FR3148651A1 - OPTOELECTRONIC DEVICE FOR DEFORMATION ON DEMAND OF A SEMICONDUCTOR CRYSTALLINE PORTION OPTICALLY COUPLED TO A WAVEGUIDE - Google Patents
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Abstract
L’invention porte sur un dispositif optoélectronique (1) de déformation à la demande d’une portion cristalline semiconductrice (10), comportant : une structure de déformation (20), comportant : une couche mince structurée (23) ayant deux bras (23.1) suspendus au-dessus d’une cavité ; la portion cristalline semiconductrice (10), reposant sur les deux bras (23.1) ;un guide d’onde (2), couplé optiquement à la portion cristalline semiconductrice (10) ;un dispositif électrique de déformation, adapté à déformer la portion cristalline semiconductrice (10), comportant : une source électrique, adaptée à générer un signal électrique de commande ; et un circuit électrique (31, 32, 33, 34 ; 35, 36), adapté à générer dans les bras (23.1), en réponse au signal électrique de commande, un champ électrique ou un champ de température, induisant une déformation des bras (23.1) et donc de la portion cristalline semiconductrice (10). Figure pour l’abrégé : Fig. 1C The invention relates to an optoelectronic device (1) for on-demand deformation of a semiconductor crystalline portion (10), comprising: a deformation structure (20), comprising: a structured thin layer (23) having two arms (23.1) suspended above a cavity; the semiconductor crystalline portion (10), resting on the two arms (23.1); a waveguide (2), optically coupled to the semiconductor crystalline portion (10); an electrical deformation device, adapted to deform the semiconductor crystalline portion (10), comprising: an electrical source, adapted to generate an electrical control signal; and an electrical circuit (31, 32, 33, 34; 35, 36), adapted to generate in the arms (23.1), in response to the electrical control signal, an electric field or a temperature field, inducing a deformation of the arms (23.1) and therefore of the semiconductor crystalline portion (10). Figure for the abstract: Fig. 1C
Description
Le domaine de l’invention est celui des dispositifs optoélectroniques, tels que les diodes émissives, les photodiodes et les modulateurs optiques, comportant une portion cristalline semiconductrice pouvant être mise en contrainte à la demande, de manière contrôlée et réversible, par des bras suspendus. L’invention trouve une application dans les circuits photoniques intégrés, en particulier dans le cadre de la technologie dite photonique sur silicium.The field of the invention is that of optoelectronic devices, such as emitting diodes, photodiodes and optical modulators, comprising a semiconductor crystalline portion that can be stressed on demand, in a controlled and reversible manner, by suspended arms. The invention finds an application in integrated photonic circuits, in particular in the context of so-called silicon photonic technology.
Dans diverses applications optoélectroniques, il peut être avantageux d’utiliser une portion cristalline semiconductrice présentant une contrainte mécanique souhaitée, par exemple en tension. C’est le cas notamment de certaines sources de lumière dont la zone active (amplification optique ou jonction semiconductrice) présente, hors contraintes mécaniques, une structure de bandes d’énergie indirecte, celle-ci étant alors rendue directe par l’application d’une contrainte mécanique en tension suffisante. La portion cristalline semiconductrice peut être un matériau cristallin à base de germanium, comme par exemple du germanium étain Ge1-xSnx.In various optoelectronic applications, it may be advantageous to use a semiconductor crystalline portion having a desired mechanical stress, for example in tension. This is the case in particular for certain light sources whose active zone (optical amplification or semiconductor junction) has, outside of mechanical stresses, an indirect energy band structure, this being then made direct by the application of a sufficient mechanical stress in tension. The semiconductor crystalline portion may be a crystalline material based on germanium, such as for example germanium tin Ge 1-x Sn x .
A ce titre, le document EP3745473A1 décrit un dispositif optoélectronique, par exemple une diode laser, comportant une portion cristalline semiconductrice, couplée optiquement à un guide d’onde, et mise en contrainte par une structure de déformation suivant un axe principal. La structure de déformation est formée d’un substrat support, d’une couche mince intercalaire, et d’une couche mince semiconductrice. La couche mince intercalaire est gravée localement pour former une cavité, et la couche mince semiconductrice est structurée pour former deux bras suspendus au-dessus de la cavité et reliés entre eux par une partie centrale. Celle-ci est une zone optiquement active, et forme ici le milieu à gain de la diode laser. Elle est située dans une cavité optique délimitée par deux miroirs de Bragg réalisés dans la couche mince structurée.In this respect, document EP3745473A1 describes an optoelectronic device, for example a laser diode, comprising a semiconductor crystalline portion, optically coupled to a waveguide, and stressed by a deformation structure along a main axis. The deformation structure is formed of a support substrate, a thin interlayer, and a thin semiconductor layer. The thin interlayer is etched locally to form a cavity, and the thin semiconductor layer is structured to form two arms suspended above the cavity and connected to each other by a central part. The latter is an optically active zone, and here forms the gain medium of the laser diode. It is located in an optical cavity delimited by two Bragg mirrors made in the structured thin layer.
Dans cet exemple, la partie centrale est mise en tension par les bras tenseurs suivant l’axe longitudinal de ces derniers. Comme l’explique notamment l’article de Süess et al. intituléAnalysis of enhanced light emission from highly strained germanium microbridges, Nature Photon.7, 466-472 (2013), du fait de la forme des bras dans le plan principal (parallèle au substrat support), la suspension des bras tenseurs au-dessus du substrat support conduit à une augmentation de la tension résiduelle de la partie centrale de la couche mince structurée. Ainsi, lorsque celle-ci est réalisée à base de germanium, la partie centrale peut alors présenter une tension mécanique suffisante suivant l’axe principal pour rendre directe sa structure de bandes.In this example, the central part is tensioned by the tension arms along their longitudinal axis. As explained in particular in the article by Süess et al. entitled Analysis of enhanced light emission from highly strained germanium microbridges , Nature Photon. 7 , 466-472 (2013), due to the shape of the arms in the principal plane (parallel to the support substrate), the suspension of the tension arms above the support substrate leads to an increase in the residual tension of the central part of the structured thin layer. Thus, when it is made from germanium, the central part can then have sufficient mechanical tension along the principal axis to make its band structure direct.
Ainsi, la valeur finale de la tension mécanique subie par la partie centrale reste constante et ne peut être ensuite ajustée. Elle dépend essentiellement des dimensions des bras tenseurs et en particulier du rapport d’aspect ‘longueur sur largeur’ de ces derniers. Il n’est donc pas possible de contrôler à la demande la valeur des contraintes mécaniques subies par la partie centrale, ce qui permettrait d’optimiser les performances du dispositif optoélectronique, que ce soit en cours de fonctionnement du dispositif, ou que ce soit pour tenir compte du type du dispositif optoélectronique (diode émissive, photodiode…).Thus, the final value of the mechanical tension undergone by the central part remains constant and cannot be subsequently adjusted. It essentially depends on the dimensions of the tensioning arms and in particular on the aspect ratio ‘length to width’ of the latter. It is therefore not possible to control on demand the value of the mechanical stresses undergone by the central part, which would make it possible to optimize the performance of the optoelectronic device, whether during operation of the device, or to take into account the type of optoelectronic device (emissive diode, photodiode, etc.).
L’invention a pour objectif de remédier au moins en partie aux inconvénients de l’art antérieur, et plus particulièrement de proposer un dispositif optoélectronique adapté à déformer, à la demande, de manière contrôlée et réversible, une portion cristalline semiconductrice couplée optiquement à un guide d’onde.The invention aims to remedy at least in part the drawbacks of the prior art, and more particularly to propose an optoelectronic device suitable for deforming, on demand, in a controlled and reversible manner, a semiconductor crystalline portion optically coupled to a waveguide.
Pour cela, l’objet de l’invention est un dispositif optoélectronique :
- une structure de déformation d’une portion cristalline semiconductrice, comportant un empilement de : un substrat support ; puis une couche mince intercalaire délimitant une cavité dans un plan parallèle à celui du substrat support ; puis une couche mince structurée, reposant sur la couche mince intercalaire, comportant au moins deux bras suspendus au-dessus de la cavité, s’étendant longitudinalement suivant un même axe principal ;
- la portion cristalline semiconductrice, reposant sur les deux bras, et s’étendant longitudinalement suivant l’axe principal ;
- un guide d’onde, couplé optiquement à la portion cristalline semiconductrice.
- a structure for deforming a semiconductor crystalline portion, comprising a stack of: a support substrate; then a thin intercalary layer delimiting a cavity in a plane parallel to that of the support substrate; then a structured thin layer, resting on the thin intercalary layer, comprising at least two arms suspended above the cavity, extending longitudinally along the same main axis;
- the semiconductor crystalline portion, resting on the two arms, and extending longitudinally along the main axis;
- a waveguide, optically coupled to the semiconductor crystalline portion.
Selon l’invention, le dispositif optoélectronique comporte un dispositif électrique de déformation, adapté à déformer à la demande la portion cristalline semiconductrice suivant l’axe principal, comportant : une source électrique, adaptée à générer un signal électrique de commande ; et un circuit électrique, connecté à la source électrique, et adapté à générer dans les bras, en réponse au signal électrique de commande, un champ électrique ou un champ de température, induisant une déformation, suivant l’axe principal, des bras et donc de la portion cristalline semiconductrice.According to the invention, the optoelectronic device comprises an electrical deformation device, adapted to deform the semiconductor crystalline portion on demand along the main axis, comprising: an electrical source, adapted to generate an electrical control signal; and an electrical circuit, connected to the electrical source, and adapted to generate in the arms, in response to the electrical control signal, an electrical field or a temperature field, inducing a deformation, along the main axis, of the arms and therefore of the semiconductor crystalline portion.
