Brevet FR2525033A1 — publié le 19831014

La présente invention a pour objet un laser à semiconducteur à plusieurs longueurs d'onde indépendan- tes et son procédé de réalisation Elle trouve une ap- plication en télécommunications optiques. Le domaine technique de l'invention est celui des lasers à semiconducteurs dits à double hétérostruc- ture et à jonction en forme de ruban Une double hétéro- structure est constituée d'un empilement de couches se- miconductrices déposées sur un substrat monocristallin. On trouve en général, en partant du substrat, une couche de confinement, une couche active, une seconde couche de confinement, et une couche de contact recouverte d'une couche métallique. Pour les lasers émettant entre 0,8 et 0,9 lim, ces couches sont en alliage Gaî x Alx As et le substrat en Ga As; pour les lasers émettant entre 1,3 et 1,65 lim, les couches sont en Gaî X Inx As _YPY et le substrat est en In P. Le fonctionnement en continu de ces lasers est obtenu en réduisant la partie active à un ruban d'une dizaine de microns de large et de 300 microns de long. Ce ruban est obtenu par bombardement protonique de part et d'autre de la zone devant rester active. Le domaine privilégié des lasers à semiconduc- teurs est celui des systèmes de télécommunications par fibres optiques Dans le but d'augmenter la capacité de transmission de ces systèmes, il est fait usage, le plus souvent, d'un multiplexage en longueur d'onde La solu- tion généralement retenue consiste à raccorder des la- sers émettant à différentes longueurs d'onde à une fibre optique unique, par l'intermédiaire d'un multiplexeur optique. Le but de l'invention est de réaliser un nou- veau type de laser capable d'émettre, à lui seul, plu- sieurs longueurs d'onde de sorte qu'un tel laser puisse être couplé à une même fibre optique sans multiplexeur. L'intégration monolithique de plusieurs la- sers a été jusqu'à présent peu étudiée Quelques publi- cations font état, cependant, de réalisations que l'on peut classer en deux catégories. Dans la première, figurent des lasers obtenus à partir d'empilements de doubles hétérostructures pos- sédant des compositions de couches actives différentes. Ces dispositifs sont décrits par exemple par W T TSANG dans "Applied Physics Letters" 36 ( 6), 1980, par S SAKAI et al dans "Proceedings of the 6th European Conference on Optical Communication" New York, 1980 et par T P LEE et al dans "Electronics Letters", Octo- bre 1980, page 845. Dans la seconde catégorie, figurent des dispo- sitifs o la sélection en longueur d'onde s'effectue non pas grâce à la composition de la couche active mais par l'intermédiaire d'un réseau optique situé dans cette couche C'est ce qui est décrit notamment par AIKI et al dans "Applied Physics Letters", 29, page 506, 1976 Il est possible ainsi de réaliser une source émettant six longueurs d'ondes différentes en donnant plusieurs va- leurs au pas du réseau Par ailleurs, dans l'article de Z H ALFEROV et al, publié dans "IEEE Journal of Quantum Electronics", vol 17, page 1530, 1981, il est décrit un moyen pour augmenter l'écart entre les longueurs d'ondes d'émission, ce moyen consistant d'une part, en un réseau et, d'autre part, en une nouvelle technique de croissan- ce permettant d'obtenir une variation continue de la composition de la couche active le long de la jonction. Tous ces dispositifs présentent des inconvé- nients La technique utilisant un empilement de doubles hétérostructures à compositions de couche active diffé- rentes conduit à des lasers qui ne sont pas réellement indépendants de sorte qu'un couplage existe entre les lasers, produisant une diaphonie gênante Les disposi- tifs de la seconde catégorie impliquent une maîtrise de la fabrication des réseaux qui est difficile à obtenir; par ailleurs, ils conduisent à des densités de courant de fonctionnement élevées si bien qu'en pratique les la- sers de cette catégorie ne fonctionnent pas en continu. Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un laser à semiconducteur émettant à plusieurs longueurs d'ondes indépendantes, la simplicité de ce laser autorisant le fonctionnement en continu Ce but est atteint, selon l'invention, par l'utilisation d'une structure o la couche active pré- sente plusieurs ( 2 ou plus) compositions différentes dans son plan, c'est-à-dire parallèlement au plan de la jonction et non plus perpendiculairement à celui-ci comme dans le cas des dispositifs de la première catégo- rie mentionnée plus haut Les moyens d'injection de cou- rant dans les différents lasers sont isolés électrique- ment l'un de l'autre par un sillon, ce qui confère à chaque laser une autonomie électrique Par ailleurs, l'opération de bombardement protonique, qui sert classi- quement à délimiter les rubans dans ce genre de structu- re, sert aussi à isoler optiquement les différents la- sers en créant dans la couche active, une barrière opti- que. L'invention a également pour objet un procédé de réalisation du laser tel qu'il vient d'être défini et quf est caractérisé en ce que: on réalise une première double hétérostructure par épitaxie avec une couche active ayant une première composition, on décape la double première hétérostructure obtenue, jusque dans le substrat, à travers un masque muni d'ouvertures en forme de bandes, ce qui conduit à un substrat sur lequel subsistent des bandes de la pre- mière double hétérostructure séparées par des parties décapées, on fait croître dans les parties décapées une seconde double hétérostructure avec une couche active ayant une seconde composition, on grave un sillon entre la première et la seconde hétérostructures jusqu'à la couche de contact, on effectue un bombardement protonique du sillon. n_ Les caractéristiques de l'invention apparai- tront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limi- tatif Cette description se réfère à des dessins annexés sur lesquels la figure 1 représente un laser conforme à l'invention, la figure 2 représente un laser associé à des photodiodes de contre-réaction, la figure 3 illustre l'une des premières étapes du procédé de fabrication selon l'invention, la figure 4 illustre une autre étape du pro- cédé de fabrication selon l'invention, la figure 5 représente un détail du laser au voisinage du sillon gravé. Le laser représenté sur la figure 1 comprend un substrat 10 en semiconducteur monocristallin sous le- quel est déposée une couche métallique 12 reliée à la masse et sur lequel se trouvent une première couche de confinement 13, une couche active 14, une seconde couche de confinement 16, une couche de contact 18 et enfin une couche métallique 20. Selon l'invention, la composition de la couche active 14 est différente sur la partie gauche et sur la partie droite Il s'agit par exemple pour la partie gau- che de (Gaî x Alx As)et pour la partie droite de (Gal Y Aly As) x et y étant inférieurs à 1 et représen- tant les compositions aluminium On peut prendre par exemple x= O à gauche (auquel cas la couche est en Ga As) et y= 0,05 à droite (ce qui correspond à Ga 0,95 Al 005 As. Toute autre combinaison est naturellement possible. Selon une autre caractéristique de l'inven- tion, un sillon 24 est gravé dans la structure, à tra- vers la couche métallique 20 et les couches 18 et 16 et jusqu'à la couche active 14 De cette manière sont défi- nies deux zones d'injection de charge indépendantes, respectivement A et B Le laser comprend donc deux con- nexions d'alimentation 26 A et 26 B mais un seul contact de masse 12. Les rubans définissant les zones actives de chacun des lasers sont obtenus de manière classique en augmentant la résistivité des couches de confinement et de contact, par un bombardement protonique Ce sont les zones hachurées 28 A et 28 B sur la figure 1 Un point original apparaît cependant du fait de la présence du sillon 24: le bombardement protonique fait na tre, sur les bords de ce sillon, une région isolante et notam- ment, dans la couche active, une zone 30, qui marque une séparation entre les deux parties de la couche active de compositions différentes. Finalement, on obtient deux canaux actifs 32 A et 32 B émettant respectivement deux rayonnements 34 A, 34 B aux longueurs d'onde XA et XB différentes et indé- pendantes l'une de l'autre. A titre d'exemple, chaque ruban peut avoir une largeur de 10 lom Le sillon gravé doit posséder une lar- geur minimale de 10 lm, par exemple 30 -gm L'écart entre les longueurs d'onde peut être de plusieurs centaines d'Angstrôms Avec des compositions de la couche active telles que Ga As et Ga,195 Alo 05 As, les longueurs d'onde sont respectivement égales à 0,89 lom et 0,85 lim Les courants de seuil des deux lasers sont 50 et 60 m A. Les difficultés d'introduction des deux fais- ceaux lumineux émis par le laser de l'invention, dans une fibre multimode de 50 i m de diamètre de coeur, dé- pendent