG dans un VCSEL-MIR
III.1 Conception du HCG-VCSEL
III.2 Fabrication du HCG-VCSEL
III.3 Caractérisations optiques et électriques du HCG-VCSEL
Conclusion du chapitre IV
Bibliographie du chapitre IV
Conclusion générale

Lire le rapport complet