Brevet FR2354638A1 — publié le 19780106

La présente invention concerne un perfectionnement aux diodes photoémettrices (LED) pour améliorer leur rendement d'émission lumineuse en particulier en relation avec un couplage à des fibres optiques. Dans les diodes photoémettrices à semiconducteur dans lesquelles de la lumière est émise dans une direction normale au plan de la couche active ou couche photoémettrice, la majorité de la lumière produite est perdue par absorption interne. Ainsi, par exemple, avec du Ga#1As, l'angle critique d'émission est d'environ 170 à partir d'un axe normal à la couche photoémettrice. Dans un dispositif à faces parallèles, tout rayon rencontrant la surface supérieure selon un angle plus grand que cet angle critique est réfléchi dans le dispositif. Ensuite, les rayons rencontreront toujours la surface selon le même angle et ne sortiront jamais ils seront finalement absorbés. La présente invention concerne la préparation de la surface externe du dispositif au niveau de la région photoémettrice de sorte qu'un rayon rencontrant cette surface selon un angle supérieur à l'angle critique soit réfléchi, mais puisse rencontrer cette surface externe après une ou plusieurs réflexions, selon un angle inférieur à l'angle critique. Des améliorations de rendement comprises entre 50 et 150 X ont été obtenues. Dans une application particulière de la présente invention, la surface du dispositif est dépolie, par exemple par attaque chimique. Sous son aspect le plus général, la présente invention comprend une diode ayant une première couche de confinement en GaAlAs; une couche active en GaAs et une seconde couche de confinement en GaAlAs, la couche active étant prise en sandwich entre les couches de confi#nement; une surface d'émission lumineuse sur l'une des couches de confinement, cette surface ayant une rugosité ou dépoli aléatoire; et des moyens pour appliquer une tension de polarisation à la diode pour produire une zone photoémettrice alignée avec la surface de photoémission, les moyens pour appliquer la polarisation comprenant une couche de contact métallique sur la surface de l'autre couche de confinement, cette couche de contact métallique formant un miroir aligné avec la zone d'émission lumineuse. Plus particulièrement, les couches sont sur un substrat muni d'une ouverture vers la première couche de confinementrla surfa ce d'émission lumineuse correspondant à cette ouverture, et la couche de contact métallique est formée sur une couche isolante d'oxyde optiqlement transparente, la couche de contact métallique étant en contact avec l'autre couche de confinement par l'intermédiaire d'une ouverture dans la couche d'oxyde, en correspondance avec l'ouverture dans le substrat Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention sont exposés en détails dans la description ci-après de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les dessins joints dans lesquels :: La figure 1 est Une vue en coupe d'une diode photoémettrice illustrant l'angle critique; La figure 2 est une vue en coupe d'une diode photoémettrice similaire à celle de la figure 1 mais comprenant une surface dépolie comme surface photoémettrice; et La figure 3 est une vue en coupe d'une structure de couplage pour coupler une fibre optique à une diode photoémettrice. Comme cela est représenté en figure 1, une structure de diode photoémettrice 10 comprend une zone ou couche photoémettrice 11. La surface à travers laquelle la lumière est émise est désignée par la référence 12. Un rayon lumineux 13 émis à partir de la couche 11, de façon normale au plan de cette couche 11 et de la surface 12 sortira du dispositif. Un rayon 14 émis selon un angle Q sortira également du dispositif, en supposant que Q est l'angle critique, ainsi que tout rayon émis entre ces deux rayons 13 et 14, par exemple le rayon 15. Tout rayon émis à partir de la couche Il selon un angle supérieur à e, par exemple le rayon 16, sera réfléchi de façon interne et ne rencontrera jamais la surface 12 selon un angle différent quel que soit le nombre de réflexions qu'il subisse.Il est éventuellement absorbé de façon interne. La figure 2 représente un dispositif ou structure 20, comprenant la zone ou couche photoémettrice Il et une surface 21 à travers laquelle la lumière est émise ou sort. La surface 21 est dépolie pour lui donner un profil non-régulier ou aléatoire, en coupe. Pr ce moyen, un rayon qui ne sort pas dans le cas d'une surface plane, peut éventuellement rencontrer la surface selon un angle inférieur de l'angle critique, ce qui