Brevet FR2432785A1 — publié le 19800229

La présente invention a pour objet un laser à semiconducteur à faible courant de seuil. Elle trouve une ipplication en optique et notamment en télécommunications optiques. Le laser à semiconducteur objet de la présente invention est du type à double hétérostructure. On sait qu'une telle structure comprend un substrat monocristallin, sur lequel est déposé par épitaxie en phase liquide, un empilement de quatre couches de matériaux semiconducteurs, successivement constituées par : - une première couche, dite de confinement, dopée n, - une seconde couche, dite active, généralement à base d'un composé d'arséniure de gallium contenant un premier corps dopant de type p, - une troisieme couche, dite de confinement, contenant un second corps dopant de type p, - une quatrième couche, dite de contact et dopée p. Selon une technique connue, on réduit la surface de la zone optiquement active, en la limitant à un mince ruban obtenu en rendant électriquement neutre une partie des troisieme et quatrieme couches. Cette neutralisation est réalisée à l'aide d' un bombardement protonique de la st:ructure préalablement recouverte d'un masque correspondant à la zone optiquement active. On connaît en particulier des lasers de ce type émettant vers 0,85pm et qui comprennent - une premiere couche de confinement, de composition Gal xAlxAs, où x est un nombre inférieur à 1 (en général compris entre 0,3 et 0,5), cette couche étant dopée n, - une seconde couche active, de composition Gal yAlyAs (avec y inférieur en général à 0,1), cette couche étant le plus souvent dopée p, - une troisième couche de confinement, de composition Gal~zAlzAs, où z est un nombre inférieur à 1, cette couche étant elle aussi dopée p, - une quatrième couche de contact, de composition GaAs, dopée p. Pour plus de détails sur ces structures connues et sur les matériaux utilisables, on-pourra se reporter, par exemple à l'article de J.P. NO BLANC intitule "Fiber Optical Communications-Devices", publié dans la revue "Applied Physics". 13, 211-223 (1977) ou à l'ouvrage de R. KRESSEL et J.K. TLER intitulé "Semiconductor Laser and Heterojunction Leds" publié par Academic Press. Bien que ce type de lasers à semiconducteur présente de nombreux avantages, notamment pour les télécommunications optiques, un certain nombre de problèmes reste encore à résoudre, notamment en ce qui concerne la stabilité de 1' émis- sion lumineuse. L'une des causes de l'instabilité observée tient à l'échauffement de la structure, provoqué par le passage du courant dans les couches semiconductrices. On a donc tenté,par le passé, de réduire oet échauffement. Un moyen oonnu pour obtenir ce résultat consiste à diminuer la résistivité présentée par la troisième couche semiconductrice dite de confinement, et cela par augmentation du dopage de type p. C'est la raison pour laquelle les dopages utilisés dans l'art antérieur pour cette couche de confinement, sont toujours relativement élevés et au moins de l'ordre de 5.1017 am 3 pour Ga12Al2As. La présente invention propose une autre solution au problème de la réduction de l'échauffement. Cette solution consiste à réduire le courant de seuil, c'est-à-dire le courant à partir duquel l'inversion de population créée dans la couche active devient juste suffisante pour compenser les pertes optiques présentées par la structure de telle sorte qu'une amplification du rayonnement optique puisse prendre naissance. L'abaissement du courant de seuil permet alors de faire fonctionner le laser avec un courant plus faible Des moyens ont déjà été utilisés pour réduire le durant de seuil. Ils consistent notamment à diminuer la surface de la couche active et son épaisseur, jusqu'à des valeurs optimales. L'invention propose un autre moyen qui consiste à utiliser une troisième couche de confinement qui est faiblement dopée et une couche active qui est fortement dopée, la combinaison de ces deux dispositions conduisant à une diminution du courant de seuil (à surface et à longueur données) d'environ 30%. On observera que la diminution du dopage de la troi sième couche de