Brevet FR2637743A1 — publié le 19900413

DESCRIPTION LASER A SEMICONDUCTEUR A RUBAN ENTERRE ET A COUCHE BLOQUANTE ET PROCEDE DE FABRICATION DE CE LASER. La présente invention a pour objet un Laser à semi-conducteur du type à ruban enterré et un procédé de fabrication de ce Laser. Le domaine technique de L'invention est celui des sources Laser à semi-conducteur Ga1~x Inx As1-y Py pour transmissions optiques par fibre monomode. L'invention concerne plus particulièrement une structure à géométrie dite à ruban enterré structure à faible courant de seuil) dans laquelle La localisation du courant est obtenue à l'aide de joncticns électriques situées de chaque coté du ruban. Ces jonctions permettent de faire passer un courant important dans la partie active au laser et d'obtenir de fortes puissances optiques (plusieurs dizaines de milliwatts). Ces conditions ae fonrtionnemert sont aujour- d'hui essentiellement recherchées pour Les deux applications 1. en transmission optique cohérente, car te degré de cohérence du Laser (largeur de raie) est inver sement proportionnel à la puissance émise, 2. en transmission à haut débit, car La bande de modulation est proportionnelle à la racine carre de la puissance. Ces conditions sont également recherchées pour tout système de transmission optique nécessitant de grandes puissances d'émission (distribution, communications entre satellites, écriture optique...). On connaît aujourd'hui trois structures permettant de localiser le courant dans La partie active d'un laser à ruban enterré 1. Structures à ionctions bloquantes. L'une de ces structures, dite EMBH (pour "Enbedded Buried Heterostructure" est illustrée sur la figure 1. Sur un substrat 10 en InP de type n, on trouve une première couche 12 en InP dopé n, une couche active 14 en In Ga As P, une couche bloquante 16 en InP dopé p, une couche 18 en InP dopé p, une couche 20 en InP dopé n et une couche de contact en In Ga As P dopé p. Une tel le structure est décrite, par exemple, dans l'article de HIRAO M. et al publié dans J. OPT. COMMUN. 1(10) 1980. L'empilement de telles couches forme une structure transistor n-p-n ce chaque côte du ruban. Sous L'effet de la polarisation de la diode laser, la jonction collecteur-base de ce transistor se polarise en inverse et empêche le courant de passer laté- rarement ce chaque coté du ruan enterre. Une autre structure utilisant enccre des onctions ###c#a#tes, dite FBH ("Flat-surface Buried Heterostructure") est illustrée sur La figure 2. Elle comprend un substrat 30 en InP dopé n, recouvert sur sa face inférieure d'une électrode 32 et sur sa face supérieure d'une couche 34 en InP dopé p, d'une couche bloquante 36 en InP dopé n, d'une couche 38 en InP oopé p, d'une couche de contact en Ga In As P dopé p et enfin d'une couche de protection en Si 02. Le substrat supporte par ailleurs un ruban constitué d'une couche active Q et d'une couche Q' contenant un réseau de diffraction pour un fonctionnement en réaction distribuée dite DFB pour "Distributed Feedback". 2. Stru-tures à couche semi-isolante. Pour obtenir ce type de structure, on fait croître latéralement, par épitaxie MO-CVD (dépôt en phase vapeur aux organo-metalliques) de l'InP dopé au fer quasiment semi-isolant. La structure obtenue Heterostructure") est illustrée sur la figure 3. Un substrat 50 en InP dopé n est recouvert, sur sa face inférieure, d'un contact Au Ge 52 et supporte, sur sa face supérieure, une couche active 34 et une couche 56 en InP semi-isolant. L'ensemble est recouvert d'une couche de confinement 58 en InP dopé p, d'une couche de contact 60 en Ga In As dopé p, elle-même recouverte d'un contact Au Zn/Au 62. Une telle structure est décrite par exemple dans t'article de TANAKA K. et al publié dans APPL. PHYS. LETT. 47, 1127 (1985). 