Brevet FR2702602A1 — publié le 19940916

La présente invention concerne le domaine des lasers à semi-conducteur. On a déjà proposé de nombreux lasers semiconducteur à double hétérostructure. Comme cela est bien connu de l'homme de l'art, un laser semi-conducteur à double hétérostructure comprend une couche d'un premier matériau semi-conducteur à faible bande interdite dont l'épaisseur est inférieure à la longueur de diffusion, prise en sandwich entre deux couches d'un second matériau semi-conducteur de bande interdite supérieure. Les électrons injectés sont ainsi confinés dans la couche médiane. Les deux couches latérales forment des barrières qui servent à la fois au confinement électrique, au confinement optique et à la prise de contact. La figure 1 illustre respectivement, en partie supérieure, la bande de conduction, et en partie inférieure, la bande de valence, d'un laser à semiconducteur à double hétérostructure classique. De façon typique, la zone active peut être formée en GaAs, tandis que les zones de confinement sont formées de AlGaAs, respectivement de type n et p. De plus en plus, les structures laser classiques à double hétérostructure sont remplacées par des structures à double hétérostructure à puits quantique. Plus précisément, on a proposé des structures à puits quantique unique et des structures à puits quantiques multiples. Les structures laser à puits quantique possèdent une zone active de largeur beaucoup plus faible que les structures classiques, soit typiquement inférieure à 100i. Les propriétés électroniques et optiques de la structure sont alors totalement modifiées. Le confinement résultant des électrons conduit à une quantification des niveaux d'énergie autorisés. On a illustré sur la figure 2 annexée, la bande de conduction et la bande de valence d'une structure laser à puits quantique unique de type zone de confinement séparée, tandis que l'on a illustré sur la figure 3 annexée la bande de conduction et la bande de valence d'une structure à puits quantique unique à zone de confinement graduelle. Les structures laser à puits quantique du type à zone de confinement séparée sont dénommées généralement SCH (correspondant à l'expression anglo-saxonne Separate Confinement Heterostructure soit hétérostructure à confinement séparé en français). Les structures laser à puits quantique de type zone de confinement graduelle sont dénommées généralement GRIN-SCH (correspondant à l'expression anglo-saxonne GRaded-INdex Separate Confinement Heterostructure). Le but de la présente invention est maintenant de proposer une nouvelle structure laser à semi-conducteur à fréquence de coupure élevée. Ce but est atteint dans le cadre de la présente invention grâce à une structure laser à puits quantiques multiples dans laquelle les différents puits possèdent des largeurs et des profondeurs différentes telles que les transitions lumineuses qui se produisent dans les différents puits soient sensiblement toutes à la même énergie. La présente invention propose également un procédé de réalisation d'une structure laser à semi-conducteur comportant au moins un puits quantique caractérisé par le fait qu'il comporte l'étape consistant à former un puits d'épaisseur adaptée pour définir un niveau d'énergie dans le puits dont la différence d'énergie par rapport au niveau fondamental des barrières est au plus de l'ordre de grandeur de l'énergie d'un phonon optique. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels - les figures 1, 2 et 3 précédemment décrites représentent la bande de conduction et la bande de valence respectivement pour un laser à semi-conducteur à double hétérostructure classique, pour une structure à puits quantique unique de type zone de confinement séparée et pour une structure à puits quantique unique à zone de confinement graduelle, - la figure 4 représente en fonction de la largeur du puits quantique, le temps de capture d'un électron correspondant respectivement, pour la courbe continue, à la capture par les phonons optiques, et pour la courbe tiretée, à la capture liée aux impuretés ; les courbes de la figure 4 ont été calculées au zéro de température absolue, - la figure 5 représente le temps de capture d'un électron dans un puits quantique, en fonction de la largeur de ce puits, avec prise en compte de la contribution des phonons, des