Chapitre 1 : Interconnexions optiques, une alternative aux

Chap. I Interconnexions optiques

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Chapitre 1 : Interconnexions optiques, une alternative aux interconnexions électriques.


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Introduction La première partie de ce chapitre est consacrée à la problématique des

interconnexions des circuits intégrés, leurs limitations et les raisons qui sont à l’origine des

travaux menés sur les interconnexions optiques. Dans la deuxième partie, nous dresserons un

état de l’art des différentes solutions envisagées pour intégrer des liens complets au sein de

microcircuits. Les briques élémentaires que sont source(s), photodetecteurs et guides d’ondes

seront évoqués. Les différentes approches seront alors comparées en terme d’intégration

technologique dans un procédé de fabrication microélectronique. Cette étude préliminaire

nous permettra alors de définir l'orientation choisie dans ce travail : la mise au point de

composants optiques élémentaires utilisant des matériaux déposés par PECVD pouvant être

réalisés au dessus de composants microélectroniques.

1. De la microélectronique aux interconnexions optiques

1.1. Fonctionnement d’un circuit intégré.

En 1947, John Bardeen et Walter Brattain découvrent le premier effet transistor sur

semi-conducteur. Ceci leur vaudra le prix Nobel en 1956 et ouvrira un large champ de

recherche, la microélectronique. Un transistor est un composant possédant trois contacts, la

source, le drain et la grille. La tension aux bornes de la grille contrôle le passage -ou non- du

courant entre source et drain. En combinant N portes logiques élémentaires, il est alors

possible d’effectuer toutes sortes de fonctions: de l’inverseur au microprocesseur. Un circuit

intégré est formé par un ensemble de transistors disposés sur un même substrat, reliés entre

eux par des canaux qui permettent des échanges d’information.

1.1.1. Interconnexions électriques :

Les interconnexions entre transistors sont réalisées par des lignes conductrices

métalliques isolées par un matériau diélectrique. Dans un circuit intégré, on définit une zone

«Front end », où sont définis les transistors, et une zone « back-end », située au dessus, où

sont définies les lignes d’interconnexions (Voir figure 1-1b). La densité d’intégration des

composants augmentant avec la diminution de la taille des transistors, les interconnexions

sont de plus en plus complexes et les circuits actuels possèdent plus de 12 niveaux

métal/diélectrique.


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Figure 1-1 : a) Photographie au microscope électronique a balayage d’interconnexions sur plusieurs

niveaux, l’oxyde d’isolation a été retiré afin de mettre les lignes de métal en valeur [IBM research center].

b) Schéma d’une vue en coupe.

Les liaisons électriques sont réparties en trois classes, en fonction de leur longueur.

Les plus nombreuses sont les liaisons locales, (90% sur une puce), d’une longueur inférieure

au millimètre, puis viennent les liaisons moyennes (entre 1 et 3 mm) pour environ 9%. Les

liaisons globales peuvent atteindre plusieurs centimètres de long et se différencient par leur

rôle. Elles servent à alimenter chaque point du circuit, à distribuer le signal d’horloge ou à

véhiculer des signaux entres blocs éloignés.

Depuis trente ans, la fréquence d’horloge des microprocesseurs les plus rapides double tous

les trente deux mois, et le nombre de composants par cm2 suit approximativement le même

rythme. Les composants actuels possèdent plus de 200 millions de transistors et fonctionnent

à des fréquences d’environ 4GHz. La conduction dans les lignes métalliques à ces fréquences

est alors influencée par la résistance et l’inductance des lignes, ainsi que par la capacité

associée aux empilements métal/diélectrique. Ainsi, si en microélectronique les performances

en vitesse étaient autrefois simplement déterminées par les transistors, les interconnexions

longues apparaissent aujourd’hui comme le facteur limitant au niveau du temps de transport et

de la consommation énergétique.

Délai des interconnexions

La densité accrue d’interconnexions tend à faire augmenter la résistivité des lignes

ainsi que la capacité due aux empilements metal-dielectrique [Gaburro02]. Ainsi, en 1980, le

temps de commutation d’un transistor MOS(délai) était d’environ 20 ps, alors que le temps de

a). b)

Zone Back End

Zone Front END


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transport associé à une interconnexion typique de 1mm de long en technologie SiO2/

Aluminium était d’environ 6ps. Si l’on en croit les prédictions établies par les industriels de la

microélectronique (ITRS pour Internationnal Roadmap for Semiconductor[ITRS03]), pour le

nœud 35nm (prévu autour de 2012), le délai d’un transistor sera alors proche de 2,5ps, la

latence associée aux interconnexions passant elle à 250ps [Meindl02 ] [Meindl03]. Ceci est

principalement du aux effets RC. La figure1-2 montre l’évolution du délai des transistors et

du temps de latence associé aux interconnexions, et met en évidence le problème

technologique que posent celles ci.

Composantes du délai

0

10

20

30

40

50

650 500 350 250 180 130 90 taille de la grille (en nm)

temps (en ps)

temps lié auxinterconnexionstemps lié auxtransistorsdélai

Figure 1-2 : Evolution des contributions responsables du délai des interconnexions [ITRS2003].

Dissipation énergétique

L’augmentation de la résistivité et de la capacité des lignes entraîne une plus grande

consommation énergétique des circuits d’interconnexions, principalement par effet Joule.

Comme le montre le tableau 1-1, la part d’énergie dissipée par un système intégré est

principalement due aux interconnexions, cette tendance s’aggravant avec le degré

d’intégration.

Génération technologique

1µm 100 nm 35 nm

Energie de changement d’état d’un MOS (U.A)

≈ 300 ≈ 2 ≈ 0.1

Energie associée aux interconnexions (U.A)

≈ 400 ≈ 10 ≈ 3

Fréquence d’horloge ≈ 30 MHz ≈ 1-3.5 GHz ≈ 3.6-13.5 GHz

Tableau 1-1 : Comparaison théorique entre l’énergie dissipée pour une simple opération par un MOSFET

et par une interconnexion de 1mm de long, d’après [Meindl02].


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Cependant, tous les liens ne sont pas équivalents dans un processeur, et les liens les

plus affectés sont ceux qui travaillent à plus fort débit et sur les distances les plus longues. En

plus des contraintes citées précédemment, ceux-ci subissent l’augmentation de l’effet de peau,

qui limite la surface efficace de transport du courant et augmente ainsi la résistance effective.

Ainsi, les liens globaux tels que les liaisons entre blocs et la distribution du signal d’horloge

sont les plus dispendieux au sein d’un circuit. La consommation de la distribution d’horloge

peut représenter de 50 à 70% de la consommation d’un

circuit (PENTIUM 4 0,13µm à 3,06GHz—Conso= 80W).

Par ailleurs, l'augmentation relative du temps de retard de la

transmission par rapport à la période de l'horloge conduit au

phénomène de latence, et à celui, sans doute plus pénalisant

encore, de décalage ("skew") (voir ci contre). Enfin,

l'augmentation de la densité des interconnexions

métalliques conduit à des phénomènes de diaphonie, i.e. de

perturbations électromagnétiques du signal d’une ligne à

l’autre ainsi qu’au phénomène de jigue du signal.

Les solutions à l'œuvre pour repousser ces limites dans les

technologies actuelles concernent :

- l’introduction de matériaux à plus faible

résistivité comme conducteurs, tels que le cuivre,

- l’introduction de matériaux à plus faible constante diélectrique dits low k et

ultra low k,

- l’adaptation des architectures avec l’augmentation des tailles des lignes

conductrices supérieures.

