Brevet FR2742926A1 — publié le 19970627

PROCEDE ET DISPOSITIF DE PREPARATION DE FACES DE LASER La présente invention concerne la préparation des faces des lasers à base de composés III-IV, et en particulier des lasers de pompe GaAs/GaAlAs à 0,984m. C'est cet exemple qui sera explicité dans la suite, à titre indicatif et nullement limitatif. Une limitation importante de la durée de vie des lasers GaAs/GaAlAs est due à la détérioration brutale et irréversible des faces. L'origine de ce phénomène est attribuée à un processus qui met en jeu une cascade d'événements et en particulier la recombinaison des porteurs sur les zones des faces comportant des défauts, la réduction de la largeur de bande interdite dans ces zones, consécutive à l'échauffement provoqué par la recombinaison des porteurs, et enfin l'absorption optique croissante du rayonnement émis par le laser, consécutive à la réduction de la largeur de bande. Ces phénomènes, qui contribuent à un échauffement accéléré des faces du laser, conduisent finalement à la destruction irréversible des faces du laser. Cette20 destruction a reçu, dans la terminologie anglaise, le nom de COD (Catastrophic Optical Damage). Cette destruction a été observée et étudiée en détail notamment dans le document "Degradation Behavior of 0.98um Strained Quantum Well In GaAs/AlGaAs Lasers Under High Power25 Operation" par Mitsuo Fukuda, Masanobu Okayasu, Jiro Temmyo et Jun-ichi-Nakano, IEEE, Journal of Quantum Electronics, Vol. 30 n 2, Février 1994, p. 471-476. Un des problèmes posé est donc de minimiser la recombinaison des porteurs sur les faces du laser. Cette recombinaison est stimulée par la présence d'oxydes, qui se forment pendant ou après les étapes technologiques associées à la réalisation des faces. Il a été proposé, pour minimiser l'oxydation, de réaliser les faces du laser par clivage sous ultra-vide (de l'ordre de 10-12 mbar) et de procéder au dépôt d'une couche de passivation. La mise en oeuvre de cette technique nécessite un investissement important conduisant à des prix de fabrication élevés. Un premier but de la présente invention est de réaliser un procédé de préparation des faces qui soit économique. Il a été proposé de réaliser la couche de passivation par évaporation thermique de silicium. Cette technique d'évaporation a pour inconvénient de nécessiter une durée10 très élevée, par exemple de l'ordre d'une heure pour obtenir une couche de passivation de l'ordre de 5 à 10 angstrôms. En outre, les atomes de silicium, dans cette technique, arrivent avec une faible énergie et s'accrochent mal. Enfin, dans cette technique, il est nécessaire de réaliser15 l'opération avec une pression partielle d'oxygène très faible pour éviter le dépôt d'oxygène en même temps que de silicium. Il a été calculé que si on souhaite obtenir un dépôt avec un seul atome d'oxygène pour 1000 atomes de silicium, il est nécessaire d'abaisser la pression partielle20 d'oxygène au-dessous de 10-12 mbar, ce qui est prohibitif et ramène aux difficultés évoquées précédemment. Un deuxième but de l'invention est de choisir un procédé de passivation qui permette un dépôt de matériau de passivation suffisamment rapide pour avoir une proportion25 d'oxygène suffisamment faible sans nécessiter l'obtention d'une pression partielle d'oxygène trop faible. Il a été décrit, dans l'article "Novel technique for fabricating Non Absorbing Mirror Laser", par Gabgyu Lim, Jaeho Lee, Gueorugi Park et Taeil Tim, XIV IEE Semiconductor30 Laser Conference, 19-23 septembre 1994, l'emploi d'un laser excimère pour traiter les faces d'un laser venant d'être clivées par un recuit. Ce document ne mentionne pas les énergies de traitement des faces. Un troisième but de la présente invention est de définir des conditions opératoires permettant d'obtenir les meilleurs résultats. L'invention a pour objet un procédé de préparation de faces de laser à base de composés III-IV, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: 1. on ouvre les faces du laser, 2. on soumet lesdites