Brevet FR2528234A1 — publié le 19831209

DISPOSITIF SEMICONDUCTEUR PHOTOEMETTEUR DE TYPE LASER A GUIDAGE PAR GRADIENT D'INDICE, ET PROCEDE DE REALISATION D'UN TEL DISPOSITIF La présente invention concerne un dispositif semiconducteur de type laser, à géométrie "ruban" à guidage par l'indice de réfraction, destiné en particulier aux systèmes de télécommunications par fibres optiques Elle concerne également le procédé de réalisation de ce laser, par épitaxie en phase liquide La structure étudiée améliore les performances du laser selon l'invention, et en rend la réalisation plus aisée et plus industrielle. Les lasers à semiconducteurs utilisés comme sources de rayonnement en télécommunications optiques sur fibres de verre ou de silice sont le plus généralement à géométrie dite "ruban", c'est-à-dire qu'ils comportent dans leur structure une région active en forme de ruban, dans laquelle sont confinés les paires électrons-trous de charges électriques, et le rayonnement lumineux Ces structures peuvent être groupées en deux classes, selon l'effet physique principal qui assure le guidage du rayonnement lumineux le long de l'axe principal du ruban: le gain d'émission stimulée ou l'indice de réfraction effectif. Dans les lasers à guidage par le gain, la partie réelle de l'indice de réfraction est minimale au centre, ce qui en fait produit un anti-guidage. Par contre, dans les lasers à guidage par l'indice, la partie réelle de l'indice de réfraction est bien maximale au centre du ruban dans le sens trans- verse ce qui assure le guidage, mais leur réalisation est en général assez complexe En effet, après que la couche active ait été réalisée par épitaxie, il est nécessaire de localiser la région d'injection par des procédés proches de ceux utilisés pour les lasers à guidage par le gain, ce qui complique donc les opérations de réalisation et diminue la définition de la structure puisqu'un plus grand nombre d'opérations et de repérages interviennent dans la fabrication. Le laser selon l'invention évite ces inconvénients Il comporte une couche active enterrée, dans laquelle la région d'injection est localisée au cours de l'opération d'épitaxie qui l'a fait croître dans un sillon creusé dans le substrat, et est limitée à la largeur du sillon uniquement La couche active a, vue en coupe, une forme de croissant dont l'épaisseur est nulle sur les bords, au contact des parois du sillon Cette structure, selon laquelle la région d'injection est transversalement limitée, est obtenue par une unique opération d'épitaxie en phase liquide à sursaturation nulle, au cours de laquelle la croissance épitaxiale est rapide sur les surfaces concaves et nulle sur les surfaces convexes. De façon plus précise, l'invention consiste en un dispositif semi- conducteur photoémetteur de type laser, dont la lumière est émise par une couche active à géométrie en ruban à l'intérieur de laquelle elle est guidée par un gradient d'indice de réfraction, comportant un substrat, gravé d'un sillon en forme de V, dans lequel est enterrée la couche active du laser, comprise entre deux couches de confinement avec lesquelles elle forme deux hétérojonctions, comportant également une couche de prise de contact déposée sur la couche de confinement externe, et deux métallisations de prises de contacts électriques déposées sur les deux faces principales du substrat, ce laser étant caractérisé en ce que, d'une part, la première couche de confinement, la couche active et la seconde couche de confi- nement sont limitées à l'intérieur du sillon gravé et en ce que, d'autre part, la couche active est limitée par deux hétérojonctions de forme concave, dont la concavité est tournée vers la couche de confinement externe, la couche active ayant une épaisseur nulle sur ses bords en contact avec le sillon, la différence d'épaisseur entre la partie centrale et les bords de la couche active assurant ainsi un gradient d'indice de réfraction pour le gildage de la lumière émise. L'invention sera mieux comprise par la description d'un exemple de réalisation d'un laser à guidage par l'indice, et de son procédé de fabrication, celle-ci s'appuyant sur les figures annexées qui représentent: figure 1: vue simplifiée d'un laser à semiconducteurs à géométrie