Certains aspects préférés mais non limitatifs de ce dispositif optoélectronique sont les suivants.Some preferred but non-limiting aspects of this optoelectronic device are as follows.
La portion cristalline semiconductrice peut présenter une partie centrale située entre deux parties d’extrémité qui reposent sur les bras, la partie centrale présentant une largeur moyenne inférieure à celle des parties d’extrémité.The semiconductor crystalline portion may have a central portion located between two end portions which rest on the arms, the central portion having an average width less than that of the end portions.
La portion cristalline semiconductrice peut présenter une partie centrale située entre deux parties d’extrémité qui reposent sur les bras, la partie centrale présentant une largeur moyenne inférieure à celle des bras.The semiconductor crystalline portion may have a central portion located between two end portions which rest on the arms, the central portion having an average width less than that of the arms.
Le substrat support peut être réalisé à base de silicium, et la portion cristalline semiconductrice peut être réalisée à base de germanium.The support substrate can be made from silicon, and the semiconductor crystalline portion can be made from germanium.
La couche mince structurée peut être réalisée en un matériau piézoélectrique. Le circuit électrique peut alors comporter deux électrodes inférieure et supérieure, en forme de couches minces, situées de part et d’autre des bras suivant un axe d’épaisseur de la couche mince structurée, et connectées à la source électrique pour générer, en réponse au signal électrique de commande, un champ électrique dans les bras induisant une déformation de ces derniers par effet piézoélectrique inverse.The structured thin layer can be made of a piezoelectric material. The electrical circuit can then comprise two lower and upper electrodes, in the form of thin layers, located on either side of the arms along an axis of thickness of the structured thin layer, and connected to the electrical source to generate, in response to the electrical control signal, an electric field in the arms inducing a deformation of the latter by inverse piezoelectric effect.
Le dispositif optoélectronique peut comporter une couche mince de protection réalisée en un matériau inerte à un acide fluorhydrique, recouvrant une surface libre des bras.The optoelectronic device may comprise a thin protective layer made of a material inert to hydrofluoric acid, covering a free surface of the arms.
Le dispositif optoélectronique peut comporter deux couches minces de collage, réalisées à base d’un matériau métallique, en contact l’une de l’autre, et situées entre la portion cristalline semiconductrice et les bras.The optoelectronic device may comprise two thin bonding layers, made from a metallic material, in contact with each other, and located between the semiconductor crystalline portion and the arms.
Le circuit électrique peut comporter des pistes métalliques, reposant sur et au contact thermique des bras, et connectées à la source électrique pour générer, en réponse au signal électrique de commande, un champ de température dans les bras induisant une déformation de ces derniers par dilatation thermique.The electrical circuit may comprise metal tracks, resting on and in thermal contact with the arms, and connected to the electrical source to generate, in response to the electrical control signal, a temperature field in the arms inducing a deformation of the latter by thermal expansion.
Le guide d’onde peut reposer sur les bras, et être réalisé en le même matériau que celui de la portion cristalline semiconductrice et être en continuité physique avec celle-ci. En variante, le guide d’onde peut être intégré dans le substrat support.The waveguide may rest on the arms, and be made of the same material as that of the semiconductor crystalline portion and be in physical continuity with it. Alternatively, the waveguide may be integrated into the support substrate.
L’invention porte également sur un procédé de fabrication d’un dispositif optoélectronique selon l’une quelconque des caractéristiques précédentes, comportant les étapes suivantes :
- réalisation d’un premier empilement comportant la couche mince structurée recouverte par une première couche mince de collage ;
- réalisation d’un deuxième empilement comportant une couche mince cristalline semiconductrice destinée à former la portion cristalline semiconductrice et recouverte par une deuxième couche mince de collage ;
- report et collage du deuxième empilement sur le premier empilement, par mise en contact des première et deuxième couches minces de collage.
- production of a first stack comprising the structured thin layer covered by a first thin bonding layer;
- production of a second stack comprising a thin crystalline semiconductor layer intended to form the crystalline semiconductor portion and covered by a second thin bonding layer;
- transfer and bonding of the second stack onto the first stack, by bringing the first and second thin bonding layers into contact.
Le procédé peut comporter les étapes suivantes :
- préalablement à l’étape de report, structuration d’une couche mince de déformation du premier empilement pour former la couche mince structurée et les bras ;
- dépôt d’une couche mince de protection, réalisée en un matériau inerte à un agent de gravure utilisé lors d’une étape ultérieure de suspension des bras, de manière à recouvrir une surface libre des bras.
- prior to the transfer step, structuring a thin deformation layer of the first stack to form the structured thin layer and the arms;
- depositing a thin protective layer, made of a material inert to an etching agent used during a subsequent step of suspending the arms, so as to cover a free surface of the arms.
Le procédé peut comporter l’étape suivante : réalisation d’un empilement formé du substrat support, puis de la couche mince intercalaire, puis d’une couche mince de déformation destinée à former la couche mince structurée, puis d’une couche mince semiconductrice destinée à former la portion cristalline semiconductrice, la couche mince semiconductrice étant réalisée par épitaxie à partir de la couche mince de déformation.The method may include the following step: production of a stack formed from the support substrate, then the intercalary thin layer, then a thin deformation layer intended to form the structured thin layer, then a thin semiconductor layer intended to form the semiconductor crystalline portion, the semiconductor thin layer being produced by epitaxy from the thin deformation layer.
Le procédé peut comporter les étapes suivantes :
- réalisation d’un empilement formé du substrat support, puis de la couche mince intercalaire, puis de la couche mince structurée, puis de la portion cristalline semiconductrice ;
- gravure chimique d’une partie de la couche mince intercalaire située sous les bras, de manière à réaliser une cavité au-dessus de laquelle les bras sont suspendus.
- production of a stack formed from the support substrate, then the thin intercalary layer, then the structured thin layer, then the semiconductor crystalline portion;
- chemical etching of a part of the thin interlayer located under the arms, so as to create a cavity above which the arms are suspended.
D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
Other aspects, aims, advantages and characteristics of the invention will appear better on reading the following detailed description of preferred embodiments thereof, given by way of non-limiting example, and made with reference to the appended drawings in which:
les figures 1A, 1B et 1C sont des vues schématiques et partielles, respectivement en coupe longitudinale, en vue de dessus et en perspective, d’un dispositif optoélectronique selon un premier mode de réalisation où l’actionneur électromécanique est de type piézoélectrique ;
Figures 1A, 1B and 1C are schematic and partial views, respectively in longitudinal section, in top view and in perspective, of an optoelectronic device according to a first embodiment where the electromechanical actuator is of the piezoelectric type;
les figures 2A, 2B et 2C sont des vues schématiques et partielles, respectivement en coupe longitudinale, en vue de dessus et en perspective, d’un dispositif optoélectronique selon un deuxième mode de réalisation où l’actionneur électromécanique est de type thermique ;
Figures 2A, 2B and 2C are schematic and partial views, respectively in longitudinal section, in top view and in perspective, of an optoelectronic device according to a second embodiment where the electromechanical actuator is of the thermal type;
les figures 3A à 3G illustrent des différentes étapes d’un procédé de fabrication d’un dispositif optoélectronique similaire à celui illustré sur les
Figures 3A to 3G illustrate different steps of a method of manufacturing an optoelectronic device similar to that illustrated in
les figures 4A à 4F illustrent des différentes étapes d’un procédé de fabrication d’un dispositif optoélectronique similaire à celui illustré sur les
Figures 4A to 4F illustrate different steps of a method of manufacturing an optoelectronic device similar to that illustrated in
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERSDETAILED DESCRIPTION OF SPECIFIC EMBODIMENTS
Sur les figures et dans la suite de la description, les mêmes références représentent les éléments identiques ou similaires. De plus, les différents éléments ne sont pas représentés à l’échelle de manière à privilégier la clarté des figures. Par ailleurs, les différents modes de réalisation et variantes ne sont pas exclusifs les uns des autres et peuvent être combinés entre eux. Sauf indication contraire, les termes « sensiblement », « environ », « de l’ordre de » signifient à 10% près, et de préférence à 5% près. Par ailleurs, les termes « compris entre … et … » et équivalents signifient que les bornes sont incluses, sauf mention contraire.In the figures and in the remainder of the description, the same references represent identical or similar elements. Furthermore, the different elements are not shown to scale so as to enhance the clarity of the figures. Furthermore, the different embodiments and variants are not mutually exclusive and may be combined with each other. Unless otherwise indicated, the terms “substantially”, “approximately”, “of the order of” mean to within 10%, and preferably to within 5%. Furthermore, the terms “between … and …” and equivalents mean that the limits are included, unless otherwise indicated.
