Brevet FR2110393A1 — publié le 19720602

La présente invention concerne des perfectionnements aux lasers à injection à structure hétérogène ou hêtêrostructure GaAs - GaAIAs. Pour obtenir un fonctionnement en continu à la température la plus élevée avec un laser à injection, il faut utiliser une géométrie de construc-5 tien qui offre le meilleur circuit thermique pour extraire la chaleur de la jonction, et qui, simultanément, confine l'énergie optique et le courant injecté à voie région déterminée où les pertes optiques et les reccnfcinaisons perdues sont minimisées. On a trouvé que le meilleur rapport de l'extraction de chaleur à la création de chaleur, avec en conséquence élévation minimale 10 de la température, est obtenu quand le phénomène laser est confiné à un filament étroit. Par exerrple, tin tel filament aurait une largeur de moins de 5 micromètres en utilisant un puit de chaleur ou plaque de refroidissement en cuivre. La présente invention a pour objet une méthode permettant de réaliser le confinement filamentaire nécessaire en même temps qu'aine mesure 15 du confinement optique. Antérieurement, on réalisait le confinement du courant en adoptant une géométrie de bande dans laquelle le ocurant passe à travers un étroit contact métallique à la surface du semi-conducteur et en disposant la jonction g-n si près au-dessous du contact que l'on a un petit étalement de courant 20 dans la région intermédiaire, ou encore en disposant la jonction £-n dans une partie physiquement étroite de la structure. La première méthode souffre 30 II y a théoriquement deux méthodes pour remédier au problème des modes parasites. Dans l'une, le fini de surface des parois limites est soigneusement contrôlé de manière, d'une part, qu'il soit si peu régulier qu'il ne dcarne pas lieu à des réflexions particulièrement importantes, et, d'autre part, qu'il ne soit pas trop rugueux pour déformer de façon importante 35 les fronts d'onde des modes désirés. Dans l'autre méthode, les parois limites, qui peuvent être laissées optiquement plates, sont enrobées dans un matériau ayant un indice de réfraction qui ne soit pas inférieur de plus de 5% à celui du GaAs. Dans ce cas, l'angle critique à la paroi est d'au moins 72° et, ainsi, la somme de l'angle critique à la paroi limite et de l'angle critique à la 40 paroi d'extrémité est égale ou supérieure à 90°, avec pour conséquence qu'aucun 71 36690 2 2110393 mode résonant ne peut être entretenu par des réflexions totales internes. Cependant, aucune de ces méthodes de confinement de courant n'est particulièrement facile ou économique à réaliser en pratique. Suivant une caractéristique de l'invention, il est prévu un laser 5 à injection à hétërostructure à GaAs - GaAIAs conprenant une bande étroite dirigée dans le sens de l'axe optique de la cavité laser d'une de ses faces à l'autre, dans laquelle la jonction g-n est limitée, sur au moins un côté, par du GaAs, la bande étant flanquée de régions dans lesquelles la jonction est limitée des deux côtés par du GaAIAs. 10 La présente invention concerne une autre méthode de confinaient de courant dans laquelle on conpte sur le fait que, quand une jonction g-n coupe une jonction hétérogène ou hétérojonction, le rapport des densités de courant des composantes principales de courant, injecté dans les régions où la jonction g-n est dans les matériaux dont les écartements de bande 15 sont respectivement les plus hauts et les plus bas, est environ e où ôV est la différence d'énergie entre les écartements de bande des deux matériaux définissant 1'hétérojonction et où 0 = kT. La différence en énergie d'écart de bande entre le GaAs et le GaAIAs contenant 25 moles pour cent de AlAs est d'environ 0,2 eV, alors qu'à la température ordinaire M est d'environ 0,025 20 eV. Donc, dans le cas où une jonction g-n coupe une hétéroj onction entre ces deux matériaux, le courant à travers la jonction g-n est exclusivement confiné à la région où il se trouve dans le matériau à écart de bande plus faible. Si, cependant, la jonction gr-n ne pénètre pas réellement dans le GaAs, mais est simplement ccntiguë à 1'hétéroj onction, on peut montrer que le rapport des 25 densités de courant est environ divisé par deux. Néanmoins, la densité de courant dans la région de contact sera encore beaucoup plus grande que dans les régions où la jonction g-n est bordée des deux côtés par du GaAIAs. Donc, bien qu'il soit préférable que la jonction g-n ait une région qui soit bordée des deux côtés par du GaAs, il suffit qu'il y ait, au moins, 30 une région où la jonction g-n est bordée d'un côté par du GaAs. Dans les réalisations où la jonction g-n pénètre