Brevet FR2535121A1 — publié le 19840427

L'invention concerne un laser à semiconducteur, comportant un substrat présentant une arete arrondie dans l'une de ses surfaces qui s'étend entre les faces d'extrémité du laser. Cette invention vise également un procédé de fabrication d'un tel laser. Un laser à semiconducteur comporte un corps d'un matériau semiconducteur, généralement composé d'éléments appartenant au groupe III-V, comportant une mince couche active entre des couches de type de conductivité opposé, c'est-à-dire par exemple une couche de conductivité de type P sur l'un des côtés de la couche active et une couche de conductivité de type N sur l'autre côté de cette couche active. Cependant, un tel laser émet de façon typique de la lumière selon plus d'un mode optique, ce qui en limite l'utilité et les applications. Le brevet américain N 4 215 319 décrit un laser permettant d'obtenir un faisceau de lumière de sortie, stable et de mode unique.La commande et le contrôle du faisceau lumineux de sortie provenant de ce laser sont réalisés par l'intermédiaire de la réduction de l'épaisseur des couches constituant le laser à semiconducteur. Un tel laser est réalisé en déposant des couches actives et confinées sur un substrat qui est pourvu d'une paire de rainures sensiblement parallèles. L'arnincissement de l'épaisseur des couches du laser est provoqué par la différence du taux ou de la vitesse de croissance des couches sur une partie située entre les rainures, et sur les rainures elles-mêmes, lorsque les couches sont préparées en mettant en oeuvre des techniques de croissance épitaxiale en phase liquide ou en phase vapeur. Cependant, si les couches sont déposées sur un substrat de phosphure d'indium comportant une telle paire de rainures parallèles, en utilisant des techniques de croissance épitaxiale, soit en phase liquide, soit en phase vapeur on constate la réalisation de surfaces planes, accompagnée dsun remplissage plus rapide des rainures que des parties du substrat plat, jusqu'à l'obtention d'une surface lisse et continue. Ce type de croissance du phosphure d'indium limite l'utilisation de la structure décrite dans le brevet américain meirtionne ci-dessus pour des lasers constitués de phosphure d'indium et d'alliages correspondants.Il est donc désirable de réaliser un laser constitué de phosphure d'indium et de ces alliages qui présente les caractéristiques de structure de couche amincie, conforme au laser décrit dans le brevet américain mentionné ci-dessus. La Demanderesse a découvert que, lorsqu'un laser est formé sur un substrat muni d'une arete, les couches déposées sur ce substrat présentaient des surfaces incurvées et l'amincissement d'épaisseur désiré. Le laser à semiconducteur selon la présente invention comporte un corps d'un matériau semiconducteur, ayant une paire de surfaces d'extrémité et un substrat présentant une ou plusieurs arêtes qui s'étendent entre les faces d'extrémité. Une couche active recouvre la surface du substrat et des arêtes, l'épaisseur de cette couche active diminuant dans la direction latérale (c'est-à-dire une direction qui est située dans le'plan de la surface du substrat et perpendiculaire à l'axe des arêtes). Une couche de confinement recouvre la couche active. Le procédé de réalisation du laser ci-dessus, selon l'invention, consiste à déposer une couche d'un matériau résistant à l'attaque chimique, sur une partie du substrat, à soumettre à une attaque chimique les portions de la surface du substrat non recouvertes de ladite couche, à enlever le matériau résistant à l'attaque chimique et à laisser un mesa dans la surface du substrat, à soumettre encore à une attaque chimique ladite surface, afin d'y former une arête et à déposer, séquentiellement, la couche active et la couche de confinement sur la surface du substrat et sur l'arête. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après, en référence aux dessins annexés, qui en illustrent des exemples de réalisafl on dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les dessins - la Figure 1 est une vue schématique en perspective, représentant un premier mode de réalisation d'un laser selon la présente invention - la Figure 2 est une vue schématique, en section droite, d'un second exemple de réalisation d'un laser à semiconducteur selon l'invention - les Figures 3a à 3d illustrent-les différentes étapes du procédé selon l'invention et, - la Figure 4 est une microphotographie d'une section droite dtun laser à semiconducteur selon la présente invention On se réfère