Brevet FR2103571A1 — publié le 19720414

: , 71 31219 . 1 2103571 r Un laser à semiconducteurs est, de même qu'une diode à semiconduc teurs, constitué de faç.on connue, selon la figure 1, par un. cristal semiconducteur 1, dans lequel une région n 2 et une région p 2 sont produites par un dopage approprié. Entre la région n fortement dopée 2 et la région 5 p fortement dopée 3 se trouve une jonction 4, qui constitue la région optiquement active du laser à semiconducteurs. Les deux faces frontales » 5 et 6 du cristal semiconducteur 1 sont des faces de clivage plan-parallèles du cristal, qui se comportent en miroirs plan-parallèles d'un résonateur optique, par suite de l'indice 4e réfraction élevé du matériau semiconduc-10 teur. Lorsqu'une tension est appliquée dans le sens direct au laser à semiconducteurs de }a figure 1 et par suite à sa jonction pn, eh reliant le pôle négatif de la source tension à la région n 2 et le pôle positif à la région p 3, des trous sont injectés par la région n 2 dans la région 4 15 optiquement active et se recombinent dans cette dernière avec émission de photons. La longueur d'onde de la lumière émise dépend en première approximation de la largeur de bande interdite E_ du matériau semiconducteur. 13 La figure. 2 représente le modèle de bandes correspondant, dans lequel E^. est la limite de la bande de valance, E la limite de la bande de conduction, Li 20 Ej^ le quasi-niveau de' Fermi des trous, E^ le quasi-niveau de Fermi des électrons et 4, 5, 6 les régions correspondantes du laser à semiconducteurs de la figure 1. Lorsque la région 4 optiquement active est remplie par suffisamment' de porteurs de charge, il y a émission^stimulée d's| une onde lumineuse dans 25 le résonateur optique précité. L'onde parcourt un trajet fermé, désigné par les lettres A-B-C-A à la figure 1. Le fonctionnement en laser proprement dit commence quand l'amplification de la lumière par émission stimulée est supérieure aux pertes par absorption et transmission sur les plans de clivage. Il en résulte que le seuil d'amplification et par suite le seuil 30 de densité de courant pour lesquels le fonctionnement laser commence augmentent avec les pertes. On sait par ailleurs qu'une absorption aussi faible que possible exige une supresëdon aussi poussée que possible de la partie de l'onde pénétrant dans les régions semiconductrices 2 et 3 optiquement inactives. 35 Une réduction des pertes par pénétration est obtenue de façon connue par l'emploi pour les régions semiconductrices 2 et 3 de matériaux ayant une largeur de bande interdite EL supérieure à celle du matériau semiconducteur 71 31219 2 2103571 de la région 4 optiquement active. L'emploi de matériaux semiconducteurs à largeur de bande interdite différente produit en effet sur les interfaces entre les régions semiconductrices 2, 3 et la région 4 optiquement active une discontinuité de l'indice de réfraction, qui ne permet la pénétration que d'une faible partie de l'onde dans les régions semiconductrices 2 et 3 optiquement inactives. Même la partie, de l'onde pénétrant dans les régions semiconductrices 2 et 3, malgré la discontinuité de l'indice de réfraction, n'est pratiquement plus absorbée dans ces régions par suite de leur plus grande largeur de bande interdite. Comme le montre le modèle de bandes de la figure 3, correspondant à un laser à semiconducteurs avec des matériaux à largeur de bande interdite différente, les porteurs de charge de la région 4 optiquement active rencontrent toujours une barrière de potentiel, qui permet de limiter cette région à une épaisseur optimale. Des hétérostructures unilatérales et bilatérales sont possibles dans un laser à semiconducteurs, constitué par des régions semiconductrices à largeur de bande interdite différente. Dans une hétérostructure unilatérale, un matériau semiconducteur à grande largeur de bande interdite est contigu à un matériau semiconducteur à faible largeur de bande interdite, alors que dans une hétêrostructure bilatérale, un matériau semiconducteur à faible largeur de bande interdite, situé au milieu, est contigu des deux côtés à des matériaux semiconducteurs à grande largeur de bande interdite. Les matériaux à grande largeur de bande interdite utilisés sont par exemple des solutions solides, telles que GaAs-AlAs, alors que le matériau de la région optiquement active, à faible largeur de bande interdite, est constitué par exemple par du GaAs ou des solutions solides à faible teneur en aluminium. Les lasers à semiconducteurs connus avec une hétêrostructure bilatérale présentent toutefois l'inconvénient de ne permettre que difficilement un fonctionnement laser continu à la température ambiante, par suite de la faible dissipation thermique. L'invention a par suite pour objets un laser à semiconducteurs à hétêrostructure bilatérale ne présentant pas cet inconvénient. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, les deux régions semiconductrices extérieures sont constituées par un composé III-V binaire et la région semiconductrice médiane par une solution liquide d'un composé III-V binaireprévu pour les régions semiconductrices extérieures et d'un composé III-V à plus faible largeur de bande interdite. Le matériau semiconducteur des régions extérieures est choisi de façon 71 31219 3 2103571 que ces régions semiconductrices dissipent aussi bien que possible vers l'extérieur -la chaleur produite, en fonctionnement laser. 'Les régions semi-conductrices du laser à semiconducteurs selon l'invention sont dopées de façon à former deux' régions de type différent et séparées par une jonction pn. Un choix approprié de la composition de la solution solide pour la région semiconductrice médiane permet toujours de réduire la largeur de bande interdite de la solution solide, de façon que la condition suivante, nécessaire pour une discontinuité appropriée de l'indice de réfraction, soit satisfaite même par les lasers à semiconducteurs selon l'invention : la largeur de bande interdite des régions semiconductrices extérieurs est supérieure à celle de la région semiconductrice médiane. Cela suppose qu'un composé III-V de la solution solide a une largeur de bande interdite nettement plus petite que celle de l'autre composé III-V de la solution solide. Le problème de la dissipation thermique devait jusqu'à présent être résolu, dans les lasers à semiconducteurs connus, par un refroidissement intense ou par l'application de brèves impulsions de courant, permettant la dissipation de la chaleur pendant les intervalles relativement longs entre impulsions. Un laser à semiconducteurs selon l'invention permet de renoncer à de telles mesures, car les régions semiconductrices extérieures assurent une bonne dissipation thermique, tout en respectant la condition de largeur de bande interdite et en ne produisant par suite que de faibles pertes par absorption, de sorte qu'un fonctionnement laser continu amélioré est possible à température ambiante normale, contrairement au cas des dispositifs connus. Cette condition doit être satisfaite par exemple en cas d'emploi du laser à semiconducteurs comme émetteur dans un système de transmission de l'information. L'emploi de composés III-V binaires comme matériaux semiconducteurs pour les régions extérieures d'un laser à semiconducteurs selon l'invention assure non seulement une bonne dissipation thermique par les régions semi-conductrices extérieures, mais évite en outre un échauffement inutile de ces régions extérieures par des pertes ohmiques, car des composés III-V binaires présentent la bonne conductibilité électrique requise. Il est enfin plus facile de déposer des contacts électriques sur des composés III-V binaires que sur des solutions solides ternaires, ce qui contribue aussi à la réduction des pertes ohmiques. 71 31219 4 £103571 D'autres caractéristiques,et avantages de l'invention seroïit mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous et des dessins annexés sur lesquels : . la figure 1, précédemment décrite, représente un.laser à semiconducteurs 5 connu;. la figure 2, précédemment décrite, représente le modèle de bandes du laser à semiconducteurs connu; la figure 3, précédemment décrite, représente le modèle de bandes d'un laser constitué par des matériaux semiconducteurs à largeur de bande inter-10 dite différente; et la figure 4 représente un laser à semiconducteurs selon l'invention. Un laser à semiconducteurs selon l'invention, est constitué par un substrat semiconducteur 1 avec les deux régions semiconductrices extérieures 2, 3 et la région semiconductrice médiane 4, qui constitue la région opti-15 quement active du laser à semiconducteurs. Les deux régions semiconductrices extérieures 2 et 3 sont réalisées dans un matériau semiconducteur dont la largeur de bande interdite est supérieure à celle de la région semiconductrice médiane 4. Le matériau pour les régions semiconductrices extérieures selon l'in-20 vention est par exemple du GaAs, alors que la solution solide pour la région semiconductrice médiane est par exemple en GaAs-InAs ou GaAs-GaSb. Dans un autre exemple de réalisation de l'invention, les régions semicon-ductives extérieures sont en GaSb par exemple et la solution solide pour la région semiconductrice médiane en .GaSb-InSb. Les régions semiconduc-25 trices extérieures peuvent être en InP par exemple, alors qu'une solution solide InP-InAs ou InP-InSb par exemple convient pour la région semiconductrice médiane. Il est en outre possible d'utiliser par exemple InAs comme matériau pour les régions semiconductrices extérieures, la région semiconductrice médiane étant produite, dans ce cas en InAs-InSb par exemple. 