Brevet FR2707809A1 — publié le 19950120

LASER A SEMI-CONDUCTEUR A MODULATION EN GAIN La présente invention concerne un laser à semi-conducteur à modulation en gain et le processus de fabrication qui s'y rapporte. Les lasers à semi-conducteur conventionnels sont multimodes, c'est-à-dire qu'ils émettent en général des radiations présentant un pic d'intensité à une fréquence prédéterminée et un certain pourcentage de la puissance totale à des fréquences voisines. Ces lasers présentent l'inconvénient que le pourcentage de puissance de ces émissions secondaires croît lorsqu'il faut faire croître la puissance optique de sortie et que par conséquent, l'injection de courant dans le laser croît. En outre, lorsque la fréquence de modulation est très élevée, il se produit une légère variation dans la fréquence de l'émission. Ces inconvénients causent des limitations dans l'emploi de ces lasers aux puissances élevées et aux fréquences de fonctionnement élevées. Il existe certaines méthodes connues pour éliminer ces inconvénients et obtenir ainsi des lasers monomodes. Par exemple, comme décrit dans l'ouvrage intitulé "Long- wavelength semiconductor/semi-conducteur à grande longueur d'onde" par G. P. Agrawal et N.K. Dutta, Van Nostrand Reinhold Company, New York, il existe des lasers dits DFB (Distributed-FeedBack/à rétroaction répartie) qui sont construits de façon à mettre en valeur une sélectivité capable d'éliminer les émissions secondaires par variation de l'indice de réfraction le long de l'élément actif. On connait un autre type de laser comme par exemple celui décrit dans l'article "Gain-Coupled DFB Laser in GaAs and InP Based Materials/Lasser à rétroaction répartie à couplage de gain dans des matériaux à base de GaAs et InP" par Y. Nakano, K. Tada, Y. Luo, H. Hosomatsu, T. Oki, H. Iwaoka, publié dans les comptes rendus de la Z12eme Conférence Européenne sur les communications Optiques, Paris 1991, o les couches de confinement optique changent périodiquement de façon à absorber la lumière de façon sélective. Les deux types ne résolvent le problème que partiellement, mais ils donnent naissance à d'autres problèmes du fait que, étant des structures essentiellement basées sur des principes d'absorption, ils aboutissent à des lasers à faible rendement de conversion courant-lumière et à courant de seuil plus élevé qu'habituellement, c'est-à-dire qu'il est nécessaire d'injecter davantage de courant pour obtenir une puissance optique prédéterminée. Un but de l'invention est de proposer un laser monomode, c'est-à-dire capable de réduire dans une large mesure les émissions secondaires, présentant un coefficient de conversion élevé et un très faible courant de seuil. On atteint ce but avec un laser à semi-conducteur comportant un substrat et un élément actif situé parmi plusieurs couches de confinement optique, caractérisé par le fait que ledit élément actif présente une variation longitudinale périodique de la bande interdite et avec un processus caractérisé par le fait par le fait que pour réaliser l'implantation d'ions on utilise un masque constitué d'une couche de confinement optique convenablement mis en forme par enlèvement partiel de matériau. De préférence, on réalise la variation longitudinale périodique de la bande interdite au moyen d'une implantation d'ions. De préférence, pour réaliser l'implantation d'ions, on utilise un masque obtenu par un processus holographique. De préférence, on procède à un traitement thermique pour la reconstruction du réseau cristallin. De préférence, on fait croître à nouveau une couche de confinement optique. En procéd ant à une variation périodique de la bande interdite de l'élément actif on réalise une modulation en gain positive grâce à laquelle le laser n'est pas soumis aux déficiences liées au faible rendement des lasers connus. En outre, l'emploi des processus connus rend facile la construction de ce type de structure. On va maintenant décrire l'invention plus en détail en se référant aux figures des dessins joints et elle apparaîtra mieux à partir de la description de sa réalisation prise en liaison avec lesdites figures dont: - la figure i illustre la structure du laser conforme à une réalisation de la présente invention; - la figure Z représente la première croissance épitaxiale; - la figure 3 représente un réseau de diffraction de période déterminée obtenu par processus holographique ou lithographique; - la figure 4 représente le transfert du réseau holographique sur le semi-conducteur et le processus d'implantation d'ions qui vient à la suite; - la figure 5 représente la recristallisation des régions implantées; - la figure 6 représente la formation de la bande pour la définition latérale de la couche active; - la figure 7 représente la seconde croissance épitaxiale. La figure 1 représente la structure du laser conforme à une réalisation de la présente invention. La structure comporte un substrat sur lequel on fait croître les couches suivantes: une couche CLI pour l'isolation physique et pour former le guide d'ondes optiques; une couche de confinement optique GUi de dimension inférieure à la couche précédente; une couche active de format quantique QACT dans laquelle le matériau qui la forme présente une variation périodique longitudinale dans la bande interdite, une seconde couche de confinement optique GUZ de même dimension que GU1; une seconde couche pour isolation physique CL2 formant un guide d'ondes couvrant toute la structure obtenue jusqu'ici; une couche de contact CONT comparable en dimension à la couche GU1 et enfin une couche de contact ohmique OHM couvrant toute la structure. Le processus de fabrication du laser débute, comme représenté sur la figure 2, par la croissance épitaxiale, sur un substrat SU constitué de GaAs, des couches suivantes: une couche de InGaP, CL1, dopée N (ou dopée P) d'épaisseur convenable pour créer, avec la couche GU1, une zone d'isolation physique et pour former le guide d'ondes optiques entre le substrat