Brevet FR2110317A1 — publié le 19720602

L'intention concerne une diode l?ser à jonction p—n qui présente une valeur de seuil réduite du courant de diode et / ou qui convient pour un service continu à la température ambiante et au-delà. Ce que l'on entend par diode laser, sa valeur de seuil et son service continu est défini entre nutres dans l'ouvrage "Laser", Editeurs Kleen, Mtiller, Verlag; Springer, pp. 360 à 422. Pour abaisser la valeur du seuil d'une diode laser, il a été proposé d'expos-er celle—ci à une déformation mécanique. Une autre proposition consiste à prévoir un dopage très élevé, de sorte que la densité d'états différentielle dN / dE des niveaux d'énergie en fonction de leur énergie E dans la région de la limite de la bande ait l'allure exponentielle connue à cet égard. Mais il n'a pas été possible jusqu'ici de parvenir, d'après ces propositions, à un service continu d'une diode laser, même à la température ambiante. ~ ~ On a aussi essayé d'obtenir un abaissement de la valeur de seuil en faisant appel à des hétéro—jonctions. Mais pour cette solution, on se heurte à d'importantes difficultés techniques à la fabrication des couches minces pour la jonction. L'invention a pour objet de réaliser une diode laser à faible valeur de seuil e.t / ou une telle diode conçue pour un service continu à la température ambiante et à des températures supérieures, en évitant les difficultés inhérentes aux solutions jusqu'ici proposées. Ce problème est résolu par une diode laser h jonction p-n qui est caractérisée par une variation périodique spatiale de la concentration du dopage dans la zone génératrice de rayonnement de la jonction p-n, avec des concentrations maximales de 16 20 3 10 à 10 cm environ et avec un rapport de la concentration maximale à la concentration minimale de 2 :1 au moins, la longueur de la période étant de l'ordre de grandeur de 10 à 500 distances «ntre les atomes environ dans le résenu, de corte qu'il apparaisse une bande de perturbation dans la bande interdite à proximité d'une limite de la bande, et la substance de dopage étant choisie de sorte que lu probabilité des transitions depuis la bande de conduction ou la bande de valence vers la bande de perturbation soit nettement plus grande que la probabilité de recoubinaison entre bandes. 71 35910 2 2110317 L'invention est bnsée sur cette considération que, s'agissant d'une bande de perturbation dont la densité d'états est plus faible que dans le cas de la bande de conduction ou de valence, selon qu'il s'agit d'injection d'électrons ou de trous 5 dans la diode considérée, une inversion de population peut déjà être atteinte avec de faibles densitése courant. Mais cette propriété de la bande de perturbation suppose qu'elle se trouve elle - même principalement dans la bande interdite. Une position de la bande de perturbation à proximité de l'une des limites 10 de la bande est particulièrement favorable, car la probabilité de transitions entre la bande et la b^nde de perturbation a alors la valeur élevée bien connue. Des détails relatifs à la bande de perturbation prévue d'après l'invention ressortirons des fig» 1 et 2. 15 La fig. 1 représente la courbe connue 1 ( en traits pleins ) de la densité d'états différentielle N pour la b^nde de conduction d'un semiconducteur. En 2 est indiquée la courbe correspondante pour la bande de valence. La partie extrême exponentielle 3 connue ( en tirets ) apparaît, comme on le sait 20 en cas de dopage plus élevé. La figure 2 illustre le cas d'une bande de perturbation 23 selon l'invention'-. A la. place de la partie 3 de la courbe qui apparaît dans l'exemple de la fig. 1 et qui est une conséquence de l'empoisonnement des états d'énergie en cas de dopage élevé à distri-25 bution statistique, il apparaît la bande de perturbation prévue selon l'invention lorsque des dispositions sont prises pour une distribution spatiale périodique de la concentration de dopage dans le corps semiconducteur. De même que dans le cas de la partie 3 de la courbe, une bande 23 de ce genre n'apparaît que pour 30 une concentration convenablement élevée du dopage. En outre, il est prévu selon l'invention que le rapport des valeurs de la concentration pour le maximum et pour le minimum s'élève au moins à 2 s î environ, afin que le choix, correspondant à la périodicité, des valeurs propres des longueurs d'onde des électrons ou des 35 trous s'établisse effectivement. XI convient de faire remarquer que la concentration du dopage en dehors des maximaS neut en principe être aussi f,àible qu'on le désire. Il y a lieu de faire remarquer aussi que le. niveau absolu du dopage dans le corps semiconducteur n ' & pas 4o besoin d'être exactement constant, les variations qui ne portent 71 35910 3 2110317 pas encore atteinte à la périodicité étant admissibles. Le niveau d'énergie de la bande de perturbation dans le diagramme de bnndes correspondant, en première approximation et abstraction fnite des cas extrêmes, au niveau d'énergie qu'aurait 5 un atome isolé de cette substance de dopage dons le r-'seau du substrat semiconducteur. Ln probabilité des transitions entre la bande de conduction ou de valence et la bande de perturbation peut être connue dans l'état actuel de la technique avec une précision suffisante pour l'invention, pour une substance de dopage 10 déterminée dans