Brevet FR2110437A1 — publié le 19720602

La présente invention concerne des perfectionnements aux lasers à injection à structure hétérogène GaAs - GaAlAs. Suivant la présente invention, il est prévu vin laser à injection à structure hétérogène GaAs - GaAlAs qui comprend une couche de GaAs placée 5 entre deux couches de GaAlAs, la couche^de GaAscontenant la jonction p_—n du laser, et dans lequel au moins une desdites couches de GaAlAs se compose d'une couche intérieure de GaAlAs recouverte par une couche extérieure de GaAlAs qui contient un plus grand pourcentage da AlAs par mole que la couche intérieure. 10 De préférence le laser est pourvu de couches intérieures et extérieures de chaque côté de la couche de GaAs. Les couches extérieures de GaAlAs peuvent être recouvertes par des couches de GaAs. Dans un laser classique à injection et double structure hétérogène GaAs - GaAlAs, qui ne comprend qu'une seule couche de GaAlAs de chaque côté 15 de la couche de GaAs, la lumière produite est guidée entre les deux jonctions hétérogènes. Le volume de la région active, où a lieu la recombinaison, peut être réduit en diminuant l'épaisseur de la couche de GaAs contenant la jonction p-ii et, dans ce cas, la densité des porteurs injectés pour tout 20 courant donné est augmentée en conséquence en donnant lieu à une réduction de la densité de courant du seuil d'effet laser. Comme les couches de GaAlAs sont électriquement en série avec la jonction p-n, il vaut mieux qu'elles soient en matériau de rësistivité électrique faible. On obtient cette faible rêsistîvitë par un dopage de concentration assez élevée, mais qui entraîne 25 une perte optique relativement grande. Il vaut donc mieux prévoir les propriétés de guidage optique du laser de manière que l'énergie optique soit transmise en mode très serré et soit confinée presque exclusivement à la couche de GaAs. Ce résultat est atteint en utilisant un pourcentage relativement grand de molécules de AlAs dans les couches de GaAlAs en réduisant ainsi 30 leurs indices de réfraction à des valeurs largement inférieures à celle de l'indice de la couche de GaAs. Cependant si l'épaisseur de la couche de GaAs devient largement inférieure à environ 0,5 micromètre, le matériau GaAs ne peut plus supporter l'augmentation importante d'énergie optique. Ainsi avec une structure hétérogène double classique, toute réduction du niveau de seuil 35 d'effet laser obtenue en diminuant l'épaisseur de la couche de GaAs au-dessous d'une certaine valeur est entièrement compensée par l'augmentation de ce seuil due au fait qu'une plus grande partie de l'énergie optique doit être transmise à travers un matériau ayant des pertes plus grandes. Suivant la présente invention, l'utilisation de couches intérieures 40 et extérieures de GaAlAs apporte une solution à ce problème en ce qu'il y 71 36692 2 2110437 est prévu un guide optique plus large que la région active. Dans certaines applications, on peut avoir avantage à utiliser une structure avec une largeur de guide optique plus large que celle qui serait simplement nécessaire pour réaliser un bon confinement de la lumière dans les régions relativement sans perte de la structure. Cela est dû au fait que la lumière à la sortie du laser a une directivité d'autant plus grande que la largeur du guide optique est plus grande, et que la directivité est un élément important, par exemple, dans les cas où la lumière de sortie doit entrer dans un guide d'ondes optiques.Les couches intérieures de GaAlAs sont prévues avec un taux de dopage faible et, par conséquent, des pertes optiques faibles. Ce dopage faible entraîne pour ces couches une rêsistivité relativement élevée. C'est pourquoi on les fait aussi minces que possible en fonction de la largeur totale de la couche intérieure de GaAlAs et de la couche de GaAs nécessaire pour traiter l'ensemble de l'énergie optique. Les pourcentages relatifs en molécule de AlAs dans les couches intérieures et extérieures de GaAlAs sont choisis, d'une part, de manière à avoir une différence suffisante d'écart de bandes entre la couche de GaAs et la couche intérieure de GaAlAs et à réaliser un confinement convenable des porteurs injectés dans la couche de GaAs, et, d'autre part, de manière à avoir une différence aussi grande que possible entre les indices de réfraction des couches intérieures et y extérieures en évitant ainsi un étalement inutile de l'énergie optique dans le matériau des couches extérieures de GaAlAs. Il est alors possible de fabriquer les couches extérieures en GaAlAs en. matériau à dopage relativement élevé pour réduire au minimum leurs résistivités électriques. Théoriquement les couches extérieures de GaAlAs ne devraient pas être plus épaisses que nécessaire pour contenir l'énergie optique dans les couches intérieures et devraient être directement posées sur un puits de chaleur de conductivité thermique élevée. Cela présente des difficultés pratiques, particulièrement en ce qui concerne le contact à établir avec un matériau contenant une grande proportion d'aluminium. C'est pourquoi les couches de GaAlAs peuvent être recouvertes d'autres couches de GaAs qui ont une rêsistivité électrique moindre et une rêsistivité thermique très inférieure à celle du GaAlAs. Cela permet l'utilisation de couches extérieures de GaAlAs beaucoup plus fines et on peut donc avoir un matériau de plus grande rêsistivité constitué par un matériau légèrement dopé apportant un minimum de pertes optiques. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux figures annexées qui représentent : - les figures la, 2a, 3a et 4a, des coupes de quatre exemples de réalisation différents ; 71 36692 3 2110437 - les figures lb, 2b, 3b et 4b, les diagrammes d'énergie correspondant aux réalisations précédentes ; - les figures le, 2c, 3c et 4c, leurs profils d'indice de réfraction ; 5 - les figures ld, 2d, 3d et 4d, les distributions d'énergie optique ; - les figures Je, 2e, 3e et 4e, leurs profils de concentration en porteurs. La figure la représente un laser à injection comprenant une région 10 active sous la forme d'une couche 10 de GaAs contenant une jonction ]3-n. Cette couche de GaAs est limitée par deux couches intérieures 11 et 12 de GaAlAs contenant à peu près 5% en moles de AlAs. Ainsi une jonction hétérogène ayant une différence d'écart de bande d'environ 0,07 eV est obtenue entre la région active 10 et chacune des couches intérieures 11 et 12, avec pour 15 résultat un confinement convenable des porteurs injectés dans la couche 10. La concentration des porteurs des couches intérieures 11 et 12 est inférieure 17 3 â 5 x 10 porteurs/cm de manière à n'avoir qu'une faible absorption des porteurs libres. L'épaisseur totale des trois couches 10, 11 et 12 dépasse un peu 1 micromètre. Elles sont recouvertes par les couches extérieures 13 20 et 14 de GaAlAs contenant un plus grand pourcentage de AlAs de l'ordre de 18 3 10 à 35% et environ 2 x 10 porteurs/cm . Le dispositif est fabriqué sur un substrat 15 et son côté opposé est en contact avec un puits de chaleur, non montré. On peut supprimer une des couches intérieures de GaAlAs sur la 25 structure précédente sans diminuer sensiblement les performances, particulièrement si le guide optique formé par la région active et la couche intérieure restante de GaAlAs est relativement étroit. Une telle structure est représentée par la figure 2a où la couche 12 a été supprimée si bien qu'il y a en moins une couche du côté de la région active proche du puits de chaleur, placé du .30 côté opposé au substrat 15. Théoriquement, les couches extérieures en GaAlAs pourraient n'être pas plus épaisses que nécessaire pour contenir l'énergie optique résiduelle non transmise par les couches intérieures. Cette valeur est pratiquement d'environ 0,5 micromètre. Cela est trop fin pour pouvoir réaliser 35 un couplage direct avec un puits de chaleur à cause des difficultés rencontrées dans les contacts. C'est pourquoi les couches extérieures des structures des figures la et 2a sont beaucoup plus épaisses. On peut surmonter ce problème en recouvrant les couches extérieures de GaAlAs par d'autres couches de GaAs. La figure 3a montre une structure de ce type. En principe la structure de la 40 figure 3a ne diffère de celle de la figure la que par la présence de couches 71 36692 4 2110437 extérieures supplémentaires 16 et 17 de GaAs dont les conductivités électrique et thermique sont plus grandes que celles des couches 13 et 14. Il y a toutefois une autre différence en ce que les couches 13 et 14 peuvent être Beaucoup plus minces et avoir une épaisseur de l'ordre de 0,2 à 0,5 5 micromètre. En raison de cette finesse, la perte optique du dispositif peut être encore réduite en leur donnant le même taux de dopage que celui des couches intérieures 11 et 12 sans apporter au dispositif complet une résistance électrique excessive. On peut utiliser dans le même but une couche supplémentaire de 10 GaAs pour améliorer les performances de la structure de la figure 2a. La figure 4a représente une structure semblable à celle de la figure 2a, mais modifiée par l'addition d'une couche extérieure unique 17 de GaAs du coté de la région active en GaAs la plus proche du puits de chaleur. Il est bien évident que la description qui précède n'a été donnée 15 qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être envisagées sans sortir pour autant du cadre de l'invention. 71 36692 2110437 REVENDICATIONS " 1. Laser à injection à structure hétérogène GaAs - •- -GaAlAs comprenant une couche de GaAs placée entre deux couches de GaAlAs., la couche de GaAs contenant la jonction £-n du laser, caractérisé en ce que,Tau moins, une desdites couches de GaAlAs forme une couche intérieure de GaAlAs qui est 5 recouverte par une couche extérieure de GaAlAs contenant un plus grand pourcentage en moles de AlAs que ladite couche intérieure. 2. Laser à injection suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les deux couches de GaAlAs entre lesquelles est placée la couche de GaAs forment les couches intérieures de GaAlAs qui sont recouvertes par des 10 couches extérieures de GaAlAs contenant un plus grand pourcentage en moles de AlAs que leurs couches intérieures respectives. 3. Laser à injection suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdites couches sont soudées à un puits de chaleur par l'intermédiaire d'une couche supplémentaire de GaAs.