Brevet FR2607978A1 — publié le 19880610

LASER INFRAROUGE A SEMI-CONDUCTEUR ACCORDABLE A DOUBLE PUITS QUANTIQUES L'invention concerne un laser Infrarouge à semi-conducteur accordable à double puits quantiques et notamment un laser infrarouge à hétérojonctions permettant une modulation de la puissance et de la fréquence du faisceau émis. On connaît des dispositifs semi-conducteurs à double barrières tels que celui décrit dans l'article "Résonant tunneling in semiconductor double barriers" de L.L. CHANG et ai publié dans la revue Appìied Physics Letters, volume 24, numéro 12 du 15 luin 1974. On connaît également des super-réseaux à hétérojonctions présentant une succession de puits quantiques tels que celui qui est décrit dans l'article "Sequential resonant tunneling through a multiquantum well superlattice" de Federico CAPASSO et al publié dans la revue Âpplied Physics Letters, volume 48 (7), du 17 février 1986. L'invention fournit un dispositif plus simple permettant une variation commandée de l'émission du laser tant en puissance qu'en fréquence d'émission. C'est pourquoi l'invention concerne un laser infrarouge répondant à un tel besoin. L'invention concerne donc un laser infrarouge à semi-conducteur accordable à double puits quantiques comprenant - une première couche d'un semi-conducteur dopé - une deuxième couche d'un semi-conducteur non intentionnellement dopé réalisant une barrière de potentiel de largeur déterminée - une troisième couche d'un semi-conducteur non intentionnellement dopé réalisant un puit quantique et d'épaisseur faible telle qu'elle constitue un confinement quantique des électrons - une quatrième couche d'un semi-conducteur non intentionnellement dopé d'épaisseur faible et de composition telle qu'elle réalise une barrière de potentiel - une cinquième couche d'un semi-conducteur non intentionnellement dopé d'un même matériau que la troisième couche d'épaisseur supérieure à celle de la troisième couche mais suffisamment faible pour permettre un confinement quantique des électrons plus faible que le précédent - une sixième couche d'un semi-conducteur dopé réalisant une barrière de potentiel. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre faite en se reportant aux figures annexées qui représentent - la figure 1, un exemple de réalisation d'une structure laser infrarouge selon l'invention - la figure 2, un diagramme du profil de bande de conduction de la structure laser de la figure 1 - la figure 3, un diagramme du profil de bande de conduction de la structure laser de la figure 1 sur laquelle sont situés les niveaux d'énergie électronique en l'absence de tension appliquée aux bornes de la structure laser - la figure 4, un diagramme du profil de bande de conduction de la structure laser de la figure 1 sur laquelle sont situés les niveaux d'énergie avec application d'une tension aux bornes de la structure laser - les figures 5 et 6, un exemple de réalisation détaillé d'une structure laser selon l'invention et un diagramme du profil de bande de conduction associé. En se reportant à la figure 1 on va tout d'abord décrire un exemple d'un laser infrarouge à hétérojonctions selon l'invention. Un substrat en matériau semi-conducteur dopé 10 porte une succession de couches de matériaux semi-conducteurs référencées 1 à 6 sur la figure 1. La première couche 1 est une couche en même matériau que le substrat, épitaxiée sur le substrat, et qui a été fortement dopé, de type n. La deuxième couche 2 est en matériau semi-conducteur en matériau tel qu'elle réalise une barrière de potentiel. Ce matériau peut être un composé de même nature que celui du substrat avec, en plus, un composant élevant la largeur de bande interdite . Les paramètres de mailles de la première couche (1) et de la deuxième couche seront adaptés et, selon un exemple de réalisation préféré de l'invention, ils seront de même valeur. La troisième couche 3 est en matériau semi-conducteur dont la largeur de bande interdite (gap en terminologie anglo-saxonne) est inférieure à celle du matériau de la deuxième