en premier lieu à la Figure 1 sur laquelle on a représenté un laser à semiconducteur désigné dans son ensemble par la référence 30. Ce laser comprend un corps semiconducteur 32, comportant des faces d'extrémité parallèles et espacées 34, l'une au moins de ces faces étant susceptibles de transmettre partiellement la lumière de la longueur d'onde du faisceau de sortie du laser, et une paire de surfaces latérales 36 s'étendant entre les faces d'extrémité 34.Le corps semiconducteur 32 comporte un substrat 38, présentant une paire de surfaces principales opposées 40 et 42. Une couche tampon 44 recouvre la surface principale 40, cette couche 44 comportant une arête ou rebord arrondi 46, ménagé dans sa surface 48 qui s'étend entre les faces d'extrémité 34 du corps 32. Une couche active 50 est disposée sur le rebord 46 et sur la surface 48 de la couche tampon 44, cette couche active 50 présentant une épaisseur qui s'amincit dans la direction la latérale Une couche de confinement 52 recouvre la couche active 50 et une couche de couverture 54 recouvre la couche de confinement 52. Une couche électriquement isolante 56 recouvre la couche de couverture 54, cette couche 56 présentant une ouverture réalisée sous la forme d'une bande 58 qui est disposée au-dessus du rebord arrondi 46 de la couche tampon 44.Une première couche électriquement conductrice 60 recouvre la couche électriquement isolante 56, ainsi que la surface de la couche de couverture 54 dans la région de la bande 58. Une seconde couche électriquement conductrice 62 recouvre la seconde surface principale 42 du substrat 38. Les première et seconde couches électriquement conductrices 60 et 62, respectivement, constituent les contacts electriques pour le corps 32. On se réfère maintenant à la Figure 2 sur laquelle l'identification des composants d'un laser à semiconducteur 70 et du laser à semiconducteur 30 représentés sur la Figure 1, est la même. Le laser à semiconducteur 70 diffère du laser à semiconducteur 30, en ce qu'il comporte une paire de rebords ou arêtes arrondis 46, ménagés dans le substrat 38, la couche tampon 44 recouvrant ce substrat et les rebords 46. La couche active 50 vient ensuite recouvrir la couche tampon 44, cette couche active 50 présentant une épaisseur qui se réduit dans la région qui est située au-dessus de la partie 72 comprise entre les rebords arrondis 46 du sub-strat 38. De facon typique, le substrat 38 est constitué d'un composé binaire du groupe III-V, ou d'un alliage de tels composés, présentant une surface 40 qui est parallèle au plan cristallographique (100) ou (110). L'orientation du substrat peut légèrement différer de ces orientations cristallines, cependant, il est préférable d'utiliser soit un plan cristallographique (100), soit un plan (110). Bien entendu, on peut également utiliser toute autre orientation cristalline du substrat. Lors du choix du substrat et des couches qui sont déposées sur ce substrat, il est préférable que les réseaux cristallins des couches soient adaptés à l'orientation cristalline du substrat. De préférence, le substrat est constitué de phosphure d'indium de type N. La couche tampon 44 est composée de façon typique du même matériau que celui qui constitue le substrat et cette couche est utilisée pour obtenir une surface de haute qualité sur laquelle peuvent être déposées les couches supérieures successives. De façon typique, l'épaisseur de cette couche tampon 44 est comprise entre 3 et 10 micromètres environ. Si les rebords arrondis 46 sont réalisés dans le substrat 38, on peut interposer une couche tampon entre le substrat 38 et la couche active 50. Sur les Figures 1 et 2, les arêtes ou rebords arrondis 46 ont été représentés, réalisés dans la couche tampon 44 et dans le substrat 38 respectivement. La largeur, à leur base des rebords 46 peut être comprise entre 5 et 20 micromètres environ et leur hauteur peut être comprise entre 0,2 et 10 micromètres environ. La hauteur et la largeur des rebords 46 sont choisies de façon à obtenir la courbure désirée des couches qui sont déposées sur les rebords ou arêtes arrondis 46. S'il existe plus d > un rebord 46, l'es- pacement entre les rebords, ainsi que la hauteur et la largeur des rebords individuels, sont choisis de façon à obtenir la courbure désirée des couches déposées sur ces rebords.De façon typique, l'espacement centre à centre des arêtes ou rebords arrondis 46 est compris entre 10 et environ 100 micromètres. Les rebords ou arêtes arrondis 46 peuvent être réalisés en mettant en oeuvre le procédé