Brevet FR2233729A1 — publié le 19750110

La présente invention concerne des perfectionnements aux dispositifs à semi-conducteurs, et notamment à des lasers à semi-conducteurs à pompage électrique, qui peuvent être utilisés pour produire un rayonnement cohérent. De telles sources s'utilisent par exemple dans les systèmes de télécommunication, dans la technique de calcul et dans différents domaines de ltopto- électronique. On connait d'une façon générale des lasers à semi-conducteurs réalisés à base d'un cristal de semi-conducteur à structure multicouches composé de couches à divers types de conduction. Selon la conception de la structure, l'une des couches est capable de produire une émission stimulée de la lumière lorsqu'une polarisation en tension directe est appliquée à la structure dans son ensemble. On appelle habituellement cette couche une zone active du laser. Ce sont les faces du cristal semi-conducteur, constituant un résonateur de Pérot et Fabry, qui servent de cavité dans un tel laser. Normalement on réalise une structure multicouches à base d'un matériel semi-conducteur, caractérisé par son pouvoir élevé en ce qui concerne la recombinaison radiative lors de 1'in- jection des paires lectron-trou; ainsi, par exemple, on utilise Ga As (arséniurefde gallium), Ga P (phosphure de gallium), In As (arséniure indium). Actuellement, ce sont les structures semi-conductrices à trois couches à hétérojonctions et ayant des couches alternant à différents types de conduction, par exemple de conduction p±p-n ou n±n-p, qui ont trouvé leur application la plus répandue Dans un cristal ayant une structure à trois couches, la couche active, c'est à dire émettant un rayon lumineux, est celle du milieu qui présente la conduction du type "p" ou "n".Cette couche est comprise entre-deux couches semi-conductrices à conductions opposées, et, ordinairement, la largeur de sa zone interdite est inférieure à celle de la zone interdite de ses couches adjacentes. Comme il a été déjà dit plus haut, la couche active émet un rayon lumineux lorsqu'une tension de polarisation directe s'applique au cristal. Afin d'exciter un tel laser à semi-conducteur, il est nécessaire de disposer d'un dispositif de commande spécial comprenant des diodes à semi-conducteurs, des thyristors et des transistors, ce qui augmente les dimensions de ces dispositifs faisant usage du laser en question. En plus, un tel laser à semi-conducteur ne peut pas être utilisé comme élément de mémoire ou comme élément de commutation, car la structure à trois couches présente une caractéristique tension courant de diode classique. Le but de l'invention est de réaliser un tel laser à semi-conducteurs dont la caractéristique tension courant présenterait une partie à résistance négative, ce qui permettrait de simpliìer notablement lé circuit de pompage électrique et d'en réduire les dimensions, ainsi que d'appliquer un tel laser comme élément de mémoire ou comme élément de commutation dans différents systèmes électroniques logiques. Le problème est résolu grâce au fait que, dans un laser à semi-conducteurs à pompage électrique comprenant un cristal à semiconducteurs à hétérojonctions ayant des couches de divers types de conduction, dont l'une se situe dans le résonateur optique et est comprise entre deux couches de semi-conducteurs de conductions opposées ayant la largeur de leur zone interdite supérieure à celle de la zone interdite qu'elles renferment, cette couche de milieu émettant un rayonnement lumineux lorsqu'unie tension de polarisation directe-est appliquée au cristal, selon l'invention le cristal représente une structure à cinq couches dont les couches extérieures sont à conductions opposées et à l'une des couches extérieures de laquelle est directement adjacente une couche qui émet un rayonnement lumineux, cette couche étant séparée de l'autre couche extérieure par deux couches ayant les conductions opposées et placées de façon qu'une couche adjacente à L'autre couche extérieure sus-mentionnée possède un type de conduction inverse du type de conduction de cette dernière. L'application dans le laser à semi-conducteur, d'un cristal ayant une structure à cinq couches dont les couches sont disposées de manière ci-dessus, assure l'obtention sur la caractéristique tension courant d'une partie de résistance négative, ce