ruban figure 2: vue en coupe d'un laser à guidage par le gain, selon l'art connu figure 3: vue en coupe d'un laser à guidage par l'indice, à hétéro- structure enterrée, selon l'art connu figure 4: vue en coupe d'un laser à guidage par l'indice, à substrat gravé, selon l'art connu figure 5: vue en coupe du laser à guidage par l'indice, selon une première variante de l'invention S figure 6: autre variante du laser selon l'invention Avant d'exposer l'invention, un rappel préliminaire des différentes Solutions connues, et des difficultés y afférentes, permettra de mieux cerner l'objet de l'invention et ses avantages. La figure 1 représente une vue simplifiée d'un laser solide à géomé- trie "ruban", qui est comme cela a été dit, le modèle le plus fréquemment utilisé en conjonction avec les fibres optiques Divers procédés sont connus pour réaliser ces structures dans lesquelles la région active, o sont confinés à la fois le rayonnement et les paires électron-trou, a la forme d'un ruban. Un tel laser comprend, supporté par un substrat 1, une couche active 2 limitée par deux couches de confinement 3 et 4 avec lesquelles elle forme deux hétérojonctions Seul un ruban 5, déterminé dans la couche active 2, doit provoquer l'émission de lumière, de façon à ce que le faisceau soit concentré et guidé. L'épaisseur "d" de la région active S est généralement comprise en- tre 0,05 et I vm et est déterminée par des hétérojonctions La longueur " 1 " est comprise entre 100 et 500 iim et égale à la distance entre les faces clivées limitant le cristal aux extrémités du ruban 5 Les nombreuses structures à géométrie ruban connues sont relatives au mode de détermi- nation de la largeur "w" de la région active 5 qui peut être comprise entre I et 10 ljim pour les lasers de petite puissance pour télécom- munications. Ces structures peuvent être groupées en deux classes suivant l'effet physique principal assurant le guidage du rayonnement suivant la direc- tion Ox transverse du ruban, le guidage selon la direction Oy étant bien assuré par les hétérojonctions. Le guidage par le gain constitue une première classe de structure, illustrée par la figure 2. Les mêmes indices de repère sont conservés sur la figure 2, de façon à faciliter le rapprochement avec la figure 1. Le guidage transverse est dans ce cas assuré par le profil du gain d'émission stimulée, lui-même déterminé par le profil de densité de porteurs injectés qui doit présenter un maximum au centre de la région active Divers procédés ont été décrits pour arriver à ce résultat Tous partent d'un dépôt de couches épitaxiales uniformes sur un substrat plan Ensuite, des moyens empêchant le passage du courant en dehors de la région active sont utilisés. Par exemple, dans le laser de la figure 2, qui comprend, sur un substrat, une couche active 2 limitée par deux couches de confinement 3 et 4, le profil de gain d'émission est déterminé par deux caissons isolants 6 et 7, réalisés dans la couche supérieure de confinement 4 Une métallisation 8 recouvre toute la face extérieure du laser, opposée à celle du substrat 1, mais, en raison des caissons isolants 6 et 7, le profil de densité de porteurs de charges élec- triques est maximum au centre de la région active Cette variation de densité est illustrée symboliquement sur la figure 2 par des flèches, denses à proximité de la partie de métallisation 8 en contact avec la couche de confinement 4 et, par voie de conséquence, à proximité de la région centrale de la couche active 2, mais moins denses dans les régions externes de cette même couche active. La Demanderesse a précédemment réalisé de telles structures par implantation de protons sur une épaisseur d'environ 1 micron, pour rendre les caissons 6 et 7 localement isolants. Ces structures ont deux inconvénients D'une part la largeur effective du ruban ne peut être réduite en deçà de quelques microns par suite de la diffusion latérale des porteurs libres injectés dans la région active D'autre part, le profil de densité de porteurs libres ayant un maximum au centre, il en résulte que la partie réelle de l'indice de réfraction du matériau est minimale, ce qui produit un effet d'anti-guidage et finalement augmente les pertes Ces deux effets limitent