Brevet FR2568064A1 — publié le 19860124

Laser à semi-conducteur pour limiter et supprimer un bruit de sauts et réduction du courant de. seuil." La présente invention concerne un laser à semi-conducteur. De façon générale, les lasers à semi- conducteurs selon l'art antérieur se classent schématique- ment en lasers à guidage par indice de réfraction et en lasers à guidage par le gain, suivant le système de trans- fert et de passage de lumière en mode longitudinal. Comme laser à semi-conducteur à guidage par indice deréfraction, on connaît par exemple celui représenté à la figure 1. A la figure 1, le laser à semi- conducteur se compose d'un support 1 GaAs par exemple de type N sur lequel est formée une première couche de revê- tement 2, composée de AIzGCa 1-z As de type N, d'une couche active 3 de AlxGal xAs de type P ou N, d'une seconde couche de revêtement 4 de AlzGa izAs de type P, d'une couche absorbant de la lumière 5 de AlyGal yAs de type N noyée dans la seconde couche de revêtement 4 et d'une couche de couverture 6 de type P ayant une forte concentra- tion en impureté. La couche absorbant de la lumière 5 présente une partie enlevée 5a en forme de bande de lar- geur W qui est réalisée en enlevant la couche d'absorption de lumière 5 par exemple dans sa partie centrale dans la direction perpendiculaire à la feuille de papier de la figure 1. La composition de cette couche absorbant de la lumière 5 est choisie de façon que la largeur de sa bande interdite soit inférieure à celle de la couche active 3 et que son indice de réfraction pour la lumière oscillante, émise de la région photo- émissive de la couche active 3 soit supérieur à celui de la région photo-émissive c'est- à-dire la couche active 3. Cela signifie que la composi- tion de la couche active 3 et celle de la couche d'absorp- tion de lumière 5 sont choisies pour satisfaire à la con- dition x> y. A la figure 1, les références numéri- ques 7 et 8 désignent des électrodes déposées sur la cou- che de couverture 6 et le support 1, respectivement en contact avec ces couches. Dans cette structure du laser semi- conducteur, lorsqu'une tension directe prédéterminée est appliquée entre les électrodes 7 et 8, la couche active 3 émet de la lumière, les porteurs et la lumière de cette couche étant maintenus entre la première et la seconde couche de revêtement 2 et 4. La distance d2 entre la cou- che active 3 et la couche d'absorption de lumière 5 est choisie de façon à être une distance à travers laquelle la lumière oscillante sortant de la couche active 3 puisse atteindre la couche d'absorption de lumière 5, c'est-à- dire par exemple de l'ordre de 0,3 à 0,4 micron. Si la distance d2 est choisie comme indiqué ci-dessus, la lumière envoyée dans la couche d'absorption de lumière 5 par la couche active 3 est absorbée par cette couche 5, la partie en-dessous de la couche d'absorption de lumière 5 et la partie correspondant à la partie enlevée 5a en forme de bande au milieu de la couche d'absorption de lumière 5 dans laquelle la lumière est difficilement absorbée, il y a une différence d'indice de réfraction effectif c'est- à-dire une différence n de l'indice de réfraction inté- gré dans la direction latérale. La largeur W de la partie enlevée 5a en forme de bande de la couche 5 est choisie entre 5 et 8 microns de façon qu'à la base de la sélection de la distance d2, on a une différence A n = nl-n2 entre l'indice de réfraction n1 de la partie de la couche active 3 (appelée ci-après "partie centrale") en regard de la partie enlevée 5a de la couche absorbante 5 et l'indice de réfraction n2 des parties de la couche active 3 des deux côtés de la partie centrale pour avoir par exemple +102 à +10- 3. Comme décrit ci-dessus dans la couche active 3, l'effet de limitation de l'oscillation de la lumière dans la direction latérale s'obtient dans la par- tie centrale en regard de la partie enlevée 5a dans la- quelle la région photo-émissive est limitée. Comme le laser semi-conducteur du type à guidage par indice de réfraction n'est pas limité à la structure dans laquelle la couche absorbant de la lumière 5 est noyée dans la seconde couche de revêtement 4 mais qu'un fonctionnement analogue à celui ci-dessus s'applique à un laser à semiconducteur connu sous la dénomination C.S.P. (à support plan à canal) décrit dans la publication de la demande de brevet japonaise non exa- minée nO 143787/1977, on a un support 1 utilisé par exem- ple comme couche absorbant la lumière. Comme indiqué