dont les différentes étapes ont été représentées sur les Figures 3a à 3d. Sur la Figure 3a, le substrat 102 est recouvert d'une couche tampon 104. Des parties de la surface 106 de la couche tampon 104 sont ensuite recouvertes d'une couche de masque 108 d'un matériau résistant à l'attaque chimique, par exemple d'une couche d'oxyde de silicium, déposée en mettant en oeuvre des techniques usuelles de dépôt et de photolithographie. La surface 106 est ensuite attaquée à l'aide d'un agent de décapage chimique anisotrope, constitué par exemple d'une solution de 0,1 à 1,0 % de brome dans du méthanol, cet agent attaquant la partie exposée de la couche tampon 104 en formant des mesas 110 dans la surface 112 de cette couche tampon 104, ainsi qu'on peut le voir sur la Figure 3b. La couche de masque 108 est ensuite éliminée en laissant en place les mesas 110 et la surface 112, ainsi qu'on l'a représenté sur la Figure 3c. Les mesas 110 et la surface 112 sont ensuite soumis à une autre attaque chimique, en utilisant le même agent de décapage chimique que celui utilisé précédemment, ou un autre agent, afin d'éroder les mesas, ce qui conduit à la formation des arêtes ou rebords arrondis 120 dans la surface 122 de la couche tampon 104, ainsi qu'on peut le voir sur la Figure 3d. Les couches active, de confinement et de recouvrement sont ensuite déposées séquentiellement sur les rebords 120 et sur la surface 122. Bien entendu, les rebords peuvent être réalisés dans le substrat lui-même, cette opération étant suivie par le dépôt séquentiel des couches. Les différentes couches épitaxiales peuvent être déposées sur le substrat 38, représenté sur la Figure 1, en mettant en oeuvre les techniques de croissance épitaxiale en phase liquide, comme décrit par exemple dans le brevet américain N" 3 753 801 auquel on pourra se référer. En variante, les couches peuvent être déposées par croissance épitaxiale en phase vapeur, en utilisant des techniques connues, telles que décrites notamment dans le brevet américain NO 4 116 733, auquel on pourra se référer. En mettant en oeuvre ces techniques, on peut réaliser le dépôt de couchesdont l'épaisseur s'amincit, étant donné que le taux ou la vitesse locale de croissance d'une couche individuelle varie en fonction de la courbure locale de la surface sur laquelle elle croit.Plus la valeur de la courbure positive locale de la surface est élevée, plus grande est la vitesse de croissance locale. L'épaisseur de la couche active est comprise, de façon typique, entre environ 0,05 et environ 2,2 micromètres et elle est de préférence comprise entre 0,1 et 0,5 micromètres environ. Cette couche active est soit non doppée, soit légèrement conductrice de type P ou de type N et elle peut être composé e d'alliage dinium-ga llium-ar s énic ou de phosphure d'indium, gallium et arsénic, conlposants dans lesquels la concentration relative des éléments est choisie de manière à obtenir une adaptation approximative de réseau cristallin par rapport à la couche tampon, ainsi qu'un faisceau de lumière de sortie présentant la longueur d'onde désirée, comme décrit par exemple par Olsen et al, dans la publication "the Journal of Electronic Materials" 9, 977 (1980). De façon typique, la couche de confinement 52 est composée de phosphure d'indium de type P et son épaisseur est comprise entre 0,5 et 3 micromètres environ. La couche de couverture 54 peut être utilisée pour amélioren la qualité du contact électrique du laser 30. Cette couche 54 présente, de façon typique, une épaisseur qui est comprise entre 0,2 et 0,5 micromètres environ et elle est composée de phosphure d'indium-galliumarsénic ou d'un alliage indium-gallium-arsénic, présentant le même type de conductivité que la couche de confinement 52. Il demeure, bien entendu, que les dispositifs selon la présente invention peuvent être réalisés en utilisant d'autres combinaisons d'alliages du groupe III-V. De préférence, la couche électriquement isolante 56 est composée de bioxyde de silicium qui peut être déposé sur la couche de couverture 38 par décomposition pyrolythique d'un gaz contenant du silicium, par exemple le silane, dans de l'oxygène ou de la vapeur d'eau. La bande 58 est formée au travers de la couche électriquement isolante 56, jusqu'à la couche de couverture 54, en utilisant des techniques connues d'attaque chimique et de photolithographie, cette bande 58 étant de préférence située au-dessùs de l'arête arrondie 46, lorsqu'il ntest prévu qu'une seule arete. Si l'on utilise deux arêtes ou rebords arrondis 46, la