Néanmoins, ces approches sont intrinsèquement limitées : par les propriétés physiques des

matériaux (comment descendre en dessous de k=1 de l’air) , ou par l’architecture des

systèmes (trop de niveaux de métallisation). Sur la feuille de route de la microélectronique,

l’ITRS met en lumière le besoin de nouvelles technologies « alternatives » pour la réalisation

de systèmes d’interconnexions pour les noeuds technologiques inférieurs à 45nm [ITRS03].

Skew : ou décalage variation du retard

de l'arrivée du signal d’horloge sur

l'entrée d'une bascule, en fonction de

la position géographique de celle-ci

sur le circuit. Il se définit pour un

régime statique.

Jitter ou jigue : Variation du retard de

l’arrivée d’un signal en fonction du

temps. Il se définit en régime

dynamique, à la suite de phénomènes

d’interférences électromagnétiques ou

de bruit.


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1.2. Solutions alternatives

Différentes solutions sont aujourd’hui à l’étude, parmi lesquels les interconnexions optiques.

1.2.1. Interconnexions par nano tubes de carbone

Les nanotubes de carbone sont des structures de type « graphite enroulé » qui

possèdent de nombreuses caractéristiques physiques intéressantes, parmi lesquelles des

propriétés de transport électronique très prometteuses. En effet, selon la chiralité des tubes

(empilement des atomes), la fonction d’onde des électrons est quantifiée en une dimension,

rendant une conduction balistique possible à l’intérieur du tube [Hoeinlein04]. Ces structures

permettraient de remplacer les vias d'interconnexions. Du fait de leur très faible taille,

l’utilisation de nano tubes pourrait apporter un gain en terme de densité de courant et donc de

diminution de la résistance effective (voir figure1-3 ) [Kreupl04]. Cependant, malgré un

démarrage des études sur la croissance des nano tubes à des températures compatibles avec

une intégration microélectronique, les résistances de contact entre le métal et les tubes doivent

encore être largement améliorées pour que cette option soit intéressante. D’autre part,

l’utilisation de nano tubes n’est pour l’instant pas envisageable pour une application autre que

les vias, leur croissance autre que verticale n’étant pas maîtrisée.

Figure 1-3 : Intégration de nanotubes de carbones comme « Via » conducteur, avec des tubes

« monomur » ( a) ou « multimurs »(b) [Kreupl 04].

1.2.2. Interconnexions 3D

Une solution envisagée pour limiter les désagréments liés aux interconnexions consiste

à réduire leurs proportions, ceci en « empilant » les composants, de manière à pouvoir les

relier entre eux avec une dimension supplémentaire. Les strates de wafer sont rapportées les

unes sur les autres, par des techniques séquentielles de collage de surface active et de retrait

a) b)


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des substrats. Le collage peut être effectué par wafer bonding, collage métallique ou assisté

par polymère [Lindner02]. Cette solution permet de travailler avec moins de niveaux

métalliques et de limiter le chemin électrique et ainsi le délai lié aux interconnexions.

Cependant, les avantages d’une telle architecture sont contrastés et doivent être discutés selon

le type de circuits utilisés. Ainsi, des simulations récentes effectuées pour des noeuds de 45

nm montrent que pour un mêmes nombre de composants, la réalisation d’interconnexion 3D,

sur 2 ou 3 strates n’apporte pas d’avantages en terme de délai ou même d’énergie dépensée

dans les lignes, et ceci sans prendre en compte les éventuels problèmes de dissipation de la

chaleur, encore plus cruciaux dans cette configuration [Nguyen05].

1.2.3. Interconnexions RadioFréquences (RF)

La distribution de signal par Radio Fréquence est en fait la continuité des

interconnexions métalliques, le signal n’étant plus alors traité dans l’approximation

stationnaire, mais comme une onde électromagnétique. Deux solutions sont possibles : la

propagation en ondes guidées ou en espace libre. Dans le premier cas, l’onde est guidée à

travers le substrat en silicium et les niveaux d’interconnexions. Un avantage de cette

technique est son intégration facile, les divers éléments étant réalisables avec les technologies

actuelles (Cuivre/ SiO-C). Des systèmes de distribution d’horloge ont été proposés [Floyd00].

Un des intérêts est que l’augmentation de fréquence diminue la taille des antennes et les rend

intégrables. Récemment, des résultats expérimentaux ont été obtenus sur des structures tests

démontrant des niveaux d’atténuation comparables à des distributions électriques actuelles

[Tryantafillou04]. La dimension des antennes est de l’ordre de 2 mm de long par 10 µm de

large, espacées de 2,7cm. Des signaux de 10 à 30 GHZ sont transmis avec une perte de l’ordre

de -20 dB entre l’émetteur et le récepteur. Cependant, ces transmissions nécessitent la création

de zones d’exclusion sur toute l’épaisseur de l’empilement back-end autour des antennes, et

sont très dépendantes des propriétés du substrat silicium (épaisseur, résistivité).

1.3. Interconnexions optiques

L’utilisation de lumière plutôt que d’électricité pour la transmissions de signaux

possède des avantages physiques certains. Historiquement, Goodman [Goodman84] puis

David A. Miller ([Miller97], [Miller99], [Miller00]) furent les premiers à mettre en éxergue

les avantages du lien lumineux par rapport au lien électrique pour la microélectronique. En

effet, si les signaux optiques ou électriques sont des ondes électromagnétiques, la différence

entre les deux provient de leur fréquence d’oscillation, respectivement entre


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1014Hz<fopt<1015Hz pour l’optique et autour de 1011Hz pour le signal électrique, entraînant

de nombreux avantages pour l’optique :

- une plus grande bande passante (la fréquence des signaux transportés est de l’ordre

de la dizaine ou centaine de GHz, loin des possibilités des transmissions

électriques),

- aucune adaptation de la ligne au signal transporté (du fait de leur impédance, les

interconnexions électriques doivent être conçues pour travailler à une certaine

fréquence. A contrario, le design d’interconnections optiques est indépendant de la

fréquence transportée, car la fréquence de modulation est très faible par rapport à

celle de la porteuse),

- une plus faible propension à la diaphonie (bruit entre lignes), due à la plus faible

longueur d’onde des signaux de 500nm à 2µm pour l’optique contre environ 3cm

pour l’électrique),

- consommation électrique réduite par absence d’effet joule dans les guides

optiques,

- pas de génération de bruit sur le fonctionnement du circuit par le lien optique,

- les guides d’ondes étant constitués de matériaux diélectriques, aucune « dérive »

en tension ne se produit le long d’un composant,

- possibilité d’utiliser des impulsions optiques très courtes pour limiter le skew et le

jitter [Keeler03],

- possibilité d’utiliser plusieurs longueurs d’onde sur un même canal.

Pour toutes ces raisons, les communications optiques ont remplacé les communications

électriques pour les communications longues distances. Avec la montée en fréquence des

bandes passantes des processeurs utilisés dans les objets de consommation courante

(ordinateur, modem, Internet), remplacer les liaisons électriques par des liaisons optiques à

courte portée devient bénéfique. Ainsi, les liaisons optiques entre ordinateurs sont aujourd’hui

disponibles dans le commerce, et des démonstrations de distribution optique entre processeurs

[Chen97] ou entre niveaux de processeur et de mémoire [Han03] ont été réalisées. Ces

liaisons de type inter puces sont actuellement l’objet d’une compétition électrique-optique. En

ce qui concerne plus particulièrement le niveau d’intégration que représentent les connections

d’une puce, de nombreuses études comparent les liens optiques (émetteur- milieu guidant-

récepteur) aux liens électriques. Par simulation, elles analysent les avantages et inconvénients

des deux techniques en terme de délai et de consommation énergétique. Ainsi, en 2002 Kapur


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et Saraswat ont comparé les interconnexions optiques et électriques pour effectuer la

distribution d’horloge [Kapur01] ou des liaisons sur une puce [Kapur02]. Leurs études

montrent que la distribution d’horloge optique est intéressante au niveau énergétique pour des

noeuds technologiques de 100nm, et que la distance limite au dessus de laquelle l’optique

devient plus avantageuse pour les liens point à point est inférieure à la taille d’un circuit pour

le noeuds 50nm. En 2001 déjà, des travaux [Kyriadis01] comparent liens électriques et

optiques pour les technologies alors utilisées (transistors largeur de grille= 0,25 et 0,8µm).