inférieurement la valeur du courant de seuil des lasers vers 40 m A à 0,85 lm de longueur d'onde à l'émission et à plus de 10 O m A à 1,3 P'm. Sous la structure de la figure 2 a été juxtaposée une courbe repré- sentant la partie réelle de l'indice de réfraction 'n", en fonction de l'abscisse x dans la couche active 2 Cette courbe montre bien que l'indice de réfraction "n" est minimum pour sa partie réelle au centre du ruban délimité par le profil de densité. La seconde classe de guidage fait appel à l'indice de réfraction, et est illustrée par les figures 3 et 4. Le guidage transverse est, dans ces structures, dû à un profil de la partie réelle de l'indice de réfraction effectif du guide, présentant par construction un maximum au centre de la région active, nettement supérieur au minimum évoqué précédemment L'indice de réfraction effectif d'un guide peut être considéré comme une moyenne convenablement pondérée des indices de réfraction des divers matériaux constituant localement ce guide et dépend donc à la fois des matériaux et de la structure Les structures à guidage par indice décrites jusqu'à présent peuvent être classées en deux types. Le premier type, illustré en figure 3, concerne les lasers à hétéro- structure enterrée. La zone active 9 de ces lasers est de section rectangulaire et insérée dans une jonction p-n en matériaux à plus grande bande interdite et, par suite d'indice de réfraction plus faible Le profil transversal de l'indice effectif du guide est donc à saut Le procédé de réalisation comporte un premier dépôt uniforme de couches épitaxiales 10, 9 et 11 sur un substrat 1, plan Une opération de photogravure localise alors la région active 9 sous forme de mésa Un deuxième dépôt épitaxial recouvre ensuite les flancs de cette mésa, par deux caissons 12 et 13: le ruban émetteur 9 est donc enterré, et délimité géométriquement par les deux couches de confi- nement 10 et 11 et par les deux caissons 12 et 13 Les types de conductivité rejrésentés en figure 3 sont indicatifs, et pourraient être permutés. Une métallisation 8, déposée sur la face libre du laser, permet une prise de contact électrique. La courbe d'indice de réfraction n, rapportée sous la structure de la figure 3, montre que sa partie réelle présente un maximum. Le second type de structure à guidage, par gradient d'indice, est à substrat gravé, et est illustré en figure 4. Sur un substrat 1, dans lequel a été gravé un sillon, on fait croître par épitaxie une première couche 14: celle-ci présente une dépression à l'a- plomb du sillon, dans lequel la croissance épitaxiale est plus rapide que sur les parties planes du substrat Au cours du dépôt épitaxial d'une couche 15, qui est la couche active, il se forme un ménisque dans la dépression de la première couche 14, et donc un maximum d'épaisseur dans la région centrale de la couche active 15 Il en résulte que le profil de l'indice effectif comporte également un maximum, comme le montre la courbe d'indice rapportée sous la structure On a ainsi un profil à gradient d'indice Une seconde couche de confinement 16 et une métallisation 8 complètent la structure. Il est nécessaire ensuite de localiser la région d'injection de courant par un procédé du genre de ceux utilisés pour les lasers à guidage par le gain, par des caissons isolants implantés en surface, car la couche active occupe toute la largeur du dispositif laser. Les courants de seuils obtenus pour des lasers à guidage par l'indice sont beaucoup plus faibles que ceux des lasers à guidage par le gain: 10 m A au lieu de 40 m A Ce courant pourrait être encore plus faible si l'on pouvait éliminer le courant de fuite passant dans les jonctions situées de part et d'autre de la région active. Il est donc particulièrement intéressant que la couche active soit imitée dans le sens transversal, afin d'éviter le courant de fuite latéral qui ne fait qu'abaisser le rendement du laser, en exigeant un courant de seuil plus élevé Mais il est également souhaitable que la région active soit enterrée, car une telle structure possède une grande durée de vie et une faible résistance thermique. C'est à ces impératifs, que répond la structure du laser selon l'in- vention, qui est représenté en figure 5. Elle est élaborée sur un