Brevet FR2463528A1 — publié le 19810220

La présente invention concerne un laser à semiconducteurs com- portant une succession de couches réalisée sous forme d'une diode à hétérostructure, dans laquelle une région laser active est insérée entre deux couches semiconductrices, dont les intervalles entre bandes sont supérieurs à l'intervalle maximal entre bandes dans la région laser active. Le laser à semiconducteurs doit satisfaire à diverses conditions pour permettre son utilisation avantageuse dans des systèmes de transmission optique de l'information. C'est ainsi qu'il doit pré- senter une caractéristique lumière-courant linéaire et une émission stable, sans fluctuations, et permettre une production facile. La demande de brevet de la République fédérale d'Allemagne publiée sous le n0 28 22 146 décrit par exemple un laser facile à produire et satisfaisant aux conditions précédentes. Afin de limiter le cou- rant circulant dans le sens direct de la diode laser à un domaine étroit, en forme de ruban, de la zone laser active, ledit laser est muni d'un caisson perpendiculaire à la surface de sortie du rayon- nement laser et à travers lequel la diffusion d'un dopant a produit une étroite région semiconductrice, sensiblement du même type et s'étendant jusqu'à la zone laser actif. Ce laser présente toutefois une émission spectrale polychrome, gênante pour de nombreuses appli- cations, telles qu'un système de transmission optique de l'informa- tion à large bande. La demande de brevet de la République fédérale d'Allemagne publiée sous le no 27 10 813 décrit la production d'une émission spectrale monochromatique à partir de faibles densités de courant de seuil dans le laser, en prévoyant un guidage externe des ondes non seulement perpendiculairement, mais aussi parallèlement à la région active. Une diffusion à partir de la surface produit un ruban conducteur qui pénètre dans la région active, dont il augmente l'in- dice de réfraction. Un tel laser est certes facile à produire, mais la diffusion s'étend jusque dans la zone de recombinaison et risque d'y perturber notablement l'émission laser, entraînant ainsi un vieillissement rapide du laser. L'émission spectrale monochromatique en fonction de la température du laser laisse par ailleurs à désirer. L'invention vise à éviter ces inconvénients. Elle a notamment pour objet un laser présentant une émission spectrale monchromati- que améliorée, même en cas de différences de température, réalisable par une technologie simple et offrant une durée de vie aussi élevée que possible. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, la région laser active est constituée par trois couches au moins, dont deux au moins diffèrent par leur intervalle entre bandes, de sorte que la couche présentant l'intervalle minimal entre bandes est entourée par des couches à intervalle entre bandes plus grand et une jonc- tion pn se trouve directement sur ladite couche; et à partir de la surface du cristal, un ruban à type de conduction homogène est créé par diffusion et pénètre dans une ou plusieurs couches de la région laser active, mais non dans la couche présentant l'intervalle mini- mal entre bandes. La division de la région laser active en trois couches au moins, de sorte que la couche présentant l'intervalle minimal entre bandes est entourée par des couches à intervalle entre bandes plus grand et une jonction pn se trouve directement sur la couche présentant l'intervalle minimal entre bandes, la recombinai- son des porteurs de charge et par suite la production de lumière laser ne s'effectue pratiquement que dans la couche présentant l'in- tervalle minimal entre bandes. Le champ optique est par contre guidé dans toute la région laser active, qui comprend au moins les couches 3, 4 et 5. La diffusion d'un ruban conducteur n'est toutefois pas poursuivie jusque dans la couche présentant l'intervalle minimal entre bandes, mais s'arrête dans la couche précédente. De ce fait, le champ optique est guidé latéralement de la