Brevet FR2598263A1 — publié le 19871106

LASER SEMICONDUCTEUR A HAUT NIVEAU DE NON-LINEARITE ET PROCEDE DE PASSIVATION DIFFERENTIELLE DES FACES CLIVEES DE CE LASER La présente invention concerne un dispositif semiconducteur de type laser, dont les caractéristiques émissives sont améliorées par une passivation différentielle des faces clivées de son ruban émetteur de lumière, de façon que l'une de ces faces est moins réflective que l'autre, et émet d'avantage de puissance. L'invention concerne également le procédé de passivation différentielle des deux faces clivées d'un laser. Un laser semiconducteur est, comme représenté schémati quement en figure 1, formé par un ruban émetteur 1, délimité dans le sens de l'épaisseur du laser par deux couches de confinement 2 et 3. L'ensemble est supporté par un substrat 4 et recouvert par une couche 5 qui sert d'une part à établir un contact électrique et d'autre part à délimiter latéralement le ruban émetteur, c'est-à-dire en avant et en arrière du plan de la figure 1, sur laquelle le ruban émetteur 1 est vu en coupe longitudinale. Le laser émet de la lumière par les deux extrémités 6 et 7 du ruban émetteur, ces extrémités étant dites les faces clivées.Pour protéger les maté riaux, qui sont des groupes III-V ou Il-Vi, les faces clivées sont généralement passivées par deux couches 8 et 9 d'un matériau transparent, les couches ayant même épaisseur. La cavité résonante de Fabry-Perrot d'un laser semiconducteur est formée par ce ruban, délimité par les deux faces clivées 6 et 7 du cristal. Par le coefficient de réflexion des extrémités 6 et 7, ces faces clivées permettent en réfléchissant une partie des photons h > à l'intérieur de la cavité, d'atteindre le niveau de densité permettant l'inversion de population, et le passage à Peffet laser. A partir d'un certain niveau de courant injecté, cette inversion se produit et l'émission spontannée émise par les faces clivées se transforme en émission stimulée: ce niveau de courant d'injection particulier est appelé courant de seuil 1th du laser. Les caractéristiques principales d'un laser sont données par sa courbe de puissance émise P en fonction de l'intensité de courant injecté I, en figure 2. Ce sont: - son courant de seuil Ith: en dessous de ce courant de seuil, le dispositif optoélectronique émet comme une diode électroluminescente une lumière non-cohérente, - son rendement quantique externe par face 7 t. Ce rendement est donné par la pente de la partie linéaire 10 de la courbe, au-dessus du courant de seuil Ith, - le niveau de non-linéarité, en 11, de la courbe de puissance émise. Ce niveau, appelé le "kink", correspond à un changement de processus d'excitation, et donc à un changement de mode fondamental transverse de rémission laser. La plage d'utilisation d'un laser est limitée inférieurement par le courant de seuil et supérieurement par le kink, - son spectre d'émission en fréquence.Ce spectre est plus riche en longueurs d'ondes émises à proximité du courant de seuil, et devient de plus en plus monochromatique,à plus forte intensité I de courant injecté. I1 y a donc opposition entre la richesse du spectre émis et la puissance émise. La courbe de la figure 2 est la même pour les deux faces clivées d'un laser, la face frontale "f" et la face arrière "r", la détermination "frontale" ou "arrière" étant prise arbitrairement, pour un laser symétrique selon l'art connu. Par ailleurs, les lasers semiconducteurs sont classés en deux familles selon leur spectre émissif et selon leur utilisation: les lasers à spectre de fréquence monoraie et les lasers à spectre multiraies. Les lasers monoraie sont surtout utilisés dans les systèmes de transmission sur fibre optique monomode, à longue distance et à fort débit. Dans ce cas, les lasers émettent dans des fenêtres de longueurs d'ondes centrées sur 1,3 um et 1,55 llm pour lesquelles les fibres optiques présentent peu d'atténuation et une dispersion chromatique très faible. Les lasers multiraies sont utilisés dans les systèmes de transmission de type analogique, sur fibre optique à moyenne distance et moyen débit. Dans ce cas, il est nécessaire que le spectre d'émission soit le plus riche possible, multiraies, afin de limiter au maximum le bruit modal de transmission. Les lasers concernés par cette utilisation sont ceux qui émettent dans une fenêtre centrée sur û,8 ,um (structure de laser GaAs - AlGaAs) et ceux qui émettent dans une fenêtre centrée sur 1,3 llm (structure de laser InP - GaInAsP). Un premier objet de l'invention est de proposer un laser dont les caractéristiques