Brevet FR2774517A1 — publié le 19990806

La présente invention concerne un laser à cavité verticale et plus particulièrement, la présente invention concerne la combinaison unique d'une fusion de plaquette et d'une oxydation sélective afin de former un laser à cavité verticale à longueur d'onde longue. L'obstacle essentiel à la fabrication d'un laser à cavité verticale à longueur d'onde longue (de 1,3 à 1,55 micromètres), soit ce que l'on appelle un VCL, est constitué par l'absence de miroirs de Bragg à base d'lnP hautement réfléchissants ainsi que par la difficulté à réaliser un confinement électrique et optique efficace. La technologie de fusion de plaquette telle qu'elle a fait l'objet d'une discussion dans un article intitulé "Double-Fused 1.52 pm Vertical-Cavity Lasers" publié dans Appl. Phys. Lett, Vol. 64, (1994), p 1463 constitue une solution permettant de résoudre le problème des miroirs en utilisant des miroirs en GaAs/AIGaAs. Pratiquement tous les LW-VCL (lasers à cavité verticale à ondes longues) qui fonctionnent à température ambiante à l'heure actuelle utilisent un ou deux miroirs à base de GaAs à plaquette fondue. Une oxydation sélective peut être appliquée dans un VCSEL à double fusion à structure mesa, d'o la réalisation d'une petite ouverture de courant dans le côté p tel que mentionné dans l'article intitulé "Laterally Oxidized Long Wavelength CW Vertical Cavity Lasers" publié dans Appl. Phys. Lett, Vol. 69 (1996) p 471. Des températures de fonctionnement très élevées (63 C en ondes continues et 120 C en ondes pulsées) ont été obtenues à l'aide de cette technique comme mis en exergue dans l'article intitulé "120 C Pulsed Operation From A 1.55 mm Vertical Cavity Laser" présenté aux 1997 LEOS Summer Topical Meetings Montréal, Canada. A titre de limitation, la structure met en jeu deux étapes de fusion de plaquette et deux hétérojonctions à plaquette fondue à l'intérieur de la cavité, ce qui complique le processus de fabrication et ce qui affecte de façon générale la fiabilité du dispositif. De très bons résultats ont été démontré récemment avec un dispositif de 1,3 mm à une seule fusion comportant un seul miroir supérieur diélectrique. Les éléments afférents ont été mentionnés dans l'article intitulé "Submillamp 1.3 mm Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers With Threshold Current Density couche en GaAs dopée p sur un DBR à base de GaAs. Des seuils au- dessous des milliampères et des densités de courant de seuil au voisinage de 600 A/cm2 ont été démontrés avec ces dispositifs. Cependant, I'implantation d'oxygène conduit à certaines limites en ce qui concerne le diamètre de laser minimum et peut fuir à des températures au-dessus de 40 C. La présente invention propose de surmonter les contraintes des procédés de l'art antérieur et conformément à un mode de réalisation de la présente invention, on propose un laser à cavité verticale comprenant: un corps de substrat semiconducteur en arséniure de gallium comportant une surface inférieure et une surface supérieure; un contact p plan sur la surface inférieure; un empilement de miroir sur la surface supérieure, I'empilement de miroir étant constitué par une pluralité de couches en GaAs/AIGaAs une couche active comprenant une structure à multiples puits quantiques, la structure étant noyée dans des couches de gainage à base de InP; une pluralité de canaux à l'intérieur d'une couche oxydée de l'empilement de miroir et des couches actives, les canaux étant en communication optique avec les couches actives et l'empilement de miroir; un miroir diélectrique; et un contact de côté n entourant le miroir. Le laser est formé en remplaçant une implantation d'oxygène par une oxydation à pré-fusion d'une couche en AI(Ga)As pour l'isolation électrique. Le profil latéral de l'interface oxyde d'AI/semiconducteur peut être conçu en modifiant la teneur en Ga (faible) verticalement dans la couche d'oxydation en AI(Ga)As comme mis en exergue dans l'article