Brevet FR2750804A1 — publié le 19980109

PROCEDE DE FABRICATION D'UN LASER A EMISSION PAR LA SURFACE L'invention concerne les lasers semi-conducteurs appelés "lasers à émission par la surface" ou "VCSEL" (de l'anglais: "Vertical Cavity Surface Emitting Laser"). Ces lasers sont réalisés à partir d'un substrat composé d'un alliage semi-conducteur de type III-V tel que l'arséniure de gallium GaAs ou le phosphure d'indium InP. Contrairement aux lasers semi-conducteurs classiques, l'émission de lumière s'effectue perpendiculairement à la surface de la couche active et dans la même direction que l'injection de courant électrique entretenant l'effet laser. Ainsi, dans le cas d'un substrat InP, le composant est essentiellement constitué d'une cavité15 résonnante délimitée par deux miroirs diélectriques ou semi- conducteurs opposés. La cavité résonnante est formée d'une couche d'InP dopée p, d'une couche active quaternaire GaInAsP non dopée et d'une couche d'InP dopée n. L'injection de courant s'effectue par l'intermédiaire de deux électrodes20 disposées de part et d'autres de la cavité résonnante. Lorsque le miroir est composé d'un matériau diélectrique, au moins une des électrodes est nécessairement placée à côté ou plus généralement autour de ce miroir. Le bon rendement d'une telle structure est conditionné par un confinement suffisant de la couche active, aussi bien du point de vue optique qu'électrique. Pour cela, on peut choisir une structure o la couche active est enterrée dans un milieu possédant un plus faible indice de réfraction. Si la couche active est de plus enterrée dans30 un milieu dopé p à la frontière du milieu n, on obtiendra également un confinement électrique dû à la tension de seuil de la jonction p-n qui entoure la couche active. Pour réaliser des lasers à forte puissance, à émission continue et fonctionnant à température ambiante, il est nécessaire de renforcer le confinement électrique afin d'améliorer le rendement et de diminuer l'échauffement du composant. Une solution à ce problème a été proposée dans l'article: "Continnous Wave GaInAsP/InP Surface Emitting Lasers with a Thermally Conductive MgO/Si Mirror ", Toshihiko BABA et al, Japanese Journal of Applied Physics, 5 Vol.33 (1994), Part 1, N 4A, avril 1994, pages 1905-1909. Dans cet article, il est proposé de placer une jonction bloquante s'appuyant tout autour de la couche active enterrée. Cette solution permet bien d'améliorer le confinement électrique. Toutefois, le rendement n'est pas10 optimal. En effet, les mesures et les simulations sur une telle structure montre que la densité de courant à travers la couche active n'est pas uniforme. Plus précisément, la densité de courant est plus élevée (dans un rapport de l'ordre de 4) à la périphérie de la couche active qu'à son15 centre. Il en résulte que l'effet laser ne peut être obtenu que sur un mode annulaire car la densité de porteur au centre est inférieure à celle requise pour atteindre le seuil laser. Une autre solution est décrite dans l'article " Ultralow threshold current vertical-cavity surface- emitting lasers obtained with selective oxidation ", G.M. Yang et al, ELECTRONICS LETTERS, 25 Mai 1995, Vol. 31, No.11, pages 886 à 888. La structure proposée comporte une couche active non enterrée au-dessus de laquelle est placée25 une couche de confinement de courant. Cette couche est réalisée à partir d'une couche continue d'arséniure d'aluminium à laquelle on fait subir une oxydation latérale contrôlée de façon à laisser une ouverture de courant située en dessous du miroir supérieur. Cette solution assure une30 bonne planéité de la surface recevant le miroir mais exige un contrôle délicat de l'étape d'oxydation latérale. Il est par ailleurs nécessaire de déposer ensuite une couche de protection en nitrure de silicium pour arrêter l'oxydation de la couche d'arséniure d'aluminium. 35 L'invention a pour but d'éviter les inconvénients des solutions précédentes en proposant un procédé facile à mettre en oeuvre et applicable quelle que soit la composition du substrat. Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un composant laser semi-conducteur à émission par la surface comprenant une cavité résonnante verticale formée sur un substrat constitué d'éléments III-V, ladite cavité contenant une couche d'injection de courant électrique munie d'une couche horizontale de confinement électrique disposée entre une couche active horizontale et un miroir délimitant la cavité, caractérisé en ce que la formation de ladite couche d'injection de courant comprend les étapes suivantes: - croissance au-dessus de la couche active d'une couche de sous-gravure transparente à la longueur d'onde de fonctionnement dudit composant, - au moins une croissance d'éléments III-V dopés sur ladite couche de sous-gravure, - formation d'une mesa centrée par rapport à l'emplacement prévu pour ledit miroir et dont les parois latérales laissent apparaitre ladite couche de sous-gravure et - gravure latérale contrôlée de la couche de sous-gravure pour former ladite couche de confinement électrique. Cette couche de confinement aura donc la forme d'un diaphragme ayant pour effet de concentrer les lignes de courant traversant la couche active sur une zone délimitée située à l'aplomb du miroir supérieur. Le procédé proposé présente d'abord l'avantage d'éviter tout problème de planéité des couches semi-conductrices situées entre le diaphragme et le miroir. En outre, le fait que la couche de30 confinement électrique soit réalisée par gravure latérale assure une parfaite isolation électrique tout autour du diaphragme. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, cet ajustement est grandement facilité en prévoyant en outre que les parois latérales de la mesa sont formées de quatre plans verticaux orientés à environ 45 degrés des plans de clivage du substrat. En effet, contrairement aux autres plans cristallographiques des alliages III-V, ceux qui sont orientés à 45 degrés des plans de clivage ont des propriétés de gravure identiques. Il en résulte que la gravure de la couche de sous-gravure est plus rapide et sa profondeur est la même dans les quatre directions, ce qui autorise une précision accrue quant à la forme et aux dimensions du10 diaphragme de confinement. Selon un cas particulier de réalisation, les parois latérales de la mesa sont de mêmes dimensions, ce qui améliore la précision de gravure. Dans les lasers à émission par la surface, on prévoit15 généralement une couche de contact située en dessous du miroir et servant d'interface avec l'électrode qui entoure ce miroir. Or, avec les types de substrat utilisés et compte tenu des propriétés optiques et électriques imposées, la composition de cette couche de contact a souvent des20 propriétés de gravure voisines de celles de la couche de sous-gravure,. Dans ce cas et pour éviter de devoir former la couche de contact après celle de confinement, on prévoira avantageusement que la formation de la mesa comprend: - une première étape de gravure n'attaquant pas la couche de sous-gravure mais laissant apparaître ladite couche de contact, - un dépôt sur ladite couche de contact d'une couche de protection ayant des propriétés de gravure différentes de celles de la couche de sous-gravure et30 - au moins une seconde étape de gravure faisant apparaître la couche de sous-gravure. Selon un aspect supplémentaire de l'invention, le dépôt de la couche de protection est précédé par une légère gravure latérale de la couche de contact. Cette disposition35 permet d'améliorer la fixation de la couche de protection sur les parois verticales de la mesa. D'autres aspects et avantages de l'invention apparaîtront dans la suite de la description en référence aux figures. - Les figures 1 à 9 illustrent les principales étapes de fabrication du laser selon l'invention; - la figure 10 est une vue en coupe du laser obtenu par le procédé selon l'invention; - la figure 11 est une vue de dessus montrant la forme de la couche de confinement. Les étapes de fabrication qui vont être décrites sont données dans le cas particulier d'un substrat d'InP. Cependant, le procédé pourrait être appliqué à tout autre substrat composé d'éléments III-V tel que l'arséniure de gallium GaAs.15 Comme représenté à la figure 1, on a déposé successivement sur un substrat 1 de phosphure d'indium dopé n une couche d'arrêt de gravure b, une couche 2 de même composition que le substrat, une couche active CA constituée d'un alliage quaternaire InGaAsP non dopé dont la20 composition définit la longueur d'onde caractéristique de la couche active, une couche 3 de phosphure d'indium dopé p, une couche de