Brevet FR2672740A1 — publié le 19920814

Procédé de réalisation d'un laser semiconducteur planaire à ruban enterré La présente invention est relative à un laser semiconducteur du type à ruban enterré La structure semiconductrice d'un tel laser est internationalement désignée par l'appellation "planar buried heterojunction" (PBH). Un procédé connu de fabrication d'un tel laser comporte des étapes dites de croissance de couches au cours desquelles on fait croître l'épaisseur de couches semiconductrices par dépôt épitaxial du matériau de ces couches Il peut 9 tre succinctement décrit de la manière suivante (cf figure 1). Croissance de couches semiconductrices à composition binaire, puis quaternaire, puis binaire sur un substrat On réalise ainsi une double hétérostructure. Définition d'un ruban laser dans la couche à composition quaternaire par gravure chimique à partir de la face supérieure du substrat en utilisant un masque diélectrique. Croissance de deux couches semiconductrices latérales pour entourer et enterrer le ruban laser. Cette étape de croissance de couches latérales fait appel de manière traditionnelle aux méthodes de croissance dites "sélectives". Celles-ci peuvent présenter divers inconvénients tels qu'un rendement limité Mais elles permettent la croissance localisée de couches sur le matériau semiconducteur sans dépôt au-dessus du ruban laser Il faut pour cela que le masque qui a été utilisé pour la définition de ce ruban soit conservé pendant cette étape de croissance Cette dernière est effectuée à des températures supérieures à 5000 C C'est pourquoi on utilise un masque diélectrique formé par dépôt et gravure d'une couche diélectrique Après retrait du masque diélectrique, une troisième étape de croissance épitaxiale permet d'enterrer la structure et de déposer une couche de contact ayant une énergie de bande interdite plus faible que la précédente. Ce procédé connu est par exemple décrit dans un article de Y. KOTAKI et autres " 1,55 micrometer wavelength tunable FBH-DBR laser" (Electronics Letters, vol 23, n O 7, 1987, p 325). Il est connu par ailleurs que les lasers semiconducteurs présentent 2 parfois une dégradation de leurs propriétés au cours du temps et que cette dégradation peut résulter d'une pollution en cours de fabrication. La présente invention a notamment les buts suivants: simplifier un procédé de réalisation d'un laser semiconducteur du type planaire à ruban enterré, permettre d'utiliser, dans le cadre de ce procédé, des méthodes de croissance à rendement élevé, diminuer les risques de pollution au cours de la formation de la structure semiconductrice, et, de manière générale, permettre d'utiliser, dans le cadre de ce procédé, des méthodes susceptibles de présenter des avantages par rapport aux méthodes précédemment employées. Selon cette invention, on forme les couches semiconductrices latérales par une méthode de croissance non sélective et on retire ensuite la saillie parasite que l'emploi d'une telle méthode crée au-dessus du ruban laser. La suppression des opérations de formation d'un masque diélectrique simplifie la réalisation d'un laser L'absence d'un tel masque évite les perturbations qu'il pourrait apporter au cours de la formation des couches latérales et qui résultent notamment du fait que le matériau diélectrique utilisé peut d'une part se décomposer partiellement, d'autre part laisser échapper des éléments polluants qui sont parfois piégés dans des pores de ce matériau Ceci diminue les risques de dégradation des propriétés du laser Par ailleurs, les méthodes de croissance non sélectives permettent une élévation du rendement du procédé. La présente invention n'est globalement avantageuse que si la méthode de retrait utilisée pour retirer la saillie parasite ne présente pas d'inconvénients excessifs C'est pourquoi elle a notamment pour objet un procédé comportant utilisation d'une méthode de retrait préférée Dans ce procédé, et comme précédemment indiqué, après une gravure qui délimite un ruban laser en relief sur un substrat, des couches latérales qui doivent entourer ce