sont améliorées par: - l'augmentation de son niveau de non-linéarité ou niveau de kink, ce qui correspond à une augmentation de la plage de puissance utilisable, - l'augmentation de nombre de raies émises dans son spectre optique. La première caractéristique concerne les lasers des deux familles, monoraie et multiraies. Un autre objet de l'invention est de proposer une méthode de passivation différentielle des faces clivées d'un laser, de façon à modifier ses caractéristiques dans le sens de l'augmentation du niveau de kink et du nombre de raies émises. Pour atteindre ces résultats, l'invention prévoit que les faces clivées d'un laser sont recouvertes par une couche de protection transparente aux longueurs d'ondes émises, mais la couche de protection d'une première face est moins épaisse que la couche de protection d'une deuxième face, de sorte que le coefficient de réflectivité de la première face est inférieur au coefficient de réflectivité de la seconde face. La lumière émise par le laser sort donc de la cavité résonante avec une puisance accrue par la première face, et avec une puissance diminuée par la deuxième face. Cette passivation différentielle est obtenue en évaporant un diélectrique, tel que l'alumine ou le nitrure de silicium par exemple, à 450 par rapport à l'une des faces clivées, de sorte que cette première passivation ne concerne que la face clivée "vue" par le flux gazeux. Une deuxième passivation concerne l'autre face clivée: sans arrêter le dispositif d'évaporation sous vide, il suffit de faire pivoter le laser d'un angle de 1800 pour que le flux gazeux atteigne cette autre face. La durée des évaporations permet, toutes choses étant égales par ailleurs, de régler les épaisseurs de passivations différentielles. De façon plus précise, I'invention concerne un laser semiconducteur à haut niveau de non-linéarité comprenant au moins une couche active, comprise entre deux couches de confinement, une cavité résonante de Fabry-Perrot en forme de ruban étant définie dans la couche active par les couches de confinement et par deux faces clivées de la structure du laser qui comprend en outre un substrat et une couche de prise de contact, ce laser étant caractérisé en ce que la réflectivité d'une première face clivée, dite face frontale, est diminuée par rapport à la réflectivité d'une deuxième face clivée, dite face arrière, la modification de réflectivité étant obtenue par passivation différentielle des deux faces clivées au moyen de deux couches de diélectrique déposées sur lesdites faces, la couche de diélectrique déposée sur la face à faible réflectivité étant d'épaisseur inférieure à celle de la couche de diélectrique déposée sur la face à réflectivité normale. L'invention sera mieux comprise par la description d'un exemple d'application, et son intérêt ressortira mieux au moyen des figures jointes en annexe, qui représentent: - figure 1: coupe schématique longitudinale d'un laser semiconducteur selon l'art connu, - figure 2 : courbe de la puissance émise P en fonction de l'intensité I de courant injecté,pour un laser selon l'art connu, - figure 3 : courbe de rendemant quantique externe d'une face clivée de laser, en fonction du coefficient de réflectivité des deux faces clivées, - figure 4 : coupe schématique longitudinale d'un laser semiconducteur selon l'invention, - figure 5 : courbe de la puissance émise P, pour chacune des faces clivées d'un laser selon l'invention, - figure 6 et 7 : schémas du procédé de passivation différentielle des faces clivées d'un laser selon l'invention. I1 a été dit précédemment, au sujet de la figure 1, qu'afin de limiter la dégradation des faces d'émission d'un laser et d'isoler le matériau qui les constitue des agents extérieurs agressifs, une couche de diélectrique est déposée sur chaque face émissive après découpe du laser. Ce diélectrique peut être de l'alumine ou du nitrure de silicium par exemple. Les résines organiques sont possibles. De manière générale, afin de ne pas modifier les propriétés de réflectivité des faces, la couche déposée est ajustée en épaisseur à B/2, soit 2500 A pour une lumière émise à une longueur d'onde X = 0,8w. Le coefficient de réflectivité d'une face clivée est de l'ordre de 0,3 pour un laser classique. L'objet de l'invention consiste précisément à modifier cette épaisseur de couche protectrice sur une seule des deux faces clivées, de façon à tirer parti des modifications de caractéristiques qui en résultent. Si on appelle: -? ext.f(ou r)le rendement externe de la face frontale (f) ou arrière (r), - ? int. le rendement