Brevet FR2117944A1 — publié le 19720728

kkqkl 1 21179^ La présente invention concerne des lasers à semi-conducteurs et plus particulièrement des lasers à injection à semi-conducteurs à contacts en forme de bande, dont les seuils sont abaissés. Depuis l'apparition des lasers à semi-conducteurs, des oher-5 cheurs ont cherché à les faire fonctionner en ondes entretenues (OE) à la température ambiante. Une des difficultés rencontrées était la suivante: des pertes optiques importantes, associées à un gain limité conduisait à des seuils, à la température ambiante d'émission laser, correspondant à une densité de courant prohibi- p 10 tive, par exemple d'environ 40 000 A/cm . Par conséquent, la dzr-ficulté fondamentale est l'impossibilité de dissiper suffisamment vite la chaleur engendrée dans le petit volume de la jonction avant que la température ne s'élève à un point tel que le semiconducteur soit endommagé. Pour remédier à cette difficulté tout 15 en obtenant néanmoins un fonctionnement en ondes entretenues or. avait eu recours, jusqu'à une époque récente, au fonctionnement à des températures très basses (de l'ordre de 77°K) pour lesquelles les seuils sont beaucoup plus bas, par exemple d'environ p 1 000 A/cm et par conséquent l'échauffement est considérablement 20 réduit. Plus récemment, I.Hayashi et ses collaborateurs on^signaïé/ Applied Physics Letters, 17, 109 (1970) ,un fonctionnement satisfaisant en ondes entretenues à la température ambiante dans un laser à injection à double diode à structure hétérogène. Ce lassr qui constitue une partie de la demande de brevet français 25 N° 71 15601,/^0 avril 1971 déposée par la Demanderesse comprend une région active à intervalles étroits entre bandes énergétiques disposée entre des régions à intervalles plus larges entre banâ-sa énergétiques de conductivité opposée. Le laser à double diode à structure hétérogène est caractérisé non seulement par .des seuils p 30 plus bas à la température ambiante (par exemple 1000 A/cru ), mais par une moindre variation des niveaux i&s seuils en fonction de la température, principalement à la suite de l'effet du confinement des porteurs dans la région active étroite. Il est avantageux , avec le laser classique à diodes et le 35 laser amélioré à double diode à structure hétérogène d'utiliser un contact électrique en forme de bande pour la région p afin de bénéficier des avantages bien connus de la commande par mode transversal et des caractéristiques thermiques améliorées. Bien qu'un tel contact en forme de bande tende à limiter l'émission 71 hk043 2117944 laser dans la région de la jonction à faibles pertes autour du contact, des parties de queue du champ optique du mode (de Gauss) le plus bas sortent de cette région en direction des régions à pertes élevées à son contact immédiat. Etant donné que ces par-5 ties de queue donnent lieu à des pertes élevées dans les régions adjacentes, le seuil effectif d'émission laser est supérieur à ce qu'il serait si les régions voisines étaient des régions de fai-ble^ertes optiques. L'invention a pour objet de réduire les pertes optiques 10 dans les régions des jonctions des diodes laser à bandes de contact voisines des bandes de contact pour émission laser. Selon la présente invention, un laser à injection à semiconducteur, à contacts en forme de bande, comprend au moins un contact de commande en forme de bande placé parallèlement et à 15 une certaine distance du contact actif normal d'.