L’invention porte sur un dispositif optoélectronique adapté à déformer à la demande, de manière contrôlée et réversible, une portion cristalline semiconductrice, celle-ci étant couplée optiquement à un guide d’onde pour recevoir ou lui transmettre un mode optique. Un tel dispositif optoélectronique peut être une source lumineuse (diode laser ou diode électroluminescente), un photodétecteur, voire un modulateur optique. En fonction des applications, le guide d’onde peut appartenir ou être couplé à un circuit photonique intégré, ou peut être couplé à une fibre optique externe.The invention relates to an optoelectronic device adapted to deform on demand, in a controlled and reversible manner, a semiconductor crystalline portion, the latter being optically coupled to a waveguide to receive or transmit an optical mode thereto. Such an optoelectronic device can be a light source (laser diode or light-emitting diode), a photodetector, or even an optical modulator. Depending on the applications, the waveguide can belong to or be coupled to an integrated photonic circuit, or can be coupled to an external optical fiber.
D’une manière générale, le dispositif optoélectronique comporte un dispositif électrique de déformation adapté à déformer, de manière contrôlée et réversible, des bras suspendus d’une structure de déformation sur lesquels repose la portion cristalline semiconductrice. Le dispositif électrique de déformation et la structure de déformation forment ensemble un actionneur électromécanique.In general, the optoelectronic device comprises an electrical deformation device adapted to deform, in a controlled and reversible manner, suspended arms of a deformation structure on which the semiconductor crystalline portion rests. The electrical deformation device and the deformation structure together form an electromechanical actuator.
La structure de déformation comporte une couche mince structurée ayant deux bras suspendus au-dessus d’un substrat support, qui s’étendent longitudinalement suivant un axe principal. La portion cristalline semiconductrice repose sur les deux bras de sorte que la déformation des bras suivant l’axe principal entraîne celle de la portion cristalline semiconductrice suivant le même axe.The deformation structure comprises a structured thin layer having two arms suspended above a support substrate, which extend longitudinally along a principal axis. The semiconductor crystalline portion rests on the two arms such that deformation of the arms along the principal axis causes deformation of the semiconductor crystalline portion along the same axis.
Le dispositif électrique de déformation comporte : une source électrique adaptée à générer un signal électrique de commande ; et un circuit électrique, connecté à la source électrique, et adapté à générer, en réponse au signal électrique de commande, un champ électrique ou un champ de température dans les bras, lequel provoque la déformation des bras suivant l’axe principal, et donc de la portion cristalline semiconductrice suivant le même axe.The electrical deformation device comprises: an electrical source adapted to generate an electrical control signal; and an electrical circuit, connected to the electrical source, and adapted to generate, in response to the electrical control signal, an electric field or a temperature field in the arms, which causes the deformation of the arms along the main axis, and therefore of the semiconductor crystalline portion along the same axis.
La portion cristalline semiconductrice passe alors, de manière contrôlée et réversible, d’un premier état au repos de contraintes mécaniques, en l’absence du signal électrique de commande, où elle peut être relaxée ou peut présenter des contraintes résiduelles, à un deuxième état de contraintes mécaniques différent du premier état.The semiconductor crystalline portion then passes, in a controlled and reversible manner, from a first state at rest of mechanical constraints, in the absence of the electrical control signal, where it can be relaxed or can present residual constraints, to a second state of mechanical constraints different from the first state.
Par portion contrainte, on entend que la portion cristalline semiconductrice subit des contraintes mécaniques en tension ou en compression, entraînant une déformation des mailles de son réseau cristallin. Ainsi, la portion est contrainte en tension lorsqu’elle subit une contrainte mécanique qui tend à étirer les mailles du réseau suivant une direction donnée. Dans le cadre de l’invention, la portion cristalline semiconductrice est destinée à être plus ou moins contrainte en tension ou en compression, et de préférence en tension, suivant l’axe principal qui correspond à l’axe longitudinal des bras.By constrained portion, it is meant that the semiconductor crystalline portion undergoes mechanical stresses in tension or compression, leading to a deformation of the meshes of its crystalline network. Thus, the portion is constrained in tension when it undergoes a mechanical stress which tends to stretch the meshes of the network in a given direction. In the context of the invention, the semiconductor crystalline portion is intended to be more or less constrained in tension or compression, and preferably in tension, along the main axis which corresponds to the longitudinal axis of the arms.
Le matériau de la portion cristalline semiconductrice, lorsqu’il est soumis à des contraintes mécaniques générées par l’actionneur électromécanique, présente donc des propriétés optiques et/ou électriques modifiées, par exemple en termes d’indice de réfraction à une longueur d’onde donnée et d’énergie de bande interdite. En particulier, dans le cas d’une portion cristalline semiconductrice réalisée à base de germanium subissant une tension mécanique, le matériau peut présenter une énergie de bande interdite diminuée, notamment celle associée à la vallée Γ (ou vallée directe). L’énergie de bande interdite peut être estimée en fonction de la déformation en tension, comme le décrit dans le cas d’une couche en germanium la publication de Guilloy et al. intituléeGermanium under high tensile stress: Nonlinear dependence of direct band gap vs strain, ACS Photonics 2016, 3, 1907-1911. La contrainte mécanique en tension subie par la portion cristalline semiconductrice peut être suffisante pour que la structure de bandes d’énergie devienne directe.The material of the semiconductor crystalline portion, when subjected to mechanical stresses generated by the electromechanical actuator, therefore exhibits modified optical and/or electrical properties, for example in terms of refractive index at a given wavelength and band gap energy. In particular, in the case of a semiconductor crystalline portion made from germanium undergoing mechanical tension, the material may exhibit a reduced band gap energy, in particular that associated with the Γ valley (or direct valley). The band gap energy can be estimated as a function of the tensile strain, as described in the case of a germanium layer in the publication by Guilloy et al. entitled Germanium under high tensile stress: Nonlinear dependence of direct band gap vs strain , ACS Photonics 2016, 3, 1907-1911. The mechanical tensile stress undergone by the semiconductor crystalline portion may be sufficient for the energy band structure to become direct.
Par structure de bandes directe ou sensiblement directe, on entend que le minimum d’énergie EBC,Lde la bande de conduction de la vallée L (ou vallée indirecte) est supérieur ou sensiblement égal au minimum d’énergie EBC,Γ de la bande de conduction de la vallée Γ (ou vallée directe), autrement dit : ΔE = EBC,L- EBC,Γ0. La portion cristalline semiconductrice peut être réalisée à base de germanium dont la structure de bandes d’énergie est indirecte à l’état relaxé, autrement dit ΔE < 0, et devient directe lorsqu’elle subit une déformation en tension suffisante.By direct or substantially direct band structure, we mean that the energy minimum E BC,L of the conduction band of the valley L (or indirect valley) is greater than or substantially equal to the energy minimum E BC, Γ of the conduction band of the valley Γ (or direct valley), in other words: ΔE = E BC,L - E BC, Γ 0. The semiconductor crystalline portion can be made from germanium, the energy band structure of which is indirect in the relaxed state, in other words ΔE < 0, and becomes direct when it undergoes sufficient tensile deformation.
Notons toutefois que la portion cristalline semiconductrice peut être réalisée en un matériau dont la structure de bandes n’est pas nécessairement rendue directe par la déformation générée par l’actionneur électromécanique. Ainsi, dans le cas d’un photodétecteur, la portion cristalline semiconductrice peut être réalisée en germanium dont la valeur de la bande d’énergie interdite varie en fonction de la déformation générée (peu importe que sa structure de bandes soit directe ou indirecte). Par ailleurs, dans le cas d’une source lumineux, la portion cristalline semiconductrice peut être réalisée en Ge1-xSnxavec x au moins égal à 6% pour que sa structure de bandes soit naturellement directe.Note, however, that the semiconductor crystalline portion can be made of a material whose band structure is not necessarily made direct by the deformation generated by the electromechanical actuator. Thus, in the case of a photodetector, the semiconductor crystalline portion can be made of germanium whose value of the forbidden energy band varies according to the deformation generated (regardless of whether its band structure is direct or indirect). Furthermore, in the case of a light source, the semiconductor crystalline portion can be made of Ge 1-x Sn x with x at least equal to 6% so that its band structure is naturally direct.
Comme détaillé par la suite, dans un premier mode de réalisation illustré sur les
Les figures 1A et 1B sont des vues schématiques et partielle, en coupe transversale et en vue de dessus (
Dans cet exemple, le dispositif optoélectronique 1 est adapté à émettre un rayonnement lumineux monochromatique cohérent (diode laser). Il comporte une cavité optique orientée suivant l’axe principal et délimitée par deux réflecteurs optiques 3, dans laquelle se trouve le milieu à gain formé par une partie centrale 11 de la portion cristalline semiconductrice 10. Cependant, le dispositif optoélectronique 1 peut être une diode électroluminescente, une photodiode, voire un modulateur optique.In this example, the optoelectronic device 1 is adapted to emit coherent monochromatic light radiation (laser diode). It comprises an optical cavity oriented along the main axis and delimited by two optical reflectors 3, in which is located the gain medium formed by a central part 11 of the semiconductor crystalline portion 10. However, the optoelectronic device 1 can be a light-emitting diode, a photodiode, or even an optical modulator.
On définit ici et pour la suite de la description un repère direct tridimensionnel XYZ, où le plan XY (plan principal) est parallèle au plan du substrat support 21, où l’axe X est orienté suivant l’axe longitudinal des bras 23.1 et de la portion cristalline semiconductrice 10 (axe principal), et où la direction +Z est orientée du substrat support 21 en direction de la portion cristalline semiconductrice 10. Par ailleurs, les termes « inférieur » et « supérieur » s’entendent comme étant relatifs à un positionnement croissant lorsqu’on s’éloigne du substrat support 21 suivant la direction +Z.Here and for the remainder of the description, a three-dimensional direct reference XYZ is defined, where the XY plane (main plane) is parallel to the plane of the support substrate 21, where the X axis is oriented along the longitudinal axis of the arms 23.1 and of the semiconductor crystalline portion 10 (main axis), and where the +Z direction is oriented from the support substrate 21 towards the semiconductor crystalline portion 10. Furthermore, the terms “lower” and “upper” are understood as relating to an increasing positioning as one moves away from the support substrate 21 along the +Z direction.
