Impact de la géométrie sur les performances

Les simulations de cette partie sont, sauf mention contraire, réalisées pour des rubans de 8 µm, avec 500 nm de SiO2 pour la couche d’isolation et une couche d’or électrolytique de 5 µm. La gravure du ruban s’arrête 1 µm en dessous de l’interface entre la zone active et la couche guidante inférieure. Le substrat est aminci à 150 µm et la puce est montée coté croissance épitaxiée (Down) sur une embase en AlN dont la conductivité thermique vaut 170 W/mK. Le métal est exclu des simulations des modes optiques et remplacé par des conditions aux limites de type couche absor-bante parfaitement adaptée (perfectly-matched layer, ou PML). La longueur d’onde d’émission est de 4,7 µm.

Profondeur de la gravure

Lorsque le ruban est gravé en gravure sèche, typiquement par un plasma conte-nant un mélange Cl2/Ar, le suivi de la profondeur gravée se fait par interférométrie laser. Le faisceau du laser de suivi étant assez large, il n’est pas possible de le posi-tionner uniquement dans les tranchées qui ne font que 5 µm d’espacement. De grands carrés de suivi faisant typiquement 200 µm de côté sont utilisés pour positionner fa-cilement le laser de suivi à cet endroit. Cependant la vitesse de gravure dépend fortement de la taille des motifs à graver pour les faibles ouvertures, de l’ordre de quelques microns. En effet, plus les ouvertures sont petites et plus les radicaux du plasma peinent à parvenir jusqu’au fond de gravure et les produits de gravure à s’évacuer, et donc plus la gravure se fait lente. On parle de RIE-lag. Ce phénomène est particulièrement visible dans le cas des µSQCL où la profondeur de gravure à l’extérieur et entre les stripes peut varier de plusieurs centaines de nanomètres [85]. La profondeur atteinte dans les carrés de suivi n’est donc pas a priori identique à celle dans les tranchées.

Afin d’être sûr d’avoir traversé la zone active, il est donc ajouté un temps de surgravure à celui nécessaire pour passer la zone active dans les carrés de suivi. Il s’ensuit que les tranchées sont plus profondes que la zone active, parfois de plusieurs microns. Cela est d’autant plus vrai dans le cadre de structures complexes où le suivi interférométrique est parfois difficile à exploiter. De plus, le temps de gravure n’est pas connu a priori car il dépend de nombreux paramètres, comme la composition de la zone active. Nous en prenons toujours une estimation haute. Il serait possible de suivre plus précisément la profondeur de gravure en élargissant les tranchées. Cependant la valeur de 5 µm a été gardée pour ne pas modifier les procédés de fabrication.

Nous nous sommes donc intéressés à l’impact de la profondeur de surgravure sur la résistance thermique du composant. On définit la profondeur de surgravure ∆zs comme la différence entre la profondeur de la tranchée et le bas de la zone active. On fait varier ∆zs entre le cas où il n’y a pas de surgravure, ∆zs= 0 µm et une surgravure profonde, ∆zs = 10 µm. L’évolution de la résistance thermique est montré sur la figure III.24.

Figure III.24: Évolution de la résistance thermique avec la profondeur de gravure.

Comme on le voit sur la figure, la profondeur de gravure a une influence non négligeable sur l’efficacité de la dissipation thermique. À titre d’exemple, pour une surgravure de ∆zs = 6 µm, la résistance thermique augmente de 0,2 K/W. On com-prend donc ainsi la nécessité de réduire au maximum la profondeur de la surgravure. Avec un suivi de gravure, on arrive à atteindre des surgravures ∆zs ≈1 µm, et la dégradation de la résistance thermique est alors faible, inférieure à 0,05 K/W, ce qui est négligeable.

Impact de la largeur du via

Une autre problématique liée à la fabrication est la largeur du via dans la couche d’isolation. En effet, lors de la réalisation de la couche d’isolation, le via que nous ouvrons sur le dessus du ruban laisse 1 µm de diélectrique de chaque coté en raison de la précision de la lithographie optique. On est ainsi sûr de bien isoler le ruban même en cas de léger désalignement du masque de lithographie. Cependant, il ad-vient qu’une telle sécurité est parfois un peu juste sur les masqueuses manuelles pour lesquelles l’alignement ne se fait pas localement, comme c’est le cas pour les masqueuses automatiques de type stepper. Les plaques peuvent avoir une flèche, c’est-à-dire être bombé. La distance entre les rubans n’est alors plus la bonne, ce qui peut décaler l’ouverture dans le diélectrique. C’est aussi le cas quand les rubans sont plus étroits que prévus, par exemple en cas de surexposition pour réaliser le masque de gravure des rubans.

Nous avons donc voulu caractériser le manque à gagner thermique à utiliser un via de largeur Wv plus ou moins grand. Nous avons considéré un ruban de 8 µm avec un via très étroit Wv =0,5 µm et le cas idéal où il est entièrement ouvert, Wv =8 µm. La résistance thermique résultante est représentée sur la figure III.25

Figure III.25: Évolution de la résistance thermique avec la largeur de l’ouverture dans la couche d’isolation.