ci-dessus, bien que le laser à semi-conducteur du type à guidage par indice de réfraction soit réalisé comme représenté à la figure 1, on peut modifier le laser à semi-conducteur de ce type en un laser à semi-conducteur à guidage par le gain. Ainsi dans la structure de la figure 1, comme la couche absorbant la lumière 5 est choisie comme étant d'un type conducteur différent de celui de la seconde couche de revêtement 4, il en résulte que l'on a une structure de thyristor P-N-P-N dans la partie dans laquelle existe la couche absorbant la lumière 5, ce qui limite le chemin du courant. Il en résulte que le laser à semi-conducteur du type à guidage par le gain peut se réaliser en utili- sant cette couche absorbant la lumière 5 comme région de limitation de courant. Cela signifie que sur le plan qualitatif, on a une forte concentration de courant dans la partie en forme de bande, concentration obtenue par réduction de la largeur W de la partie enlevée 5a par comparaison à un laser à semi-conducteur à guidage-par indice de réfraction; l'épaisseur d1 de la couche active 3 peut être augmentée ou encore la distance d2 entre la couche active 3 et la région de limitation de courant (c'est-à-dire la couche d'absorption de lumière 5) est augmentée pour réduire l'effet d'absorption de la lumière de la couche active 3 par la couche absorbante 5. On a ainsi une variation négative - 4ne d'indice de réfraction par l'injection de porteurs qui devient domi- nante par comparaison avec la variation An de l'indice de réfraction intégré, de sorte que la différence A n (A n= An - An) entre l'indice de réfraction de la partie -- e centrale de la couche active 3 et l'indice de réfraction des deux parties latérales soit comprise entre -10 2 et -103. On a ainsi un laser du type à guidage par le gain. Cependant à la fois le laser à semi- conducteur à guidage par indice de réfraction et le laser à semi-conducteur par guidage par le gain ont des avanta- ges et des inconvénients respectifs. Ainsi lorsqu'on uti- lise chacun de ces lasers comme source de lumière d'ins- cription et/ou de lecture, par exemple pour un disque vidéo, chacun d'eux constitue une source de difficultés en pratique. De façon plus précise, dans un laser à semi-conducteur du type à gain par indice de réfraction, comme son mode longitudinal est le seul mode, lorsque ce laser est utilisé comme source lumineuse pour l'inscrip- tion (ou écriture) et/ou lecture, par exemple pour un dis- que vidéo optique ou autre, on a l'inconvénient que le retour de lumière engendre du bruit de sauts. La figure 2 est un graphique représentant les résultats des mesures du bruit de sauts engendré par un courant direct pour le laser à semi-conducteur. A la figure 2, la courbe 21 désigne les résultats des mesures du bruit engendré dans le laser à semi-conducteur à guidage par indice de réfraction; comme cela apparaît clairement, on a du bruit de sauts. Par ailleurs dans'le laser à semi-conducteur à guidage par indice de réfraction, il existe une position de rétrécis- sement de faisceau au voisinage de la surface d'extrémité de la région photo-émissive. En pratique, on a ainsi l'avantage de pouvoir régler facilement la position focale. De plus comme une image très éloignée de la section trans- versale dans la direction parallèle à la jonction ou schéma de champ éloigné est symétrique dans la direction droite et la direction gauche, on a l'avantage que par exemple en pratique, il est facile d'obtenir un point de lumière de lecture et/ou d'écriture à faible distorsion. Par comparaison à cela dans le laser à semi-conducteur du type à guidage par le gain, la partie rétrécie du faisceau se trouve à l'intérieur à environ 20 microns de la face d'extrémité de la région photo-émissive et le schéma du champ est fréquemment asymétrique dans la direction droite et la direction gauche; l'astigmatisme est important et ainsi la déformation du point est relativement grande. Comme cela apparaît clairement dans la caractéristique de bruit représentée par la courbe 22 à la figure 2, le ni- veau de bruit du laser à semi-conducteur à guidage par le gain est plus grand que le niveau de bruit représenté par la courbe 21 et correspondant au laser à semi-conduc- teur à guidage par indice de réfraction. Comme le mode longitudinal est le mode multiple, on a avantage à ne pas engendrer de bruit de sauts par la lumière en retour. La présente invention a pour but de créer un dispositif à semi-conducteur ayant une caracté- ristique dite