a. Intégration damascène
En respectant la contrainte imposée par la plateforme, deux morphologies Cristal – Oxyde – Polysilicium en Accumulation (COPA) ont été conçues, selon l’orientation – verticale ou horizontale – de l’isolant dans le guide capacitif. En pratique, pour maintenir la planarité de la surface de la couche réservée aux fonctions optiques du circuit photonique, il faut suivre un schéma damascène
I - Intégration des modulateurs capacitifs sur la plateforme photonique
[139] similaire au dépôt des métaux. Le défi technologique consiste à intégrer l’isolant au cœur de la région active – le guide capacitif.
Figure 2.2 – Procédé de fabrication damascène pour l’intégration des modulateurs capacitifs – COPA Horizontal (COPA-H) sur la première ligne et COPA Vertical (COPA-V) sur la seconde ligne – dans la plateforme photonique de STMicroelectronics : (a et a’) surface plane, (b et b’) dépôt d’un masque dur et gravure de la cavité, (c et c’) remplissage, (d et d’) surface plane avant la métallisation des circuits
Une cavité – tranchée large (2 µm) et peu profonde (< 300 nm) – est gravée (figures 2.2b et b’). Le silicium exposé dans la cavité après gravure est oxydé de sorte à former l’isolant du guide capacitif. Puis la cavité est remplie par du silicium (figures 2.2c et c’). Une planarisation intervient enfin pour retirer l’excédant déposé au-dessus des guides d’onde et pour retrouver la surface initialement plane (figures 2.2a et a’).
Pour remplir la cavité après la gravure sacrificielle (figures 2.2b et b’), la solution que je pro-pose consiste à dépro-poser un silicium amorphe par Chemical Vapor Deposition – dépôt par réaction chimique en phase gazeuse – (CVD) basse pression (LPCVD), puis à cristalliser ce matériau en phase solide sans source cristalline. On obtient un matériau poly-cristallin (poly-Si), qui introduit des pertes optiques supplémentaires. Le matériau a été optimisé dans une analyse parallèlement conduite au cours de mes recherches [140]. Le procédé LPCVD est une technique largement maî-trisée et employée par la microélectronique. Les équipements LPCVD sont en général très suivis et disposent d’un bon rendement. Les modulateurs capacitifs peuvent tirer profit de ce procédé à bas coûts. En comparaison, les techniques d’épitaxie sont moins robustes, en particulier dans le cas de dépôts épais, car l’épitaxie est généralement réservée pour déposer des couches minces (de quelques dizaines de nanomètres).
La réalisation des contacts métalliques sur la région active du modulateur capacitif est un autre défi pour l’intégration des modulateurs capacitifs. Ce défi est permis grâce à une surface quasiment plane à l’issue de la réalisation du bras en poly-Si (figures 2.2d et d’). De plus, tous les contacts métalliques du circuit photonique doivent avoir la même épaisseur pour être réalisables en une seule gravure et sans ajustement du procédé de fabrication pré-existant. Ceci est possible car la surface des semiconducteurs – silicium SOI ou poly-silicium – sur lesquels aboutissent les contacts métalliques sont tous à la même profondeur sous le Pre Metal Dielectric – oxyde au-dessus des guides d’onde pour la définition des contacts – (PMD).
À présent, il s’agit d’entrer dans les détails de chacune des deux structures pour présenter les innovations spécifiques qu’elles apportent.
b. Structure innovante COPA-H
Figure 2.3 – Amélioration du confinement optique du mode Transverse Électrique (TE) apporté par la structure COPA-H : (a) profil du mode pour un guide large, (b) diminution de la largeur de recouvrement entre les deux bras en silicium, (c) ajout de gravures partielles de part et d’autre du guide d’onde
Dans le cas du modulateur COPA-H, l’isolant est horizontal. L’innovation par rapport à la structure SISCAP [120] réside d’abord dans l’intégration damascène de la région active à l’intérieure de la couche SOI réservée au guidage optique.
Une seconde innovation intervient grâce à une optimisation du confinement du mode optique dans la région active (figure 2.3). En réduisant la largeur du guide d’onde, la capacité du composant diminue, ce qui permet d’améliorer la bande passante du modulateur capacitif. Deux facteurs permettent d’améliorer le confinement dans le but de maintenir l’efficacité de modulation : d’une part la réduction de l’épaisseur du guide d’onde – 440 nm dans le cas de SISCAP et 300 nm dans mon cas – et d’autre part des gravures partielles des zones d’accès électriques.
Le mode quasi TE qui se propage à travers le guide capacitif est alimenté par le guide ruban monomode TE d’où provient le signal optique à moduler. Il est remarquable que le mode transverse magnétique confiné dans cette structure est un mode de guide à fente, les propriétés des guides à fente sont déjà explorés dans la structure COPA-V qui est décrite ci-dessous. C’est pourquoi seule la polarisation TE a été étudiée à travers la structure COPA-H.
c. Structure innovante COPA-V
Figure 2.4 – Insertion d’un isolant vertical dans un guide ruban : (a) mode TE dans un guide ruban monomode, (b) densité d’énergie du mode fondamental TE dans le guide à fente, (c) coupe du champ électrique dans le guide à fente
II - Simulations électro-optiques par couplage entre TCAD et Lumerical
Dans le cas du modulateur COPA-V, la fabrication est plus simple et intuitive que pour l’intégration COPA-H. La structure en guide à fente obtenue est innovante. En particulier, les guides à fente sont généralement conçus avec des isolants plus épais (≥ 50 nm) que l’épaisseur nécessaire à l’efficacité du modulateur capacitif – de l’ordre de 10 nm. La propagation TE à travers cette structure est intéressante car il s’agit d’un mode de guide à fente, apportant un fort confinement optique dans l’isolant puisque l’oxyde se trouve perpendiculaire à l’oscillation du champ électrique du mode optique (figure 2.4).
En comparant les deux structures polarisées en TE, ce sera l’occasion de comparer le facteur de recouvrement électro-optique entre le mode de guide à fente COPA-V et le mode quasi gaussien du guide COPA-H.
La suite de ce chapitre se divise en trois parties. D’abord le couplage des solveurs électrique et optique est présenté. Ensuite les résultats de simulation sont analysés. Ils concernent l’optimisation de la morphologie des régions actives pour les performances électro-optiques : bande passante, efficacité et pertes d’insertion. Ensuite, les composants optimisés sont analysés d’un point de vue électrique puis optique. Enfin, l’optimisation de l’amplitude de modulation des deux versions du modulateur capacitif est étudiée en fonction des deux paramètres clés : l’épaisseur de l’isolant et le niveau de dopage. Ces résultats servent de base pour calibrer le modèle analytique détaillé dans le chapitre suivant.