Brevet FR2575870A1 — publié le 19860711

LASER A SEMICONDUCTEUR MUNI DE MOYENS DE REINJECTION DE L'EMISSION SPONTANEE DANS LA COUCHE ACTIVE La présente invention a pour objet un laser à semiconducteur muni de moyens de réinjection de l'émission spontanée dans la couche active. Elle trouve une application en télécommunications optiques. Le domaine technique de l'invention est celui des lasers à semiconducteurs dits à double hétérostructure. Une telle structure est constituée d'un empilement de couches semiconductrices déposées par épitaxie sur un substrat monocristallin. On trouve en général, en partant du substrat, une couche tampon (facultative), une première couche de con-finement, une couche active qui est responsable de L'émission de lumière, une seconde couche de confinement, une couche de contact et enfin une couche métallique. Le caractère de double hétérostructure vient de ce que la couche active est encadrée par deux couches dont la composition est différente de celle de la couche active. Pour les lasers émettant entre 0,8 et 0,9 ijm, les couches de confinement sont en alliage Ga 1-x AI As et la couche active et le substrat en GaAs ; pour les Lasers émettant entre 1,3 et 1,65 pm, les couches de confinement sont en Ga1 -x nxAsî yPy et la couche active et Le substrat en InP. Avec de telles structures, la densité de courant de seuil est de L'ordre de 1 kA/cm2. Pour diminuer le courant de seuil proprement d-it, on utilise différentes techniques permettant de délimiter un ruban actif de faible largeur. Le courant de seuil est alors de L'ordre de 10 mA environ. Le but de La présente invention est de diminuer, d'une part, la densité de courant de seuil pour les structures de grandes surfaces et, d'autre part, le courant de seuil pour les structures à limitation Latérale. A cette fin, l'invention a recours à des moyens non plus électriques mais optiques. Les inventeurs ont en effet eu l'idée de jouer sur les compositions des couches en présence pour permettre au rayonnement spontané émis en pure perte par la couche active, tant vers le haut de la structure que vers le bas, d'être renvoyé vers la couche active où il peut, en partie, être réabsorbé. Pour cela, et dans la variante La plus simple, la seconde couche de contact est de composition telle qu'elle soit transparente à la longueur d'onde du rayonnement ; le rayonnement spontané émis par la couche active peut ainsi traverser cette couche de contact et venir se réfléchir sur la couche métallique supérieure ; il est alors renvoyé vers la couche active. Dans une variante plus élaborée, la même disposition est mise en oeuvre côté substrat. Pour ce faire, il est nécessaire, d'une part, de décaper une partie du substrat pour ramener la couche métallique de contact inférieure sous l'empilement des couches épitaxiées et, d'autre part, d'ajouter une couche de contact inférieure -entre la couche métallique et la première couche de confinement ; cette couche de contact doit posséder, comme la couche de contact supérieure, une composition telle qu'elle soit transparente à la longueur d'onde du rayonnement de La couche active. La partie de ce rayonnement qui est dirigée vers le bas de la structure peut alors être réfléchie sur la couche métallique et renvoyée dans la couche active. Lorsque La couche active est en GaAs, Les couches de contact sont en Ga1~xAlxAs avec x voisin de 0,1, c'est-à-dire compris pratiquement entre 0,05 et 0,2. La diminution du courant de seuil observée par l'artifice de l'invention peut être expliquée de la manière suivante. La densité de courant de seuil d'un laser à semiconducteur est inversemènt proportionnelle à La durée de vie des porteurs. Celle-ci est donnée par la formule habituelle : Où T nr est la durée de vie non radiative et Tra la durée de vie radiative apparente. La réabsorption du rayonnement spontané, dans la couche active, après reflexion sur la ou les couches métalliques supérieure et inférieure, provoque une augmentation de ta durée de vie radiative apparente ; celle-ci entrasse une augmentation de T, qui provoque une réduction de la densité de courant de seuil. Les mesures effectuées par les Demandeurs ont montré qu'avec une hétérostructure en GaAs/GaAlAs une réduction d'un facteur 5 pouvait être obtenue sur la densité de courant de seuil, laquelle