substrat en In P de type p dopé par du zinc avec une concentration en trous libres voisine de 1018 cm 3 Le phosphure d'indium In P est l'un des substrats les plus couramment utilisés actuellement pour les lasers à l'état solide, mais cette précision ne limite pas la portée de l'invention, qui s'applique généralement à d'autres types de matériaux, tant pour le substrat que pour les couches de la structure émettrice, ainsi qu'à d'autres types de conductivité que ceux qui sont décrits pour supporter la description. Ce substrat 1 comporte un sillon 17, en forme de V, d'ouverture approximative 5 microns C'est dans ce sillon, et seulement dans ce sillon, que l'on fait croître successivement quatre couches épitaxiales. La première couche 18 est une couche de confinement en In P de type p dopé par du zinc avec une concentration en trous libres comprise entre 1017 et 1018 cm-3 et d'épaisseur au centre 2 microns Etant donné que la croissance épitaxiale est plus rapide dans les concavités, la couche 18 a tendance à remplir le fond du sillon en V 17, et sa surface supérieure, à la fin de l'opération d'épitaxie, est en ménisque concave. Sur cette première couche 18, on fait croître une seconde couche 19, qui constitue la couche actice en Gax In îx Asy P -y, non dopée dont la composition est choisie de façon que cette solution solide ait un paramètre de maille identique à celui du substrat et que la longueur d'onde d'émission soit de 1,30 iim On sait que ces conditions sont réunies lorsque x = 0,28 et y = 0,60 Les conditions d'épitaxie sont ajustées de façon que la couche active ait une forme de croissant, avec une épaisseur au centre comprise en- tre 0,1 et 0,5 um et nulle sur les bords Cette forme s'obtient naturel- lement puisque l'épitaxie a lieu sur une surface déjà concave, celle de la première couche 18, qui favorise une plus forte croissance au centre de la concavité. 207 Le laser reçoit une seconde hétérojonction, formée par la seconde couche de confinement 20, en In P de type N dopée par de l'étain avec une concentration en électrons libres supérieure à la concentration en trous libres de la couche 18, mais inférieure à 1018 cm- 3 Cette seconde couche de confinement a, elle aussi, une forme de ménisque, puisque sa croissance épitaxique a pris naissance sur la couche active 19, elle-même concave sur sa surface supérieure. Enfin, une couche de contact 21 en In P de type n, dopée par de l'étain avec une concentration en électrons libres supérieure à 1018 cm-3 est dépo- sée par dessus la seconde couche de confinement 20 Les conditions d'épi- taxie de cette couche sont ajustées de façon que sa surface soit au niveau de celle du substrat, et sensiblement plane. De part et d'autre du sillon sont implantés des protons sur une profondeur d'environ 1 UM afin de rendre le matériau isolant ainsi qu'il est bien connu Les caissons implantés isolants 22 et 23 ont pour effet d'isoler le substrat 1 du contact métallique supérieur en dehors du sillon En effet, des métallisations 24 et 25 sont déposées sur les faces supérieure et inférieure de la structure pour permettre la prise des contacts électriques. La structure de laser selon l'invention présente un aspect remarquable dans la forme du sillon 17 et la limitation des couches active et de confinement à l'intérieur de ce sillon. En effet, le sillon 17 qui est gravé dans le substrat 1 est à l'origine, avant les opérations d'épitaxie, en forme de V, avec des faces planes et présentant donc un angle vif avec la surface supérieure du substrat Mais, lo comme cela a été dit précédemment, l'épitaxie se développe plus rapi- dement dans les régions concaves que dans les régions convexes ou présen- tant un angle vif convexe, de sorte qu'au cours des différentes opérations d'épitaxie nécessaires pour créer les couches du laser, celles- ci se forment préférentiellement dans le sillon, et y sont limitées et enterrées Simul- I 5 tanément, l'angle vif formé entre les faces du sillon et la face supérieure du substrat se dissout légèrement à chaque opération dans le bain épitaxique, ce qui fait qu'à la fin de la réalisation du laser, le sillon en V 17 présente une surface arrondie convexe 26 de raccordement avec le plan supérieur du fbstrat, surface sur