Leurs simulations montrent que pour des transmissions de 3GHz, l’optique est plus efficace

en terme de délai pour des distances supérieures à 0,6cm.

En 2004, Ian O' Connor et al. [OConnor04] ont comparé une distribution du signal d’horloge

optique avec une distribution classique, de type électrique. Ils utilisent pour cela un schéma

utilisant une source et des détecteurs en matériaux III-V rapporté sur des guides de types SOI.

En travaillant avec des caractéristiques technologiques associées au nœud 70 nm, ils montrent

que l’utilisation du système optique est d’ores et déjà plus intéressante que la distribution

électrique, faisant gagner un facteur 5 en terme de consommation énergétique pour une

fréquence de travail de 5,6GHz. Cette tendance s’amplifie avec la montée en fréquence du

système (Voir Figure).

Figure 1-4 : Comparaison de la dissipation énergétique dans un système de distribution d’horloge

électrique ou optique pour différentes fréquences d’horloge (noeuds 70nm, 400 mm2, 256 sorties).

En 2004, Cho et al.[Cho04] comparent lien optique et électrique pour les liaisons haut

débit, pour des noeuds technologiques de 50 ou 100nm. Ils utilisent pour le calcul des pertes

énergétiques dues au système optique une configuration utilisant un modulateur à puits

quantiques et un photodétecteur issu de la technologie silicium, qu’ils comparent aux

interconnexions électriques à l’état de l’art. Leurs calculs les amènent à déterminer une

longueur critique au dessus de laquelle les interconnexions optiques sont énergétiquement


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plus intéressantes. En utilisant les caractéristiques d’un modulateur idéal, ils trouvent une

longueur critique de l’ordre de 40cm pour 6GHz. Si cette valeur est élevée, en contradiction

avec leurs études précédentes, ils montrent que la distance critique varie très fortement avec la

capacité du photodétecteur ainsi qu’avec les pertes de couplage (voir figure1-5). En outre, la

valeur utilisée ici pour la capacité du détecteur (250fF) parait être largement surestimée d’un

facteur 10 [Rouviere 04].

Figure1-5 : Distance critique optique/électrique en fonction des pertes de couplage dans des guides, pour

différentes capacités de détecteurs associés [Cho04].

Ainsi, de nombreux auteurs ont démontré l’intérêt de l’utilisation de liens optiques pour

remplacer des liens électriques dans l’architecture des circuits intégrés, d’abord pour la

distribution du signal d’horloge, puis certainement dans un deuxième temps pour la réalisation

de liens haut débit au sein des circuits. Les distances critiques de rentabilité du remplacement

électrique/optique sont toujours débattues. Néanmoins, les auteurs s’accordent sur l’avantage

majeur que possède l’optique par rapport à l’électrique vis a vis de la montée en fréquence et

en degré d’intégration des circuits intégrés, à savoir que les performances des systèmes

optiques sont limitées par les composants optoélectroniques associés, dont les caractéristiques

s’améliorent avec le degré d’intégration, là ou les transmissions électriques pâtissent du degré

d’intégration. D’autre part, la possibilité de réaliser un multiplexage en longueur d’onde

apparaît pour de nombreux auteurs comme une «rupture» positive dans la comparaison

électrique-optique. Cependant, une première démonstration de lien optique complet reste à

prouver et permettra de quantifier le gain de l’optique en donnant les premières

caractéristiques réelles des différents composants (sources-guides-photodétecteurs).

D’autre part, une tendance de la microélectronique moderne est d’intégrer de plus en plus de

fonctions différentes sur une puce, afin d’y réaliser un système complet (SOC pour System


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On Chip). Dans ce sens, l’ajout d’éléments optiques au sein des circuits représente un vrai

challenge pour la réalisation de fonctionnalités telles que la compatibilité avec les réseaux

fibrés, les communications haut débit entre puces, etc… La figure 1-6 représente ainsi un

exemple de fonctions optiques rapportées sur une puce microélectronique.

Figure 1-6: Exemple d’intégration de fonctionnalités optique sur puce microélectronique. Des liaisons

entre différents composants utilisant différentes longueur d’ondes sont représentées (A), ainsi qu’une

connexion à un réseau fibré extérieur, utilisant différentes longueur d’onde (B). Ce type de schéma utilise

des sources (α), des détecteurs (β), des multiplexeurs ( γ) et Demultiplexeurs (δ) ainsi que des guides

d’ondes intégrés

2. Différents types d’interconnexion optiques : Intégration de circuits photoniques sur circuits intégrés.

La réalisation de liens optiques au sein de microcircuits se trouve à la croisée de

nombreux chemins technologiques, mêlant des domaines variés tels que les lasers, l’optique

intégrée, l’optronique et enfin la microélectronique. Réaliser un lien complet au sein d’une

même puce nécessite d’assembler une source, un système de guidage, et un détecteur, le tout

avec un schéma compatible avec la réalisation de transistors. Comme nous allons le voir, les

recherches menées actuellement s’orientent dans différentes voies. Or, la réalisation

d’éléments d’optique intégrée dépend très fortement de l’approche globale utilisée, et

notamment des éléments optoélectroniques. Dans cette partie, nous nous proposons de dresser

un panorama des technologies aujourd’hui disponibles pour réaliser des liens optiques. Nous

A B

α

β α

α α

β

β

βγ

δ δ δ

δ


23

évaluerons les sources disponibles, les détecteurs et enfin les différentes voies pour réaliser

des composants passifs. Dans un deuxième temps, nous analyserons plus précisément la

compatibilité des systèmes optiques avec les procédés microélectroniques, pour enfin

comparer les différents schémas complets et situer le sujet de cette thèse.

2.1. Sources :

Comme nous l’avons vu précédemment, l’emploi d’éléments optiques est intéressant

pour les communications hautes fréquences. Les sources optiques doivent donc présenter des

fréquences de travail très élevées, avec si possible de faibles largeurs spectrales. L’utilisation

d’émission laser parait donc nécessaire. Deux approches sont aujourd’hui envisagées :

- une source extérieure au circuit, dont le signal peut ensuite être modulé,

- des sources « intrinsèques » aux composants.

2.1.1. Systèmes à source extérieure

Deux solutions sont alors possibles: utiliser un laser à modes bloqués pour produire

des impulsions courtes ([Delfyett91], [Keeler03]), ou bien se servir d’un laser exterieur

continu associé à un modulateur réalisé sur la puce.

Des modulateurs composés d’un interféromètre Mach –Zhender couplé à un dispositif

électroréfractif ont déjà été rapportés. L’effet électroréfractif est réalisé par injection de

porteurs dans des hétérostructures Si/SiGe [Marris04] ou des structures MOS. Récemment,

des modulations de 10GHz ont été demontrées sur ce type composants [Liao05]. De manière

plus compacte, des modulateurs utilisant des systèmes résonnants (anneaux, cavités) sont

possibles. De premières réalisations ont montré des modulations de l’ordre du GHZ pour des

composants de l’ordre de la dizaine de microns [Xu05].

