Brevet FR2440616A1 — publié le 19800530

La présente invention concerne d'une façon générale les lasers à injection à double hétérostructure et à géométrie de la jonction en forme de ruban. De nombreuses structures à ruban ont été publiées dans la littérature. Les plus conventionnelles ont été décrites dans l'ouvrage "Semiconductor Lasers Ènd Heterojunction LED's" (H KRESSEL and J.K. BUTI, Aca- demic Prees, 1977, Page 492). Elles sontrespecivement obtenues par 2 -bombardement protonique (Fig. 12~3~1~e) - ouverture d'une fenêtre dans le contact à l'aide d'une couche de silice (Fig. 12~3~1~a) ; - diffusion sélective de zinc (Fig. 12-3-1-b). Dans ces structures lasers, le guidage optique des modes transverses dans le plan de la jonction est assuré par la distribution du gain sous le ruban Il est couramment observé qu'au delà d'un certain courant de fonctionnement, un anti-guidage, résultant de l'éxces des porteurs injectés, provoque un déplacement du mode laser vers les régions de plus faible gain. Ceci se traduit par une nonlinéarité importante de la puissance laser émise en fonction du courant qui, dans ce:iiB cas, conduit à une saturation, voire une diminution de la puissance laser. Ces phénomènes rendent le composant inutilisable pour les systèmes de télécommunications optiques lorsque la puissance de fonctionnement du laser foit être supérieure à 5 mll. Il semble dorénavant bien établi que des lasers à Ga Al As à mode transverse stable peuvent outre obtenus en créant dans la région active un gradient a'indice de réfraction. En étant plus élevé à l'intérieur du ruban qu'à l'extérieur, l'indice permet de compenser l'effet d'antiguidage induit par les porteurs injectés mentionné ci-dessus.A cet égard, plusieurs structures originales à ruban ont fait 1' objet de pu blications. Par exemple, un laser très attractif a été décrit dans l'article "Ga As-G xAlx As Buried heterostructure Injection Lasers" de Toshihisa TSUKADA paru dans le Journal cf Applied Physics, vol. 45, N' 11, Novembre 1974, pages 4899-4906. Dans ce laser à injection "à hétérostructure enterrées la région active en p -GaAs est fila~ mentaire et est complètement entourée de Ga Al As et ainsi, elle a un indice de réfraction supérieur à celui du matériau qui l'entoure. A cet effet (Fig. 1), on forme par épitaxie en phase liquide, surun substrat de n-Ga As, trois couches constituées respectivement de n-Ga1~Al~As, n-Ga~As, p-Ga1~Al~As afin d'obtenir la double hétérostructure habituelle. Les épaisseurs respectives de ces trois couches sont typiquement de 1; 0,5; 1 pm. Ces épaisseurs doivent être suffisamment faibles pour minimiser la profondeur de l'attaque mesa qui doit être faite une fois la croissance épi taxi que ten Dnée. Après croissance épitaxique, les trois couches sont décapées en mesa de part et d'autre de la zone en ruban, la région en ruban étant parallèle à la direction (011). La largeur de la région en ruban est typiquement de 1 à 5 zinc L'attaque mesa foit être assez profonde pour atteindre le substrat en n - Ga As. Après s décapage, on effectue une deuxième épitaxie en phase liquide pour faire crotte une couche de Ga, Al As autour de la région active. Un ruban de structure conventionnelle à diffusion sélective de zinc est ensuite réalisé sur la partie supérieure des couches. On connat d'autres exemples de laser à double hétérostructure à géométrie ruban dans lesquels on obtient un guidage optique à l'aide d'un gradient d'indice de réfraction. Ainsi, dans l'article " Channeled Substrate Planar Structure; Al Ga As Injection Lasers" publiépar K0AIKI, M.NAKAMURA; T.KURODÂ et J.UMEDA (Appl.Phys.Lett., Vol. 30, pages 649-651 (1977) Fig 2 ci-joint, leprofil est obtenu grâce à la réalisation d'un canal de quelques microns de large dens le substrat. La couche de GaAl As de type n de la double hétérostructure possède alors une épaisseur variable et induit ainsi un saut d'indice au niveau du sillon. Dans un autre exemple "New Stripe Geometry Laser with high Quality Lasing Characteristice by horizontal transverse Mode Stabilization; a refractive Index Guiding vith Zn Doping" de H.YONEZU, Y.MATSUMOTO, T.SHINOHARA, I.SAKUMA, T.SUZUKI, K,KOBAYASHI, R.LAXG, U.NUNNICHI et i.HAYASHI, Japan J. Appl. Phys., Vol. 16-209 (1977), le confinement d'indice est effectué par une diffusion sélective de zinc sur un ruban de quelques microns de large, la diffusion allant jusqu'à la région active. Les lasers mentionnés ci-dessus sont d'une fabrication techna- logiquement compliquée. Dans le premier cas, l'épitaxie doit être faite en deux étapes successives; dans les deux autres cas, les épaisseurs des couches doivent être très uniformes à mieux de 0,1 sur toute la surface de la plaque, ce qui semble être généralement au-delà des limites actuelles de l'épitaxie en phase