intermédiaire entre celle du laser à semi- conducteur à guidage par indice de réfraction et celle du laser à semiconducteur à guidage par le gain, et qui puisse utiliser les avantages des deux types de lasers en remédiant à leurs inconvénients par la réduction du bruit. L'invention a également pour but de créer un dispositif à semi-conducteur utilisable comme source lumineuse d'inscription et/ou de lecture, par exem- ple pour un disque vidéo optique ou un disque audio numé- rique. A cet effet, l'invention concerne un laser à semi-conducteur comportant un support sur lequel est réalisée une premiere couche de revêtement, une cou- che active, une seconde couche de revêtement et une couche d'absorption de lumière pour limiter le chemin du courant et pour absorber la lumière oscillante sortant de la cou- che active qui sont formées successivement en contact l'une avec l'autre, la couche absorbant la lumière ayant une partie enlevée en forme de bande pour constituer le chemin du courant, la largeur W de la partie enlevée étant comprise entre 1 et 4 microns, l'épaisseur d1 de la cou- che active satisfaisant à la condition dl> 500 A et la distance d2 entre la couche active et la couche absorbant la lumière étant comprise entre 0,2 et 0,7 micron. La présente invention sera décrite de façon plus détaillée à l'aide d'un exemple de laser semi-conducteur représenté dans les dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe transversale à échelle agrandie d'un laser à semi-conduc- teur selon l'art antérieur. - la figure 2 est un graphique donnant le niveau de bruit pour un courant direct dans un laser à semi-conducteur; cette figure donne également la puissan- ce. - la figure 3 est une vue en coupe transversale schématique à échelle agrandie montrant un mode de réalisation d'un laser à semi-conducteur selon l'invention. - la figure 4 est un graphique donnant la relation entre la densité du courant de seuil et la lar- geur de la partie enlevée dans la couche d'absorption de lumière. - la figure 5 est un graphique donnant la distribution de la lumière provenant de la couche active. DESCRIPTION DU MODE DE REALISATION PREFERENTIEL: Un mode de réalisation d'un laser à semi-conducteur selon la présente invention sera décrit ci-après à l'aide de la figure 3 et des figures suivantes. Dans ce mode de réalisation, de façon analogue au laser à semi-conducteur décrit en relation avec la figure 1, on a un support 31 GaAs à conductibilité par exemple de type N, couche sur laquelle sont réalisées successivement une premiere couche de revêtement 32 en AlzGal zAs de type N, une couche active 33 en AlxGal xAs de type P ou de type N, une seconde couche de revêtement 34 en AlzGal zAs de type de conductibilité différent de celui de la premiere cou- che de revêtement 32 ou type P, une couche d'absorption de lumière 35 en AlyGa yAs ayant pour effet de limiter le chemin du courant et qui peut absorber la lumière venant de la couche active 33 ainsi qu'une couche de reve- tement 36 à forte concentration en impureté et à type de conduction P, identique a celui de la seconde couche de revêtement 34. La couche d'absorption de lumière 35 est de conductibilité différente de celle de la seconde couche de revêtement 34, par exemple de type N dans ce mode de réalisation pour que la couche absorbant la lu- mière 35 soit opposée par l'intermédiaire de la seconde couche de revêtement 34 à la couche active 33, d'une dis- tance d2, la couche 35 absorbant la lumière est noyée par exemple dans la seconde couche de revêtement 34. De plus, la couche d'absorption de lumière 35 présente par exemple une partie centrale enlevée 35a en forme de bande ayant une largeur prédéterminée et s'étendant dans la direction perpendiculaire à la feuille du papier de la figure 3. La composition de la première couche de revêtement 32 et de la seconde couche de revêtement 34 est choisie de façon à satisfaire à la condition z > x pour que la largeur de la bande interdite de chacune des couches soit supérieure à celle de la couche active 33. De plus, la composition de la couche absorbant la lumière est choisie pour que la largeur de sa bande interdite soit inférieure à celle de la couche active 33 et que son indice de réfraction par rapport à la lumière oscillante provenant de la région photo-émissive de la couche active 33 soit supérieur à celui de la région photo-émissive ou couche 33. En d'autres termes, dans la composition de la couche active 33 et de la couche absorbant la. lumière 