Une autre possibilité est d’absorber directement l’intensité dans les guides. Des systèmes

utilisant l’injection de porteurs ([Scuito04], [Ching03]) ou bien la désertion de puits

quantiques [Elkurdi03] ont ainsi été proposés, des fréquences de modulation de 1GHz étant

attendues.

2.1.2. Sources Intrinsèques

Si l’utilisation de sources extérieures peut convenir à certaines applications, le

développement de liens complets sur des puces nécessite des sources laser intégrables aux

composants.


24

2.1.3. Technologie silicium

Du fait du gap indirect du silicium, l’émission électroluminescente directe à

température ambiante est impossible et des processus plus complexes doivent être mis en jeu.

De nombreux travaux portent sur la luminescence de nanostrucures de silicium de type

silicium poreux ([Canham90], [Chan01]), nanocristaux de silicium dans SiO2, ou boîtes

quantiques de Ge dans Si [David03]. Ces structures présentent des luminescences variées,

néanmoins leur efficacité est très faible.

Une solution plus prometteuse est d’utiliser la luminescence d’éléments extérieurs

dopant les composants, tel que l’erbium (raie à λ=1,54µm) associé à des nanocristaux qui

permettent d'exciter plus fortement la luminescence de l'erbium. Des efficacités quantiques

proches de 20% ont été démontrées avec de l’erbium, même si des problèmes de

vieillissement semblent limiter la durée de vie des diodes fabriquées ([Kik00], [Castagna03],

[Ossicini04], [Chen98]).

Laser RAMAN

Le premier laser en technologie silicium a récemment été démontré par des équipes

d’Intel [Rong05]. Il utilise l’effet Raman du silicium, où un laser pompe à 1,55µm excite

l’émission Raman décalée à 1,63µm. Si ce phénomène paraît intéressant, ses applications

comme source intrinsèque paraissent limitées par la taille du composant (4,8cm) et son

pompage optique nécessaire.

2.1.4. Technologie III-V :

L’utilisation de matériaux à gap direct est aujourd’hui la voie la plus évidente pour

réaliser des lasers. Ainsi, les technologies III-V sont depuis longtemps développées dans le

domaine des télécoms, et plus récemment pour réaliser des sources intégrées à base de

substrat InP ou GaAs. Les milieux électroluminescents sont constitués d’alliages ternaires ou

quaternaires de type GaAlAs ou GaxAlyInAs de paramètres de mailles compatibles avec les

substrats. L’utilisation de dispositifs à confinement quantique (puits, boîtes) permet de jouer

sur les niveaux énergétiques et les longueurs d’ondes d’émission des composants en obtenant

des effets laser pour des faibles courants de seuil. Les technologies « GaAs » émettent

traditionnellement dans la gamme de longueur d’onde 850nm à 980nm. L’émission infra

rouge est plus difficile à obtenir et n’a été démontré que récemment [Ramakrishnan02]. La

technologie InP est plus adaptée a l’émission infra rouge, et couvre la gamme 0,92-1,6µm. Du

point de vue des architectures, ces lasers peuvent être réalisés dans une configuration plane,


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où la cavité est obtenue entre des faces clivées ou des miroirs de Bragg, ou bien dans une

configuration verticale (dite VCSEL pour Vertical Cavity Emiting Laser) où des miroirs de

Bragg sont utilisés pour la cavité. Les lasers plans sont aujourd’hui bien maîtrisés et possèdent

des dimensions de l’ordre de 250µm à 850µm

Pour les architectures verticales, des VCSELS GaAs à 850nm sont aujourd’hui

commercialisés. Leurs tailles sont de l’ordre de 20 par 50µm avec des fréquences de travail

intéressantes pour nos applications (40GHz.). En infra rouge, si des VCSELs GaAs émettant à

1,3µm ont déjà été réalisés en laboratoire [Pessa03], leur commercialisation n’est pas encore à

l’ordre du jour. Enfin, des VCSELs en technologie InP ont également été démontrés. Leur

application est pour l’instant restreinte à des domaines tels que les capteurs, peu dépendant de

la fréquence de travail.

Nanostructures InP

Dans la voie de la miniaturisation, de nouvelles structures encore plus adaptées aux

applications d’optique intégrée sont aujourd’hui proposées. Elles reposent sur la fabrication

de micro lasers à base de micro résonateurs. Pour obtenir un fort confinement des photons,

des microcavités utilisant des micro disques, ou des micro-structures à base de cristaux

photoniques sont aujourd’hui proposées [Seassal05]. Grâce au fort contraste d’indice de

réfraction entre InP et Oxyde (ou InP et air pour les dispositifs expérimentaux), des micro

disques de dimensions très compactes (R = 4 à 10µm) ont déjà été réalisés. Les premiers

effets lasers associés à un couplage dans un guide d’onde ont récemment été réalisés (voir

figure 1-8) [Hattori05]. Plus récemment, l'effet laser a été obtenu en pompage électrique sur

des microdisques de diamètre 8 µm [Rojo05].

Figure 1-7 : Schéma de fonctionnement d’un microdisque Laser InP rapporté sur guide SOI d’après

[Hattori05].

L’introduction de cristaux photoniques ouvre elle aussi de nouvelles voies, avec la réalisation

de microcavités ou bien l’utilisation directe des propriétés résonnantes de ces structures. Elles


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peuvent présenter des émissions par effet laser tres localisés (2x3µm dans les travaux de

[Seassal05]), et ce dans le plan ou perpendiculairement au plan des couches [Ryu02] pour des

cristaux photonique à deux dimensions.

Ce type de micro sources présente de nombreuses potentialités: compacité, efficacité,

couplage aisé vers des guides compacts et technologie similaire à la technologie

microélectronique (épitaxies, gravure plasma…). L’enjeu est aujourd’hui d’obtenir un effet

laser. Pour l’instant seule l’émission électroluminescente a été rapportée.

2.2. Détecteurs :

Dans le cas de la détection de lumière, le fait d’avoir un gap indirect est moins

problématique pour effectuer la transition optique-électrique. Le gap des matériaux détermine

simplement la longueur d’onde à laquelle ils peuvent fonctionner (voir figure1-8).

Figure 1-8 : Absorption de différents matériaux en fonctions de la longueur d’onde.

2.2.1. Filière Silicium et composés IV-IV

Dans cette approche, le silicium est utilisé pour réaliser des photodétecteurs de l'ultra

violet au visible, voir même dans le proche infrarouge (780m) malgré un coefficient

d’absorption assez faible. Ainsi, des détecteurs très rapides ont déjà été démontrés en UV

[Chou92] et dans le domaine visible [Alexandru94]. La plus faible absorption du silicium à

780nm peut être contrebalancée par l’utilisation de structures fines, permettant d’obtenir des

détecteurs rapides (140GHz [Liu94]) ou en nano structurant le silicium pour augmenter son

absorption [Sharma02].


27

Si l’on veut travailler dans le domaine infrarouge, le silicium est transparent et il est alors

nécessaire d’utiliser des matériaux type Ge/ Si-Ge voir InGaAs (voir figure 1-8).

Le Germanium permet d'obtenir des photodétecteurs compatibles avec des

technologies silicium. Son introduction permet de diminuer le gap effectif de l’alliage obtenu

et ainsi d’atteindre les longueurs d’ondes du domaine des télécommunications optiques (850,

1300 et 1550 nm). Différentes solutions existent, utilisant des multi puits quantiques Si (1-

x)Gex/Si, des boîtes quantiques Ge dans Si ou bien du Germanium pur. L’utilisation de puits

quantiques permet d’atteindre des longueurs d’onde autour de 1,3µm, et avec des structures

optimisées, des réponses impulsionnelles très rapides autour de 15ps [Temkin86] ont été

rapportées. Néanmoins, ces structures possèdent des absorptions relativement faibles et

nécessitent une intégration le long d’un guide d’ondes de grande dimension (500µm). De la

même manière, des recherches sur les boîtes quantiques Si1-xGex ont montré qu’il était

possible d’obtenir des photodétecteurs rapides (temps de réponse de 16 ps) [Buca02].