confinement provoque une augmentation de la résistivité de cette couche, donc de la résistance série pré- sentée par la structure. Ceci peut sembler aller à 1' encontre du but initial poursuivi, qui est la diminution de l'échauffe- ment au passage du courant.En réalité, les inventeurs ont montré que l'effet de la diminution di courant de seuil l'emportait largement sur l'augmentation de la résistance série, de sorte que, globalement, les pertes electriques sont plus faibles dans le laser de l'invention que dans les lasers antérieurs Selon l'invention, la concentration en corps dopant p dans la troisième couche de confinement est inférieure à la valeur habituelle et la concentration en corps dopant p dans la couche active est supérieure à la valeur habituelle. De façon plus précise, Invention a donc pour objet un laser à semiconducteur, du genre de ceux qui sont constitués par une double hétérostructure comprenant, sur un substrat mono cristallin, un empilement de quatre couches de matériaux semiconducteurs, successivement constituées par - une première couche, dite de confinement, dopée n, - une seconde couche, dite active, à base d'un composé d'arsé- niure de gallium contenant un premier corps dopant de type p, - une troisième couche, dite de confinement, contenant un second corps dopant de type p, - une quatrième couche, dite de contact et dopée p, les troisième et quatrième couches ayant subi une neutralisation par bombardement protonique sauf le long d' un mince ruban localisé au-centre de la structure, cette neutralisation n'atteignant pas la couche active, caractérisé en ce que la couche active présente une concentration élevée en premier corps dopant et en ce que la troisième couche de confinement présente une ooncentration faible en second corps dopant. De préférence, le laser de l'invention comprend, sur un substrat monocristallin de GaAs de type n, un empilement de quatre couches de matériaux semiconducteurs constituees par : - une première couche, dite de confinement, de oomposition Ga, Alx As, où x est un nombre inférieur à 1-, cette cou- che étant dopée n, - une seconde couche, dite active, de composition Gal yAiyAs, où y est un nombre très inférieur à 1, cette couche conte nant un premier corps dopant de type p, - une troisième couche, dite de confinement, de composition Gal zAlzAs, où z est un nombre inférieur a 1, oette cou che contenant un second corps dopant de type p, - une quatrième couche dite de contact, de composition GaAs, dopée p. Dans ce cas, le premier corps dopant la couche active présente une concentration supérieure à 3.1017cm-3 et le second corps dopant la troisième couche de confinement présente une oon centration inférieure à 5.1017 3. De préférence, le premier corps dopant utilisé dans la couche active et le second corps dopant utilisé dans la troisième couche de confinement sont les mes. I1 s'agit par exemple du germanium. De préférence encore, la troisième couche de confine- ment a pour composition Gal~zAlzAs, avec z supérieur a 0,40, ce qui est supérieur aux valeurs utilisées généralement. De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparattront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés a titre explicatif et nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins surlesquels - la figure 1 représente une coupe schématique d'un laser à semiconducteur à double hétérostructure ; - la figure 2 représente deux oourbes de variation de la puissance ai rayonnement émis par le laser de l'invention en fonction ai courant injecté dans la structure semiconductrice. La structure représentée sur la figure 1 comprend un substrat S constitué par un monocristal d'arséniure de gallium GaAs dopé n surmonté d'un empilement de quatre couches réfé- rencées 1, 2, 3 et 4, dont les compositions sont les suivantes - couche 1, dite de confinement : Gal~xAlxAs dopé n - couche 2, dite active : Ga1-yAlyAs dopé p - couche 3, dite de confinement. : Gal~zAlzAs dopé p ; - couche 4, dite de contact : GaAs dopé p. Les couches 3 et 4 présentent sur leurs cotés latéraux des zones qui ont été rendues isolantes par bombardement protonique (zones en pointillé). Ces zones n'atteignent pas la couche active 2 dont elles s'écartent d'environ 1 micron. Les couches 3 et 4 ont été préservées dudit bombardement le long d'un mince ruban central d'une largeur de 11 ordre de 10 microns, qui définit la zone active de la structure. Des moyens non représentés sur la figure permettent de faire passer un courant électrique de l'ordre de quelques dizaines de milliampères à travers cette structure. Le rayonnement laser est émis dans la couche active 2, perpendiculairement au plan de la figure. La structure representee sur la figure 1 est déjà connue en soi. Le laser qui fait l'objet de la présente invention utilise une structure de ce genre, mais avec des oomposi- tions particulières pour les couches 2 et 3. Selon l'invention, la couche active 2 présente un fort dopage de type p supérieur à 3.1017ou 3 et la couche de confinement 3 présente un faible dopage de type p inférieur à 5.1017cm -3 Grâce à ces deux compositions particulières, le laser de l'invention présente -un faible courant de seuil. Bien que la portée du présent brevet ne dépende en rien de cette interprétation, on peut penser que l'effet obtenu, de diminution du courant de seuil, est lié à la diminution de la longueur de diffusion des porteurs de charge dans la couche active (grace à l'augmentation -du dopage de cette couche) et à la diminution de l'etalement du courant d'excitation dans la couche de confinement de type p (grâce à la diminution du dopage de cette couche), qui sont deux phénomènes tendant à limiter -l'efficacité du pompage dans les lasers a- semiconducteurs. Ainsi, l'augmentation de la rêsistivité de la couche de confinement est-elle en quelque sorte compensée par l'augmentation de l'efficacité de l'excitation. La figure 2 représente les variations de la puissance, exprimée en milliwatts, anise par un laser conforme à l'invention, en fonction du courant exprimé en milliampères, Sur cette figure sont tracées deux tourbes 10 et 12 qui correspondent respectivement au fonctionnement du laser en régime continu et en impulsions. On note un léger decalage, de l'ordre de 2,5mA, entre les courants de seuil correspondant à ces deux régimes. Lesdits oourants de seuil sont dans le cas illus- tré, de l'ordre de 45mA. La longueur d'onde d'émission est située aux environs de 0,88pm lorsque la quantité d'aluminium dans la couche active (définie par y) est nulle (y = O). Nais cette-longueur d'onde diminue lorsque y augmente. Le laser avec lequel ces resultats-ont été obtenus présentait une longueur de 200 m et-une largeur de ruban de 10 m. Les caractéristiques des couches utilises étaient celles du tableau suivant Couches Nature Canposition Epaisseur Dopant Concentra ( m) tion (cm-3) 1 Couche de GaO 5Alo 5AS 5 Sn n = 1017 confinement 2 Couche active GaAs 0,18 Ge p = 1,5.1018 3 Couche de Ga0,58Al0,42As 2 Ge P 1016 confinement 4 Couche de GaAs 1,5 Ge + p =1019 contact diffu sion de Zn Le laser de l'invention peut étre obtenu pour les techniques connues d'épitaxie en phase liquide. A titre explicatif, on peut s'y prendre comme suit Le substrat sur lequel sont déposées les couches est constitué par un monocristal de GaAs. Les différentes couches sont déposées CL 8000C dans des conditions d'équilibre. Des contacts en alliage Au-Ge sont déposés sur les couches de type n, (ils ne sont pas représentés sur la figure 1) et des contacts sur la couche supérieure 4 sont obtenus par évaporation d'or et de chrome sous ultra-vide. Le mince ruban actif est obtenu par un bombardement protonique de faible énergie pendant deux heures, avec une dose de 1015cm-2, la structure étant recouverte d'un masque de 12 microns de largeur. L'énergie des protons est réglée de telle sorte que la profondeur de péné- tration n'atteigne pas les zones situées a 0,7 micron de la région active. Diverses opérations de nettoyage et de découpe. sont ensuite effectuées qui sont bien connues de l'homme de l'art. Pour obtenir les concentrations voulues en corps dopant dans les couches 2 et 3, ooncentrations qui caractérisent le laser de l'invention, on utilise un procédé d'épitaxie liquide en phase de gallium à haute temperature. On ajoute au gallium un corps dopant, par exemple du germanium, pour constituer un bain dont la composition détermine le dopage des couches.