intitulé "Estimation of Scattering Losses in Dielectric Apertured Certical Cavity Lasers" publié dans App. Phys. Lett, Vol. 68 (1996), p 1757 et dans "Scattering Losses From Dielectric Apertures in Vertical-Cavity Lasers", Journal of Selected Topics in Quantum Electronics", (1997), p 379. Selon une analogie par rapport à des VCL à longueur d'onde courte munis d'ouvertures en oxyde, de petits diamètres de VCL et par conséquent des courants de seuil très faibles et des efficacités élevées peuvent être réalisés. Comme dans les dispositifs à longueur d'onde courte, I'isolation électrique peut être maintenue jusqu'à des températures élevées. Conformément à un autre aspect de la présente invention, on propose un procédé de formation d'un laser à cavité verticale à longueur d'onde longue comprenant les étapes de: constitution d'une plaquette de substrat en arséniure de gallium ; constitution d'une plaquette de substrat en InP comportant une couche de fusion p-lnP, de multiples puits quantiques, une couche d'arrêt de gravure en GainAsP et un espaceur n-lnP formation de canaux dans le substrat; oxydation des canaux; nettoyage de chaque plaquette; et fusion, selon une unique étape, des plaquettes afin de former le laser. La combinaison des deux technologies comme discuté ci-avant conduit à un certain nombre d'avantages. Par comparaison avec le VCL à fusion double, la structure proposée offre une réduction de la complexité du traitement en omettant la seconde étape de fusion. Ceci améliore la fiabilité du dispositif du fait du nombre réduit d'hétérojonctions à plaquette fondue à l'intérieur du résonateur laser. La structure épitaxiale est plane et à émission en partie supérieure, ce qui est souhaitable pour les tests et la mise sous module. Le contact en anneau est placé sur le côté n du dispositif o il bénéficie de la mobilité élevée des électrons. Ceci assure une injection de courant homogène au travers de l'ouverture de courant d'oxygène de côté p et relâche les exigences en ce qui concerne les dimensions de miroir supérieur sinon critiques. En outre, I'oxyde d'AI est noyé à l'intérieur de la structure et est par conséquent "scellé" automatiquement. Maintenant que l'invention a été décrite de façon générale, référence sera faite aux dessins annexés qui représentent des modes de réalisation préférés et parmi lesquels: la figure 1 est une vue en coupe schématique du laser selon un mode de réalisation de la présente invention; la figure 2a est une vue en coupe schématique du substrat en InP et des couches d'accompagnement; la figure 2b est une vue en coupe schématique du substrat en arséniure de gallium et des couches d'accompagnement; la figure 2c est une vue en coupe schématique du substrat en arséniure de gallium qui représente la disposition des canaux; la figure 2d est une vue en coupe schématique du substrat en arséniure de gallium à la suite d'une étape d'oxydation; la figure 2e est une vue en coupe schématique du substrat en arséniure de gallium, une protection d'oxyde étant représentée; la figure 2f est une vue en coupe schématique de la plaquette fondue; la figure 2g est une vue en coupe schématique de la plaquette après enlèvement du substrat; la figure 2h est une vue en coupe schématique du laser tandis que les contacts sont en position; la figure 2i est une vue en coupe schématique du laser tandis que le miroir est en position; la figure 3a est une vue en plan d'un mode de réalisation de l'implantation des canaux; et la figure 3b est une vue en plan d'un second mode de réalisation de l'implantation des canaux. Les index de référence similaires utilisés dans le texte indiquent des éléments similaires. Comme tous les VCL à plaquette fondue, le dispositif utilise les bonnes propriétés thermiques et optiques des réflecteurs de Bragg à base de GaAs. Par comparaison avec le VCL à une seule fusion et à implantation d'oxygène, les dimensions de mesa de la structure doivent être suffisamment importantes pour séparer