faces du laser, placées dans une enceinte o règne une pression de l'ordre de 10-7 à 10-8 mbar, à une phase de décapage par irradiation par un laser pulsé, 3. on soumet lesdites faces, à l'aide du même laser pulsé à une dépôt de silicium Si ou de nitrure de gallium GaN par la méthode dite d'ablation laser, jusqu'à obtention d'une épaisseur comprise entre 2 et 20 angstrôms. Avantageusement, l'opération 2 est effectuée dans la même enceinte que l'opération 1. Lorsque le dépôt est du nitrure de gallium, ce dépôt s'effectue par ablation laser d'une cible de gallium liquide dans une atmosphère d'azote avec création d'un plasma ECR. Selon une autre caractéristique de l'invention, on soumet lesdites faces à un dépôt supplémentaire d'un film transparent à la longueur d'onde du laser à traiter et étanche à l'oxygène, tel que le carbone DLC, le carbure de silicium SiC ou le nitrure de silicium Si3N4, réalisé avec le même laser pulsé fonctionnant sous une fluence de 1 à 5 J/cm2, jusqu'à obtention d'une épaisseur de quelques25 dizaines d'angstrôms. Avantageusement, ledit dépôt supplémentaire est effectué dans la même enceinte que celle de l'opération de décapage. Dans un mode particulier de mise en oeuvre du procédé, le laser pulsé est un laser à excimère fonctionnant avec des impulsions de durée comprise entre 10 et 30 nanosecondes à une cadence comprise entre 10 et 100Hz. En variante, le laser pulsé est un laser YAG dopé au néodyme fonctionnant avec des impulsions de durée comprise entre 4 et 6 nanosecondes à une cadence comprise entre 10 et Hz. Lorsque le laser traité est un laser de pompe GaAs/GAAsAl à 0,98um, la fluence du laser, lors de l'opération de décapage, est comprise entre 70 et 120 mJ/cm2. La fluence du laser, lors de l'opération de passivation, est alors comprise entre 1 et 5 J/cm2. L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon les revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend: - une enceinte dans laquelle est maintenue une pression comprise entre 10- 7 et 10-8 mbar et contenant notamment un support pour barreau laser dans lequel des faces de laser ont été taillées et sont à traiter, un moyen pour permettre le pivotement du support, au moins un support15 de cible pour traitement par la technique d'ablation laser, ladite enceinte comportant au moins une fenêtre optique pour le passage d'un rayon laser, - et, à l'extérieur de ladite enceinte, un laser muni de moyens de réglage de sa fluence, de sa cadence de tir et d'orientation de son faisceau sur les faces du laser à traiter ou sur la cible. Le procédé est décrit en regard du dessin ci-joint représentant schématiquement l'appareillage pour sa mise en oeuvre.25 Selon l'invention, les barrettes du laser dont les faces sont à traiter sont introduites dans une enceinte 1. Les faces ont été préalablement ouvertes dans le barreau laser GaAs/GaAlAs à 0,98im, par exemple par clivage sous atmosphère contrôlée (non oxydante, par exemple azote),30 ou par une technique collective chimique ou mécanique. En général, on traite un barreau comportant par exemple de 15 à lasers comprenant chacun des premières et des secondes faces. Les premières faces sont traitées simultanément, puis c'est le tour des secondes faces.35 Le barreau à traiter, référencé 2 dans la figure, est placé sur un support 3. Les faces 2A et 2B des lasers sont traitées successivement, et pour cela, le support 3 est muni de moyens non représentés permettant de le faire pivoter selon les angles souhaités lors du déroulement du procédé. Ces moyens sont simplement symbolisés dans la figure par la flèche courbe. L'enceinte est munie de moyens pour y créer le vide et maintenir un vide résiduel de l'ordre de 10-7 à 10-8 mbar par exemple. L'enceinte comprend au moins un autre support fixe 4 permettant de placer une cible destinée à réaliser une opération d'ablation laser. Au moins une partie de l'enceinte est réalisée en un matériau transparent au rayonnement d'un laser extérieur; cette portion est référencée 1A dans la figure.15 A