laquelle l'épitaxie ne croît pas. 2 CI La limitation à l'intérieur du sillon 17 des couches du laser est d e en particulier à la surface convexe 26 qui relie le sillon au plan supérieur du substrat. Au cours des opérations d'épitaxie, les matériaux constitutifs des cuches épitaxiales peuvent éventuellement se déposer sur les régions planes du substrat Les procédés d'épitaxie utilisés sont ajustés comme indiqué dans la suite de façon que les couches déposées sur les régions planes soient d'épaisseur notablement plus faibles que dans le sillon et, de toute façon, soient séparées des couches déposées dans le sillon par la surface convexe 26 du substrat. Une première variante à la structure de laser décrite est représentée sur la figure 6: l'isolation, entre le substrat 1 et la métallisation supé- rieure 24 est obtenue par une couche mince 27 d'un isolant comme l'alumine qui remplace les caissons 22 et 23 implantés Cette couche isolante 27 présente une fenêtre à l'aplomb du sillon, de façon à permettre la prise de contact entre la métallisation supérieure 24 et la couche de contact 21. Une autre variante possible consiste dans l'inversion des types de conductivité des matériaux, substrat I et première couche de confi- nement 18 étant de type n, seconde couche de confinement 20 et couche de contact 21 étant de type p. De même, les matériaux cités ne sont pas limitatifs de l'invention, et leur choix correspond à des critères tels que la longueur d'onde à l'émission désirée Ainsi les matériaux du système Gax Al I x As déposés sur un substrat en Ga As seront choisis pour émettre dans le domaine spectral 0,7 0,9 lim. La condition essentielle à réaliser étant que la largeur de bande interdite de la couche active 19 soit inférieure d'au moins 0,2 e V à celle des couches de confinement 18 et 20 de manière à constituer une structure à double hétéro- jonction. Enfin, la couche de contact 21 peut être de composition différente de celle de la couche de confinement 20, de manière à minimiser la résistance de contact Ainsi, avec les matériaux du système Ga AI As, elle sera avanta- geusement en Ga As, avec les matériaux du système Ga In As P, elle pourra être en Ga O 471 N,,3 As de préférence si le substrat est en In P de type n. Le procédé de réalisation du laser selon l'invention repose, comme cela a été dit, sur l'épitaxie, localisée dans le sillon Mais, pour que les couches soient effectivement localisées dans le sillon, les conditions de l'épitaxie sont bien précises et correspondent à ce que l'on appelle la sursaturation nulle Deux techniques d'épitaxie, en phase liquide et en phase vapeur, sont utilisées Dans tous les cas, la fabrication de lasers est évidemment une opération collective, sur rondelles de substrat réunissant une pluralité de dispositifs. Dans une première technique, le substrat ne comporte que les sillons préalablement photogravés Il est placé dans un creuset d'épitaxie liquide à tiroir de type connu, permettant de l'amener successivement sous plusieurs puits contenant des solutions liquides dont les compositions sont choisies en fonction de celle des couches épitaxiales à déposer L'épitaxie est conduite de façon différente des techniques habituelles En effet, la composition de chaque solution liquide est ajustée pour que sa température d'équilibre T e avec un substrat plan soit égale à 0,50 C près de la température cons- tante Tc choisie pour la croissance épitaxiale et qui dépend des matériaux considérés ( 550 à 650 'C pour Ga In As P/ln P, 750 à 850 'C pour Ga Al As/Ga As). Le substrat est alors introduit successivement sous chacune des solutions liquides La croissance est nulle sur les parties planes du substrat, à l'équilibre, mais est effective dans les sillons dont la concavité est tournée vers le haut, c'est-à-dire vers les puits d'épitaxie, ce qui détermine les profils de couches épitaxiales décrits sur les figures 5 et 6 La croissance se termine avec la couche 21 lorsque la surface arrive au niveau de celle du substrat. La sursaturation étant définie par ET = Te Tc, cette technique de croissance est appelée "à sursaturation nulle". Selon une variante, qui correspond à la réalisation du laser isolé par alumine, le substrat comporte une couche d'alumine ouverte