est par exemple le cas pour le rayon 23 représenté. Un rayon rencontrant la surface 12 selon un angle supérieur à l'angle critique est réflechi vers la surface arrière 24 et se réfléchit ensuite vers la surface 21 et cette fois il peut éventuellement frapper cette surface selon un angle inférieur à l'angle cri#que,ce qui est par exemple le cas pour le rayon 25 représenté. La rugosité de la surface 21 est représentée de façon exagérée pour illustrer la caractéristique fondamentale de la présente invention. La figure 3 représente plus en détail un mode de réalisation particulier de la présente invention en relation avec le couplage de la lumière émise vers une fibre optique. Un substrat semiconducteur 30, dans le présent exemple du GaAs, est revêtu de plusieurs couches formées par exemple par croissance épitaxiale, les couches successives à partir du substrat 30 étant une première couche de confinement 31 de GaAlAs, une couche active 32 de GaAs, et une seconde couche de confinement 33 de GaAlAs.Les types de conductivité sont tels que le substrat 30 et la première couche de confinement 31 ont le même type de conductivité, la couche active 32 peut avoir le mtme type de conductivité ou un type de conductivité opposé à celui du substrat et de la première couche de confinement et la seconde couche de confinement est du type de conductivité opposé à celui du substrat et de la première couche de confinement. Ainsi, par exemple, le substrat 30 et la première couche de confinement 31 sont de type n,la co che active 32 de type n ou p,et la seconde couche de confinement 33 d type p. Les deux couches de confinement 31 et 33 et la couche active 32 sont dopées à des niveaux appropriés, comme cela est bien connu. Par exemple, les couches de confinement peuvent être dopées à un niveau de 1018 alors que la cruche active 32 peut entre dopée à un niveau compris par exemple entre 1017 et 1018. Les couches de confinement 31 et 33 contiennent de l'aluminium selon une proportion prédéterminée, alors que la couche active 32 peut inclure de l'aluminium ou non. Si la couche active 32 comprend de l'aluminium, celui-ci se trouve à un taux nettement inférieur à celui de l'aluminium dans les couches de confinement, comme cela est classique. Après formation des couches 31, 32 et 33, le substrat 30 est masqué et attaqué chimiquement, typiquement par une technique d'attaque chimique photolithographique, pour produire un trou ou ouverture 34 à travers le substrat vers la surface de la couche 31. Un produit d'attaque chimique classique comprend 25 parties de N 2 pour une partie de NE40E. Une couche d'oxyde métallique 35 est alors formée sur la surface de la couche 33. Une ouverture 36 est formée dans la couche d'oxyde 35 alignée axialement avec le trou dans le substrat. L'ouverture 36 peut être formée par masquage avant la formation de la couche 35, ou par formation de la couche 35 sur toute la surface de la couche 33 puis attaque chimique photolithographique de 11 ouverture. Une couche de contact métallique 37 est ensuite formée sur la couche d'oxyde et s'étend dans l'ouverture 36 et en contact avec la couche 33. Egalement, une couche de contact 38 est formée sur le substrat 30.Enfin la surface 39 de la couche 31 exposée au fond du trou 34 est dépolie, par attaque chimique, les produits d'attaque possibles comprenant 30/10/3(CH2COOH - HN03 appliqués pendant 30 secondes à 250C. Ce produit n'attaque pas les contacts en or du dispositif. Un autre produit d'attaque chimique est KSI/12 appliqué pendant 30 secondes à 600C, mais ce produit attaque les contacts d'or. Par suite de la dispersion du courant dans les couches 31, 32 et 33, la zone d'émission 40 est plus large que l'ouverture 36 d'un anneau 41. La combinaison d'une couche métallique 37 recouvrant la couche d'oxyde 35 qui entoure l'ouverture 36 forme un miroir très efficace pour la lumière qui est émise par la zone d'émission 40. En particulier, un miroir très efficace existe dans la région annulaire 44 pour la lumière qui est émise au niveau de la rE- gion d'émission annulaire 41, de façon normale ou presque normale au plan de la zone d'émission 4Q. La couche de contact métallique 37 en contact direct avec la couche 33 agit également comme miroir partiel, réfléchissant les rayons qui la rencontrent en retour vers la surface 39. La zone d'émission 40 est choisie pour être plus petite que le trou 34. Le coeur 42 de la fibre optique 43 est positionné de façon opposée à la zone d'émission 40. De façon générale, le coeur de la fibre est plus large que la zone d'émission 