Synth` ese

Nous avons mesur´e et caract´eris´e des modulateurs comportant une jonction PN lat´erale ou in-terdigit´ee. Les modulateurs ´etant bas´es sur un Mach-Zender sym´etrique, une nouvelle m´ethode de mesure pour extraire les performances EO a ´et´e test´ee et valid´ee en utilisant un d´ephaseur thermique. Cette m´ethode est applicable pour tout MZI sym´etrique d`es lors que le d´ephaseur ther-mique est suffisamment efficace pour obtenir un d´ephasage sup´erieur `a 2π.

De plus, grˆace aux nouvelles simulations il a ´et´e possible d’extraire des informations propres aux ´

etapes de lithographie et d’implantation qui cr´eent la jonction PN (voir Tableau 3.3). On rappel que pour ce cas d’´etude, la position de la jonction est d´ecal´ee de +60 nm vers le cˆot´e N, afin de favoriser la d´epl´etion des trous cˆot´e P.

Type de Dose Energie^´ Dopage moyen Estimation du d´esalignement

dopage d’implantation d’implantation mesur´e simul´e des masques [at/cm⁻²] [keV] [at/cm⁻³] [at/cm⁻³] Axe x (nm) Axe y (nm)

P 1013 30 2.5 × 1017 3.8 × 1017 -100 ∆y_{P N} = +120

N 1.2 × 10¹³ 100 4.5 × 10¹⁷ 3.1 × 10¹⁷ +90

Tableau 3.3 – R´esum´e des principales caract´eristiques li´ees aux ´etapes d’implantation d´efinissant la jonction PN pour les modulateurs ´etudi´es dans cette partie.

Une ´etude num´erique appliqu´ee `a chaque variante de jonction permet de remonter `a une estima-tion du d´esalignement des masques P et N. Comme le montre la Figure (3.21), tenir compte de ces effets dans les simulations permet de reproduire le comportement de l’efficacit´e mesur´e pour les deux jonctions. Pour la jonction PN lat´erale, les pertes mesur´ees sont de 0.64 dB/mm sous ces hypoth`eses. Dans le cas de la jonction interdigit´ee, le mod`ele 1D utilis´e est satisfaisant pour retrouver l’´evolution de l’efficacit´e de modulation, mais surestime les pertes mesur´ees de 0.5 dB/mm de 0.16 dB/mm.

Jonction PN latérale

Jonction PN interdigitée

Figure 3.21 – Comparaison entre les caract´erisations (symbolis´e en points) et les simulations nu-m´eriques de l’efficacit´e de modulation (en trait plein) en tenant compte d’un profil de jonction plus r´ealiste et du d´esalignement des masques d’implantation.

L’efficacit´e de modulation dans le cas d’une jonction PN interdigit´ee est inf´erieure `a celle obtenue pour une jonction lat´erale, car la p´eriode ´el´ementaire de la structure L<sub>D</sub> = 720 nm choisie est trop grande (elle avait ´et´e impos´ee par le choix du type de masque). L’utilisation du mod`ele 1D permet de montrer qu’une efficacit´e ´equivalente `a une jonction lat´erale est atteinte pour une p´eriodicit´e inf´erieure `

Enfin, les diff´erentes ´etudes param´etriques ont permis d’estimer la tol´erance de fabrication des diff´erentes structures. Pour cette configuration de jonction, et ce proc´ed´e de fabrication, une pr´ e-cision d’alignement de ± 120 m sur les masques d’implantation implique que 60% des modulateurs `

a jonction PN lat´erale auront une dispersion d’efficacit´e inf´erieure `a 2 <sup>◦</sup>/mm, contre 40 % si une jonction interdigit´ee est utilis´ee. Un taux de 90% peut ˆetre atteint dans le cas d’une jonction lat´erale si la pr´ecision d’alignement est assur´ee `a ±85 nm pr`es, contre ± 40 nm pr`es pour l’interdigit´ee.