ruban sont formées par une méthode de croissance non sélective qui réalise un dépôt non seulement à côté de ce ruban, mais aussi au-dessus de celui-ci en créant une saillie parasite Conformément à la méthode de retrait préférée cette saillie -3- est retirée après avoir été séparée du substrat par attaque sélective d'une bande d'aide au retrait qui avait été déposée à cet effet au-dessus de ce ruban avant cette gravure. A l'aide des figures schématiques ci-jointes, on va décrire ci-après comment la présente invention peut être mise en oeuvre, étant entendu que les éléments et dispositions mentionnés et représentés ne le sont qu'à titre non limitatif Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même signe de référence. Lorsqu'une couche a été désignée par un numéro de référence, une fraction de cette couche peut être désignée par le même numéro de référence complété par la lettre A. Les figures l A à i D représentent des vues en coupe d'un substrat semiconducteur après des étapes successives de la réalisation d'un laser par un procédé connu. Les figures 2 A à 2 G représentent des vues en coupe d'un substrat semiconducteur après des étapes successives de la réalisation d'un laser selon la présente invention. On va d'abord décrire ledit procédé connu Cette description a pour seul but de permettre d'apercevoir ultérieurement les différences entre ce procédé et la présente invention Elle sera donc sommaire. Selon ce procédé, on réalise, sur un substrat non représenté, une couche de confinement inférieure 101 constituée de phosphure d'indium In P dopé n Sur cette couche, après diverses opérations connues et sans rapport avec la présente invention, on dépose une couche active de composition quaternaire 102 et une première couche de confinement supérieure 103 constituée d'In P dopé p (Fig l A). On forme, par dépôt et gravure d'une couche diélectrique, un masque diélectrique 150 (Fig 1 B). Une gravure chimique permet ensuite de définir un ruban laser 102 A constitué par la fraction subsistante de la couche active 102 (Fig IC). Une méthode de croissance sélective permet ensuite de réaliser la croissance des couches latérales de bloquage 106 et 107, la présence du masque 150 empêchant que le dépôt se fasse aussi au-dessus du ruban 102 A Ce masque est ensuite enlevé, ce qui amène à une situation comparable à celle de la Fig 2 E qui sera décrite plus loin Les étapes suivantes peuvent être identiques à celles qui sont postérieures à cette 4 situation dans le cadre du procédé selon la présente invention qui va être décrit ci-après. Le procédé selon la présente invention comporte diverses étapes qui sont dans une certaine mesure communes à ce procédé et au procédé connu qui vient d'être sommairement décrit On va d'abord décrire ces étapes communes de manière générale en se référant aux figures 2 A à 2 G Des éléments de ces figures sont analogues à des éléments des Fig l A à 1 D. Ils portent alors des numéros de référence qui sont les mêmes sauf qu'ils sont diminués de 100 La description de ces étapes communes permettra de mieux comprendre ce procédé connu. Ce procédé connu et le procédé selon la présente invention comportent chacun d'abord une étape de formation d'une couche de confinement inférieure 1 constituée d'un matériau de base semiconducteur d'un premier type de conductivité Il comporte ensuite les étapes suivantes: Croissance d'une couche active 2 constituée d'un matériau actif. Croissance d'une première couche de confinement supérieure 3 constituée dudit matériau de base présentant le deuxième type de conductivité. Gravure de définition de ruban Cette gravure élimine localement au moins la couche active et la première couche de confinement supérieure en creusant deux vallées telles que 20 de part et d'autre d'un ruban laser 2 A constitué par une portion restante de cette couche active Ce ruban et les couches qui le surmontent forment un plateau 22 qui subsiste en relief et qui se raccorde par deux flancs tels que 24 à ces deux vallées. Croissance de couches latérales 6, 7 constituées d'un matériau latéral pour