40. Un rapport particulièrement utile de diamètre d'émetteur å diamètre de fibre optique est de 60/80, une dimension typique étant de 60 microns pour la région d'émetteur 40 et de 80 microns de diamètre pour le coeur de la fibre de transmission de lumière 42. Toutefois, la présente invention s'applique à divers diamètres de fibres et des fibres ayant des diamètres de 125 microns et de 52 microns ont été utilisées. Les ouvertures numériques de ces fibres peuvent également avoir des valeurs diverses. Des résultats typiques pour plusieurs dispositifs ont montré des accroissements de rendement pouvant aller jusqu'à 150%. On considère que ce grand accroissement de rendement peut entre attribué à la combinaison de la surface d'émission dépolie et de l'utilisation d'une surface réflectrice au dos du dispositif. Jusqu'à présent, on a considéré que, contrairement au cas qui existe pour les diodes photoémettrices qui émettent de la lumière visible, par exemple celles constituées de GaP, les caractéristiques d'absorption de GaAlAs sont telles que la plus grande partie de l'émission lumineuse du dispositif survient à la première rencontre entre les rayons directement émis et les surfaces émettrices, c'està-dire les rayons émis vers la surface d'émission, et que tous les rayons réfléchis en arrière dans le dispositif sont absorbés. Tous les rayons émis vers l'arrière, c'est-à-dire en s'éloignant de la surface émettrice, étaient supposés être absorbés avant qu'ils ne soient re-réfléchis vers la surface d'émission ou bien étaient absor bés après une telle réflexion mais avant d'atteindre la surface émettrice. Toutefois, la prévision d'une surface réflectrice formée par l'interface métal/oxyde métallique s'est avérée augmenter l'émission, et les rayons émis dans des directions relatives à la surface émettrice autres que l'angle critique ou inférieures à l'angle critique peuvent être réfléchis vers l'arrière vers la surface émettrice. Egalement, les rayons réfléchis à partir de la surface émettrice peuvent "rebondir" vers l'arrière et ces trajets peuvent indiquer plusieurs "rebonds". La surface d'émission rugueuse ou dépolie augmente la probabilité pour que de tels rayons réfléchis rencontrent la surface émettrice selon un angle égal ou inférieur à l'angle critique. Pour obtenir un rendement de couplage élevé dans les fibres 42, un fluide d'adaptation d'indice peut etre placé dans l'ouverture 34, entre l'extrémité de la fibre 42 et la surface 39. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'entre décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparattront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 - Diode photoémettrice comprenant une première couche de confinement de Galas; une couche active de GaAs et une seconde couche de confinement de GaAlAs, la couche active étant prise en sandwich entre les couches de confinement, les couches de confinement étant de types de conductivité opposés, et la couche active étant du mtme type de conductivité que l'une des couches de confinement pour former une jonction p-n avec cette couche de confinement; et une surface d'émission lumineuse sur l'une des couches de confinement, caractérisée en ce que la surface d'émission lumineuse présente une rugosité aléatoire, et en ce que cette diode comprend une couche de contact métallique sur la surface de l'autre couche de confinement pour appliquer une polarisation à la jonction p-n et former une zone photoémettrice alignée avec la surface d'émission lumineuse, la couche de contact métallique formant un miroir optique aligné avec la zone photoémettrice. 2 - Diode photoémettrice selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche active est en GaAlAs, la teneur en aluminium étant nettement plus faible que la teneur en aluminium des couches de confinement. 3 - Diode photoémettrice comprenant un substrat de GaAs d'un type de conductivité et ayant deux surfaces parallèles principales; une première couche de confinement de GaAlAs sur l'une des faces principales du substrat et de meme type de conductivité que le substrat; une couche active de GaAs sur la première couche de confinement de l'un ou l'autre type de conductivité; et une seconde couche de confinement de GaAlAs sur la couche active d'un type de conductivité opp#osé de celui de la première couche de confinement, la couche active formant une jonction p-n avec l'une des couches de confinement; caractérisée en ce qu'elle comprend en outre - une couche d'un oxyde isolant optiquement transparent (35) sur la seconde couche de confinement (33),cette couche d'oxyde (35) définissant une ouverture (36) - une couche de contact métallique (37) sur la couche d'oxyde métallique (35), la couche de contact métallique (37) s'étendant dans l'ouverture (36) en contact avec la seconde couche de confinement (33) pour définir une zone photoémettrice (40, 41) dans la couche active (32) en alignement avec l'ouverture (36), mais plus grande que cette ouverture ;; - une ouverture (34) à travers le substrat (30) jusqu'à la première couche de confinement (31) pour définir une surface d'émission lumineuse (39) alignée avec la zone photoémettrice 40 ou 41, la surface d'émission. lumineuse(39) ayant une rugosité aléatoire et étant au moins aussi grande que la surface photoémettrice (40, 41 > ; la couche de contact métallique (37) formant un miroir sur la couche d'oxyde métallique (35) au moins pour la surface se trouvant autour de l'ouverture (36) dans la couche d'oxyde métallique (35) en alignement avec la partie (41) de la zone photoémettrice s'étendant au-delà de l'ouverture (36) dans la couche d'oxyde métallique (35); et - une autre couche de contact (38) sur l'autre surface du substrat (30); d'où il résulte que, par suite d'une application d'une polarisation à la jonction p-n, de la lumière est émise à partir de la zone photoémettrice (40, 41) et sort par la surface d'émission lumineuse (39). 4 - Diode photoémettrice selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'ouverture (34) dans le substrat (30) est plus grande que la zone photoémettrice (40, 41) et qu'une fibre optique (43) y est positionnée, le coeur photoconducteur (42) de la fibre (43) étant aligné avec la zone photoémettrice, la surface terminale de la fibure (43) étant en contact intime avec la surface d'émission lumineuse (39). 5 - Procédé de fabrication d'une diode photoémettrice ayant un rendement de photoémission accru, comprenant les étapes suivantes : - faire crottre séquentiellement trois couches épitaxiales, une première couche de confinement en GaAlAs d'un premier type de conductivité, une couche active de GaAs de l'un ou l'autre type de conductivité et une seconde couche de confinement de Gaulas d'un type de conductivité opposé d celui de la première couche de confinement, une jonction p-n étant formée entre la couche active et l'une des couches de confinement; et - former des contacts pour appliquer une polarisation aux bornes de la jonction p-n pour former une zone photoémettrice; caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape consistant à attaquer chimiquement la surface de l'une des couches de confi nement pour former une surface d'émission lumineuse alignée avec la zone photoémettrice, cette surface d'émission lumineuse présentant une rugosité (ou dépoli) aléatoire. 6 - Procédé selon la revendication 5 dans lequel la première couche de confinement est amenée à crotte sur une première surface d'un substrat de GaAs du mtme type de conductivité que la première couche de confinement, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes - former une couche d'oxyde isolant optiquement transparent sur la surface de la seconde couche de confinement, et former une ouverture s'étendant dans la couche d'oxyde jusqu'd la surface de la seconde couche de confinement - former une couche de contact métallique sur la couche d'oxyde, cette couche de contact métallique dans l'ouverture étant en contact avec la seconde couche de confinement , - former par attaque chimique photolithographique une ouverture (34) dans le substrat jusqu'à la première couche de confinement pour exposer la surface de la première couche de confinement et former une surface d'émission lumineuse;; - former une couche de contact sur le substrat, la couche de contact métallique dans l'ouverture (3tri) dans la couche d'oxyde et la couche de contact sur le substrat définissant la zone photoémettrice, cette zone étant plus étendue que l'ouverture dans la couche d'oxyde, la couche de contact métallique dans ladite ouverture formée dans la couche d'oxyde formant un miroir aligné avec au moins la partie de la zone photoémettrice s'étendant au delà de l'ouverture dans la couche d'oxyde; et, - attaquer chimiquement la surface exposée de la première couche de confinement pour dépolir de façon aléatoire la surface d'émission lumineuse. 7 - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape consistant à attaquer chimiquement l'ouverture (34) à travers le substrat (30), selon une dimension supérieure à celle de la zone photoémettrice et à positionner une fibre optique (43) dans cette ouverture.