Cette tol´erance de fabrication peut ˆetre am´elior´ee en changeant le proc´ed´e de fabrication de la jonc-tion PN en utilisant une approche de contre dopage [134]. Cette approche se base sur la recherche volontaire du recouvrement d’un masque d’implantation sur l’int´egralit´e du guide. L’ajustement des doses d’implantation pour ´equilibrer les niveaux de dopage permet de d´efinir une jonction PN plus abrupte qui ne sera d´ependant que d’un seul masque d’implantation. Il est donc attendu une r´eduction significative de l’impact du d´esalignement des masques d’implantations.

Conclusion

En conclusion, les effets de fabrication ont ´et´e pris en compte dans les simulations num´eriques en int´egrant les effets d’implantation, critique pour la d´efinition de la jonction PN du modulateur. Le processus de simulation a ´et´e test´e et valid´e suite `a l’optimisation de doses d’implantation pour un premier lot de modulateurs.

L’´etude param´etrique a notamment r´ev´el´e l’existence d’une courbe qui minimise les pertes optiques pour une efficacit´e donn´ee. Les doses choisies (2×10¹³cm⁻³cˆot´e P, et 1×10¹³cm⁻³cˆot´e N) permettent d’obtenir un point de fonctionnement sur cette courbe. Le recoupement des caract´erisations et des simulations ont permis de retrouver les performances statiques attendues : une efficacit´e de 20^◦/mm `

a -2 V avec des pertes dues au dopage de 1.4 dB/cm `a 0 V.

L’application de ce nouvel outil nous a aussi permis de caract´eriser et de comparer deux types d’architectures de jonction PN. L’impact du d´esalignement des masques d’implantation inh´erent `a la fabrication sur les performances EO du modulateur a ´et´e mis en ´evidence, et la prise en compte de ces effets nous a permis de retrouver l’´evolution de l’efficacit´e mesur´ee.

Perspectives

La mise en place et l’am´elioration du processus de simulation pour estimer les performances EO d’un modulateur PN nous a permis de fiabiliser la fili`ere associ´ee, et de mieux comprendre l’impact des effets de fabrication sur le modulateur. La Figure (3.22) pr´esente l’architecture du programme de simulation `a la fin de cette th`ese permettant de r´ealiser le cycle d’optimisation. Le coeur du programme se base sur la co-simulation ´electro-optique entre Silvaco et Lumerical.

Apr`es l’extraction des performances EO, une ´etape incorporant des algorithmes d’optimisation pourra ˆetre utilis´ee `a terme lorsque le nombre de param`etres `a g´erer deviendra trop important [135]. Le programme complet est enti`erement automatis´e et pilot´e par Matlab de mani`ere `a rendre accessible ce type de simulation pour l’´equipe de conception et de fabrication.

`

A partir de ce programme, il est alors possible d’´etudier plusieurs probl´ematiques qui n’ont pas ´

et´e abord´ees au cours de cette th`ese, et qui permettraient de consolider la fili`ere des modulateurs `a jonction PN. On peut citer :

– l’impact du d´esalignement des masques sur les performances EO du modulateur en utilisant l’approche du contre dopage,

– l’optimisation des conditions d’implantations pour d´efinir les contacts N+/P+ afin d’optimiser la r´esistance de contact du modulateur,

3) DEVICE Simulation électrique 4) MODE Simulation optique Cartographie des porteurs de charges

6) Optimisation numérique 5) Efficacité / Pertes optiques 1) ATHENA Simulation process - Doses d’implantations P/N - Energies P/N - Position jonction 2) Cartographie des dopants Nouvelle itération

Piloté par

Figure 3.22 – Cycle de simulations permettant la mod´elisation et l’optimisation des performances ´

electro-optiques d’un modulateur `a jonction PN.

– l’´etude de l’influence des diff´erentes ´etapes de recuit dans un proc´ed´e de fabrication complet (ces ´etapes peuvent modifier le profil de la jonction PN),

– l’estimation r´eelle du gain de performances EO si plusieurs implantations P ou N sont utilis´ees pour former une jonction PN plus abrupte,

– la recherche d’un profil de jonction non conventionnel pour am´eliorer les performances du modulateur en utilisant un algorithme d’optimisation.