au dessus des sillons, comme sur la figure 6 La technique d'épitaxie est semblable à celle décrite précédemment, cependant, la présence de l'alumine permet d'utiliser une tolérance moins étroite sur la sursaturation. Les techniques d'épitaxie en phase vapeur sont également utilisées, en particulier celles qui sont au voisinage de l'équilibre thermodynamique et dont il est connu qu'il est possible, en ajustant la composition de la phase vapeur, de passer d'un décapage du substrat à la croissance épitaxiale, et par conséquent d'ajuster la sursaturation. C'est donc à la sursaturation nulle qu'est dûe la croissance particulière de couches limitées, dans un sillon, pour la réalisation d'un laser à couche active enterrée, dont l'invention est précisée par les revendications sui antes. 1 l REVENDICATIONS 1 Dispositif semiconducteur photoémetteur de type laser, dont la lumière est émise par une couche active à géométrie en ruban à l'intérieur de laquelle elle est guidée par un gradient d'indice de réfraction, comportant un substrat ( 1), gravé d'un sillon ( 17) en forme de V, dans lequel est enterrée la couche active ( 19) du laser, comprise entre deux couches de confi- nement ( 18, 20) avec lesquelles elle forme deux hétérojonctions, comportant également une couche de prise de contact ( 21) déposée sur la couche de confinement ( 20) externe, et deux métallisations ( 24, 25) de prises de con- tacts électriques déposées sur les deux faces principales du substrat ( 1) , ce laser étant caractérisé en ce que, d'une part, la première couche de confinement ( 18), la couche active ( 19) et la seconde couche de confi- nement ( 20) sont limitées à l'intérieur du sillon gravé ( 17) et en ce que, d'autre part, la couche active ( 19) est limitée par deux hétérojonctions de forme concave, dont la concavité est tournée vers la couche de confinement externe ( 20), la couche active ( 19) ayant une épaisseur nulle sur ses bords en contact avec le sillon ( 17), la différence d'épaisseur entre la partie centrale et les bords de la couche active ( 19) assurant ainsi un gradient d'indice de réfraction pour le guidage de la lumière émëise - 2 Dispositif semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'injection de courant dans le laser est limitée à la région du sillon ( 17) par deux caissons ( 22, 23), rendus isolants par implantation de protons, lesquels isolent la métallisation supérieure ( 24) du substrat ( 1). 3 Dispositif semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'injection de courant dans le laser est limitée à la région du sillon ( 17) par une couche d'alumine ( 27), ouverte à l'aplomb du sillon ( 17), laquelle isole la métallisation supérieure ( 24) du substrat ( 1). 4 Dispositif semiconducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le substrat ( 1) et la première couche de confinement ( 18) sont en In P de type n, la couche active ( 19) est en Gax In lx Asy Pl y, avec x = 0,28 et y = 0,60, la seconde couche de confi- nement ( 20) est en In P de type p et la couche de contact est en Ga 0,47 In 0,53 As de type p. Dispositif semiconducteur selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caractérisé en ce que le substrat ( 1) et la première couche de confinement ( 18) sont en In P de type p, la couche active ( 19) est en Galx ln x Asy Pl y, avec x = 0,28 et y = 0,60, la seconde couche de confi- nement ( 20) et la couche de contact sont en In P de type n. 6 Dispositif semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le sillon ( 17) en V présente deux surfaces de raccordement ( 26) avec la face supérieure du substrat ( 1) qui sont de forme convexe, leur convexité étant dirigée vers le sillon ( 17). 7 Procédé de réalisation d'un dispositif semiconducteur de type laser, selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les couches active ( 19), de confinement ( 18, 20) et de contact ( 21) sont obtenues par croissance épitaxique localisée dans le sillon ( 17), dans des conditions de sursaturation nulle A T = Te Tc, Te étant la température d'équilibre du milieu épitaxique avec un substrat plan et Tc étant la température de croissance épitaxiale, la composition du milieu épitaxique, pour la crois- sance d'une couche, étant choisie pour que Te = Tc-