qui permet d'utiliser le laser comme élément de mémoire ou comme élément: de commutation, ainsi que de simplifier le circuit de pompage électrique du laser. L'invention va être explicitée dans la description d'un exemple de mise en oeuvre de laser à semi-conducteurs, en se référant aux dessins, où la figure 1 représente schématiquement en coupe le laser à semi-conducteur selon l'invention; la figure 2 représente le laser selon l'invention branché sur une source d'alimentation; la figure 3 montre la caractéristique tension courant du laser selon l'invention. le laser à semi-conducteurs (fig. 1) à pompage électrique est réalisé avec du Ga As (arséniure de gallium) ét du AlxGal x As. Le cristal à semi-conducteurs comporte cinq couches monocristalines. Les couches 1 et 2 représentent des couches de semi-conducteur en solution solide Alx1,2Ga1-A1,2As. Après le dopage de ces couches i et 2 avec des impuretés appropriées, ces couches présentent respectivemeht les conductions n et p. La valeur X1,2 qui détermine la teneur en aluminium dans la solution solide peut varier de O à 0,5. La couche 3 est réalisée à base de Alx3Gal X3 As et présente la conduction du type n. La valeur X3 peut varier entre 0,05 et 0,5.La couche 4 est réalisée à base de Aix4 Gal X4 As et présente la conduction du type p. Puisque la couche 4 est la couche active, la largeur de sa zone interdite doit être inférieure à celle de la zone interdite des couches 3 et 5. Dans ce qui suit cette couche est désignée Ro La valeur o X4 peut varier de O a' 0,37. La couche 5 est réalisée à base de Alx Ga. As, la valeur X5 pouvant varier entre 0,05 et 0,5. En adoptant Mes valeurs X3, X4 et X5 on doit obligatoirement respecter le rapport X3=X5)X4 ce qui permet de respecter la condition selon laquelle la largeur de la zone interdite des couches 3 et 5 est supérieure à celle de la zone interdite de la couche 4. Le cristal à semi conducteurs décrit présente une structure à cinq couches n-p-n-pO-p Ainsi le cristal à semi-conducteurs présente les couches extérieures 1 et 5 à conductions opposées à l'une desquelles, notamment à la couche 5, est adjacente la couche 4 qui émet un rayonnement lumineux. Cette couche 4 est séparée de l'autre couche extérieure 1 par l'intermédiaire de deux couches 2 et 3 à conductions opposées. La couche 2 adjacente å la couche extérieu- re représente une conduction inverse à celle de cette dernière. Les couches 1 et 2, 2 et 3, 3 et 4, 4 et 5 oenstituent respectivement-les hétérojonctions 6,7, 8 et 9. La structure que l'on vient de décrire, d'un cristal à semiconducteurs, peut être fabriquée en un cycle technologique unique en faisant croitre progressivement des couches monocristalli nes 1, 2, 3, 4 et 5 sur un substrat en arseniure de gallium mono-cristallin par le procédé d'épitaxie à partir d'une phase liquide ou d'une phase gazeuse, le substrat étant choisi tel, qu'un plan sur lequel commence la croissance des couches ait une orientation (III), (TTT) ou (IOO). Afin de sortir le rayonnement lumineux de-la couche 4 et d'assurer la cohérence du rayonnement lumineux, on fait usage d'une cavité du type des cavités de Pérot-Fabry. Les surfaces réfléchissantes de cette cavité sont les surfaces de miroir 10 et il du cristal à semi-conducteurs, lesquelles sont perpendiculaires à l'axe de propagation du rayonnement lumineux stimulé le long de la couche 4. Ces surfaces 10 et 11 sont formées par une taille du cristal suivant sa face cristallographique qui- est perpendiculaire au plan d'orientation du substrat où l'on commence la croissance des couches monocristallines 1-5. Aux couches 1 à 5 sont reliés par tout moyen connu des contacts ohmiques permettant d'appliquer une tension de polarisation directe au cristal, comme cela est montré sur la figure 1 avec "+" et "-". Le fonctionnement du laser à semi-conducteur décrit plus haut est le suivant. L'application d'une tension de polarisation directe au cristal semi-conducteur- du laser fait conduire les hé,térojonc- tions émettrices 6, 8 et 9 et bloque la jonction de milieu 7 qui est la jonction collectrice. Pour la valeur déterminée de la tension indiquée qu'on appelle celle de commutation, l'in- jection des porteurs de courant minoritaires dans les couches de base 2 et 3~amène une chute brusque de la résistance dans la jonction collectrice 7 et un