quantique interne du laser, - L la longueur de la cavité, - ales pertes internes dans la cavité, - R f et R r les coefficients de réflectivité des faces "f" et "r", les relations connues du fonctionnement d'un laser semiconducteur permettent de calculer le rendement externe 7 ext.f de la face frontale.A partir de et de: on tire : De même, le courant de seuil du laser est donné par: dans lequel: - d est l'épaisseur de la couche active ou ruban, est 7 Sp est le rendement quantique interne en émission spontanée, -13 et Jo sont des constantes dépendant de la température, - r est le facteur de confinement transverse. De ces deux dernières équations, on tire que, pour une valeur fixée de la réflectivité R de la face arrière, la diminution de la r réflectivité Rf de la face frontale entraine une augmentation du rendement quantique externe 7 ext.f et une augmentation de courant de seuil Ith. La courbe de la figure 3 met bien en évidence ce phénomène. Elle donne le rendement externe 7 ext.f de la face frontale en fonction de la réflectivité R r de la face arrière, pour différentes valeurs de réflectivité Rf de la face frontale. On voit que le rendement externe '?ext.f de la face frontale augmente avec la réflectivité R de la face arrière, et que, pour une réflectivité R r r donnée, 7 ext.f augmente lorsque Rf diminue. Le rendement externe de la face frontale d'un laser est donc d'autant meilleur que la réflectivité R f est faible et que la réflectivité R est élevée. Ceci est obtenu avec une structure de laser conforme à celle de la figure 4. La structure "active" d'un laser selon l'invention est identique à celle d'un laser selon l'art connu. I1 est même possible de partir d'un laser classique, à condition que ses faces clivées ne soient pas passivées, et de le modifier pour en faire un laser selon l'invention. Dans cette structure, le ruban émissif 1, ou cavité de Fabry-Perrot, est défini dans une première direction par deux couches de confinement 2 et 3, dans une deuxième direction par les deux faces clivées 6 et 7, et dans une troisième direction par la couche 5 de prise de contact. L'ensemble est supporté par un substrat 4. Diverses configurations sont possibles: elles n'entrent pas dans le domaine de l'invention. La particularité du laser selon l'invention est que les deux faces clivées 6 et 7 sont protégées par deux couches de passivation 12 et 13 d'épaisseurs différentes. La face 6 est protégée par une couche 12 d'alumine ou autre matériau minéral ou organique transparent d'épaisseur "normale", c'est-à-dire d'épaisseur A/2, soit 2500 A pour une émission lumineuse à 0,8/v avec l'alumine, et pour un indice ne,1,7. La réflectivité de cette face est de l'ordre de 0,3. La face 7 est protégée par une couche 13, du même matériau que celui de la couche 12, mais sous une épaisseur telle que la réflectivité de la face clivée 7 soit diminuée, à 0,1 par exemple, ou plus généralement entre 0,05 et 0,3, ce qui correspond à une épaisseur de 1600 A environ pour l'alumine. La face 6, dont la réflectivité est normale, est donc la face arrière "r" (réflectivité Rr), et la face 7, dont la réflectivité est faible, est donc la face frontale "f" (réflectivité Rf). Dans un tel laser, la majeure partie de la lumière sort par la face frontale, et une faible partie sort par la face arrière, tel que symbolisé sur la figure 4 par les rayons lumineux hi. La figure 5 met en évidence les modifications introduites par les deux couches 12 et 13 de passivation différentielle, d'épaisseurs différentes. La puissance émise P du laser est portée en ordonnées. Pour faciliter la comparaison, on a rapporté en pointillé la courbe 10 d'un laser classique, avec son niveau de kink en 11. C'est une courbe unique "f+r" pour les deux faces "f" et "r". Au contraire, les deux faces clivées d'un laser conforme à l'invention émettent de façon différente. La face frontale "f", ou 7, émet avec un rendement quantique externe 7 ext.f plus élevé, c'està-dire une pente de courbe 14 plus grande, puisque son coefficient de réflectivité Rf est abaissé, à 0,1 par exemple, Et, bien entendu, la face arrière "r", ou 6, émet avec un rendement quantique diminué, donc une pente de courbe 15 aplatie, puisque la lumière sort préférentiellement par la face frontale moins réflective. Les trois niveaux de kink, pour l'art connu et selon l'invention, sont alignés, puisque le kink est fonction du courant injecté i. Il s'ensuit que, pour la face frontale "f" qui a une pente élevée, la plage linéaire de la courbe 14 est importante, avant d'atteindre en 16 son niveau de kink, pour une puissance importante. Et réciproquement, la face arrière "r" n'a quasiment pas de plage linéaire sur sa courbe 15 et atteint rapidement en 17 son niveau de kink, à faible puissance. Dans un laser selon l'art connu, il y a opposition entre la notion de puissance, qui suppose de travailler près de niveau de kink, avec peu de raies émises, et la notion de multiraies qui suppose de travailler près du courant de seuil, à faible puissance. La passivation différentielle supprime cette opposition. En effet, considérons un point quelconque 18 situé sur la partie linéaire de la courbe 10 d'un laser classique: pour une intensité 11, ce laser classique émet une puissance P1. Mais avec un laser selon l'invention, la même intensité 11 fournit sur la courbe 14 de la face frontale "f" une puissance P2représentée par le point 19, supérieure à la puissance P1.Ou réciproquement, pour une même puissance P1, le point 20 sur la courbe 14 ne nécessite qu'une intensité inférieure à li. Ce qui signifie qu'avec un laser selon l'invention, il est possible d'émettre la même puissance lumineuse P, sous une intensité moindre de courant injecté I, c'est-à-dire en se rapprochant du courant de seuil I'th et donc dans une région où les raies lumineuses émises sont plus nombreuses. La diminution de R f par rapport à R a donc permis r d'augmenter le niveau de kink et d'augmenter le nombre de raies émises par le laser selon l'invention. La passivation différentielle des faces clivées d'un laser entraine une légère augmentation du courant de seuil I'th faible en valeur relative: +10 % si la réflectivité R f de la face frontale baisse de 0,3 à 0,1. La réalisation de la passivation différentielle des faces clivées se fait aisément, et est illustrée par les figures 6 et 7. Les lasers sont fabriqués de façon collective, sur une rondelle de matériau semiconducteur, et ils reçoivent leurs métallisations de prise de contact, selon l'art connu. A ce point de la fabrication, la rondelle est collée sur une feuille de matière plastique, et rayée au diamant pour tracer des barrettes, comportant chacune une série de lasers. Les traits de diamant correspondent aux futures faces clivées 6 et 7 des lasers. Les métallisations des lasers sont alors protégées selon la technologie de la double couche de photorésist, ce qui permettra ultérieurement de plus facilement dissoudre ce masque de polymère. Les barrettes de lasers sont alors clivées, en passant un rouleau sur la rondelle rayée au diamant, et elles sont séparées les unes des autres, en distendant la feuille de matière plastique sur laquelle elles sont collées. La figure 6 schématise la première étape du procédé de passivation différentielle. Une pluralité de barrettes 21 de lasers, collées sur une feuille 22, sont introduites dans un appareil d'évaporation sous vide -non représenté- Ces barrettes sont vues par leur extrémité, c'est-à-dire qu'elles ont une face clivée 6 à droite sur la figure, et une face clivée 7 à gauche. Les faces clivées sont nues, à ce point des opérations. Les métallisations des lasers sont protégées par deux couches 23 et 24 de résine. Le vide étant fait dans l'appareil, un diélectrique tel que l'alumine est vaporisé de façon anisotropique, perpendiculairement aux barrettes, mais sous un angle de 45 environ par rapport à une face clivée 6. La vaporisation est symbolisée par des flèches. L'alumine se dépose en 12 sur les faces clivées 6, ainsi qu'en 25 sur le masque de résine.La durée et les conditions d'évaporation sont ajustées pour que la réflectivité R r de la face clivée 6 soit d'environ 0,3, soit 2500 A d'alumine. Le dépôt d'alumine sur la face clivée 7 est insignifiant. Puis le jeu de barrettes 21 subit une rotation de 180 , dans le plan de son support 22, sans interrompre ni modifier l'évaporation d'alumine. Ce sont donc les faces clivées 7, qui sont à nu jusqu'à présent, qui sont exposées au flux d'alumine: c'est ce qui est représenté en figure 7 sur laquelle-les faces clivées 7 sont à droite de la figure, et les faces clivées 6, qui ont déjà reçu une couche d'alumine 12, sont à gauche. Le dépôt d'alumine se poursuit donc jusqu'à ce que l'épaisseur de la couche 13, déposée sur la face 7, communique à la face clivée 7 une réflectivité Rf de l'ordre de 0,05 à 0,1, ce qui correspond à environ 1600 A d'alumine pour un rayonnement à 0,. Une seconde couche 26 d'alumine se dépose simultanément sur le masque de résine. La passivation différentielle des faces clivées étant terminée, le masque de résine 23+24 et les deux couches d'alumine 25+26 déposées sur le