SU et la couche active QACT et de bande interdite désignée par El; une couche guide de InGaAsp, GU1, conçue pour la création d'une couche de confinement électrique et optique; une couche active de format quantique QACT formée par un alliage de InGaAs non dopé, de composition et d'épaisseur convenant pour l'émission stimulée de photons à la longueur d'onde désirée; une couche guide GUZ de même composition que la couche GUi; et enfin une couche de GaAs, GR, d'épaisseur étudiée pour contenir le transfert d'un réseau de diffraction holographique d'épaisseur normalement comprise entre quelques dixièmes et quelques centièmes de nanomètres et pouvant en outre éviter la contamination des couches sous-jacentes. Comme on peut le voir sur la figure 3, on définit un réseau de diffraction en vernis photosensible PH01 qui sera utilisé pour la modification longitudinale périodique de la couche active laser; dans les régions non protégées par le vernis photosensible PHO1, une partie de la couche GR s'enlève alors par radiation ionique ou par gravure chimique. Cette opération n'est pas strictement nécessaire étant donné qu'il est possible de procéder à l'étape suivante uniquement avec la couche de protection GR. Sur la figure 4 on peut voir que l'on soumet la structure résultante à une implantation d'ions d'hélium (ou d'argon, ou d'arsenic) pour intéresser périodiquement le format quantique sur la couche active QACT. La présence d'un réseau de diffraction holographique transféré sur le semi-conducteur permet la modulation en profondeur du profil des espèces implantées (schématiquement indiquée par une ligne brisée sur la figure 4), ce qui se traduit par le fait que les éléments implantés viennent périodiquement toucher la couche active de format quantique QACT. Le dommage causé périodiquement à la couche de format quantique QACT diminue la stabilité thermique par rapport à l'interdiffusion des constituants dans les régions endommagées. La figure 5 représente la structure déjà soumise à un traitement thermique convenable grâce auquel les régions implantées sont ramenées à la perfection cristalline d'origine et, en même temps, les éléments formant la couche active de format quantique QACT, dans les régions soumises à des dommages provoqués par l'implantation, donnent naissance à une interdiffusion dans les couches adjacentes GU1 et GU2. Ceci se traduit en une modification locale du profil du potentiel de la couche quantique QACT, c'est-à-dire en une croissance de la bande interdite, désignée par E2, périodiquement modulée selon la direction longitudinale du laser. Au cours du fonctionnement du dispositif, les régions de la couche active de format quantique QACT qui ne sont pas touchées par le processus d'implantation d'ions vont montrer des courbes de gain centrées tout près de la bande interdite El, et, de même, les régions touchées par l'implantation d'ions vont montrer des courbes de gain centrées tout près de la bande interdite E2. On réalise de cette façon la modulation longitudinale du gain (ou "modulation en gain"), sur laquelle est basé le principe du fonctionnement de ce dispositif laser. En outre, au cours du processus thermique de reconstruction, la couche GR en vient à être thermiquement plane et donc à convenir pour le processus de formation, qui vient à la suite, de la bande pour la définition latérale de la couche active comme représenté sur la figure 6. Grâce aux techniques photolithographiques, la bande de vernis photosensible PH02, confinant la couche active, est définie et de cette façon le processus aboutit à un auto-alignement. La figure 7 représente que sur la structure ainsi obtenue on procède à une seconde croissance épitaxiale d'une couche de InGaP, CL2, dopée P (ou N), d'une épaisseur convenant pour créer, avec la couche GU2, une isolation physique et pour former le guide d'ondes entre la couche de contact CONT et la couche active QACT. La couche de contact est faite de GaAs pour faciliter la formation du contact ohmique ultérieur. La figure 1 représente la structure finale d'une réalisation de l'invention o on achève le dispositif par évaporation sous vide et traitement thermique des contacts ohmiques OHM qui permettent la connexion du laser avec l'extérieur. Le processus décrit ici utilise des techniques simples bien connues de l'homme de l'art. On a décrit une réalisation de l'invention mais des dispositifs présentant ces caractéristiques peuvent également s'obtenir d'autres façons, par exemple en utilisant d'autres alliages des éléments Ga, As, In P, AI au lieu des matériaux précités. REVENDICATIONS 1. Laser à semi-conducteur comportant un substrat et un élément actif situé parmi plusieurs couches de confinement optique, caractérisé par le fait que ledit élément actif présente une variation longitudinale périodique de la bande interdite. 2. Processus de construction de lasers à semi-conducteur comportant un substrat et un élément actif situé parmi plusieurs couches de confinement optique, caractérisé par le fait que l'on réalise la variation longitudinale périodique de la bande interdite au moyen d'une implantation d'ions. 3. Processus de construction de lasers à semi-conducteur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que, pour réaliser l'implantation d'ions, on utilise un masque obtenu par un processus holographique. 4. Processus de construction de lasers à semi-conducteur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que pour réaliser l'implantation d'ions on utilise un masque constitué d'une couche de confinement optique convenablement mis en forme par enlèvement partiel de matériau. 5. Processus de construction de lasers à semi-conducteur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'on procède à un traitement thermique pour la reconstruction du réseau cristallin. 6. Processus de construction de lasers à semi-conducteur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'on fait croître à nouveau une couche de confinement optique.