Brevet FR2529399A1 — publié le 19831230

D U P L I C A T A La présente invention concerne la fabrication de lasers à injection, et en particulier la fabrication de lasers dont la struc- ture exige qu'ils soient faits par des méthodes impliquant la crois- sance épitaxiale sur un substrat non-plan Deux types de tels lasers sont le laser à hétérostructure enfouie et substrat rainuré (briéve- ment désigné par l'abréviation anglo-saxonne CSBH), et le laser à substrat étagé (brièvement désigné par l'abréviation anglo-saxonne TS) L'invention se rapporte en particulier à une fabrication qui uti- lise l'épitaxie pour obtenir la structure requise, impliquant la croissance épitaxiale d'une couche de blocage pour produire des jonc- tions inversement polarisées confinant le flux de courant, mais n exigeant pas l'interruption de la croissance épitaxiale pour exé- cuter un traitement intermédiaire relevant d'une technique d'un type différent, tel que masquage et attaque chimique. La présente invention prévoit une méthode de fabrication d'un laser à injection dans lequel, lors du focntionnement du laser terminé, le flux de courant passant par la couche active du laser est confiné au moins partiellement par des jonctions inversement polarisées fournies par des parties d'une couche de blocage séparées l'une de l'autre, cette méthode étant caractérisée en ce que la couche de blo- cage est formée par croissance épitaxiale en phase liquide sur un sub- strat non-plan offrant à la croissance différents plans cristallins choi- sis de façon telle que la croissance produise lesdites parties de la couche de blocage séparées sans recourir au masquage, ce qui permet à cette croissance d'être suivie immédiatement, sans interruption par une technique de traitement intermédiaire d'un type différent, par la croissance d'autres couches de la structure laser par épitaxie en pha- se liquide La croissance de la matière de la couche active dans un laser CSBH est confinée à une bande alignée sur une rainure dans la ma- tière du substrat sous-jacente, et cette caractéristique est utilisée pour fournir un certain confinement des porteurs minoritaires et de l'onde optique dans la direction latérale (direction se trouvant dans le plan de la surface du substrat qui est à angle droit par rapport à l'axe du laser) Pour conférer à de tels dispositifs un faible courant de seuil, une pratique de l'art antérieur consiste à établir des jonc- tions inversement polarisées sur l'un et l'autre flanc de la région active, jonctions qui servent à bloquer des courants de dérivation ne passant pas par la région active Dans 1 'art antérieur, cela a été réalisé en recourant à l'épitaxie en phase liquide pour faire crol- tre des couches sur un substrat plan, pour établir une jonction à polarisation inverse, à la suite de quoi, après photolithographie et gravure chimique d'une rainure au travers de cette jonction, on faisait croître le reste de la structure au cours d'une deuxième étape d'épi- taxie en phase liquide Cette procédure, impliquant deux étapes d'épi- taxie séparées, est plutôt compliquée et longue à mettre en oeuvre. En particulier, la dégradation de la planéité de surface, résultant de la croissance des couches épitaxiales de la première étape, peut présen- ter des problèmes dans l'établissement d'une photolithographie accepta- ble, en préparation pour la deuxième étape de croissance épitaxiale. Selon la présente invention, dans son application à la fabri- cation de lasers CSBH, il est prévu une méthode de fabrication d'un laser à injection, ce laser étant du type In P/(In,Ga) rostructure enfouie et substrat rainuré, cette méthode comprenant les étapes suivantes dans la surface ( 100) d'un substrat en In P ayant un premier type de conductibilité, on prépare une rainure s'étendant dans la direc- tion l 011) et ayant des côtés { 111} B; par épitaxie en phase liquide, on fait croître une couche de blocage en (In Ga)(As,P) à réseau adapté du type de conductibilité opposé, cela sur la surface ( 100) du substrat, dans des conditions de sursaturation