les parois de mesa du mode optique à l'intérieur du laser. L'accord en longueur d'onde entre le gain de matériau et la résonance de cavité peut être caractérisé de façon précise avant le dépôt du miroir diélectrique. Le décalage de mode gain-cavité est l'un des paramètres de conception les plus critiques pour le VCSEL à longueur d'onde longue comme mis en exergue dans "Temperature Sensitivity of 1.54 mm Vertical Cavity Lasers with an InP based Bragg Deflector" (destiné à être publié dans IEEE J. Quantum Electronics). Si nécessaire, le mode cavité peut être décalé par exemple au moyen d'un amincissement contrôlé de la couche d'espaceur n-lnP. Ceci constitue un avantage net par comparaison avec le VCL à double fusion dans lequel le mode cavité doit être réglé à l'aide de l'épaisseur de la couche en GaAs sur le miroir p. Par report maintenant aux dessins, la figure 1 représente une vue en coupe du laser assemblé, indiqué globalement au moyen d'un index de référence 10. Le laser 10 comprend un laser à émission de côté supérieur muni d'un miroir diélectrique 12 entouré par un contact en anneau de côté n 14. Le contact 14 est monté sur la surface supérieure d'une couche active à multiples puits quantiques 16 dont il sera discuté de manière davantage détaillée lors de la description concernant les figures 2a à 2i. Des canaux de fusion 18 formés pendant la fabrication du laser 10 facilitent une communication optique entre la couche active 16 et un empilement de miroir 20. L'empilement de miroir constitue une pluralité de couches en AlGaAs et en GaAs présentant une épaisseur égale à un quart de longueur d'onde optique. Une ouverture d'oxyde 22 permet une transmission optique depuis l'empilement de miroir 20 jusqu'aux canaux 18. Un substrat en GaAs 24 est prévu au-dessous de l'empilement de miroir 20. Le substrat 24 inclut un contact p plan 26. En ce qui concerne les figures 2a à 2i, le processus global permettant de fabriquer le laser 10 est représenté séquentiellement en coupe transversale. La fabrication démarre avec la croissance épitaxiale des couches de matériau actives 16 (figure 2a) et avec l'empilement de miroir de Bragg en GaAs/AIGaAs 20, comme représenté sur la figure 2b. La couche active initiale comporte un substrat en InP 30, un arrêt de gravure en GainAsP 32, un espaceur n- lnP 34, de multiples puits quantiques (MQW) à contraintes compensées 16 et une couche de fusion p-lnP 38. Afin de satisfaire les exigences concernant une transparence faible et un gain différentiel élevé, des puits quantiques sous contrainte sont nécessaires afin d'assurer un fonctionnement du laser à température ambiante. En fonction des pertes de cavité, entre 7 et 15 puits quantiques doivent être utilisés. Des barrières de compensation de contrainte éventuellement selon un rapport As/P constant pour tout l'empilement MQW 16 peuvent être nécessaires pour éviter une dégradation pendant l'étape de fusion à température élevée. Par comparaison avec un laser à émission par le bord, la région de confinement séparée (SCH) est moins importante et elle peut être éliminée. Le noyage des puits quantiques dans l'lnP peut même améliorer la performance en termes de température des lasers en réduisant la fuite de porteurs à l'extérieur de la région MQW. Sur la figure 2b, I'empilement de miroir 20 est obtenu par croissance épitaxiale sur le substrat en GaAs 24 et il inclut des couches pAIGaAs/GaAs 40, une couche d'oxydation en AI(Ga)As 42 et une couche de fusion en p-GaAs 44. Le miroir en AlGaAs/GaAs dopé p 20 doit être optimisé du point de vue d'une résistance électrique faible pour une absorption optique faible à la longueur d'onde d'effet laser. La conception du miroir peut être largement la même que pour des VCLS à longueur d'onde courte mais avec un niveau de dopage réduit à proximité de la région active (Appl. Phys. Lett) comme mentionné ci- dessus. Le carbone est l'élément de dopage préféré. La couche d'oxydation en AI(Ga)As est obtenue par