Brevet FR2574602A1 — publié le 19860613

Laser à semiconducteurs permettant une émission stimulée de Lumière dans l'ultraviolet et le visible La présente invention a pour objet un Laser à semiconducteurs permettant une émission stimulée de lumière dans l'ultraviolet et le visible. Elle s'applique en particulier pour des lasers UV (ultraviolet) à basse tension, de faible puissance utilisés dans des domaines comme la télémétrie et les télécommunications. Les composants optoélectroniques deviennent de plus en plus des éléments indispensables à des domaines d'application comme la télémétrie ou la télécommunication par fibres optiques. Actuellement les lasers à semiconducteurs apparaissent comme des composants critiques pour l'évolu- tion de ces techniques. Ils utilisent beaucoup comme élément actif Le GaAs (Arséniure de Gallium) mais son fonctionnement en régime continu et à température ambiante n'autorise pas une structure simple type jonction P-N dans le GaAs (ou homo-jonction > ; il demande donc une structure compliquée type hétérojonction où l'on empile un grand nombre de couches semiconductrices. Un exemple typique est celui d'un Laser à double hétérostructure GaAs-6aAlAs. Cette structure comporte quatre couches semiconductrices juxtaposées dont L'épaisseur varie de quelques microns à quelques dizaines -de microns, le tout déposé sur un substrat de GaAs monocristallin. La technique de fabrication d'un tel empilement de couches est particulièrement délicate ; il est difficile de contrôler la pureté et le dopage des différentes couches, ainsi que d'assurer une planéité acceptable des interfaces. On peut également utiliser des lasers UV dont L'élément actif est un halogénure de gaz rare, mais ce sont des appareils coûteux et complexes à réaliser et dont la durée de vie est Limitée. Il en est de même pour les lasers de type YAG (Yttrium, Aluminium Grenat) auxquels on accole des doubleurs ou quadrupleurs de fréquence. L'invention a pour objet un Laser à semiconducteurs notamment du type MOS (Métal oxyde semiconducteur) permettant une émission stimulée de Lumière dans l'ultraviolet et Le visible et palliant les inconvénients décrits précédemment. De façon plus précise, le laser selon l'inven- tion comporte une structure formée d'au moins une couche d'oxyde de silicium juxtaposée à au moins une couche de silicium dont L'épaisseur est telle que cette couche de silicium se comporte comme une cavité résonnante et des moyens d'excitation de ladite structure permettant d'y produire L'effet Laser. Quand le laser selon L'invention comporte une structure formée de pLusieurs couches d'oxyde de silicium et de plusieurs couches de silicium, ces couches sont juxtaposées alternativement. Selon un mode préféré de réalisation de L'in- vention, les moyens d'excitation comprennent une source émettant un faisceau de particules irradiant la structure. De préférence, le faisceau de particules est un faisceau de photons de longueur d'onde au plus égale à environ 100 nm. Selon un autre mode préféré de réalisation de L'invention, ces moyens d'excitation sont réalisés par un dispositif appliquant un champ électrique sur la structure, cette dernière étant munie à cet effet de deux électrodes disposées sur deux faces opposées de la structure paraLLèles aux couches d'oxyde de silicium 6, 10 et de silicium 8, 12. Ces deux modes d'excitation de La structure peuvent etre également réunis de façon à stimuler ensemble la structure selon L'invention. Avantageusement, des éLéments d'addition comme par exemple des ions de bore ou de phosphore dopent l'oxyde de silicium. D'autres avantages et caractéristiques de L'invention ressortiront plus précisément de la description qui suit, donnée à titre explicatif mais nullement limitatif, en référence aux figures annexées sur tes- quelles : - La figure 1 représente, en coupe, un mode préféré de réalisation du Laser selon L'invention, - les figures 2, 3, 4 représentent un système atomique à deux niveaux d'énergie, - la figure 5 représente un système atomique à plusieurs niveaux d'énergie, - ta figure 6 représente un diagramme où la courbe en trait plein correspond à t'énergie dans le silicium polycrlstallin et où la courbe en traits pointillés correspond à La charge à L'interface siLi cium/oxyde de silicium, chacune en fonction de l'épais- seur de la couche de silicium poLycristaLlin, et - la figure 7 représente, en coupe, un autre mode préféré de réalisation du Laser selon L'invention. La figure 1 représente un mode préféré de réalisation du Laser selon L'invention. Il comporte une structure 2 composée successivement de droite à gauche, par : - un substrat de silicium monocristallin 4, - une couche