limitée qui fournissent une couche discontinue interrompue par une région de non-croissance sur chacun des deux côtés { 111} B de la rainure; par épitaxie en phase liquide, on fait croître une couche passive inférieure, du premier type de conductibilité, en In P ou en (In,Ga)('As,P) à réseau adapté, pour couvrir la matière de la couche de blocage et combler en partie, incomplètement, la rainure; par épitaxie en phase liquide, on fait croître, sur la cou- che passive inférieure, une couche active en (In,Ga)(As,P) à réseau adapté, ayant une largeur de bande interdite moindre que celle de la matière de la couche passive inférieure, cela dans des conditions qui donnent une croissance dans la région alignée sur la rainure, cette croissance étant supprimée partiellement ou complète- ment dans les régions alignées sur les épaulements des côtés { 111}B de la rainure; et par épitaxie en phase liquide, pour couvrir la couche pas- sive, on fait croître une couche passive supérieure qui est d'un type de conductibilité opposé & celui de la couche passive inférieure et qui est faite d'In P ou de (In,Ga)(As,P) à-réseau adapté, ayant une largeur de bande interdite plus grande que celle de la couche active. La méthode de l'invention, dans son application à la fabrication de lasers CSBH, repose sur le fait qu'il s'est avéré possible de réali- ser une croissance sélective de la combinaison (In,Ga)(As,P) sur un sub- strat rainure, en In P, sans masquage Ceci est obtenu en donnant à la rainure des parois ( 111}B dans une surface ( 100 X, et en utilisant le fait que la nucléation épitaxiale de (In,Ga)(As,P) se produit beaucoup plus rapidement sur la surface ( 100) que sur la surface { 1111}B Ce mê- me effet est utilisé dans l'application de l'invention à la fabrication de lasers TS Dans un laser TS, un certain guidage latéral de l'onde optique est prévu pour la couche active en la faisant croître sur un substrat étagé et en utilisant le fait que les conditions de croissance peuvent être aménagées pour assurer que la croissance sera plus épaisse dans la région alignée sur l'étagement que dans les ré- gions qui le bordent Les méthodes de l'art antérieur pour établir une couchede blocage afin de produire des jonctions inversement polarisées sur l'une et/ou l'autre flanc de la région active d'un laser îS néces- sitaient une certaine forme de masquage et de gravure chimique pour enle- ver sélectivement de la matière de la couche de blocage de l'étagement ou pour empêcher sa croissance dans cette région Ce traitement exigeait l'interruption de la croissance épitaxiale, ce qui annule un avantage, majeur de l'adoption de la structure TS, à savoir la simplicité,de sa fabrication. La présente invention dévoile comment une couche de blocage peut être établie d'une manière telle que, sans utiliser un masque, il n'y aura pas de croissance de la matière de blocage dans la région de l'étagement. Selon la présente invention, dans son application à la fabrication d'un laser TS, il est prévu une méthode de fabrication d'un laser à injection, a substrat étagé, ce laser étant un laser à In P/(In, Ga)(As,P), cette méthode comprenant les étapes suivantes sur un substrat en In P ayant un premier type de conducti- bilité, on prépare une surface étagée ayant des surfaces supérieure et inférieure ( 100) reliées par un étagement plan { 111}B; p ar épitaxie en phase liquide, on fait croître sur la surface étagée une couche de blocage en (In Ga)(As,P) à réseau adapté ayant le type de conductibilité opposé, dans des conditions de sursa- turation limitée qui produisent une couche discontinue interrompue par une région de non-croissance sur la face dl'étagement { 111} B; par épitaxie en phase liquide, pour couvrir la couche de blocage, on fait croître une couche passive inférieure, du premier type de conductibilité, en In P ou en (In,Ga)(As,P) à réseau adapté; par épitaxie en phase liquide, on fait croître, sur la cou- che passive inférieure, une couche active en (In Ga)(As,P) à réseau adapté, ayant une largeur de bande interdite moindre