Brevet FR2640438A1 — publié le 19900615

Procédé de réalisation de lasers semi-conducteurs et Lasers obtenus par le procédé La présente invention concerne Ies procédés de réalisation des lasers semi-conducteurs et les lasers ainsi réalisés. Un laser semi-conducteur est essentiellement constitué par un milieu actif de type cristallin i base, par exemple, d'Arséniure de Gallium, sur lequel est appliquée une énergie électrique dite 'de pompage-, au moyen de deux électrodes respectivement situées de part et d'autre du matériau cristallin. Par ailleurs, pour obtenir la stimulation de l'énergie de rayonnement optique, le milieu actif est placé, comme pour tous les lasers, dans une cavité optique résonnante formée de deux miroirs réfléchissants, dont l'un au moins est partiellement transparent pour permettre i l'énergie lumineuse stimulée à l'intérieur de la cavité optique d'émerger de cette cavité. Dans le domaine des lasers semi-conducteurs, les miroirs de la cavité optique sont formés, par exemple, de couches multi- diélectriques placées directement sur le matériau actif cristallin. Ce procédé de réalisation des éléments d'une cavité optique résonnante est d'ailleurs classique et bien connu. Il en existe cependant d'autres, par exemple l'empilement de couches semi-conductrices intégrées dans la structure même du cristal ou du substrat qui supporte le cristal. Les techniques actuelles permettent assez bien de respecter toutes ces caractéristiques, mais il existe encore un certain nombre de problèmes, notamment pour disposer sur le milieu actif les électrodes d'amenée de l'énergie électrique de pompage. Ce problème se pose plus particulièrement dans le cas o une pluralité de milieux actifs sont implantés sur un seul substrat de base, les uns à c6té des autres essentiellement dans le but d'obtenir une pluralité de faisceaux lumineux ayant des directions d'émission sensiblement parallèles, d'autant plus que, pour obtenir un faisceau composite équivalent i un faisceau unique relativement dense et homogène, il est impératif que les milieux actifs soient disposés les uns i c6té des autres, le plus serré possible et de façon que les axes des cavités résonnantes soient tous orientés sensiblement perpendiculairement à la surface par laquelle doit être émis le faisceau. Le problème posé est alors la réalisation des électrodes d'amenée de l'énergie électrique, sachant que ces électrodes ne peuvent 4tre disposées que sur la face sur laquelle affleure au moins l'un des deux miroirs de la cavité optique. On connaft déjà une réalisation de lasers semi-conducteurs dans laquelle l'amenée de l'énergie électrique se fait sensiblement dans le plan de l'un des miroirs de la cavité optique du laser. Cette réalisation est obtenue de la façon suivante. On commence par déposer, sur un substrat support, un premier ensemble de couches constituant un premier miroir de la cavité optique. Sur ce premier ensemble de couches, on dépose par épitaxie un deuxième ensemble de couches cristallines, par exemple de l'Arsénture de Gallium, sur une épaisseur égale à celle qui est nécessaire pour obtenir le milieu actif laser voulu, puis un troisième ensemble de couches, par exemple multi- diélectrique, constituant le deuxième miroir de la cavité optique, les dimensions latérales, longueur et largeur, de ces trois ensembles de couches étant supérieures à celles du laser semi-conducteur tel que devant être obtenu en final. Cet empilement multi-couche étant terminé, on creuse une gorge circulaire connue par les hommes de l'art sous le terme de 'mesa', en enlevant une partie des deux ou trois ensembles de couches pour réaliser en quelque sorte une colonne. Dans la gorge, on dispose ensuite, par tous moyens, deux sortes de matériaux différents, en entourant latéralement la colonne et au contact au moins du deuxième ensemble de couches, ce qui réalise les deux électrodes. Ces deux matériaux sont, par exemple, des matériaux semiconducteurs respectivement de type P et de type N, comme de l'Arséniure de Gallium et d'Aluminium dopé respectivement avec du Zinc et du Silicium. Les deux matériaux emplissent la gorge en affleurant au niveau supérieur du troisième ensemble de couches et, sur leur face affleurant à ce niveau, sont respectivement solidarisés deux conducteurs de l'énergie électrique réalisant un contact ohmique, par exemple i base d'Or, de Zinc, de Nickel ou de Germanium. Cette technique donne de bons résultats quant à la réalisation d'un élément laser sur substrat. Elle présente malgré tout certains