façon souhaitée et la diffusion ne produit aucune influence perturbatrice sur la recom- binaison dans la couche présentant l'intervalle minimal entre bandes et par suite sur la production de l'onde laser et la durée de vie du laser. Pour limiter essentiellement la recombinaison des porteurs de charge à la couche présentant l'intervalle minimal entre bandes, il est apparu utile que ce dernier soit inférieur d'au moins 40 méV à l'intervalle entre bandes des autres couches de la région laser active. Un caisson dans la surface, perpendiculaire à la surface de sortie du rayonnement laser, et la production du ruban conduc- teur par diffusion à travers ce caisson garantissent une commande et un contrôle faciles de la largeur du guide d'ondes interne et de S la largeur de l'injection de courant pendant la production. Pour obtenir une émission spectrale pure aussi monochromatique que pos- sible, il est avantageux d'ajuster la largeur du ruban conducteur à une valeur comprise entre 1 et 8 Vm sur la jonction avec la région laser active. Une épaisseur inférieure à 0,2 Vm de la couche présen- tant l'intervalle minimal entre bandes de la région laser active per- met une pénétration optimale du champ optique dans les.couches voisi- nes de cette région. Selon une autre caractéristique de l'invention, le laser comprend les couches 1 à 7 et la région laser active est constituée par quatre couches (2, 3, 4 et 5): Couche Matériau type de conduction (20 GaAs n (substrat)) 1 Ga AlA n 1 -x x 5 2 Gal x,Alx,As n 3 Ga,AlX,,As n ou p 4 Ga_1 x,AlxAs Ga,XIVAlxIVAs n 6 Ga lxVAlxVAs n ou p 7 Ga As couche, n n ou p pour lesquelles x, x > x', x", x"', xIV et x" entre 0,8 et 0,9 pm. Selon une autre caractéristique de l'invention, le laser com- prend la succession de couches suivantes: couche Matériau type de conduction (20 InP n (substrat)) 1 Ga _xInxAs yPy n 2 Ga1_x,InxAsl-_yPy n 3 Ga in As P flou p 4 3 Ga _x,,Inx,,Asl_y,,Py,, 4 Ga x,,,In,,As,P ,,, p 1x" x" V-s,-y'" y" Gal_xiVInxiVAs1_yivPyv n 6 Ga l-xvInxVAs -yvPyv n ou ^ 7 Ga -xVIInxVIASl-yVIPyVI n ou p V x' x" x"xIV " "'y' pour lesquelles x, x > x', x", x"', x et x" IV V VI y", y"', y, y, y sont choisies de façon que la constante réti- culaire de chaque couche cgnsidéree soit égale à celle de InP, c'est- à-dire que 1-- Pi 0,47 dans chaque couche. Cette structure est parti- 1-y culièrement avantageuse pour des longueurs d'onde de la lumière laser comprises entre 1,1 et 1,6 pm. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous d'exemples de réalisation et des dessins annexes sur lesquels: la figure 1 représente la structure d'un laser selon l'invention; la figure 2 représente l'indice de réfraction du GaAs en fonction de l'énergie des photons; la figure 3 représente la structure d'un laser selon l'invention, dont la surface comporte un caisson; la figure 4 représente la variation du champ électrique de l'onde laser dans une première succession de couches selon l'invention; la figure 5 représente l'intensité en fonction de l'angle de la zone de rayonnement pour la succession de couches selon figure 4; la figure 6 représente la variation du champ électrique de l'onde laser dans une seconde succession de couches; et la figure 7 représente l'intensité en fonction de l'angle de la zone de *yonnement pour la succession de couches selon figure 6. La figure 1 représente schématiquement un laser selon l'in- vention. Les diverses couches semiconductrices sont désignées par 1 à 7. Le substrat semiconducteur est désigné par 20. La région laser active comprend les cou.lies 2 à 5. Le laser à semiconducteurs comporte une succession de couches correspondant à une diode à hétérostructure, dans laquelle la région laser active est entourée par les couches semiconductrices 1 et 6, dont les intervalles entre bandes sont supérieurs à l'intervalle maximal entre bandes dans la région laser active. Deux couches au moins de la région laser active diffèrent par leur intervalle entre bandes, de sorte que la couche présentant l'intervalle