Cependant, ici aussi, l’absorption de ces matériaux est faible, menant à des dimensions de

dispositifs de l’ordre du mm.

L’emploi de germanium pur présente l’avantage d’avoir un très fort coefficient

d’absorption à 1,3µm et également à 1,55µm lorsque le matériau est contraint. Cela permet de

réaliser des dispositifs très compacts avec des fréquences de travail très élevées. Ainsi des

photodétecteurs intégrés en bout de guides d’onde ont déjà été proposés. Ils présentent

l’intérêt d’absorber très rapidement la lumière (en moins de 4 µm) [Rouviere04], permettant

ainsi d’envisager la réalisation de structures compactes et rapides. La limitation intrinsèque du

matériau en terme de temps de recombinaison semble en outre ne pas poser de problème. Des

photodétecteurs verticaux travaillant à 35Ghz ont été réalisés avec ces matériaux

[Rouviere05].

Cependant, il est important de noter que la technologie Germanium ici décrite nécessite des

étapes technologiques d'épitaxies réalisées à haute température. Une autre voie moins

contraignante est celle de Masini et al. [Masini03] où le détecteur est réalisé en Ge

polycristallin déposé à basse température (300°C).

2.2.2. Filière III-V

Rapporter des détecteurs utilisant des matériaux III-V du type de ceux décrit à la

section 2.2 de ce même chapitre sur le circuit photonique offre une solution plus simple, et

très efficace. Les photodétecteurs utilisent des structures dites PIN (avec une jonction dopage

P-Intrinseque-dopageP) ou MSM ( pour Métal Semiconducteur Métal). Des structures très


28

rapides ont déjà été réalisées avec éclairement vertical. Ainsi, des équipes ont démontré que

des reports de pastilles d’InGaAs (100 x 150µm) couplées à des guides d’ondes pouvaient

atteindre des fréquences de l’ordre de 150 GHz [Cho02].

2.3. Couplage

Pour coupler les émetteurs ou les récepteurs aux guides d’ondes, deux solutions sont

possibles: le couplage réfractif ou évanescent.

2.3.1. Couplage réfractif

Le couplage réfractif est fondé sur des dispositifs permettant à la lumière de changer

de direction, pour passer par exemple d’une émission (et/ou réception) verticale à des guides

horizontaux. Deux types de couplage génériques sont utilisés : par micro miroirs ou par

utilisation de réseaux de diffraction. Le principe des micro-miroirs repose sur la fabrication

d’un miroir intégré incliné à 45° par rapport au substrat. L’avantage de cette technique est une

faible sensibilité aux longueurs d’onde et une grande facilité de fabrication. Ces structures

conviennent bien à des guides d’ondes de dimensions moyennes, où l’on ne voit pas de

diffraction trop importante après la réflexion. La réflexion totale nécessite un fort contraste

d’indice entre le guide et le milieu extérieur. Cette technique est notamment utilisée avec des

guides polymères, en faisant jouer le contraste d’indice de réfraction avec l’air ([Liu01],

[Mederer 02]).

2.3.2. Couplage par réseau de diffraction

Une autre solution vient des coupleurs par réseaux de diffraction. La lumière est

diffractée par un réseau de pas inférieur à la longueur d’onde, et injectée dans un guide pour

un angle correspondant à des interférences constructives, selon la relation de Bragg (voir

figure 1-9).


29

Figure 1-9 : principe du couplage par réseau de diffraction. La lumière est diffractée par un réseau de pas

Γ inférieur à la longueur d’onde, et injectée dans un guide pour un angle correspondant à des

interférences constructives, selon la relation de Bragg.

Cette technique permet de coupler un rayon incident à des guides et d’avoir de très bonnes

efficacités de couplage pour des guides très compacts. Elle est notamment utilisée pour

injecter de la lumière dans des guides SOI [Lardenois03]. Avec des structures adaptées, des

efficacités de l’ordre de 80% sont possibles [Orobtchouk00]. D’autre part, l’utilisation de

réseaux complexes (biaisés, etc..) permet d’envisager un couplage à 90°. Une autre

généralisation possible de ce type de coupleurs est de réaliser des réseaux tridimensionnels, de

type holographique.

2.3.3. Couplage évanescent

Le couplage évanescent utilise l’effet tunnel optique pour coupler de la lumière entre

deux structures guidantes coplanaires. Le champ évanescent passe à travers une couche de

plus faible indice, et si les constantes de propagation sont accordées, il est possible de

transférer tout le champ électromagnétique d’un guide à l’autre. Ce type de couplage présente

des efficacités théoriques très importantes (proche de 100%). Il est par exemple utilisé pour

coupler des sources III-V à des guides submicroniques (voir figure1-10) [Roelkens04]. Dans

ce cas, comme l’absorption se fait dans le plan de la couche photodétectrice, l’efficacité de

détection est maximisée.

Lumière

Réseau de pas Γ

Transition adiabatique

θι

n1

n

Λ±= λθθ k sinn sin n di1

Relation de Bragg


30

Figure 1-10 : Exemple de coupleur évanescent entre un guide III-V et un micro guide silicium. La

dimension du guide III-V est réduite progressivement de manière à ce que l’indice effectif du mode guidé

dans le matériau III-V devienne inférieur à celui guidé dans le Silicium, d’après [Roelkens04].

2.4. Guides d’ondes

Nous allons ici décrire les principales solutions possibles pour réaliser des éléments

passifs. Différentes technologies sont aujourd’hui développées pour guider la lumière.

2.4.1. Filière silice dopée

Pour les applications de type télécoms, des technologies de guides d’ondes utilisant de

la silice dopée ont largement été développées. Ces guides d’onde ont des tailles de modes

comparable à l’ouverture des fibres optiques, et utilisent des dopages Phosphore ou

Germanium avec des matériaux déposés par PECVD et des recuits à haute température (>

1000°C), conduisant à des écarts d’indice de réfraction de l’ordre de 10-2. Les pertes obtenues

dans ces guides d’ondes sont très faibles (<0,01dB/cm) et les dimensions des guides sont de

l’ordre de la dizaine de microns. Le faible écart d’indice de réfraction limite les rayons de

courbures à des valeurs de l’ordre de quelques centimètres [Hibino03] ce qui limite ces

technologies à de grands circuits où sont hybridés les composants actifs.

2.4.2. Filière nitrure de silicium

De manière à augmenter la compacité des circuits, de nombreuses filières

technologiques font usage du nitrure de silicium, dans le domaine du visible (850nm), puis

dans l’infra rouge (1,3 et 1,55µm). Les alliages sont alors du type SiON. L’indice de


31

réfraction de l’alliage est alors variable selon la concentration entre 1,45 (SiO2 ) et 1,98

(Si3N4) à 633nm.

Ainsi, Ollfrein et Bona ( [Bona03], [Ollfrein04]) utilisent des guides ayant comme

coeur un SiON d’indice de réfraction de 1,5 entouré de silice thermique (n=1,45). Les guides

font 3µm x 1,3µm et montrent des pertes très faibles (<0,1dB/cm). Ce contraste d’indice de

réfraction permet d’autre part d’obtenir des virages sans pertes pour des rayons de courbures

de 800µm. De manière plus compacte, des technologies utilisant du Si3N4 permettent

d’obtenir des guides de dimensions submicroniques (0,6 x 1µm [Phillipp04]) qui présentent

toujours de faibles pertes (<1,3dB/cm). Le fort contraste d’indice de réfraction entre l’oxyde

et le nitrure permet d’autre part de réaliser des courbures à très faibles pertes pour des rayons

de l’ordre de 25µm.

