Brevet FR2574601A1 — publié le 19860613

PROCEDE DE FABRICATION D'UN LASER A SEMICONDUCTEUR A RUBAN ENTERRE La présente invention a pour objet un procé- dé de fabrication d'un laser à semiconducteur à ruban enterré. Elle trouve une application en télécommunica- tions optiques. Le domaine technique de L'invention est ce- lui des lasers à semiconducteurs dits à double hétéro- structure et à jonction en forme de ruban. 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 première couche de confinement, une cou- che active, une seconde couche de confinement et une couche de contact recouverte d'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 acti- ve. Pour les lasers émettant entre 0,8 et 0,9 pm, les couches de confinement sont en alliage Ga1 _xAlxAs et la couche active et le substrat sont en 1xx GaAs; pour les lasers émettant entre 1,3 et 1,65 pm, les couches de confinement et le substrat sont en InP et la couche active en Ga1 _xIn AsyPy Pour faciliter le fonctionnement en continu et abaisser le courant de seuil, on a recours à une technique dite du ruban enterré (ou en abrégé "BH" pour "buried-heterostructure"). La figure 1 montre schématiquement le procédé permettant de fabriquer un tel dispositif. On commence par réaliser, par épitaxie + sur un substrat 1 en GaAs de type n (par exemple), une double hétérostructure qui comprend une première couche de confinement en Ga AlxAs de type N, avec x=0,3 et d'-paisseur de l'ordre de x pm, une couche x=0,3 et d'épaisseur de L'ordre de i p.m, une couche active en GaAs intentionnellement non dopée, de 0,2 pm d'épaisseur, une seconde couche de confinement en- Ga 1_xAlxAs de type P, de I pm d'épaisseur, et enfin + une couche de contact en GaAs de type p de 0,5 pm. Naturellement, les composés GaAs/GaALAs ne sont pas les seuls possibles et on peut aussi utiliser InP/InGaAsP ou d'autres composés ternaires ou quater- nai res. Une technique classiquement employée con- siste ensuite à recouvrir L'ensemble avec un isolant 6, comme le nitrure de silicium (Si3N4) ou la silice (SiO2). On délimite ensuite un ruban 7 par photolitho- graphie. Une mésa est ensuite réalisée par attaque chimique au travers de ce ruban jusqu'au substrat (tirets 8). L'attaque est en général réalisée dans la direction pour avoir une largeur de zone active minimale. Pour enterrer la couche active on doit alors procéder à une recroissance de GalzAlzAs de type N avec z>x de telle façon que L'on ait aussi bien confi- nement optique qu'étectrique. On peut aussi faire re- croitre successivement du Ga1 zAlzAs de type p et en- suite de type n pour avoir une jonction bloquante. Pour cela on laisse l'isolant 7 sur la mésa, on procé- de à un décapage puis à une recroissance de Ga1 zAlzAs généralement par épitaxie liquide; la recroissance a alors lieu sur le substrat 1, de part et d'autre de La mésa mais pas sur l'isolant 7. Il reste ensuite à re- couvrir L'ensemble d'isolant, faire des ouvertures par photolithographie et réaliser les contacts ohmiques sur la base du substrat et dans les ouvertures. Cette technique est décrite dans un article de TSANG W.T. et LOGAN R.A. publié dans la revue "IEEE Journal of Quantum Electronics" vol. QE-15, n 6, 1979, pp 451-469. Une autre technique consiste à ne pas utili- ser de couche de contact en GaAs. Comme la croissance cristaLtline n'a pas Lieu sur une couche de GalxAlxAs avec x > 0,2, on obtient encore une croissance seuLe- ment de part et d'autre de La mésa et par conséquent La même structure enterrée. IL faut cependant réaliser ensuite une diffusion locale de zinc pour avoir un bon contact ohmique sur Le Ga1_xAlxAs. x Cette seconde technique est décrite dans L'article de T. TSUKADA pubLié dans La revue "Journal of Applied Physics", voL.45, n 11, Novembre 1974, pp 4899-4906. Le problème de la première technique est lié à la difficulté d'obtention d'un isolant (Si3N4 ou SiO2) qui tienne bien à la haute température qui est celLe de L'épitaxie Lors de la recroissance. Cette température est de l'ordre de 800 C dans le cas de GaAs. Le problème de la deuxième technique est lié à la diffusion de zinc (généralement sous ampoule scellée) qu'il faut réaliser localement à travers des ouvertures faites dans un isolant résistant aux tempé- ratures de diffusion qui sont de l'ordre de 700 C pour le GaAs. Le but de l'invention est de simplifier Le procédé de fabrication en n'utilisant ni dépôt d'iso- Lant, ni diffusion localisée de zinc après reprise d'épitaxie. Pour cela, on réalise d'abord une double hé- térostructure selon la première technique (figure 1) mais sans déposer d'isolant 6. On procède ensuite à une implantation dans la couche de contact 5, en uti- lisant un dopant de type p de telle façon que la sur- face supérieure devienne amorphe. Cette implantation a lieu