Brevet FR2508244A1 — publié le 19821224

LASER A SEMICONDUCTEUR A COURTE LONGUEUR D'ONDE L'invention concerne un laser à semiconducteur (diode laser) permet- tant l'obtention d'un rayonnement à longueur d'onde relativement petite par rapport aux longueurs d'onde usuelles des lasers à semiconducteurs. En effet, la plus petite longueur d'onde obtenue avec des diodes lasers à semiconducteurs est de l'ordre de 0,8 micron, donc située dans l'infrarouge L'invention permet, par contre, d'atteindre le domaine de la lumière visible, ce qui présente les avantages suivants: ) La possibilité de contrôle visuel; 2 ) L'amélioration de la résolution des systèmes optiques, notamment des lecteurs de vidéodisque, audiodisque et disque optique dans la mesure o la résolution est limitée par le phénomène de diffraction. Dans ces applications, on focalise le rayonnement du laser sur la surface du disque Le rayon de la tache de focalisation est donné en fonction de la longueur d'onde et de l'ouverture numérique (sin U) par la formule: R 0,61 R sin U Pour augmenter la résolution, il faut diminuer R donc: soit diminuer la longueur d'onde, ce qui est l'objet de la présente invention; soit augmenter l'ouverture numérique ce qui entraine une augmen- tation des aberrations proportionnelles à la puissance quatrième de U, d'o l'inconvénient de devoir -les corriger à l'aide de systèmes optiques très performants donc très coûteux. Il y a donc avantage à diminuer en priorité la longueur d'onde émise par le laser à semiconducteurs. Le laser selon Pinvention comporte un substrat en Ga As, d'un type de conductivité prédéterminé, et au moins les couches épitaxiales suivan- tes: une première couche de confinement de même type de conductivité que le substrat, une couche active et une deuxième couche de confinement d'un type opposé de conductivité; les couches de confinement étant constituées de matériaux à bande interdite plus large que celle de la couche active. Il est caractérisé en ce que le matériau constituant la couche active est en alliage répondant à l'une des formules: Gax In 1-X Asy P 1 _Y ( 1) o x est compris entre zéro et un, y est nul ou compris entre zéro et un, x et y étant liés entre eux par la relation, vérifiée à 1 % près: Y = 0,42 x 0,2 et: Gax A Iz In x z P ( 2) o x est compris entre zéro et un, z est nul ou compris entre zéro et un, x et z étant liés entre eux par la relation, vérifiée à 1 % près: = 0,22 0,42 x 0,41 + 5,04 x (l En outre, il est caractérisé en ce que les couches de confinement sont en alliage répondant à la formule: Inz AI Iz P ( 3) avec: 0,45 z - 0,49 (III) L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques appa- raîtront, au moyen de la description qui suit, et des dessins qui l'accom- pagnent, parmi lesquels: Les figures 1 et 2 représentent des réalisations de l'invention; La figure 3 est un diagramme explicatif. Sur les figures 1 et 2, on a représenté, en coupe partielle et schématique, un dispositif semiconducteur selon l'invention comportant un substrat 1 en arséniure de gallium, supportant une couche de confinement 2, une couche active 3, une autre couche de confinement 4, enfin des métallisations 5 et 6 formant des contacts ohmiques avec le matériau des faces extrêmes Ces métallisations sont destinées à permettre un bon raccordement à une source de tension électrique. Dans tous les cas représentés, le substrat est en Ga As dopé p' Un dopage n+, également possible, correspond à une autre série d'exemples, non représentés, o les dopages des diverses couches et du substrat seraient de -2508244 type opposé de conductivité, la soruce de tension ayant alors des polarités inversées. Sur l'exemple de, la figure 1, les caractéristiques des couches sont les suivantes: Couches 2 et 4: en alliage de formule: Inz Al P dans laquelle z satisfait aux relations (III) citées plus haut. En outre la couche 2 est dopée p et la couche 4 dopée n. Couche 3: en alliage de composition donnée par Pune des formules ( 1) et ( 2), x et y, ou x et z, selon le cas satisfont aux diverses conditions posées ci-avant, en particulier les relations (I) et (II) Ces relations sont nécessaires pour permettre une bonne croissance épitaxiale, lors de la fabrication du dispositif par épitaxie, des couches de différentes compositions sur un même substrat en Ga As Elles expriment le fait que les paramètres des réseaux cristallins doivent être égaux à 1 ou 2 % près. Sur l'exemple de la figure 2, les caractéristiques des couches sont les suivantes: Couches 2 et 4: en alliage de même composition et de même dopage que les couches 2 et 4 de la figure 1. Couche 3: alliage de composition: Gax N Ix P formule qui correspond au cas de: y=z= O La couche 3 peut être dopée N ou p. Pour expliquer le fonctionnement de la diode laser dans le dispositif représenté à la figure 1 ou 2, on fait appel d'abord aux connaissances générales d'ordre classique puis au diagramme de la figure 3. D'après les conditions générales de fonctionnement des diodes laser, la couche active doit être réalisée en composé dit III-V (formé d'éléments des troisième et cinquième colonnes de la table de Mendéleeff) C'est le cas des alliages des couches 3 des dispositifs