La technologie nitrure ou oxynitrure aujourd’hui d’usage dans les différents

laboratoires utilise des procédés haute température, le matériau étant déposé soit par CVD

(T>=780° [Pandey04]) ou LPCVD (T>=780°C [Modreanu99]), soit par PECVD recuit à une

température supérieure à 1000°C pour densifier les couches et diminuer la proportion

d’hydrogène incorporé. En effet, les harmoniques des vibrations de la liaison N - H entraînent

une absorption située autour de 1,50µm défavorable si l’on travaille à cette longueur d’onde

(voir figure1-11).

Figure1-11 : Concentration en hydrogène et pertes optiques autour de 1,55 µm de guides d’oxynitrure

d’indice de réfraction 1,48 obtenus par PECVD en fonction de la température de recuit, d’après

[Worhoff99].

Très peu d’études ont été menées sur des procédés basse température : seuls Kobrinsky et al.

[Kobrinsky04] ont démontré des pertes de 3dB/cm à 850nm pour des guides de 0,3µm par 0,3

µm réalisés en PECVD (T dépôt =400°C) non recuit.


32

2.4.3. Little optics :

Une société fondée en 2000, a mis au point depuis 2003 un procédé de type dépôt

d’oxyde permettant de réaliser des structures à relativement fort contraste d’indice de

réfraction (jusqu’a 20%) avec de très faibles pertes. Le contraste d’indice de réfraction

maximum est de l’ordre de 0,3. Il permet de réaliser des guides de dimensions microniques et

d’atteindre des courbures sans pertes pour des rayons de 30µm. Le matériau est déposé par

CVD à des températures annoncées comme compatible avec des structures

microélectroniques. La température n’est pas précisée. Le matériau est breveté et dénommé

HydexTM. Sa composition exacte n’est pas communiquée. Il présente l’avantage de ne pas

présenter de pertes intrinsèques importantes à 850nm, 1,3µm ou 1,55µm, ceci sans nécessiter

de recuit (voir figure1-12).

Figure 1-12 : Comparaison des pertes optiques intrinsèques de couches d’oxyniture et de nitrure comparé

au matériau Hydex d'après [Little03] .

En utilisant ces matériaux, des filtres à anneaux résonnants de rayon de courbures de 36µm

ont été rapportés [Little05]. Les pertes des anneaux ne sont pas précisées.

2.4.4. Polymères

Avec l’arrivée des communications optiques dans le domaine des liens moyennes et

courtes distances où la durabilité n’est plus le facteur prépondérant, les technologies d’optique

intégrée basées sur les polymères se sont largement développées. Ces technologies possèdent

de nombreux avantages tels que le faible coût et la très grande versatilité des composés dont

on contrôle facilement la formulation. On peut ainsi jouer facilement sur les propriétés

électro-optiques ou non linéaires des films, ainsi que sur leur indice de réfraction.


33

Les matériaux constitués de chaînes aliphatiques et contenant du fluor ont des faibles indices

de réfraction, ceux qui contiennent beaucoup de doubles liaisons, de chaînes aromatiques

et/ou de chlore ont de forts indices de réfraction [Zhou02]. Aujourd’hui des matériaux qui

présentent des indices de réfraction allant de 1,28 à 1,72 à la longueur d'onde de 1,55µm sont

disponibles, permettant la réalisation de guides optiques submicroniques (0,5µm x 0,5µm)

avec de faibles rayons de courbures (10µm) [Eldada05]. Ces matériaux offrent d’autre part

une très bonne transparence, avec des pertes inférieures à 0,1dB/cm dans toutes les fenêtres

des télécommunications optiques (850nm, 1,3µm, 1,55µm). Les procédés de dépôts par spin

coating ou deep coating utilisés sont peu coûteux, et la réalisation des guides s’effectue par

photopolymérisation ou par gravure ionique selon la nature des polymères [Eldada02].

Cependant, la tenue en température des polymères peut poser problème. Si les

matériaux à l’état de l’art peuvent supporter des températures de 200°C, très peu de matériaux

supportent des températures supérieures à 300°C :

- les matériaux fluorés type perfuorocycbobutane ( N≈1,3),

- le BCB ou benzo cyclobutane (1.48<N<1,55),

- les polyimides ( N ≈1,55) [Ma02].

Le contraste d’indice de réfraction entre le milieu guidant et le milieu de gaine pour des

systèmes évoluant à forte température est ainsi beaucoup plus faible.

Ainsi, si de nombreux éléments d’optique intégrée ont été réalisés en polymère, les

composants aujourd’hui utilisés sont toujours de dimensions microniques (6µm x 7µm au

minimum pour [Choi02]).

2.4.5. Filière SOI :

Un large champ de recherche s’est depuis quelques années développé autour de la

filière SOI (Silicon On Insulator soit silicium sur isolant). Le principe est ici de guider la

lumière infra rouge dans un film de silicium monocristallin isolé du substrat silicium par une

couche d’oxyde. Le très fort contraste d’indice de réfraction entre le silicium ( N≈3,505 à

1,3µm) et l’oxyde de silicium( N≈1,467 à 1,3µm) permet de fortement confiner le champ

électromagnétique, et ainsi d’utiliser des composants très compacts. Les dimensions des

guides d’ondes sont typiquement de 0,3µm x 0,3µm ou 0,2µm x 0,5µm, et des courbures sans

pertes radiatives peuvent être obtenues pour des rayons très faibles de 5µm voir 2 µm.

Par contre, le très fort écart d’indice de réfraction entre le matériau guidant et le matériau de

gaine entraîne une très forte sensibilité aux rugosités d’interfaces, les pertes de propagation

des modes guidés étant proportionnelles à (∆Ν)2 en première approximation[Agarwal99]. Il


34

est très difficile d’obtenir des guides d’ondes de dimension compactes à faibles pertes. Si des

guides d’ondes faiblement confinés de type arête (faiblement gravés) présentent des pertes de

0.4 dB/cm [Lardenois04], les meilleures guides totalement gravés de type ruban présentent

des valeurs de pertes de 2.5 dB/cm pour des guides non recouverts ([Dumon05],[Vlasov04])

et 5dB/cm pour des guides recouverts [Orobtchouk05].

Cette technologie a l’avantage d’utiliser un matériau aujourd’hui bien connu en

microélectronique et peut donc bénéficier de procédés de gravure ou de dépôt standard dans

ce domaine. Cependant, pour ne pas avoir de pertes électromagnétiques importantes dans le

substrat, il est nécessaire de travailler avec des oxydes enterrés d’épaisseur importante

(>700nm) ce qui peut poser des problèmes d’intégration avec des composants de

microélectroniques.

2.4.6. Silicium déposé

Pour pouvoir réaliser des composants optiques présentant le même contraste d’indice

de réfraction élevé, mais susceptibles d’être utilisés sur d’autres types de substrats, l’emploi

de silicium déposé comme couche guidante a été envisagée.

L’équipe de Kimmerling et al. [Liao00] a notamment beaucoup travaillé sur l’utilisation de

silicium polycristallin, déposé par LPCVD ou par PECVD puis recuit pour recristalliser les

couches. Malgré les différents procédés mis en oeuvre pour réduire les pertes optiques, tel que

le polissage mécano-chimique, l'hydrogénation des couches ou des recuits à haute température

(jusqu’à 1100°C pendant 16h), ces dépôts ne permettent pas d’obtenir de faibles niveaux de

pertes optiques. Les meilleurs guides d’ondes réalisés avec du silicium polycristallin

présentent encore de très fortes pertes optiques de 13,5dB/cm à 1,54µm [Agarwal96].

