Brevet FR2461380A1 — publié le 19810130

La présente invention concerne un réseau laser dans le- quel plusieurs lasers qui sont empilés perpendiculairement aux plans de jonction sont couplés optiquement et sont donc verrouillés en phase de manière à former un faisceau de fai- ble divergence à distance, perpendiculaire au plan de jonc- tion. Les lasers à semi-conducteurs à injection présentent généralement des divergences dufaisceau à distance d'envi- ron 100 suivant le plan de la jonction PN et d'environ 50 perpendiculairement au plan de cette jonction. Il est souhai- table de réaliser un laser semi-conducteur avec une diver- gence de faisceau d'environ 100x100 car cette faible di- vergence réduit le prix des éléments optiques de concentra- tion dans un appareil tel qu'un enregistreur sur disque d'i- mage, ou augmente la quantité de lumière qui peut être émise dans un ensemble de fibres optiques. Ainsi, pour de nombreu- ses applications, il est nécessaire que le diagramme de ra- yonnement à distance d'un laser à grande puissance ne soit pas excessivement divergent. Tout récemment, un réseau laser verrouillé en phase a été décrit (Applied Physics Lett. 33-12-1015) dans lequel plusieurs lasers dans le plan de la jonction PN sont couplés optiquement afin d'obtenir un la- ser à grande puissance avec une faible divergence du fais- ceau (inférieure à 20) dans le plan de la jonction PN. Jus- qu'à présent, aucun laser à grande puissance avec une fai- ble divergence du faisceau perpendiculaire au plan de la jonction PN n'a été décrit. L'invention a donc pour but de satisfaire la nécessité d'un laser à grande puissance avec une faible divergence du faisceau perpendiculaire au plan de la jonction PN. Ce laser est en fait un réseau laser dans lequel plusieurs ré- gions actives ou d'émission en laser sont en contact suffi- samment étroit les unes avec les autres pour que la lumière émise par chaque région active soit couplée avec la lumière émise par les régions actives voisines pour former un réseau laser verrouillé en phase. Ce réseau produit un faisceau composite de faible divergence, perpendiculaire au plan de la jonction PN en raison du verrouillage de phase de construc- tion décrit dans la publication précitée. En plus de cet 246 1 380 aspect de faible divergence du faisceau, le réseau laser peut avoir une configuration permettant une dissipation ef- fective de chaleur pour toutes les régions actives, au mo- yen de l'une des électrodes de polarisation. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemples nullement limitatifs: la figure 1 est une vue en perspective d'un mode de réali- sation d'un réseau laser verrouillé en phase selon l'inven- tion, la figure 2 est une vue en perspective d'un second mode de réalisation d'un réseau laser selon l'invention, la figure 3 est une vue en perspective d'un troisième mode de réalisation d'un réseau laser verrouillé en phase selon l'invention. La figure 1 représente un réseau laser 2 comprenant un substrat 4 qui supporte plusieurs régions ou couches émet- trices 6 dont chacune est intercalée entre deux couches 8 de guide d'onde et de confinement de porteurs. Plus parti- culièrement, le substrat 4 et les couches 6 peuvent être en GaAs et les couches 8 peuvent être en Ga0 7AI0,3As, bien que d'autres matières puissent convenir pourvu que les cou- ches 8 soient faites d'une substance dont la différence d'énergie des électrons entre deux bandes permises soit supérieure à celle des couches 6. Une jonction redresseuse 10 comporte une partie iQa perpendiculaire aux couches émettrices 6 et une partie 10b parallèle à ces couches. La partie de jonction redresseuse 10a est voisine (de l'ordre de 3 microns) du c8té gauche des couches émettrices 6 et elle peut être formée en fai- sant en sorte que la matière à la gauche de la jonction soit du type P et que la matière à la droite de la jonction soit du type N, bien que le dopage inverse puisse convenir. Un contact 12 est formé sur le substrat 4 et un autre con- tact 14 en escalier est formé de manière à être en contact avec le côté gauche des couches émettrices 6 et la couche inférieure 8 de guide d'onde et de confinement de porteurs. Une couche isolante 16 empêche que le contact 14 court- 2 4 6 1 3 8 0 circuite la jonction 10. Les faces avant et arrière des cou- ches 6 sont clivées ou rendues réfléchissantes de manière à former plusieurs cavités résonnantes empilées. L'effet laser est déclenché dans chacune des couches émettrices 6 par polarisation directe de la jonction PN au-delà du seuil, c'est à dire avec une tension sur l'électrode 14 suffisamment plus positive que celle de l'électrode 12, si la matière à la gauche de la jonction 10 est du type P. Selon l'invention, les couches émettrices 6 sont suffisamment proches les unes des autres pour que la lumière provenant de l'une d'entre elles soit couplée avec la couche ou les couches émettrices voisines, formant ainsi un réseau laser verrouillé en phase, c'est à dire avec une interférence de construction en verrouillage de phase entre la lumière émise par des couches 6 voisines. Une proximité suffisante entre les couches émettrices pour obtenir le ver- rouillage de phase est obtenue par exemple avec une structure dans laquelle les couches 6 ont une épaisseur de l'ordre de 0,1 à 0,3 micron et les couches 8 d'une épaisseur de l'ordre de 1 micron ou moins. Le verrouillage de phase assure la production d'un faisceau composite de lumière de faible divergence perpendiculairement au plan de la partie de jonc- tion 10a. Le laser 2 peut être formé par croissance sur un substrat 4 du type N de couches alternées 8 et 6 du type N, respecti- vement en GaAlAs