- Pour obtenir une couche active 2 présentant, selon l'invention, un fort dopage de l'ordre de 1,5.1018 cm-3 , on utilise un bain de gallium présentant un pourcentage massique en germanium de 0,58 et pour obtenir une couche de oonfinement 3 à faible dopage, de l'ordre- de 1016cm-3, on utilise un second bain de gallium présentant un pourcentage massique en germanium de l'ordre de 0,5*. Les temps de formation des couches et les gradients de température appliqués sont réglés pour obtenir les épaisseurs souhaitées. A titre secondaire on indiquera que pour obtenir la couche 3, dont le pourcentage en aluminium est élevé (z > 0,40) on utilise un troisième -bain de gallium contenant un pourcentage massique de 0,18 d'aluminium. Dans la description qui précède, la couche active du laser est constituée par l'alliage Gal yAlyAs. Ce n'est évidemment qu'à titre illustratif. D'autres composés à base d'arséniure de gallium peuvent être utilisés sans qu'on sorte pour cela du cadre de l'invention. On peut citer à titre non limitatif les alliages semiconducteurs qui émettent un rayonnement situe-au-delà de lpm : InxGal~=As, ou GaAsl~=Sbx pour les alliages ternaires, et GaxIn1-xAsyP1-y pour les alliages quaternaires. En ce qui concerne les couches de confinement associées à ces couches actives, elles ne sont pas non plus limitées à Gal xAlxAs, mais peuvent être très diverses. On peut citer InP ou Al1-xGaxAs1-ySby ou InyGal-yp etc.... On trouvera dans l'article et l'ouvrage cités plus haut des exemples de matériaux pouvant store utilisés. REVENDICATIONS 1. Laser a semiconducteur, du genre de ceux qui sont constitués par une double hétêrostructure comprenant, sur un substrat monocristallin, un empilement de quatre couches de. matériaux semiconducteurs, successivement constituées par - une première couche, dite de confinement, dopée n, - une seconde couche, dite active, a base d'un composé d'arsé niure de gallium contenant un premier corps dopant de type p, - une troisième couche, dite de confinement contenant un second corps dopant de type p, - une quatrième couche1 dite de contact et dopée p, les troisième et quatrième couches ayant subi une neutralisation par bombardement protonique sauf le long d'un mince ruban localise au centre de la structure, cette. neutralisation n'atteignant pas la couche active, caractérisé en ce que la couche active présente une concentration élevée en premier corps do- pant et en ce que la troisième couche de confinement présente une ooncentration faible en second corps dopant. 2. Laser a semiconducteur selon la revendication 1,. du genre de ceux qui sont constitués par une double hétérostructure comprenant, sur un substrat monocristallin de GaAs de type n, un empilement de quatre oouches de matériaux semiconducteurs, successivement constituées par : - une première couche, dite de confinement, de composition Gal,x Aix As, Où x est un nombre inférieur a 1, cette couche étant dopée n, - une seconde couche, dite active, de composition Gal yAlyAs contenant un premier corps dopant de type p, - une troisième couche, dite de confinement, de composition Gal zAlzAs, où z est un nombre inférieur a 1, cette couche contenant un second corps dopant de type p, - une quatrième couche, dite de contact, de composition GaAs, dopée p, caractérisé'en ce que la couche active présente une concentration en premier corps dopant supérieure a 3.1017cl 3 et en ce que la troisième couche de confinement présente une oon- centration en second corps dopant inférieure a 5.1017cm'3, 3. Laser a semiconducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier corps dopant utilisé dans la couche active et le second corps dopant utilisé dans la troi- sième couche de confinement sont tous deux du germanium. 4. Laser a semiconducteur selon l'une quelconque des revendications 1 a'3, caractérisé en ce que la troisième couche de confinement a pour composition Gal zAlzAs avec z supérieur à 0,40.