Brevet FR2487138A1 — publié le 19820122

- L'invention est relative à un laser à semi- conducteur, de structure double-hétéro (DH) et à son procédé de fabrication par dépôt chimique de vapeur métallo-organique, MO CVD). Le fonctionnement en mode unique de lasers A:GaAs/GaAs DH est connu dans une variété de structures compre- nant des structures hétéro enterrées, des structures planes à substrat cannelé, des structures de bandes à Jonction transver- sale, et des structures auto-alignées. Ces structures sont obte- nues par le procédé épitax4que en phase liquide (LPE). On connait une structure à canal-guide réa- lisée par le procédé MO CVD fonctionnant avec succès dans un mode unique (Appl. Phys. Lett. 33, 724 (1978) mais son courant de seuil CW est supérieur à 200 mA. C'est en conséquence un but de l'invention de créer une structure améliorée de laser DH. Un autre but de l'invention est de créer un procédé amélioré de réalisation d'un laser DH. En accord avec l'invention, il est crée une nouvelle structure de laser comportant une géométrie de bandes à jonction auto-alignées obtenue par le procédé MO OVD. Ce laser est obtenu sur un substrat gravé d'une gorge et a une structure DH avec une zone active étroite en forme de V. Un trajet du cou- rant dans la zone en forme de V est constitué en utilisant une diffusion anomale de zinc pendant la croissance, fournissant une large zone de contact métallique des deux c8tés de la pla- que. Les autres butspartioularités et avantages de l'invention vont se dégager de la description qui va suivre} faite en se référant aux dessins ci-Joints, dans lesquels les mêmes références désignent les mêmes éléments constitutifs. - la figure 1 est une coupe d'une diode de laser DH, - la figure 2 illustre de façon schématique la diffusion des impuretés - les figures 3 et 4 sont des coupes d'autres réalisations conformes à l'invention, - la figure 5 montre la caractéristique du dispositif. En se référant à la figure 1, on y voit une 2.- coupe selon un plan (01T) d'un laser 1 conforme à l'invention. Un substrat 2 est d'un type n orienté (100) dopé GaAs avec 2 x 1018cm-3Si, dont la surface supérieure est gravée d'une gor- ge selon la direction (110). Des fenêtres en forme de bandes d'une largeur d't1 P m dans un masque photorésistant sont for- mées par photolithographie. Une solution de gravure cristallo- graphique A:P04 -202-H20 (1:1:10 en volumes) fournit une gorge 3 d'environ 1 i m de profondeur et de 2 / m de largeur, présen- tant une coupe transversale en forme de U et des plans inclinés (111). Cinq couches épitaxiales sont cultivées en commandant le débit des gaz réactifs. La première couche 4 jouant le rôle de tampon est du GaAs de type n d'une épaisseur de 0,3 à 0,5 P m, dopée avec I x 1018cm-$Se. La seconde couche 5 comme couche de recouvrement est en 4.34Gao 66As de type n d'une épaisseur de 0,7 p m dopée avec 1 z 10i7 cm-38e. La troi- sième couche 6 en tant que couche active, est du GaAs pur de type n d'une épaisseur de 0,1 Nm. La quatrième et la cinquième couches 7 et 8, en tant que couches de recouvrement, sont en A.34 Gao 66As de type n et de type p d'une épaisseur de 0,2 et de 0,7pm, respectivement dopées avec 1 x 1017 cm-3Se et x 10 7cm Zn. Les couches de recouvrement 5 et 7 ont un écart de bande énergétique plus grand et un index de réfraction plus petit que ceux de la couche active 6. La sixième couche 9 en tant que couche d'enrobage est du GaAs de type p d'une épaisseur de 0,3pm dopé avec 4 z 1018cm-3Zn. Les principaux gaz réactifs sont le triméthyl- aluminium (TMA), le triméthylgallium (!MG) et de l'arsine en tant que sources respectives de Al, Ga et As. Du séléniure d'hy- drogène et du zinc diéthyle sont utilisés comme dopants pour des couches de conductivité de type n et de type p respective- ment. Le débit des composés alkyle se situe entre 0,5 et 1,0ml/ min. le débit partiel d'arsenic par rapport aux éléments de co- lonne III est supérieur à 10. Le débit porteur total est habi- tuellement de 4 litres par minute. le taux de croissance est de l'ordre de 0,2f m/min. La gorge 3 devient plus étroite lorsque l'épaisseur de la couche cultivée augmente et elle prend pro- gressivement une forme en V entourée par des plans A (111). le taux de croissance sur le plan A (111) est approximativement 3.- égal au taux de croissance sur le plan (100). Lorsque l'épais- seur totale des couches cultivées atteint 2 Jm, la gorge est presque enterrée. La surface plane résultante est du type dési pour la fabrication du dispositif. La largeur de la zone ac- tive en V 6a, qui est une partie inclinée de la couche active est commandée en faisant varier la largeur de la gorge origina 3 et l'épaisseur de la première et de la seconde couches 4 et 5. Dans le cas présent, la profondeur et la largeur de la zone active en V résultante 6a, sont de l'ordre de 1 P m. Le zinc diffuse anormalement plus vite dans la zone de la gorge que sur la surface plane. L'origine possi- ble de ceci peut être la différence d'efficacité de dopage en- tre les couches cultivées sur les plans A (111) et (100) dûes au champ de contraintes autour de la gorge. Le phénomène est utilisé pour confiner un trajet de courant dans la zone de la gorge. La figure 2 montre schématiquement les proc sus de diffusion. Le dopant est commuté de Se à Zn après que 1 quatrième couche 7 de AlGaAs ait été réalisée. La figure 2 (a) montre la distribution de l'impureté dopée As. Le zinc dopé dans la cinquième couche 8 de AlGaAs diffuse préférentiellemei