et GaAs, jusqu'à l'épaisseur spécifiée; cette croissance peut se faire sous forme de croissance épi- taxiale en phase liquide, en phase vapeur ou par faisceau moléculaire, ou tout autre procédé équivalent de croissance. Pendant cette croissance, des précautions doivent Atre pri- ses pour assurer que toutes les couches 6 ont la même com- position et la même épaisseur car chacune d'entre elles est une couche émettrice de lumière. Ensuite, la structure stratifiée est recouverte d'une couche isolante, par exem- ple en nitrure de silicium qui remplit également la fonction de masque de diffusion. Par des techniques de photographies et d'attaque chimique ou au plasma, la couche isolante est éliminée partout, sauf dans une partie de la face de droite de la structure stratifiée. Ensuite, par traitement de cette 24613&0 structure avec un produit d'attaque chimique, par exemple H202+H2S04+H2O+HF, une partie de la face de gauche est expo- sée de la structure stratifiée est éliminée pour obtenir la structure en escalier de la figure 1. Une diffusion est en- suite effectuée de la manière courante avec une impureté par exemple du zinc, qui diffuse dans la structure strati- fiée pour former la jonction PN 10. Ensuite, la plaquette peut être amincie par polissage chimique et ensuite, les électrodes 12 et 14, par exemple de Sn/Au/In et Cr/Au/In peuvent être appliquées sur la structure, avec clivage ou un fini réfléchissant des faces avant et arrière de la struc- ture afin d'obtenir le laser 2. Comme le montre la figure 1, l'électrode 14 le long de la région gravée du laser, passant sur toutes les couches 'émettrices 6. Ainsi, l'électrode 14 avec un dissipateur thermique qui lui est fixé permet d'éviter de façon efficace la surchauffe de la structure 2. La figure 2 représente un second mode de réalisation d'un réseau laser 2a dans lequel les éléments dont les composi- tions et épaisseurs correspondent à ceux du mode de réalisa- tion de la figure 1 sont désignés par les mêmes références numériques. Le substrat 4a peut être en matière semi-isolante GaAs. Le laser 2a n'est pas gravé mais un masquage approprié et une diffusion d'impuretés sont effectués pour former la jonction redresseuse 10. Des électrodes 20 et 22 sont prévues sur les faces opposées de la jonction 10 avec des couches 24 facilitant le contact, par exemple en GaAs fortement dopé afin de permettre la polarisation directe de la jonction et l'émission en verrouillage de phase par les couches émettrices 6. Il faut noter que l'invention a été décrite en regard de l'utilisation de GaAs et GaAlAs, mais que toute mrtière semi-conductrice susceptible d'émission laser peut convenir par exemple les matières contenant In, Ga, AI, As, P, Sb, Pb, Sn, Te ou d'autres. Il apparaît qu'un réseau bidimensionnel de points la- ser cohérents peut être formé par des techniques appropriées de diffusion, masquage ou attaque chimique. Ainsi, plutôt qu'une seule jonction PN décrite en regard des figures 1 et 2 il est possible de créer deux ou plusieurs de ces jonctions PN verticales pour former un réseau laser comme celui de la figure 3, sur laquelle les éléments qui correspondent à ceux de la figure 1 sont désignés par les mêmes références numé- riques. Ce réseau laser bidimensionnel peut délivrer une puissance de sortie de crête extrêmement élevée avec une fai- ble divergence du faisceau dans les deux directions d'émis- sion. REVENDICATIONS 1 - Laser à semi-conducteur, comprenant un substrat semi-conducteur et plusieurs couches semi-conductrices, ca- ractérisé en ce que lesdites plusieurs couches comprennent plusieurs couches ou régions actives (6) séparées à effet laser, dont certaines au moins ont la même composition, une jonction redresseuse (10) traversant lesdites certaines au moins desdites plusieurs couches ou régions actives(6), de manière que sous l'effet d'une polarisation directe suffi- sante de ladite jonction redresseuse (10), chacune desdites certaines au moins couches ou régions actives (6) émette de la lumière, chacune desdites certaines au moins couches ou régions actives (6) étant suffisamment proche de l'une au moins des autres pour produire un verrouillage de phase entre la lumière émise par lesdites plusieurs couches ou régions actives (6). 2 - Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites certaines au moins couches ou régions ac- tives (6) ont toutes la même composition. 3 - Laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que chacune desdites certaines au moins couches ou régions actives (6> est séparée d'au moins une autre desdites cer- taines au moins couches ou régions actives (6) par une ma- tière (8) dont la différence d'énergie des électrons entre deux bandes permises est supérieure à celle de la matière des couches (6). 4 - Laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdites certaines au moins cou- ches ou régions actives (6) comportent des surfaces majeures planes, ladite jonction redresseuse (10) étant perpendicu- laire auxdites surfaces majeures planes. - Laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdites couches (6) sont en GaAs et ladite matière (8) est du GaAlAs. 6 - Laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte une matière (14) conductrice de la chaleur perpendiculairement à une surface mineure desdites couches (6). 7 - Laser selon la revendication 6, caractérisé en ce queladite matière (14) conductrice de la chaleur est paral- lèle à la jonction redresseuse (10). 8 - Laser selon la revendication 3, caractérisé en ce que chacune desdites couches ou régions actives (6) a une épaisseur de l'ordre de 0,1 à 0,3 micron, l'épaisseur de la matière (8) étant inférieure à 1 micron.