3. Structure à homo et hétérojonctions Une structure de ce type, dite BRS pour "Bu ied Rivage Stripe", est illustrée Sur la figure 4. Elie comDren~, sur un substrat 73 e er InP une première couche 72 en InP dopé n, une couche active non dopée er In Ga As P surmontée d'une couche Q' anti-redéposi- tion dopée au zinc, une première couche oe confinement 74 en Ir.P oopé p, une couche de contact 76 en In Ga As, une couche 78 en titane, une couche 8E en or, ces couches métalliques formant des diodes SCHOTTKY avec La couche 74 en InP et un contact faibiement résistif sur la couche en Ga In As. Le confinement du courant est obtenu grâce à la différence de potentiel de diffusion entre l'homojonction InP-n/InP-p (courant IL) et l'hétérojonction InP-n/Ga In As P-p (courant lo). Cette structure est décrite par exemple dans l'article de BOULEY J.C. et al dans Proceedings of the 9th IEEE International Semiconductor Laser Conference page 54 (1984) et dans l'article de BLONDEAU et al publié dans Electronic Letters, Il Octobre 1984, vol. 20, pages 850-851, et dans la demande de brevet français n 2 587 852. Le tableau ci-apres permet de comparer les puissances maximales obtenues pour ces différentes structures, dans un fonctionnement à 1,5 m. Ces valeurs donnent une indication précise de l'efficacité du confinement de courant dans le ruban enterre. Il apparat que les meilleurs résultats sont obtenus avec les jonctions bloquantes de type p-n-p. La puissance ia plus élevée est obtenue avec La structure FBH ("Flat Buried Heterostructure) (Figure 2) dont la réalisation nécessite trois épitaxies successives du type LPE t"Liquid Phase Epitaxy"). On peut aussi remarquer que La structure EMBH réalisée par OM-CVD (Epitaxie en phase vapeur aux organométalliques) nécessite également trois cycles successifs. TABLEAU Structure Puissance Epitaxie Figure Type de blocage Jonctions EMBw 2 EPL 1 bloquantes EMBH 20 MO-CVD 1 p-n-p FBH 52 EPL 2 Coucfle semi- SI-PBH 26 MO-CVD 3 isolante Homo/ Hétero- eRS 5 EPL/MO-CVD 4 fonction ou MO-CVD La structure BRS figure 4) voit sa puissance se saturer autour de 5 à 8 mW à 1,55 m et à une puissance double à 1,3 m.Cette limite est fixée par la différence de potentiel de diffusion mentionnée ci-dessus, qui assure le confinement du courant jusqu'à une centaine de miLliampères. Au-delà, Le confinement est insuffisant, Le courant traverse la jonction p-n latérale et la puissance optique n'augmente plus. Sa réalisation nécessite deux épitaxies successives. Elle a été réalisée par les présents demandeurs, par LPE et épitaxie mixte LPEP/MO-CVD à 1,5 wm ainsi qu'à 1,3 m complètement par MO-CVD. Dans ce dernier cas, la couche de protection à 1,3 m est remplacée par une couche d'InP de faible épaisseur. La firme THOMSON-CSF développe et produit ces masers a 1,3 et 1,5 n en utisart a MO-CVD pour les dewx épitaxies. Toutes ces structures connues, si elles sont intéressantes à certains égards, présentent anmois aes inconvénients. L'inconvénient majeur des structures à confinement par jonctions bloquantes réside dans le procédé de croissance utilisé pour les fabriquer. Elles ne peuvent en effet être obtenues que par LPE car elles utilisent les propriétés d'anisotropie des vitesses de croissance sur un mésa, propriétés qui conduisent à la croissance de la couche bloquante sur Les côtes du ruban et non au-dessus de celui-ci. A l'opposé, dans le cas de la MO-CVD, voire de la MBE ("Molecular Beam Epitaxy'l), il devient impossible d'éviter de faire croître la couche bloquante sur Le sommet du mésa, à cause des proprietes d'anisotropie de croissance de ces techniques. Ceci constitue un réel handicap car ces nouvelies techniques d'épitaxie sont très séduisants et prennent une place de plus en plus importante dans le développement des lasers semiconducteurs. La technique d'isolement par couche semi-isolante nécessite trois épitaxies successives au lieu de deux pour les structures enterrées classiques. Diverses publications mentionnent aussi des courants de