impuretés, de la rugosité d'interface et de la température de l'échantillon, - la figure 6 illustre schématiquement, sur la bande de conduction, la plage dans laquelle doit se trouver un niveau d'énergie pour obtenir un effet de résonance, - la figure 7 représente schématiquement, la bande de conduction d'un laser à puits quantique unique conforme à la présente invention, et - la figure 8 représente schématiquement, la bande de conduction d'un laser à puits quantiques multiples conforme à la présente invention. On a longtemps considéré que le fonctionnement haute fréquence des lasers était limité d'un côté par la constante RC du dispositif complet, et de l'autre par le temps d'établissement du mode optique dans la cavité laser. Ce type de description était bien adapté aux structures à base de matériaux semi-conducteurs massifs de type double hétérostructure telles que celle schématisée sur la figure 1 annexée. Comme montré dans les documents [1] K.Y. Lau, A. Yariv, IEEE J. Quantum Electron., QE-21, 121 (1985) et [ 2 ] R. Olshansky, P. Hill, v. Lanzisera, W. Powazinik, IEEE J. Quantum Electron., QE-24 1410 (1987), les mêmes équations ont souvent été également appliquées pour la modélisation haute fréquence des lasers à puits quantique, en ne tenant pas compte du fait que les porteurs (électrons et trous) sont alors injectés depuis les contacts, non pas directement dans la zone active du laser, mais dans la zone de confinement optique. Certains auteurs ont envisagé récemment de modéliser le comportement des lasers en prenant en compte les quatre processus suivants - diffusion des électrons depuis le contact de type n jusqu'au bord du puits, - processus de capture (de type quantique) d'un électron, - diffusion des trous depuis le contact de type p jusqu'au bord du puits, - processus de capture (de type quantique) d'un trou. On trouve en particulier de tels développements dans les documents suivants [ 3 ] S. Morin, B; Deveaud, F. Clérot, K. Fujiwara, K. Mitsunaga, IEEE J. Quantum Electron., QE-27, 1669 (1991) [ 4 ] R. Nagarajan, M. Ishikawa, T. Fukushima, R.S. Geels, J.E. Bowers, IEEE J. Quantum Electron., QE-28, 1990 (1992) [ 5 ] S.C. Kan, D. Vassilvoski, T.C. Wu, K.Y. Lau, Appui. Phys. Lett., 61, 752 (1992). Plus précisément, les études rapportées dans les documents précités considèrent que le temps caractéristique de transit des porteurs dans la structure est en fait une moyenne sur le temps de transit des électrons et celui des trous. Ces études négligent la partie quantique de la capture en la supposant à la fois constante et extrêmement rapide, généralement inférieure à zips. En conséquence, on a toujours considéré jusqu'ici que la vitesse de fonctionnement des dispositifs lasers à puits quantique était dominée par les termes de diffusion dans les zones de confinement. Cependant, et c'est là la base de l'invention, les inventeurs ont maintenant démontré que le temps de capture des porteurs, en particulier le temps de capture des élecrons, peut varier dans une large plage, typiquement d'un facteur 5, à température ambiante, en fonction des paramètres de largeur du puits quantique. Plus précisément, le temps de capture des trous est quant à lui généralement très rapide et de moins de zips. Comme on le verra par la suite, ces constatations, lorsqu'elles sont correctement exploitées pour la conception de la structure laser peuvent se traduire par un gain d'un facteur 3 sur la vitesse de modulation du laser à puits quantique. La démonstration des inventeurs s'appuie à la fois sur une étude théorique et sur une expérimentation. Le processus de capture dans un puits quantique se produit en fait par collision de l'électron (ou du trou) avec une impureté, ou avec un phonon (une vibration du réseau). L'étude théorique exploite l'un et l'autre de ces deux phénomènes. Le processus de capture lié aux phonons optiques s'analyse en écrivant les fonctions d'onde enveloppe des divers états de la structure et en traitant en perturbation les collisions avec les phonons optiques. Sur cette base le temps de capture s'écrit W=2#/h # | |2# (Ei-Ef-h#Lo) (l) où #f et #i représentent les fonctions d'onde finale et initiale, Ei et Ef leur énergie, hako l'énergie du phonon optique, et He-ph est le Hamiltonien d'interaction que l'on peut écrire suivant Fröhlich avec A = -ie[h#Lo/2V(1/#@-l/#O)] (3) L'équation (1) conduit à la courbe en trait plein sur la figure 4 qui correspond au processus de capture lié aux phonons optiques pour un puits quantique en GaAs et des barrières de AlGaAs 28% d'Al d'une largeur de 200 . On note à l'examen de cette courbe sur la figure 4 une résonance extrêmement marquée pour des largeurs de 60 et llO . Cette résonance correspond à la condition suivant laquelle il existe un niveau d'énergie dans le puits, avec une différence d'énergie correspondant exactement à l'énergie du phonon optique, au dessous d'un des niveaux de la barrière. Le calcul pour le processus de capture lié aux collisions avec des impuretés est effectué dans des conditions équivalentes au précédent, avec pour Hamiltonien Hiinp = e2/4U(1/e0Er) 1/ [ (r-r#)2+(z-z#)2 ] 1/2 (4) où rk et Zk sont les coordonnées planaires et suivant l'axe de croissance de l'impureté. L'équation (4) conduit à la courbe en tiretés sur la figure 4 pour un puits quantique en GaAs et des barrières de AlGaAs 28% d'Al d'une largeur de 200 . On observe une résonance lorsqu'un niveau de puits se trouve exactement à la même énergie que le niveau fondamental de la barrière. Ceci se produit pour des largeurs de puits de 45 et 90A (pour les électrons). Si l'on prend en compte ces deux processus de capture, la température de fonctionnement du laser (300K) et la contribution de la rugosité d'interface inévitable, on aboutit à la courbe présentée sur la figure 5. On note que le temps de capture varie de 2 ps environ hors résonance, à 300 fs à la résonance pour les électrons. Les expériences conduites par les inventeurs ont conduit au même résultat. Le temps de capture d'une structure à puits quantique a été mesuré en sondant, par une expérience de spectroscopie optique ultra-rapide, la population restant dans la barrière un temps bt après une excitation de très courte durée (de l'ordre de 100fs). Plus précisément, les inventeurs ont utilisé des méthodes spectroscopiques aussi bien de type luminescence que de type absorption. Ces deux expériences ont conduit à des temps caractéristiques très voisins. Il est vrai que certains auteurs ont tenté d'étudier le processus de capture et ont envisagé que le temps de capture dans un puits quantique soit fonction de la largeur de celui-ci. Toutefois, leur programme comportait manifestement des erreurs ou imprécisions ce qui empêchait tout accord avec l'expérience. De plus, la contribution des impuretés ou de la température n'a pas été pris en compte par ces auteurs. Enfin, les conséquences en terme de laser n'ont pas été envisagées par ces auteurs. Sur ce point on se réfèrera en particulier aux deux articles suivants [6] J.A. Brum, G. Bastard, Phys. Rev., B33, 1420 (1985) [7] M. Babiker, B.K. Ridley, Superlatt. and Microstruct., 2, 287 (1986). Les inventeurs ont ensuite montré qu'en intégrant les données résultant de l'étude théorique et des expérimentations relatées ci-dessus sur les processus de capture des électrons, dans les calculs de fréquence de coupure des lasers, on obtenait un temps caractéristique de transit qui n'est plus seulement une moyenne du temps de transit des électrons et du temps de transit des trous, mais que ce temps caractéristique de transit peut varier de 50 à 5ps. Ces différences induisent une variation de la fréquence de coupure (à 3dB) du laser, suivant la structure exacte de celui-ci de 5 GHz à 50 GHz. Ces calculs montrent simultanément que les structures de type GRINSCH sont à la fois plus rapides que les structures de type SCH et plus sensibles à la largeur du puits (au temps de capture quantique des électrons). Plus précisément encore, des calculs relatifs à des structures à zone active en GaAs et barrières en AlGaAs avec 30% d'aluminium, ont conduit aux fréquences de coupure suivantes Structure SCH, avec zone de confinement de 3000A Puits 40,80 ou 130A : FmaX = 5 GHz Puits 55,105 ou 155A :FmaX =8 GHz Structure SCH, avec zone de confinement de 800A : Puits 40,80 ou 130A : Fmax = 12 GHz Puits 55,105 ou 155 : FmaX = 15 GHz Structure GRINSCH, avec zone de confinement de 3000 : Puits 40,80 ou 130A : F##x = 10 GHz Puits 55,105 ou 155A : Fmax =22 GHz Structure GRINSCH, avec zone de confinement de 800 : Puits 40,80 ou 130A : Fmax = 20 GHz Puits 55,105 ou 155A : : Fmax = 50 GHz Pour ces structures, les largeurs de