d'oxyde de silicium 6, - une couche de silicium polycristallin 8, - une couche d'oxyde de silicium 10, - une couche de silicium poîycristaîlin 12, toutes ces couches étant juxtaposées. L'interface entre le substrat 4 et L'extérieur constitue une face 13 de la structure 2. L'interface entre la couche de silicium polycristallin 12 et l'extérieur constitue une face 14 de la structure 2. Lorsque la structure 2 est irradiée par un faisceau de particules 20, tel qu'un faisceau d'eler- trons ou de photons émis par une source 18, Ladite structure 2 émet un faisceau Laser 16 à partir de Ladite face 14. On va décrire maintenant le mode de fonctionnement de cette structure selon L'invention en rappelant tout d'abord les principes généraux d'obtention d'une émission stimuLée de Lumière ou effet Laser à L'aide des figures 2, 3, 4, 5. Dans un système atomique, les états d'énergie possibles des atomes sont bien définis et correspondent à des niveaux d'énergie discrets. Par exemple, pour un système à deux niveaux d'énergie E1 et E2, ob E1 > E2 (voir figure 2), les lois de la thermodynamique imposent que le nombre d'atomes, c'est-à-dire la population N2 au niveau d'énergie le plus faibLe E2 soit supérieure à la population N1 au niveau d'énergie E1 le plus éLevé. Lorsqu'un électron tombe du niveau E1 au niveau E2 (désexcitation d'un atome à L'état E2 vers L'état E1), il peut y avoir une transition radiative, c'est-à-dire que L'énergie perdue par un électron (E1-E2)e sert à émettre un photon de fréquence D dont L'énergie ho vaut hD =(E1-E2)e Supposons alors que ce systeme-atomique soit soumis à une irradiation de photons (voir figure 3) dont certains peuvent avoir L'énergie h;, il peut y avoir dans ce cas absorption d'énergie : les atomes Situés au niveau d'énergie le plus faible E2 sont transférés au niveau d'énergie supérieur E1 (niveau excité) en gagnant L'énergie (E1-E2)e=h Au bout d'un temps caractéristique, Le retour de l'atome à son état fondamental (niveau E1) produit, dans certaines conditions, une émission de Lumière h D qui restitue L'énergie gagnée dans L'opération d'abso-rp tion. Ce processus représenté sur la figure 4 correspond au cas classique où L'émission de Lumière est dite spontanée, les différents atomes excités se désexcitant indépendamment les uns des autres. En revanche, s'il est possible d'amener plus d'atomes dans un état excité que dans L'état fondamen dans dans notre cas si N1 > N2, il y a inversion de population et une émission de Lumière d'une autre nature prédomine : c'est L'émission stimulée de Lumière. Sous l'influence excitatrice d'un rayonnement, les différents atomes excités se désexcitent de manière cohérente, c'est-à-dire en émettant des photons ayant une même longueur d'onde, une même phase et une même direction : c'est L'effet Laser. D'après les lois de la statistique, si l'on a Eî > E2, on a nécessairement N1 N2,il faut faire intervenir d'autres niveaux d'énergie qui peupleront E1 ou videront E2 (voir figure 5). On fournit de L'énergie pour peupler le niveau supérieur E E supérieur Le temps de présence d'un électron à l'état excité doit être suffisamment long pour qu'iL y ait effectivement inversion de population. La bande d'énergie comprise entre E inférieur et Supérieur s'appelle la bande interdite. Au-dessus se trouve la bande de conduction, endessous la bande de valence, la bande interdite n'existant réellement que dans les matériaux semiconducteurs et isolants. Au vu de ce qui précède, il est évident que L'aptitude que présente le matériau actif à répondre à une excitation en engendrant de la lumière est primor diale.- Or, habituellement, on considère qu'à ce titre le germanium et le silicium n'étaient pas de bons matériaux. En revanche, les alliages semiconducteurs III-V, par exemple l'arseniure de Gallium GaAs, ont une confi guration énergétique telle que leur réponse à une excitation est une émission de photons alors que la réponse du germanium et du silicium correspond à des ondes de vibration du réseau cristallin. Un des objets de L'invention est d'utiliser des structures semiconductrices notamment du type MOS (Métal, oxyde, semiconducteur), dont la technologie de fabrication est bien au point, pour obtenir un effet Laser a priori difficile à provoquer d'après les connaissances actuelles en La matière d'un homme de l'art. Selon la figure 1, lorsque l'on effectue un bombardement électronique à L'aide de la source 18 de particules 20 sur la structure 2, on met en évidence des défauts dans l'oxyde de silicium par la charge éLectri- que que prend cette structure lors d#'une analyse par émission ionique secondaire. Les spectres obtenus par ce moyen varient de façon