Brevet FR2465337A1 — publié le 19810320

La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'un laser à semiconducteur et un laser obtenu par ce procédé. Elle trouve une application notamment en télécommunications optiques. Le laser à semiconducteur objet de la présente in- vention est du type à double hétérostructure. Une telle structure comprend un substrat monocristallin sur lequel sont déposées, par épitaxie en phase liquide, 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'ar- séniure de gallium dopé p, -une troisième couche, dite de confinement, dopée 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 troisième et quatrième couches. Cette neutralisation est réalisée en soumettant à un bombardement protcnique la structure préalablement recouverte d'un masque correspon- dant au ruban désiré. On connaît en particulier des lasers de ce type émettant vers 0,8511m et qui comprennent: - une première couche de confinement, de composition Gal xAlxAs, o x est un nombre inférieur à 1 (en générai compris entre 0,3 et 0,5), cette cuche êtant dopée n, - une seconde couche, active, de compcsition Ga Al.yAs (avec y en général inférieur à 0,1), cette couche étant le plus souvent dopée p, - une troisième couche, de confinement, de conositiorn GalzAlzAs, o z est un nombre inférieur à 1, cette couche étant elle aussi dopée p, - et enfin, une quatrième couche, de contact, de composition GaAs et dopée p+. Pour plus de détails sur ces structures connues et sur les matériaux utilisés, on pourra se reporter, par exem- ple à l'article de J.P. NOBLANC intitulé "Fiber Optical Com- munications Devices" publié dans la revue "Applied Physics", 13, 211-223 (1977) ou à l'ouvrage de H. KRESSEL et J.K. BUTLER intitulé "Semiconductor Laser and Heterojunction Leds" publié par Academic Press. La structure en ruban permet de limiter l'étendue de la région excitée électriquement à une surface rectan- gulaire de quelques microns de large (environ 10m) et de quelques centaines de microns de long (300 à 5001). Les cou- rants de seuil d'apparition de l'émission laser deviennent alors compatibles avec un fonctionnement en continu à tempé- rature ambiante. De nombreuses techniques ont été mises au point pour réaliser de tels rubans. On peut les classer en deux catégories: a) la première dans laquelle le guidage du faisceau optique est assuré par le profil du gain d'amplification (lasers à guidage par le gain). Ce sont les lasers les plus cou- rants. La technologie utilisée peut faire appel à: - un bombardement protonique, comme décrit dans l'article intitulé "Optical and electrical properties of proton bombardment p-type GaAs" publié par J.C. DYMENT et al dans la revue "Journal of Applied Physics" vol. 44, n l, janvier 1973, p. 207-213, - une ouverture d'une fenêtre dans la couche de contact à l'aide d'une couche de silice, comme décrit dans l'ar- ticle intitulé "Advances in GaAs junction lasers with stripe geometry" publié par L.A. D'ASARO dans la revue "Journal of Luminescence", vol. 7, P. 310-337, 1973, - une diffusion sélective de zinc, comme décrit dans l'article intitulé "A GaAs-AlxGalxAs Double Hetero- structure Planar Stripe Lasers" par H. YONEZU et al, publié dans la revue "Japanese Journal of Applied Physics" vol. 12, N 10, p. 1585-1592, octobre 1973. 2"465337 b) La seconde dans laquelle le guidage du faisceau optique est assuré par un gradient d'indice de réfraction (lasers à guidage par l'indice). Il s'agit, le plus souvent, d'une marche d'indice, celui-ci étant plus élevé dans le ruban qu'à l'extérieur. Ce type de laser présente, par rapport aux lasers à guidage par le gain, une meilleure linéarité de la puissance optique émise en fonction du courant. De nombreuses structures lasers à guidage par l'indice ont été rapportées dans la littérature. On peut citer par exemple: - - le laser à structure "C.S.P." (abréviation de "Channel Substrate Planar") décrit dans l'article intitulé " Channel-substrate planar structure (AlGa)As injec- tion lasers" publié par K. AIKI et al, et publié dans la revue "Applied Physics Letters", vol. 30, N 12, p. 649-651, 15 juin 1977. Dans un tel laser, le profil d'indice est obtenu grace à la réalisation, dans le substrat, d'un canal de quelques microns