liquide. L'objet de l'invention est de réaliser un laser à injection à double hétérostructure à géométrie de la jonction en forme de ruban dans lequel un échelon positif d'indice de réfraction est créé par une diffusion de zinc de chaque côté du ruban d'un laser conventionnel à ruban dans lequel des régions résistives adjacentes à la région active ont été formées par bombardement de protons. Cette structure conduit à une technologie relativement simple et permet d'ajuster l'échelon d'indice en commandant la concentra- tion du zinc diffusé par rapport au niveau de dopage de la région active. L'inven;ion va être maintenant décrite en détail en relation avec les dessins annexés dans lesquels - la Fig. 1 représente un premier laser à injedion à double hétérostructure à géométrie en ruban de l'art antérieur et elle a été décrite dans l'entrée en matière - la Fig. 2 représente un second laser à injection à double hétérostructure à géométrie en ruban de l'art antérieur et elle a été décrite dans l'entrée en matière ; - la Fig. 3 représente schématiquement le laser à injection à double hétérostructure à géométrie en ruban conforme à l'invention - la Fig. 4 représente la structure du laser conforme à li invention. Les dimensions des rubans diffusés et bombardés, les épaisseurs des couches sont données pour obtenir un fonctionneront monomode fondamental transverse ; et - la Fig. 5 représente la courbe donnant la puissance lumineuse an régime impulsionnel en fonction du courant pour le laser de l'invention. En se référant à la Fig. 3, le laser à double hétérojonction comprend un substrat 1 en n- GaAs et quatre couches formées successivement sur le substrat par épitaxie en phaseli4de:2 en n- GaO 5 Al0,5As, 3 an p- GaAs, 4 en p- Ga0,58 Al0,As et 5 an p- GaAs. La couche 3 est la couche active. Un décapage mesa de la couche supérieure 5 est effectué à l'aide d'un ruban de résine AZ 1330 de façon à ne laisser subsister cette couchequ'au droit du ruban. Le décapage est réalisé avec une solution H202+ NH40H de pH égal à 7,02 celle-ci attaque le GaAs et laisse de GaAlAs intact. La couche 5 est donc enlevée de chaque côté du ruban en 6 et 7. Une du effusion de zinc est faite à travers la face supérieure de la plaquette à travers la couche 5 réduite à la partie en ruban et la couche 4 dans ses parties 6 et 7. La grande différence des coefficients de diffusion du zinc à travers Ga As et Ga Al As donne naissance à une pénétration plus profonde du zinc de chaque côté du ruban que dans la zone en ruban. Avec un temps de diffusion approprié, la diffusion du zinc atteint la couche 2 en ni G,5 Al0,5 As, ce qui induit un échelon d'indice de réfraction dans la région active en 8 et 9 de part et d'autre d'une région active à indice non modifié 10. L'amplitude de l'échelon d'indice pour la longueur d'onde d'émission laser est donnée par la relation hn = - 5,8 10-22 (Pact - Pdiff) où Pact = dopage de la région active (région 10) Pdiff= dopage de la région active diffusée. Les conditions de diffusion mentionnées ci-après conduisent à une différence de dopage de l'ordre de 1019 trous/cp t c'est-à- dire à un an de 5,8 10 Fondamentalement, le courant doit être confiné dans les régions non atteintes par la diffusion à cause de la différence d'énergie entre les barrières de l'hétérojonction Ga As ~ Ga Ai As et de l'homojonction n - Ga Al As et p - Ga Ai As.En fait, cependant, un courant de fuite est observé dans l'hoiojonction Ga AIAs car la chute ohmique de tension entre les régions ayant été et n'ayant pas été le siège de la diffusion minimise fortement l'effet de la différencx d'énergie sur le courant qui travers l'hétéro- jonction et l'homojonction. Pour supprimer le courant de fuite dans l'homojonction n-Ga0,5 Al0,5 As et p-Ga0,5 Al0,5 As, on effectue un bombardement de protons dans la couche 4 de p - G,58 Al0,42 As dans les régions 11 et 12 de part et d'autre du ruban. En fait, ce courant de fuite est d'autant plus faible que la surface de l'homojonction en G,5 AI0,5 As sera petite. On réalise à cet effet un auto-alignement entre le ruban implanté et le ruban diffusé qui permet de limiter la surface de l'homojonction à (voir Fig. 4) : (Wb - wD) x L#2 put x L où WB et WD sont respectivement les largeurs des rubans bombardés et diffusés, L la longueur du laser. L'auto-alignement entre les deux rubans est obtenu de la façon suivante. Dans un premier temps, on réalise un masque de résine selon les technologies habituelles de photogravure sur la partie supérieure du mesa.La largeur du masque WR doit être inférieure ou égale à celle de la partie supé rieure du mesa \ , On présente ensuite la plaque munie de son masque de résine devant un faisceau de protons qui rend les diffé- rentes couches hachurées de la Fig. 4 isolantes électriquement. On constate alors que