fuite importants à travers la couche semi-isolante aux forts niveaux de puissance. La structure BRS souffre principalement de la faible efficacité du confinement électrique, au fait de la différence modeste de tension entre l'homojonction et l'hétérojonction (# 0,4V). La présente invention a justement pour but de remédier à ces inconvénients. A cette fin, elle vise à obtenir un laser puissant, apte à être fabriqué à l'aide ce r e e tecrr-;cues c ' ecitaxie, tout en minimisant le nombre c'étapes d'épitaxie. L'invention permet d'introduire des jonctions bloquantes dans une structure du tripe BRS telle que cécrite ci-ctessus en Liaison avec la figure 4, sans ajouter d'étape d'épitaxie supplémentaire. L'invention est essentiellement caractérisée par le fait que le laser proposé comprend une mince couche de blocage dopée p recouvrant la couche tampon de type n et le ruban formé par la couche active, et par le fait que la couche de confinement et la couche de contact contiennent une région dopée p qui s'étend jusqu'à la couche de blocage au-dessus du ruban et qui vient établir le contact avec celle-ci. Ainsi, le courant est-il injecté dans le ruban, à travers la région de type p. Latéralement, il apparaît, de chaque côté du ruban, des structures de blocage de type n-p-n et un canal avec une Jonction bloquante p-n, ce canal ayant des dimensions réduites, ce qui a-ccroSt sa résistance. La presente invention- a également pour objet un procédé de fabrication d'un tel laser. Ce procédé est essentiellement caractérisé par le fait que, après un premier cycle d'épitaxie et une gravure permettant d'obtenir le ruban sur la couche tampon, on procède à un deuxième cycle d'épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (MO-CVD) pour faire rostre la couche de blocage de type p, la couche de confinement et la couche de contact ; et on crée une région de type p dans les deux dernières couches pour venir prendre contact avec la couche bloquante au-dessus du mésa. De toute façon, les caractéristiques de l'invention apparaîtrcnt mieux à La lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur des exem-.es de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif et elle se réfère à des dessins annexés sur lesquels - a figure 1, ce;å décrite, illustre un Laser ce l'art antérieur de type EMBH ; - la figure 2, déjà décrite, illustre un laser de l'art antérieur de type FBH ; - la figure 3, déjà décrite, illustre un laser de l'art antérieur à couche semi-isolante, de type SI-PBH, - La figure 4, déjà décrite, illustre- un laser de l'art antérieur de typ-e BRS ; - la figure 5 montre un laser selon l'invention ;; - la figure 6 montre deux reproductions de micrographies du laser selon l'invention dans la zone du ruban enterré ; - la figure 7 montre un schéma électrique équivalent, - la figure 8 montre une coupe longitudinale d'un laser selon l'invention avec deux sections. Dans la description qui suit, les exemples donnés correspondent à une structure utilisant largement te semi-conducteur InP, mais il va de soi que L'invention n'est pas Limitée à ce cas. La figure 5 montre, en coupe transversale, un laser selon L'invention. On y retrouve des couches déjà rencontrées dans la structure BRS illustrée sur La figure 4, à savoir : - un substrat 100 en InP de type n portant, sur sa face inférieure une électrode 102, et sur sa face supérieure une couche tampon 104 en InP dopé n ; - une couche active Q1 en Ga In As P de composition correspondant à une émission lumineuse à 1,5 m et une couche de guidage Q2, elle aussi en Ga In As P mais de composition légèrement différente correspondant à une émission à 1,3 m pour obtenir un changement d'indice approprié au guidage. Les deux couches Q1 et Q2 sont gravées pour fcrmer un ruban 106 ce 2 à 3 m de large, la gravure s'effectuant par exemple selon une direction cristallographique. La structure représentée sur la