accroissement du courant.Ce processus se passe en avalanche et finit par faire conduire la jonction collectrice 7 et par passer dans un régime qui est pareil au fonctionnement d'une jonction p-n unique dans le sens de conduction, c'est-à-dire que la structure à semi-conducteurs se trouve commutée à partir de l'état correspondant à sa haute résistance à l'état caractérisé par une basse résistance, et cela correspond à l'apparition de la partie Il de résistance négative sur la caractéristique courant tension (figure 2). En conséquence, pour des densités de courant supérieures à 1 kA/cm2, il se produit dans la couche émettrice 4 une population inverse des porteurs de courant et, grâce à la présence du résonateur de Pérot-Fabry, un rayonnement lumineux cohérent apparait. La longueur d'onde de ce rayonnement à la température de 300 K est fonction de la largeur de la zone interdite de la couche à semi-conducteurs4 et, potr la variation de X3 de 0 à 0,37, peut varier à partir du rayonnement visible rouge jusqu'au rayonnement infrarouge. La présence des hétérojonctions 8 et 9 sur les deux délimitations de la couche active 4 assure une injection effective des électrons et des trous dans cette dernière et une localisation des porteurs injectés, aussi bien que du rayonnement électromagnétique engendré. I1 est à noter que le laser à semi-conducteurs proposé, tout en présentant tous les avantages propres aux lasers à hétérojonctions, précisément une faible densité du courant de seuil, une efficacité quantitative élevée, offre encore un avantage important, savoir, la présence de la partie de résistance négative sur sa caractéristique tension-courant, ce qui permet d'élaborer des impulsions de courant nécessaires pour réaliser le pompage du laser en utilisant la structure de celui-ci comme élément actif au point de vue électrique. Ainsi, par exemple, la figure 2, illustre le plus simple schéma de branchement du laser à semi-conducteur proposé. Conformément à ce schéma, sur le cristal à semi-conducteurs du laser est connecté un circuit RC. Après l'application d'une tension provenant d'une source extérieure, il se produit d'abord une charge du condensateur C à travers la résistance R. Lorsque la tension dans le condensateur C atteint une valeur égale à la tension de commutation de la structure à semi-conducteurs de laser, la résistance présentée par cette dernière baisse brusquement et il se produit une décharge rapide du condensateur C à travers la structure multicouches de laser.Une impulsion de courant qui surgit alors et dont les paramètres sont fonction de la valeur de la-capacité du condensateur C, de la tension de commutation et de la résistance de la structure à semi-conducteurs multicouches de laser en état excité, provoque lYmission d'un rayonnement cohérent. La structure p-n-p-nO-n+ peut être utilisée au lieu-de la + structure n-p-n-pO-p+. La structure décrite plus haut peut être aussi fabriquée en faisant usage d'autres matériaux semi-conducteurs tels que : arséniure d'indium, solution solide d'arséniure d'indium arséniure de gallium, phosphure d'indium, solution solide de phosphure d'indium-phosphure de gallium. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à c-eux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATION Laser à semi-conducteurs à pompage électrique comprenant un cristal à semi-conducteurs à hétérojonctions ayant des couches à divers types de conductions dont l'une est la couche active émissive placée dans le résonateur optique, et est comprise entre deux couches de semi-conducteur à conductions opposées ayant la largeur de la zone interdite supérieure à celle de la zone interdire de la couche qu'elles renferment, cette couche de milieu émettant un rayonnement lumineux lorsqu'une tension de polarisation directe est appliquée au cristal, caractérisé en ce que le cristal représente une structure à cinq couches dont les couches extérieures sont à conductions opposées et qu'à l'une de ces couches est adjacente une couche émettant le rayonnement lumineux ayant le même type de conduction que celle-ci et séparée de I'au- tre couche extérieure par deux couches à conductions opposées et disposées de manière que la couche adjacente à l'autre couche extérieure mentionnée présente un type de conduction inverse par rapport à la conduction de cette dernière.