inconvénients, essentiellement d'ordre pécuniaire, du fait du nombre important d'opérations qu'elle nécessite, et sur le plan de l'encombrement, car il est difficile de réaliser des gorges de très petites dimensions qui soient aptes à recevoir les matériaux devant constituer les électrodes d'amenée de l'énergie électrique. On se trouve donc limité à ne pouvoir implanter sur un substrat de dimensions données qu'un nombre d'éléments lasers relativement petit, ce qui est gênant pour obtenir un faisceau laser large, à la fois dense et homogène. La présente invention a pour but de pallier les inconvénients mentionnés ci-dessus et de mettre en oeuvre un procédé de réalisation de lasers semiconducteurs qui permette d'abaisser leur coût de revient, et qui permette l'intégration, sur un substrat de dimensions données, d'un nombre de cavités optiques lasers en densité plus élevée que celle permise par les techniques connues jusqu'à ce jour. Plus précisément, la présente invention a pour objet un procédé de réalisation de lasers semi-conducteurs, caractérisé par le fait qu'il consiste: à réaliser une couche d'un milieu actif laser semi-conducteur ayant des dimensions transversales supérieures à celles du milieu actif du laser i obtenir, à réaliser une cavité optique résonnante associée à ladite couche, ladite cavité étant réalisée de façon que son axe optique soit sensiblement perpendiculaire au plan dans lequel sont définies lesdites dimensions transversales, i disposer, sur au moins une partie de la surface de ladite couche, des première et deuxième zones de matériaux d'impuretés de polarités opposées, i faire diffuser dans une partie dudit milieu actif au moins une partie des deux dits matériaux d'impuretés, pour réaliser dans ladite couche sensiblement un cylindre d'axe sensiblement parallèle audit axe de ladite cavité optique et formé de deux demi-coquilles sensiblement semi-cylindriques respectivement d'impuretés diffusées de polarités opposées, et à relier deux conducteurs de l'énergie électrique, respectivement aux deux demi-coquilles. La présente invention a aussi pour objet un laser semi- conducteur obtenu par le procédé selon l'invention, caractérisé par le fait qu'il comporte une cavité optique résonnante, un milieu actif laser associé i ladite cavité optique, ledit milieu actif comportant deux demicoquilles d'impuretés diffusées de polarités opposées sur, respectivement, au moins deux portions de sa surface latérale, et deux conducteurs d'amenée de l'énergie électrique respectivement reliés aux deux dites demi-coquilles. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description suivante donnée en regard des dessins annexés i titre illustratif, mais nullement limitatif, dans lesquels: Les figures lA et 1B représentent, respectivement vu en coupe et en perspective, un schéma de réalisation d'un laser semiconducteur selon l'invention, permettant d'expliciter un premier mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, La figure 2 représente, vu en coupe et en perspective, un schéma de réalisation d'un laser semiconducteur permettant d'expliciter un deuxième mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, et La figure 3 représente, i titre d'application, un ensemble de lasers semi-conducteurs intégrés sur un même substrat support permettant d'obtenir un faisceau lumineux d'un diamètre important et relativement dense et homogène. Le procédé de réalisation de lasers semi-conducteurs selon l'invention consiste, dans une première étape illustrée sur la figure 1A, à réaliser une couche 1 d'un milieu actif laser semi-conducteur, avantageusement sur un substrat support 13, de dimensions transversales supérieures i celles du milieu actif laser lorsque le laser sera achevé. A titre d'exemple, ce milieu actif est constitué d'unlm empilement de couches 4itncei d'Arséniure dp Gallium et d'Arséniure de Gallium et d'Aluminium. A ce milieu actif est associée une cavité optique résonnante 2 ayant une direction d'axe optique 3 sensiblement perpendiculaire au plan dans lequel sont définies les dimensions transversales de la couche 1. Cette cavité est formée de deux miroirs obtenus, par exemple, par le dép8t d'une couche d'un matériau diélectrique sur chacune des deux faces opposées 4, 5 de la couche de milieu actif respectivement contenues dans deux plans parallèles i celui dans lequel sont définies les dimensions transversales. Dans une mise en oeuvre possible de l'invention, la première étape définie ci-dessus peut être effectuée de la façon suivante: Dans un réacteur adéquat, on