un substrat semiconducteur donné. Pour de faibles écarts énergétiques entre la bande de perturbation et la bande voisine, les probabilités de transitions sont toujours élevées en comparaison des probabilités dr transition, connues dans l'état actuel de la technique, relatives aux recombinaisons inter-15 bandes entre la bande de conduction et la bande de valence du matériau semiconducteur considéré. En principe, on obtient des bandes de perturbation proches des bandes et ayant des Valeurs élevées en ce qui concerne la probabilité de transitions lorsqu'on utilise les substances 20 de dopage usuelles pour le substrat semiconducteur considéré, qui fournissent des niveaux donneurs ou accepteurs aplatis. L'invention peut être réalisée aussi bien avec une b^nde de perturbation à proximité de la bande de conduction, comme indiqué en 23, qu'avec une bande de perturbation au voisinage de la 25 b-^nde de valence, co'nnte indiqué en 25 sur la fig. 2. Pour l'obtention d'une faible valeur de seuil pour le fonctionnement du laser, il est particulièrement avantageux que deux bandes de perturbation, séparées énergétiquement l'une de l'autre, soient présentes dans la bnnde interdite. De même que 30 dans le cas d'un laser connu à quatre niveaux, les transitions du laser peuve t alors s'effectuer entre ces bandes de perturbation. Dans ces conditions, on donnera la préférence à des bandes de perturbation dont l'une se trouve à proximité de la bande de conduction et l'autre au voisinage de la bande de valence ( fig. 2 ), 35 car alors les probabilités de transitions entre la bande considérée et la bande de perturbation sont particulièrement élevées. En effet, cela garantit un remplissage rapide de la bande de perturbation supérieure et une décharge rapide de la bande de perturbation inférieure, ce qui est favorable à la transition du 40 laser. 71 35910 « 2110317 Les dopages périodiques prévus selon l'invention peuvent être réalisés de différentes manières. On obtient par exemple une périodicité unidimensionnelle dans une direction par dépôt épitaxial en phase gazeuse, auquel cas on fait varier dans le 5 temps de concentration de la substance de dopage dans la phase gazeuse en fonction de la périodicité et de la vitesse de crois-s anc e• En cas de dépôt épitaxial en phase liquide, le dopage périodique peut être obtenu par une variation périodique de la 10 vitesse de refroidissement de la matière en fusion. Il s'est avéré que, dans ces conditions, la substance de dopage s'incorpore avec une variation de concentration suff i samment grande pour l'invention. Selon une variante particulière de ce dernier mode de fabrication, l'incorporation périodinue prédéterminée 15 peut être aussi obtenue par réglage d'une vitesse de refroidissement constante, parfaitement fixée, qui sera éventuellement déterminée expérimentalement. En effet, la chaleur de cristallisation qui apparaît à la séparation à l'état cristallin donne lieu à des variations de température qui sont certes faibles 20 mais néanmoins suffisantes au niveau des surfaces limites entre le cristal et la matière en fusion et, par suite, à une périodicité automatique de la vitesse de cristallisation. Comme on l'a indiqué,la période de la croissance cristalline peut être réglée par le choix d'une vitesse particulière de refroidissement. 25 Un autre procédé de fabrication consiste à tirer un cris tal en rotation de la matière en fusion selon un mode couramment adopté par ailleurs. La vitesse de rotation du cristal en position centrée ou, de façon encore plus efficace, en position excentrée, est déterminée exactement en fonction de la périodicité 30 requise. Les variations de température qui se produisent au niveau des surfaces de croissance lors d'une révolution du cristal donnent lieu, de même que dans les cas précités, à un dopage périodique correspondant du cristal tiré, étant donné que le taux d'incorporation de la substance dopante dépend de ces variations, 35 II est p-rticulièri"!-nt avantageux, pour la production d'un cristal semiconducteur à do^^e périodique, d'appliquer le procédé dit de croissance en spirale. Un grand nombre de matières semiconductrices présentent une croissance au cours de laquelle les surfaces de croissance ont la forme de surfaces 40 d'hélices. On obtient cette croissance en spirale, qui est en 71 35910 5 2110317 particulier connue pour le carbure de silicium, lorsqu'on utilise un germe cristallin ayant subi une croissance appropriée. Ce procédé présente également la particularité de donner lieu à une périodicité du dopage correspondant à la configuration 5 hélicoïdale. Le corps pour une diode laser selon l'invention est détaché, selon les procédés techniques usuels, d'un cristal qui a par exemple été fabriqué d'après l'un des procédés ci-dessus indiqués pour les matériaux semiconducteurs à dopage périodique. 10 De préférence, les- faces latérales du corps de la diode laser, qui jouent un rôle décisif dans l'effet de résonateur optique, sont choisies de telle sorte que le trajet du rayonnement laser produit dans le corps semiconducteur soit parallèle aux plans du dopage périodique. De ce fait l'onde optique reçoit un 15 guidage supplémentaire. Selon un autre mode de réalisation préféré, le rayonnement est dirigé perpendiculairement aux plana de dopage. La fig. 3 illustre, en une représentation schématique, une diode laser selon l'invention, en une coupe perpendiculaire 20 à la jonction p-n. La référence 31 désigne 1- région de la diode laser présentant un dopage spatial périodique, ce dopage étant par exemple de type p. 32 désigne la région à dopage n, qui est y par exemple obtenue par diffusion d'un doprnt de type n dans la substance initiale de conductivité de type p. 33 désigne la zone 25 à activité laser, désignée par des hachures, qui est produite par injection de porteurs, dans la région p dans l'exemple ici considéré. Comme on le sait, la position exacte de la zone à activité laser dépend entièrement du cas particulier considéré. Les lignes 35 représentent les plans de dopage maximal. Les faces latérales 30 36 constituent le résonateur pour le rayonnement laser produit en 33 et dirigé perpendiculairement à 36 dans le corps semiconducteur. On a désigné par 37 des électrodes de type traditionnel. La fig. h illustre une forme d'exécution préférée d'une diode laser selon l'invention^ dans laquelle les plans de dopage 35 maximal sont dirigés perpendiculairement à la direction de propagation du rayonnement. Dans le corps semiconducteur, lequel est encore de conductivité du type p, par exemple, les plans de dopage maximal sont indiqués par les lignes h5. Dans la région 42 à conductivité n, produite par exemple par diffusion, le dopage p -VJ est annulé par dopage opposé. Pour cette raison, de même que dans 71 35910 6 2110317 la région 32 de l'exemple d'exécution de la fig. 3»le dopage périodique p initial n'a plus à être déterminé. La zone à activité laser, correspondant à la zone 33, est désignée par 43. 36 et .37 sur la fig. 4 correspondent exactement aux mêmes éléments 5 de la fig. 3. 71 35910 7 2110317 REVENDICATIONS 1. Diode laset- à jonction p-n qui pr'sente une valeur de seuil réduite du courant de diode et / ou qui convient pour 5 un service continu à la température ambiante et nu-delà, caractérisée par une variation périodique spatiale de la concentration du dopage dans la région génératrice de rayonnement de 1 6 °0 _ O la jonction p-n avec des concentrations de 10 à 10 cm environ et • vec un rapport de la concentration maximale à la 10 concentration minimale de 2 : 1 au moins, la longueur de la période étant environ de l'ordre de grandeur de 10 à 500 distances entre les ntomes dans le réseau, de sorte qu'il apparaît une bande de perturbation dans la bande interdite à proximité d'une limite de 1^ bande, et la substance de dopage étant choisie de 15 telle sorte que la probabilité des transitions entre la bande de conduction ou la bande de valence et la bnnde de perturbation soit nettement plus grande que la probabilité de recombinaisons inter-bandes. 2. Diode laser selon la revendication 1, caractérisée 18 20 -"3 20 par une concentration maximale du dopage de 10 à 10 cm environ. 3. Diode laser selon l'une des revendications, 1 ou 2, caractérisée par un rapport de la concentration à la concentration minimale de plus de 10 : 1. 25 4. Diode 1'ser selon l'une des revendications 1,2 ou 3 caractérisée par une bande de perturbation à proximité de la limite de la bande de conduction et une bande de perturbation au voisinage de la tête de la bande de valence ( fig. 2 ) . 5. Procédé pour la fabrication d'une matière semicon-30 ductrice à dopage périodique pour une diode laser selon l'une des revendications 1, 2, 3 ou 4 caractérisée par le fait qu'en cas de dépôt épitaxial de la substance semiconductrice en phase gazeuse, on fait varier la concentration de la substance de dopage dans la phase gazeuse en fonction de la périodicité et de la 35 vitesse de croissance. 6. Procédé pour la fabrication d'une matière semiconductrice à dopage périodique pour une diode laser selon l'une des revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisé par le fait qu'en cas de dépôt épitaxial de la substance semiconductrice en phase 40 liquide, on fait varier dans le temps la vitesse de refroidisse- 71 35910 8 2110317 - ment en fonction de la périodicité et de ln vitesse de croissance . 7. Procédé pour la fabrication d1"ne matière semiconductrice à dopage périodique pour une diode Liser selon l'une 5 des revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisé par le fait qu'en cas de dépôt épitaxial de la matière semiconductrice en phase liquide, on donne à la vitesse de refroidissement, en fonction de la vitesse de la croissance cristalline, une valeur suffisante pour que les variations de dépôt qui se produisent coïncident 10 avec la périodicité requise. 8. Procédé pour 1- fabrication d'une matière semi-conductrice à dopage périodique pour une diode laser selon l'une des revendications 1, 2, 3 ou k, caractérisé par le fait que la matière semiconductrice est tirée de façon connue en soi 15 en forme de tige à partir de la matière en fusion, et qu'on fait tourner cette tige de matière centrée ou excentrée, à une vitesse qui est choisie de façon qu'au cours d'une révolution, la croissance cristalline progresse de la distance entre deux période du dopage. 20 9. Procédé pour la fabrication d'une matière semi- conductrice à dopage périodique pour une diode laser selon l'une des revendications 1, 2, 3 ou k caractérisé par le fait que la matière semiconductrice est soumise à un traitement selon le principe de la croissance en spirale.