Brevet FR2674697A1 — publié le 19921002

LASER A SEMICONDUCTEURS ET PROCEDE DE REALISATION L'invention concerne un laser à semiconducteurs et plus particulièrement un laser émettant à la longueur d'onde de 1,54 micromètres. L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un tel laser à semiconducteurs. Un laser à semiconducteurs comporte principalement une double hétérostructure constituée par les régions indiquées en figure 1 - une jonction p-n avec une couche 1 pour l'injection d'électrons et une couche 2 pour l'injection des trous - une couche (3,3') servant de cavité optique dont l'épaisseur est comparable à la longueur d'onde de la lumière émise qu'elle doit guider ; - une couche 4 dite active, placée généralement au milieu de la précédente et constituée du matériau dans lequel se produira l'émission stimulée. L'émission stimulée est le plus souvent entretenue par des réflexions sur une paire de faces clivées (lasers semiconducteurs Fabry-Perot). L'émission stimulée se produit - lorsque les quasi-niveaux de Fermi EF et EF sont situés respectivement dans la e v bande de conduction et dans la bande de valence du matériau de la couche active. Les lasers à semiconducteurs de ce type présentent les inconvénients d'être multimodes avec une grande dépendance en température de 11 énergie de bande interdite du matériau de la couche active. Les lasers à semiconducteurs émettant à 1,54 micromètres sont de première importance pour les communications par fibres optiques. Jusqu'à présent ils sont fabriqués à partir d'hétérostructures Ga In As P/InP déposées sur un substrat InP dont la technologie est encore immature. Une raie de luminescence quasi-monochromatique et très intense apparaît à 1,54 micromètres lorsque l'erbium est incorporé dans ces matériaux, soit par implantation, soit par dopage. Un tel dispositif est décrit dans l'article de H.ENNEN et al publié dans la revue Applied Physics Lettes, 43, 943, 1983. Cette luminescence fortement structurée trouve son origine dans des transitions 4f-4f des sous-niveaux spin-orbite découplés de l'ion erbium. Ces transitions à 1,54 micromètres ne dépendent pratiquement pas de la matrice dans laquelle l'erbium est introduit comme dopant et ceci grâce à l'écrantage des électrons 4f par les orbitales 5S2 et 5p6 de l'erbium. Un laser Ga In As P/InP dont la couche active a été uniformément dopée erbium a été réalisée par W. T. TSANG et al comme il l'a décrit dans Applied Physic Letter, 46, 25, 1986. C'est pourquoi l'invention concerne un laser à semiconducteurs présentant de meilleures caractéristiques notamment en ce qui concerne la luminescence. Elle repose en partie sur l'utilisation de la technique du dopage planar qui permet lors une interruption de croissance, de déposer une fraction x (o - une meilleure localisation de la fonction d'onde associée à la transition 4f-4f de l'erbium - l'obtention de très forts dopages erbium dans Ga As ou Si, au delà de ce qui est réalisable par des techniques de dopages classiques. L'invention concerne donc un laser à semiconducteurs comportant au moins une première couche de confinement dopée n, au moins une deuxième couche de confinement dopée p et au moins une couche active comprise entre la première et la deuxième couches de confinement, et réalisant, un puits quantique, caractérisé en ce qu'il comporte également au moins une couche monoatomique en matériau terre rare tel que son niveau excité soit en résonance avec l'un des niveaux électroniques du puits quantique de la couche active. L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un laser à semiconducteurs comportant différentes étapes de réalisation des différentes couches du laser, couches de confinement, couche de cavité optique, couche active, caractérisé en ce que la réalisation des couches du laser est interrompue chaque fois qu'il est nécessaire de réaliser une couche monoatomique pour permettre une étape d'implantation d'une telle couche, les étapes de réalisation des couches du laser reprenant ensuite normalement. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre faite à titre d'exemple non limitatif en se reportant aux figures annexées qui représentent - les figures 1 et 2, un exemple de réalisation d'un laser à semiconducteurs selon l'art connu - les figures 3 et 4, un exemple de réalisation d'un laser à semiconducteurs de type hétérostructure à confinement séparé selon l'invention où le puits quantique comporte un ou plusieurs plans de dopage - la figure 5, les bandes de conduction et de valence représentant un exemple d'une structure d'un laser à super-réseaux selon l'invention;; - la figure 6, les bandes de conduction et de valence représentant une structure d'un laser à semiconducteurs de type GRIN-SCH selon l'invention où le puits quantique est dopé par un ou plusieurs plans de dopage - la figure 7, les bandes de conduction et de valence représentant une structure à deux puits quantiques d'épaisseurs différentes, le ou les plans de dopage erbium étant introduits soit dans la barrière, soit aux interfaces puits-barrière, soit dans un où les deux puits, soit dans plusieurs de ces régions. - la figure 8, un exemple de réalisation à modulation de dopage NIPI GaAs pour couche active d'un laser Ga As/Ga A1 As émettant à 1,54 micromètres, le ou les plans de dopage étant introduits dans un ou les deux régions dopées, ou dans les régions de charge d'espace, soit dans chacune de ces régions - la figure 9, un exemple de structure laser à semiconducteur Si/Si1 x Gex selon l'invention; - les figures 10 et 11, un exemple de structure super-réseau Si/Si1 x Gex pour couche active de laser Si/Si1 x Ge émettant à 1,54 micromètres, le ou les plans de x dopage erbium étant introduits soit dans la barrière, soit dans un ou deux puits, soit dans plusieurs régions. Les figures 1 et 2, représentent une structure laser à semiconducteurs de type connue. Sur la figure 1, on trouve les caractéristiques de bande de conduction BC et de bande de valence BV d'un laser dont les différentes couches ont été représentées en figure 2. Le laser de la figure 2 comporte deux couches de confinement 1 et 2 enserrant une cavité optique 3, 3'. Dans la cavité optique 3, 3' se trouve une zone active ou couche active 4 qui est le siège de l'émission stimulée. L'épaisseur de la cavité optique 3, 3' est sensiblement de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde que doit émettre le laser. Comme cela est connu dans la technique, le laser possède deux faces clivées parallèles entre elles et perpendiculaires au plan de la cavité optique. Les bandes de conduction et de valence du laser de la figure 1 mettant en évidence les niveaux d'énergie relatifs des différentes couches et le fonctionnement en laser comme cela a été décrit précédemment. Pour obtenir une raie de luminescence quasimonochromatique, il est connu d'effectuer un dopage de la couche active du laser à l'aide par exemple d'une terre rare, comme cela a été décrit précédemment. Cependant, dans tous les dispositifs connus, la couche active est dopée en terre rare dans la masse. Cette technique est la seule, jusqu'à présent qui ait été retenue. L'efficacité du dopage dépend de son importance mais se trouve néanmoins limitée. L'invention prévoit de réaliser au sein de la couche active du laser une couche monoatomique de terre rare, cette couche monoatomique faisant office de dopage de la couche active. On obtient ainsi un dopage modulé, un dopage planar par exemple. Les figures 3 et 4, représentent une telle couche monoatomique 5 réalisée au sein d'une couche active 4 elle-même réalisée dans une cavité optique 3, 3' encadrée par deux couches de confinement 1 et 2. Pour des raisons de facilité l'invention va être décrite à l'aide d'exemples détaillés. Ces exemples de réalisation sont illustrées dans les figures annexées par leurs diagrammes de bandes de conduction et de valence représentant la structure des couches du laser. C'est ainsi que la figure 5 représente une double hétérostructure Ga As/Mx Ga, x As de type hétérostructure à confinement séparé (ou Separed Confinement Heterostruture (SCH) en terminologie anglo-saxonne) constituée de - deux couches de confinements en Gal~, Aix As respectivement dopées de type n pour la couche i et de type p pour la couche 2 - une cavité optique 3, 3' composée de Ga x Ai As avec x2 L'invention consiste à optimiser la structure de telle façon que le niveau excité à