Quelques auteurs ont également travaillé sur l’emploi de silicium amorphe hydrogéné,

déposé par PECVD. Ce matériau ne possède pas de joint de grain et des pertes inférieures

à 0,5 dB/cm ont été obtenues en guide plan ([Cocorullo96], [Harke05]). En l’associant à du a-

SiC :H comme matériau de gaine; Cocorullo et al. ont eux obtenus des pertes de 0,7 dB/cm à

1,3 et 1,55 µm pour des guides multimodes de 15µm de large [Cocorullo98]. Harke et al.

l’ont utilisé dans des guides d’ondes monomodes faiblement gravés de 1,1 µm de large qui

présentent des pertes de 5dB/cm à 1, 3µm et 2dB/cm à 1,55µm [Harke05]. Outres ces faibles

pertes, ce matériau possède l’avantage d’être déposé basse température (<300°C) et d’être

compatible avec les procédés microélectroniques.


35

De nombreuses technologies sont donc aujourd’hui mises en oeuvre dans le

domaine optique, permettant de réaliser, ou d’envisager la réalisation de liens optiques

complets. Cependant, l’intégration de ces liens optiques à des circuits microélectroniques

n’est pas évidente, et nous allons ici détailler les contraintes et les différentes options

envisagées.

2.5. Intégration de composants optique au sein de circuits

La réalisation de liens optique au sein même d’une puce (liens dits « Intrachip »)

nécessite de penser son intégration en terme de compatibilité intime avec les procédés

microélectroniques.

Un circuit intégré est fabriqué par succession d’étapes de dépôt, lithographie et gravure de

matériaux. Comme nous l’avons vu (voir chap 1.1.1), deux zones sont différenciées dans

l’empilement des transistors et des lignes de métallisation :le front end et le back end pour

front end of the line ou back end of the line technology process. Dans la zone front end, les

transistors et le premier niveau de métallisation sont définis. Les procédés sont très variés :

épitaxie, dépôt CVD, recuit, gravure RIE, et nécessitent des températures élevées et des

budgets thermiques importants. Les seules contraintes technologiques sont de ne pas

introduire de dopants du silicium ou d’éléments qui pourraient gêner le fonctionnement des

transistors.

Dans la zone back-end sont définies les interconnexions. Les matériaux déposés sont

des diélectriques et du cuivre pour réaliser les métallisations. Le cuivre ayant une température

de fusion relativement faible, les procédés utilisés dans la zone back-end doivent présenter un

budget thermique limité. Ainsi, s’il est difficile aujourd’hui de définir un budget thermique

exact, les technologies pouvant varier d’un fabricant à l’autre, il parait raisonnable de prendre

une limite de température de 400°C. D’autre part, le cuivre nécessite un recuit d’activation en

fin de procédé autour de 350°C. Les matériaux utilisés doivent donc supporter ces

températures.

A la lumière de ces données, la compatibilité des différents types de sources-detecteurs-guides

peut être examinées (voir Tableau 1.2 à 1.4).


36

Sources et intégration :

Type de source Front end Back end Commentaires

Modulateur C-MOS OUI NON

Modulateur Si-Ge OUI NON

Laser RAMAN NON NON Trop grand

Nanostrucures Si et Si+Er OUI NON efficacité faible

Laser InP NON car pollution P NON sauf report

Microsources InP ( 2D,

3D, etc..)

NON car pollution P NON sauf report

Tableau 1.2 : Sources optiques et technologie microélectronique.

Détecteurs et intégration :

Type de détecteur Front end Back end Commentaires

Silicium OUI NON λ<780nm

Silicium-Germanium OUI NON

Germanium

monocristallin

OUI NON Epitaxie haute

température

Germanium polycristallin OUI OUI Basse température de

dépôt

Détecteurs InGaAs NON NON sauf report

Tableau 1.3 : Détecteurs optiques et technologie microélectronique.

Guides d’ondes et intégration :

Type de guides Front end Back end Commentaires

Silice dopée OUI NON Procédés haute

température mais trop

grandes dimensions

SiON LPCVD ou recuit OUI NON

SiN PECVD NON OUI Peu d’études

Polymères NON OUI ( BCB, poly imides) Matériaux doivent

résister à T=350°C

Little optics OUI OUI (annoncé)

SOI OUI NON sauf report

Si polycristallin OUI NON

Si amorphe OUI OUI Peu d’études

Tableau 1.4 : Guides d’ondes et technologie microélectronique

A la lumière de ces résultats, différentes approches peuvent être envisagées.


37

2.5.1. Approche Front END :

Afin d’ajouter des fonctions optiques, on peut s’orienter vers une stratégie « front-

end », où les guides d’ondes et les éléments optoélectroniques sont réalisés avant ou en même

temps que les transistors. Cette approche permet de travailler avec des technologies très

variées, nécessitant de très fortes températures ou des procédés tel que l’épitaxie. Les

composants optiques sont alors intégrés «à côté» des composants électroniques, dans des

zones spécifiques, modifiant ainsi la conception des composants. Ce type d’approche est

principalement envisagé avec des technologies SOI (voir section 2-2-5), où le faisceau

optique est isolé du substrat par la couche de silice enterrée. Les travaux réalisés aujourd’hui

ont déjà démontré des circuits de distribution d’horloge optique de 1 vers 16 [Lardenois04];

cette distribution utilise des guides en arête et des miroirs totalement gravés pour les

changements de direction. La détection avec du germanium pur paraît ici très prometteuse, et

seules des sources optiques dans ces technologies ne sont pas encore envisageables, ce qui

implique le recours à une source extérieure.

Néanmoins, ce type d’approche nécessite de repenser totalement l’architecture des circuits,

en consacrant une partie de la superficie de la puce à la partie optique ce qui signifie une

perte de surface pour les transistors.

D’autre part, l’épaisseur de silice nécessaire à l’obtention de composants optiques à faibles

pertes est de l’ordre du micron, ce qui paraît peu compatible avec les évolutions envisagées

pour les composants électroniques sur SOI, où la couche d’oxyde tend à diminuer.

2.6. Approche Back End ou « above IC »

Ici, les composants optiques sont réalisés, ou rapportés, au dessus des composants

électroniques. Nous distinguerons alors deux types de réalisation, par plaque optique ou

«réalisation directe».

2.6.1. Plaque optique pour fonctions rapportées :

Le principe est de venir rapporter une plaque contenant les fonctions optiques au

dessus des premiers niveaux d’interconnections. Cette plaque peut contenir tout le système

optique (sources, guides et photodétecteurs) ou une partie seulement.

Ainsi, dans une revue de 1997 sur la distribution optique, Tewksbubry et Hornak

[Tewksbubry97] décrivent plusieurs systèmes utilisant des hologrammes ou des réseaux de

diffraction réalisés dans une plaque rapportée au dessus de la puce. La différence avec


38

l’optique en espace libre réside dans le contact possible avec la puce. En comparaison avec les

techniques monolithiques ou hybrides, l’intégration polylithique implique l’utilisation de

circuits CMOS et d’élément optiques ou optoélectroniques réalisés séparément, pouvant ainsi

bénéficier de technologies totalement indépendantes.

Par exemple, dans le projet MEL-ARIS [Neefs00], source et détecteurs sont rapportés sur la

puce, tandis que des hologrammes sont réalisés dans une plaque en verre rapportée.