pseudopériodique avec L'épaisseur de chaque couche de silicium polycristallin 8, 12. Autrement dit, on retrouve le même spectre pour des épaisseurs de silicium polycristallin différentes. Selon cette épaisseur on a soit un renforcement, soit une diminution des défauts comme le montre la figure 6- représentant en trait plein la courbe théorique du niveau d'énergie dans le silicium polycristallin en fonction de son épaisseur et en traits pointillés la courbe expérimentale de la charge éLectri- que aux interfaces silicium polycristallin/oxyde de silicium mesurée lors d'une analyse ionique secondaire de la structure. Sous un bombardement notamment électronique, les défauts présents aux interfaces silicium polycris tallinloxyde de silicium sont responsables de L'émission de radiations dans l'ultraviolet à notamment 290 nm et dans le visibLe à notamment 560 nm. Ces ondes se propagent dans les couches de silicium polycristallin qui est un milieu de plus faible indice que l'oxyde de silicium, le silicium polycristallin étant transparent aux UV. Pour certaines épaisseurs de couches de silicium polycristallin 8 et 12, les ondes reviennent en phase et les cavités formées par les couches de silicium polycristallin se comportent comme des cavités résonnantes accordées en fréquence. On a alors amplification des ondes, mesurée par le gain, qui s'apparente à un effet Laser lorsque le gain est supérieur aux pertes dues au matériau et aux cavités. De façon avantageu-se, les épaisseurs des couches de silicium polycristallin sont teltes que les interfaces oxyde de silicium/silicíum po lycristallin correspondent à des ventres d'ondes et L'interface 14 entre L'extérieur et la dernière couche 12 de silicium polycristallin correspond à un noeud d'onde. Les cavités sont alors bien accordées. Les épaisseurs des différentes couches constituant la structure 2 du Laser selon L'inventìon sont par exemple de - 195 nm pour la couche 6 d'oxyde de silicium, - 250 nm pour La couche 8 de silicium polycristallin, - 195 nm pour La couche 10 d'oxyde de silicium, - 250 nm pour la couche 12 de silicium polycristallin. Ces épaisseurs sont par exemple valables pour une structure émettant un faisceau Laser de 290 nm et 560 nm de longueur d'onde et dont les couches 8, 12 de silicium polycristallin se comportent comme des cavités résonnantes accordées à ces Longueurs d'onde. La structure selon L'invention est donc excitee dans ce cas par un bombardement électronique qui joue alors deux rôles : - création de niveaux d'énergie localisés dans la bande interdite (voir figure 5) aux interfaces silicium po lycristallin et oxyde de silicium, - inversion de population des niveaux d'énergie par in jection d'électrons dans la bande de con#duction (voir figure- 5) de L'oxyde de silicium. L'irradiation doit alors être réalisée à une énergie supérieure à celle correspondant à la bande interdite, ici comprise entre 9 et 11 eV. Ceci permet L'émission d'UV dont la longueur d'onde est d'environ 100 nx (par exemple la raie UV.He1). Les défauts créés par irradiation électronique ne sont pas détruits par un chauffage à 300ex: ils sont donc stables. On peut évidemment envisager une irradiation de la structure par des particules autres que des électrons telles que des photons sans modifier Le principe de L'invention. Un autre moyen d'obtention des défauts est L'addition d'impuretés dans les couches d'oxyde de sil;- cium 6, 10. Le dopage est effectué alors par des éLé- ments tels que du bore ou du phosphore. Selon un autre mode de réalisation de l'inven- tion, on peut peupler La bande de conduction de l'oxyde de silicium par l'injection d'électrons provoquée par un phénomène "d'avalanche" créé par un fort champ électrique provoqué par une différence de potentiel de quelques dizaines de volts appliquée aux couches d'oxyde de si licium comme le représente la fiaure 7. A cet effet, deux électrodes 22, 24 sont juxtaposées respectivenent sur les faces 14, 13 de La structure et sont alimentées par un générateur 26 de champ électrique. La structure représenté sur la figure 7 est une structure de type MOS. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, on peut envisager de combiner Les deux modes d'excitation précédemment envisagés à savoir une irradiation par des particules, et un champ électrique. Par rapport aux lasers à semiconducteurs actuels, par exemple les lasers à double hétérostructure GaAs-GaAlAs, le laser selon l'invention a L'avantage de nécessiter une technique de fabrication simple et bien éprouvée. De plus, les modes d'excitation sont variés, simples de réalisation, surtout lorsque L'on retient l'injection d'électrons dans la bande de conduction par effet d'avalanche, car une tension de quelques dizaines de volts seulement peut suffire à faire fonctionner la structure 2. La structure 2 du Laser selon L'invention peut être réalisée par exemple de la façon suivante. On réalise tout d'abord une oxydation thermique à 9000C du substrat de silicium monocristaîîin 4 pour former La couche d'oxyde de silicium 6. On dépose ensuite la couche de silicium polycristallin 8 sur ladite couche 6 par la technique de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) assisté par plasma ou non. On réalise ensuite une oxydation thermique à 9000C de cette couche 8 pour former la couche d'oxyde de silicium 10 sur laquelle on dépose la couche de silicium polycristallin 12 par la technique de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma ou non. Dans le cas du mode de réalisation représenté sur la figure 7, les deux électrodes 22, 24 disposées sur les faces 14, 13 respectives de la structure 2 sont déposées sur ces faces notamment par pulvérisation cathodique. Bien entendu, la description ci-dessus n'a été donnée qu'à titre d'exemple, toutes modifications dans les formes de réaLisation peuvent être envisagées sans modifier le principe fondamental de L'invention. Par exemple Le nombre de couches d'oxyde de silicium et de silicium polycristallin n'est pas limitatif. De plus, c'est essentiellement le mode de fabrication de la structure qui détermine sa composition : actuellement on fabrique difficilement du silicium monocristalîin en fine couche, mais on pourrait avantageusement remplacer les couches de silicium polycristallin par des couches de silicium monocristallin. Les épaisseurs des differentes couches et le mode de réaLisation ont été- indiqués de façon illustrative et peuvent être modifiés sans nuire au principe de L'invention. REVENDICATIONS 1. Laser à semiconducteurs permettant une émission stimulée de Lumière dans l'ultraviolet et le visible, caractérisé en ce qu'il comporte une structure (2) formée d'au moins une couche d'oxyde de silicium (6, 10) juxtaposée à au moins une couche de silicium (8, 12) dont L'épaisseur est telle que cette couche de silicium (8, 12) se comporte comme une cavité résonnante, et des moyens d'excitation (18, 26) de ladite structure permettant d'y produire un effet Laser (16). 2. Laser à semiconducteurs permettant une émission stimulée de Lumière dans l'ultraviolet et Le visibLe selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure (2) comporte plusieurs couches d'oxyde de silicium (6, 10) juxtaposées alternativement avec plusieurs couches de silicium (8, 12). 3. Laser à semiconducteurs permettant une émission stimulée de Lumière dans l'ultraviolet et le visible selon t'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens d'excitation de la structure (2) comprennent une source (18) émettant un faisceau de particules (20) irradiant la structure (2). 4. Laser å semiconducteurs permettant une émission stimulée de Lumière dans l'ultraviolet et le visible selon L'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens d'excitation de la structure (2) comprennent un dispositif (26) appliquant un champ électrique sur la structure (2), cette derniere étant munie à cet effet de deux électrodes (22, 24) disposées sur deux faces opposées (14, 13) de la structure (2) paraLlèLes aux couches d'oxyde de silicium (6, 10) et de silicium (8, 12). 5. Laser à semiconducteurs permettant une émission stimulée de lumière dans l'ultraviolet et le visible selon L'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens d'excitation de la structure (2) comprennent une source (18) émettant un faisceau de particules (20) irradiant la structure (2) et un dispositif (26) appliquant un champ électrique sur cette structure (2), cette dernière étant munie à cet effet de deux électrodes (22, 24) disposées sur deux faces opposées (14, 13) de la structure (2) paraLLèLes aux couches d'oxyde de silicium (6, 10) et de silicium (8, 12). 6. Laser à semiconducteurs permettant une émission stimulée de Lumière dans l'ultraviolet et le visible selon L'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les couches d'oxyde de silicium (6, 10) sont dopées au moyen d'éléments d'addition. 7. Laser à semiconducteurs permettant une émission stimulée de Lumière dans l'ultraviolet et le visible selon La revendication 6, caractérisé en ce que les éléments d'addition sont des ions de bore ou de phosphore. 8. Laser à semiconducteurs permettant une émission stimulée de Lumière dans l'ultraviolet et le visible selon la revendication 3, caractérisé en ce que la source (18) irradiant la structure (2) émet un faisceau de photons(20) de longueur d'onde au plus égale à 100 nm.