Pour finir, l’´etape suivante pour consolider la chaine de conception serait 1) de calibrer plus fine-ment les simulations d’implantations `a partir de profils SIMS donnant le profil r´eel d’implantation obtenu sur la plaque, et 2) d’int´egrer les simulations RF dans le programme pour permettre le dimensionnement d’´electrodes RF.

Il existe donc encore plusieurs leviers qui peuvent d’am´eliorer les performances EO d’un modulateur `

a jonction PN. Cependant il est int´eressant de connaitre les performances d’autres types de jonctions pour avoir une vue plus g´en´erale du probl`eme, et qui permettrait de mieux choisir l’architecture de la prochaine g´en´eration de modulateur. L’utilisation d’une jonction capacitive est `a ce titre int´eressant puisqu’elle offre une grande efficacit´e de modulation, et plusieurs voies de conception associ´ees `a ces structures n’ont pas encore ´et´e explor´ees.

Chapitre 4

Modulateurs capacitifs lat´eraux

Sommaire

4.1 R´eglage des param`etres num´eriques . . . . 69 4.2 Structure SISCAP : ´evaluation des performances, compromis entre les

diff´erents facteurs de m´erite . . . . 75 4.3 Dimensionnement du modulateur `a jonction capacitive lat´erale . . . . 82 4.4 Performances et optimisation du modulateur . . . . 85

Dans ce chapitre nous allons nous int´eresser `a l’utilisation de structures capacitives pour les modulateurs, o`u l’on cherche `a provoquer une variation de charges en accumulant des porteurs pr`es d’un oxyde.

Avant le d´ebut de cette th`ese, des modulateurs capacitifs avaient d´ej`a ´et´e d´emontr´es, que ce soit dans un anneau [127] ou dans un Mach-Zehnder avec la structure SISCAP [125] (voir Figure 4.1a).

Ces composants utilisent une couche d’oxyde horizontale, et pr´esentent une grande efficacit´e, avec un produit V_πL_π une d´ecade audessous de la plupart des modulateurs PN, de l’ordre de 0.2 V.cm -0.25 V.cm. Dans le cas des modulateurs PN, malgr´e diff´erentes approches il est difficile d’atteindre des efficacit´es en dessous de 1 V.cm et qui soient compatibles `a des tensions de circuits CMOS. Les deux exemples de modulateurs capacitifs cit´es pr´ec´edemment illustrent le fait que ces composants ont le potentiel de remplir les objectifs suivants :

– Une grande efficacit´e, c’est `a dire un produit VπLπ inf´erieur `a 1 V.cm, – Une tension de commande inf´erieure `a 2 V_pp,

– Des pertes optiques suffisamment faibles avec un taux d’extinction ´elev´e, – Une bande passante ´electro-optique d’au moins 25 GHz.

Cependant, l’inconv´enient principal de ces composants est d’utiliser du poly-silicium au-dessus de la grille d’oxyde qui rajoute des pertes optiques suppl´ementaires. De par l’int´erˆet que peuvent apporter les structures capacitives, deux architectures alternatives ont ´et´e propos´ees par le CEA bas´e sur l’utilisation d’un mur d’oxyde vertical pour s’affranchir de l’utilisation du poly-silicium et r´eduire les pertes optiques de la structure. Cette approche se base sur des proc´ed´es de fabrication innovants propos´es avant, et au d´ebut de ma th`ese [136, 137] (voir chapitre 6 pour plus de renseignements). Dans l’imm´ediat, ce chapitre se concentre sur l’´etude de la structure SISCAP, ainsi que la premi`ere architecture alternative pr´esent´ee Figure (4.1b).

L’un des objectifs de cette th`ese est d’´evaluer la faisabilit´e de modulateurs capacitifs avec un mur d’oxyde vertical, et d’estimer leurs performances ´electro-optiques pour trouver un point de fonctionnement qui respecte le cahier des charges. Ce type de modulateur ´etant nouveau, plusieurs aspects ´electriques et optiques de ces composants n’avaient pas encore ´et´e ´etudi´es, ou peu d´ecrits

(a) (b)

Si-P Si-N

Figure 4.1 – a) Section transverse de la structure SISCAP propos´ee par CISCO avec un grille d’oxyde horizontale, b) Premi`ere structure alternative propos´ee par le CEA comportant un mur d’oxyde vertical au centre du guide. Le chapitre porte sur l’´etude de ces deux structures.

dans la litt´erature (les compromis de conception et de performances atteignables avec la structure SISCAP n’´etaient pas connus). En cons´equence, une partie importante de ma th`ese a ´et´e consacr´ee `

a la compr´ehension de la physique de ces modulateurs (aspects semi-conducteurs et optiques) pour d´egager des tendances, et explorer diff´erentes voix de conception.