D’une manière générale, le dispositif optoélectronique 1 comporte : la portion cristalline semiconductrice 10 ; un guide d’onde 2 couplé optiquement à celle-ci ; et un actionneur électromécanique adapté à générer une déformation suivant l’axe principal, à la demande (de manière contrôlée et réversible) des bras 23.1, et donc de la portion cristalline semiconductrice 10, ici par effet piézoélectrique inverse.In general, the optoelectronic device 1 comprises: the semiconductor crystalline portion 10; a waveguide 2 optically coupled thereto; and an electromechanical actuator adapted to generate a deformation along the main axis, at the request (in a controlled and reversible manner) of the arms 23.1, and therefore of the semiconductor crystalline portion 10, here by inverse piezoelectric effect.
L’actionneur électromécanique est formé : d’une structure de déformation 20 qui comporte des bras 23.1 de déformation sur lesquels repose la portion cristalline semiconductrice 10 ; et d’un dispositif électrique de déformation adapté à générer dans les bras 23.1, en réponse à un signal électrique de commande, un champ électrique induisant par effet piézoélectrique inverse une déformation mécanique de ces derniers, et donc une déformation de la portion cristalline semiconductrice 10 suivant l’axe principal.The electromechanical actuator is formed: of a deformation structure 20 which comprises deformation arms 23.1 on which the semiconductor crystalline portion 10 rests; and of an electrical deformation device adapted to generate in the arms 23.1, in response to an electrical control signal, an electric field inducing by reverse piezoelectric effect a mechanical deformation of the latter, and therefore a deformation of the semiconductor crystalline portion 10 along the main axis.
La structure de déformation 20 est formée d’un empilement du substrat support 21, d’une couche mince intercalaire 22, et d’une couche mince structurée 23 réalisée en un matériau piézoélectrique, laquelle comporte deux bras 23.1 qui s’étendent longitudinalement suivant un même axe principal. La portion cristalline semiconductrice 10 repose sur ces deux bras 23.1 de sorte que la déformation des bras 23.1 (ici par effet piézoélectrique inverse) induit la déformation de la portion cristalline semiconductrice 10. Cet effet piézoélectrique inverse est le phénomène physique de déformation de la structure cristalline du matériau piézoélectrique, en dilatation ou en compression, en réponse à l’application d’un champ électrique le traversant. De manière connue, le champ T des contraintes dans le matériau piézoélectrique dépend du champ électrique E et du coefficient piézoélectrique e. Le tenseur de contrainte [T] peut ainsi s’écrire, en l’absence d’une force externe appliquée : [T] = –[e][E].The deformation structure 20 is formed of a stack of the support substrate 21, a thin interlayer 22, and a structured thin layer 23 made of a piezoelectric material, which comprises two arms 23.1 which extend longitudinally along the same main axis. The semiconductor crystalline portion 10 rests on these two arms 23.1 so that the deformation of the arms 23.1 (here by inverse piezoelectric effect) induces the deformation of the semiconductor crystalline portion 10. This inverse piezoelectric effect is the physical phenomenon of deformation of the crystalline structure of the piezoelectric material, in expansion or compression, in response to the application of an electric field passing through it. In a known manner, the stress field T in the piezoelectric material depends on the electric field E and the piezoelectric coefficient e. The stress tensor [T] can thus be written, in the absence of an applied external force: [T] = –[e][E].
Le substrat support 21 assure le support de la couche mince intercalaire 22, de la couche mince structurée 23 et de la portion cristalline semiconductrice 10. Il peut être réalisé à base de silicium, par exemple en silicium et/ou en un oxyde ou nitrure de silicium. Il peut toutefois être réalisé en un matériau choisi parmi le saphir, le borosilicate, le verre, le quartz ou tout autre matériau adapté. Il peut présenter une épaisseur de l’ordre de quelques microns à quelques centaines de microns. Par ailleurs, le substrat support 21 peut comporter des éléments optiques actifs ou passifs (modulateurs, multiplexeurs, réseaux de couplage…), notamment dans le cadre de la technologie dite photonique sur silicium.The support substrate 21 provides support for the intercalary thin layer 22, the structured thin layer 23 and the semiconductor crystalline portion 10. It can be made from silicon, for example silicon and/or a silicon oxide or nitride. However, it can be made from a material chosen from sapphire, borosilicate, glass, quartz or any other suitable material. It can have a thickness of the order of a few microns to a few hundred microns. Furthermore, the support substrate 21 can include active or passive optical elements (modulators, multiplexers, coupling networks, etc.), in particular in the context of so-called silicon photonic technology.
La couche mince intercalaire 22 assure l’espacement des bras 23.1 de la couche mince structurée 23 vis-à-vis du substrat support 21, et délimite la cavité dans le plan XY. Elle est réalisée de préférence à base de silicium, par exemple en un oxyde ou nitrure de silicium, voire en alumine Al2O3, entre autres. Elle repose sur le substrat support 21, et peut présenter une épaisseur de l’ordre de quelques dizaines de nanomètres à quelques microns. Elle définit latéralement, dans le plan XY, une cavité au-dessus de laquelle sont suspendus les bras 23.1 de la couche mince structurée 23.The intermediate thin layer 22 ensures the spacing of the arms 23.1 of the structured thin layer 23 with respect to the support substrate 21, and delimits the cavity in the XY plane. It is preferably made from silicon, for example from a silicon oxide or nitride, or even from alumina Al 2 O 3 , among others. It rests on the support substrate 21, and can have a thickness of the order of a few tens of nanometers to a few microns. It defines laterally, in the XY plane, a cavity above which the arms 23.1 of the structured thin layer 23 are suspended.
La couche mince structurée 23 repose sur la couche mince intercalaire 22. Elle est formée d’une partie de maintien 23.2, qui repose sur la couche mince intercalaire 22, et de bras 23.1 suspendus au-dessus de la cavité. Les bras 23.1 sont allongés suivant l’axe principal X, c’est-à-dire qu’ils présentent une largeur moyenne suivant l’axe Y inférieure à la longueur suivant l’axe Z. Ils s’étendent longitudinalement, de manière coaxiale, suivant l’axe principal X, de sorte que cet axe forme l’axe de déformation principale de la portion cristalline semiconductrice 10.The structured thin layer 23 rests on the intercalary thin layer 22. It is formed of a holding portion 23.2, which rests on the intercalary thin layer 22, and arms 23.1 suspended above the cavity. The arms 23.1 are elongated along the main axis X, that is to say that they have an average width along the Y axis less than the length along the Z axis. They extend longitudinally, coaxially, along the main axis X, so that this axis forms the main deformation axis of the semiconductor crystalline portion 10.
Les bras 23.1 présentent une longueur Lb et une largeur moyenne <lb>, laquelle est inférieure à la largeur de la cavité. La largeur est ici la dimension suivant l’axe transversal Y. Les bras 23.1 peuvent présenter une forme dans le plan XY sensiblement rectangulaire, avec éventuellement une diminution progressive ou brutale (comme illustré sur les
Notons que les bras 23.1 peuvent être physiquement distincts l’un de l’autre suivant l’axe principal X, comme illustré sur la
Dans ce mode de réalisation où la déformation à la demande des bras 23.1 est obtenue par un effet piézoélectrique inverse, la couche mince structurée 23 est réalisée à base d’un matériau piézoélectrique, de préférence en plomb zirconate titanate PbZrTiO3(PZT), mais d’autres matériaux peuvent être utilisés, tels que le BaTiO3, l’AlN, le ZnO, LiNbO3, Pb(NbO3)2, PbTiO3, Pb(Mg0,33Nb0,66)O3, Pb(Sc0,5Ta0,5)O3ou tout autre matériau piézoélectrique adapté. Elle présente une épaisseur de l’ordre de quelques microns, par exemple comprise entre 0.5 et 2 µm. Il s’agit d’une couche mince déposée sur la couche mince intercalaire 22 par des techniques de dépôt de la microélectronique, par exemple par une méthode sol gel ou par pulvérisation. Elle se distingue donc des substrats piézoélectriques dont l’épaisseur est de plusieurs centaines de microns voire de plusieurs millimètres.In this embodiment where the on-demand deformation of the arms 23.1 is obtained by an inverse piezoelectric effect, the structured thin layer 23 is made from a piezoelectric material, preferably lead zirconate titanate PbZrTiO 3 (PZT), but other materials may be used, such as BaTiO 3 , AlN, ZnO, LiNbO 3 , Pb(NbO 3 ) 2 , PbTiO 3 , Pb(Mg 0.33 Nb 0.66 )O 3 , Pb(Sc 0.5 Ta 0.5 )O 3 or any other suitable piezoelectric material. It has a thickness of the order of a few microns, for example between 0.5 and 2 µm. This is a thin layer deposited on the intercalary thin layer 22 by microelectronic deposition techniques, for example by a sol-gel method or by spraying. It is therefore distinguished from piezoelectric substrates whose thickness is several hundred microns or even several millimeters.