entourer ce ruban laser. Les indices de réfraction, types de conductivité et résistivité électrique de ces couches de confinement, active et latérales sont choisis, dans au moins des parties de ces couches, pour réaliser un confinement optique dans ce ruban laser et pour que le passage d'un courant électrique d'alimentation entre ces couches de confinement soit localisé à travers ce ruban laser et y injecte des porteurs de charges permettant l'amplification d'une lumière que le laser devra émettre. Une étape ultérieure est la formation de moyens de connexion électrique 30, 32, 34 pour permettre de faire passer ledit courant d'alimentation. On va maintenant décrire de manière générale des dispositions propres au procédé selon la présente invention: Outre les étapes communes précédemment décrites, ce procédé comporte deux étapes de croissance qui sont réalisées après ladite étape de croissance d'une première couche de confinement supérieure et avant ladite étape de gravure de définition de ruban et qui sont les suivantes: croissance d'une couche d'aide au retrait 4 constituée d'un matériau d'aide au retrait sélectivement attaquable par voie chimique, et croissance d'une couche de protection 5 sur cette couche d'aide au retrait (Fig 2 A). L'étape de gravure de définition de ruban élimine ensuite ces couches d'aide au retrait et de protection de part et d'autre du ruban laser 2 A en les laissant subsister au-dessus de ce ruban sous forme de bandes d'aide au retrait 4 A et de protection 5 A qui forment la partie haute du plateau 22 au-dessus de ce ruban Ce plateau comporte aussi une bande de confinement supérieure 3 A constituée par la fraction restante de la première couche de confinement supérieure 3 (Fig 2 B). L'étape de croissance de couches latérales est ensuite réalisée par une méthode de croissance non sélective qui fait croître ledit matériau latéral non seulement dans les vallées telles que 20 pour former les couches latérales 6 et 7 mais aussi sur la bande de protection 5 A en formant une saillie parasite 6 A, 7 A au-dessus du plateau 22 (Fig 2 D). Ce procédé comporte encore une étape de sous-gravure effectuée après l'étape de gravure de définition de ruban et avant l'étape de croissance de couches latérales Cette étape de sous-gravure est effectuée à l'aide d'un milieu d'attaque de retrait qui attaque sélectivement ledit matériau d'aide au retrait pour éliminer deux zones latérales de la bande d'aide au retrait 4 A Elle forme ainsi un creux tel que 26 (fig 2 C) sous chacun des bords de la saillie parasite 6 A, 7 A, de sorte que l'étape de croissance de couches latérales fait ensuite apparaître deux intervalles tels que 28 entre d'une part la fraction du matériau latéral qui constitue cette saillie 6 A, 7 A, d'autre part les deux dites couches latérales 6 et 7 Ces intervalles constituent des -6- passages qui sont ouverts à partir de l'extérieur vers les bords de la bande d'aide au retrait 4 A (Fig 2 D), et qui seront utilisés par la suite. En effet ce procédé comporte encore, après l'étape de croissance de couches latérales et avant ladite étape de formation de moyens de connexion électrique, une étape de retrait de saillie qui est effectuée à l'aide d'un dit milieu d'attaque de retrait Au cours de cette étape, ce milieu passe à travers ces passages 28, atteint les bords de la bande d'aide au retrait 4 A et poursuit l'élimination de cette bande pour10 séparer la saillie parasite 6 A, 7 A de la première bande de confinement supérieure 3 A Cette séparation provoque un retrait ultérieur de cette saillie. La présente invention s'applique notamment au cas o le matériau actif 2 est sensible audit milieu d'attaque de retrait Dans ce cas, le procédé comporte, après l'étape de gravure de définition de ruban et avant l'étape de sous- gravure, une étape de protection de ruban pour protéger les bords du ruban laser 2 A De préférence cette étape de protection de ruban comporte elle-même les étapes suivantes: dép 8 t d'une couche de résine protectrice 30 sur les vallées telles que 20, le plateau 22 et ses flancs 24, cette