35, les compositions sont choisies pour satisfaire à la condi- tion x> y. Les électrodes 37 et 38 sont déposées respecti- vement sur la couche de revêtement 36 et sur le support 31 en ayant un contact ohmique avec ces couches. Dans cette structure, la largeur W de la partie enlevée 35a de la couche d'absorption de lumière 35 est comprise entre 1 et 4 microns, de préféren- ce entre 2 et 4 microns. L'épaisseur d1 de la couche active 33 est choisie de façon à satisfaire à la condition O O O dl > 500 A et de préférence 1500 A > d1 > 700 A. De plus, la distance d2 entre la couche active 33 et la couche d'absorption de lumière 35 est choisie dans la plage com- prise entre 0,2 et 0,7 micron, de préférence entre 0,3 et 0,5 micron. Dans le laser à semi-conducteur ayant cette structure, on a une caractéristique de bruit pour un courant direct I passant entre les deux électrodes 37 et 38 lorsqu'une tension directe est appliquée entre les électrodes 37 et 38 comme le montre la courbe 23 à la figure 2. A la figure 2, la courbe 24 représente la rela- tion entre le courant I et la puissance P. Comme le montre clairement la compa- raison de la courbe 23 et de la courbe 22, le niveau de bruit du laser à semi-conducteur selon l'invention est diminué par comparaison avec celui du laser à semi-conduc- teur à guidage par le gain. Si le laser à semi-conducteur selon l'invention travaille par exemple à une puissance de 5 mW en étant traversé par un courant Il, la diffeéren- ce entre les courbes 22 et 23 est de l'ordre de 5 dB. En d'autres termes, lorsque le laser à semi-conducteur travaille à une puissance de 5 mW selon l'invention, il est possible de réduire le bruit d'environ 5 dB par comparaison au laser à semi-conducteur à guidage par le gain. De plus dans le laser à semi-conducteur selon l'in- vention, comme cela apparaît clairement à la courbe 23, il n'y a pas de bruit de sauts, comme pour la courbe 21. De façon plus détaillée, selon la structure de la présen- te invention, on peut estimer que l'on a une oscillation auto-excitée en maintenant la lumière et les porteurs confinés, et qui correspond à une situation intermédiaire entre le laser à guidage par indice de réfraction et celui à guidage par le gain, selon l'art antérieur. En d'autres termes, on estime que le laser à semi-conducteur selon l'invention travaille dans une plage dans laquelle la différence de l'indice de réfraction efficace A n, mentionné ci-dessus, est extrêmement faible dans le sens positif ou négatif par comparaison avec les lasers à semi-conducteur à guidage par indice de réfraction et à guidage par le gain. De plus dans le laser à semi-conduc- teur selon l'invention, la caractéristique de symétrie du schéma du champ éloigné est améliorée par comparaison à un laser à semi-conducteur de l'art antérieur à guidage par le gain et le diamètre du point du faisceau est très faible, ce qui réduit notablement le courant de seuil. Il est clair qu'en fonction de telles caractéristiques, le laser à semiconducteur de l'invention travaille comme laser à semi-conducteur, intermédiaire entre un laser à guidage par indice de réfraction et un laser à guidage par le gain. La suppression du bruit de sauts décrit ci-dessus, le faible bruit, la réduction du cou- rant de seuil et l'amélioration du schéma de champ éloi- gné peuvent s'obtenir en définissant de façon particu- lière les trois paramètres à savoir la largeur W de la partie enlevée 35a de la couche d'absorption de lumière , la distance d2 entre la couche active 33 et la couche d'absorption de lumière 35 et l'épaisseur d1 de la couche active 33, et cela de façon simultanée. De façon plus pre- cise, on choisit la largeur W dans une plage comprise entre 1 micron et 4 microns et de préférence entre 2 et 4 microns; l'épaisseur d1 est choisie de façon à satis- o faire à la condition d > à 500 A (de préférence 0 0 1500 A > d1 > 700 A) et la distance d2 est choisie dans la plage comprise entre 0,2 et 0,7 micron (de préférence dans la plage comprise entre 0,3 et 0,5 micron). La largeur W, l'épaisseur d1 et la distance d2 seront respectivement explicitées ci-après. On examinera d'abord la largeur W de la partie enlevée 35a de la couche d'absorption de lumière 35. Comme la concentration en courant diminue lorsque la largeur W augmente comme indiqué précédemment, la varia- tion de l'indice de réfraction I ne| par injection de por- teurs devient faible. Si la largeur W continue d'augmenter, la variation En de l'indice de réfraction