Les différentes technologies de report

Le substrat d’InP d’épaisseur 350µm environ sur lequel la zone active est déposée, maintien la rigidité de l’échantillon. Néanmoins, comme dans notre cas nous utilisons des miroirs de Bragg Diélectriques pour les raisons que nous avons évoqué précédemment (nécessité d’avoir un miroir avec une grande « stop-band » tout en ayant une faible résistance thermique), le retrait du substrat est indispensable. Dans ce contexte nous allons décrire trois méthodes qui sont souvent utilisées pour le report des VCSELs, il s’agit de la méthode dite collage métallique, la fusion épitaxiale et enfin celle utilisée au laboratoire qui est l’électrodéposition du cuivre.

5.1.1

Collage métallique

C’est une technique de report à base d’alliages métalliques binaires qui est souvent utilisé dans la microélectronique ou l’optoélectronique[30][31]. Elle exploite les bonnes propriétés thermiques des métaux utilisés pour un meilleur fonctionnement du VCSEL en pompage continu. Afin de ne pas détériorer les couches utilisées dans la demi-cavité (zone active + miroir de Bragg inférieur), nous avons choisi l’alliage Au-In qui se forme à basse température. Cet alliage se forme à la température de fusion de l’indium qui est de 157 °C. Néanmoins pour avoir une brasure métallique homogène une température supérieure à 200 °C est nécessaire, et doit également s’accompagner de la mise en pression des plaques à coller, typiquement quelques Kg/cm² (quelques bar)[32]. Cette technique a été déjà utilisée avec succès par plusieurs laboratoires pour le report de puces V(E)CSEL[33], mais aussi à FOTON, et a permis de reporter des VCSELs sur une surface d’environ 10 mm×10 mm (cf. Figure II.29).

Figure II.29: photographie d’un VCSEL reporté par collage métallique

Figure II.30: Image MEB d’une demi-cavité reporté sur substrat de silicium[22]

Sur la figure II.30 nous pouvons voir que l’interface de collage avec le DBR est plane, ce qui témoigne de l’absence des défauts lors de la formation de la couche d’Au-In. Pour conclure

67 sur cette méthode, nous pouvons dire que son utilisation est relativement simple, il faut toutefois bien contrôler les épaisseurs de la couche métallique formée afin d’éviter toute création de gap d’air, pouvant nuire aux performances du VCSEL. Toutefois, un défaut majeur de cette approche réside dans les dimensions réduites des échantillons collés, qui de manière générale ne peut pas excéder des surfaces supérieures à 1 cm², rendant difficile tout post-processing nécessaire à la réalisation de VCSEL en injection électrique.

5.1.2

Fusion épitaxiale

Cette méthode nécessite la mise en place de deux substrats (substrat InP sur lequel nous faisons croitre la zone active et un substrat GaAs sur lequel le miroir est déposé) ce qui rend cette technique couteuse en plus du procédé de fabrication complexe. Contrairement au collage métallique qui se fait à basses température, la fusion épitaxiale nécessite des températures de recuit relativement élevées entre 600 et 650 °C, néanmoins les pressions exercées sont relativement faibles typiquement quelques centaines de g/cm² (<1 bar)[34]. Par ailleurs, pour un bon fonctionnement du VCSEL, un état de la surface de fusion remarquable est indispensable, la raison pour laquelle des machines spécifiques sont déployées rendant la technique relativement couteuse. Toutefois, la fusion épitaxiale reste parmi les rares techniques permettant de réaliser des VCSELs avec de bonnes performances, la figure II.31 donne un exemple d’un VCSEL réalisé utilisant une double fusion épitaxiale.

Figure II.31: Schéma d’un VCSEL émettant à 1.55 µm reporté par la fusion épitaxiale[35]

5.1.3

La méthode de FOTON : Pseudo substrat métallique du Cu

Une autre méthode de report qui a fait ses preuves quant à l’amélioration spectaculaire des performances thermiques des VCSELs, est celle de la croissance des pseudos substrats métalliques sur le composant. Dans le passé de bonnes performances thermiques ont été

68 obtenues sur des VCSELs réalisées sur InP. Nous pouvons citer par exemple le groupe d’Amann[36] qui utilise des pseudos substrats en Or (déposés par voie électrolytique) pour reporter des VCSELs (cf. Figure II.32). Néanmoins, il semble que les électrolytes utilisés pour le dépôt de l’or soient très toxiques (sels de cyanure d’or), en plus de cela, le cout d’achat est élevé (5 k€ les 250 ml). Pour cette raison, nous avons choisi de réaliser des pseudos substrats de cuivre par électrodéposition, qui utilise un électrolyte (Cu SO4) nettement meilleur marché (250 € les 5 l), et qui s’avère être une approche très utilisé dans l’industrie microélectronique. C’est cette technique de report qui sera employée dans la suite du manuscrit pour le report des VCSELs.

Figure II.32: VCSEL électrique reporté sur un pseudo substrat d’Or[36].

5.1.3.1

Description du banc d’électrodéposition

Le principe repose sur la réduction des ions de cuivre issus d’une solution en appliquant un champ électrique.

69 La figure II.33 représente une photographie du système utilisé. L’échantillon sur lequel le dépôt est effectué agit comme une cathode. Le dépôt est donc favorisé à l’aide d’un champ électrique qui prend naissance entre la cathode et les ions du cuivre chargé positivement. Par conséquent, afin d’avoir un dépôt électrolytique homogène sur toute la surface de l’échantillon, une métallisation en Ti/Au de ce dernier est indispensable. Le dépôt est réalisé au laboratoire IETR (Institut d’Electronique et de Télécommunication de Rennes). Des épaisseurs jusqu’à 200 µm, homogènes et à faible rugosité, sont déposées avec une cinétique de dépôt de 1µm/1min.

5.1.3.2

Limitation en température

Conformément à la littérature l’échauffement excessif peut induire une déformation de la couche du cuivre déposée, pouvant engendrer la destruction de l’échantillon VCSEL. Cependant cet effet est très dépendant des conditions de dépôts mais aussi de l’épaisseur déposée. Ainsi pour contourner les problèmes de l’apparition des contraintes (relatif à la différence du coefficient de dilatation thermique entre l’InP et le cuivre [37]), nous veillerons ici à ce que l’épaisseur du cuivre ne soit pas conséquente (50µm-70µm). Aussi, nous éviterons tout échauffement volontaire du dispositif à des températures supérieures à 90 °C, température à partir de laquelle nous avons pu observer des déformations importantes.