Brevet FR2770695A1 — publié le 19990507

LASER A RUBANS ET PROCEDE DE FABRICATION L'invention concerne un laser à rubans et son procédé de fabrication et notamment une barrette de lasers de puissance. L'invention concerne le domaine des sources laser de puissance à semiconducteur de type barrette, émettant dans le proche infrarouge. Les principaux domaines d'application sont les suivants: - le pompage optique des lasers solides; - I'industrie métallurgique (marquage, découpe, perçage, soudage, etc...); - les illuminateurs. La luminance (puissance optique émise rapportée à l'étendue géométrique : W.m .sr ) est un facteur de mérite important pour une source laser de puissance. Pour les sources constituées de diodes laser, la luminance dépend principalement de trois paramètres: . La densité de puissance optique admissible par la face-miroir émissive : pour des technologies courantes de faces-miroir, elle est de l'ordre de quelques MW.cm . La divergence très dissymétrique du rayonnement laser : elle dépend des caractéristiques du guide optique laser. On atteint couramment 10 pour la divergence parallèle à la jonction et entre 30 et 50 pour la divergence perpendiculaire. . La surface de l'émetteur : pour les barrettes du type quasi continu, on atteint actuellement des taux de remplissage voisins de 90 % pour la longueur émissive. Pour accroître la puissance disponible, on a recours à des structures bi dimensionnelles constituées d'empilements de barrettes (stacks arrays) présentant en contrepartie une luminance dégradée par rapport à celle de la barrette élémentaire. La dégradation résulte de l'éloignement entre barrettes. Pour des dispositifs standards, le pas de répétition de l'empilement est autour de 300-500 pm. Solutions connues : Typiquement, pour les sources destinées à un fonctionnement quasi-continu (0.1 à 20 % de rapport cyclique à des fréquences variant de 1 Hz à 1 KHz), les architectures actuelles de "stack arrays" délivrent des puissances optiques-crête ramenées à la surface de I'émetteur de l'ordre de 1 kW.cm La performance de luminance est limitée principalement par l'espacement entre barrettes qui est imposée par des impératifs thermiques. Pour des conditions de fonctionnement à faible cadence ( L'invention concerne une technologie simple de fabrication de barrettes laser sur un matériau constitué d'un empilement d'épitaxies laser associées électriquement par des jonctions tunnel Esaki. Elle a pour objet de structurer le matériau en rubans laser sur toute l'épaisseur de l'empilement, tout en maximisant le taux de remplissage (défini comme le rapport entre la largeur émissive et la largeur totale de la barrette) et en garantissant une bonne planarité pour le report efficace du dispositif sur l'ensemble dissipateur thermique. L'invention concerne donc un laser à rubans comportant: - un substrat dont une face est munie d'au moins un relief en creux ou en mesa de forme ruban; - plusieurs empilements de couches situés sur ladite face, chaque empilement comportant une première couche de confinement, une couche active laser, une deuxième couche de confinement; - une couche de contact située sur l'empilement supérieur, - une électrode située sur la couche de contact, les bords longitudinaux dudit relief réalisant un guidage optique longitudinal dans chaque couche active de chaque empilement. L'invention concerne également un procédé caractérisé en ce que la profondeur d'un creux est sensiblement du même ordre de grandeur que l'épaisseur de la première couche de confinement. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent: - la figure 1, un exemple de réalisation simplifié du laser selon l'invention; - la figure 2, un empilement de barrettes lasers selon l'invention; - la figure 3, un exemple de réalisation à base de GaAs/AIGaAs du laser selon l'invention. Un laser selon l'invention (voir figure 1) comporte un substrat dont la surface comporte au moins un relief 10 (un creux sur la figure 1) de forme allongée. Sur la surface du substrat est réalisé un ou plusieurs empilements de couches constitués chacun: - d'une couche de confinement 2 - d'une couche active laser 3 - d'une couche de confinement 4. sur l'empilement supérieur se trouve une couche de contact 5 et une électrode 6. L'électrode 6 et le substrat permettent l'injection d'un courant perpendiculairement au plan de la couche active de manière qu'il y ait création