La portion cristalline semiconductrice 10 est réalisée en au moins un matériau semiconducteur cristallin, et de préférence monocristallin. Ce matériau peut être choisi notamment parmi les éléments de la colonne IV de la classification périodique, tels que le germanium Ge, le silicium Si, et parmi les composés formés de ces éléments, par exemple le GeSn, le SiGe et le SiGeSn. Il peut également être choisi parmi les composés III-V comportant des éléments des colonnes III et V de la classification périodique, comme par exemple l’InP et le GaInAs, voire parmi les composés II-VI, comme par exemple le CdHgTe.The semiconductor crystalline portion 10 is made of at least one crystalline, and preferably monocrystalline, semiconductor material. This material may be chosen in particular from the elements of column IV of the periodic table, such as germanium Ge, silicon Si, and from the compounds formed from these elements, for example GeSn, SiGe and SiGeSn. It may also be chosen from the III-V compounds comprising elements from columns III and V of the periodic table, such as for example InP and GaInAs, or even from the II-VI compounds, such as for example CdHgTe.
De préférence, la portion cristalline semiconductrice 10 est réalisée à base d’un matériau semiconducteur dont la structure de bandes, en l’absence d’une déformation en tension suffisante, est indirecte. La déformation en tension de la portion cristalline semiconductrice 10, induite par l’actionneur électromécanique, peut alors être suffisante pour rendre directe sa structure de bandes. La portion cristalline semiconductrice 10 est de préférence réalisée à base de germanium. Par « réalisée à base de germanium », on entend que la portion cristalline semiconductrice 10 est formée majoritairement en germanium ou en ses composés. Dans cet exemple, la portion cristalline semiconductrice 10 est réalisée en GeSn.Preferably, the semiconductor crystalline portion 10 is made from a semiconductor material whose band structure, in the absence of sufficient strain deformation, is indirect. The strain deformation of the semiconductor crystalline portion 10, induced by the electromechanical actuator, may then be sufficient to make its band structure direct. The semiconductor crystalline portion 10 is preferably made from germanium. By “made from germanium”, it is meant that the semiconductor crystalline portion 10 is formed mainly from germanium or its compounds. In this example, the semiconductor crystalline portion 10 is made from GeSn.
La portion cristalline semiconductrice 10 présente de préférence une forme allongée suivant l’axe principal X. Elle repose sur les bras 23.1, de sorte que la déformation des bras 23.1 suivant l’axe principal X entraîne celle de la portion cristalline semiconductrice 10 suivant le même axe. Elle comporte une partie centrale 11, qui forme ici le milieu à gain de la diode laser, et deux parties d’extrémité 12, lesquelles reposent sur les bras 23.1. Dans cet exemple où les bras 23.1 sont distincts l’un de l’autre (pas de continuité de matière), la partie centrale 11 est directement suspendue au-dessus du substrat support 21 sans reposer sur les bras 23.1, alors que les parties d’extrémité 12 reposent sur les bras 23.1. Pour améliorer la tenue mécanique de la portion cristalline semiconductrice 10 sur les bras 23.1 d’une part, et pour optimiser la déformation de celle-ci, la partie centrale 11 présente de préférence une largeur moyenne inférieure à celle des parties d’extrémité 12. Par ailleurs, la partie centrale 11 présente ici une longueur Lpc et une largeur lpc ici sensiblement constante. De préférence, comme indiqué précédemment, de manière à optimiser la déformation induite par les bras 23.1 dans la portion cristalline semiconductrice 10, sa largeur moyenne <lpc> est inférieure à la largeur moyenne <lb> des bras 23.1. La portion cristalline semiconductrice 10 présente une épaisseur suivant l’axe Z pouvant être comprise entre quelques centaines de nanomètres et quelques microns, par exemple comprise entre 100 nm et 2 µm environ.The semiconductor crystalline portion 10 preferably has an elongated shape along the main axis X. It rests on the arms 23.1, such that the deformation of the arms 23.1 along the main axis X causes that of the semiconductor crystalline portion 10 along the same axis. It comprises a central part 11, which here forms the gain medium of the laser diode, and two end parts 12, which rest on the arms 23.1. In this example where the arms 23.1 are distinct from each other (no continuity of material), the central part 11 is directly suspended above the support substrate 21 without resting on the arms 23.1, while the end parts 12 rest on the arms 23.1. To improve the mechanical strength of the semiconductor crystalline portion 10 on the arms 23.1 on the one hand, and to optimize the deformation thereof, the central portion 11 preferably has an average width less than that of the end portions 12. Furthermore, the central portion 11 here has a length Lpc and a width lpc here substantially constant. Preferably, as indicated above, so as to optimize the deformation induced by the arms 23.1 in the semiconductor crystalline portion 10, its average width <lpc> is less than the average width <lb> of the arms 23.1. The semiconductor crystalline portion 10 has a thickness along the Z axis which can be between a few hundred nanometers and a few microns, for example between 100 nm and 2 µm approximately.
Le dispositif optoélectronique 1 comporte un dispositif électrique de déformation, adapté à générer un champ électrique dans les bras 23.1 de la couche mince structurée 23, induisant une déformation des bras 23.1 (par effet piézoélectrique inverse), et donc de la portion cristalline semiconductrice 10, suivant l’axe principal X. Ce dispositif électrique de déformation comporte une source électrique (non représentée) et un circuit électrique adapté à générer le champ électrique.The optoelectronic device 1 comprises an electrical deformation device, adapted to generate an electric field in the arms 23.1 of the structured thin layer 23, inducing a deformation of the arms 23.1 (by inverse piezoelectric effect), and therefore of the semiconductor crystalline portion 10, along the main axis X. This electrical deformation device comprises an electrical source (not shown) and an electrical circuit adapted to generate the electric field.
La source électrique est adaptée à générer un signal électrique de commande, par exemple une différence de potentiel électrique entre deux électrodes 31, 32, de manière à provoquer une déformation en compression ou en tension, par effet piézoélectrique inverse, de la couche mince structurée 23 suivant l’axe principal X.The electrical source is adapted to generate an electrical control signal, for example an electrical potential difference between two electrodes 31, 32, so as to cause a deformation in compression or tension, by inverse piezoelectric effect, of the structured thin layer 23 along the main axis X.
Le circuit électrique est connecté à la source électrique. Il comporte deux électrodes inférieure 31 et supérieure 32, qui se présentent sous la forme de couches minces conductrices situées de part et d’autre de la couche mince structurée 23 suivant l’axe vertical Z. Les électrodes 31, 32 sont réalisées en un matériau électriquement conducteur, par exemple en CrAu, Pt/TiO2, entre autres, et présentent une épaisseur par exemple de l’ordre de 100 nm. Le circuit électrique peut comporter des plots de contact 33, 34, qui assurent la connexion des électrodes inférieure 31 et supérieure 32 à la source électrique. Les plots de contact 34 traversent ici la couche mince structurée 23 pour venir au contact des électrodes inférieures 31 (sans contacter l’électrode supérieure 32).The electrical circuit is connected to the electrical source. It comprises two lower electrodes 31 and upper electrodes 32, which are in the form of thin conductive layers located on either side of the structured thin layer 23 along the vertical axis Z. The electrodes 31, 32 are made of an electrically conductive material, for example CrAu, Pt/TiO2, among others, and have a thickness for example of the order of 100 nm. The electrical circuit may comprise contact pads 33, 34, which ensure the connection of the lower electrodes 31 and upper electrodes 32 to the electrical source. The contact pads 34 here pass through the structured thin layer 23 to come into contact with the lower electrodes 31 (without contacting the upper electrode 32).
Enfin, le dispositif optoélectronique 1 comporte un guide d’onde 2 couplé optiquement à la portion cristalline semiconductrice 10. Dans cet exemple où le dispositif optoélectronique 1 est une diode laser, le guide d’onde 2 est adapté à recevoir un rayonnement lumineux issu de la portion cristalline semiconductrice 10 (cf. flèche en pointillé sur la
En variante, comme l’illustre la
Le guide d’onde 2 peut appartenir ou être couplé optiquement à un circuit photonique du dispositif optoélectronique 1, situé par exemple au moins en partie dans le substrat support 21. Le circuit photonique peut comporter des éléments optiques actifs et/ou passifs. En variante ou en complément, le guide d’onde 2 peut être couplé optiquement à une fibre optique externe par le biais d’un réseau de diffraction.The waveguide 2 may belong to or be optically coupled to a photonic circuit of the optoelectronic device 1, located for example at least partly in the support substrate 21. The photonic circuit may comprise active and/or passive optical elements. Alternatively or in addition, the waveguide 2 may be optically coupled to an external optical fiber by means of a diffraction grating.