de large, la couche de confinement, de type n possédant alors une épaisseur variable qui induit un saut d'indice au ni- veau du canal; - le laser à diffusion sélective de zinc dans la région active, qui provoque une marche d'indice par compensa- tion électronique des impuretés présentes. Une telle technique est décrite, dans l'article intitulé "New Stripe Geometry Laser with High Quality Lasing Charac- teristics by Horizontal Transverse Mode Stabilisation- A refractive Index Guiding with Zn Doping" par H. YONEZU et al, publié dans la revue "Japanese Journal of Applied Physics", vol. 16, N i, p. 209212, 1977; - le laser "enterré" o la partie active en GaAs est com- plètement entourée de GaAlAs d'indice optique plus fai- ble que GaAs; un tel laser est décrit dans l'article intitulé "GaAs-GaixAlxAs buried-heterostructure injec- tion lasers" publié par T. TSUKADA dans la revue "Jour- nal of Applied Physics", vol. 45, N 11, p. 4899-4906, novembre 1974. - enfin, le laser décrit dans l'article de J.C. BOULEY et al1 intitulé "A stabilized zinc Diffused-Proton Bumbarded (GaAl) As Laser" et publié dans IEEE Quantum Electronics - August 1979. - qui décrit un laser à guidage par l'indice dans lequel une marche d'indice est obtenue par diffusion de zinc, mais cette diffusion affectant les côtés du ruban. Les lasers à profil d'indice conduisent tous à un certain nombre de difficultés technologiques. Ces difficul- tés peuvent tenir à la nécessité d'effectuer une épitaxie liquide en deux étapes, (cas du laser à structure enterrée), ou bien au fait que la profondeur de diffusion doit être contrôlée avec précision, (cas du laser à "diffusion sélec- tive") ou bien encore à l'obtention d'un alignement du ruban optique et du ruban électrique o s'effectue le pompage, (cas du laser "C.S.P."). La structure décrite dans l'article de J.C. BOULEY et al quant à elle, présente l'inconvénient de posséder une "mésa" au-dessus du ruban; la structure n'est donc pas pla- ne, ce qui pose des problèmes lors de la soudure de l'ensem- ble sur son embase. En outre, des difficultés technologiques apparaissent lors de l'alignement des rubans non diffusé et non bombardé. Le but de la présente invention est de proposer un nouveau procédé de fabrication d'un laser à hétérostructure du genre de ceux dans lesquels on effectue un bombardement protonique et une diffusion de zinc, mais dans lequel s'opè- re un auto-alignement des rubans non diffusé et non bombar- dé, ce qui favorise une réduction du courant de fonctionne- ment du laser, ce procédé conduisant en outre à une structu- re plane, qui facilite le montage du dispositif. Ce but est atteint, selon l'invention, par la sui- te des opérations suivantes: 1) On forme une double hétérostructure classique (substrat de type n, première couche de confinement n, couche acti- ve, deuxième couche de confinement et couche de contact p+); toutefois, la couche active est de type n fai- blement dopée -; 2) On dépose sur la couche de contact une couche de masquage de composition voisine de celle des couches de confine- ment; 3) On attaque chimiquement cette dernière couche pour ne lo laisser subsister qu'une "mésa" de masquage; 4) On effectue une diffusion de zinc en prenant cette "mésa" comme masque, le temps de diffusion étant suffisamment grand pour que la diffusion affecte la zone active; ) On effectue un bombardement protonique de la structure en prenant encore la "mésa n comme masque, la zone bombardée s'étendant elle aussi au-delà de la zone active; 6) On supprime la 'mésa". La structure obtenue résulte directement de ces opérations. Il s'agit d'un laser à double hétérostructure avec une couche active qui présente une partie centrale fai- blement dopée n (là o la diffusion de zinc est inexistante) et des parties latérales dopées p (du fait de la diffusion). D'o: - une distribution d'indice de réfraction en forme de mar- che, qui améliore les conditions de propagation du rayon- nement lumineux en provoquant un confinement transverse optique, - deux homojonctions latérales qui provoquent un confinement transverse électrique. De toute façon, les caractéristiques de l'inven- tion apparaîtront mieux après la description qui suit, d'un exemple de réalisation donné à