l'erbium soit en résonance avec l'un des niveaux électroniques quantifiés dans le puits de Ga As. Ainsi le gain associé à la transition 4f-4f de l'ion erbium sera optimisé en le faisant coïncider exactement avec un maximum du profil de gain de la structure à puits. L'invention est extrapolable aux lasers à semiconducteurs à structure SCH utilisant plusieurs plans de dopage erbium dans le puits quantique ; créant ainsi un nombre d'états excités de l'ion erbium potentiellement supérieur à celui obtenu par un dopage conventionnel ou une implantation ionique. Cette invention est extrapolable aux lasers à semiconducteurs SCH à multi-puits quantiques dopés erbium comme aux hétérostructures à gradient d'indice (Grated Index en terminologie anglo-saxonne) et confinement séparé (GRIN-SCH) à simple ou multi-puits dopés erbium tel que cela est représenté par la figure 6. Cette invention est extrapolable aux lasers à semiconducteurs SCH ou GRIN-SCH Ga As/Mx Gal x As dopés erbium déposés sur substrat silicium. L'invention couvre également des structures à puits quantiques Ga As/Al Ga As déposées sur substrats Ga As ou Si, qui permettraient, sans dégrader la capture d'augmenter la durée de vie des porteurs dans la couche active de l'hétérostructure. La figure 7, représente une structure laser à semiconducteurs Ga As/A1 Gal As de type SCH constituée de deux puits 4 et 4' de Ga AS d'épaisseurs différentes. Seul un niveau quantifié du puits étroit 4 sera en résonance avec le niveau excité de l'ion erbium. La durée de vie des porteurs est sensiblement augmentée du fait du faible recouvrement des fonctions d'onde des niveaux électroniques quantifiés dans le puits 4 et des fonctions d'onde de trous localisés dans le puits 4'. L'invention est applicable à d'autre types de structures telles que - Ga In As/InP - Ga In As/In A1 As - Ga As A1 Sb/Ga Sb - Ga In As Sb/Ga Sb pour la réalisation de la couche active et des couches de confinement. Le dopage planar erbium sera effectué soit dans la région barrière entre les deux puits, soit aux interfaces puits-barrières, soit dans l'un des puits suivant que l'électron ou le trou est le facteur limitant. L'invention couvre également les structures à puits quantiques à modulation de dopage (NIPI). Par exemple la figure 8 représente une structure, déposée sur Ga AS ou Si, constituées d'une répétition du motif constitué - de couches Ga As fortement dopées n (4.1) - de couches Ga As non intentionnellement dopées (4.2) - de couches Ga AS fortement dopées p (4.3) - de couches Ga AS non intentionnellement dopées (4.4). Le ou les plans de dopage erbium seront introduits de façon à optimiser la capture soit dans les régions de charges d'espace, soit dans les régions dopées n, soit dans les régions p, soit dans plusieurs d'entre elles. La deuxième partie de cette invention porte sur un laser à semiconducteurs Si/Si1 x Gex déposés sur substrat Si tel que schématisé sur la figure 9. Ces structures lasers sont constituées de - régions de confinements 1 et 2 en Si dopées respectivement n et p. L'indice de réfraction du Si est n1 = 3.5 - région active 3 avec un super-réseau Si/Si1 -x Gex dont l'indice de réfraction est 3.7(n20. Ce brevet porte sur des structures où la couche active est un super réseau Silex Gex dopé erbium par plan de dopage. La structure électronique des super-réseaux Si/Si1 x Ge a la particularité de présenter une transition x entre super-réseaux de type II et de type I suivant que le système est ou n'est pas contraint. Dans les super-réseaux de type I les états quantifiés des électrons et des trous sont confinés dans le même matériau tandis que pour les super-réseaux de type II, ils sont localisés respectivement dans chacun des deux matériaux constituants. La figure 10, montre les structures électroniques des deux supers-réseaux d'après les résultats expérimentaux que G. ABSTREITER relate dans son article "Strain-Induced Two-Dimensional Electron Gas in Selectively Doped Si/Six Gel-x S uperlattices n publié dans Physical Review Lettes, volume 54, numéro 22, pages 2441 à 2444, le 3 juin 1985. Comme pour les structures à puits quantiques Ga As/A1 Gai,x As dopées erbium, le brevet propose d'utili- ser la technique du plan