que celle de la matière de la couche passive inférieure, cela dans des conditions qui donnent une croissance dans la région alignée sur l'éta- gement, cette croissance étant supprimée partiellement ou complètement dans la région alignée sur l'épaulement de l'étagement; et par épitaxie en phase liquide> pour couvrir la couche active, on fait croître une couche passive supérieure qui est du type de conduc- tibilité opposé à celui de la couche passive inférieure et qui est en In P ou en (In,Ga)(As,P) à réseau adapté ayant une largeur de bande interdite plus grande que celle de la couche active. Les différents objets et caractéristiques de l'invention se- ront maintenant détaillés dans la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux figures annexées qui représentent )-la figure 1, une coupe transversale schématique d'un laser CSBH dans un plan normal à l'axe du laser; la figure 2, une coupe transversale équivalent d'un laser similaire; la figure 3, une coupe transversale schématique d'un laser TS, dans un plan normal à l'axe du laser; et la figure 4, un croquis d'une photomicrographie des couches d'une structure de laser TS obtenues par croissance épita- xiale. Sur la figure 1, la surface ( 100) d'un substrat 1 en In P dopé au soufre, de type n+, est pourvue d'une couche de masquage (non représentée) en silice déposée par pyrolyse, couche dans laquelle est ouverte une fenêtre de deux microns de large qui s'étend dans la di- rection l 011 l (à distinguer de la direction l 011 l) La surface est ensuite attaquée chimiquement dans du H Br: H 3 P 4 1 P:1, typiquement pen- dant environ 90 secondes, pour produire une rainure à parois{ 111} B, repérée par la référence 2, avant d'enlever le masque de silice avec du HF tamponné Le substrat rainuré est ensuite placé dans une nacel- le, prêt pour la croissance d'une succession de couches par épitaxie en phase liquide. La première couche épitaxiale à faire crôltre est une couche de blocage 3 faite de (In,Ga)(As,P) à réseau adapté ayant une composi- tion telle que la largeur de bande interdite corresponde à une longueur d'onde d'émission l = 1,05 pm, et étant légèrement dopée avec du zinc pour la rendre de type p Cette couche est formée dans des conditions de sursaturation limitée fournissant une couche d'un demi-micron d'é- paisseur en un temps de croissance total compris entre deux et dix se- condes Ceci produit une croissance sur la surface ( 100) du substrat, mais pas sur les côtés l 111} 1 B de la rainure Le choix de la composition pour cette croissance de matière quaternaire est quelque peu arbitraire, la composition particulière étant choisie parce que des détails de ses caractéristiques de croissance étaient déjà connus par d'autres travaux sans rapport avec la présente invention. La couche suivante à faire croître est une couche passive inférieure 4, en In P de type N dopé au germanium En variante, le ger- manium peut être remplacé par du tellure ou du sélénium Pour cette couche, un temps de croissance total de dix secondes fournit une épais- seur de couche d'environ 0,2 microns sur les surfaces planes ( 100) La jonction entre cette matière et la couche de blocage sous-jacente 3 fournit une jonction p-n qui, lors du fonctionnement du dispositif com- plet, est inversement polarisée et empêche donc l'écoulement de courant de dérivation dans les ailes du dispositif, au-delà de la région alignée sur la rainure Une couche active 5, à réseau adapté en (In,Ga)(As,P), est ensuite produite pour couvrir la couche passive de type h La composition détermine la longueur d'onde d'émission, X= 1,3 ipm dans ce cas, et peut être de l'un ou l'autre type de conduc- tibilité (une autre longueur d'onde d'émission particulièrement favorisée est À = 1,55 piu), Dans cet exemple, elle est obtenue par croissance à par- tir de matière non dopée, bien qu'il y ait maintenant quelques indications selon lesquelles il pourrait être avantageux, en termes de fonctionnement en température, de la réaliser en matière de type N Les conditions de sursaturation sont choisies