titre explicatif et nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexés sur lesquels: - les figures 1 à 5 illustrent les étapes succes- sives du procédé de fabrication de l'invention, - la figure 6 représente en coupe la structure finale obtenue. Les différentes étapes du procédé sont les suivan- tes: - 1) formation d'une double hétérostructure par épitaxie en phase liquide (figure 1). Cette structure comprend: - un substrat 10, - une première couche de confinement 12, - une couche active 14, - une deuxième couche de confinement 16, - une couche de contact 18, - et enfin, une couche de masquage 20. Le tableau ci-joint résume les caractéristiques des différentes couches, les valeurs indiquées n'étant données naturellement qu'à titre explicatif; 2) dépôt d'une couche de résine 22; puis traitement de cette couche par photogravure et attaque chimique par une solu- tion H202, H2S04, H20 (8,1,1 volumes à 100C, vitesse d'attaque 0,lim/s) pour ne laisser subsister qu'un ruban 24 d'environ 20ium de large dans la couche de masquage 22 (figure 2); 3) diffusion de zinc effectuée en ampoule scellée avec une vapeur de zinc saturée à 5901C. La vitesse de diffusion dépend de la nature des matériaux. Après une heure de diffusion, on obtient une profondeur de 2,91im dans GaAlAs et 1,2,gm dans GaAs. Le front de diffusion est ajusté pour dépasser la zone active 14 de lou environ, cela dans les régions latérales non masquées par le ruban 24. Le profil de la zone diffusée porte la référence 26 sur la figure 3; 4) bombardement protonique (figure 4). Ce bombardement est effectué en utilisant des protons d'énergie 300 keV. Le profil d'implantation porte la référence 28. Ce profil est sensiblement rectiligne sous la mésa de masquage alors que le profil 26 de diffusion est légèrement arron- di, du fait de la diffusion du zinc sous la mésa. Le ruban non implanté est donc légèrement plus large que le ruban non diffusé. En dehors de la zone masquée la région bom- bardée a sensiblement la même épaisseur *que la région diffusée et les profils 26 et 28 coïncident; ) suppression du ruban de masquage (figure 5) . Cette opéra- tion s'effectue par attaque chimique avec de l'acide fluorhydrique pur, en quelques minutes, l'acide n'atta- quant pas la couche de GaAs en surface. La prise des contacts sur les parties p et n de la structure et le montage s'effectuent ensuite comme dans les lasers clas- siques. La structure est illustrée en coupe sur la figure 6. Dans la couche active 14 on trouve, à la frontière entre le canal central faiblement dopé n et les régions latérales dopées p, deux homojonctions 30 et 32 délimitant latérale- ment le canal et permettant un confinement électrique trans- verse. Ces homojonctions coïncident avec les zones de chan- gement d'indice, provoquant, elles, le confinement optique. En outre, il est clair que le fait d'utiliser un seul masque 24 pour les deux opérations d'implantation et de diffusion entraîne ipso facto un auto-alignement des zones implantées et diffusées. L'utilisation, selon l'invention, d'une diffusion de zinc pour créer une marche d'indice peut, à certains égards, rappeler la technique décrite par H. YONEZU et al dans l'article cité plus haut. En réalité, les deux techni- ques sont très différentes pour les raisons suivantes. Dans la technique antérieure, la couche active est dopée n et la diffusion de zinc affecte le ruban actif puisqu'il s'agit de réduire le dopage de ce ruban tout en préservant son carac- tère n. La couche active présente alors partout un dopage de type n, avec une valeur moindre dans la zone centrale siège de l'émission stimulée. Comme l'indice de réfraction est d'autant plus fort que le dopage n est plus faible, il en résulte une marche d'indice avec un indice fort dans le ru- ban et un indice faible dans les zones latérales. Une telle technique pose de nombreux problèmes puisqu'il s'agit d'aller compenser de manière. fine la couche active, ce qui suppose un controle extrêmement précis de la profondeur de diffusion de zinc. De plus, la compensation affecte précisément la zone o a lieu l'émission stimulée, ce qui est peu judicieux puisque tout défaut d'homogénéité dans cette zone se traduit immédiatement par des anomalies sur le