couche réalisant un puit quantique. L'épaisseur de cette couche est faible, de l'ordre de quelques dizaines d'Angström par exemple, pour réaliser un puit quantique pour les porteurs. Son paramètre de maille est adapté à celui de la deuxième couche 2. La quatrième couche 4 est du même type que la deuxième couche, d'épaisseur plus faible et présentant une barrière de potentiel qui peut être plus élevée. Le cinquième couche 5 est du même type que la troisième couche, elle diffère essentiellement par le fait que son épaisseur est nettement supérieure à celle de la troisième couche 3 de façon, qu'en l'absence d'application de différence de potentiel aux bornes du laser, le niveau d'énergie de la troisième couche soit supérieur à celui de la cinquième couche. Néanmoins, l'épaisseur de cette cinquième couche est telle qu'elle permette un confinement quantique des porteurs. La sixième couche 6 est du même type que la quatrième et présente une barrière de potentiel relativement faible. Les couches 2 à 6 ne sont pas intentionnellement dopée. Une septième couche 7 de même type que la sixième couche 6 est dopée de type n. Cette septième couche 7 peut être une épaisseur de la sixième couche qui a été dopée. L'ensemble ainsi constitué constitue une diode laser dont l'émetteur E est la septième couche 7 et le collecteur C, la première couche 1. Un tel laser à semi-conducteur à hétérojonctions présente une structure de bande, dans l'axe de croissance et à Il'équilibre telle que schématisée sur les figures 2 et 3. Cette structure est constituée d'un émetteur (E), d'un collecteur (C), et de deux puits quantiques P1 et P2 séparés par une barrière B1 assez mince pour permettre un couplage par effet tunnel. La largeur L1 et L2 des puits P1 et P2 est telle que ces puits ne contiennent qu'un petit nombre de niveaux, que le niveau le plus bas N2 du puits P2 soit plus haut que le niveau le plus bas N1 du puits P1, et que la séparation entre les niveaux N1 et N2 soit assez grande pour que le couplage par effet tunnel reste faible. Dans ce cas, N1 et N2 sont bien localisés dans leur puits respectifs P1 et P2. Si on impose une tension positive Vc sur le collecteur comme cela est représenté sur la figure 4, le niveau N2 descend plus vite que le niveau N1, leur couplage par effet tunnel augmente et les niveaux se délocalisent sur les deux puits. D'autre part, ces niveaux sont couplés à un continuum par effet tunnel à travers la barrière B2. Ils sont donc métastables et leur largeur dépend de l'épaisseur de B2. Les épaisseurs de B1 et B2 sont telles que l'élargissement des niveaux dû à l'effet tunnel à travers B2 soit faible devant leur séparation dû à effet tunnel résonnant à travers B1. Dans ces conditions, en utilisant le composant dans une cavité résonnante, on peut obtenir un effet LASER entre ces deux niveaux. L'effet LASER s'obtint en se plaçant à un point de fonctionnement qui correspond à une tension Vc un peu supérieure à celle de la figure 4, de telle manière que la fonction d'onde correspondant au niveau le plus haut en énergie soit plus localisée dans le puits P1, et celle correspondant au niveau le plus bas soit plus localisée dans le puits P2. Dans ce cas, l'injection des électrons est augmentée dans le niveau le plus haut, et la fuite des électrons à travers la barrière B2 est diminuée pour ce niveau, ce qui réalise l'inversion de population nécessaire à l'effet LASER. La fréquence émise et la force d'oscillateur entre ces niveaux dépendent de leur séparation qui elle même dépend de Vc.On peut donc moduler la fréquence et l'intensité de l'onde émise par simple modulation de la tension Vc. Pour des matériaux courants (AlGaAs/GaAs) la fréquence de l'onde émise se trouve autour de quelques THz. On peut réaliser une structure fonctionnant avec le principe précédant en Aix Ga1~x As/GaAs par épitaxie par jet moléculaire. La succession des couches de semi-conducteur, caractérisées par leur épaisseur, leur concentration d'aluminium, leur dopage, est représentée sur la figure 5. Dans ce cas, la séparation