puits qui correspondent à des temps de capture très courts sont entre 50 et 60 , entre 100 et 110 , et entre 150 et 160 . Sur la base des développements qui précèdent, les inventeurs proposent par conséquent, dans le cadre de la présente invention, pour obtenir un temps de capture très court et par conséquent une fréquence de coupure élevée, de réaliser une structure laser comportant au moins un puits quantique dont la largeur est adaptée pour définir un niveau d'énergie, dans le puits, dont la différence d'énergie par rapport à un niveau fondamental des barrières est au plus de l'ordre de grandeur de l'énergie d'un phonon optique. Cette plage est illustrée en grisé sur la figure 6. Pour un système de matériau GaAs/AlGa#s cette plage est de l'ordre de 50meV. En d'autres termes, pour ce système GaAs/AlGaAs l'un des niveaux du puits quantique doit se trouver dans une bande de 50meV environ sous le niveau le plus bas de la barrière. On a représenté sur la figure 7, la bande de conduction d'une structure laser répondant à cette caractéristique. Plus précisément, la structure laser schématisée sur la figure 7 comprend deux zones de contact 10, 12 en AlGaAs avec 45% d'aluminium, respectivement de type n et p, des barrières 20, 22 d'une épaisseur de 1000A formant zones de confinement graduelles en AlGaAs évoluant progressivement de 45% d'aluminium au niveau des zones de contact jusqu'à 30% d'aluminium au niveau du puits quantique, et enfin, un puits quantique 30 en GaAs d'une largeur comprise entre 48 et 60 . Une telle structure conduit à une fréquence de coupure de l'ordre de 50 GHz. La structure à puits quantique unique représentée sur la figure 7, s'avère déjà très intéressante de par sa fréquence de coupure élevée. Cependant, les inventeurs proposent, pour obtenir des puissances supérieures, d'appliquer également l'enseignement résultant de l'exposé qui précède à des structures à puits quantiques multiples. Plus précisément encore, la réalisation simple d'une structure comprenant plusieurs puits quantiques de même épaisseur calculée pour obtenir un temps de capture extrêmement court (c'est-à-dire possédant un niveau d'énergie situé par rapport à un niveau de la barrière dans une plage au plus égale à l'énergie d'un phonon optique) risquerait de conduire au piégeage dans le premier puits de tous les électrons. Pour éviter cet inconvénient, les inventeurs proposent par conséquent, comme cela schématisé sur la figure 8, de réaliser des puits quantiques de largeur différente d'un puits à l'autre de sorte que le premier puits capture les électrons un peu moins aisément que le dernier. En outre, les inventeurs proposent une structure où les puits quantiques successifs n'ont pas la même largeur, mais corrélativement n'ont pas non plus la même profondeur de telle sorte que les transitions lumineuses, bien que provenant de puits d'épaisseurs diverses, soient toutes à la même énergie. En d'autres termes, la différence de niveau d'énergie entre le niveau fondamental pour les électrons dans la bande de conduction et le niveau fondamental pour les trous dans la bande de valence est la même pour tous les puits de sorte que les transitions soient toutes à la même longueur d'onde. Selon un mode de réalisation particulier, la structure laser à puits quantique multiple conforme à la présente invention comprend ainsi - deux zones de contact 10, 12 en AlGaAs avec 45% d'aluminium, respectivement de type n et p, - des barrières 20, 22 d'une épaisseur de 800A formant zones de confinement graduelles en AlGaAs évoluant progressivement de 45% d'aluminium au niveau des zones de contact jusqu'à 30% d'aluminium au niveau du puits quantiques (la concentration de 30% Al est conservée entre les puits quantiques), et enfin, - une pluralité de puits quantiques 30 en AlGaAs de largeur et profondeur différentes d'un puits à l'autre La largeur des puits 30 est égale à l'épaisseur physique des couches de la structure correspondant à ces physique des couches de la structure correspondant à ces puits. La profondeur des puits quantiques dépend de la concentration d'Al dans chaque puits. Plus précisément encore, selon le mode de réalisation représenté sur la figure 8, il est ainsi prévu quatre puits présentant respectivement, dans le sens du contact de type n vers le contact de type p, des largeurs de 