émission laser. Le courant est maintenu au-dessus du seuil dans le contact pour émission laser, tandis qu'il est maintenu au-dessous de ce seuil dans la bande de commande, ce qui a pour conséquence que les pertes optiques dans les régions adjacentes au contact d'émission 20 laser sont réduites et par conséquent ce seuil est baissé. La manière dont les pertes optiques sont réduites est expliquée succinctement ci-après. Dans les diodes classiques, une faible partie du courant de pompage circule dans les régions adjacentes au contact d'émission laser et il n'y a par conséquent 25 dans ces régions aucune inversion de population entre les bandes énergétiques de valence et de conduction. Par conséquent, les queues du champ optique qui s'y trouvent font passer des électrons de la bande énergétique de valence à la bande de conduction en les excitant par absorption, ce qui est une forme de perte op-;50 tique. Le taux d'absorption est proportionnel au nombre d'électrons ainsi excités. Cependant, quand le laser comprend des contacts de commande en forme de bande, une grande partie des électrons de la bande énergétique de valence dans les régions adjacentes est excitée - et passe dans la bande de conduction - par 35 le courant de commande circulant dans ces régions; par conséquent il reste , dans la bande énergétique de valence, moins d'électrons susceptibles de provoquer une absorption optique. On notera que le courant dans les bandes de commande doit être maintenu au-dessous du seuil afin de bénéficier de ces avantages, sinon 71 44043 2117944 la diode fonctionnerait comme un laser simple à large bande de contact au lieu de comporter une bande de contact étroite et par conséquent ne bénéficierait pas des avantages bien connus des lasers à contacts par plusieurs bandes en ce qui concerne le mode 5 de commande et les caractéristiques thermiques. En fait, il est préférable d'utiliser deux bandes de commande parallèles à raison d'une de chaque côté de la bande d'émission laser afin de réduire les pertes optiques dans les régions de pénétration des deux queues du champ optique à distri-10 bution de Gauss. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront de la description détaillée qui va suivre, faite en regard du dessin annexé et donnant à titre explicatif, mais nullement limitatif, plusieurs formes de réalisation conformes à l'invention. 15 Sur ce dessin : la figure 1 est une vue par dessus d'une diode laser selon un exemple de réalisation de l'invention; la figure 2 est une vue de côté de la diode de la figure 1 et comporte des exemples de circuits de raccordement à celle-ci; 20 la figure 3 est une vue de côté de la diode de la figure 1, montée sur un refroidisseur, représenté à titre d'exemple. Les figures 1 et 2 représentent une réalisation préférée de l'invention, qui comprend une diode "lû laser à semi-conducteurs, comportant des régions contiguës p 12 et n 14 dont l'en-25 semble forme une jonction p-n 16. Un contact métallique 18 est placé contre la partie inférieure de la région n 14 tandis qu'une bande de contact électrique 20 active, ou d'émission laser, est déposée à la partie supérieure de la région p 12 et que deux contacts électriques en forme de bandes parallèles, 22 et-24, uti-30 lisés pour la commande, sont placés de part et d'autre du contact 20 d'émission laser. Les faces d'extrémité 26 et 28 sont en général planes, obtenues par clivage ou finies avec un poli optique, et perpendiculaires à la jonction 16 pour former un résonateur à cavité optique destiné à entretenir le rayonnement cohérent en-35 gendré dans la jonction. Une de ces faces d'extrémité a un pouvoir réflecteur très voisin de 100$ tandis que l'autre est partiellement transparente pour extraire le rayonnement cohérent. Comme l'indique la figure 2, une source 30 est branchée entre la bande 20 d'émission laser et le contact 18 pour appliquer 71 44043 2117944 un courant direct 1^ de polarisation supérieur au seuil I^. d'émission laser. De plus, des sources 32 et 34 sont branchées respectivement entre les bandes de contact 18 et de commande 22 et 24, afin d'appliquer des courants de polarisation Ig et 1^, 5 respectivement, dont chacun est inférieur à It (si l'on admet pour l'instant que les contacts ont la même longueur et la même largeur). Dans la suite de la discussion, on admet que les paramètres du laser, y compris le courant 1^ de pompage et la largeur de la 10 bande 20 d'émission laser sont choisis de manière que le laser 10 oscille uniquement sur son mode fondamental transversal. Par conséquent, la distribution du champ optique suivant l'axe transversal du résonateur, dans la