minimale des niveaux est de 4 meV, ce qui correspond à une fréquence minimale d'émission de 1 Thz. Les figures 5 et 6 représentent à titre d'exemple une telle structure. Elle comporte sur un substrat 10, les différentes couches précédentes. La couche 1 est un arséniure de gallium dopé de type n. La couche 2 est en arséniure de gallium et d'aluminium non intentionnellement dopé dont la proportion d'aluminium et de gallium est respectivement de 20 % et 80 % ce qui permet d'obtenir une barrière relativement élevée en raison du pourcentage non négligeable d'aluminium. L'épaisseur de cette couche est de 70 Angströms. La couche 3 est en arséniure de gallium non intentionnellement dopé. Son épaisseur est de 50 Angstroms. La couche 4 est en arséniure de gallium et d'aluminium non intentionnellement dopé avec un pourcentage de 35 % pour l'aluminium et de 65 % pour le gallium. Le fort pourcentage d'aluminium fournit une barrière élevée. L'épaisseur de cette couche est de 40 Angstroms. La couche 5 est en arséniure de gallium non intentionnellement dopé et a une épaisseur de 100 Angströms. Les couches 6 et 7 sont en arséniure de gallium et d'aluminium avec une proportion de 10 96 d'aluminium et 90 % de gallium. La couche 6 n'est pas intentionnellement dopée et a une épaisseur de 200 Angstroms. La couche 7 est dopée de type n de la même façon que la couche 1 et a une épaisseur dépassant 1000 Angströms. Ces structures peuvent être réalisées avec d'autres matériaux et par d'sutres techniques. Par exemple, on peut les réaliser en InP/InGaAs par MOCVD. Dans ce cas, la masse effective de l'InGaAs étant plus petite que celle du GaAs, il est possible de fabriquer des émetteurs à plus haute fréquence. D'autres exemples de réalisation peuvent être envisagés sans sortir pour autant du cadre de l'invention. Notamment, les compositions des couches, leurs épaisseurs et leurs dopages peuvent être envisagés différemment. REVENDICATIONS 1. Laser infrarouge à semi-conducteur accordable à double puits quantiques comprenant - une première couche d'un semi-conducteur dopé (1) - une deuxième couche d'un semi-conducteur non intentionnellement dopé (2) réalisant une barrière de potentiel de largeur et hauteur déterminées; - une troisième couche d'un semi-conducteur non intentionnellement dopé (3) réalisant un puit quantique et d'épaisseur faible telle qu'elle constitue un confinement quantique des électrons - une quatrième couche d'un semi-conducteur non intentionnellement dopé (4) d'épaisseur faible et de composition telle qu'elle réalise une barrière de potentiel;; - une cinquième couche d'un semi-conducteur non intentionnellement dopé (5) d'un même matériau que la troisième couche (3) d'épaisseur supérieure à celle de la troisième couche (3) mais suffisamment faible pour permettre un confinement quantique des électrons - une sixième couche d'un semi-conducteur dopé (6) réalisant une barrière de potentiel. 2. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que la largeur de bande interdite de la deuxième couche (2) est supérieure aux largeurs de bandes interdites respectives de la première couche (1), de la troisième couche (3) et de la cinquième couche (5). 3. Laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que la largeur de bande interdite de la quatrième couche (4) est supérieure à celle de la deuxième couche (2). 4. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une septième couche (7) d'un matériau semi-conducteur de même nature que celui de la sixième couche (6) dopé de la même façon que la première couche (1). 5. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que les matériaux de la première, troisième et cinquième couches comportent les mêmes composants chimiques. 6. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que les matériaux de la deuxième, quatrième et sixième couches comportent les mêmes composants chimiques. 7. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que la quatrième couche (4) réalise une barrière de hauteur supérieure à celle de la deuxième couche (2).