Brevet FR2628575A1 — publié le 19890915

LASER DE PUISSANCE A 0,808 MICROMETRES DE LONGUEUR D'ONDE POUR POMPAGE DU LASER YAG Laser de puissance à 0,808 micromètres de longueur d'onde et plus particulièrement un laser de puissance servant de source lumineuse d'excitation pour un laser YAG (ou laser à base d'oxyde d'aluminium sur grenat d'Yttrium). Les lasers YAG sont utilisés dans le cas où l'on a besoin d'une source lumineuse impulsionnelle importante de l'ordre de 1 MW. La meilleure façon d'obtenir une telle puissance est de pomper le laser YAG au moyen de lasers semiconducteurs dont la longueur d'onde d'émission est en résonance avec les niveaux d'énergie du YAG, c?est à dire 0,808 Cun jusqu'à présente, la solution utilisée consistait à exciter le YAG par une lampe flash ou par un laser semiconducteur à base de GaAlAs/GaAs. Les lampes ont un très faible rendement (0,1%), et une durée de vie très courte, c'est pourquoi il est préférable d'utiliser des lasers de puissance, qui ont un rendement bien supérieur (10%). Le laser actuellement utilisé est un laser GaAlAs, de longueur d'onde 0,808 micromètre, qui permet de pomper le YAG. Le système GaAs/GaAIAs est aujourd'hui couramment utilisé pour la réalisation de composants hyperfréquences tels que TEGFET (transistor à effet de champ à gaz bidimensionnel d'électrons) ou HBT (transistor bipolaire à hétérojonction), aussi bien que pour la réalisation de composants optoélectroniques tels que - les lasers à 0,8 micromètres de longueur d'onde pour les télécommunications optiques, - les lasers à 0,809 micromètres de longueur d'onde destinés au pompage des lasers YAG, - les lasers visibles émettant à des longueurs d'onde inférieures à 0,7 micromètres pour le traitement d'informations à haute densité, guides d'onde et photodétecteurs. Ce système GaAs/GaAlAs peut, d'autre part, se prêter à l'intégration mololi thique sur substrat de silicium. Le système GaAs/GaAlAs présente cependant de graves inconvénients, liés à la présence d'aluminium et à l'égalité des paramètres de maille de GaAs et Allas. Cela limite notamment la fiabilité des lasers à ruban entrée dite (Buried-Ridge BH), lasers à réseau distribué DFB (Distrlbuted Feedback), lasers de puissance, lasers visibles et lasers sur substrat de silicium. Les principaux défauts rencontrés dans les dispositifs optoélectroniques existants sont les suivants - 1) la dégradation catastrophique des lasers, liée à l'altération de l'état de surface des miroirs de cavité, due à l'oxydation de l'aluminium, - 2) la formation aisée de lignes noires, due à une haute mobilité des dislocation liée à l'égalité des paramètres de maille de GaAs et Allas, - 3) la dégradation.' graduelle du laser, liée à la présence et à l'extension rapide des centres de recombinaisons non radiatif s. L'utilisation de l'alliage GaInP, de même paramètre de maille que le GaAs, à la place du GaAlAs permet de pallier ces inconvenients, et augmente la fiabilité des composants optoélectroniques et hyperfréquences à base de GaAs. C'est pourquoi l'invention concerne un laser de puissance comprenant superposées sur un substrat, une première couche de confinement, une couche active, une deuxième couche de confinement, caractérisé en ce que ces différentes couche sont en matériau semiconducteur de type III-V comportant chacune de l'indium. Les différents objets et caractéristiques de l'lnven- tion apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre faite à titre d'exemple en se reportant aux figures annexées qui représentent: - la figure 1, un exemple de raalisation du laser selon l'invention - la figure 2, une variante de réalisation du laser selon l'invention. L'invention consiste en la réalisation d'un laser à base de GaInAsP/GaInP/GaAs sur substrat de silicium émettant å 0,808 un, dont la structure est représentée en figure 1. Les matériaux GaInP et GaInAsP sont adaptés en maille au GaAs et le gap du GaInAsP correspond précisément à la longueur d'onde de 0,808 m. Selon la structure représentée en figure 1, le laser de l'invention comporte déposées sur un substrat 1 - une couche de confinement 2 de formule générale Gax In (1-x) P dopée Gaz 49 In0, P avec saphire ou + silicium (type n ) - une couche active 3 de formule générale Gay In(1,y) As