intégré domine *11 et le semi-conducteur selon l'invention fonctionne comme un semi-conducteur à guidage par indice de réfraction. Dans ce cas, la largeur W est l'un des coefficients qui détermine le courant de seuil Ith pour faire osciller le laser à semi-conducteur. Comme le courant de seuil Ith est le produit de la densité de courant de seuil Jth et de la surface d'émission lumineuse, si la largeur W augmente, la largeur de la région photo-émissive ou sa surface augmente et ainsi le courant de seuil Ith augmente. Par ailleurs comme la relation entre la densité de cou- rant de seuil et la largeur W est représentée à la figure 4, lorsque la largeur W augmente, la densité de courant de seuil 3th devient faible. C'est pourquoi, le courant de seuil Ith peut être rendu négligeable, si la largeur W atteint une certaine plage. Ainsi pour réduire le cou- rant de seuil Ith, le choix de la largeur W devient un élément important. L'épaisseur d1 de la couche active 33 sera examinée ci-après. Si l'épaisseur d1 augmente, la surface de la zone photo-émissive augmente, ce qui se tra- duit par une augmentation du courant de seuil Ith comme déjà indiqué. Ainsi sur le plan de la réduction du courant de seuil Ith, il est préférable que l'épaisseur d1 ne soit pas trop importante. La transparence à la lumière pour la couche active 33 vers la première et la seconde couche de revêtement 32 et 34 sera examinée ci-après. Comme indiqué à la figure 5, lorsque l'épaisseur d1 est faible, la transparence à la lumière présente une distribution accen- tuée comme cela est représenté par la courbe 51 à la figure 5 alors que si l'épaisseur d1 est importante, cela se tra- duit par une distribution douce comme le montre la courbe 52 à la figure 5. Ainsi, lorsque l'épaisseur d1 augmente, l'effet d'absorption de lumière par la couche absorbant la lumière 35 diminue, de sorte que le laser à semi-conduc- teur selon l'invention peut fonctionner à guidage par le gain ou encore il permet d'éviter l'émission de bruit de sauts. En outre, la distance d2 entre la couche active 33 et la couche d'absorption lumineuse 35 est l'un des éléments qui détermine l'action d'absorption lumineuse par la couche 35 pour absorber la couche prove- nant de la couche active 33. Si la distance d est faible, l'effet d'absorption lumineuse est important et la carac- téristique de guidage par indice de réfraction domine dans le laser à semi-conducteur. Si par ailleurs la distance d2 augmente, l'effet d'absorption lumineuse diminue ou disparaît et le laser à semi-conducteur devient un laser à guidage par le gain. Comme indiqué ci-dessus, du fait que la largeur W, l'épaisseur dl et la distance d2 sont choi- sies de façon particulière, simultanément, on évite le bruit de sauts et on réduit le niveau de bruit par compa- raison avec un laser à semi-conducteur à guidage par le gain; le courant de seuil Ith est faible par comparaison au courant de seuil Ithg d'un laser à guidage par le gain et le schéma de champ éloigné est amélioré. Comme indiqué ci-dessus, dans le cas du laser à semi-conducteur de l'invention, on peut éviter l'émission du bruit de sauts et par comparaison avec un laser à semi-conducteur à guidage par le gain, on peut réduire le bruit et le courant de seuil et améliorer le schéma de champ éloigné. En conséquence, le laser à semi- conducteur de l'invention s'utilise comme source lumineuse pour l'inscription et/ou la lecture par exemple d'un dis- que vidéo ou d'un disque audio numérique et présente un grand nombre d'avantages tels que l'amélioration de la résolution et du rapport S/N (rapport signal/bruit), ce qui permet de simplifier le système optique. R E V E N D I CA TI ON Laser à semi-conducteur comportant un support (31) portant une première couche de revêtement (32), une couche active (33), une seconde couche de reve- tement (34) et une couche absorbant la lumière (35) pour limiter un chemin de courant et pour absorber la lumière émise de la couche active (33), ces couches étant réali- sées successivement en contact l'une avec l'autre, laser caractérisé en ce que la couche absorbant la lumière (35) comporte une partie enlevée (35a) en forme de bande pour constituer un chemin de courant, la largeur (W) de la partie enlevée (35a) étant comprise entre 1 et 4 microns, l'épaisseur (dl) de la couche active (33) satisfait à la o condition (d1 à 500 A) et la distance (d2) entre la couche active (33) et la couche absorbant la lumière (35) est choisie entre 0,2 et 0,7 micron.