Le procédé TSHEC

2.1

Intérêt du procédé

Jusqu’ici nous avons vu la réalisation de VCSELs reportés sur un pseudo-substrat de cuivre (Cu). Cette approche est intéressante mais interdit toute remontée en température après la phase de dépôt du cuivre au-delà de 85 °C. En effet, comme il a déjà été souligné précédemment (cf. Chapitre II-paragraphe 5.1.3.2), la grande différence entre les coefficients de dilatation du Cu et de l’InP induit une déformation des couches épitaxiées pouvant conduire à la destruction de celles-ci, et cela pour des températures inférieures à 100°C. Pour les VCSELs pompés optiquement, la montée en température lors de la phase de retrait du substrat d’InP, ou lors du dépôt du second miroir de Bragg reste limitée et n’empêche pas la réalisation technologique du composant. Toutefois, dans l’objectif de réaliser des VCSELs pompés électriquement où des étapes technologiques post-report seront nécessaires (lithographie, recuit …), cette approche est inenvisageable. Un nouveau procédé technologique a donc été développé au laboratoire afin d’être compatible avec la réalisation des VCSELs pompés électriquement. Ce nouveau procédé devra également améliorer davantage l’aspect thermique de nos composants en se basant sur l’approche du miroir hybride enterré.

Ce nouveau procédé repose sur le report de VCSELs sur un substrat de silicium (Si) en utilisant des dépôts de Cu localisés. Plus concrètement, ce procédé consiste à percer des trous par gravure humide dans un substrat de Si, puis de venir sceller la plaque d’InP, comportant les couches des VCSELs, en faisant croître le Cu au travers des trous du substrat de Si. L’intérêt principal de cette technique repose donc sur sa simplicité de mise en œuvre, son faible coût, et le fait que le procédé s’opère à température ambiante. De plus, dans le cas de composants comme les VCSELs qui sont soumis à un certain échauffement pendant leur fonctionnement, l’utilisation conjointe d’un substrat de Si et du Cu comme agent adhérant permet d’extraire la chaleur des dispositifs avec une grande efficacité. De plus cette technique de report autorise une voie d’accès pour prendre l’un des deux contacts nécessaire à une future injection électrique.

A plus long terme, ce procédé de fabrication qui emploie un substrat de Si permet d’envisager la réalisation de dispositifs intégrant des composants issus de deux filières matériaux différentes afin d’apporter de nouvelles fonctionnalités électroniques et/ou optiques. On pourrait donc imaginer par exemple la réalisation d’une électronique de commande CMOS,

132 ou l’intégration d’un capteur de température sur le substrat «hôte» en Si afin d’interconnecter cette électronique aux composants photoniques.

2.2

Comparaison avec d’autres techniques de report

De nombreuses applications optoélectroniques, les MEMS ainsi que plus généralement les capteurs, font appel à des techniques complexes et coûteuses de report de substrats. Ceci s’impose pour de nombreux dispositifs dont les couches actives ont besoin de reposer sur un support solide afin de les manipuler sans risque. Les techniques de report de substrat s’avèrent également utiles pour accroître les performances des composants finaux, mais aussi pour leurs apporter de nouvelles fonctionnalités. Il existe différentes techniques de report, qui ont toutes pour point commun la réalisation d’une soudure ou d’un collage permettant le transfert d’un ensemble de couches minces sur un substrat d’accueil. Ici, nous nous limiterons à donner quelques techniques de report connus en effectuant une séparation entre les techniques de collage dites « directes » et les techniques dites « indirectes » employant un matériau qui fera la liaison entre les deux substrats.