minimal entre bandes est entourée par des couches à intervalle entre bandes plus grand et une jonction pn se trouve directement sur la couche présentant l'intervalle mini- mal entre bandes. La couche 3 est sur la figure I celle présentant l'intervalle minimal entre bandes. Les intervalles entre bandes des couches 2, 4 et 5 sont supérieurs de 40 mtV au moins. La jonction pn se trouve entre les couches 4 et 3 quand la couche 3 est de type n ou entre les couches 3 et 2 dans le cas contraire, les couches 3 et 4 étant de type p dans l'exemple de réalisation décrit. La division de la région laser active présente l'avantage suivant, décrit dans la demande de brevet de la République fédérale d'Allemagne publiée sous le n0 21 65 006: l'onde optique est guidée dans toute la région laser active, tandis que la recombinaison des porteurs de charge s'effectue uniquement dans la couche 3. Une diffusion à partir de la surface du cristal produit un ruban conducteur 9 à type de conduction homogène, qui pénètre dans une ou, comme l'indique la figure 1, plusieurs couches de la région laser active, à savoir les couches 5 et 4 dans l'exemple de réalisation décrit. Le ruban conducteur 9 n'atteint pas la couche 3 afin d'augmen- ter la durée de vie et d'obtenir une bonne émission monochromatique du laser. Le ruban conducteur 9 est utilement réalisé par une diffusion p, telle qu'une diffusion de Zn. Une couche antidiffusion 8, dans laquelle est réservée une ouverture allongée pour la diffusion du ruban conducteur 9, est pour ce faire déposée sur la couche 7. Une couche métallique 10 est enfin vaporisée sur la coucde antidiffusion 8 pour établir un contact avec le ruban conducteur 9. La couche 7 constitue une couche de recouvrement p ou n pour l'établissement d'un contact. Les couches 6 et 1 présentent un grand intervalle entre bandes, afin de concentrer le champ optique et la recombinaison des porteurs de charge dans la région laser active. Dans l'hypothèse d'une diffusion p du ruban conducteur 9, il convient de choisir les dopages comme suit: couche 7 p ou n couche 6 p ou n couche 5 n (dopage élevé) couche 4 p couche 3 p ou n couche 2 n couche 1 n substrat 20 n Dans la région du ruban conducteur 9, les couches n sont conver- ties en couches p, de sorte qu'un étroit-ruban à type de conduction homogène est produit sur un trajet étroit 9. Sur la figure 1, il s'agit d'une région p, qui s'étend du matériau de contact 10 jusque dans la couche 4 de type p. La couche 4 présente un dopage relative- ment faible et par suite une faible conductibilité. La partie la plus étroite du ruban conducteur 9 est fixée par la largeur B2 du front de diffusion traversant l'interface des couches 5 et 4. La valeur optimale de cette largeur B2 est de l'ordre de 2 Vm. La jonction pn bloquante entre les couches 4 et 5 interdit une circulation de cou- rant à l'extérieur du ruban conducteur 9. Le laser selon l'invention est caractérisé en ce que la recom- binaison et par suite la lumière laser se produisent directement sous le ruban conducteur 9, sur la jonction pn dans la couche 3, et un pourcentage important de la lumière laser est guidé dans la couche 5. Les causes du guidage de la lumière laser dans la couche 5 sont les suivantes. La diffusion p modifie l'indice de réfraction dans la couche 5. La figure 2 représente l'indice de réfraction du GaAs dopé n (dopage 18 -3 3,3.10 dn, courbe en trait plein) et du GaAs dopé p (dopage com- pensé, dopage net: 5.10 8 cm, courbe en tirets). En pratique la couche 5 n'est généralement pas constituée par du GaAs, mais par - - - __ __ - ___ - __ __ - ---------- exemple du GaAlAs à intervalle entre bandes plus grand, de sorte que l'indice de réfraction effectif diffère de celui selon figure 2. La variation de principe de l'indice de réfraction en fonction du dopage est toutefois conservée. La courbe en tirets correspond ainsi à la variation de l'indice de réfraction de la partie diffusée de la couche 5, tandis que la courbe en trait plein correspond