Comme on le constate sur la figure, la résistance thermique est bien minimale quand le via est de la même largeur que le ruban. Dans ce cas, il n’y a aucun diélectrique agissant comme écran thermique sur le dessus du ruban. En augmentant la marge de sûreté sur la largeur de diélectrique sur les bords du haut du ruban de 1 µm à 2 µm, on voit que la résistance thermique augmente de 0,07 K/W. Elle est plus grande de 0,1 K/W par rapport au cas idéal. Il n’est toutefois pas envisageable d’utiliser des structures à via très étroits, la résistance thermique augmentant alors de 0,3 K/W.

En conclusion, il apparaît que, même s’il faut chercher à la minimiser, on peut légèrement diminuer la largeur du via de 2 µm sans dégrader trop fortement la ré-sistance thermique en prenant une sécurité deux fois plus grande. Toutefois, ces problématiques ont été résolues en grande partie lorsque nous avons porté les pro-cédés de fabrication sur un stepper, en remplacement des masqueuses manuelles. En effet, l’utilisation du stepper a permis d’atteindre des précisions d’alignement beaucoup plus grandes et reproductibles.

Dimensionnement de la couche guidante supérieure

Comme nous l’avons vu dans la partieII.4.1, le guidage verticale de la lumière est assurée par un guide d’onde dont la partie supérieure est composée de trois couches. Comme nous l’avons expliqué, la couche la plus haute, en InGaAs très fortement dopé, sert essentiellement pour le contact électrique, la couche intermédiaire, en InP fortement dopé, assure un bon confinement par effet plasmon. La couche inférieure, en InP modérément dopé, sert à la fois à confiner efficacement le mode dans la zone active mais également de zone tampon pour qu’il ne recouvre pas trop avec le métal de contact et les couches supérieures du guide dont le fort dopage introduit également des pertes par porteurs libre. Nous appellerons par la suite cette couche, la couche buffer. Nous avons donc étudié l’impact de l’épaisseur de la couche buffer sur les propriétés optiques et thermiques du QCL, afin de bien la dimensionner.

Nous avons donc calculé le recouvrement des trois premiers modes optiques, TM00, TM01 et TM02, avec la zone active, noté ΓZA, pour nous assurer de

l’effica-cité du guidage de la lumière, ainsi que leur recouvrement avec la couche supérieure du guide d’onde en InGaAs, noté Γsupen fonction de l’épaisseur de la couche buffer,

h_buf. En effet, cela permet de quantifier l’isolement optique du mode aux couches fortement dopées et au métal. Les résultats sont affichés sur la figure III.26a. La résistance thermique est également calculée et affichée sur la figureIII.26b, le com-posant étant ici en configuration de ruban simple, et non en double tranchée, ce qui explique la faible valeur de Rth. La tendance est néanmoins identique pour un composant en double tranchée.

(a) Simulations optiques (b) Simulations thermiques

Figure III.26: Évolution du recouvrement modal avec la ZA et avec la couche d’InGaAs fortement dopé (III.26a) et de la résistance thermique (III.26b) en fonction de la hauteur de la première couche guidante supérieure.

Γsup décroît exponentiellement avec hbuf et devient très faible pour hbuf dépas-sant 2 µm. On cherche en effet à garder les pertes de propagation faible devant la longueur du QCL : α  1/L = 2 cm−1. En descendant sous les 2 µm, Γsupaugmente fortement, la couche buffer ne permet plus d’empêcher les pertes dans l’InGaAs. D’autre part, ΓZA augmente avec hbuf, ce qui s’explique par un meilleur confine-ment vertical, jusqu’à se stabiliser pour hbuf supérieur à 2 µm. Les ΓZA des trois modes se coupent autour de hcrit

buf =850 nm. Au delà de cette valeur, le mode fonda-mental TM00 est favorisé alors que la tendance s’inverse en dessous. En pratique, nous sommes toujours dans le premier cas, hbuf > h^crit_buf

En conclusion, on voit qu’on peut légèrement diminuer la hauteur du guide d’onde supérieur. Il est aujourd’hui de 2,7 µm et peut être abaissé à 2 µm sans dégrader les performances optiques. Néanmoins, le gain en terme de résistance ther-mique reste également limité, inférieur à 0,05 K/W. Outre les performances optiques et thermiques du composant, une réduction de cette épaisseur peut rendre plus facile la fabrication. En effet, dans ce cas, moins de matériau doit être gravé, ce qui relâche les contraintes sur le temps de gravure et sur le remplissage des tranchées par de l’or, ou de l’entre-ruban par de l’InP:Fe ou du a-Si pour les µSQCL, comme nous le verrons au chapitreV.

III.2.2 Amélioration des performances par enterrement de la zone