le profil des régions implantées reproduit exactement celui du mesa. Le profil du ruban diffusé ayant aussi été déterminé par celui du mesa, les deux rubans diffusés et bombardés se trouvent auto-alignés. La Fig. 4 donne également les épaisseurs des couches et les largeurs des rubans diffusés et bombardés d'un laser fonctionnant dans le mode fondamental transverse. Ce fonctionnement ne peut entre obtenu que pour une largeur ' 6 um, on observe des modes d'ordre superieur, ce qui a pour effet d'augmenter la divergence du faisceau laser. Le ruban diffusé de 6 pm de large de la Fig. 4 peut être obtenu pour un temps de diffusion d'une heure, à 590'C,ltéchantillon étant placé dans une ampoule à diffusion ne contenant qu'une pression de vapeur de zinc pur. Toutes les autres opérations technologiques sont décrites in fine. Enfin, le courant de seuil du laser de l'invention est de 35 mA pour un ruban diffusé auto-aligné de 10 m de large et de 150 m de long (Fig.5) ayant une structure de mode transverse d'ordre 3. De plus, aucune déformation dans la courbe caractéristique "puissance lumineuse-courant" n'est observée jusqutà quatre fois le courant de seuil, ce qui correspond à une puissance optique émise par face de 20 mi. Les courants de seuil des lasers de largeur inférieure ou égale à 6 um, fonctionnant dans le mode fondamental transverse sont du mEme ordre de grandeur que ceux des lasers de structure conveniioemefle Le procédé de fabrication des lasers de l'invention est décrit ci-apràs 1 - Gravure chimique du mésa. - photogravure : masque de résine Shipley 1350, longueur du ruban 12 m - ruban orienté selon direction (011) ; - attaque chimique : solution H202 (110 volumes) + NH4 OH amenée à pH de 7,02; agitation pendant l'attaque ; vitesse : 2 pin/heure. L'attaque est poursuivie jusqu'à l'obtention d'un mésa de largeur 1 (voir Fig.4) égale à ~ 7 um. 2 - Diffusion. En ampoule de silice scellée sous vide (10 At) contenant du zinc préalablement sublimé. Un temps de diffusion d'une heure à 590*C donne une profondeur de diffusion de 2,8 ym dans les couches de Ga li As. 3 - Réduction de l'épaisseur de la plaque. Afin de faciliter les opérations de clivage, la plaque épitaxiée est amenée à 80-100 pm par rodage et attaque chimique. 4 - Contact côté substrat de type n. Contact Au - Ge - Ni réalisé en ultra-vide par évaporation Joule suivie d'un recuit à 450c sous atmosphère d'azote pendant 1 mn. 5 - Contact côté couches de type p. Evaporation de Cr (100 ) puis d'Au (300 ;) Sous ultra-vide, l'échantillon est maintenu à froid pendant toute l'évaporation. 6 - Photogravure du masque d'imolantation selon la méthode d'auto-alignement décrite ci-dessus Résine AZ 119 SHIPLEY - Epaisseur # 2 fois la profondeur de pénétration des protons dans les couches de Ga Al As ; largeur 5 m. 7 - Bombardement protonique Dose 1015 protons/cm2 - Energie 100keV/ m de Ga Al As. 8 - Montage des lasers pour fonctionnement continu - dépôt d'indium électrolytique (épaisseur 5 m) sur plaque côté mesa dans le but d'obtenir une surface plane pour faciliter la soudure de la puce sur l'embase ; clivage de barrettes - largeur 130 à 400 m - clivage de puces au pas de 400 pin - soudure des puces sur dissipateur en cuivre métallisé d'indium ; - soudure de fil d'amenée du courant par thermocompression REVENDICATIONS 1 - Laser à injection à double hétérostructure à géométrie de jonction en forme de ruban composé d'une plaquette comprenant un substrat de n - Ga As et sur ce substrat des couches successtves de n - Ga Al As, p - Ga As, p - Ga Al As, p Ga As, caractérisé en ce que la couche supérieure de p - Ga As est décave en mésa sur la largeur de ruban et que la plaquette est simultanément dopée en p par diffusion de zinc sur sa face supérieure profilée en musa, le zinc diffusé atteignant la couche de n - Ga Al As dans les zones adjacentes à la zone de ruban tandis qu'il n'atteint pas la couche de p - Ga As dans la zone de n soumise dans ses parties adjacentes à la zone de ruban à un traitement par bombardement de protons pénétrant dans la couche en p - Ga Al As pour les rendre de haute résistivité. 2 - Laser à injection à double hétérostructure à géométrie de jonction en forme de ruban conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de n - Ga Al As est une couche de n - Ga0,5Al0,5As. 3 - Laser à jonction à double hétérostructure à géométrie de jonction en forme de ruban conforme à la revendication I, caractérisé en ce que la couche de p - GaAlAs est une couche de p - Ga0,58Al0,42As. 4 - Laser à injection à double hétérostructure à géométrie de jonction en forme de ruban, caractérisé en ce que le masque à travers lequel est fait le bombardement de protons à une largeur égale ou inférieure de quelques microns à la largeur de la partie supérieure de la partie mésa.