des figures 1 et 2 En outre, cette couche active doit être bordée par deux couches dites de confinement en matériau présentant une largeur de bande interdite plus grande que celle du matériau constituant la couche active Ce point sera vérifié à la figure 3. En effet, on a représenté, à la figure 3, deux diagrammes accolé d'alliages quaternaires: un diagramme carré joignant les points figuratifs des quatre alliages In As, Ga As, Ga P et In P; un diagramme triangulaire dont les trois sommets-sont les points figuratifs des composés In P, Ga P et AI P. Les deux diagrammes, accolés par le segment In P Ga P, délimitent deux espaces dans lesquels les points figuratifs représentent: un alliage Gax Inî As, Pl dans le carré, les valeurs de x et de y étant déterminées par les distances du point figuratif aux segments In P - In As (pour x) et In P Ga P (pour y); un alliage Gax Al I Inî x z P dans le triangle, les valeurs de x et de z étant mesurées sur des lignes parallèles aux bases In P Ga P (pour x) et AI P In P (pour z). En outre, on a tracé, en trait tireté, des lignes sur lesquelles la largeur de bande interdite reste constante lorsqu'on se déplace dans le diagramme. On constate que la largeur de bande interdite croît lorsqu'on se déplace du sommet In As, au voisinage duquel la largeur de bande interdite est inférieure à 0,6 électron-volt, en allant vers le sommet AI P au voisinage duquel la largeur de bande interdite est voisine de 2,4 e V. Enfin a a délimité par un segment de droite AB une région R du diagramme carré, dans laquelle les transitions du matériau semiconducteur sont du typé indirect Dans cette région, il n'y a pas possibilité de constituer un laser ayant une couche active dont le matériau ait une composition correspondant à un point de la région. On a représenté par les points figuratifs 31, 32 et 33 sur le diagramme de la figure 3: 1 ) En 31, d'abscisse x = 0,52 sur la droite In P Ga P, une composition de la couche active d'un laser conforme à celui de la figure 2; 20) En 32, (x = 0,6; y = 0,2) une composition de couche active de laser conforme à la figure 1, dans le cas d'un alliage de formule ( 1) Ce pihnt figuratif se-trouve sur la droite ( 1) joignant le sommet Ga As du carré au point 31 L'équation de la droite ( 1) dans le système de coordonnées X et y n'est autre que la relation ( 1); 3 ) En 33 (x = 0,34; z = 0,4) une composition de couche active de laser conforme à la figure 1, dans le cas d'un alliage de formule ( 2) Ce point figuratif se trouve sur la droite (Il} joignant le point 31 au point C, point figuratif de l'alliage de composition: In O 47 T A 10,53 P qui est celui des couches de confinement ( 0,47 étant la valeur médiane de l'intervalle des valeurs de z définies par la relation III). Il apparait nettement que les lasers possédant des couches actives de compositions représentées par les points 31, 32 et 33 ont une longueur d'onde d'autant plus petite que leur bande interdite est plus grande, c'est à dire que l'on se rapproche du point C sur la droite In P AI P. Une couche active de composition correspondant au point 31 a une largeur de bande interdite de 1,9 e V, ce qui correspond à une longueur d'onde d'émission de 0,65 microns. REVENDICATIONS 1 Laser à semiconducteur à petite longueur d'onde, du type com- portant un substrat ( 1) en Ga As, d'un type de conductivité prédéterminé, et au moins les couches épitaxiales suivantes: une première couche ( 2) de confi nement de même type de conductivité que le substrat, une couche active ( 3) et une deuxième couche ( 4) de confinement d'un type opposé de conductivit é; les couches de confinement étant constituées de matériaux à bande interdite plus large que celle de la couche active, le laser étant caractérisé en ce que le matériau constituant la couche active est en alliage répondant à la formule: Gax In 1 As Pl ( 1) ou x est compris entre zéro et un, y est nul ou compris entre zéro et un, x et y étant liés entre eux par la relation, vérifiée à 1 % près: 0,42 x 0,22 ( 1 Y=,1 x + 0,19 (g et en ce que les couches de confinement sont en alliage répondant à la formule: In Al P ( 3) z I-z avec: 0,45 2 Laser à semiconducteur à petite longueur d'onde, du type com- portant un substrat ( 1) en Ga As, d'un type de conductivité prédéterminé, et au moins les couches épitaxiales suivantes: une première couche ( 2) de con- finement de même type de conductivité que le substrat, une couche active ( 3) et une deuxième couche ( 4) de confinement d'un type opposé de conductivité; les couches de confinement étant constituées de matériaux à bande interdite plus large que celle de la couche active, le laser étant caractérisé en ce que le matériau constituant la couche active est en alliage répondant a-la formule: Gax A Iz In 1-x-z P ( 2) o x est compris entre zéro et un, z est nul ou compris entre zéro et un, x et étant liés entre eux par la relation, vérifiée à 1 % près: = 0,22 042 x(Il) et en ce que les couches de confinement sont en alliage répondant à la formule: Inz All z P ( 3) avec: 0,45 3 Laser selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le matériau constituant la couche active a la composition suivante: Gax Inlx P avec: 0,51