de dopage pour mettre en résonance les niveaux électroniques quantifiés avec le niveau excité de l'erbium. Dans les deux types de super-réseaux Si/Sil x Gex le ou les plans de dopage erbium seront placés soit dans un matériau barrière, soit dans une région de confinements d'électrons, soit dans une région de confinements de trous, soit dans plusieurs régions. Cette invention couvre les structures à puits quantiques à modulation de dopage (NIPI) en 511-x Gex dopées erbium par dopage planar ; elle couvre également les lasers à semiconducteurs Ga As ou Si dopés de façon planar avec tous les éléments terres rares. Dans les exemples de réalisation qui précède on a décrit des lasers à semiconducteurs émettant à 1,54 micromètres, comportant une ou plusieurs couches monoatomiques (ou plans de dopage) réalisées en erbium. Cependant, l'invention est applicable à des lasers comportant une ou plusieurs couches monoatomiques réalisées avec une terre rare telle que son niveau excité soit en résonance avec l'un des niveaux électroniques du puits quantique de la couche active. On peut ainsi réaliser les couches monoatomiques à l'aide de lanthane, de néodyme, d'ytterbium, ou de gadolinium ou autres terres rares. Pour réaliser un laser à semiconducteurs tel que représenté, par exemple, par l'une des structures précédemment décrites, l'invention prévoit également un procédé de réalisation. Selon ce procédé on prévoit lors de la réalisation des couches de matériaux semiconducteurs du laser d'interrompre la réalisation de ces couches chsque fois que l'on désire avoir une couche monoatomique de terre rare (erbium par exemple) et de procéder au dépôt de cette couche, puis de reprendre la réalisation interrompue des couches du laser. La réalisation d'une couche monoatomique de terre rare peut employer un procédé d'épitaxie et notamment un procédé d'épitaxie par jet moléculaire (MBE). Le procédé utilisé sera de préférence du même type que celui utilisé pour la réalisation des couches du laser de façon à utiliser le même appareillage pour la réalisation de cette couche monoatomique. Par exemple, pour réalisé le laser à semiconducteur de la figure 5, on réalise par épitaxie par jet moléculaire, la couche de confinement 1 dopée n en dosant le gallium et l'aluminium selon la valeur de x1 à obtenir dans la composition Ga1 x Alx As. On réalise ensuite la couche 3 consti 1-x1 x1 tuant une partie de la cavité optique de façon à obtenir une composition Gal, Mx2As Puis on réalise,' selon la même technique, la couche active 4 en Ga AS. Selon l'endroit choisi, dans l'épaisseur de la couche active 4, pour réaliser la couche monoatomique d'erbium, on interrompt la réalisation de la couche active 4 pour procéder à la réalisation de la couche monoatomique 5 d'erbium. La couche active 4, est ensuite terminée et le procédé de réalisation du laser à semiconducteurs se poursuit ensuite par réalisation de manière connue des couches 3' et 2. Selon le procédé de l'invention on ne prévoit donc pas de dopage à l'aide de terre rare (erbium par exemple) durant l'implantation des différentes couches du laser, mais on interrompt l'implantation de ces couches chaque fois que l'on désire implanter une couche monoatomique de terre rare. 1l est bien évident que la description qui précède n'a été faite qu'à titre d'exemple. Les différents type de réalisation et les modes de réalisation n'ont été fournis que pour illustrer la description. D'autres variantes peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Laser à semiconducteurs comportant au moins une première couche de confinement (1) dopée n, au moins une deuxième couche de confinement (2) dopée p et au moins une couche active (3) comprise entre la première et la deuxième couches de confinement (1 et 2), et réalisant, un puits quantique, caractérisé en ce qu'il comporte également au moins une couche monoatomique en matériau terre rare tel que son niveau excité soit en résonance avec l'un des niveaux électroniques du puits quantique de la couche active. 