figure 5 se distingue de L'art antérieur par les couches suivantes obtenues au cours d'un aeuxieme cycle d'épitaxie. Une couche mince de blocage BLK, en InP de type p, d'une épaisseur de 10,3 m est d'abord épi taxiée ; puis, sont déposées une couche de confinement 108 en InP de type n (épaisseur 1 à 2 > Vm) et enfin une couche de contact 110 en Ga In As ou Ga In As P également de type n. Une prise de contact dans la couche de BLK est ensuite effectuée par diffusion Ou implantation d'impuretés dopantes (zinc) pour permettre te passage du courant jusque dans le ruban enterré. La fine couche BLK de type p joue le rôle de couche bloquante, de la même manière que dans les structures des figures 1 et 2 obtenues par EPL. Les courants de fuite possibles, IF1, IF2 et IF3 sont minimisés par le blocage des transistors InP-n, InP-p, InP-n pour IF1, du thyristor InP diffusé p, InP-n, InP-p, InP-n pour IF2 et l'homojonction InP-p, InP-n pour IF3. Le courant IF3 pourrait devenir important aux fortes puissances car, comme dans la structure BRS de -la figure 4, te blocage du courant résulte de la différence de potentiel interne entre l'homojonction et l'hétérojonction. Néanmoins, la situation est beaucoup plus favorable dans L'invention que dans l'art antérieur car le chemin de fuite est beaucoup plus étroit. Pour étudier ce point important, les deman deys ont effectué civers essais ce reprise montrant que la couche déposée épouse exactement la forme du ruban sans variation d'épaisseur. Ainsi, La figure 6a reproduit une micrographie 'une coupe de la structure après le premier cycle d'épitaxie, micrographie obtenue par microscopie électronique à balayage. On y voit clairement le mésa du ruban 106 sur la couche tampon 104. La figure 6b montre ce ruban enterré dans une couche d'InP de 0,3 sm d'épaisseur. On voit que cette couche épouse ta forme du ruban, ce qui laisse un canal de très faibLe dimension pour le courant de fuite IF3. De ce fait, la résistance de fuite Rf en série avec L'homojonction va devenir beaucoup plus importante que celle de L'hétérojonction et le courant de fuite IF3 va considérablement diminuer. Il suffit, pour s'en rendre compte de décrire simplement la structure par un schéma électrique équivalent tel que icelui de ta figure 7. Dans ce schéma, La diode DH designe L'hétéro- jonction formée par le ruban laser et la diode Dh L'homojonction formée à l'interface entre la couche bloquante BLK et la couche de confinement 104 de type n sur le bord du mesa. Les courants de fuite IF1 et IF2 par le transistor et le thyristor sont négligés dans ce schéma. En désignant par Ro La résistance en série avec Lthéterojonction et par R1 la résistance en série avec L'homojonction, on a : Vn + Rf If = (VH + RoIo) soit If =[(VH + RoIo)- Vh7 /Rf Cette relation montre que Le courant de fuite est d'autant plus faible que La résistance Rf est granae. Dans structure BRS e 'art antérieur telie qu'illustrée sur a figure 4, La fuite de courant IL par ###om##onction pouvait s'établir sur toute la largeur de la structure. Aussi, la résistance corres pendante ne dépassait-elle pas quelques Onms. Dans le Laser de L'invention, un calcul approximatif de la résistance R+ donne, pour un Laser ae longueur classique, une valeur de L'ordre de 200 Ohms. Le courant de fuite est donc environ 100 fois pius faible dans l'invention. Une autre caractéristique de l'invention concerne la nature du dopant utilisé pour la couche bloquante de type p. Le zinc, qui peut être utilisé pour aller chercner le contact par diffusion ou implantation dans la couche bloquante type p, peut être utiti- sé également comme départ # de cette couche. Cependant, on peut préférer utiliser un autre dopant pour les raisons suivantes. Le traitement thermique de diffusion ou l'implantation du zinc à la profondeur 1,5 Sm peut conduire à une exodiffusion importante du dopant hors de La couche bloquante