30 Selon une autre caractéristique de l'invention, une des deux régions extérieures du laser à semiconducteurs peut être réalisée dans un autre composé III-V que la seconde région semiconductrice extérieure, car le principe est uniquement que les régions semiconductrices extérieures soient constituâtes par un composé III-V et non par une solution solide comme dans 35 les lasers à semiconducteurs connus. Il faut dans ce cas aussi veiller à ce que les deux régions semiconductrices extérieures aient une largeur de bande interdite supérieure à celle du matériau de la région semicon- 71 31219 5 2103571 ductricë-médiane. ' ■ ! " Le laser'à semiconducteurs de- la-figure 4 est dopé de façon à produire dans le cristal semiconducteur 1 deux régions de type opposé, par exemple une région 2 dé type n et une région 3 de type p. La "zone active" (région 4), produite dans une solution solide ternaire à faible largeur de-bande interdite, doit avoir un très faible dopage p, afin que la jonction pn se situe entre la région 2 et la région 4. Selon une autre caractéristique de l'invention, le laser à semiconducteurs est produit par épi'taxie, le substrat de la couche épitaxiale étant utilisé comme matériau semiconducteur pour l'une des deux régions semiconductrices extérieures. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au procédé ou aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. 71 31219 6 2103571 Revendications ' * * ; 1. Laser à semiconducteurs, avec deux'régions'semiconductrices?extérieures et une région semiconductrice médiane, dans' lequel le matériau semiconducteur des régions extérieures a une largeur de bande interdite supérieure à celle du matériau semiconducteur de la région médiane, ledit laser étant caractérisé en ce que les deux régions semiconductrices extérieures sont constituées par un composé III-V binaire et la région semiconductrice médiane par une solution solide ternaire d'un composé III-V binaire prévu pour les régions semiconductrices extérieures et d'un composé III-V à plus faible largeur de bande interdite. 2. Laser à semiconducteurs selon revendication 1, caractérisé en ce que les régions semiconductrices sont dopées de façon à former deux régions de type opposé, séparées par une jonction pn. 3. Laser à semiconducteurs selon revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau semiconducteur des régions extérieures est choisi de façon que ces régions semiconductrices dissipent aussi bien que possible vers l'extérieur la chaleur produite en fonctionnement laser. 4. Laser à semiconducteurs selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le composé III-V binaire pour les régions semiconductrices extérieures est en GaAs et la solution solide pour la région semiconductrice médiane en GaAs-InAs ou GaAs-GaSb. 5. Laser à semiconducteurs selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le composé III-V binaire pour les régions semi-conductrices extérieures est en GaSb et la solution liquide pour la région semiconductrice médiane en GaSb-InSb. 6. Laser à semiconducteurs selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le composé III-V binaire pour les régions s emiconductrices extérieures est en InP et la solution solide pour la région semiconductrice médiane en InP-InAs ou InP-InSb. 7. Laser à semiconducteurs selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le composé III-V binaire pour les régions semi-conductrices extérieures est en InAs et la solution solide pour la région semiconductrice médiane en InAs-InSb. 8. Laser à semiconducteurs selon une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'une des deux régions semiconductrices extérieures est constituée par un composé III-V autre que celui de la seconde région semiconductrice extérieure. 71 31219 7 2103571 9. Laser à semiconducteurs selon une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé, en cas d'emploi d'une structure épitaxiale avec un substrat portant une couche épitaxiale, en ee que le substrat sert simultanément de matériau pour l'une des deux régions semiconductrices exté-5 rieures.