En 2003 Mule et al.[Mule03] ont également rapporté des premiers résultats expérimentaux sur

la réalisation de guides rapportés utilisant la différence d’écart d’indice de réfraction entre un

polymère et l’air pour guider la lumière dans des guides microniques de 2µm de large. Ici, la

lumière est injectée par une source extérieure dans une structure guidante, située au niveau

des interconnections, puis couplée à la plaque rapportée ou se situe les photodétecteurs grâce

à des réseaux de diffraction volumiques. Malheureusement, ces techniques supposent un très

grand nombre d’étapes technologiques pour la réalisation du circuit optique.

Du point de vue de la compacité, une approche plus intéressante est certainement d’utiliser les

apports de la photonique SOI, mais en utilisant des techniques de report. Dans cette approche,

un circuit optique peut être fabriqué sur un substrat SOI. Il peut comprendre des guides, des

détecteurs de type SiGe ou Ge, ou bien des éléments en technologie III-V rapportés. L’étape

suivante consiste à coller la plaque optique au dessus des circuits intégrés, puis à retirer leur

substrat de la plaque optique. Si ces approches sont intéressantes, une solution plus simple

serait de réaliser les interconnections optiques directement au dessus des composants intégrés,

avec des procédés compatibles avec la microélectronique.

C’est l’approche envisagée dans le travail de thèse présenté ici.

2.6.2. Interconnexion optiques intra chip en back end :

Très peu de travaux ont aujourd’hui été rapportés dans ce contexte. En effet, si des

systèmes d’interconnexions optiques intégrés au dessus de circuits électroniques ont déjà été

démontrés, il s’agit pour l’instant de communications interchip réalisées en polymère. Ces

liaisons sont utilisées pour des bus de données et utilisent des lasers de Type III-V (GaAs) et

des guides d’ondes faiblement confinés (6µm x 7µm pour [Choi02], 200µm x 250µm pour

[Mederer02]).


39

3. Description du sujet : Le but de ce travail de thèse est de mettre au point des matériaux et des composants

basiques permettant la réalisation de liens optiques au sein d’un microcircuit au dessus de

composants microélectroniques.

Figure1-13 : Schéma de principe d’une intégration de composants optiques au dessus de composants

électroniques, d’après [OConnor05].

Notre approche se situe donc dans une problématique d’intégration « back end », où les

circuits optiques sont réalisés au-dessus des interconnections métalliques. Comme nous

l’avons vu précédemment, ces composants peuvent être combinés à des détecteurs de type

polygermanium déposés à basse température, ou bien à des détecteurs III-V rapportés au

dessus des circuits. Au niveau des sources, les éléments III-V semblent être la solution la plus

intéressante et la plus mature technologiquement. Notre schéma d’intégration est détaillé dans

la figure 1-14.

Figure1-14 : Schéma d’intégration de guides optiques dans une approche back end. Le report de

composants III-V est ici également représenté.


40

Notre recherche se concentre sur la partie passive de la réalisation de liens optiques.

L’objectif est ici de réaliser des éléments basiques nécessaires à la distribution d’un signal

optique, à savoir :

- Guides d’ondes,

- Coupleur de lumière dans des guides,

- Changements de direction compacts,

- Diviseurs de faisceaux.

Le but du travail développé ici est de proposer une plateforme technologique présentant de

faibles pertes optiques, une intégration facile dans un schéma microélectronique, et une

compacité permettant la réalisation de distribution optique ou de liens intra puce.

3.1.1. Choix de la longueur d’onde :

Dans le cadre d’une intégration « intime » entre composants optiques et transistors, la

lumière infra-rouge est préférable. Le silicium étant ainsi transparent à ces longueurs d’ondes,

le fonctionnement des transistors ne pourra pas être altéré par une éventuelle « fuite » de

lumière dans les circuits. Dans ce travail, les longueurs d’onde envisagées sont de 1,3 ou

1,55µm.

3.1.2. Choix des matériaux :

Les contraintes technologiques sont celles du back end (voir ci dessus), et le besoin de

compacité se traduit par la recherche de couples de matériaux guidants présentant un fort

contraste d’indice de réfraction. Dans cette étude, la recherche de dimensions micrométriques

nécessite de travailler avec des systèmes présentant un écart d’indice de réfraction important,

de l’ordre de 0,5. Comme nous l’avons vu précédemment, peu de matériaux développés pour

l’optique présentent des caractéristiques intéressantes avec des dépôts à basse température. Si

certains polymères pourraient convenir, leur tenue en température-dans le cas de couples de

matériaux à fort écart d’indice de réfraction- n’est pas satisfaisante. D’un autre coté, le dépôt

de matériaux cristallins est impossible à ces températures.

Les matériaux déposés par PECVD présentent eux des caractéristiques intéressantes pour ces

applications :

- faible température de dépôt,

- large uniformité de dépôt,

- bonnes propriétés mécaniques des films,

- bonne tenue thermique,


41

- compatibilité avec les procédés microélectroniques [Martinu00].

Notre travail de thèse s’est ainsi orienté vers l’utilisation de matériaux déposés par PECVD.

La silice a été utilisée comme matériau de gaine des composants, quant trois matériaux

différents ont été utilisés comme matériaux de cœur :

- Le premier est le carbone amorphe hydrogéné, polymère plasma déposé à partir de

précurseurs organiques. Le carbone amorphe est un matériau aujourd’hui largement étudié et

aux propriétés intéressantes dans de nombreux domaines (mécanique, etc…). Il présente en

outre la particularité d’être transparent dans l’infra rouge et d’avoir un indice de réfraction

variable selon les conditions de dépôt entre 1,6 et 2,2. Si son utilisation comme guide optique

n’a jamais été reporté, ses propriétés optiques ont déjà été étudiées, notamment en vue de son

application comme couche anti réflective où comme couche de protection transparente

([Joo99], [Baydogan04]) D’autre part, ce matériau se grave facilement avec des plasmas

oxygénés, rendant son intégration à des procédés microélectronique intéressante [Grill99].

-Le deuxième est le nitrure de silicium déposé par PECVD à basse température. Le

nitrure de silicium est un matériau bien connu dans le domaine de la microélectronique, où il a

servi à de nombreuses applications (barrière, etc…). Son indice de réfraction est de 1,98 à

633nm dans sa forme stoechiométrique et peut varier légèrement autour de cette valeur selon

les conditions de dépôt. Comme nous l’avons vu précédemment, ce matériau a déjà été

longuement étudié dans sa forme mono ou polycristalline pour des applications optiques,

notamment des guides d’onde. Il présente alors une très bonne transparence et de nombreux

systèmes montrant de très faibles pertes intrinsèques ont été démontrés. Néanmoins, le nitrure

de silicium amorphe déposé par plasma n’a été que très peu étudié pour des applications de

guides optiques, seulement par [Kobrinsky04], alors qu’il présente des propriétés

d’intégration (faible température de dépôt) et optique (N proche de 2, large gamme de

transparence) intéressantes. De plus le dépôt de ce type de matériaux et maîtrisé depuis

longtemps dans le laboratoire où a été réalisé ce travail.

-Enfin, le dernier matériau développé dans ce travail est le silicium amorphe

hydrogéné. Bien que très peu d’études de ses propriétés optiques aient été rapportées

([Cocorullo98], [Cocorullo96],[Harke05]) il possède également des propriétés optiques très

intéressantes (faibles pertes intrinsèques dans l’Infra rouge, N≈3,5), ceci avec toujours une

température de dépôt compatible avec une intégration Back-end.


42

Bibliographie du chapitre 1 [Agarwal96] :

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Documents

Chapitre 1 : Interconnexions optiques, une alternative aux