principalement de la distance séparant les deux faisceaux Comme selon l'invention, ces deux faisceaux émanent d'une structure intégrée, cette distance est très faible et de l'ordre de la largeur du sillon Avec une distance de l'ordre de 10 gm, les pertes de couplage lors de cette introduction sont de l'ordre de 3 d B - L'utilisation du laser de l'invention dans un module d'émission complet soulève le problème du choix du photodétecteur qui est souvent associé au laser dans les dispositifs intégrés (cf l'article de T P LEE et al paru dans "Electronics Letters, octobre 1980, pa- ge 845) L'utilisation de photodiodes au silicium néces- siterait l'emploi de démultiplexeurs optiques, ce qui compliquerait à nouveau le module et augmenterait son coût Selon l'invention, on préfère intégrer ces détec- teurs à la structure, comme illustré sur la figure 2, qui montre le double laser précédemment décrit avec deux photodiodes de contre-réaction. Le laser représenté comprend un sillon 40 gra- vé dans les couches de contact et de confinement à pro- ximité de l'une des extrémités de la double hétérostruc- ture et dans une direction perpendiculaire aux deux ru- bans Ce sillon est obtenu par décapage chimique ou usi- nage ionique Sa largeur est de quelques dizaines de microns ( 20 typiquement) Cet usinage définit, d'une part, un des miroirs du laser (l'autre étant constitué par la face avant, qui est par exemple une face clivée) et, d'autre part, deux diodes 42 A et 42 B dont l'une, polarisée en inverse, peut servir de détecteur. La quantité de lumière couplée dans le détec- teur dépend de la largeur du sillon 40 Avec 20 vam, on obtient, dans le cas le plus défavorable, (mode laser à symétrie de révolution de demiangle 200) un coefficient de couplage de 20 d B dans le détecteur Par ailleurs, l'absorption de la couche active à la longueur d'onde laser étant de l'ordre de 100 cm 1, la puissance détec- tée par un détecteur de 100 hum de long est de -25 d B par rapport à la puissance initiale de l'émetteur, valeur nettement suffisante pour établir une contre-réaction sur le laser. Un exemple de procédé de réalisation de cette structure va maintenant être décrit. La double composition de la couche active peut être obtenue en réalisant une épitaxie en deux étapes: lère étape On réalise, selon les procédés usuels, une première épitaxie qui conduit à une double hé- térostructure que l'on décape par intervalle afin d'obtenir la structure illustrée sur la figure 3 qui comprend, sur le substrat 10, des bandes AA' séparées par des zones déca- pées Ces bandes correspondent à une première composition de la couche active. 2 ème étape: On fait croître ensuite dans les parties déca- pées ainsi obtenues une seconde double hétéro- structure ayant une couche active différente de celle de la première On obtient alors des zones B, B' qui remplissent les intervalles entre bandes AA' C'est ce qui est représenté sur la figure 4 Il reste ensuite à couper le dispositif pour obtenir des couples de doubles hétérostructures AB, A'B' Pour l'attaque de la première double hétéro- structure, on peut utiliser un masque constitué de ni- trure de silicium (Si 3 N 4) qui présente une bonne effica- cité de masquage à 8001 C et ne contamine pas les bains d'épitaxie de la seconde double hétérostructure Les "effets de bords" après la reprise d'épitaxie sont ré- duits en alignant le ruban délimité dans la première double hétérostructure selon la direction et en attaquant très légèrement le substrat. Une suite possible d'opérations d'épitaxie est alors la suivante: réalisation de la première double hétérostructure par épitaxie liquide, repérage de l'orientation t) dépôt d'une couche de Si 3 N 4, attaque de Si 3 N 4 par usineur à plasma pour définir des ouvertures parallèles à la direction , attaque chimique de la première double hétérostructure par une solution acide de H 2504, H 202, H 20 1-8-1 à 2 C à travers le masque, décapage chimique du substrat de la première double hétérostructure par acide ammoniaqué à 60 C, rinçage au méthanol, épitaxie de la seconde double hétérostructure dans les zones décapées, décapage du masque de nitrure par usineur à plasma et attaque à l'acide fluoridrique. Ces opérations effectuées, il reste à réaliser l'isolement entre les deux lasers Pour cela, un sillon 24 est d'abord réalisé par attaque chimique à l'aide d'une solution H 254, H 202, 20 1-8-1, à 2 C entre les deux doubles