région de la jonction, est du type de Gauss comme l'indique la courbe 36 de la figure 2. On 15 notera que cette courbe de Gauss 36 est tracée uniquement par commodité dans la région p 12, il va de soi que, en fait, le champ optique est essentiellement limité uniquement à la région de la jonction. Etant donné l'étalement du courant au-dessous du contact 20 20,1a diffraction et les phénomènes analogues, le champ optique n'est pas limité à la région 38 de la jonction, au-dessous du contact 20, et il pénètre dans les régions 40 et 42 adjacentes à pertes élevées. Gomme on l'a vu ci-dessus, les régions 40 et 42 sont des régions de forte absorption optique et par conséquent 25 les pertes qui s'y produisent contribuent de façon appréciable à l'élévation du niveau de seuil du laser. Par conséquent, on propose pour abaisser ce seuil, de placer les bandes de commande 22 et 24 à proximité immédiate de la bande 20 d'émission laser et juste au-dessus des régions 40 et 30 42 de la jonction dans lesquelles pénètrent les queues du champ optique. En maintenant les courants dans les bandes 4e commande inférieur a un niveau inférieur a celui de seuil, c est-à-dire/au niveau nécessaire pour donner un gain effectif dans les régions 40 et 42, mais suffisant pour réduire au voisinage de zéro les pertes 35 dans ces régions, l'ensemble des pertes optiques de la diode est réduite et par conséquent le seuil est abaissé. Un abaissement des seuils réduit évidemment l'échauffement de la jonction qui est particulièrement avantageux pour le fonctionnement en ondes entretenues des diodes laser à la température 71 44043 2117944 ambiante. Dans une de ces diodes laser 10 (figure 3) le contact 18 est lié à un losange métallisé/fpar exemple étamé) de grand-; conductivité thermique, monté sur un refroidisseur 52 en cuivre étamé. Etant donné la difficulté d'étamer entièrement le loy^ag-5 50, on peut utiliser des fils d'or 56 et 5c? (d'environ 25 lierons de diamètre) pour relier la surface supérieure 54 étamée du losange au refroidisseur 52. La diode laser 10 est par exemple du type à double ture hétérogène pour laser à jonction, qui fonctionne en 10 entretenues à la température ambiante, de la manière décrite cixiï la demande de brevet français n° 71 15^01 précitée. Cette diode est constituée en général par une mince couche de GaAd du typs p (au maximum environ un micron d'épaisseur) intercalée entre des couches du type p et du type n du composé Ga1 Al As à intervalle «• I "*A X 15 plus large entre bandes énergétiques, d'épaisseurs voisines à-2 1,1 micron et 5 microns, respectivement. Ces diodes peuvent êcre fabriquées par une technique d'épitaxie en phasçliquide décrite dans la demande de brevet français n° 71 12977., déposée le 13 avril 1971 au nom de la Demanderesse. On se reportera également, 20 à ce sujet, aux Applied Physics Letters, 17, 109 (1970)• Avant de déposer le métal pour former les bandes de contact, qui peuvent être délimitées par des procédés classiques de photolithographie, on diffuse par exemple un dopant tel que le zinc dans le composé Ga. Al As du type p pour former une couche p+ très 25 mince (par exemple 0,2 micron d'épaisseur) pour réaliser un contact ohmique. Ensuite, la diode est reliée à un refroidisseur du type décrit ci-dessus à propos de la figure 3. Des diodes réalisées par ce procédé fonctionnent conti- O nûment à la température ambiante (par exemple avec X = 8858 A) 30 avec des seuils en ondes entretenues d'environ 0,3 A ( 6000 A/caf"} pour une bande d'émission laser de 13 microns de large sur 400 microns de long, la largeur de la diode est d'environ 80 microns et son épaisseur, y compris un substrat de GaAs du type n est voisine de 150 à 175 microns. Les bandes de commande, par exemple 35 de 3 à 10 microns de large et 400 raierons de long, écartées des bandes d'émission laser d'une distance de 2 à 5 microns sont ajoutées à la diode à bande unique. Pour abaisser le seuil au- p dessous de 6 000 A/cm , le courant dans les daux bandes doit t-tre maintenu à une valeur telle que la densité