tombe alors à 200 A/cm . L'invention sera mieux comprise à La lumière de la description qui suit, de deux exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement timitatif. Cette description se réfère à des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente une première variante dans laquelLe la lumière émise vers le haut de la structure se réfléchit sur La couche métallique su supérieure, - La figure 2 représente une seconde variante dans laquelle, en plus de la disposition précéden te, la lumière émise vers le bas se réfléchit sur une couche métallique inférieure Le laser représenté sur ta figure 1 comprend un substrat 10 recouvert, à la partie inférieure, d'une première couche métallique 12, et, à La partie supérieure, d'une couche tampon 14, d'une première couche de confinement 16 dopée n, d'une couche active 18 non dopée, d'une seconde couche de confinement 20 dopée p, d'une couche de contact 22 dopée p et d'une couche métallique 24. Selon L'invention, la couche de contact 22 est de composition telle qu'elle soit transparente à la longueur d'onde du rayonnement émis par La couche active. Dans Le cas d'une hétérostructure GaAsIGaALAs on peut avoir les compositions et Les épaisseurs suivantes, sans que L'invention soit Limitée à ce cas 10 : GaAs, épaisseur 100 um, 14 : GaAs dopé n (1018cm-3), épaisseur 1 m 16 : Ga0,7Al0,3As dopé n (1018cm 3), épais- seur 1 pm, 18 : GaAs non dopé, épaisseur 0,15 pm, 20 : Ga0,7AL0,3As dopé p (1018cm3), épais seur 1 pm, 22 : Ga0,9Al0,1As dopé p+ C5.1018cm3), épaisseur 0,2 13m. Les couches 20 et 22 en GaAlAs sont transparentes au rayonnement spontané emis par la couche 18 en GaAs et la partie 26 de ce rayonnement, qui est émise vers le haut, est réfléchie sur la couche métallique 24. La variante de la figure 2 reprend ta disposition de la figure 1 mais en ajoute une autre. Lors de L'épitaxie des couches sur Le substrat, une couche supplémentaire de contact 15 a été prévue entre tes couches 14 et 16. Ensuite, Le substrat 10 est décapé sur une partie de sa longueur ainsi que la couche tampon 14. Cette gravure atteint la couche supplémentaire 15. La couche métallique 12 est aLors déposée sur la partie inférieure du substrat ainsi gravé, de sorte que cette couche vient au contact de la couche 15. Comme pour La couche 22, la composition de la couche 15 est telle qu'elle soit transparente au rayonnement émis par la couche active. Dans le cas particulier évoqué plus haut, la couche 15 sera en Ga0,9Al0,1As. Elle sera dopée n (5.fQ18cm 3) et aura une épaisseur de 0,2 pm environ. Ainsi, non seulement le rayonnement 26 dirigé vers le haut est renvoyé dans la couche active mais encore le rayonnement 27 dirigé vers le bas. REVENDICATIONS 1. Laser à semiconducteur à double hétérostructure comprenant un substrat (10) recouvert sur la partie inférieure d'une première couche métallique (12) et, sur la partie supérieure, d'une couche tampon (14), d'une première couche de confinement (16) dopée n, d'une couche active (18) non dopée, d'une seconde couche de confinement (20) dopée p, d'une couche de contact (22) dopée p , et d'une couche métallique (24), caractérisé en ce que la couche de contact (22) est de composition telle que cette couche soit transparente à la longueur d'onde du rayonnement émis par la couche active (18). 2. Laser selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre, sur la couche tampon (14) et sous la première couche de confinement (16) une seconde couche de contact (15) de composition telle que cette couche soit transparente à la longueur d'onde du rayonnement émis par la couche active, et par Le fait qu'une partie du substrat (10) et de la couche tampon (14) est décapée jusqu a la seconde couche de contact (15), la première couche métallique (12), disposée sous le substrat, venant ainsi au contact de la seconde couche de contact (15). 3. Laser selon -l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la couche active (18) étant en GaAs, La première et la seconde couches de contact (22, 15) sont en Ga i±x AI x As, avec + un fort dopage p pour la première et n pour la se c onde. 4. Laser selon la revendication 3, caractérisé par le fait que x est voisin de 0,1. 5. Laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par Le fait que le ruban actif est confiné latéralement.