résine constituant une protection contre ce milieu d'attaque de retrait, et ablation ménagée de cette résine pour la laisser subsister seulement dans ces vallées et sur une partie inférieure de ces flancs, cette partie comportant les bords du ruban laser.25 De préférence encore, cette étape d'ablation ménagée de résine est localisée sur le plateau 22 et au voisinage de celui-ci Elle est alors suivie d'une étape de fluage de résine au cours de laquelle la résine protectrice 30 est placée dans des conditions de fluage qui lui donnent temporairement une fluidité suffisante pour que ses forces de tension30 superficielle la fasse migrer vers ce plateau et accroissent et régularisent sa hauteur le long des flancs 24 de ce plateau Cette étape de fluage est par exemple réalisée par chauffage. Ces diverses dispositions s'appliquent avec avantage dans le cas suivant: lesdits matériaux de base et latéral ont une composition intrinsèque binaire, et sont plus particulièrement constitués de phosphure d'indium ou d'arseniure de gallium avec des dopages appropriés -7- divers pour constituer les couches précédemment indiquées Quant auxdits matériaux actifs et d'aide au retrait, ils ont une composition intrinsèque ternaire et/ou quaternaire qui inclue en outre du gallium, de l'aluminium et/ou de l'arsenic. On va maintenant décrire la succession chronologique des étapes précédemment mentionnées, ceci dans le cadre plus particulier d'un exemple de mise en oeuvre de la présente invention. La figure 2 représente le résultat d'une première étape de croissance Sur un substrat semiconducteur d'In P dopé N constituant la couche de confinement inférieure 1, on effectue diverses opérations au cours desquelles, notamment, on dépose successivement les couches suivantes: La couche active 2 (épaisseur 100 à 300 nm) de matériau Ga In As P par exemple Cette couche formera la double hétérostructure du laser, La première couche de confinement supérieure 3 (matériau In P dopé p par exemple) ( 800 nm), La couche d'aide au retrait 4 Elle est destinée à permettre un retrait par une méthode de retrait connue internationalement sous l'appellation "lift-off" Le matériau d'aide au retrait qui la constitue est un arseniure d'indium et de gallium In Ga As par exemple (environ 300 nm), La couche de protection 5 (matériau In P) ( 300 nm) Elle protégera la couche 4. L'étape de gravure permet ensuite de délimiter le ruban laser 2 A. Elle forme en même temps le plateau 22, couramment appelé mésa, de largeur 100 à 300 nm par exemple (Fig 2 B) On utilise les techniques de gravure classiques. On réalise ensuite l'étape de protection du ruban laser On dépose pour cela une résine protectrice dont on effectue une ablation ménagée dans une zone incluant ce plateau Après une étape de fluage de cette résine, celle-ci prend la forme représentée sur la Fig 2 C et constitue une protection pour les bords du ruban laser 2 A tout en laissant exposés ceux de la bande d'aide au retrait 4 A. On effectue alors, à l'aide d'un milieu d'attaque de retrait de composition connue (par exemple H 2504, H 202, H 20 en proportion volumique 1-1 et 20, respectivement, à température ambiante, pendant 20 s) une O-8 attaque chimique sélective qui constitue l'étape de sous-gravure de la bande 4 A; Le résultat obtenu est représenté Fig 2 C. La croissance des couches latérales 6 et 7, respectivement dopées p et n, permet d'enterrer le ruban laser 2 A Le matériau latéral qui les constitue est le phosphure d'indium In P La méthode de croissance utilisée ne présente pas de caractère sélectif Elle peut être en particulier 1 'EJM (épitaxie par jets moléculaires) ainsi que l'EPVOM (épitaxie en phase vapeur des composés organo- métalliques) utilisée à pression atmosphérique notamment Cette méthode non sélective donne lieu à la croissance d'une saillie constituée par des bandes 6 A et 7 A sur le plateau 22, c'est-à-dire sur la bande 5 A L'étape de sous-gravure permet d'introduire une discontinuité du matériau latéral entre cette saillie et ces couches latérales Cette discontinuité constitue les intervalles