de façon classique pour les lasers CSBH (lasers à hétérostructure enfouie et substrat rainuré), de façon que la couche 5 soit de préférence non-continue, mais contienne une région active 6 alignée sur la ranure sous-jacente tout en étant complètement séparée des deux régions latérales recouvrant -les portions de surface ( 100) du substrat Dans la région active 6, la couche active est conçue pour être épaisse typiquement d'environ 0,2 micron aux endroits d'é- paisseur maximale alignés sur le centre de la rainure, et ceci est obte- nu en un temps de croissance de trois secondes au moins La suppression complète de la croissance de la couche active sur les angles des parois { 111} B n'est pas essentielle car l'amincissement localisé de la cou- che active dans ces régions produira aussi dans une certaine mesure un effet de guidage d'onde latéral. La couche active est ensuite couverte par une couche passive 7 en In P dopé au zinc, de type p, de façon qu'une jonction p-n soit formée à la surface supérieure ou inférieure, ou près d'une telle surface, de la région active 6, ou quelque part entre ces surfaces Ceci est prévu pour la génération de porteurs minoritaires lorsque le laser est en fonctionnement Cette couche 7 est continue et est de préférence formée par croissance dans des conditions tendant à combler la dépression résiduelle, pour former une surface supérieure sensiblement plane Typi- quement, un temps de croissance de l'ordre de 100 secondes est utilisé pour produire une couche dont l'épaisseur est d'environ 1,5 dans les régions éloignées de la rainure sous-jacente. La couche finale, obtenue par croissance épitaxiale, est une mince couche de recouvrement 8 en (In,Ga)(As,P) à réseau adapté, dopée au zinc, de type p, ayant une épaisseur d'environ 0,3 à 0,4 micron Elle est prévue pour faciliter la réalisation, par dépôt par vaporisation, d'un contact avec la-matière de type p Ceci peut être omis, en particulier si le contact est un contact allié. Après que toutes les couches ont été formées, la surface 1 o supérieure est couverte d'une couche électriquement isolante 9, par exemple une couche de silice déposée Dlasma HF, et dans laquelle une fenêtre de 5 à 10 microns de large, alignée sur la rainure sous-jacente, est ouverte en utilisant des techniques de photo- lithographie classiques Une diffusion de zinc sur une faible profondeur peut être faite à ce moment-là, après quoi on applique une couche de contact classique 10 par évaporation. Cette couche de contact "évaporée" est obtenue par une triple évaporation: on dépose d'abord une première couche en titane, puis une couche de platine ou palladium-et, enfin, une couche d'or. La préparation de cette couche de contact est suivie par la préparation d'une couche de contact alliée 11 pour le côté de type n. A cette fin, un mélange d'étain et d'or est déposé par évaporation à partir d'une source en alliage, est allié par le substrat puis est cou- vert par une couche de titane obtenue par évaporation, cette couche étant elle-même couverte par une couche d'or obtenue par évaporation. Bien que les couches passives supérieure et inférieure aient été décrites comme faites d'In P, au moins l'une d'entre elles aurait pu être faite d'un matériau quaternaire à réseau adapté, à condition que la largeur debande interdite soit, dans chaque cas, maintenue plus large que celle de la matière de la couche active, de façon à conser- ver les conditions appropriées pour le guidage optique et le confinement des porteurs. La figure 2 décrit une structure de laser qui, dans l'ensemble, est similaire à celle selon la figure 1 Toutefois, dans cet exemple, la profil de la rainure dans le substrat et/ou les conditions de crois- sance-sont tels qu'il y a aussi une certaine croissance de la matière, de la couche de blocage sur le fond du canal, dans la région 20 Ceci produit une région de jonction supplémentaire, à polarisation inverse, mais le flux de courant traversant la région active peut la contourner dans les régions indiquées par les flèches 21. La figure 3 décrit