masque sont retirés par dissolution de la résine, par une technique connue sous le nom de lift-off. Les barrettes sont alors découpées en puces de lasers, qui sont achevés après montage des puces dans des boitiers adéquats. Selon l'invention, la diminution de la réflectivité R f d'une face frontale, par rapport à la réflectivité R d'une face arrière d'un r laser, par passivation différentielle, entraine : - une légère augmentation du courant de seuil 1,th - I'augmentation du rendement quantique externe r ext.f de la face frontale, - la diminution du rendement quantique externe 7 ext.r de la face arrière, - l'augmentation, pour une puissance optique émise, du nombre de raies de spectre d'émission, - l'augmentation du niveau de kink, qui permet d'augmenter la puissance optique émise, dans un plus grand domaine de linéarité que si les deux faces clivées ont même réflectivité. Enfin, pour une puissance optique émise sur la face frontale, la face arrière n'émet plus qu'une partie (moins de 50%) de la puissance émise avant passivation différentielle. De ce fait, la vitesse de dégradation ou d'évolution du matériau de cette face clivée est diminuée, et la durée de vie du laser est augmentée. REVENDICATIONS 1. Laser semiconducteur à haut niveau de non-linéarité comprenant au moins une couche active (1), comprise entre deux couches de confinement (2, 3), une cavité résonante de Fabry-Perrot en forme de ruban étant définie dans la couche active (1) par les couches de confinement (2, 3) et par deux faces clivées (6, 7) de la structure du laser qui comprend en outre un substrat (4) et une couche (5) de prise de contact, ce laser étant caractérisé en ce que la réflectivité (Rf) d'une première face clivée (7), dite face frontale, est diminuée par rapport à la réflectivité (R ) d'une deuxième face clivée (6), dite face arrière, la modification de réflectivité étant obtenue par passivation différentielle des deux faces clivées (6, 7) au moyen de deux couches (12, 13) de diélectrique déposées sur lesdites faces, la couche (13) de diélectrique déposée sur la face (7) à faible réflectivité (Rf) étant d'épaisseur inférieure à celle de la couche (12) de diélectrique déposée sur la face (6) à réflectivité normale (ru). 2. Laser semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la réflectivité normale (R r > de la face arrière (6) étant de l'ordre de 0,3, la réflectivité diminuée (Rf) de la première face frontale (7) est comprise entre 0,05 et 0,3. 3. Laser semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche (12) de passivation de la face arrière (6) étant de l'ordre de 2500 A (pour une longueur d'onde à 0,8 iim), l'épaisseur de la couche (13) de passivation de la face frontale o (7) est de l'ordre de 1600 A. 4. Laser semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la passivation différentielle de ses faces clivées (6,7) augmente le rendement quantique externe 1? ext.f de sa face frontale (7) dont la réflectivité est diminuée et diminue le rendement quantique externe 7 ext.r de sa face arrière (6) à réflectivité normale. 5. Laser semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la passivation différentielle de ses faces clivées (6, 7) augmente le nombre de raies de son spectre d'émission optique. 6. Procédé collectif de passivation différentielle d'un laser semiconducteur selon la revendication 1, qui a déjà reçu les métallisations de prise de contact, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les opérations suivantes: - collage d'au moins une barrette (21) de lasers sur un support (22), la barrette étant découpée selon les faces clivées (6,7) de lasers, - protection des métallisations de prise de contact par une double couche (23, 24) de résine, - évaporation, en bâti sous vide, d'un diélectrique, le flux de diélectrique étant dirigé perpendiculairement à la barrette (21) et à 450 par rapport à la deuxième face clivée (6), de façon à déposer sur cette face (6) une couche de diélectrique (12) telle que la réflectivité (R r > de ladite face (6) soit normale, et égale à 0,3 environ, - rotation de la barrette (21) d'un angle de 1800, dans le plan de son support (22) et évaporation, dans les mêmes conditions, d'un diélectrique sur la première face clivée (7), de façon à déposer sur cette face (7) une couche de diélectrique (13) telle que la réflectivité (Rf) de ladite face (7) soit diminuée et comprise entre 0,05 et 0,3, - dissolution du masque de résine (23,24), - découpage de la barrette (21) en pastilles de lasers, dont les deux faces clivées (6, 7) sont passivées différentiellement.