Brevet FR2706091A1 — publié le 19941209

LASER SEMICONDUCTEUR BICOLORE. La présente invention concerne un dispositif semiconducteur optoélectronique de type laser, dont la structure a été étudiée pour que, par simple commutation de la tension de polarisation, il émette un faisceau lumineux à une parmi deux longueurs d'onde. Le laser selon l'invention utilise l'effet transistor créé entre les différentes couches de matériaux pour amplifier le courant. Les lasers connus ont tous une structure commune qui comprend au moins une couche émettrice, dans laquelle est formée la cavité de Fabry Perrot, confinée entre deux couches de confinement n et p. Bien entendu, cette structure est supportée par un substrat et munie des métallisations nécessaires pour polariser le laser. Mais ces lasers n'émettent qu'à une seule longueur d'onde, et s'il se fait qu'ils sont munis de plusieurs cavités, ou de plusieurs rubans émetteurs, ce n'est que la répétition dans le plan de l'unique couche active de plusieurs lasers élémentaires, mono-rubans, en vue d'obtenir plus de puissance émise, par exemple dans une barrette de lasers . En outre, ces lasers n'utilisent pas la structure transistor pour amplifier le courant. Et comme ils n'ont qu'une seule couche active, même si elle est divisée en plusieurs rubans, ils n'émettent qu'à une seule et unique longueur d'onde. En fait, les perspectives offertes par le développement des circuits intégrés optoélectroniques laissent entrevoir l'intérêt des lasers bicolores, c'est à dire émettant successivement à deux longueurs d'ondes différentes. Ces deux rayonnements distincts pourraient jouer un rôle comparable à celui des tensions de O logique et 1 logique, en électronique numérique, ou permettre le multiplexage de deux voies de signaux sur une seule fibre optique. Le laser selon l'invention apporte une solution à cette insuffisance parmi les moyens connus, et peut émettre soit à une première longueur d'onde, au moyen d'une première couche active et sous une première polarisation, soit à une seconde longueur d'onde, au moyen d'une seconde couche active et sous une seconde polarisation. Les deux couches actives, distinctes, sont préférentiellement de type puits quantique et sont intégrées dans une structure verticale. En plus de leur fonction de ruban émetteur de lumière chacune d'entre elles sert de base à un transistor bipolaire dont l'émetteur et le collecteur sont les couches de confinement de la couche active considérée. Ce transistor sert à la fois au contrôle électronique d'un laser et à l'amplification du courant de commande. De façon plus précise, I'invention concerne un laser semiconducteur bicolore, comportant deux puits quantiques émettant chacun un rayonnement lumineux à une longueur d'onde qui lui est propre, ce laser étant caractérisé en ce qu'il a une structure verticale, les deux puits quantiques étant l'un au dessus de l'autre par rapport au substrat. L'invention sera mieux comprise par l'exposé d'un exemple de réalisation, en corrélation avec les figures jointes en annexe, qui sont toutes relatives à l'invention et qui représentent: - figure 1: structure des couches constitutives d'un laser bicolore; - figure 2 : structure de bandes de ces couches de matériaux semiconducteurs: - figure 3 : schéma électrique de fonctionnement d'un laser bicolore. - figure 4: vue de trois-quarts dans l'espace d'un laser bicolore. La structure du laser selon l'invention est schématisée en figure 1. A partir de la couche supérieure, la plus externe par rapport au substrat, elle comporte: - une première couche repérée El, dopée de type N+; cette couche constitue l'une des deux couches de confinement de la première couche active et simultanément l'émetteur (El) d'un premier transistor. -une première couche active repérée B1/QW1. Ce double repérage s'explique parce que cette couche est d'abord un puits quantique (QW1), qui émet un rayonnement lumineux à la longueur d'onde hl, mais cette couche est également la base (B1) dopée de type P+ du premier transistor, - une couche C, dopée de type N-l qui constitue simultanément la deuxième couche de confinement de la première couche active B1/QW1, la première couche de confinement de la deuxième couche active, et le collecteur commun aux deux transistors, - une deuxième couche active B2/QW2, qui est également un puits quantique (QW2), et émettant un rayonnement lumineux à la longueur d'onde k2; cette couche constitue simultanément la base (B2) dopée de type P+ d'un second transistor, - une deuxième couche repérée E2, dopée de type N+ et qui constitue la deuxième couche de confinement de la deuxième couche active (QW2) et simultanément l'émetteur (E2) du second transistor, - un substrat; Toutes les jonctions sont des hétérojonctions. On observera que, hormis le substrat, cette structure est complètement symétrique, du point de vue géométrique et électrique. Seules les longueurs d'ondes B1 et k2 échappent à cette symétrie, et on en verra ultérieurement la raison. Les épaisseurs et compositions de ces différentes couches ne sont pas détaillées car elles sont connues de l'homme de l'art. Précisons cependant que les matériaux sont du groupe Ill-V, le substrat en GaAs ou InP selon le type de longueur d'onde envisagé (inférieur ou supérieur à 1 micromètre) et les couples de matériaux sont par exemple Ga(ln)As/GaAIAs ou Ga(ln)As/GalnP sur substrat GaAs, ou AllnAs/GalnAs ou InP/GalnAs sur substrat InP. Cependant, parmi tous les alliages binaires-ternaires ou quaternaires possibles, sont à préférer les couples à forte discontinuité de bande de valence, tels que Ga(ln)As/GalnP ou GalnAs/lnP. De la même façon, les deux puits quantiques ne sont pas détaillés, car il existe plusieurs possibilités pour réaliser un puits quantique. L'homme de l'art choisira, par exemple, parmi trois possibilités représentées sur la partie droite de la figure 2, entre le puits quantique élémentaire (QW2) ou doté de couches tampons à confinement d'indice soit à indice graduel (GRIN) soit à confinement séparé (SCH). La figure 2 représente le schéma de bandes de la structure de l'invention. Pour chacun des deux puits quantiques QW1 et QW2, la longueur d'onde k1 ou k2 - c'est à dire la couleur émise - est déterminée par l'épaisseur "e" et la composition du puits qui conditionnent la nature du saut G - connu aussi sous le nom de "gap"- entre les niveaux de confinements des électrons et des trous: on peut déterminer la longueur d'onde émise ou de manière équivalente G en jouant sur "e" et sur la composition du puits. L'hétérostructure verticale de la figure 1 est représentée horizontale sur la figure 2, et se lit de gauche à droite. Sauf pour les longueurs d'ondes k1 et B2, cette hétérostructure est complètement symétrique par rapport à la couche collecteur C, qui est la couche de confinement commune aux deux puits quantiques. Ceux-ci sont fortement polarisés l'un par rapport à l'autre à une tension compatible avec les tensions de claquage de la couche de collecteur C, typiquement entre 5 et 10 volts. Selon que cette tension est appliquée dans un sens ou dans l'autre, I'un des puits est utilisé comme émetteur de lumière et l'autre comme base de transistor bipolaire. Dans le cas représenté, la figure correspond à une injection par le puits quantique QW2 utilisé en base B2, avec émission de lumière par le puits QW1. Le fonctionnement de ce laser bicolore se comprend mieux par l'interprétation simultanée des figures 2 et 3, et la figure 2 correspond au cas de polarisation représenté par des flèches pleines sur la figure 3 émetteur E2 à la masse, par l'intermédiaire du substrat s'il est conducteur, et tension positive plus élevée sur QW1 (10 V) que sur QW2 (1V). Le substrat et l'émetteur E2 étant maintenus à la masse, la jonction E2-QW2 est polarisée en direct, de l'ordre de 1 volt, et les couches E2-QW2-C sont utilisées comme transistor bipolaire, avec le puits quantique QW2 comme base B2. Le courant collecteur lc est utilisé comme source d'électrons pour alimenter le puits QW1, qui se comporte en couche active laser à B1: en effet, on voit sur la figure 3 que le collecteur C est polarisé à partir de QW1, la jonction E1-QW1 étant flottante et inactive. Puisque le puits quantique QW1 est alimenté par un courant, il y a émission de lumière à la longueur d'onde B1, et le courant de base 1B2 qui commande le transistor bipolaire E2-B2-C est utilisé comme commande du laser QWl. Le second cas est illustré par les flèches en pointillés sur les figures 2 et 3 mais, dans ce cas la structure de bandes présente une symétrie par rapport à celle de la figure 2: QW1 est polarisé négativement par rapport à QW2. L'émission de lumière par le puits QW2 s'obtient en inversant la tension différentielle entre les puits QW1 et QW2, ce qui inverse tous les processus. On utilise alors E1-QW1-C comme transistor bipolaire et le puits QW2 en couche active laser, qui émet une lumière de longueur d'onde B2, commandée par le courant de base iBi. La structure selon l'invention permet d'alimenter ce laser bicolore en courant faible1 avec amplification par effet transistor. La figure 4 représente, en vue dans l'espace, une structure simplifiée de laser bicolore selon l'invention. Cette structure verticale est obtenue par épitaxie sur un