à l'intérieur de la quatrième couche 7 de AlGaAs et atteint la couche active 6 de GaAs pendant la croissance. La figure 2 (b) montre la structure finale. Dans la région plate, la Jonction p-n 10 est placée entre la quatrième et la cinquième couches 7 et 8 de AlGaAs. Dans la gorge elle est placée dans ou sur le fond de la couche active 6 de GaAs, c'est-à-dire autour de la frontière entre la seconde et la troisième couches 5 et 6. le zinc peut, en variante, être diffusé après la déposition de la couche 8 ou 9. Le trajet de courant est limité à la zone d la gorge du fait que la jonction p-n 10a dans la gorge a un potentiel de diffusion plus bas que la jonction p-n 10 dans la région plate. La structure présente une géomètrie de bandes de jonction avec une différence d'index de réflexion incorporé, la zone active 6a en GaAs étant latéralement prise en sandwicI entre les couches 5 et 7 en AlGaAs. La géométrie de bandes de Jonction auto-alignées rend le processus de fabrication tout l fait simple. Les contacts ohmiques 11 et 12 sur la face infé- rieure et la face supérieure de la plaque, sont formés sur la 4.- totalité des surfaces avec respectivement un alliage Au-Ge et des couches successives Ti/Pt/Au. Des diodes lasers individuelles d'une longueur d'environ 250 pm, sont séparées par clivage. Elles sont soudées, avec la face p vers le hautparcbl'indium sur de petits dissipateurs de chaleur en cuivre. La gorge gravée peut être orientée dans la direction (1T0) dans laquelle les plans inclinés sont approxi- mativement les plans B (311). La diffusion de Zn est remarqua- blement supprimée dans la gorge. Une jonction p-n 30 formée par diffusion de zinc est située dans la seconde et la troisiè- me couches 25 et 26 en AlGaAs dans la zone plate, et dans ou sur le fond de la zone active 27a dans la gorge. Le trajet de cou- rant est limité à la zone de la gorge. La figure 3 montre le dispositif réalisé par ce processus. La figure 4 montre une autre réalisation. La gorge 44 selon la direction (110) a une largeur telle qu'une couche active 47 présente dans la gorge une zone plate à fond étroit 47b. Une jonction p-n 50 est placée dans ou sur le fond des couches actives 47 et 47b en GaAs dans les zones plates, et dans la couche inférieure 46 en AlGaAs dans la zone inclinée. le trajet de courant est limité à la zone plate de la gorge, à condition que le reste de la surface du substrat 42 soit trans- formé en une couche 43 de type p pour constituer une barrière de courant. La figure 5 montre la relation entre la puis- sance d'émission lumineuse et le courant continu à la température du laboratoire. Le courant de seuil le plus bas de cette diode est 15 mA. La puissance d'émission maximale par facette est de à 18 mW pour des dispositifs non revêtus, et dépasse 40 mW pour des dispositifs revêtus de Si3N4. La densité maximale de puissance est élevée du fait du trajet de courant étroit de l'ordre de 1 /m. Le rendement quantique différentiel de la diode est de 65 %. Le laser fonctionne de façon prédominante selon un mode unique dans de larges limites de courant. La forme du faisceau est approximativement circulaire avec un rapport de la largeur à la hauteur inférieur à 1,5. Certaimsdispositifs revêtus ont été exploités pendant plus de 3.000 heures,avec un accrois- sement progressif du courant de commande,à une puissance d'émis- sion de 4 mW/ par facette à la température du laboratoire. La description qui précède est basée sur ies 5.- réalisations préférées de I'invention, mais il est évident que de nombreuses modifications et variantes peuvent Otre appor- tées par un spécialiste sans sortir de l'esprit ou du cadre des nouvelles conceptions de l'invention, le cadre de l'inven- tion étant uniquement déterminé par les revendications ci-Join- tes. 6.- R E V E N D I a à T I 0 N S REVENDIOATIONS 1.- Laser à semi-conducteur caractérisé en ce qu'il comporte: - un substrat semi-conducteur comportant sur sa plus grande fa- ce, une gorge allongée - une couche active semi-conductrice présentant une zone active incurvée correspondant à cette gorge, - une paire de couches semi-conductrices placées de part et d'autre de cette couche active et présentant des écarts éner- gétiques plus larges que cette couche active, - une jonction p-n comportant une première partie dans le fond ou autour du fond de cette zone active et une seconde partie dans l'une des couches de cette paire de couches. 2.- laser à semi-conducteur selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que la plus grande face est dans le plan (100). - 3.- Laser à.semi-conducteur selon la reven- dication 2, caractérisé en ce que la gorge est allongée selon la direction (110) et comporte des plans inclinés (111). 4.- Laser à semi-conducteur selon la reven- dication 2, caractérisé en ce que la gorge est allongée selon la direction (1TO) et comporte des plans inclinés (311). 5.- Procédé de fabrication d'un laser à semi-conducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, procédé caractérisé en ce que l'on forme une gorge allongée dans la plus grande face d'un substrat semi-conducteur, on dépose sur cette face des couches épitaxiales semi-conductrices à par- tir d'une phase vapeur, ces couches comportant une partie in- clinée et une partie plate correspondant respectivement à la gorge et à la face plane, et on introduit des impuretés dans au moins une de ces couches, la vitesse de diffusion des ces impuretés étant différente entre les parties inclinées et les parties plates.