Pour dimensionner un modulateur nouveau capacitif, il est n´ecessaire de passer par un certain nombre d’´etapes num´eriques. Cela passe notamment par des simulations ´electro-optiques dont il faut garantir la fiabilit´e num´erique. La principale difficult´e est de mod´eliser correctement la couche d’ac-cumulation pr`es de l’oxyde le tout dans un temps de simulation raisonnable pour estimer les performances ´electro-optiques du modulateur.

L’objet de ce chapitre est d’expliquer la m´ethodologie qui a ´et´e utilis´ee pour d´evelopper les ou-tils num´eriques, optimiser le modulateur capacitif, et donner les principaux r´esultats associ´es. Les principales ´etapes sont r´esum´ees ci-apr`es, et constituent le fil rouge de ce chapitre.

1. La premi`ere ´etape consiste `a mettre en place des simulations ´electriques et optiques. Il faut impl´ementer les structures `a simuler (g´eom´etrie et dopage), r´egler les param`etres mat´ e-riaux, choisir les mod`eles num´eriques, et proc´eder `a des ´etudes de convergence pour trouver les param`etres num´eriques optimaux. Ces param`etres purement num´eriques seront fix´es pour toute la suite de l’´etude.

2. Lorsque la fiabilit´e des r´esultats est assur´ee, des simulations ´electro-optiques sont lanc´ees sur un cas connu, `a savoir la structure SISCAP. L’objectif est de comprendre la physique du dispositif via une ou plusieurs ´etudes param´etriques, et de recouper les r´esultats de simulation avec ceux donn´es dans la litt´erature.

3. La troisi`eme ´etape est de dimensionner la nouvelle structure en s’appuyant sur l’´etude pr´ec´edente. Il faut alors dimensionner le dispositif de mani`ere `a respecter le cahier des charges pr´esent´e en d´ebut de chapitre, et qui doit respecter les contraintes de fabrication.

4. Enfin, la derni`ere ´etape est d’impl´ementer la r´egion active de type capacitive dans un modulateur et de quantifier ses performances pour trouver un point optimal de fonctionnement en terme d’efficacit´e, de pertes optiques, et de bande passante.

4.1 R´eglage des param`etres num´eriques

Comme pour les modulateurs PN, les simulations ´electriques, optiques, et ´electro-optiques des modulateurs capacitifs ont ´et´e faites `a partir de la suite Lumerical. Des scripts ont ´et´e directement impl´ement´es dans ces logiciels pour lancer des ´etudes param´etriques. Le post-traitement des r´esultats est assur´e par des scripts Matlab. Une partie substantielle de la th`ese a ´et´e consacr´ee `a d´evelopper ces scripts, de mani`ere `a ce qu’ils puissent ˆetre r´eutilis´es par la suite. La version finale permet notamment de r´ealiser plusieurs types d’´etudes param´etriques sur la r´egion active.

Au cours de ces simulations, les structures simul´ees d´ependent d’une dizaine de variables, avec autant de param`etres mat´eriaux que de param`etres purement num´eriques. L’´etape de calibration est donc vraiment importante, en particulier lorsque le comportement de la structure n’est pas compl` e-tement compris : s’il y a des incertitudes sur l’interpr´etation des r´esultats, il faut au moins ˆetre sˆur que cela ne provient pas d’effets num´eriques. Il faut donc r´egler ces param`etres au cours de chaque ´

etape de simulation de mani`ere `a minimiser les incertitudes num´eriques, tout en faisant un compromis entre le temps de calcul, la pr´ecision, et l’espace de stockage mis `a disposition. Cette section donne quelques exemples de param`etres `a r´egler pour ces simulations.