2.2.1

Techniques de collage « directes »

Cette approche directe repose soit sur l’utilisation d’un collage par soudure anodique, soit sur un collage moléculaire mettant en jeu des forces attractives (forces de Van der Waals). La soudure anodique est une technique souvent utilisée pour souder le verre à du silicium[1]ou des métaux[2], en appliquant des températures plutôt basses (250 °C à 500 °C) mais un fort champ électrique qui est capable de faire migrer vers l’interface des cations et des anions pour créer un lien chimique permanent. Ce procédé de soudure anodique est plutôt utilisé dans des applications de microfluidique et d’encapsulation de MEMS[3][4][5][6]. Cette technique de soudure anodique ne semble donc pas vraiment appropriée pour le report direct de couches en semiconducteurs III-V où les travaux reportés se basent pour l’essentiel sur la technique de collage moléculaire. Dans ce cas il est possible d’assembler deux substrats de nature différente en se plaçant préalablement sous vide et à haute température puis en appliquant une forte pression. On crée alors des liaisons de type Van Der Waals entre les deux substrats qui doivent présenter un très bon état de surface et une faible rugosité. Les premières tentatives de collage par adhérence moléculaire sur de grandes surfaces sont apparues dans les domaines de la microélectronique et des microtechnologies et a conduit notamment à l’essor des structures silicium sur isolant (SOI). Dans le cas des semiconducteurs III-V, cette technique a également été exploitée par l’EPFL et l’université de Santa-Barbara pour développer en particulier des

133 VCSELs sur InP associés à des miroirs de Bragg GaAs/AlAs[7][8]. Plus récemment, via cette technique, les semiconducteurs III-V ont été également associés au substrat Si ou SOI avec pour objectif principal l’intégration de dispositifs photoniques sur Si. On peut ainsi citer différents travaux illustrant le report sur Si, par exemple des lasers à émission par la tranche[9][10], des modulateurs[11], de micro-disques résonateurs[12] ou encore de VCSELs[13]. Dans la plupart des cas, ces composants optoélectroniques exploitent le fort contraste d’indice entre le Si et son oxyde (SiO2) ainsi que la faible absorption résiduelle du Si dans la bande 1,3-1,6 µm afin de coupler la lumière générée dans un guide d’onde en silicium et ainsi envisager de l’interconnexion optique intra-puce[14]. Les techniques de collage « directes » s’avèrent donc intéressantes, mais elles nécessitent en général des substrats présentant un état de surface irréprochable, en particulier pour les techniques de collage moléculaires. Il est à noter également que dans ce cas il est alors nécessaire d’avoir recours à des températures qui peuvent être considérées comme élevées pour des semiconducteurs III-V (600°C par exemple pour souder de l’InP à du GaAs).

2.2.2

Techniques de collage « indirectes »

Les techniques de collage indirectes utilisent généralement des températures plus faibles en ayant recours à une couche intermédiaire servant de liant entre les deux substrats. Il existe dans ce cas une multitude de méthodes et de matériaux pouvant être employés : L’assemblage par verre fritté[15], la formation d’un eutectique métallique[16][17][18], la thermocompression[19], le flip-chip[20] ou encore l’utilisation de polymère comme la SU- 8[21], le BCB[22] ou le PDMS[4]. Ces différentes solutions présentent des avantages et des inconvénients pour les dispositifs reportés en fonction des matériaux utilisés. Nous ne ferons pas de comparaisons exhaustives entre ces différentes approches, nous noterons simplement que ces techniques présentent en général une plus grande facilité de mise en œuvre que les techniques de collage directes : températures plus faibles, tolérance de l’état de surface moins critique et un coût globale moins élevé. En revanche cela se traduit généralement par une force d’adhésion entre les substrats plus faible, en particulier pour les techniques utilisant des polymères. Toutefois, le collage par polymère a lui aussi été beaucoup utilisé pour reporter des structures III-V sur silicium et réaliser là aussi des fonctions optiques sur silicium[23]. La technique de report présentée dans ce chapitre se positionne donc plutôt parmi ces techniques de collage dites « indirectes », mais bénéficie d’un agent de collage métallique, comme le cuivre, pouvant évacuer efficacement la chaleur provenant des VCSELs, contrairement à des matériaux comme les polymères.

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