P y étant compris entre 0,8 et 1 et z entre 0,8 et 1. A titre d'exemple y = 0,91 et z = 0,83 et permettant de fonctionner à la longueur d'onde de 0,808 micromètres - une couche de confinement 4 de même composition que la couche de confinement 2 mais dopée de type inverse, c'est å dire p (dopé avec Zn) selon l'exemple puis - une couche de contact en GaAs de même dopage, p par exemple, que la couche de confinement 4 (Zn). Selon l'exemple de réalisation de la figure, le substrat est en GaAs et la couche de confinement 2 en GaInP s'adapte bien en maille sur le substrat 1, de même que les différentes couches les unes par rapport aux autres. A titre -d'exemple, les couches de confinement 2 et 4 ont 1 à 2 micromètres d'épaisseur tandis que la couche de contact à 0,5 micrométrie d'épaisseur. L'intérêt du laser selon l'invention par rapport aux différents lasers existant dans la technique pour pomper les lasers YAG réside en ce que l'utilisation d'une couche active de laser 0,808 pm en GaInAsP rend le composant beaucoup plus performant que les composants équivalents à base de GaAlAs/GaAs gracie à l'absence d'aluminium En effet de l'indium présente l'avantage, en raison de la taille importante des atomes d'indium, d'éviter la propagation des défauts (dislocations) pouvant apparaître. La figure 2 représente une variante de réalisation du laser de la figure 1 selon laquelle une structure laser identique à base de GaInAsP/GaInP/GaAs est réalisée sur un substrat semiconducteur 1 dont le paramètre de maille est désadapté par rapport au paramètre de maille de la couche de confinement 2. On prévoit alors, selon la variante de la figure 2, un réseau d'adaptation 7 entre la couche de confinement 2 et le substrat 1. A titre d'exemple le substrat 1 est un substrat silicium. Le réseau d'adaptation 7 est constitué de couches alternativement de couches différentes de telle façon que le paramètre de maille de la partie du réseau d'adaptation 7 en contact avec le substrat silicium 1 a sensiblement le même paramètre de maille que le silicium tandis que la partie du réseau d'adaptation en contact avec la couche de coe liement 2 en GaInP a sensiblement le même paramètre de maille que le matériau de la couche de confinement 2. Par exemple; dans le cas d'un substrat 1 en silicium, le réseau d'adaptation peut être réalisé avec des couches de GaAs et de GaInP ou de GaAs et de InP. L'utilisation d'un substrat en silicium fournit l'avantage d'obtenir une conductivité thermique quatre fois plus importante que celle du GaAs, on peut fabriquer des barrettes de lasers de lem-atteignent la puissance de pompage de 1000W en impulsions nécessaire pour que le laser YAG délivre une puislance impulsionnelle de 1MW. Il est bien évident que la description qui précède n'a été faite qu'à titre d'exemple. les matériaux utilisés et les valeurs numériques, notamment, n'ont été fournis que pour illus- trer la description. D'autres variantes peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Laser de puissance comprenant superposées sur un substrat (1), une première couche de confinement (2), une couche active (3), une deuxième couche de confinement (4), caracté.- risé en ce que ces différentes couches sont en matériau semiconducteur de type III-V comportant chacune de l'indium. 2. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première et la deuxième couches de confinement (2, 4) ont pour composition GaInP et la couche active (3) a pour composition GaInAsP. 3. Laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que les couches de confinement (2, 4) ont pour composition Ga In P x ( 1- x ) avec x compris entre 0,48 et 0,5. 4. Laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couche active (3) a pour composition Gay In y) As P (1-y) z (1-z) avec y et z compris chacun entre 0,8 et 1. 5. Laser selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte sur la deuxième couche de confinement (4), une couche de contact 5 en GaAs. 6. Laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que le substrat (1) est en GaAs. 7. Laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que le substrat (1) est en silicium et qu'il comporte un réseau d'adaptation en maille (7) situé entre le substrat (1) et la première couche de confinement (2).