l'extérieur de l'enceinte est disposé un laser 5 servant au procédé de traitement de l'invention; il est équipé de moyens de réglage de sa fluence, de sa cadence de tir et de son orientation pour que son faisceau atteigne soit les faces du laser à traiter, soit la cible pour20 l'ablation laser. Le procédé de l'invention est le suivant: le laser à traiter étant placé sur son support, on irradie ses faces par le rayonnement du laser pulsé, de manière à décaper la ou les couches d'oxyde sur ses faces, et éliminer tout25 contaminant éventuellement adsorbé. Le laser pulsé est par exemple du type à excimère fonctionnant aux longueurs d'onde de 356, 308, 248 ou 193 nanomètres. La durée des impulsions est alors de l'ordre de 30 nanosecondes. En variante, le laser pulsé est de type YAG quadruplé dopé au néodyme et permetant d'obtenir une longueur d'onde de 266 nanomètres; dans ce cas la durée des impulsions est comprise entre 4 et 6 nanosecondes.35 Dans les deux cas, selon l'invention, le domaine de fluence du laser est compris entre 70 et 120 mJ/cm2. Le nombre de tirs, qui dépend du laser utilisé et de la fluence choisie, sera compris entre 1000 et 20.000 avec une cadence comprise entre 10 et 100Hz. On notera que plusieurs barreaux laser peuvent être traités simultanément, selon la largeur du faisceau laser. La deuxième phase du procédé consiste à déposer sur les faces décapées un matériau de pasivation. Le matériau de passivation est de préférence le silicium, mais on peut utiliser aussi le nitrure de gallium GaN. Avantageusement, ce dépôt de passivation est effectué dans la même enceinte que celle qui a servi au décapage. De la sorte, aucune manipulation n'est nécessaire, ce qui contribue à réduire le coût de traitement. Selon l'invention, le dépôt de la couche de passivation est réalisé au moyen de la méthode dite d'ablation laser (en anglais PLD pour pulsed laser deposition). Selon une caractéristique du procédé de l'invention, on utilise le même laser 5 que pour le décapage; le laser à traiter 2 est orienté convenablement en face de la cible 4. Pour une passivation au silicium, on dépose sur la cible une pastille 6 de silicium. Le laser de traitement 5 est orienté pour viser la cible et sa fluence et sa cadence de tir sont ajustées.25 Les conditions de fluence sont cette fois de 1 à 5 J/cm2. Il suffit de quelques tirs pour obtenir un dépôt d'épaisseur comprise entre 2 et 20 angstrôms. On note que lorsque le matériau déposé est du silicium, en raison de la brièveté du traitement, il ne parvient que très peu d'atomes d'oxygène sur les faces à traiter bien que la pression partielle d'oxygène dans l'enceinte soit relativement élevée (entre 10-8 et 10-10 mbar). Lorsque le matériau déposé est du nitrure de gallium, le dépôt est réalisé de préférence en plaçant sur la cible du gallium liquide et en soumettant l'enceinte à une atmosphère d'azote avec une pression partielle d'azote de -3 à 10-1 mbar; de préférence un plasma ECR est créé dans la zone de dépôt pour générer de l'azote atomique qui s'incorpore plus facilement dans le film de passivation. Le traitement est terminé par une opération consistant à déposer sur les faces ayant reçu le traitement de passivation qui vient d'être décrit, une épaisseur de quelques dizaines d'angstrôms d'un matériau transparent à la longueur d'onde de 0,98,um et étanche à l'oxygène, tel que le10 carbone DLC, le carbure de silicium SiC ou le nitrure de silicium Si3N4. Cette opération est impérative lorsque la couche de passivation est du silicium; elle est facultative lorsque le dépôt de passivation est du nitrure de gallium GaN.15 On utilise pour cela la méthode d'ablation laser; pour le dépôt de carbone DLC, on placera sur le support 4 une cible de carbone pyrolitique; pour le dépôt de carbure de silicium, on placera sur le support 4 une cible de carbure de silicium; pour le dépôt de nitrure de silicium, on20 placera sur le support 4 une cible de silicium et on fera régner dans l'enceinte 1 une atmosphère d'azote sous faible pression, avec