bande 58 est alors située sur la partie plate séparant les deux arêtes. De préférence, la couche électriquement conductrice 60 est composée de titane, platine et or et elle est déposée par une technique d'évaporation séquentiélle. L'homme de l'art comprend aisément qu'il est simplement nécessaire que la couche électriquement conductrice recouvre la couche de confinement dans la région située au-dessus du rebord 46 dans un dispositif ne comportant qu'un seul rebord. En variante, la couche électriquement isolante 56 peut être éliminée en déposant sur la couche de confinement 52, une couche de blocage d'un type de conductivité opposé à celui de la couche de confinement 52, cette couche de blocage présentant une région qui possède le même type de conductivité que la couche de confinement. La couche électriquement conductrice 60 peut alors recouvrir toute la surface de cette couche de blocage. Lors de l'application d'une tension de polarisation au laser 30, la jonction p-n entre la couche de blocage et la couche de confinement est polarisée en sens inverse, à l'exception de la région de cette couche qui a été transformée pour présenter le même type de conductivité que la couche de confinement 52. La couche électriquement conductrice 62, sur la seconde surface principale 42 du substrat 38, peut être réalisée par dépôt sous vide et frittage d'étain et d'or. Une face d'exbtrémité 34 du laser 30 est recouverte, de façon typique, d'une couche d'oxyde dtaluminium ou d'un matériau similaire, présentant une épaisseur égale à environ 1 demie onde de la longueur d'onde du laser. Une telle couche est décrite dans le brevet américain N" 4 178 564. La fasce d'extrémité 34 peut être recouverte d'un miroir qui réfléchit la lumière à la longueur d'onde du laser. Ces dispositions sont décrites dans le brevet américain EtO 3 701 047, ainsi que dans le brevet américain N" 4 092 659. On se réfere maintenant à la Figure 4 sur laquelle on a représenté une micrcgraphie de la section droite d'un laser 150 réalisé conformément aux dispositiona de la présente invention. Ce laser 150 comporte un substrat 152 eil phosphure d'lndium, comprenant une couche tampon en phosphure d'indium munie d'une arête 154. Une couche active 156, en phosphure dtindium-gallium- arsénic, présentant une épaisseur de l'ordre de 300 nanomètres, recouvre la surface de la couche tampon. Une couche de confinement 158, en phosphure d'indium, recouvre la couche active 156 et une couche de couverture 160, en phosphure d'indium-gallium-arsénic, recouvre la couche de confinement 158. Les couches se distinguent les unes des.autres par l'utilisation de techniques connues d'impression ou de coloration. La zone de démarcation entre le subsprat 152 et la couche tampon n'est pas visible, étant donné que le substrat et la couche tampon sont constitués d'un même matériau et que dans ce cas, la coloration agit de la même façon sur ces deux éléments. L'arête 154 de la couchc tampon est asymétrique, étant donné que l'orientation cristalline de lwi surface du substrat est légèrement décalée par rapport à la direction (110). R EV ENDICAT IONS 1 - Laser à semiconducteur qui comprend : un corps semiconducteur (32), présentant deux faces d'extrémité dont l'une au moins transmet partiellement la lumière, un substrat (38) ayant des surfaces principales opposées (40, 42) et un rebord (46) dans l'une des surfaces principales, ce rebord s'étendant entre les deux faces d'extrémité (34) ; une couche active (50), sur le substrat, l'épaisseur de cette couche active s'amincissant dans la direction latérale, à partir de la partie qui recouvre le rebord (46) ; une couche de confinement (52) recouvrant la couche active ; une première couche électriquement conductrice (60) recouvrant une partie de la couche de confinement, au-dessus du rebord et une seconde couche électriquement conductrice (62) recouvrant une partie de la seconde surface principale (42) du substrat (38), ce laser à semiconducteur étant caractérisé en ce que le substrat (38) est d'un type de conductivité et la couche de confinement (52) et la couche de couverture(54), qui recouvre la couche de confinement (52) sont du type de conductivité opposée et en ce que l'indice de réfraction de la couche active (50) est supérieur à celui du substrat et à celui de la couche de confinement. 