sous-gravure a, une couche 4 de phosphure d'indium dopée p. une couche de contact c composée d'un alliage ternaire InGaAs ou quaternaire InGaAsP fortement25 dopé p et enfin une couche métallique k composée par exemple d'un alliage d'or et de platine. L'ensemble des couches 3,a,4,c constitue une couche d'injection de courant IC destinée à conduire le courant électrique issu de l'électrode supérieure entourant30 un miroir correspondant. La couche de sous-gravure a est composée d'un alliage quaternaire InGaAsP dont la composition assure une longueur d'onde caractéristique inférieure à celle de la couche active CA. On choisira aussi une composition qui35 confère à cette couche des propriétés de gravure différentes de celle des couches voisines 3 et 4. Comme le montre la figure 2, on effectue ensuite une gravure de la couche métallique k pour former une ouverture 6 définissant l'emplacement et la forme du miroir supérieur. On recouvre alors l'ensemble du composant d'une 5 couche de protection 5. La couche 5 est par exemple constituée de silice SiO2 ou de nitrure de silicium Si3N4. Conformément à la figure 3, on effectue une gravure, par exemple par ions réactifs (R I E), de la couche à travers un masque de résine de façon à commencer la formation d'une mesa m. Un usinage ionique de la couche de métal k permet d'augmenter la hauteur de la mesa de façon à atteindre la couche de contact c. Le résultat obtenu apparaît sur la figure 4. Après avoir retiré le masque de résine, on grave par R I E la couche de contact c et une partie de la couche 4 de façon à dégager latéralement la couche c. On effectue ensuite une légère sous- gravure de la couche de contact c par un procédé de gravure humide de façon à former une zone d'ancrage 7 (voir figure 5).20 Conformément à la figure 6, on recouvre la plaquette d'une nouvelle couche de protection 8 réalisée par un dépôt isotrope d'un matériau de protection tel que de la silice. Ce dépôt peut être effectué par le procédé P E C V D (dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma). Puis, comme le montre la figure 7, on effectue une gravure anisotrope du matériau de protection de façon à éliminer la couche 8 des surfaces horizontales de la plaquette, sans toutefois la retirer des parois verticales 9 de la mesa m. On utilise par exemple une gravure par ions30 réactifs (R I E). Une gravure R I E non sélective de la plaquette utilisant comme masque la silice recouvrant la mesa m permet alors de dégager les extrémités latérales de la couche de sous-gravure a à l'aplomb des parois verticales 9. La zone35 d'ancrage 7 a pour effet de renforcer l'adhérence de la couche de silice 8 recouvrant la paroi 9. On effectue ensuite une gravure sélective contrôlée de la couche de sous-gravure a de façon à former la couche de confinement de courant constituée d'un diaphragme a2 et de sa périphérie gravée ai, comme le montre la figure 8. Cette gravure 5 contrôlée peut être réalisée par voie humide avec une solution 3H2SO4/H202/H20. On élimine ensuite la silice subsistant sur la mesa (figure 9). La forme finale du composant apparaît en coupe sur la figure 10. Elle est obtenue après un dépôt d'une couche de passivation 10 constituée par exemple de nitrure de silicium jouant le rôle d'isolant électrique. On dépose ensuite le miroir supérieur MS et on recouvre l'ensemble d'un revêtement conducteur 11 constitué par exemple d'une fine couche d'or (0,2gm) sur laquelle est déposé une barrière de diffusion de soudure composée par exemple d'un mélange de titane, de tungstène et d'or. Pour terminer la fabrication, on effectue ensuite une gravure de la partie inférieure du substrat jusqu'à la couche d'arrêt de gravure20 b, on forme le miroir inférieur MI et on place l'électrode inférieure k'. Comme nous l'avons signalé précédemment, le choix des plans d'orientation des parois verticales de la mesa m ont une importance en ce qui concerne l'opération de gravure25 contrôlée de la couche de sous- gravure a. La figure 11 montre une vue de dessus de la couche de confinement en relation avec les plans cristallographiques du substrat. Conformément à une des conventions usuelles, la face horizontale du substrat est orientée selon le plan30 cristallographique (001). Ainsi, en orientant les parois verticales de la mesa selon les directions (100) et (010), on définit des plans orientés à 45 degrés des plans de clivage du substrat et ces plans présentent des propriétés de gravure identiques.35 La couche de confinement représentée est constituée d'un diaphragme carré a2 entouré de la partie sous-gravée al également délimitée par un carré. Pour obtenir cette structure, il suffit que le masque de résine définissant la mesa (figure 3) soit également carré. Cela implique que les parois verticales de la mesa sont 5 identiques. Quelques données de dimensionnement sont enfin indiquées à titre d'illustration: - épaisseur de la couche active CA: 0,7 gm - épaisseur de la couche de sous-gravure a: 0,1 gm - épaisseur de la couche d'arrêt de gravure b: 0,1 gm - épaisseur de la couche de contact c: 0,2. m épaisseur de la couche d'injection de courant CI: 3 Nm - épaisseur de la couche métallique k: 0,2 Nm - largeur de la mesa m: 12 à 20 Nm - largeur de la zone d'ouverture 6: 6 à 10 gm - longueur d'onde caractéristique de la couche active: 1,3 ou 1,5 pm - longueur d'onde caractéristique de la couche de sous- gravure a: 1,18 gm Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au seul mode de réalisation qui vient d'être décrit. En particulier, le dépôt de la couche métallique k peut être effectué vers la fin du procédé en utilisant une technique dite de "lift" pour découvrir la zone du miroir en regard du25 diaphragme. REVENDICATIONS 1) Procédé de fabrication d'un composant laser semi- conducteur à émission par la surface comprenant une cavité résonnante verticale formée sur un substrat constitué d'éléments III-V, ladite cavité contenant une couche d'injection de courant électrique (IC) munie d'une couche horizontale de confinement électrique (ai, a2) disposée entre une couche active horizontale (CA) et un miroir (MS)10 délimitant la cavité, caractérisée en ce que la formation de ladite couche d'injection de courant (IC) comprend les étapes suivantes: - croissance au-dessus de la couche active (CA) d'une couche de sous-gravure (a) transparente à la longueur d'onde de fonctionnement dudit composant, - au moins une croissance d'éléments III-V dopés sur ladite couche de sous-gravure (a), - formation d'une mesa (m) centrée par rapport à l'emplacement prévu pour ledit miroir (MS) et dont les parois latérales (9) laissent apparaître ladite couche de sous-gravure (a) et - gravure latérale contrôlée de la couche de sous-gravure (a) pour former ladite couche de confinement électrique (al,a2). 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites parois latérales (9) de la mesa (m) sont formées de quatre plans verticaux orientés à environ 45 degrés de plans de clivage du substrat.30 3) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites parois latérales ont la même dimension. 4) Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite couche d'injection de courant (IC) comportant une couche de contact (c), ayant des propriétés de gravure voisines de celles de la couche de sous-gravure (a) et étant placée au- dessus de celle-ci, ladite formation de la mesa (m) comprend: - une première étape de gravure n'attaquant pas la couche de sous-gravure (a) mais laissant apparaître ladite couche de contact (c), - un dépôt sur ladite couche de contact (c) d'une couche de protection (8) ayant des propriétés de gravure différentes de celles de la couche de sous-gravure (a) et10 - au moins une seconde étape de gravure faisant apparaitre la couche de sous-gravure (a). ) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dépôt de ladite couche de protection (8) est précédé par une légère gravure latérale (7) de la couche de contact (c). 6) Procédé selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que le dépôt de ladite couche de protection (8) consiste en un dépôt isotrope d'une couche de20 matériaux de protection sur toute la surface du composant suivie par une gravure anisotrope pour éliminer ladite couche de matériaux de protection des faces horizontales du composant. 7) Procédé selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que ladite couche de protection (8) est constituée de silice. 8) Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit substrat étant constitué de phosphure d'indium, ladite couche de sous-gravure (a) est constituée d'un composé quaternaire de phosphore, d'indium, de gallium et d'arsenic.