qui n a que O,3m d'épaisseur. Ce mécanisme peut diminuer, voire annuler, la propriété bloquante par élargissement de la ione p et diminution ou disparition de la concentration en accepteurs. Pour éviter ce phénomène d'exodiffusion, on peut utiliser, selon l'invention, deux dopants p différents, par exemple le zinc et te cadmium. L'un (Le zinc) possède un coefficient de diffusion plus crand que L'autre (Le cadmium). Le diffusant "lent" (Le cadmium) utilisé comme dopant de la couche bloquante ne subit alors qu'une tres faible exodiffusion lors du traitement thermique impliquant Le dopant "rapide" (le zinc). Outre une augmentation de puissance résultant ou meilleur confinement latéral, la structure de l'in- vention offre aussi les avantages importants pour loca Liser te courant canes L'axe du ruban. La figure 8 montre une application ae la structure de l'invention à La réalisation d'un laser à réaction distribuée (DFB) à deux sections pouvant être commandées séparément > Sur la figure 8, on retrouve un substrat 100, une couche tampon 104, une couche active Q1, une couche de guidage Q2 avec un réseau distribué tout le long de La couche, une couche de confinement 108 dopée n et une couche de contact 110. Deux lasers L1 et L2 sont aussi formés dans cet empilement avec deux régions dopées p 114/1 et 114/2 et deux électrodes 120/1 et 120/2. Les deux régions diffusées 114/1 et 114/2 sont électriquement isolées par le transistor p-n-p formé dans la couche de confinement 108, en parallèle sur la forte résistance constituée par la couche de bLocage BLK. De plus, le couplage optique entre les deux régions L1 et L2 n'est pratiquement pas affecté par les régions diffusées. Ce procédé d'isoLement est nettement supérieur aux procédés utilisant des techniques de gravure entre les électrodes, comme décrit par exemple dans L'article de S. MURATA et al publie dans Electronics Letters, vol. 83, N 8, page 405, 1987. Pour finir, un procéde de réalisation du Laser de l'invention va être décrit, dans un exemple qui n'a évidemment rien de limitatif. Dans un premier cycle d'opérations d'épitaxie, trois couches sont déposées par LPE ou MO-CvD, sur un substrat d'InP de type n+ : - une couche d'InP de type n dopée entre 5.1017 et 3.1018 cm-3, - une couche active Q1 en Ga In As P correspondant à une longueur d'onde de 1,55 m ou une lon geur d'onde de 1,3 m suivant la longueur a r-g uefi r d'onde désirée, - une couche ce guidage Q2 en Ga In As P ae composition correspondant à une Longueur d'onde e 1,3 à 1,2 m pour un Laser à 1,5 m Ou ce 1,15-1,2 m pour un laser à 1,3 m. Un réseau au premier ou deuxième ordre peut être eventuellement gravé dans la couche de guidage Q2 afin d'obtenir un fonctionnement sur un seul mode longitudinal. On effectue ensuite la gravure des couches Q1 ou Q2 pour obtenir un ruban. La gravure s'effectue suivant la direction (pour obtenir un mésa inversé) ou On procède ensuite à un deuxième cycle d'épitaxie du type MO-CVD pour faire croitre : - La couche bLoquante d'InP dopé Cd, - La couche de confinement d'InP non dopée intentionnellement (dopage résiduel n), - la couche de contact en In Ga As également non dopée intentionnellement. Une diffusion de zinc localisée, à travers un masque en Si3N4 ou SiO2 préalablement déposee sur la couche de Ga In As, est ensuite effectuée dans des conditions standards : environ 500 C avec une source de diffusion en Zn As2. La largeur de L'ouverture dans Le masque dielectrique est typiquement de 3 à 6jim. Le temps de diffusion est ajusté de manière à ce que le front de diffusion s'arrête dans la couche bloquante afin d'établir un contact électrique avec Les régions diffusées. REVENDICATIONS 1. Laser à semi-conducteur comprenant : - un substrat (100), - une couche tampon dopée n (104), - une couche active (Q1) ayant une composition correspondant à la Longueur d'onde d'émission du laser, cette couche étant