Dans cet exemple où le dispositif optoélectronique 1 est une diode laser, deux réflecteurs optiques 3 sont réalisés ici dans la portion cristalline semiconductrice 10, dans des parties d’extrémité 12 situées de part et d’autre de sa partie centrale 11 où se situe le milieu à gain. Les réflecteurs optiques 3 délimitent ainsi la cavité optique suivant l’axe principal X. Aussi, l’un des réflecteurs optiques 3 présente une réflectivité sensiblement égale à 100%, alors que l’autre réflecteur optique 3 (ici situé entre la partie centrale 11 et le guide d’onde 2) présente une réflectivité inférieure à 100%, de manière à autoriser l’émission directive d’un mode optique à la longueur d’onde de la cavité optique (Fabry-Pérot). Dans cet exemple, les réflecteurs optiques 3 sont des structures en coin de cube, comme décrit dans l’article de Zabel et al. intituléTop-down method to introduce ultra-high elastic strain, J. Mater. Res., 2017, 32 (4), 726-736. En variante, ils peuvent être des miroirs de Bragg réalisés par gravure localisée partielle ou totale, suivant l’épaisseur, de la portion cristalline semiconductrice 10, comme décrit par exemple dans le document EP3745473A1 cité précédemment. Notons par ailleurs qu’il est avantageux que les réflecteurs optiques 3 soient situés dans une partie suspendue de la portion cristalline semiconductrice 10 (c’est-à-dire qui ne soient pas à la perpendiculaire des bras 23.1), de manière à améliorer le confinement du mode dans la cavité optique.In this example where the optoelectronic device 1 is a laser diode, two optical reflectors 3 are produced here in the semiconductor crystalline portion 10, in end parts 12 located on either side of its central part 11 where the gain medium is located. The optical reflectors 3 thus delimit the optical cavity along the main axis X. Also, one of the optical reflectors 3 has a reflectivity substantially equal to 100%, while the other optical reflector 3 (here located between the central part 11 and the waveguide 2) has a reflectivity less than 100%, so as to allow the directional emission of an optical mode at the wavelength of the optical cavity (Fabry-Pérot). In this example, the optical reflectors 3 are cube corner structures, as described in the article by Zabel et al. entitled Top-down method to introduce ultra-high elastic strain , J. Mater. Res., 2017, 32 (4), 726-736. Alternatively, they may be Bragg mirrors made by partial or total localized etching, depending on the thickness, of the semiconductor crystalline portion 10, as described for example in the document EP3745473A1 cited above. It should also be noted that it is advantageous for the optical reflectors 3 to be located in a suspended part of the semiconductor crystalline portion 10 (i.e. which are not perpendicular to the arms 23.1), so as to improve the confinement of the mode in the optical cavity.
Notons que la structure de déformation 20 peut comporter des couches minces supplémentaires. Ainsi, une couche mince de protection 41 s’étend de manière à recouvrir une surface libre des bras 23.1, et s’étend ici sur la face supérieure et des flancs des bras 23.1. Elle s’étend ici sur l’électrode supérieure 32 (mais elle peut être située entre la face supérieure de chaque bras 23.1 et l’électrode supérieure 32). Elle est réalisée en un matériau inerte ici à un agent chimique utilisé lors d’une attache chimique permettant de réaliser la cavité et la suspension des bras 23.2. Elle permet de protéger les bras 23.1 lors de cette attaque chimique, ici à l’acide fluorhydrique (HF) en phase vapeur. Elle peut être réalisée en silicium amorphe d’une épaisseur de 60nm environ, et peut être déposée de manière conforme par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD).Note that the deformation structure 20 may comprise additional thin layers. Thus, a thin protective layer 41 extends so as to cover a free surface of the arms 23.1, and extends here on the upper face and sides of the arms 23.1. It extends here on the upper electrode 32 (but it can be located between the upper face of each arm 23.1 and the upper electrode 32). It is made of a material inert here to a chemical agent used during a chemical attachment making it possible to produce the cavity and the suspension of the arms 23.2. It makes it possible to protect the arms 23.1 during this chemical attack, here with hydrofluoric acid (HF) in the vapor phase. It can be made of amorphous silicon with a thickness of approximately 60 nm, and can be deposited in a conformal manner by plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD).
Par ailleurs, des couches minces de collage 42 (42.1 et 42.2, cf.
Enfin, comme l’illustre la
En fonctionnement, la source électrique génère un signal électrique de commande, ici une tension de polarisation entre les deux électrodes inférieure 31 et supérieure 32. Un champ électrique est alors généré au sein des bras 23.1 de la couche mince structurée 23, dont les lignes de champ s’étendent de manière sensiblement parallèle à l’axe vertical Z. Le champ électrique induit une déformation des bras 23.1 suivant l’axe vertical Z, et également, par effet Poisson, une déformation dans le plan XY et donc suivant l’axe principal X du fait de la forme allongée des bras 23.1 suivant cet axe. La déformation des bras 23.1 suivant l’axe principal X entraîne donc celle de la portion cristalline semiconductrice 10 suivant le même axe. Notons que l’intensité de la déformation est proportionnelle à celle du champ électrique et donc à celle du signal électrique de commande.In operation, the electrical source generates an electrical control signal, here a bias voltage between the two lower 31 and upper 32 electrodes. An electric field is then generated within the arms 23.1 of the structured thin layer 23, the field lines of which extend substantially parallel to the vertical axis Z. The electric field induces a deformation of the arms 23.1 along the vertical axis Z, and also, by Poisson effect, a deformation in the XY plane and therefore along the main axis X due to the elongated shape of the arms 23.1 along this axis. The deformation of the arms 23.1 along the main axis X therefore causes that of the semiconductor crystalline portion 10 along the same axis. Note that the intensity of the deformation is proportional to that of the electric field and therefore to that of the electrical control signal.
Aussi, l’actionneur électromécanique est en mesure de déformer la portion cristalline semiconductrice 10, à la demande (de manière contrôlée et réversible). La gamme de déformation des bras 23.1 et donc de la portion cristalline semiconductrice 10 peut être importante, par exemple de l’ordre de plusieurs pourcents, avec une tension de commande de l’ordre de la dizaine à quelques dizaines de volts, par exemple de l’ordre de 10 à 20V. Le dispositif optoélectronique 1 présente une architecture permettant une intégration élevée des différents éléments sur une surface réduite du substrat support 21. Elle permet également de réaliser un couplage optique efficace entre la portion cristalline semiconductrice 10 et le guide d’onde 2. Tout ceci est obtenu notamment par le fait que la structure de déformation 20 comporte des couches minces réalisées par les techniques classiques de la microélectronique (dépôt, lithographie, gravure…). De plus, comme décrit par la suite, il peut être réalisé à partir de substrat de type silicium sur isolant (SOI) ou de type germanium sur isolant (GeOI), avec éventuellement une étape de report et de collage (ici par thermocompression).Also, the electromechanical actuator is able to deform the semiconductor crystalline portion 10, on demand (in a controlled and reversible manner). The deformation range of the arms 23.1 and therefore of the semiconductor crystalline portion 10 can be significant, for example of the order of several percent, with a control voltage of the order of ten to a few tens of volts, for example of the order of 10 to 20V. The optoelectronic device 1 has an architecture allowing high integration of the different elements on a reduced surface of the support substrate 21. It also allows effective optical coupling to be achieved between the semiconductor crystalline portion 10 and the waveguide 2. All this is obtained in particular by the fact that the deformation structure 20 comprises thin layers produced by conventional microelectronics techniques (deposition, lithography, etching, etc.). Furthermore, as described below, it can be made from silicon on insulator (SOI) or germanium on insulator (GeOI) substrates, with possibly a transfer and bonding step (here by thermocompression).
A titre d’exemple, les bras 23.1 peuvent présenter une largeur lb2 constante de 50µm sur une longueur de 300µm environ. La portion cristalline semiconductrice 10 peut présenter une partie centrale 11 ayant une largeur constante lpc de 1.5µm sur une longueur Lpc de 8µm environ. Les parties d’extrémité 12 qui reposent sur les bras 23.1 peuvent présenter une longueur de 20µm environ et une largeur constante de 40µm environ. La partie centrale 11 de la portion cristalline semiconductrice 10 peut présenter des contraintes en tension non nulles en l’absence d’une tension de commande appliquée par l’actionneur électromécanique (U=0V), par exemple de l’ordre de -1.5% pour la déformation uniaxiale εxxen raison des contraintes résiduelles présentes dans les matériaux des empilements et qui se trouvent libérées lors de la sous-gravure. Des études par simulation numérique, de type méthode des éléments finis, réalisées à l’aide de l’outil COMSOL Multiphysics montrent que la partie centrale 11 de la portion cristalline semiconductrice 10 peut atteindre des déformations en tension de 3% environ avec des taux de déformation très importants, par exemple ici de l’ordre de 0.2% par volt appliqué.For example, the arms 23.1 may have a constant width lb2 of 50 µm over a length of approximately 300 µm. The semiconductor crystalline portion 10 may have a central portion 11 having a constant width lpc of 1.5 µm over a length Lpc of approximately 8 µm. The end portions 12 which rest on the arms 23.1 may have a length of approximately 20 µm and a constant width of approximately 40 µm. The central portion 11 of the semiconductor crystalline portion 10 may have non-zero tensile stresses in the absence of a control voltage applied by the electromechanical actuator (U=0V), for example of the order of -1.5% for the uniaxial deformation ε xx due to the residual stresses present in the materials of the stacks and which are released during under-etching. Numerical simulation studies, of the finite element method type, carried out using the COMSOL Multiphysics tool show that the central part 11 of the semiconductor crystalline portion 10 can reach tensile deformations of approximately 3% with very high deformation rates, for example here of the order of 0.2% per volt applied.