hétérostructures A et B La couche métalli- que 20 (en général du Ti-Au) des couches de contact de type p est d'abord gravée, puis sert de masque à l'atta- que chimique L'aspect du laser au voisinage du sillon est représenté en coupe sur la figure 5. Un bombardement protonique ( 200 ke V, 1015 cm 2) symbolisé par les flèches 50 est ensuite ef- fectué pour améliorer l'isolement électrique entre les deux zones de confinement et isoler optiquement les deux lasers. Pour ce qui est de la réalisation des miroirs par attaque chimique, le masque utilisé est également le contact Ti-Au de la couche 20 La solution d'attaque est la même que précédemment. REVENDICATIONS 1 Laser à semiconducteur à plusieurs lon- gueurs d'onde du type à double hétérostructure et à ru- ban, la'double hétérostructure étant formée d'un sub- strat ( 10) muni d'un contact électrique ( 12), d'une pre- mière couche de confinement ( 13) déposée sur le subs- trat, d'une couche active ( 14) recouvrant la couche de confinement, d'une seconde couche de confinement ( 16) recouvrant la couche active et d'une couche de contact ( 18) recouverte d'une couche métallique ( 20) surmontant le tout, le ruban étant défini par deux zones latérales ( 28 A, 28 B) ayant subi un bombardement protonique et s'étendant à travers la couche de contact et une partie de la couche de confinement, caractérisé en ce que la couche active ( 14) présente dans son plan au moins deux zones de compositions différentes, chaque zone définis- sant un laser (A, B) émettant à une longueur d'onde (XAD XB) définie par la composition de cette zone, les diffé- rents lasers ainsi définis étant isolés électriquement les uns des autres par des sillons ( 24) gravés dans la couche de contact et la couche de confinement et affleu- rant la couche active ( 14), chaque laser possédant ainsi une couche de contact en propre mais un substrat en com- mun avec les autres lasers, les différents lasers étant isolés optiquement les uns des autres par la zone ( 30) de la couche active située sous le sillon, zone qui a subi le bombardement protonique définissant chaque ru- ban. 2 Laser à semiconducteur selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, dans les couches de contact ( 18) et de confinement ( 16) et à proximité de l'une des extrémités de la double hétéro- structure, un sillon ( 40) gravé perpendiculairement aux rubans, les parties de la double hétérostructure compri- ses entre ce sillon et ladite extrémité constituant des diodes ( 42 A, 42 B) de détection intégrées au laser. 3 Laser selon la revendication 1, caractéri- se en ce que la couche active ( 16) présente une composi- tion Ga, x Al As sur une partie et une composition Ga -Y Aly sur une autre partie, x et y étant inférieurs à 1 et différents l'un de l'autre. 4 Procédé de réalisation du laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que: on réalise une première double hétérostructure par épitaxie avec une couche active ayant une première composition, on décape la double première hétérostructure obtenue jusque dans le substrat, à travers un masque muni d'ouvertures en forme de bandes, ce qui conduit à un substrat sur lequel subsistent des bandes (A, A') de la première double hétérostructure séparées par des parties décapées, on fait croître dans les parties décapées une seconde double hétérostructure (B, B') avec une couche ac- tive ayant une seconde composition, on grave un sillon ( 24) entre la première (A) et la seconde (B) hétérostructures jusqu'à la couche de con- tact, on effectue un bombardement protonique du sillon ( 24). Procédé selon la revendication 4, caracté- risé en ce qu'on décape la première double hétérostruc- ture à travers un masque de nitrure de silicium par une solution acide. 6 Procédé selon la revendication 4, caracté- risé en ce que, pour graver le sillon ( 24), on grave d'abord la couche métallique supérieure ( 20) du contact électrique puis on utilise ce contact gravé comme masque dans une attaque chimique. 7 Procédé selon la revendication 4, caracté- risé en ce qu'on décape la première double hétérostruc- ture à travers un masque dont on place les ouvertures parallèlement à la direction 8 Procédé selon la revendication 4, caracté- risé en ce que l'on effectue une attaque chimique d'au moins une des faces des doubles hétérostructures pour obtenir l'un des miroirs des lasers, le masque étant constitué par la couche métallique de contact ( 20).