dans le GaAs, il est préférable de faire en sorte que la pénétration ne soit pas de plus de 1 à 2 micromètres, auquel cas la structure réalisée possède, dans la direction normale à la jonction, les propriétés de confinement favorables pour le porteur et le 35 mode optique d'une hétërostructure conventionnelle. Dans un dispositif pratique, la région dans laquelle la jonction g-n se trouve dans lë matériau à écart de bande plus faible est large d'environ 5 micromètres. L'invention sera mieux ccrrprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exenple non limitatif, en se reportant aux figures 40 annexées qui représentent : 71 36690 ^ 2110393 - la figure 1, me coupe d'un dispositif laser ayant vin filament de GaAs enrobé dans du GaAIAs ; - les figures 2a et 2b, des coupes de deux variantes de dispositifs laser à simple hétërostructure ; 5 - les figures 3a, 3b, 3c, 3d et 3e, des coupes de cinq variantes de dispositifs laser à double hétërostructure ; - les figures 4a et 4b, les distributions de potentiel et de porteurs avec la jonction g-n située respectivement dans le matériau à écart de bande d'énergie plias faible et dans celui où l'écart est plus grand, pour un 10 dispositif laser à sinple hétërostructure ; - les figures 5a, 5b et 5c, des distributions de potentiel et de porteurs avec la jonction p^-n située respectivement dans le matériau à écart de bande d'énergie plus faible et dans le matériau à écart de bande d'énergie plus grand de chaque côté du matériau à écart de bande d'énergie plus faible, 15 pour vin dispositif laser à double hétërostructure ; - la figure 6, une légende concernant les figures 1 à 3e. Tous les dispositifs qui vont maintenant être décrits, à l'exception du dispositif de la figure 1, sont fabriqués par croissance à partir d'une solution de type n, en faisant chaque fois que nécessaire changer le type de 20 conductivité d'une région devenant g en y diffusant du zinc. Le GaAIAs contient environ 25% de substitutions d'aluminium. La figure 1 montre un dispositif dans lequel un filament de GaAs 10 est enrobé dans une matrice support de GaAIAs 11. La diffusion de zinc, nécessaire pour réaliser la jonction g-n, est soigneusement contrôlée de 25 manière que la jonction g-n coupe le filament. Cette réalisation offre un très bon confinement optique ainsi qu'un confinement de courant car le filament est bordé de tous les côtés par un matériau d'indice de réfraction plus élevé. Cependant, la méthode utilisée pour la fabriquer n'est pas particulièrement facile. On l'obtient 30 par croissance d'un morceau de GaAIAs, en creusant un canal par attaque chimique, par croissance de suffisamment de GaAs pour remplir le canal ainsi formé, en polissant la surface pour enlever tout le GaAs hors du canal, par croissance d'une autre couche de GaAIAs et finalement en diffusant du zinc jusqu'à la profondeur voulue. 35 Dans une variante de réalisation, tous les points sont sertblables sauf que la croissance finale de GaAIAs est réalisée en présence de zinc de manière que ce matériau soit déposé sous la forme g. Dans ce cas, un peu de zinc diffuse au cours de la croissance ëpitaxiale dans le matériau sous-jacent, et en s'arrange pour que la position finale de la jonction g-n coupe 40 le filament de GaAs. Aucune étape séparée de diffusion de zinc n'est alors 71 36690 " 2110393 nécessaire. Les figures 2a et 2b montrent des variantes de lasers à hétërostructure simple. Dans le dispositif de la figure 2a, 1'hétérojonction est pratiquement plane tandis que la jonction g-n est pourvue d'une crête 5 renversée en pratiquant me encoche 20 à la surface supérieure avant de réaliser la diffusion de zinc. Dans le dispositif de la figure 2b, le GaAs est muni d'une crête centrale avant de faire réaliser par dessus la croissance du GaAIAs. La surface supérieure du GaAIAs est ensuite polie pour faire disparaître la crête, avant la diffusion du zinc de manière que, quand le 10 zinc est diffusé, on obtienne me jonction g-n pratiquement plane. Les figures 3a, 3b, 3c, 3d et 3e montrent des variantes de lasers à hétërostructure double. Dans le dispositif de la figure 3a, la crête renversée de la jonction grn est réalisée de la mène manière que celle de la figure 2a. De mène, dans le dispositif de la figure 3b, la crête dans 15 chacune des deux hétéroj onctions est réalisée de la mène façon que celle de la figure 2b, la surface supérieure étant de même polie avant de réaliser la diffusion de zinc pour obtenir me jonction p-n pratiquement plane. Dans le dispositif de la figure 3c,' on s'arrange pour que la jonction g-n coupe les deux hétéroj onctions ai formantme marche à la surface 20 