2 - Laser à semiconducteur selon la revendication 1, qui comprend une couche de couverture (54) recouvrant la couche de. confinement (52) et une couche électriquement isolante (56) recouvrant la couche de couverture et présentant une ouverture la traversant de part en part, ce laser étant caractérisé en ce que la première couche électriquement conductrice (60) recouvre la couche de couverture (54) dans l'ouverture ménagée dans ladite couche électriquement isolante. 3 - Laser à semiconducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend une couche tampon (44) interposée entre le substrat et la couche active, cette couche tampon étant pourvue de l'arête ou rebord arrondi (46). 4 - Laser à semiconducteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le substrat (38), la couche tampon (44) et la couche de confinement (52) sont constitués de phosphure d'indium et en ce que la couche active (50) est constituée de phosphure d'indium-gallium-arsénic. 5 - Laser à semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un second rebord (46), ménagé dans le substrat (38), ce second rebord étant espacé du premier, auquel il est sensiblement parallèle et en ce que la couche active (50) présente une épaisseur qui se réduit à partir de la portion de cette couche située au-dessus d'une partie plane (72) séparant les rebords (46-46) du substrat 6 - Laser à semiconducteur qui comprend: un corps (32) constitué de phosphure d'indium et d'alliages contenant de l'indium et du phosphore, ce corps comportant deux faces d'extrémité dont l'une au moins transmet partiellement la lumière ex un substrat (38) présentant des surfaces principales opposées (40, 42), ainsi qu'un rebord (46) dans l'une des surfaces principales, ce rebord s'étendant entre les deux face-s d'extrémité ; une couche active (50), constituée de phosphure d'indium-gallium-arsénic, sur le substrat, l'épaisseur de cette couche active s'amincissant à partir de sa portion qui recouvre ledit rebord ; une couche de confinement (52), constituée de phosphure d'indium, recouvrant ladite couche active ; une couche de cou ouverture (54), constituée de phosphure d'indium-gallium-arsénic, recouvrant ladite couche de confinement ; une couche électriquement isolante (56) recouvrant la couche de couverture et comportant une ouverture la traversant de part on part ; une première couche électriquement conductrice (60) recouvrant la couche électriquement isolante, ainsi que la portion de la couche de couverture dégagée par ladite ouverture et une seconde couche électriquement conductrice (62) recouvrant une partie de la seconde surface principale dudit substrat, ce laser à semiconducteur étant caractérisé en ce que le substrat (38) est d'un type de conductivité et la couche de confinement (52), ainsi que la couche de couverture (54) sont du type de conductivité opposé et en ce que l'indice de réfraction de la couche active (50) est supérieur à celui du substrat, ainsi qu'à celui de ladite couche de confinement. 7 - Procédé de réalisation d'un laser à semiconducteur, caractérisé en ce qu'il consiste à : recouvrir d'un matériau résistant à l'attaque chimique, une partie de la surface d'un substrat semiconducteur ; soumettre à une attaque chimique ladite surface à l'aide d'un agent de décapage chimique anisotrope de façon à former un mesa dans ladite surface ; enlever le matériau resistant à l'attaque chimique ; soumettre à l'attaque chimique ladite surface, ainsi que le mesa de manière à former un rebord dans la surface du substrat ; déposer une couche active par dessus ledit rebord et ladite surface du substrat, de manière que l'épaisseur de la couche active s'amincisse dans la direction latérale et déposer une couche de confinement sur la couche active et des couches électriquement conductrices sur des parties de la couche de confinement et sur une surface opposée du substrat. 8 - Procédé de fabrication d'un substrat, comportant un rebord, caractérisé en ce qu'il consiste à : recouvrir une partie de la surface du substrat semiconducteur d'un matériau résistant à l'attaque chimique soumettre à l'attaque chimique ladite surface, à l'aide d'un agent de décapage chimique anisotrope, de façon à réaliser un mesa dans ladite surface éliminer le matériau résistant à l'attaque chimique et enfin soumettre ladite surface et le mesa à une attaque chimique, afin de former ledit rebord dans la surface du substrat. 9 - Procédé selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que le substrat est constitué de phosphure d'indium. 10 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que la partie de la surface du substrat recouverte d'un matériau résistant à l'attaque chimique se présente sous la forme d'une bande sur la surface dudit substrat.