à la variation de l'indice de réfraction de la partie non diffusée de la couche 5. Ces courbes sont tirées de l'article de D.D. Sell et al., Concentration dépendance of the refractive index for n- and p-type GaAs between 1.2 and 1.8 eV, Journal Appl. Phys. 45 (1974), pp. 2650 à 2657. La figure 2 montre que la région diffusée présente un indice de réfraction supérieur et produit donc un guidage des ondes unique- ment quand l'énergie des photons est inférieure à l'énergie E1 (cf. abscisse de la figure 2), E1 étant légèrement supérieure à l'inter- valle entre bandes de la couche 5 considérée. Cette condition est satisfaite dans le laser selon l'invention, car l'intervalle entre bandes de la couche 5 est choisi supérieur à celui de la couche 3, qui détermine pour l'essentiel la longueur d'onde d'émission du laser. Le laser selon l'invention présente donc ainsi non seulement un guidage d'ondes perpendiculairement à la région active, mais aussi un guidage d'ondes latéral, par suite de la variation de l'in- dice de réfraction dans la région du ruban conducteur 9. Pour la fixation des intervalles entre bandes et des épaisseurs de couche, il convient de noter qu'une fraction élevée de la lumière laser doit se déplacer d'une part dans la couche 3, afin de garantir une amplification suffisamment élevée de l'onde laser, mais d'autre part aussi dans la couche 5, pour assurer un guidage suffisant des ondes. Un premier exemple de réalisation avantageuse, dans lequel la couche 2 a été supprimée pour simplifier la production, présente la succession de couches suivante. Couche Matériau GaAs Fraction x n Ga xAlxAs supprimée Ga xAl "As Ga 1-x", Al x",As Gal xIVAlxIVAS Ga1_xVAl VAS GaAs n F 0,25...0,3 n, p p n n n 0, 05 s 0,15 s 0,1 r 0,35 Dopage -3 cm n > 1018 n X 5.1017 faible p 2.1017 n r 3.1018 n X 1017 n P 5.1017 Epaisseur lPm Observation Opération r 4 pm 0,15...0,2 0,5 ipm " 0,5 pm 1 ipm s 2 pm oe rp 0% o' w CO Type Un laser, dont la figure 3 représente la coupe, a été adopté pour la réalisation avec les caractéristiques indiquées. La surface du laser comporte avantageusement un caisson Il sensiblement per- pendiculaire à la surface de sortie du rayonnement laser. Une dif- fusion à travers ce caisson permet une réalisation précise du ruban conducteur 9. Ce procédé est décrit en détail dans la demande de brevet de la République fédérale d'Allemagne publiée sous le n0 28 22 146. Il convient d'effectuer la diffusion p du trajet conducteur 9 de façon qu'elle traverse l'interface des couches 5 et 4 sous forme d'un ruban d'une largeur (B2) d'environ 2 Pm. L'exécution de cette diffusion est facilitée par le fait que les constantes de diffusion sont beaucoup plus grandes dans les régions à forte teneur en Al que dans celles à faible teneur en Al, de sorte que la diffusion est notablement ralentie dans les couches 5 et 4, facilitant ainsi l'ajustement d'un profil de diffusion reproductible. Le dopage de la couche 4 est relativement faible, afin d'interdire un trop grand élargissement du courant. Il est également possible d'adopter une épaisseur plus faible de la couche 7, de 1 Pm seulement par exemple, afin de produire la limite de la région diffusée dans la couche 6, sur les côtés du caisson; il en résulte un meilleur blocage sur les côtés du caisson, car on obtient alors une jonction pn dans la couche 6 à grand inter- valle entre bandes. Dans la succession de couches précédemment décrite, la première onde impaire (perpendiculaire aux couches) présente l'amplification maximale (pourcentage élevé de puissance dans la couche de recombi- naison 3) et simultanément un bon guidage latéral (pourcentage élevé de puissance dans la couche simple). La figure 4 représente la variation du champ électrique de l'onde laser dans les diverses couches 1 à 6. Le champ électrique est maximal mais de sens opposé, dans les couches 3 et 5. Avec une épaisseur de 0,2 pm de la couche de recombinaison 3, on obtient 28 % de la puis- sance dans la couche 3 et 38 % dans la couche 