tels que 28 précédemment mentionnés Il faut noter que l'on peut15 substituer aux couches 6 et 7 une succession de couches comportant une couche d'In P semi-isolante dopée au fer. Au cours de l'étape de retrait, une attaque sélective de la bande 4 A permet, à l'aide par exemple du même milieu d'attaque utilisé pendant une durée plus grande que précédemment, d'éliminer cette bande, ce qui permet le retrait de la saillie 6 A, 7 A (Fig 2 E). Une étape de croissance consiste alors à déposer une deuxième couche de confinement supérieure 8 et une couche de contact 9 On obtient ainsi la structure semiconductrice complète d'un laser à ruban enterré (Fig 2 F). La réalisation du composant laser final est obtenue par les procédés technologiques classiques qui comportent le dépôt et la gravure d'une couche diélectrique 32 et le dépôt d'électrodes 30 et 34 pour constituer des moyens de connexion électrique. L'invention n'est pas limitée au laser décrit ci-dessus, qui émet à une longueur d'onde de 1,5 micron et qui n'a été décrit qu'à titre d'exemple. REVENDICATIONS 1/ Procédé de réalisation d'un laser semiconducteur planaire à ruban enterré, caractérisé par le fait qu'on forme des couches semiconductrices latérales ( 6, 7) par une méthode de croissance non sélective et qu'on retire ensuite une saillie parasite ( 6 A, 7 A) que l'emploi de cette méthode a créée au-dessus du ruban laser ( 2 A). 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'après une gravure qui délimite un ruban laser ( 2 A) en relief sur un substrat ( 1), des couches latérales ( 6, 7) qui doivent entourer ce ruban sont formées par une méthode de croissance non sélective qui réalise un dépôt non seulement à côté de ce ruban, mais aussi au-dessus de celui-ci en créant une saillie parasite ( 6 A, 7 A), cette saillie étant ensuite retirée après avoir été séparée de ce substrat par une attaque sélective d'une bande d'aide au retrait ( 4 A) qui avait été déposée à cet effet15 au-dessus de ce ruban avant cette gravure. 3/ Procédé selon la revendication 2, ce procédé comportant une étape de formation d'une couche de confinement inférieure ( 1) constituée d'un matériau de base semiconducteur d'un premier type de conductivité, ce procédé comportant ensuite d'autre étapes dont certaines sont des étapes de croissance de couches pour effectuer des dépôts épitaxiaux de couches semiconductrices, ces autres étapes étant notamment les suivantes: croissance d'une couche active ( 2) constituée d'un matériau actif, croissance d'une première couche de confinement supérieure ( 3) constituée dudit matériau de base présentant le deuxième type de conductivité, gravure de définition de ruban, cette gravure éliminant localement au moins lesdites couche active et première couche de confinement supérieure en creusant deux vallées (telles que 20) de part et d'autre30 d'un ruban laser ( 2 A) constitué par une portion restante de cette couche active, ce ruban et les couches qui le surmontent formant un plateau ( 22) qui subsiste en relief et qui se raccorde par deux flancs (tels que 24) à ces deux vallées, croissance de couches latérales ( 6, 7) constituées d'un matériau - latéral pour entourer ce ruban laser, les indices de réfraction, types de conductivité et résistivités électriques de ces couches de confinement, active et latérales, étant choisis, dans au moins des parties de ces couches, pour réaliser un confinement optique dans ce ruban laser et pour que le passage d'un courant électrique d'alimentation entre ces couches de confinement soit localisé à travers ce ruban laser et y permettent l'amplification d'une lumière, et formation de moyens de connexion électrique ( 30, 32, 34) pour permettre de faire passer ce courant d'alimentation, ce procédé étant caractérisé par le fait qu'il comporte en outre les deux étapes suivantes qui sont réalisées après ladite étape de croissance d'une première couche de confinement supérieure et avant ladite étape de gravure de définition de ruban: croissance d'une couche d'aide au retrait ( 4) constituée d'un matériau d'aide au retrait sélectivement