effectue des dép8ts séquentiels de couches épitaxiales, dans l'ordre suivant en prenant comme référence la face supérieure du substrat de base 13 qui sert de support: réalisation d'un premier miroir dit 'inférieur", dépôt du milieu actif sur ce premier miroir, et dépôt du deuxième miroir dit 'supérieur" qui, associé au premier, forme la cavité optique résonnante. Le milieu actif, comme les miroirs, peuvent être constitués d'un ensemble de couches minces de semi- conducteurs. Les matériaux préférés sont de la famille de GaA1As/GaAs ou de la famille de GaInAsP/InP. Les miroirs sont obtenus, par exemple, par empilement de couches semi-conductrices d'indices alternés ou d'indices différents. Dans une deuxième étape du procédé, par exemple par implantation ou dépôt, on dispose directement sur au moins une partie de la surface de la couche 1 de milieu actif, ou indirectement sur le miroir supérieur de la cavité optique 2, des première 6 et deuxtième 7 zones de matériaux comportant des impuretés de polarités opposées, par exemple les impuretés de types P et N constituées par du Zinc et du Silicium. Dans l'exemple illustré, ces deux zones d'impuretés 6, 7 sont implantées indirectement sur la face 5 perpendiculaire i l'axe optique 3 opposée i la face 4 au contact du substrat support 13, à travers le miroir supérieur de la cavité optique. L'étape suivante du procédé, en l'occurrence la troisième, consiste i faire diffuser dans le milieu actif laser les matériaux des deux zones d'impuretés 6, 7, pour réaliser dans la première couche 1. coroe illustré sur la figure lB, sensiblement un cylindre 8 d'axe parallèle i l'axe optique 3 de la cavité optique résonnante 2. Ce cylindre 8 est constitué de deux demi-coquilles 9, 10 d'impuretés diffusées de polarités opposées et délimitant une colonne 11 du milieu actif laser semi-conducteur. La diffusion des matériaux d'impuretés dans la couche 1 est réalisée de façon que la hauteur du cylindre 8 soit sensiblement égale i l'épaisseur de la couche de milieu actif prise entre ses deux faces externes 4, 5 perpendiculaires i l'axe optique 3. A titre d'exemple, la diffusion est obtenue par traitement thermique, par exemple en soumettant l'ensemble i une température de l'ordre de 450 degrés C. pendant environ 30 minutes. iC En reprenant l'exemple de mise en oeuvre avantageux domnné ci-avant, la profondeur de la diffusion des atomes d'impuretés dans la structure épitaxiale est comprise entre un et dix microns. Quand la diffusion dans la couche 1 est terminée, dans une dernière étape, deux conducteurs d'amenée de l'énergie électrique sont respectivement reliés aux deux demi-coquilles 9, 10, un seul, 12, ayant été représenté sur la figure lB. Dans l'exemple donné ci-avant en regard des figures 1A et IB, les deux zones de matériaux d'impuretés de polarités opposées sont disposées sur une face de la couche de milieu actif perpendiculaire i l'axe optique de la cavité résonnante. Cependant, pour certaines applications, notamment quand les dimensions transversales de cette couche sont relativement importantes, il est possible, comme représenté sur la figure 2, de délimiter, dans la couche de milieu actif 20, une colonne 21 en y creusant une gorge circulaire 22. L'étape suivante du procédé consiste alors i disposer sur deux portions de la surface périphérique cylindrique 23 de la colonne 21, respectivement deux zones d'impuretés de polarités opposées 24, 25. Ce deuxième mode de mise en oeuvre du procédé permet d'obtenir des hauteurs de cavités résonnantes plus importantes que celles obtenues avec le premier mode décrit ci-avant. Il est de plus avantageux pour obtenir des lasers semi-conducteurs ayant des dimensions transversales importantes. En effet, lors du premier mode de mise en oeuvre du procédé, l'4p.aisseur des demi-coquilles s'élargit en s'éloignant du niveau dei première et deuxième zones d'impuretés, ce qui peut entraîner un encombrement latéral grandissant nuisant. Par contre, dans le cas de la réalisation de lasers semi- conducteurs ayant une cavité optique de grandes dimensions, avec le deuxième mode de mise en oeuvre du procédé, on évite l'élargissement latéral des demi-coquilles décrit ci-dessus, car il est alors possible d'effectuer une diffusion des impuretés dans le milieu actif. Il est précisé que les impuretés sont des atomes dopants de type 'P' ou "N", par exemple des atomes respectivement de Zinc ou de -3 Silicium, et ont des concentrations toujours inférieures à 10, tandis que les éléments constituants des semi-conducteurs sont