gravée et formant un ruban (106) en forme de mésa sur la couche tampon (104), ce laser étant caractérise par le fait qu'il comprend en outre :: - une mince couche de blocage (BLK) dopée p d'épaisseur de l'ordre d'une fraction de micromètre, cette couche recouvrant La couche tampon - une couche de confinement (1C8) dopée n, - une couche ce cortact (110) noyée n, - une région dopée p (114) dans la couche ae contact (110) et dans a couche de ccefinement (108) depuis la surface de La couche de contact (110) jusqu'à n front (116) atteignant La partie ae ia mince couche de blocage (BLK) située au-dessus du ruban (106). 2. Laser à semi-conducteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la couche active (Q1) est surmontée d'une couche de guidage (Q2). 3. Laser à semi-conducteur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que : - Le substrat (100) est en InP dopé n, - la couche tampon (104) est en InP dopé n, - la couche active (Q1) est en Ga In As P, - La couche de guidage (Qz)- est en Ga In As P, - La mince couche de blocage (BLK) est en InP dopée p, - ta couche de confinement (108) est en InP dopee n, - la couche de contact 1110) 10) est en Ga In As dopée n. 4. Laser à semi-conducteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la mince couche de blocage de type p 5. Laser selon la revendication 4, caractéri- se par le fait que ladite impureté est Le zinc ou le cadmium. 6. Laser à semi-conducteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la mince couche de blocage de type p 7. Laser à semi-conducteur selon la revendication 6, caractérisé par le fait que la première impureté est le cadmium et la seconde le zinc. 8. Procédé de réalisation d'un laser à semiconducteur selon la revendication 1, comprenant les opérations suivantes : a) un premier cycle d'épitaxie par lequel on fait croître, sur un substrat (100) - une couche tampon (104) dopée n, - une couche active (Q1) ayant une composition correspondant à la longueur d'onde désirée pour le laser, b) une gravure de la couche active (Q1) pour obtenir un ruban (106) en forme de mésa sur la première couche (104) ce procédé étant caractérisé par le fait qu'il comprend en outre les opérations suivantes c) un deuxième cycle d'épitaxie, du type dépôt en phase vapeur chimique aux organo-métalliques (MO-CVD), par lequel on fait croître sur la couche tampon - une mince couche bloquante (BLK) dopée d'épaisseur de l'ordre d'une fraction de micromètre, cette couche épousant ta forme du ruban (106), - une couche de confinement intentionnel mais avec un dopage résiduel de type n, - une couche de contact (110) sans dopage intentionnel mais avec un copage résiduel ce type n, c) on introduit une impureté de type p à travers un masque (112) déposé sur la couche de contact (110) dans la couche de confinement (108) jusqu'à atteindre ia mince couche de bloquaae (BLK) au-dessus du rucs (106). 9. Procéoé selon la revendication 8, caractérisé par le fait qu'on dérase sur la couche active (Q1) une couche ae guiaage (Q2) ayant une composition permettant le guidage optique du rayonnement émis par La couche (Q1), les couches (Q1) et (Q2) étant gravées en forme de mésa. 10. Procédé selon la revendication 8, caractérisé par le fait que l'impureté de type p est introduite par diffusion. 11. Procédé selon la revendication 8, caractérisé par le fait que L'impureté de type p est introduite par implantation. 12. Procédé selon la revendication 8, caractérisé par le fait que, pour doper la mince couche bloquante (BLK), on utilise une première impureté de type p, et pour doper ta region (114) des couches de contact (110) et de confinement (108) on utilise une seconde impureté de type p, La première impureté ayant une vitesse de diffusion inférieure à ceLLe de la première. 13. Procédé selon La revendication 12, caractersé par le fait que la premiére impureté est te cadmium et la seconde Le zinc.