d'une photo-émission. Les différentes couches de l'empilement épousent la forme en creux 10 du substrat. Cette forme en creux se retrouve dans les couches actives 3 et 3' et détermine dans les zones 7 et 7' de ces couches actives des portions de rubans orientées selon l'axe X du creux. On obtient dans ces rubans un guidage latéral qui résulte d'un contraste d'indice sur les bords latéraux des zones 7 et 7' entre les couches actives et les couches de confinement 2, 2'. Ainsi, dans ce laser le courant électrique peut être injecté uniformément sur toute la surface du laser, sans confinement électrique. Les zones d'émission 7, 7' perpendiculaires à l'axe X sont définies par le guidage optique latéral des rubans. A titre d'exemple, la profondeur du creux 10 est de l'ordre de grandeur de l'épaisseur de la couche de confinement 2 (par exemple 1 lux). La figure 2 représente une forme de réalisation plus complète du laser selon l'invention. La surface du substrat comporte une succession de creux 10 et de mesas 1 1 parallèles. Un empilement de couches 2, 3, 4 réalisé sur cette face de substrat réalise plusieurs lasers rubans 7, 7'. Chaque laser ruban correspond à un creux ou une mesa. Sur la figure 2, on a représenté sur un premier empilement de couches 2, 3, 4, un deuxième empilement de couches 2', 3', 4' similaire au premier empilement. Ce deuxième empilement épouse sensiblement les reliefs de la face du substrat. Comme précédemment à chaque creux et à chaque mesa correspond dans la couche active du deuxième empilement un laser ruban. On a donc accolé aux lasers ruban 7 et 7' des lasers rubans 7" et 7"'. Comme décrit précédemment en se reportant à la figure 1,il n'y a pas de confinement électrique: le courant est injecté uniformément sur toute la surface de la barrette. Dans cette configuration, les fuites électriques (ne participant pas à l'émission laser) se propageant à travers les plans inclinés resteront marginales pour une structuration en rubans larges : pour des rubans de largeur 100 pm, le taux de fuite sera de l'ordre du % ou inférieur (proportion de surface passive) ce qui est tout à fait acceptable. Par ailleurs, entre chaque empilement de couches tel que 2, 3, 4 d'une part et 2', 3', 4' d'autre part on a prévu une jonction 8 de type Esaki ++ constituée de deux couches dopées n et p On va maintenant décrire un procédé de fabrication d'une structure de barrettes lasers empilées telle que celle de la figure 2. Etape n" 1: Réalisation à la surface d'un substrat de bandes en relief. Ces bandes peuvent être réalisées par attaque chimique. De préférence, ces bandes auront une orientation privilégiée selon le type de substrat et son orientation cristaliographique. A titre d'exemple, pour un substrat en GaAs orienté (100), I'axe des rubans sera orienté selon la direction ce qui permettra d'obtenir des reliefs avec des flancs faisant un angle de 54" avec la partie horizontale du substrat (attaque selon les plans (111 )A). Cette géométrie favorisera les reprises d'épitaxie et le contraste d'indice pour la séparation optique des rubans. Dans le cas d'un ruban en GaAs on utilisera par exemple pour l'attaque chimique une solution du type H2SO4: H2O: : H2O. La largeur des rubans réalisés sera par exemple comprise entre 50 et 100 um. Etape n" 2 : Croissance épitaxiale des empilements des couches laser (2, 3, 4)/jonctions Esaki par une technique de croissance en phase vapeur (MOCVD) ou par jet moléculaire (MBE, CBE) puis de la couche de contact 5. Etape n" 3: Métallisation du contact face-avant. On pourra graver au préalable la couche contact 5 des extrémités de barrette (voir extrémité droite de la figure 2) afin d'éviter l'injection dans les rubans extrêmes susceptibles d'être endommagés par la découpe latérale de la barrette. Etape n" 4 : Amincissement du substrat GaAs à une épaisseur de 100 pm. Etape n" 5: Métallisation du contact face-arrière. Etape n" 6 : Clivage des barrettes perpendiculairement à l'axe longitudinal X des rubans. Les étapes suivantes sont standards, elles concernent le traitement optique des faces et le montage des barrettes sur dissipateur. Au total, le procédé nécessite deux niveaux de masquage. L'invention concerne donc un procédé de réalisation d'une source laser à semiconducteur, de type barrette de puissance, présentant une luminance élevée, pour un fonctionnement pulsé ou quasi-continu dans le proche infrarouge (filières GaAs et InP). La forte luminance résulte de l'utilisation d'un empilement compact de couches laser associées électriquement par des jonctions tunnel Esaki. L'empilement pourrait comporter de façon réaliste au moins cinq étages émissifs avec un pas de répétition voisin de 3 pm (compris entre 2 et 6 lit). Le procédé de réalisation est basé sur une structuration en rubans laser de l'empilement épitaxial, réalisée à l'épitaxie. Cette structuration, définie au préalable par gravure du substrat de croissance, garantit le guidage optique latéral par contraste d'indice sur toute l'épaisseur de l'empilement, tout en maximisant le taux de remplissage. Avec de tels dispositifs, il est possible d'atteindre des densités de -2 puissance optique crête sur l'épaisseur de l'ordre de 100 kW.cm , ce qui représenterait une amélioration d'un facteur 100 des performances courantes actuelles. La figure 3 représente un exemple de réalisation d'une barrette laser réalisée en GaAs/AIGaAs. Sur cette figure, on trouve les dopages n et p des couches de ++ ++ confinement et les dopages n et p de la jonction Esaki, ainsi que les épaisseurs des différentes couches notamment 1,5 um pour les couches de confinement. Un empilement permettant de réaliser un laser a donc pour épaisseur environ 4 um. REVENDICATIONS 1. Laser à rubans comportant: - un substrat (1) dont une face est munie d'au moins un relief (10) en creux ou en mesa de forme ruban; - plusieurs empilements de couches situés sur ladite face, chaque empilement comportant une première couche de confinement (2), une couche active laser (3), une deuxième couche de confinement (4); - une couche de contact (5) située sur l'empilement supérieur; - une électrode (6) située sur la couche de contact (5), les bords longitudinaux dudit relief réalisant un guidage optique longitudinal dans chaque couche active de chaque empilement. 2. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une couche (8) de jonction de type Esaki (n /p ) entre chaque empilement de couches. 3. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat comporte une alternance de creux et de mesa parallèles. 4. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que la hauteur d'une mesa ou la profondeur d'un creux étant de l'ordre de grandeur de l'épaisseur de la première couche de confinement (2). 5. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat est en GaAs orienté (100) et que chaque ruban est orienté parallèlement à la direction , les flancs des reliefs faisant un angle de 54" avec la face du substrat. 6. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que la largeur d'un relief ou ruban est comprise entre 50 et 100 pm. 7. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que la distance entre deux couches actives est comprise entre 2 et 6 um. 8. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que la profondeur d'un creux est sensiblement du même ordre de grandeur que l'épaisseur de la première couche de confinement (2). 9. Procédé de réalisation d'un laser à ruban, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - étape n" 1 réalisation sur une face d'un substrat semiconducteur (1) de reliefs (10, 11) formant des rubans parallèles - étape n" 2: épitaxie sur ladite face d'au moins un ensemble de couches en matériaux semiconducteurs comprenant une première couche de confinement, une couche active laser, une deuxième couche de confinement, puis d'une couche de contact; - étape n" 3 : réalisation d'une couche métallique sur la couche de contact; - étape n" 4: réalisation d'une électrode métallique sur substrat; - étape n" 5 : clivage de la structure obtenue perpendiculai rement aux rubans aux extrémités de ceux-ci. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que les reliefs sont réalisés dans la face du substrat pour un procédé de gravure chimique. 11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le substrat est en GaAs orienté (100) et la gravure est faite de façon à réaliser des rubans orientés selon une direction de la face du substrat . 12. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'épaisseur de chaque ensemble de couches est compris entre 2 et 6 um et que la largeur d'une gravure est comprise entre 50 et 100 pm. 13. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la profondeur de chaque gravure est du même ordre de grandeur que l'épaisseur de la première couche de confinement.