le Gallium (Ga), l'Aluminium (Al) et l'Arsenic (As! pour les matériaux de la famille GaAlAs/GaAs, et le Gallium, l'Indius (In), l'Arsenic et le Phosphore (P) pour ceux de la famille GaAsInP/InP. La concentration de ces éléments constituants peut prendre toute valeur comprise entre 0 et 0,5, i la condition qu'il y ait autant d'atomes de la colonne III de la classification des éléments (Ga, Al, In) que de la colonne V (As, P). En même temps que la diffusion des impuretés se produit, dans les conditions mentionnées ci-après, l'interdiffusion des éléments constituants principaux des couches épitaxiales. Il s'agit plus précisément, dans ce cas, du processus d'interdiffusion assistée par la diffusion des impuretés, au cours duquel les éléments constituants des couches sont mélangés lorsque les impuretés y sont diffusées. Si l'on part d'un empilement régulier de couches fines ( 4100 A) de compositions différentes (par exemple: GaAs/AlAs/GaAs/AlAs/...), on peut obtenir, après diffusion, un mélange de formule moyenne Gaor, Alos As. Partant d'un matériau ordonné ou super-alliage, on obtient une solution solide ou alliage désordonné. L'intérêt de ce processus mis en oeuvre pour la réalisation des demicoquilles telles que représentées sur les figures lB et 2 est que, pour ce qui concerne les lasers selon l'invention, l'alliage désordonné a des propriétés avantageuses par rapport à celles du super-alliage. A noter cependant que, pour obtenir l'effet d'interdiffusion dont la portée est limitée, il est nécessaire que l'iépaisseur de chacune des couches minces qui constituent la région D active soit faible, typiquement inférieure i 100 A, alors qu'il n'en est rien pour les miroirs de la cavité optique. Ces diffusion et inter-diffusion sont par exemple obtenues par chauffage au moyen d'un rayonnement électromagnétique 26 comme celui donné par un laser ou analogue, un rayonnement de ce type pouvant facilement plonger dans la gorge 22 suivant une direction oblique par rapport à la surface latérale cylindrique 23. Malgré tout, l'élargissement de l'épaisseur des demi-coquilles lors de la diffusion selon le premier mode de mise en oeuvre du procédé peut être limité en soumettant la couche de milieu actif laser à des contraintes latérales orientées vers le centre du milieu actif, c'est-à-dire sensiblement vers l'axe optique de la cavité résonnante et de telle façon que la résultante des forces de pression soit sensiblement nulle ou parallèle à cet axe optique. Pour éviter un élargissement important de l'épaisseur des deux demicoquilles, il peut aussi être avantageux de réaliser le milieu actif laser en couches partielles successives superposées. Dans ce cas, l'implantation des première et deuxième zones d'impuretés est avantageusement obtenue par l'implantation successive localisée d'impuretés apportées par des faisceaux d'ions focalisés sur chaque couche partielle après qu'elle ait été réalisée. La figure 3 représente, à titre d'application avantageuse de la mise en oeuvre du procédé, une pluralité de lasers semi-conducteurs du type 'diodes laser" 31, 32, 33... juxtaposés les uns à côté des autres de telle façon que les miroirs de leurs cavités résonnantes soient tous sensiblement situés dans deux ammes plans 34, 35 et que leurs axes optiques 36, 37, 38,... soient parallèles. Dans ce cas, le milieu actif 40 est réalisé sur un substrat 41 qui sert de support à l'ensemble des diodes. Les diodes laser illustrées sur la figure 3 ont été réalisées selon le premier mode de mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus, c'est-à-dire à partir de l'implantation de deux zones 41, 42 d'impuretés de polarités opposées sur l'une des deux faces du milieu actif perpendiculaires i l'ensemble des axes optiques des différentes cavités des diodes laser, plus particulièrement sur la face opposée à celle qui est i proximité ou au contact du substrat support. Bien entendu, un tel ensemble de diodes laser juxtaposées les unes i c8té des autres pourrait aussi être obtenu par le deuxième mode de aise en oeuvre du procédé décrit en regard de la figure 2. Il est apparent que la structure d'un laser semi-conducteur obtenu par le procédé selon l'invention, dont deux exemples de aise en oeuvre avantageux ont été décrits ci-avant, comporte un milieu actif parfaitement délimité latéralement, ce qui permet d'obtenir un courant ayant un seuil de déclenchement de l'effet laser relativement bas, cette délimitation étant parfaitement obtenue par le contrôle spatial de la diffusion et de l'inter-diffusion, aussi bien dans une direction verticale que transversale, c'est-à-dire parallèle ou perpendiculaire à l'axe optique de la cavité. Cette configuration permet en outre de limiter l'encombrement transversal de chaque laser semi-conducteur, comme développé ci-avant, et donc d'obtenir sur un même substrat une densité de lasers, par exemple du type "diodes', plus importante que celle pouvant être obtenue avec les procédés selon l'art antérieur. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Procédé de réalisation de lasers semi-conducteurs, caractérisé par le fait qu'il consiste: i réaliser une couche d'un milieu actif laser semiconducteur (1,20,40) ayant des dimensions transversales supérieures i celles du milieu actif du laser i obtenir, à réaliser une cavité optique résonnante (2) associée i ladite couche, ladite cavité étant réalisée de façon que son axe optique (3) soit sensiblement perpendiculaire au plan dans lequel sont définies lesdites dimensions transversales, à disposer, sur au moins une partie (5,23) de la surface de ladite couche, des première (6,24,41) et deuxième (7,25,42) zones de matériaux d'impuretés de polarités opposées, i faire diffuser dans une partie dudit milieu actif au moins une partie des deux dits matériaux d'impuretés, pour réaliser dans ladite couche sensiblement un cylindre (8) d'axe sensiblement parallèle audit axe de ladite cavité optique et formé de deux demi- coquilles (9,10-24,25) sensiblement semi-cylindriques respectivement d'impuretés diffusées de polarités opposées, et i relier deux conducteurs (12) de l'énergie électrique, respectivement aux deux demi-coquilles. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite couche de milieu actif (1,20,40) est constituée d'un empilement de couches minces choisies parmi les deux familles suivantes: GaAs/GaA1As et GaInAsP/InP. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'épaisseur desdites couches minces est au plus égale i 100 A. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 i 3, caractérisé par le fait que lesdites première (6,24) et deuxième (7,25) zones contiennent respectivement des impuretés de type P et de type N. Il 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que lesdites première et deuxième zones contiennent respectivement du Zinc et du Silicium. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 i 5, caractérisé par le fait que la diffusion des impuretés est obtenue par traitement thermique. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le traitement thermique est obtenu par application d'un faisceau (26) de rayonnement électromagnétique. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que lesdites première et deuxième zones (6,7) sont disposées sur une face (5) de ladite couche de milieu actif (1) perpendiculaire audit axe (3) de la cavité optique résonnante (2). 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que ledit milieu actif est conformé sensiblement en forme de colonne (21) délimitée par une surface latérale cylindrique (23) et dont l'axe est sensiblement parallèle à l'axe de ladite cavité optique résonnante, lesdites première et deuxième zones (24,25) étant disposées sur ladite surface latérale cylindrique (23). 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que, lors de l'opération de diffusion, ledit milieu actif est soumis à des contraintes sensiblement orientées vers l'axe de ladite cavité optique résonnante. 11. Procédé selon la revendication I, caractérisé par le fait que ledit milieu actif est réalisé par un empilement de couches partielles successives, lesdites première et deuxième zones étant disposées au moyen de faisceaux d'ions d'impuretés focalisés sur chaque couche partielle après qu'elle ait été réalisée. 12. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'opération consistant à disposer, sur au moins une partie de la surface de ladite couche, des première et deuxième zones de matériaux d'impuretés de polarités opposées, est choisie parmi les deux opérations suivantes, dépôt et implantation. 13. Laser semi-conducteur obtenu par le procédé selon au moins l'une des revendications 1 à 12, caractérisé par le fait qu'il comporte une cavité optique résonnante (2), un milieu actif laser (1,20, 40) associé à ladite cavité optique, ledit milieu actif comportant deux demi-coquilles (9,10) d'impuretés de polarités opposées diffusées sur, respectivement, au moins deux portions de sa surface latérale (5,23), et deux conducteurs (12) d'amenée de l'énergie électrique respectivement reliés aux deux dites demi-coquilles.