substrat de GaAs ou InP, selon la longueur d'onde envisagée, inférieure ou supérieure à 1 micromètre: bien que le matériau soit dit semiconducteur, on préfère que le substrat soit semiisolant, pour des applications hyperfréquences ce qui amène à établir le contact E2 sur le coté de la couche E2, et non pas sous le substrat, ce qui reste néanmoins un cas possible dans le cas où celui-ci est conducteur. L'épitaxie des couches de matériaux semiconducteurs se fait dans l'ordre E2-QW2-C-QW1-E1, et elle est suivie de plusieurs opérations de masquages et de gravures destinées à supprimer une partie des couches en surface de façon à pouvoir déposer des métallisations de prises de contacts sur des couches inférieures. Ces opérations de gravures se font selon une direction générale parallèle aux cavités de Fabry-Perot et aux faisceaux lumineux émis. La structure verticale du laser bicolore amène donc à avoir des métallisations déposées sur un côté des couches : les lasers sont à injection latérale. Plutôt que de gravures alternées des deux côtés de l'axe d'émission, on peut avoir des gravures d'un seul côté, et les métallisations E1-B1-B2-E2 étagées en marches d'escalier. II est évident pour l'homme de l'art que les couches de matériaux semiconducteurs peuvent être plus complexes que représentées, notamment les deux puits quantiques, et que les rubans doivent être définis par l'une des nombreuses méthodes connues, telle que l'impiantion ionique par exemple. Néanmoins, il est avantageux que les couples de matériaux à large bande interdite (E1,C,E2) et à faible bande interdite (QW1, QW2) présentent une forte discontinuité de bande de valence, de façon à limiter: - le courant de fuite de trous base-émetteur limitant les performances du transistor bipolaire, - le courant de fuite de trous d'une couche laser vers le collecteur, diminuant l'injection utile de trous pour l'inversion de population, et diminuant ainsi les performances du laser. Le laser bicolore selon l'invention est utilisé dans les systèmes de télécommunication ou de traitement de données. REVENDICATIONS 1- Laser semiconducteur bicolore, comportant deux puits quantiques (QW1,QW2) émettant chacun un rayonnement lumineux à une longueur d'onde (I,) qui lui est propre, ce laser étant caractérisé en ce qu'il a une structure verticale, les deux puits quantiques (QW1,QW2) étant l'un au dessus de l'autre par rapport au substrat. 2 - Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte trois couches de confinement (E1,C,E2) alternées avec les deux couches de puits quantiques (QW1 ,QW2), dont une première (QWl) fonctionne en couche active émettrice d'un rayonnement laser (X1) tandis qu'une deuxième (QW2) sert de base (B2) à un transistor bipolaire formé avec les deux couches de confinement (E2,C) qui la jouxtent, le dit transistor (E2,B2,C) servant de source de courant pour le dit puits quantique (QW1) qui fonctionne en laser (ho). 3 - Laser selon la revendication 2 caractérisé en ce que les deux couches de confinement externes (E1,E2) constituent chacune un émetteur pour un transistor dont le collecteur est la couche de confinement (c) commune aux deux puits quantiques (QW1,QW2). 4 - Laser selon la revendication 3, caractérisé en ce que sa structure est symétrique, et en ce qu'il émet un rayonnement lumineux alternativement, soit par le premier puits quantique (QW1), soit par le second puits quantique (QW2), par la seule permutation des polarisations appliquées sur les couches de confinement externes (E1,E2) et sur les puits quantiques (QW1,QW2). 5 - Laser selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'émission d'un rayonnement lumineux laser (X1) par un premier puits quantique (QW1) est commandée par la tension appliquée sur le second puits quantique (QW2) utilisé comme base (B2) d'un transistor bipolaire (E2,QW2,C). 6 - Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que les matériaux à large bande interdite formant les couches de confinement (E1,C,E2) présentent une forte discontinuité de bande de valence avec les matériaux à faible bande interdite formant les puits quantiques (QW1,QW2). 7 - Laser selon la revendication 6, caractérisé en ce que la longueur d'onde (X) émise par chacun des deux puits quantiques (QW1,QW2) est réglée par la composition du puits quantique, et par l'épaisseur (e) du dit puits. 8 - Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux puits quantiques (QW1,QW2) sont à injection latérale, par l'intermédiaire de métallisations de prises de contacts (B1,B2) déposées latéralement sur des fractions des couches des puits quantiques (QW1,QW2) après gravure des couches supérieures.