90, 69, 56, 48 . Ces largeurs correspondent à des concentrations d'Al dans le puits de respectivement 0%, 2%, 4% et 6%. L'homme de l'art pourra aisément adapter la structure conforme à la présente invention à des largeurs et profondeurs différentes de puits quantiques. Dans un système de matériaux GaAs/AlGaAs, le choix pourra être opéré sur la base du tableau suivant Concentration d'Al Largeurs optimales en dans les barrières en GaAlAs ler puits 2e puits 3e puits 4e puits GaAs GaAlAs GaAlAs GaAlAs soit O%Al avec 2%A1 avec 4%A1 avec 6%A1 20% 52-64 54-66 56-68 58-70 25% 46-58 48-58 50-60 52-62 28% 43-51 45-53 47-55 48-58 30% 40-48 42-50 44-52 46-54 32% 40-46 42-48 44-50 46-52 34% 40-45 42-47 44-49 46-51 Les valeurs données dans le tableau ci-dessus ont été calculées par un programme d'ordinateur. L'homme de l'art pourra aisément calculer les valeurs optimales pour un autre système de matériaux, d'autres concentrations dans les barrières ou d'autres concentrations dans les La structure ainsi formée conduit à une grande vitesse donc un laser ultra-rapide et à un remplissage efficace de tous les puits, donc une bonne puissance de sortie. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation particuliers qui viennent d'être décrits mais s'étend à toute variante conforme à son esprit. En particulier, la présente invention n'est pas limitée à une structure à quatre puits, ni aux concentrations particulières précitées. La présente invention n'est pas non plus limitée au sytème de matériaux GaAs/AlGaAs mais s'étend à d'autres systèmes de matériaux comme par exemple InGaAs/InP, GaInP/GaAs, GaInAsSb/GaAlSb, des matériaux II/VI, exemples ZnTe/ZnMnTe, CdSe/CdS ... REVENDICATIONS 1. Structure laser à semi-conducteur à puits quantique multiple caractérisée par le fait que les différents puits (30) possèdent des largeurs et des profondeurs différentes d'un puits à l'autre, telles que les transitions lumineuses qui se produisent dans les différents puits (30) soient sensiblement toutes à la même énergie. 2.Laser selon la revendication 1, caractérisé par le fait que au moins un puits quantique (30) possède un niveau d'énergie dont la différence par rapport au niveau fondamental des barrières (20, 22) est au plus de l'ordre de grandeur de l'énergie d'un phonon optique. 3. Laser selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il comprend deux zones de contact respectivement de type n et p (10, 12), deux zones de confinement latérales (20, 22) formant barrières et une pluralité de puits quantiques (30) dans une zone centrale active. 4.Laser selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'il est réalisé à base d'un système de matériaux choisis dans le groupe comprenant GaAs/AlGaAs, InGaAs/InP, GaInAsSb/GaAlSb, des matériaux II/VI, exemples ZnTe/ZnMnTe, CdSe/CdS. 5. Laser selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'il comprend des puits quantiques. (30) d'une largeur comprise dans les plages entre 50 et 60 , entre 100 et 110 , et entre 150 et 160A. 6. Laser selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il comprend quatre puits quantiques (30). 7. Laser selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les quatre puits quantiques (30) ont respectivement des largeurs de 90, 69, 56, 48 . 8. Laser selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait qu'il comprend des puits quantiques de largeur choisie dans le tableau suivant Concentration d'Al Largeurs optimales en dans les barrières en GaAlAs ler puits 2e puits 3e puits 4e puits GaAs GaAlAs GaAlAs GaAlAs soit 0%Al avec 2%Al avec 4%Al avec 6%Al 20% 52-64 54-66 56-68 58-70 25% 46-58 48-58 50-60 52-62 28% 43-51 45-53 47-55 48-58 30% - 40-48 42-50 44-52 46-54 32% 40-46 42-48 44-50 46-52 34% 40-45 42-47 44-49 46-51 9. Procédé de réalisation d'une structure laser à semi-conducteur comportant au moins un puits quantique (30) caractérisé par le fait qu'il comporte l'étape consistant à former un puits (30) de largeur adaptée pour définir un niveau d'énergie dans le puits dont la différence d'énergie par rapport au niveau fondamental des barrières (20, 22) est au plus de l'ordre de l'énergie d'un phonon optique. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé par le fait que le puits a une largeur comprise dans les plages entre 50 et 60 , entre 100 et 110 , et entre 150 et 160 .