une coupe du laser à substrat étagé (laser TS), et l'on peut voir que la structure est à certains égards équivalente à la moitié d'un laser CSBH selon la figure 2, mais avec une rainure de la largeur infinie Les opérations de fabrication relatives à ces deux lasers sont, elles aussi, étroitement similaires à de nombreux égards. Ainsi, la surface ( 100) d'un substrat 31 en In P dopé au soufre, de type ns est pourvue d'une couche de masquage (non représentée) en silice déposée par pyrolyse, puis la moitié gauche de cette couche est enlevée pour laisser subsister un bord passant par le milieu de la surface ( 100) dans la direction l 011 l (à distinguer de la direction l 011 l) La surface est alors attaquée chimiquement, dans du H Br: H 3 PO 4 1:1, typiquement pendant deux minutes environ au lieu des 90 secondes utilisées pour le laser CSBH, cela pour obtenir une gravure un peu plus profonde Ceci pro- duit les deux niveaux de plan ( 100) reliés par un étagement { 111 IB, repé- ré par la référence 32 Après cela, on forme les couches inférieures passi- ve et active, la couche supérieure passive et les couches couvrantes, res- pectivement 33, 34, 35, 37 et 38, par croissance de la même manière que leurs équivalents 3, 4, 5, 7 et 8 dans le laser CSBH De façon similaire, le laser est pourvu d'un contact en forme de bande au moyen d'une couche de contact 30 déposée par évaporation et d'une couche de masquage 39, puis une couche de contact alliée 41 est aménagée pour le substrat, ces contacts étant établis de la manière précédemment décrite pour l'âména- gement des contacts correspondants 10 et 11; La figure 4 est un croquis d'une microphotographie, montrant que lorsque la couche de blocage a été produite, la croissance a atteint, en remontant l'étagement, une hauteur plus grande que l'épaisseur moyen- ne de la couche tandis que, dans la région immédiatement adjacente, l'é- paisseur de croissance a été inférieure à la moyenne, ceci étant peut- être le résultat d'effets d'appauvrissement Lors de la formation de la couche passive inférieure 34, la croissance s'est étendue sur toute la hauteur de l'étagement initial, mais pas sur toute la hauteur d'étage- ment agrandie par la croissance de la couche de blocage Les conditions de croissance peuvent être modifiées légèrement pour changer cela, au- quel cas la croissance de la couche active 34 peut être retenue continue plutôt que divisée en deux régions par l'angle d'épaulement de l'étagement agrandi, comme représenté sur la figure 3 Il semble que le léger changement dans l'orientation de paroi, résultant de l'extension de la croissance vers le haut de l'étagement soit le facteur responsable de ce que la croissance initiale dans l'alignement de l'étagement est dimi- nuée de façon à produire une couche de blocage divisée, alors que, dans la croissance ultérieure de la couche active, la croissance dans l'aligne- ment de l'étagement est renforcée de façon à donner larégion localement épaissie de la couche active, requise pour le guidage d'onde latéral. REVENDICATIONS 1 Méthode de fabrication d'un laser à injection dans lequel, lors dufonctionnement du laser terminé, le courant passant par la couche active du laser est confiné au moins partiellement par des jonctions inversement polarisées fournies par des parties d'une couche de blocage séparées l'une de l'autre, caractérisée en ce que la couche de blocage est formée par croissance épitaxiale en phase liquide sur un substrat non-plan offrant à la croissance différents plans cristallins choisis de façon telle que la croissance produise lesdites parties de la couche de blocage séparées sans recourir au masquage, ce qui permet à cette croissance d'être suivie inmmédiatement, sans interruption par une technique de traitement intermédiaire d'un type différent, par la croissance d'autres couches de la structure laser par épitaxie en phase liquide. 2 Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que le laser est un laser In P/(In,Ga)(As,P). 