faisceau optique. La technique conforme à l'invention évite cet écueil en préconisant une diffusion de zinc en dehors du ruban actif. En outre, il ne s'agit plus de compenser légè- rement le dopage n de la couche active, mais de donner à celui-ci un caractère p nettement marqué. La contrainte sur la profondeur de diffusion est alors beaucoup moins grande. Enfin, et comme on l'a vu plus haut, le caractère p des zones latérales diffusées, combiné au caractère n du ruban cen- tral, fait apparaître deux homojonctions dans la couche ac- tive qui viennent délimiter électriquement le ruban actif, avec les avantages déjà soulignés. Quant à la technique décrite par J.C. BOULEY et al dans l'article cité plus haut, il s'agit d'accentuer le dopage p de la couche active en dehors du ruban actif. En effet, l'indice est d'autant plus fort que le dopage p est faible. Selon cette technique, on n'agit pas sur la zone active, ce qui réduit les difficultés inhérentes au réglage de la profondeur de diffusion, mais on n'obtient pas d'homo- jonctions puisque la couche active reste dopée p sur toute sa surface. T A B L E A U Identité de la couche Référence Composition Dopage Epaisseur numérique dopant type dopage lm sur les e3 figures cm Couche de masquage 20 Ga0 4Al1 6As Ge (P) 1018 6 Couche de contact 18 Ga As Ge (p) 1019 0,5 Deuxième couche de 16 Ga Al As Ge (p) 1oî8 1 confinement 0,c5 0,35 Couche active 14 Ga As (n) 1016 0,2 Premiere couche de 12 Ga A As Sn (n) 1017 4 confinement 0,6510,35 Substrat 10 Ga As Si (n) o108 100 tf> M o LM aO REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un laser à semiconduc- teur à double hétérostructure comprenant sur un substrat, une première couche de confinement, une couche active, une deuxième couche de confinement, et une couche de contact, caractérisé en ce que: 1) On forme une telle double hétérostructure en constituant une couche active faiblement dopée n, 2) On dépose sur la couche de contact une couche de masquage de composition voisine de celles des couches de confine- ment, 3) On attaque chimiquement cette dernière couche pour ne laisser subsister qu'une "mésa" de masquage, 4) On effectue une diffusion de zinc en prenant cette "mésa" comme masque, le temps de diffusion étant suffisamment grand pour que la diffusion affecte la zone active; ) On effectue un bombardement protonique en prenant encore la "mésa" comme masque, la zone bombardée s'étendant elle aussi au-delà de la zone active, 6) On supprime la "mésa". 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que: - on forme par épitaxie en phase liquide une double hétéro- structure comprenant: un substrat en Ga As dopé n, une première couche de confinement de composition Ga _XAlXAs avec x compris entre 0,3 et 0,5 dopée n, une couche active de composition Ga'Y AlyAs avec y inférieur à 0, 1, cette couche étant faiblement dopée n, une deuxième couche de confinement de composition Ga_x AlxAs dopée p, une couche de contact en GaAs fortement dopée p, - on dépose sur la couche de contact une couche de masquage de composition Ga YAl yAs avec y compris entre 0,5 et 0,7. 3. Laser obtenu par le procédé de la revendication 1, comprenant une double hétérostructure constituée par un 1l substrat, une première couche de confinement, une couche ac- tive, une deuxième couche de confinement et une couche de contact, les trois dernières couches ayant subi une neutra- lisation par bombardement protonique sauf le long d'un mince ruban localisé au centre de la structure, caractérisé en ce que la couche active présente dans ledit ruban, un dopage faible de type n et de part et d'autre de ce ruban une région dopée rendue de type p par du zinc diffusé, deux homojonc- tions délimitant ainsi latéralement le ruban, confondues avec deux zones à changement d'indice de réfraction. 4. Laser selon la revendication 3, caractérisé en ce que: le substrat est en GaAs dopé n, la composition de la première couche de confinement est Ga1_xAlxAs avec x compris entre 0,3 et 0,5 et son dopage est n, la composition de la couche active est Ga 'YAlyAs avec y inférieur à 0,1 et son dopage est n, la composition de la deuxième couche de confi- nement est Ga 1xAlxAs et son dopage est p, la couche de contact est en GaAs et dopée p.