de courant au-dessous 71 44043 2117944 p des bandes de commande soit inférieure à 6 000 A/cm . Par conséquent, si ces bandes de commande ont la même surface que les bandes d'émission laser, le courant dans ces bandes de commande doit ?tre inférieur à 0,3 A dans le présent exemple. Cependant, si 5 les bandes de commande sont plus étroites (par exemple 6 microns) que la bande d'émission laser, alors le. courant- de commande doit être réduit en conséquence (par exemple inférieur à 0,15 A). Plusieurs bandes de contact actives pour émission laser peuvent être intercalées à la manière de deux peignes,avec les 10 bandes de commande en vue de réduire les pertes optiques entre les bandes d'émission laser. Il est également possible de réduire, dans un milieu semi-conducteur approprié, les pertes optiques dans les régions voisines des bandes d'émission laser par des moyens autres que les 15 bandes de commande parallèles sus-mentionnees, par exemple en élargissant l'intervalle entre bandes énergétiques dans ces régions par implantation d'ions, ou par diffusion d'impuretés. De plus, ces diodes émettent par auto-induction des impulsions aux hyperfréquences, décrites par J„E.RIPPER et T.L,PA0LI 20 dans un article intitulé ""Coupled Longitudinal Mode Pulsing in Semiconductor Lasers".Physics Review Letters, 22, 1085,(26 Mai .1969). Il va de soi que la présente invention a été décrite ci-dessus à titre purement indicatif, mais nullement limitatif et 25 que l'on pourra lui apporter toutes modifications de détail conformes à son esprit sans sortir de son cadre. 71 44043 2117944 revendications 1 - Laser à injection à serai -conducteurs, qui comprend un milieu semi-conducteur actif comportant une jonction plane p-r. afin d'engendrer un rayonnement cohérent dans le plan de ladite 5 jonction, des éléments pour réaliser un résonateur optique, dont l'axe optique est parallèle à ladite jonction et qui contient ledit milieu, afin d'entretenir ledit rayonnement, et au moins un contact électrique en forme de bande pour l'émission laser, placé sur une grande face dudit milieu, parallèlement à ladite 10 jonction, la grande dimension desdits contacts étant orientée parallèlement à l'axe optique dudit résonateur, et un courant direct de polarisation étant appliqué auxdits. contacts d'émission laser de manière que la densité du courant de ladite jonction au-dessous dudit contact d'émission laser dépasse celle né-15 cessaire pour obtenir un gain net afin de provoquer l'émission dudit rayonnement cohérent, caractérisé en ce qu'au moins un contact électrique de commande en forme de bande est placé sur ladite grande face dudit milieu, parallèlement à ladite bande de contact d'émission laser, de manière que l'application auxdits 20 contacts de commande d'un courant de polarisation direct tel que la densité de courant dans ladite région soit inférieure à celle nécessaire pour obtenir un gain net dans ladite région, provoque une diminution des pertes optiques dans la région de ladite jonction au-dessous dudit contact de commande. 25 2 - Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux contacts de commande en forme de bande , parallèles à un contact en forme de bande pour émission laser, et un desdits contacts de commande en forme de bande est placé de chaque côté dudit contact à émission laser en forme de bande. 30 3 - Laser selon l'une des revendications 1 et 2, carac térisé en ce qu'il comprend un refroidisseur couplé thermiquement audit milieu pour dissiper la chaleur engendrée dans ladite jonction. 4 - Laser selon l'une quelconque des revendications 1, 2 35 et 3, caractérisé en ce que la diode formée par ladite jonction est constituée par une mince couche de GaAs du type p intercalée entredes couches des types p et n du composé Ga., Al As à in- * •" tervalle plus grand entre bandes énergétiques. 5 - Laser selon la revendication 4, caractérisé en ce 8 71 44043 2117944 qu'un dopant est diffusé dans le composé p-Ga1 Al As pour i ™X X former une couche très mince du type p+ afin de réaliser un contact ohmique.