5. La figure 5 représente la zone de rayonnement correspondante, perpendiculairement à la région active. L'intensité présente un minimum dans le sens axial, car il s'agit d'une onde impaire. Cela peut sembler un inconvénient à première vue, mais la réaction par des réflexions externes se trouve ainsi réduite dans le laser. Un pourcentage élevé de l'onde laser peut être couplé à une fibre guide de lumière, même avec une répartition de la zone de rayonnement selon figure 5, en utilisant une lentille cylindrique ou une fibre transversale pour améliorer le couplage d'entrée. L'invention permet toutefois aussi de réaliser des lasers dans lesquels seule la première onde paire s'amorce, comme le montre un second exemple de réalisation, dont la structure est de nouveau celle selon figure 3, compte tenu de la bonne commande de la diffusion du ruban conducteur 9. Les caractéristiques techniques de l'exemple de réalisation sont les suivantes. Couche Matériau GaAs 1 Ga-X AlxAs 2 supprimée 3 Gal xAlx,,As 4 Ga 1_x,, Alx,,As Ga1 XIVAlxIVAS 6 GaxVAlxVAS 7 GaAs Type n n n. p D P n n n Fraction x ç0,2 s 0,05 # 0,15 A 0,1 # 0,35 Dopage -3 cm n > 1018 n - 10 8 faible p f 3.1017 n F 3.1018 n w 1017 n 5. 1017 Epaisseur pm Observations substrat M 0,15 F 0,3 0,3 pi 1 I.. B-. ro 0% W U'n Co 12' Les différences essentielles par rapport au premier exemple sont l'épaisseur plus faible de la région laser active (couches 3, 4 et 5) et la teneur en Al plus faible de la couche 1. La teneur en Al de la couche 1 est choisie plus faible afin d'augmenter l'in- dice de réfraction et d'interdire ainsi la possibilité de propaga- tion de la première onde impaire. L'introduction d'une couche 2 supplémentaire aurait un effet similaire. Avec les caractéristiques précitées, on obtient la variation selon figure 6 du champ électrique de l'onde laser, perpendiculai- rement aux couches. Le champ électrique présente toujours le même sens dans toutes les couches 1 à 6 et un large maximum, s'étendant de la couche 5 à la couche 1. La couche 5 reçoit 24 % de la puissance lumineuse, ce qui garantit un guidage latéral effectif de l'onde. La couche de recombinaison 3, c'est-à-dire la couche présentant l'in- tervalle minimal entre bandes, reçoit 19 % de la puissance lumineuse, ce qui assure une amplification suffisante de l'onde laser. La figure 7 représente la zone de rayonnement résultante, per- pendiculairement aux couches. Contrairement au cas du premier exem- ple de réalisation, on obtient une zone de rayonnement étroite avec un maximum dans le sens axial (angle de la zone de rayonnement 0 ) et une largeur à demi-amplitude d'environ 35 , permettant un couplage sans difficulté de la lumière laser dans une fibre de verre. Il convient de préciser en outre que des lasers selon l'inven- tion sont réalisables non seulement avec du daAlAs, mais aussi avec d'autres matériaux, tels que du GaInAsP, à condition que les diffé- rences des intervalles entre bandes et les épaisseurs de couche soient choisies en conséquence, de la façon-précédemment décrite. Un tel laser comporte par exemple une succession de couches dans les matériaux suivants. Couche Matériau (20 3 type de conduction InP Ga xAnxAs _ypy Ga1-X I xIAslyypy l-x ' x ' 1 -y' y ' Ga x,,InxASly, Px Gax" Inx",ASl_-y",x, Ga _x,,, In,,,Aslx,,,py,,, Ga1_XIVInXIVAsl_xIVPyIV Gal_xVInxVAS1_xVPyV Gal_xVIInxVIAslxVIPyVI n (substrat)) n n n ou p p n n n ou p avec x, x > x', X, X', xIV etx" IV V VI y, y, y étant choisies de façon que la constante réticulaire de chaque couche soit égale à celle du InP, c'est-à-dire que - 0,47 pour chaque couche. 1-y Il convient enfin de remarquer que la couche 7, dans ce second exemple de réalisation aussi, sert uniquement a améliorer l'établis- sement d'un contact et peut aussi être supprimée le cas échéant. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement a titre d'exmples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. Revendications 1. Laser à semiconducteurs comportant une succession de couches réalisée sous forme d'une diode à hétérostructure, dans laquelle une région laser active est insérée entre deux couches semiconduc- trices dont les intervalles entre bandes sont supérieurs à l'inter- valle maximal entre bandes dans la région laser active, ledit laser étant caractérisé en ce que: a) la région laser active (2 à 5) est constituée par trois couches au moins, dont deux au moins diffèrent par leur intervalle entre bandes, de sorte que la couche (3) présentant l'intervalle minimal entre bandes est entourée par des couches à intervalle entre bandes plus grand et une jonction pn se trouve directe- ment sur la couche (3); et b) à pattir de la surface du cristal, un ruban (9) à type de con- duction homogène est créé par diffusion et pénètre dans une ou plusieurs couches de la région laser active (2 à 5), mais non dans la couche (3) présentant l'intervalle minimal entre bandes. 2. Laser à semiconducteurs selon revendication 1, caractérisé en ce que l'intervalle entre bandes de la couche (3) présentenant l'inter- valle minimal est inférieur de 40 m couches de la région laser active. 3. Laser à semiconducteurs selon une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la surface comporte un caisson (11) sensible- ment perpendiculaire à la surface de sortie du rayonnement laser et le'ruban conducteur (9) est réalisé par diffusion à travers ce cais- son. 4. Laser à semiconducteurs selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la largeur (Bt) du ruban conducteur (9) est comprise entre 1 et 8 Vm sur la jonction (6 vers 5) vers la zone laser active. 5. Laser à semiconducteurs selon une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche (3) présentant l'intervalle minimal entre bandes est inférieure à 0,2 Vm. 6. Laser à semiconducteurs selon une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la zone laser active est constituée par trois couches individuelles (3, 4, 5) au moins, dont la couche supé- rieure (5) présente un dopage n et la couche intermédiaire (4) un dopage p, et le ruban (9) p diffusé traverse la couche supérieure (5) et pénètre dans la couche intermédiaire (4), en inversant de n en p le type de conduction de la couche supérieure (5). 7. Laser à semiconducteurs selon une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par la succession suivante des couches 1 à 7, dans laquelle la zone laser active est constituée par quatre couches individuelles (2, 3, 4 et 5): Matériau GaAs Ga 1 Al As 1-x X Ga _x.AlxAS Gal_ xAlx,,As GalxeAlx}.AS Ga1_,,,Alx,As GalXIVAlXIVAs Ga_xVAlxVAS couche Ga As, n type de conduction n (susbstrat)) n n n ou p p n n ou p n ou p avec x, xv > x', x", x"', xIV et x" sixième et de la cinquième couche (6 et 5). 8. Laser à semiconducteurs selon une. quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par la succession de couches: Matériau InP Ga xInxAs lyPy Ga-lx Inx,ASlyPy Ga x,,Inx As -lyPy,, Ga _x,,,Inx.,As l-y,Py,, Gal xIVAnxIVASl-yIVPyIV Ga1_xVAnxvAs_yVPyV Ga1-xvIAnxVIASlyVIPyVI type de conduction n (substrat) n n n ou p p n n ou p n ou p Couche (20 Couche (20 24'63528 V > XI,. il, toi,IV il avec x, >x' x, x etx" IV V VI y, y, y étant choisies de façon que la constante réticulaire de chaque couche soit égale à celle du InP, c'est-à-dire que 1-x 1-y P 0,47 dans chaque couche. 9. Laser à semiconducteurs selon une des revendications 7 et 8, IV caractérisé par x 10. Laser à semiconducteurs selon une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que la cinquième couche (5) présente un dopage supérieur à 1018 cm-3 11. Laser à semiconducteurs selon une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que la quatrième couche (4) présente un dopage p inférieur à 5.1017 cm 3. 12. Laser à semiconducteurs selon une quelconque des revendications 2 à 11, caractérisé en ce que-l'épaisseur totale de la région laser active (2 à 5) est inférieure à 2 pm. 13. Laser à semiconducteurs selon une quelconque'des revendications 7 à 12, caractérisé par la suppression de la seconde couche (2).