création d'un plasma ECR favorisant l'incorporation de l'azote grâce à la présence d'azote atomique.25 On règlera convenablement le laser 5 et on ajustera sa fluence entre 1 et 5 J/cm2. Quelques minutes suffisent pour obtenir l'épaisseur désirée qui est de quelques dizaines d'angstrôms. Là encore le traitement est de préférence effectué dans la même enceinte que précédemment. Grâce au procédé de l'invention, la durée de fonctionnement des lasers de pompe a été augmentée de manière sensible. Le procédé peut être facilement industrialisé pour conduire, pour les lasers de pompe à des35 prix de revient fortement abaissés. L'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit en détail mais s'applique à tous les lasers à base de composés III-IV. L'homme du métier saura, grâce à l'enseignement du présent mémoire, ajuster les paramètres caractéristiques REVENDICATIONS 1/ Procédé de préparation de faces de laser à base de composés III-IV, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: 1. on ouvre les faces du laser, 2. on soumet lesdites faces du laser, placées dans une enceinte o règne une pression de l'ordre de 10-7 à 10-8 mbar, à une phase de décapage par irradiation par un laser pulsé, 3. on soumet lesdites faces, à l'aide du même laser pulsé à une opération de passivation par un dépôt de silicium Si ou de nitrure de gallium GaN par la méthode dite d'ablation laser, jusqu'à obtention d'une épaisseur comprise entre 2 et 20 angstrôms.15 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce l'opération 2 est effectuée dans la même enceinte que l'opération 1. 3/ Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, lorsque le dépôt est du nitrure de gallium, ce dépôt s'effectue par ablation laser d'une cible de gallium liquide dans une atmosphère d'azote avec création d'un plasma ECR. 4/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on soumet lesdites faces à un dépôt supplémentaire d'un film transparent à la longueur d'onde du laser à traiter et étanche à l'oxygène, tel que le carbone DLC, le carbure de silicium SiC ou le nitrure de silicium Si3N4, réalisé avec le même laser pulsé fonctionnant sous une fluence de 1 à 5 J/cm2, jusqu'à obtention d'une épaisseur de30 quelques dizaines d'angstrôms. / Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit dépôt supplémentaire est effectué dans la même enceinte que celle de l'opération de décapage. 6/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le laser pulsé est un laser à excimère fonctionnant avec des impulsions de durée comprise entre 10 et 30 nanosecondes à une cadence comprise entre 10 et 100Hz. 7/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que laser pulsé est un laser YAG dopé au néodyme fonctionnant avec des impulsions de durée comprise entre 4 et 6 nanosecondes à une cadence comprise entre 10 et 100Hz. 8/ Procédé de préparation de faces de laser selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, lorsque le laser traité est un laser de pompede GaAs/GAAsAl à 0,98gm,10 la fluence du laser, lors de l'opération de décapage, est comprise entre 70 et 120 mJ/cm2. 9/ Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la fluence du laser, lors de l'opération de passivation, est comprise entre 1 et 5 J/cm2.15 10/ Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon les revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend: - une enceinte (1) dans laquelle est maintenue une pression comprise entre 10-' et 10-8 mbar et contenant notamment un support (3) pour barreau laser (2) dans lequel des faces de laser (2A, 2B) ont été taillées et sont à traiter, un moyen pour permettre le pivotement du support, au moins un support (4) de cible pour traitement par la technique d'ablation laser, ladite enceinte comportant au moins une25 fenêtre optique (1A) pour le passage d'un rayon laser, - et, à l'extérieur de ladite enceinte, un laser (5) muni de moyens de réglage de sa fluence, de sa cadence de tir et d'orientation de son faisceau sur les faces du laser à traiter ou sur la cible.