2. Laser à semiconducteurs selon la revendication 1, comportant entre les deux couches de confinement (1, 2) une couche servant de cavité optique, d'épaisseur sensiblement équivalente à la longueur d'onde de la lumière émise et réalisé dans un matériau de nature similaire à celle de la couche active, la couche active (3) étant située sensiblement au milieu de la couche de la cavité optique, caractérisé en ce que la couche monoatomique est située au sein de la couche active. 3. Laser à semiconducteurs selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux couches de confinement et la couche de la cavité optique constituent des super-réseaux. 4. Laser à semiconducteurs selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de la cavité optique est à gradient d'indices. 5. Laser à semiconducteurs selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couche de la cavité optique comporte au moins deux couches actives, réalisant chacune un puits quantique, d'épaisseurs différentes, la couche monoatomique étant réalisée dans la barrière entre les deux puits quantiques. 6. Laser à semiconducteurs selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couche de la cavité optique comporte au moins deux couches actives, réalisant chacune un puits quantique, d'épaisseurs différentes, la couche monoatomique étant réalisée dans l'un des puits quantiques. 7. Laser à semiconducteurs selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couche de la cavité optique comporte au moins deux couches actives, réalisant chacune un puits quantique, d'épaisseurs différentes, la couche monoatomique étant réalisée à l'interface d'un puits quantique et de la barrière la séparant de l'autre puits quantique. 8. Laser à semiconducteurs selon la revendications 1, dans lequel les puits quantiques sont à modulation de dopages caractérisé en ce que les couches à modulation de dopage comportent au moins une couche monoatomique de terre rare. 9. Laser à semiconducteurs selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche active est un super-réseau de composés de semiconducteurs, ladite couche active comportant au moins une couche mono atomique de terre rare. 10. Laser à semiconducteurs selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première couche de confinement est en silicium dopé p, la deuxième couche de confinement est silicium dopé n, la couche active est en germaniure de silicium (Sl-x Gex). 11. Laser à semiconducteurs selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première couche de confinement est en arséniure de gallium et d'aluminium Gal x M As X1 dopé p > la deuxième couche de confinement est en arséniure de gallium et d'aluminium Gals AlX As dopé n, la couche de la cavité optique est en arséniure de gallium et d'aluminium Ga1-x2 Alx2 As et la couche active est en arséniure de gallium Ga As. 12. Laser à semiconducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il a une structure Ga In As/InP 13. Laser à semiconducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que il a une structure Ga In As/In A1 Sb 14. Laser semiconducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il a une structure Ga As M Sb/Ga Sb 15. Laser semiconducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il a une structure Ga In As Sb/Ga Sb 16. Laser à semiconducteurs selon la revendication 1, caractérisé en ce que la terre rare est de l'erbium. 17. Laser à semiconducteurs selon la revendications 1, caractérisé en ce que la terre rare est du lanthane. 18. Laser à semiconducteurs selon la revendication 1, caractérisé en ce que la terre rare est de l'ytterbium. 19. Laser à semiconducteurs selon la revendication 1, caractérisé en ce que la terre rare est du gadolinium. 20. Procédé de réalisation d'un laser à semiconducteurs comportant différentes étapes de réalisation des différentes couches du laser, couches de confinement couche de cavité optique, couche active, caractérisé en ce que la réalisation des couches du laser est interrompue chaque fois qu'il est nécessaire de réaliser une couche monoatomique pour permettre une étape d'implantation d'une telle couche, les étapes de réalisation des couches du laser reprenant ensuite normalement. 21. Procédé de réalisation d'un laser à semiconducteurs selon la revendication 20, caractérisé en ce que l'étape d'implantation de la couche monoatomique est réalisée par épitaxie par jets moléculaires.