Dans le cas ici où le dispositif optoélectronique 1 est une diode laser, la modification à la demande de l’état de contraintes mécaniques de la portion cristalline semiconductrice 10, et en particulier celui de la partie centrale 11, permet d’accorder de manière contrôlée le gap du matériau et donc la longueur d’onde de la bande d’émission. Il est alors possible de décaler la zone de gain optique sur une plage importante de longueur d’onde et donc d’accorder ou désaccorder celle-ci avec la distribution spectrale des modes permis de la cavité. Par ailleurs, l’apport des porteurs libres dans le milieu à gain peut être effectué par pompage optique ou par pompage électrique. Dans ce dernier cas, la partie centrale 11 comporte une jonction semiconductrice, par exemple de type pin, et des électrodes sont en contact électrique avec celle-ci.In the case here where the optoelectronic device 1 is a laser diode, the modification on demand of the state of mechanical constraints of the semiconductor crystalline portion 10, and in particular that of the central part 11, makes it possible to tune in a controlled manner the gap of the material and therefore the wavelength of the emission band. It is then possible to shift the optical gain zone over a large wavelength range and therefore to tune or detune it with the spectral distribution of the permitted modes of the cavity. Furthermore, the contribution of free carriers in the gain medium can be carried out by optical pumping or by electrical pumping. In the latter case, the central part 11 comprises a semiconductor junction, for example of the pin type, and electrodes are in electrical contact with it.
Dans le cas où le dispositif optoélectronique 1 est un photodétecteur, la partie centrale 11 de la portion cristalline semiconductrice 10 comporte une jonction semiconductrice, par exemple de type pin. Sa déformation par l’actionneur électromécanique permet de moduler de manière contrôlée la longueur d’onde de coupure. Du fait de son architecture, le dispositif optoélectronique 1 peut occuper une surface très réduite, par exemple sur un substrat de silicium, bien inférieure à celle des spectromètres classiques macroscopiques. Il est alors possible de retrouver la forme du spectre du rayonnement incident sur la base de la mesure de la photoconductivité de la portion cristalline semiconductrice 10 éclairé et sous traction mécanique croissante. Le dispositif optoélectronique 1 forme alors un spectromètre d’une technologie différente de celles de type FTIR (analyse dans l’espace réciproque du spectre) ou de type réseau (diffraction dans l’espace réel des composantes de la lumière suivant leur fréquence).In the case where the optoelectronic device 1 is a photodetector, the central part 11 of the semiconductor crystalline portion 10 comprises a semiconductor junction, for example of the pin type. Its deformation by the electromechanical actuator makes it possible to modulate the cut-off wavelength in a controlled manner. Due to its architecture, the optoelectronic device 1 can occupy a very small surface area, for example on a silicon substrate, much smaller than that of conventional macroscopic spectrometers. It is then possible to find the shape of the spectrum of the incident radiation on the basis of the measurement of the photoconductivity of the illuminated semiconductor crystalline portion 10 and under increasing mechanical tension. The optoelectronic device 1 then forms a spectrometer of a technology different from those of the FTIR type (analysis in the reciprocal space of the spectrum) or of the grating type (diffraction in the real space of the components of the light according to their frequency).
Notons enfin que le dispositif optoélectronique 1 peut être un modulateur optique. Le matériau de la portion cristalline semiconductrice 10 peut être rendu opaque à la longueur d’onde du mode guidé, du fait d’une diminution de son énergie de bande interdite du fait d’une déformation suffisante au moyen de l’actionneur électromécanique. Le modulateur optique peut se comporter, à titre d’exemple, comme un interrupteur optique, commandable par actuation de la déformation des bras 23.1 et donc de la portion cristalline semiconductrice 10.Finally, note that the optoelectronic device 1 can be an optical modulator. The material of the semiconductor crystalline portion 10 can be made opaque to the wavelength of the guided mode, due to a reduction in its band gap energy due to sufficient deformation by means of the electromechanical actuator. The optical modulator can behave, for example, as an optical switch, controllable by actuation of the deformation of the arms 23.1 and therefore of the semiconductor crystalline portion 10.
Les figures 2A et 2B sont des vues schématiques et partielles, en coupe transversale (
Dans cet exemple, le dispositif optoélectronique 1 est également une diode laser, mais le guide d’onde 2 est un guide intégré situé dans le substrat support 21. Il appartient à un circuit photonique intégré comportant des guides d’onde et éventuellement des éléments optiques actifs et/ou passifs.In this example, the optoelectronic device 1 is also a laser diode, but the waveguide 2 is an integrated guide located in the support substrate 21. It belongs to an integrated photonic circuit comprising waveguides and possibly active and/or passive optical elements.
Ici, la structure de déformation 20 est similaire à celle du premier mode de réalisation en ce qu’il comporte également un substrat support 21, une couche mince intercalaire 22 délimitant une cavité dans le plan XY, et une couche mince structurée 23 comportant les bras 23.1 suspendus au-dessus de la cavité.Here, the deformation structure 20 is similar to that of the first embodiment in that it also comprises a support substrate 21, a thin intercalary layer 22 delimiting a cavity in the XY plane, and a structured thin layer 23 comprising the arms 23.1 suspended above the cavity.
Le substrat support 21 est similaire à celui de la
La couche mince structurée 23 est ici réalisée en un matériau dont le coefficient de dilatation thermique est suffisant pour imposer une déformation voulue de la portion cristalline semiconductrice 10. De plus, il présente des propriétés optiques, par exemple en termes d’indice de réfraction à la longueur d’onde du mode optique, permettant le couplage optique entre la portion cristalline semiconductrice 10 et le guide d’onde intégré 2. Il peut aussi être adapté à réaliser la portion cristalline semiconductrice 10 par épitaxie. Ainsi, dans cet exemple, la portion cristalline semiconductrice 10 est réalisée par épitaxie à partir du matériau de la couche mince structurée 23. Celle-ci peut ainsi être en germanium Ge, et la portion cristalline semiconductrice 10 peut être en germanium étain GeSn.The structured thin layer 23 is here made of a material whose thermal expansion coefficient is sufficient to impose a desired deformation of the semiconductor crystalline portion 10. In addition, it has optical properties, for example in terms of refractive index at the wavelength of the optical mode, allowing optical coupling between the semiconductor crystalline portion 10 and the integrated waveguide 2. It can also be adapted to produce the semiconductor crystalline portion 10 by epitaxy. Thus, in this example, the semiconductor crystalline portion 10 is produced by epitaxy from the material of the structured thin layer 23. The latter can thus be made of germanium Ge, and the semiconductor crystalline portion 10 can be made of germanium tin GeSn.
L’actionneur électromécanique est ici adapté à générer une dilatation thermique des bras 23.1, et donc une déformation de ces derniers suivant l’axe principal X, ce qui induit en conséquence une déformation de la portion cristalline semiconductrice 10 suivant le même axe principal X.The electromechanical actuator is here adapted to generate a thermal expansion of the arms 23.1, and therefore a deformation of the latter along the main axis X, which consequently induces a deformation of the semiconductor crystalline portion 10 along the same main axis X.
Pour cela, la source électrique est ici adaptée à générer un courant électrique de commande, et le circuit électrique comporte ici des pistes métalliques 35 s’étendant sur et en contact thermique avec les bras 23.1. Ces pistes métalliques 35 sont réalisées en un matériau métallique, par exemple en Pt ou en TiN d’une épaisseur de 200 nm, et sont connectés à la source électrique par des plots de contact 36. Une couche mince 24 est située entre la couche mince structurée 23 d’une part, et les pistes métalliques 35 et les électrodes 36 d’autre part. Elle est réalisée en un matériau isolant électrique et conducteur thermique, par exemple de l’AlN. La portion cristalline semiconductrice 10 peut être recouverte par celle-ci. La circulation du courant électrique de commande dans les pistes métalliques 35 se traduit par un échauffement de celles-ci par effet Joule, et donc des bras 23.1, ce qui entraîne leur dilatation thermique suivant, notamment, l’axe principal X. Autrement dit, la circulation du courant électrique de commande génère un champ de température dans les bras 23.1 qui induit une dilatation thermique de ces derniers. La dilatation thermique des bras 23.1 suivant l’axe principal X entraîne donc la déformation de la portion cristalline semiconductrice 10 suivant le même axe.For this, the electrical source is here adapted to generate a control electric current, and the electrical circuit here comprises metal tracks 35 extending over and in thermal contact with the arms 23.1. These metal tracks 35 are made of a metallic material, for example Pt or TiN with a thickness of 200 nm, and are connected to the electrical source by contact pads 36. A thin layer 24 is located between the structured thin layer 23 on the one hand, and the metal tracks 35 and the electrodes 36 on the other hand. It is made of an electrically insulating and thermally conductive material, for example AlN. The semiconductor crystalline portion 10 can be covered by it. The flow of the control electric current in the metal tracks 35 results in heating of the latter by Joule effect, and therefore of the arms 23.1, which causes their thermal expansion along, in particular, the main axis X. In other words, the flow of the control electric current generates a temperature field in the arms 23.1 which induces a thermal expansion of the latter. The thermal expansion of the arms 23.1 along the main axis X therefore causes the deformation of the semiconductor crystalline portion 10 along the same axis.
Aussi, en fonctionnement, l’actionneur électromécanique permet d’imposer une déformation à la demande, de manière contrôlée et réversible, à la portion cristalline semiconductrice 10 suivant l’axe principal X. L’arrêt de la circulation du courant électrique de commande conduit à un retour à la température initiale des bras 23.1, et donc à leur contrainte mécanique initiale, annulant ainsi la déformation de la portion cristalline semiconductrice 10 imposée par l’actionneur électromécanique.Also, in operation, the electromechanical actuator makes it possible to impose a deformation on demand, in a controlled and reversible manner, on the semiconductor crystalline portion 10 along the main axis X. Stopping the flow of the control electric current leads to a return to the initial temperature of the arms 23.1, and therefore to their initial mechanical stress, thus canceling the deformation of the semiconductor crystalline portion 10 imposed by the electromechanical actuator.