sur toute la surface de la couche. On réalise ensuite une mésa par attaque chimique au travers de rubans de résine réalisés par photolithographie. Puis on enLève la résine. On procède ensuite à la reprise d'épitaxie sur Le substrat. Deux cas sont alors à dis- tinguer: 1) - Si La reprise d'épitaxie est faite en phase Li- quide, La recroissance n'a pas Lieu sur le haut de La mésa. L'épitaxie liquide ayant Lieu à haute température, on obtient en même temps un recuit de ta zone implantée avec restauration de ses propriétés électriques, mais te recuit ne rend pas La couche implantée assez cristalline pour permettre une recroissance sur Le haut de La mé- sa; on obtient ainsi directement une couche de contact fortement dopée réalisant un excellent contact ohmique et un Laser à ruban enterré. 2) - Si La reprise d'épitaxie est réalisée par OMCVD ("Organo Metalic Chemical Vapor Deposition"), la recroissance est monocristalline. Cependant, sur le haut de la mésa il existe une région très disloquée entre couche implantée et couche de re- croissance. Après reprise d'épitaxie, il suffit alors de faire disparaître cette couche disloquée par attaque à l'acide fluorhydrique et ultrasons. Un Laser enterré est ainsi-obtenu. Une technoLo- gie similaire pourrait être appliquée avec une recroissance épitaxique par jet moléculaire. Les figures annexées permettent de mieux comprendre L'invention: - la figure 1 déjà décrite, représente une double hétérostructure avant reprise d'épitaxie, - la figure 2 représente la double hétéro- structure à ruban enterré obtenue après mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Dans le cas o les composés semiconducteurs sont constitués par le couple GaAs/GaALAs, la structu- re représentée sur la figure 2 comprend: - un substrat 1 en GaAs de type n+ - une première couche épitaxiée de confinement 2 en Ga 1XAL As de type N, Ga-x x - une couche épitaxiée active 3 en GaAs intentionneL- lement non dopée, - une seconde couche épitaxiée de confinement 4 en Ga1xAlxAs de type P, - une couche de contact 5 en GaAs dopée p, - une zone implantée 10 avec dopant de type p à 'la surface supérieure de la couche 5, - une couche 12 en Gal_zAlzAs de type n réalisée lors de la reprise d'épitaxie. Dans le cas o la reprise d'épitaxie s'ef- fectue en phase liquide, les demandeurs ont procédé avec succès dans les conditions suivantes: le dopant p est le zinc avec une dose de 5.10 cm-2 et une éner- gie de 350 keV; lors de la reprise d'épitaxie, la recroissance est réalisée avec du Gal_zAlzAs avec z=0,5. Pour une longueur de cavité de 270 pm et une largeur de zone active de 3 pm, un courant de seuil de 12 mA a été obtenu en régime impulsionnel. Les résis- tances de contact obtenues sont bonnes, ce qui indique que la zone implantée a bien été recuite pendant la reprise d'épitaxie liquide. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un Laser à semi- conducteur à ruban enterré, dans Lequel: - on dépose par épitaxie, sur un substrat (1), une première couche de confinement (2) dopée N, une couche active (3) non dopée, une seconde couche de confinement (4) dopée P et une couche de contact (5), l'ensemble de ces couches formant une double hétéro- structure, - on réalise une implantation de dopant p sur la couche (5), par photolithographie, on délimite un ruban (7) sur cette double hétérostructure et on pro- cède à une attaque chimique de part et d'autre du ru- ban, jusqu'au substrat, ce qui laisse subsister une mésa sur le substrat, - on effectue une reprise d'épitaxie de part et d'autre de la mésa sur les parties du substrat (1) qui ont été dégagées pour faire croître une couche semiconductrice (12) pour réaliser un confinement op- tique et électrique du laser, ce procédé étant carac- térisé par le fait qu'avant l'opération de photolitho- graphie, on effectue une implantation, dans la totali- té de la couche de contact (5), d'un dopant de type p, ce qui a pour effet de rendre amorphe la surface supé- rieure de la couche de contact (5), puis on continue le procédé par délimitation du ruban, attaque chimique et reprise d'épitaxie. 2. Procédé selon la revendication 1, carac- térisé par le fait que, pour effectuer la reprise d'épitaxie, on procède par épitaxie en phase liquide, la croissance cristalline s'effectuant alors sur le substrat (1) de part et d'autre de La mésa, mais non sur la surface supérieure (10) de la couche de contact (5), qui a été implantée. 3. Procédé seLon La revendication 1, carac- térisé par Le fait que, pour effectuer La reprise d'épitaxie, on procède par épitaxie organométaLtique par dépôt en phase vapeur (OMCVD), la croissance cris- taLtine étant alors monocristalline et par le fait qu'on enLève par attaque chimique La couche de re- -croissance apparaissant sur le haut de la mésa.