3 Méthode de fabrication d'un laser à injection, ce laser étant du type In P/(In,Ga)(As,P) avec hétérostructure enfouie et substrat rainuré, caractérisée en ce qu'elle comprend les étapes suivantes: on prépare une rainure s'étendant dans la direction l 011 l et ayant des côtés { 111}B, dans la surface ( 100) d'un substrat en In P ayant un premier type de conductibilité; par épitaxie en phase liquide, on fait croître une couche de blocage en (In,Ga)(As,P) à réseau adapté, du type de conductibilité opposé, cela sur la surface ( 100) du substrat, dans des conditions de sursaturation limitée qui fournissent une couche discontinue interrompue par une région de non-croissance sur chacun des deux côtés { 111 I B de la rainure; par épitaxie en phase liquide, on fait croître une couche passive inférieure, du premier type de conductibilité, en In P ou en (In, Ga)(As,P) à réseau adapté pour couvrir la matière de la couche de blocage et combler en partie, incomplètement, la rainure; par épitaxie en phase liquide, on fait croître, sur la cou- che passive inférieure, une couche active en (In,Ga)(As,P) à réseau assorti, ayant une largeur de bande interdite moindre que celle de la matière de la couche passive inférieure, cela dans des conditions qui donnent une croissance dans la région alignée sur la rainure, cette croissance étant supprimée partiellement ou complètement dans les régions alignées sur les énaulements des cotés { 111} B de la rainure; et par épitaxie en phase liquide pour couvrir la couche active, on fait croître une couche passive supérieure qui est d'un type de con- ductibilité opposé à celui de la couche passive inférieure et qui est faite d'In P ou de (In,Ga)(As,P) à réseau adapté,-ayant une largeur de bande interdite plus grande que celle de la couche active. 4 Méthode selon la revendication 3, caractérisée en ce que les conditions de croissance sont telles que la croissance de la couche active est complètement supprimée dans les régions alignées sur les épaulements des côtés { 1111 B de la rainure. Méthode de fabrication d'un laser à injection, à substrat étagé, ce laser étant un laser à l'In P/(In,Ga)(As,P), caractérisée-en ce qu'elle comprend les étapes suivantes: sur un substrat en In P ayant un premier type de conductibili- té, on prépare une surface étagée ayant des surfaces supérieure et infé- rieure ( 100) reliées par un étagement plan { 111 IB; par épitaxie en phase liquide, on fait croître sur la sur- face étagée une couche de blocage en (In,Ga)(As,P) à réseau adapté, ayant le type de conductibilité opposé, dans des conditions de sursatu- ration limitée qui produisent une couche discontinue interrompue par une région de non-croissance sur la face d'étagement 111 B; par épitaxie en phase liquide, pour couvrir la couche de blocage, on fait croître une couche passive inférieure, du premier type -de conductibilité, en In P ou en (In,Ga)(As,P) à réseau adapté; par épitaxie en phase liquide, on fait croître, sur la cou- che passive inférieure, une couche active en (In,Ga)(As,P) à réseau adapté, ayant une largeur de bande interdite moindre que celle de la matière de la couche passive inférieure, cela dans des conditions qui donnent une croissance dans la région alignée sur l'étagement, cette croissance étant supprimée partiellement ou complètement dans la région alignée sur leépaulement de l'étagement; et par épitaxie en phase liquide, pour couvrir la couche acti- ve, on fait croître une couche passive inférieure qui est du type de conductibilité opposé à celui de la couche passive inférieure et qui est en In P ou en (In Ga)(As,P) à réseau adapté ayant une largeur de bande interdite plus grande que celle de la couche active. 6 Méthode selon l'une quelconque des revendications 3, 4 ou , caractérisée en ce que les couches passives supérieure et inférieure que l'on fait croltre sont toutes les deux en In P; 7 Méthode selon l'une quelconque des revendications 3, 4, 5 ou 6, caractérisée en ce que la couche de blocage que l'on fait croître est en une matière de type p. 8 Laser fabriqué par la méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes.