Brevet FR2027295A1 — publié le 19700925

l- 2027295 . ~- r ^r » « La présente invention est relative à la fabrication d'un laser à jonctions PN ayant une région à effet laser combinée à une ou plusieurs régions absorbant la lumière qui servent à arrêter ou supprimer les modes transversaux d'effet laser, et se rappor-5 te plus particulièrement à une technique de diffusion qui permet de former la région à effet laser ainsi que les régions de blocage de modes au cours d'un stade de diffusion unique. Une émission efficace de lumière provenant de jonctions PN polarisées en sens direct a été observée dans un grand nombre de 10 cristaux semiconducteurs à intervalle de bande directe comprenant en particulier l'arséniure de gallium, l'antimoniure de gallium le phoBphure d'iridium* l'arséniure d'indium et l'antimoniure d'in-dium. Initialement, de telles observations se rapportaient à l'émission de lumière incohérente ou spontanée qui était attribuée 15 au rayonnement de recombinaison intrinsèque. Des années plus tard, il a été découvert que l'effet laser pouvait être induit dan» ces mêmes jonctions PN en appliquant un courant direct excédant une certaine valeur de seuil et en réfléchissant une fraction suffisante du rayonnement de recombinaison dans la région à 20 population électronique inversée, c'est-à-dire dans la jonction PN. Autrement dit, tout rayonnement spontané se propageant dans le plan de la jonction PN est amplifié sélectivement du fait • qu'il-reste dans la région d'inyersion de population pendant pleur longtemps que'les rayonnements se propageant dans d'autres 25 directions. .L'émission stimulée de lumière cohérente a été observée dans chacun des composés des groupes III-V énumérés ci-dessus ainsi que dans les jonctions PN polarisées en sens direct des cristaux mélangés suivants : Ga(AsP), (inGa)As et In(PAs). 30 II a été fabriqué des lasers à jonction PN en- fournissant une diode à jonction PN ordinaire sous la forme d'une cavité optique appropriée afin d'obtenir un pouvoir réfléchissant suffisant pour produire une émission stimulée. Dans l'arséniure de gallium par exemple, on obtient une cavité à parois parallèles 35 optiquement planes et ayant un pouvoir réfléchissant suffisant par clivage suivant les plans (110). Un pouvoir réfléchissant supplémentaire a été obtenu en. argentant une extrémité du cristal du laser après dépôt d'une couche mince d'oxyde de silicium par exemple pour éviter que la jonction PN soit électriquement 40 court-circuitée. Des jonctions PN convenables ont été obtenues BAD ORIGINAL 69 33150 2. 2027295 en diffusant*des accepteurs dans de l'arséniure de gallium du type PN par exemple ; mais il est également possible d'obtenir une jonction convenable en diffusant des donneurs dans de l'arséniure de gallium de type P et d'autres composés semiconducteurs 5 des groupes III-V, Moyennant une stimulation suffisante, une jonction PN à effet laser est capable d'émettre de la lumière cohérente dans toutes les directions dans le plan de la jonction. Il est évidemment avantageux pour certaines applications de fournir un dispositif ÏO directionnel en favorisant l'émission stimulée dans une direction désirée et en éliminant toutes les autres directions non désirées. Dans une certaine mesure, ceci a été réalisé en augmentant le pouvoir réfléchissant de certaines parois de la cavité et en réduisant ce pouvoir de certaines autres parois. Toutefois, un choix 15 plus efficace des modes laser désirés est évidemment souhaitable. Le besoin se fait également sentir de fournir des techniques de mfabrication plus efficaces permettant d'obtenir des diodes à effet laser à sortie directionnelle. Un but de l'invention est de fournir un procédé nouveau de 20 fabrication de lasers à jonction PN, et plus particulièrement de fournir une technique de diffusion perfectionnée convenant spécialement à la fabrication de lasers à jonction PN. L'invention vise de plus à fournir un laser à jonction PN perfectionné ayant une région centrale à effet laser et une ou plusieurs régions paral-25 lèles de type P qui servent à supprimer les modes non désirés. L'invention a pour objet un laser à jonction PN comprenant un cristal semiconducteur ayant, une région de type N et une première région de type P qui définissent une jonction PN émettrice de lumière et dont une partie est à peu près plane. Cet agence-30 ment comprend en outre au moins une région supplémentaire de type P située dans le cristal de manière à intercepter une partie de — la lumière émise par la jonction à effet laser dans une direction favorisant un mode d'émission laser non désiré. A titre d'exemple, la partie plane de la jonction à effet laser est rectangulaire et 35 la sortie désirée est émise dans le plan de la jonction parallèlement à deux faces opposées de celle-ci. Il est donc intéressant de supprimer la totalité de la lumière émise par la jonction dans les directions perpendiculaires à la direction désirée. Dans un COPY 69 33150 3. 2027295 tel dispositif, la ou les régions de blocage de mode s'étendent parallèlement à la direction choisie de la sortie laser et sont disposées de manière à intercepter toute la lumière émise par la-.jonction dans la direction transversale. Le coefficient d'absorp-5 tion de la lumière du matériau semiconducteur de type P est à titre d'exemple d'au moins un ordre de grandeur plus grand que celui du matériau de type N, ce qui explique sa propriété de su-pression de mode. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication 10 ' d'un dispositif semi-conducteur émetteur de lumière qui consiste à munir un cristal semiconducteur de type N d'un masque de diffusion sélectif ayant une première zone de perméabilité donnée pour une certaine impureté du type accepteur, une seconde zone de perméabilité différente pour ladite impureté et qui est sé-15 parée de la première par une troisième zone qui nrest pratiquement pas perméable à ladite impureté. Le cristal masqué est exposé ensuite à l'impureté du type accepteur, dans des conditions de diffusion, pendant une durée suffisante pour former deux régions de type P dont l'une s'étend plus profondément dans le cris-20 tal de type N que l'autre. La superficie des deux jonctions PN obtenues est munie de moyens pour appliquer un courant direct suffisant pour engendrer un effet laser, tandis que la zone . plus profonde des deux régions de type P sert de moyen de suppression de mode situé de manière à intercepter les modes non 25 désirés. Dans un mode de réalisation préféré, le masque à diffusion reçoit une configuration permettant de former une jonction rectangulaire à effet laser et parallèlement deux régions de suppression de mode séparés ; c'est-à-dire que le masque de diffusion comporte une zone rectangulaire centrale de perméabilité 30 réduite pour l'impureté de type accepteur par rapport à chacune des deux zones parallèles situées de part et drautre de la zone rectangulaire centrale ayant une perméabilité relativement plus grande pour l'impureté du type accepteur, de sorte que les deux régions de type P de blocage de mode s'étendent plus profondément 35 dans le cristal que la jonction à effet laser centrale. 69 33150 4 2027295 Dans un mode de réalisation plus particulier, le procédé de l'invention commence par un stade de dépôt d'une première couche de masquage pratiquerasnt imperméable à une impureté de type accepteur choisie sur une surface d'un cristal semi-conducteur à inter- 5 valle de bande directe de conductivité de type N. Par exemple, une d'oxyde couche dopée au phosphore/de silicium est pratiquement imperméable au zinc en tant qu'impureté de type accepteur, à condition O que la couche ait une épaisseur suffisante, 2000 à 4000 A, de préférence. Un cristal semi-conducteur à intervalle de bande directe 10 de type N préféré est l'arséniure de gallium dopé au silicium ; toutefois, l'un quelconque des composés semi-conducteurs des groupes III et Y énumérés ci-dessus est utile pour l'invention et le dopage de type N peut être assuré au moyen d'étain, de tellure, de souffre, de germanium ou silicium. 15 On donne ensuite à la première couche de masquage une confi guration donnée par décapage sélectif afin d'obtenir sur le cristal semi-conducteur deux rubans rectangulaires pratiquement parallèles qui servent à séparer la région centrale à effet laser des régions de type P transversales de suppression de mode situées de 20 part et d'autre. Une seconde couche de masquage de diffusion est déposée ensuite sur la surface du cristal et sur les parties restantes de la première couche de masquage. La seconde couche est de préférence en oxyde de silicium non dopé ayant une épaisseur d'environ 200 O 25 à 500 A. On donne à cette couche une configuration donnée par décapage sélectif afin d'obtenir sur le cristal une seconde couche de masquage recouvrant les rubans rectangulaires restants de la première couche déposée et en recouvrant également la zone du cristal qui subsiste entre- les rubans. 30 On dépose ensuite une troisième couche de masquage recouvrant les premières et seconde couches de masquage et s'étendant sur au moins une partie du reste de la surface du cristal. Les couches de masquage sont maintenant complètes du fait que la diffusion la plus profonde s'effectue dans les régions du cristal qui ne sont 35 recouvertes que par la troisième couche diélectrique, tandis que la région recouverte par les seconde et troisième couches ne reçoivent qu'un taux réduit d'atomes accepteurs, ce qui produit une jonction plus superficielle. La séparation entre la région centrale de type P et les deux régions de suppression de mode est réalisée entre elles. , 40 par les rubans de masquage pratiquement imperméables au zinc situés/ COPY 69 33150 5 2027295 masqué Le cristal/est exposé ensuite à une impureté de type accepteur choisi tel que le zinc, par exemple, dans des conditions de diffusion, de sorte qu'une diffusion sélective de l'impureté dans le cristal s'effectue à.travers les secondes et troisième couches 5 diélectriques et non pas à travers la première couche diélectrique et dans les régions qui ne sont recouvertes que par la. troisième couche diélectrique à un taux relativement plus grand que dans la région recouverte par les seconde et troisième couches diélectri- „ ^ J- . PN relativement , ques, ce qui forme une jonction/peu proronde espacée entre deux 10 jonctions PN relativement plus profondes. D'autres impuretés de type accepteur sont le cadmium ou le magnésium, mais leur emploi ne fournit pas nécessairement des résultats équivalents. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple et 15 faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : les Fig. 1, 2 et 3 sont des vues en coupe transversale d'un cristal semi-conducteur en arséniure de gallium représentant une série de stades de fabrication du procédé utilisé dans un mode de mise en oeuvre préféré de l'invention j 20 la Fig. 4 est une vue en perspective d'un dispositif semi-con ducteur fabriqué suivant l'invention et représentant la forme de la jonction PN d'un mode de réalisation de l'invention. Un corps cristallin semi-conducteur 11 fait partie d'une pastille en arséniure de gallium d'environ un à deux centimètres car-25 rés de surface et ayant une épaisseur de 500 microns, taillé dans un cristal convenable de conductivlté uniforme de type N. Le cristal est engendré par croissance suivant une technique connue. Pour obtenir une conductivlté de type N, on utilise une impureté de type donneur convenable telle que de l'étain, du tellure, du souf-J>0 fre, du germanium, du silicium, etc. Le cristal est engendré par croissance pour obtenir une pastille ayant une concentration d'à- •jO -*• tomes donneurs de 10 par centrimètre cube et la pastille est découpée pour obtenir une orientation (100) du cristal. On peut utiliser d'autres concentrations d'impuretés de type donneur com- -| «y n O 35 prises dans la gamme de 5 x 10 à 5 x 10 d'atomes donneurs par centimètre cube ainsi que d'autres orientations cristallines. 69 33150 6 2027295 On prépare des rubans de masquage 12 et 13 en oxyde de silicium dopé au phosphore par dépôt à la vapeur d'une couche d'oxyde de silicium contenant une quantité suffisante de phosphore pour assurer l'imperméabilité au zinc, par exemple 0,001$ à 5$ de phosphore 5 environ, au moyen d'une technique connue de dépôt d'oxydes dopés. On fait réagir par exemple du tétraéthylorthosilicate et de l'oxy-chlorure de phosphore (POCl^) dans, une atmosphère oxydante pour fermer une couche d'oxyde de silicium dopé au phosphore ayant une O épaisseur d'environ 3000 A . En utilisant des .techniques de déeapa-10 ge sélectif et un raatériavi de réserve photographique,on munit la couche d'oxyde de silicium dopé au phosphore de rubans parallèles d'environ 75 microns de large et séparés par une distance d'environ 375 microns. Ensuite, on forme la couche d'oxyde de silicium 14 de la même 15 manière aue précédemment sans le phosphore comme dopant. On utilise ensuite un décapage sélectif pour former une couche recouvrant les rubans parallèles 12 et 13 ainsi que la partie de la surface du cristal 11 située entre les rubans 12 et 13- La couche 14 a une O épaisseur d'environ 200 à 300 A . 20 En se référant à la Fig. 2, une couche d'oxyde 15 est déposée ensuite suivant la même technique pour produire une couche d'oxyde O de silicium d'environ 200 à 300 A d'épaisseur recouvrant la surface entière du cristal 11, y compris les couches d'oxydes 12,13 et 14. 25 En se référant à la Fig. 3» la pastille masquée est transférée ensuite dans une ampourle à diffusion mise sous vide et contenant un dopant accepteur convenable. La source de diffusion est de préférence ZnASg plus Ga^S- au lieu de zinc pur ou d'un composé du zinc seulement. Par exemple, on place un milligramme de chaque 3® corps (ZnAs2 + Ga^S^) dans une ampoule de 15 cm3- L'addition de l'impureté de type donneur ( souffre) assure une compensation de la région de la jonction active. Un effet similaire peut être obtenu en ne diffusant que du zinc et en redistribuant ensuite les atomes de zinc au cours d'un traitement thermiaue postérieur à 55 la diffusion. Toutefois, le traitement thermique postérieur à la diffusion représente non seulement un stade de fabrication supplémentaire mais est également très difficile à régler du fait qu'il dépend du matériau de départ et du profil de diffusion exact obtenu au cours du stade de diffusion initial. Des conditions de diffusion convenables mettent en jeu une température d'environ COPY 69 33150 2027295 925°C et une durée d'environ deux heures. D'autres combinaisons d'impuretés de types donneurs et accepteurs peuvent être utilisées pour produire un effet similaire. Il est essentiel naturellement aue l'impureté de type accepteur prédomine dans les régions choisies du cristal semi-conducteur afin de produire la 5 conductivlté de type P désirée. L'excès net d'accepteurs dépasse 20 * * de préférence 10 atomes par cm3- Les régions 17 et 18 s'étendent plus profondément dans le cristal' aue les régions 16 du fait que, comme indiqué ci-dessus, les modes transversaux d'effet laser doivent être supprimés par l'absorption de la lumière émise par la 10 jonction 22 dans les directions perpendiculaires à celle de la sortie laser désirée. Les profondeurs de diffusion différentes résultent de l'épaisseur supplémentaire de couches d'oxyde recouvrant la région centrale en comparaison de l'épaisseur d'oxyde recouvrant les régions parallèles qui en sont espacées. Les ré-15 gions de suppression de mode s'étendent de préférence au moins 1 micron plus profondément dans le cristal que la région centrale de type P. •■Des lasers fabriqués suivant le procédé de l'invention ont été essayés à 100° K. L'énergie de sortie mesurée apparaissant à 20 une extrémité du laser est de 9,6 W pour une intensité de 23 A. Le courant de seuil est de 2,8 A pour une superficie de la diode à effet laser de 375 x 375 microns. En se référant à la Fig. 4, le mode de réalisation représenté ne comporte pas les couches d'oxyde de masquage pour montrer 25" plus clairement la forme des jonctions PN. En"fait, on préfère éliminer l'oxyde de masquage et le remplacer par de l'oxyde frais et décquper ensuite "une fenêtre convenable pour établir un contact ohmique avec la région centrale de type P suivant des techniques connues. Par exemple, on fait évaporer uniformément un alliage 30 d'or et d'antimoine sur la surface de la région centrale de type P et sur l'autre face pour établir un contact ohmique avec la région du type N. Les deux contacts sont ensuite nickelés et frittés à "une température de 500°C s 700°C oour achever le dispositif. Les électrodes 19 et 20 ne sont représentées ou'à titre 35 d'exemple et non pas .pour indiquer une forme préférée de contact. 69 33150 8 2027295 REVENDICATIONS 1-Dispositif émetteur de lumière à jonction PN, caractérisé en ce qu'il comprend un cristal semiconducteur comportant une première jonction PN émettrice de lumière dont une partie est 5 pratiquement plane et une seconde jonction PN située dans le cristal et espacée de la première jonction PN de manière à intercepter >une fraction de la lumière émise par la première jonction PN . 2-Dispositif laser à jonction PN, caractérisé en ce qu'il xo comprend un cristal semiconducteur ayant une région de type N et une première région de type P définissant une jonction PN émettrice de lumière, dont une partie est pratiquement plane, et une seconde région de type P dans le cristal située de manière à intercepter une fraction de la lumière émise par la jonction PN 15 dans le plan de sa partie plane . 