Dans cet exemple, le dispositif optoélectronique 1 étant une diode laser, la partie centrale 11 (milieu à gain) de la portion cristalline semiconductrice 10 est située dans une cavité optique délimitée par deux réflecteurs optiques 3. Ces derniers peuvent être des miroirs de Bragg (non représentés) formés dans le guide d’onde intégré 2. Le mode optique (cf. flèche en pointillé sur la
Ici, le matériau à base de germanium de la couche mince structurée 23 peut ne pas être sensible à l’agent de gravure chimique utilisé pour graver partiellement la couche mince intercalaire 22 et former la cavité. Aussi, une couche mince de protection 41 recouvrant la surface libre de la couche mince structurée 23 (des bras 23.1 en particulier) n’est pas nécessaire.Here, the germanium-based material of the structured thin layer 23 may not be sensitive to the chemical etching agent used to partially etch the intercalary thin layer 22 and form the cavity. Also, a protective thin layer 41 covering the free surface of the structured thin layer 23 (of the arms 23.1 in particular) is not necessary.
Les figures 3A à 3G illustrent des étapes d’un exemple d’un procédé de fabrication d’un dispositif optoélectronique 1 selon le premier mode de réalisation (déformation par effet piézoélectrique inverse) similaire à celui des
En référence à la
La couche mince de silicium 43, bien que facultative, est avantageuse dans la mesure où elle permet d’améliorer la symétrie des couches minces de part et d’autre de la couche mince piézoélectrique 23, et en particulier des bras 23.1 lorsqu’ils seront réalisés et suspendus. En effet, ils comporteront la couche mince de silicium 43 au niveau de leur face inférieure, et une couche mince de protection 41, ici réalisée en silicium amorphe, au niveau de leur face supérieure (cf.
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On dépose ici de manière conforme la couche mince de protection 41, par PECVD, en silicium amorphe de 60nm d’épaisseur, de manière à recouvrir les bras 23.1 et en particulier les flancs de ces derniers. Cette couche mince de protection 41 assurera une protection du matériau piézoélectrique lors de la gravure chimique d’une partie de la couche mince intercalaire 22 lors de la réalisation de la cavité et de la suspension des bras 23.1. On supprime la partie de la couche mince de protection 41 située au contact de la couche mince intercalaire 22. Ensuite, on réalise un dépôt conforme pleine plaque d’une couche mince de collage 42.1, ici un matériau métallique comme de l’aluminium.Here, the thin protective layer 41 is deposited in a conformal manner, by PECVD, in amorphous silicon 60 nm thick, so as to cover the arms 23.1 and in particular the sides of the latter. This thin protective layer 41 will ensure protection of the piezoelectric material during the chemical etching of a portion of the intermediate thin layer 22 during the production of the cavity and the suspension of the arms 23.1. The portion of the thin protective layer 41 located in contact with the intermediate thin layer 22 is removed. Then, a full-plate conformal deposition of a thin bonding layer 42.1 is carried out, here a metallic material such as aluminum.
En référence à la
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Les figures 4A à 4F illustrent des étapes d’un procédé de fabrication d’un dispositif optoélectronique 1 selon le deuxième mode de réalisation (déformation par effet thermique) identique ou similaire à celui des
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Ainsi, on obtient un dispositif optoélectronique 1 présentant une architecture intégrée, ici en technologie silicium, comportant un actionneur électromécanique (ici de type thermique) permettant de déformer la portion cristalline semiconductrice 10 à la demande, de manière contrôlée et réversible, sur une grande plage de déformation.Thus, an optoelectronic device 1 is obtained having an integrated architecture, here in silicon technology, comprising an electromechanical actuator (here of the thermal type) making it possible to deform the semiconductor crystalline portion 10 on demand, in a controlled and reversible manner, over a large deformation range.
Des modes de réalisation particuliers viennent d’être décrits. Différentes variantes et modifications apparaîtront à l’homme du métier.Particular embodiments have just been described. Different variants and modifications will appear to those skilled in the art.
Claims (13)
- une structure de déformation (20) d’une portion cristalline semiconductrice (10), comportant un empilement de :
- un substrat support (21) ; puis
- une couche mince intercalaire (22) délimitant une cavité dans un plan parallèle à celui du substrat support (21) ; puis
- une couche mince structurée (23), reposant sur la couche mince intercalaire (22), comportant au moins deux bras (23.1) suspendus au-dessus de la cavité, s’étendant longitudinalement suivant un même axe principal ;
- la portion cristalline semiconductrice (10), reposant sur les deux bras (23.1), et s’étendant longitudinalement suivant l’axe principal ;
- un guide d’onde (2), couplé optiquement à la portion cristalline semiconductrice (10) ;
- caractérisé en ce qu’il comporte un dispositif électrique de déformation, adapté à déformer à la demande la portion cristalline semiconductrice (10) suivant l’axe principal, comportant :
- une source électrique, adaptée à générer un signal électrique de commande ;
- un circuit électrique (31, 32, 33, 34 ; 35, 36), connecté à la source électrique, et adapté à générer dans les bras (23.1), en réponse au signal électrique de commande, un champ électrique ou un champ de température, induisant une déformation, suivant l’axe principal, des bras (23.1) et donc de la portion cristalline semiconductrice (10).
- a deformation structure (20) of a semiconductor crystalline portion (10), comprising a stack of:
- a support substrate (21); then
- a thin intercalary layer (22) delimiting a cavity in a plane parallel to that of the support substrate (21); then
- a structured thin layer (23), resting on the intermediate thin layer (22), comprising at least two arms (23.1) suspended above the cavity, extending longitudinally along the same main axis;
- the semiconductor crystalline portion (10), resting on the two arms (23.1), and extending longitudinally along the main axis;
- a waveguide (2), optically coupled to the semiconductor crystalline portion (10);
- characterized in that it comprises an electrical deformation device, adapted to deform on demand the semiconductor crystalline portion (10) along the main axis, comprising:
- an electrical source, suitable for generating an electrical control signal;
- an electrical circuit (31, 32, 33, 34; 35, 36), connected to the electrical source, and adapted to generate in the arms (23.1), in response to the electrical control signal, an electric field or a temperature field, inducing a deformation, along the main axis, of the arms (23.1) and therefore of the semiconductor crystalline portion (10).
- réalisation d’un premier empilement comportant la couche mince structurée (23) recouverte par une première couche mince de collage (42.1) ;
- réalisation d’un deuxième empilement comportant une couche mince cristalline semiconductrice (46) destinée à former la portion cristalline semiconductrice (10) et recouverte par une deuxième couche mince de collage (42.2) ;
- report et collage du deuxième empilement sur le premier empilement, par mise en contact des première et deuxième couches minces de collage (42.1, 42.2).
- production of a first stack comprising the structured thin layer (23) covered by a first thin bonding layer (42.1);
- production of a second stack comprising a thin crystalline semiconductor layer (46) intended to form the crystalline semiconductor portion (10) and covered by a second thin bonding layer (42.2);
- transfer and bonding of the second stack onto the first stack, by bringing the first and second thin bonding layers (42.1, 42.2) into contact.
- préalablement à l’étape de report, structuration d’une couche mince de déformation (23c) du premier empilement pour former la couche mince structurée (23) et les bras (23.1) ;
- dépôt d’une couche mince de protection (41), réalisée en un matériau inerte à un agent de gravure utilisé lors d’une étape ultérieure de suspension des bras (23.1), de manière à recouvrir une surface libre des bras (23.1).
- prior to the transfer step, structuring a thin deformation layer (23c) of the first stack to form the structured thin layer (23) and the arms (23.1);
- depositing a thin protective layer (41), made of a material inert to an etching agent used during a subsequent step of suspending the arms (23.1), so as to cover a free surface of the arms (23.1).
- réalisation d’un empilement formé du substrat support (21), puis de la couche mince intercalaire (22), puis d’une couche mince de déformation (23c) destinée à former la couche mince structurée (23), puis d’une couche mince semiconductrice (46) destinée à former la portion cristalline semiconductrice (10), la couche mince semiconductrice (46) étant réalisée par épitaxie à partir de la couche mince de déformation (23c).
- production of a stack formed from the support substrate (21), then from the intermediate thin layer (22), then from a thin deformation layer (23c) intended to form the structured thin layer (23), then from a thin semiconductor layer (46) intended to form the semiconductor crystalline portion (10), the thin semiconductor layer (46) being produced by epitaxy from the thin deformation layer (23c).
- réalisation d’un empilement formé du substrat support (21), puis de la couche mince intercalaire (22), puis de la couche mince structurée (23), puis de la portion cristalline semiconductrice (10) ;
- gravure chimique d’une partie de la couche mince intercalaire (22) située sous les bras (23.1), de manière à réaliser une cavité au-dessus de laquelle les bras sont suspendus.
- production of a stack formed from the support substrate (21), then from the thin intercalary layer (22), then from the structured thin layer (23), then from the semiconductor crystalline portion (10);
- chemical etching of a portion of the thin intercalary layer (22) located under the arms (23.1), so as to produce a cavity above which the arms are suspended.
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2024231393A1 (en) | 2024-11-14 |
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