supérieure avant de réaliser la diffusion de zinc. Ce dispositif se distingue donc de tous les autres dispositifs des figures 2a-b et 3a-e en ce que, dans ceux-là, la même hétérojonction est coupée deux fois par la jonction g-n. Dans tous les autres dispositifs, la diffusion de zinc est très critique, car il faut être sûr que la partie active de la jonction g-n est correctement 25 proche de la ou de chaque hétéroj onction pour produire le confinement de courant voulu. Dans le dispositif de la figure 3c, cependant, la diffusion est moins critique et il est facile de voir que l'effet d'une diffusion marginalement plus ou moins profonde ne fait que déplacer vers la gauche ou la droite la position de la jonction p-n dans le GaAs. 30 Les dispositifs des figures 3d et 3e sont analogues à ceux des figures 3a et 3b avec la différence que l'hétérojonction, qui n'est pas coupée par la jonction g-n, se trouve entièrement dans le matériau de type g dans les derniers dispositifs décrits tandis qu'elle était entièrement dans le matériau de type n dans les premiers. 35 Les distributions de potentiel et de porteurs, suivant les différentes positions des jonctions g-n et des hétërojonctions des dispositifs des figures 2a-b et 3a-e, sont représentées dans les figures 4a-b et 5a-c. Elles montrent comment le courant, dans ces différents dispositifs, est effectivement limité aux parties des jonctions g-n qui se trouvent dans le 40 matériau à écart de bande le plus étroit. Le comportement des lasers à 71 36690 s hétërostructure simple des figures 2a-b est représenté sur les figures 4a-b. La position des hétérojonctions est, dans ces figures, représentée par des lignes en traits tirets. La figure 4a montre la distribution obtenue dans la région où la jonction g-n se trouve dans le matériau à écart de bande faible quand 5 on applique un potentiel V juste suffisant pour faire déborder les populations d'électrons et de trous sur le côté g de la jonction en produisant dans cette région un courant élevé de reocnbinaison (représenté par la flèche 41). La figure 4b montre la distribution qui résulte dans les parties où la jonction g-n se trouve dans le matériau à écart de bande haut, dans les mânes conditions 10 de polarisation V. On peut voir là que le courant de reccrribinaison est négligeable (représenté par la flèche 42). Le comportement des lasers à hétërostructure double des figures 3a~e est représenté sur les figures 5a-c. Les figures 5a, 5b et 5c indiquent les distributions résultantes quand la jonction g-n est respectivement placée dans le matériau à écart de bande 15 faible, dans le matériau à grand écart de bande, en restant pour le GaAs dans la région de type g, et dans le matériau à grand écart de bande en restant pour le GaAs dans la région de type n. Dans la figure 5a où la jonction g-n se trouve dans le matériau à écart de bande faible, la tension appliquée V est suffisante pour faire déborder les populations d'électrons et de trous 20 des deux côtés de la jonction g-n en produisant m courant élevé de reconfoinaison (représenté par la flèche 51), tandis que dans les conditions représentées par les figures 5b et 5c, la mène tension appliquée V n'est pas suffisante pour faire déborder les porteurs d'une manière appréciable et, donc, le courant injecté (représenté par les flèches 52) est dans les 25 deux cas négligeable. Dans les dispositifs des figures 2a et 2b]e GaAs de type g est bordé en partie par une jonction g-n, tandis que le reste est bordé par le GaAIAs à écart de bande plus grand, et donc les électrons injectés dans cette région sont complètement confinés. D'autre part, le GaAs de type n 30 n'est pas bordé de la mate façcn, et donc pour les trous injectés il n'y a pas de confinement dans la direction normale à la jonction g-n. Cette absence de confinement de trous est résolu dans les lasers à hétërostructure double des figures 3a et 3b où le GaAs de type n est aussi limité par une hétéro-jonction. Ainsi, les dispositifs des figures 3a et 3b fournissent un confine-35 ment ccnplet des électrons et un confinement des trous dans la direction normale à 1 ' hétéro j onction. Le confinement des trous n'est pas couplet car ils peuvent diffuser transversalement. Le confinement des électrons et des trous des lasers à hétërostructure des figures 3d et 3e est analogue à celui des lasers des figures 3a et 3b, à ceci près que les rôles des électrons et 40 des trous sent inversés. Ainsi, an a un confinement couplet des trous, mais un 71 36690 6 confinement incomplet des électrons. Dans le laser de la figure 3c, à la fois, les trous injectés et les électrons-injectés sont confinés dans toutes les directions sauf une direction transverse (vers la gauche du dessin pour les électrons et vers la droite pour les trous). 