3-Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le cristal semiconducteur est choisi dans le groupe comprenant l'arséniure de gallium ,l'antimoniure de gallium, le phos-phure d'indium, l'arséniure d'indium, l'antimoniure d'indium et 20 des cristaux mélangés comprenant deux ou plusieurs de ces compo-" sés. 4-Bispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le cristal comprend des faces parallèles perpendiculaires à la partie plane de là jonction et présentant un pouvoir réflé-25 chissant suffisant pour provoquer une émission stimulée de lumière cohérente par la jonction . 5-Procédé de fabrication d'un agencement semiconducteur, caractérisé en ce qu'il consiste à munir un cristal semiconducteur ayant un premier type de conductivlté d'un masque de 30 diffusion sélectif ayant une première zone ae perméabilité donnée pour une impureté de type de conductivlté opposé, et une seconde zone de perméabilité différente pour ladite impureté, séparée de la première zone par une troisième zone pratiquement imperméable à l'impureté, et à exposer le cristal masqué-à l'im-35 pureté , dans des conditions de diffusion, pendant une durée suffisante pour former une série de jonctions PN dont l'une s'étend plus profondément dans le erlsta^qu'un autre . 6-Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le cristal semiconducteur est choisi dans le groupe comprenant 40 l'arséniure de gallium, l'antimoniure de gallium, le phosphure 69 33150 9 20127295 d'indium ,l'arséniure d'indium, l'antimoniure d'indium et des cristaux mélangéz comprenant deux ou plusieurs de ces composés . 7-Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'il consiste à exposer le cristal masqué à un mélange sous 5 forme de vapeur de ZnAs« et de Ga_S, „ 2 2 ; 8-Procédé de fabrication d'un dispositif à jonction PN, caractérisé en ce qu'il consiste à déposer une première couche de masquage pour diffusion pratiquement imperméable à une impureté productrice d'un type de conductivlté choisi sur une surface 10 d'un cristal semiconducteur à intervalle de bande directe de type de condufctivitë opposé , à éliminer sélectivement une partie de la première couche de masquage pour laisser sur le cristal deux rubans de masquage pratiquement parallèles, à déposer une seconde couche de masquage de diffusion sur la surface du 15 cristal et sur les rubans, à éliminer sélectivement une partie de la seconde couche de masquage pour laisser sur le cristal un» couche recoùvrant les rubans allongés et une partie au moins d» la zone de la surface du cristal située entre les rubans ,à déposer une-troisième couche de masquage de diffusion sur la 20 surface du cristal recouvrant la seconde couche de masquage et au moins une partie du reste de la surface cristalliner, et à exposer le cristal à l'impureté choisie, dans des conditions de diffusion, de sorte qu'une diffusion sélective de l'impureté dans le cristal s'effectue à travers les seconde et troisième couches 25 de masquage et non à travers la première couche et dans les réglons du cristal qui ne sont recouvertes que par la troisième couche à un taux relativement plus grand que dans la région recouverte par les seconde et troisième coùahes de masquage, ce qui forme une jonction PN relativement superficielle et 30 située entre deux jonctions PN relativement plus profondes . 9-Procédé suivant la revendication 8, caractérisé en ce que le cristal est de type N, la première couche de masquage est du SiOg dopé en phosphore et l'impureté est Zn ou l'un de ses composés . 35 10-Procédé suivant la revendication 9, caractérisé en ce que la couche de SiOg iopé au phosphore est déposée à une épaisseur d'au moins 2 000 Jt et les seconde et troisième couches de mas-quage sont en Si02 ayant une épaisseur d'environ 200 à 500 A . H-Procédé suivant la revendication 10, caractérisé en ce 40 la source de diffusion comprend ZnAs2 et Ga2S^ 33150 10 2027295 12-Procédé de fabrication d'une jonction PN dans un cristal semiconducteur en un composé des groupes III ou V d'un type de conductivlté , caractérisé en ce qu'il consiste à ex -poser une surface du cristal, dans des conditions de diffusion, à un mélange d'impuretés de types accepteur et donneur suivant un rapport de un pour produire dans le crtstal une région de type de conductivlté opposé . 13-Procédé suivant la revendication 12, caractérisé en ce que le mélange comprend ZnAs^ et CQPY