attaquable par voie chimique, et croissance d'une couche de protection ( 5) sur cette couche d'aide au retrait, de sorte que ladite étape de gravure de définition de ruban élimine ensuite ces couches d'aide au retrait et de protection de part et d'autre dudit ruban laser ( 2 A) en les laissant subsister au-dessus de ce ruban sous forme de bandes d'aide au retrait ( 4 A) et de protection ( 5 A) pour former ledit plateau ( 22) au-dessus de ce ruban, ce plateau comportant aussi une bande de confinement supérieure ( 3 A) constituée par la fraction restante de ladite première couche de confinement supérieure ( 3), ladite étape de croissance de couches latérales étant réalisée par une méthode de croissance non sélective qui fait croître ledit matériau latéral non seulement dans lesdites vallées pour former lesdites couches latérales ( 6, 7), mais aussi sur cette bande de protection ( 5 A) en formant une saillie parasite ( 6 A, 7 A) au-dessus de ce plateau, ce procédé comportant encore, après cette étape de gravure de définition de ruban et avant cette étape de croissance de couches latérales, une étape de sous-gravure effectuée à l'aide d'un milieu d'attaque de retrait qui attaque sélectivement ledit matériau d'aide au retrait pour éliminer deux zones latérales de ladite bande d'aide au retrait ( 4 A) en formant un creux (tel que 26) sous chacun des bords de ladite saillie parasite ( 6 A, 7 A) de sorte que cette étape de croissance il - de couches latérales fait ensuite apparaître deux intervalles (tels que 28) entre les fractions dudit matériau latéral qui constituent d'une part cette saillie ( 6 A, 7 A), d'autre part les deux dites couches latérales ( 6, 7), ce procédé comportant encore, après cette étape de croissance de couches latérales et avant ladite étape de formation de moyens de connexion électrique, une étape de retrait de saillie effectuée à l'aide d'un dit milieu d'attaque de retrait pour que ce milieu passe à travers ces intervalles ( 28) et poursuive l'élimination de cette bande d'aide au retrait ( 4 A) pour séparer ladite saillie parasite ( 6 A, 7 A) de ladite première bande de confinement supérieure ( 3 A). 4/ Procédé selon la revendication 3, dans lequel ledit matériau actif ( 2) est sensible audit milieu d'attaque de retrait, ce procédé étant caractérisé par le fait qu'il comporte, après ladite étape de gravure de définition de ruban et avant ladite étape de sous-gravure, une étape de protection de ruban pour protéger les bords dudit ruban laser ( 2 A). / Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que ladite étape de protection de ruban comporte elle-même les étapes suivantes dépôt d'une couche de résine protectrice ( 30) sur lesdites vallées ( 20), ledit plateau ( 22) et ses dits flancs ( 24), cette résine constituant une protection contre ledit milieu d'attaque de retrait, et ablation ménagée de cette résine pour la laisser subsister seulement dans lesdites vallées et sur une partie inférieure de ces flancs, cette partie comportant les bords dudit ruban laser ( 2 A). 6/ Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que ladite étape d'ablation ménagée de résine est localisée sur ledit plateau ( 22) et au voisinage de celui-ci, cette étape étant suivie d'une étape de fluage de résine au cours de laquelle ladite résine protectrice ( 30) est placée dans des conditions de fluage qui lui donnent temporairement une fluidité suffisante pour que ses forces de tension superficielle la fasse migrer vers ce plateau et accroissent et régularisent sa hauteur le long des flancs ( 24) de ce plateau. 7/ Procédé selon la revendication 3, lesdits matériaux de base et latéral étant un même matériau de composition intrinsèque binaire, 12 - lesdits matériaux actif et d'aide au retrait étant des matériaux de compositions intrinsèques ternaire et/ou quaternaire. 8/ Procédé selon la revendication 7, lesdits matériaux de base et latéral étant du phosphure d'indium ou de 1 'arseniure de gallium, lesdits matériaux actif et d'aide au retrait comportant en outre du gallium, de l'aluminium et/ou de l'arsenic.