5 L'indice de réfraction du matériau à faible écart de bande, le GaAs, est considérablement plus élevé que celui du matériau à grand écart de bande. Le GaAs de type £ a aussi un indice de réfraction légèrement plus élevé que celui du GaAs du type n. Cornue l'énergie optique tend à se confiner au matériau d'indice de réfraction le plias élevé, toutes ces structures de 10 lasers fournissent une mesure du confinement optique du côté £ de la jonction £-n et une plus grande valeur de confinement du côté à écart de bande faible d'une hétéro j onction. Dans chaque structure illustrée par les figures 2a, 2b, 3a ou 3b, il y a une régirai centrale de type £ de GaAs qui est bordée an partie par une hétérojoncticn tandis que le reste est bordé par une 15 jonction £-n. Cette région centrale de type £ peut donc supporter un mode optique qui est tenu serré sur le côté de l'hétérojoncticn et moins serré sur le côté de la jonction g-n. Dans le cas des hétérostructures doubles des figures 3a et 3b, le confinement sur le côté jonction p-n de la région de type £ est renforcé par la présence de la seconde hétérojoncticn sous-20 jaœnte. L'hétërostructure double de la figure 3c est plutôt moins efficace au point de vue confinement optique puisqu'il n'y a pas de barrière pour empêcher la lumière de s'étaler à travers le GaAs de type £ dans un sens transversal (vers la gauche du dessin). Les hétérostructures doubles des figures 3d et 3e sont même moins efficaces du point de vue confinement optique 25 car il n'y a pas de barrière pour empêcher la lumière de s'étaler à travers le GaAs de type £ dans les deux sens transversaux. Il est bien évident que la description qui précède n'a été donnée 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 36690 7 2110393 REVEMDICATICWS 1. Laser à 11 arsêniure de gallium à injection à hétërostructure GaAs - GaAIAs, caractérisé en ce qu'il comprend une bande étroite, dirigée dans le sens de l'axe optique de la cavité du laser d'une de ses faces à l'autre, dans laquelle la jonction p-n est bordée sur au moins un côté par 5 le GaAs, la bande étant flanquée de régions dans lesquelles la jonction p-n est bordée des deux dotés par du GaAIAs. 2. Laser à 1 ' arsêniure de gallium à injection à hétërostructure GaAs - GaAIAs, caractérisé en ce qu'une hétéro jonction qui est dirigée vers les deux faces d'extrémité en définissant la cavité optique du laser 10 s'étend aussi vers une autre face et est coupée deux fois par la jonction p-n du laser de manière à définir une bande étroite, dirigée dans le sens de l'axe optique de la cavité du laser d'une de ses faces à l'autre, dans laquelle la jonction p-n se trouve dans le GaAs, les côtés de la bande étant bordés par des régions dans lesquelles la jonction p-n se trouve dans le 15 GaAIAs. 3. Laser à injection suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'hétéro jonction est pratiquement plane et est pénétrée par une crête formée dans la jonction p-n. 4. Laser à injection suivant la revendication 2, caractérisé en ce 20 que la jonction p^-n est pratiquement plane et est pénétrée par une crête formée dans 1'hétérojonction. 5. Laser à injection suivant l'une quelconque des revendications 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que le GaAs est pris en sandwich entre deux hétérojonctions dont une seule est coupée par la jonction p-n. 25 6. Laser à injection suivant la revendication 5, caractérisé en ce que l'hétérojoncticn qui n'est pas coupée par la jonction p-n se trouve dans le matériau de type n. 7. Laser à 1'arsêniure de gallium à injection à hétërostructure double GaAs - GaAIAs, caractérisé en ce qu'il coitprend une couche de GaAs 30 prise en sandwich entre deux couches de GaAIAs et une jonction p-n qui coupe les deux hétéro jonctions de manière à définir une bande étroite dirigée dans le sens de l'axe optique de la cavité du laser d'une de ses surfaces à l'autre, la jonction p-n se trouvant dans le GaAs. 8. Laser à injection suivant la revendication 5, caractérisé en 35 ce que les deux hétérojonctions sont pratiquement planes et que l'une d'entre elles est pénétrée par une crête formée par la jonction p-n. 9. Laser à injection suivant la revendication 5, caractérisé en ce 71 36690 que la jonction g-n est pratiquenent plane et est pénétrée par une crête formée par une des hétéro jonctions. 10. Laser à injection suivant la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que 11hétérojonction qui n'est pas coupée par la jonction g-n se trouve dans le matériau de type n.