croissance en association avec une couche de fusion en GaAs sur la partie supérieure de ce miroir. Une faible quantité de Ga (de 2 à 5 %) est additionnée à la couche d'oxydation en AlAs afin de ralentir la vitesse d'oxydation et afin d'améliorer le contrôle du diamètre. L'interface de plaquette fondue doit être placée dans un noeud du champ électromagnétique stationnaire à l'intérieur de la cavité afin de maintenir à un niveau bas les pertes optiques. La couche d'oxydation peut être placée à proximité du noeud pour un confinement électrique seulement. Cependant, le confinement optique doit également être possible en formant de façon progressive le profil d'ouverture et en le plaçant au voisinage d'un anti-noeud optique. Avant la fusion de plaquette, des canaux 18 sont gravés sélectivement dans la couche de fusion en GaAs 44, d'o la mise à nu de la couche d'oxydation en AI(Ga)As 42. Ceci est représenté sur la figure 2c. Il a été démontré que l'utilisation de canaux de fusion, habituellement gravés dans l'échantillon en InP, améliore la qualité de I'interface fondue comme il est discuté dans "Double-Fused Long Wavelength Vertical Cavity Lasers", Babic, D.l., Ph.D thesis, Université de Californie, Santa Barbara 1995. Selon la présente invention, les canaux ont été gravés dans la surface en GaAs de telle sorte qu'ils peuvent être utilisés pour l'étape d'oxydation. Des valeurs typiques pour une largeur de canal et un espacement sont respectivement de 10 mm et de 150 à 300 mm. L'agencement le plus simple des canaux de fusion est un réseau carré comme représenté sur la figure 3a, qui laisse des mesas carrés de par exemple 150 mm x 150 mm. Une certaine variété d'autres agencements de canaux pour des formes de laser différentes ou des réseaux différents sont possibles. A titre d'exemple, la figure 3b représente une implantation de canaux qui conduit à des réseaux de mesas ronds de diamètres identiques. Les canaux 18 sont utilisés afin d'oxyder sélectivement la couche en AI(Ga)As mise à nu 42 jusqu'à son oxyde natif dans un environnement de vapeur d'eau. Ceci est largement représenté sur la figure 2d. Une oxydation par voie humide est une technologie relativement simple et bien établie pour les VCL qui a conduit à un progrès sensible au niveau du développement de dispositifs à base de GaAs à seuil ultra-faible et hautement efficaces. Ceci a été étudié par Huffaker dans l'article intitulé "Transverse Mode Behavior in Native- Oxide-Defined Low Threshold Vertical Cavity Lasers", Appl. Phys. Lett. Vol. 13 (1994) p 1611 ainsi que par Lear dans l'article intitulé "Selectively Oxidized Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers with 50 % Power Conversion Efficiency", Elect Lett, Vol. 31 (1995) p 208. Le processus d'oxydation est interrompu de telle sorte que des ouvertures non oxydées 22 présentant des diamètres entre 5 et 15 mm sont laissées pour une injection de courant. Après l'oxydation, les surfaces des deux échantillons sont nettoyées pour le processus de fusion de plaquette. La procédure de nettoyage est très critique, tout particulièrement pour les propriétés électriques de l'interface fondue comme il a été discuté par Salomonsson dans l'article intitulé "Water Fused p-lnP/p-GaAs Heterojunctions" J.Appl. Phys. Vol. 83 (1998). Les procédures habituelles de Salomonsson et Babic, comme mentionné ci-avant, ont été modifiées afin d'ôter les oxydes sur la surface en GaAs moyennant un impact aussi faible que possible sur l'oxyde d'AI natif. Optionnellement, les canaux 18 peuvent être protégés en les remplissant à l'aide par exemple d'une photoréserve ou de Si2N3, comme indiqué sur la figure 2e. Le processus de fusion qui suit représenté sur la figure 2f est réalisé pendant approximativement 30 minutes à la température de fusion la plus faible possible (≤ 560 C). Le substrat en InP 30 et la couche d'arrêt de gravure en GainAsP 32 sont ôtés au moyen d'une gravure chimique par voie humide sélective. A ce niveau, les canaux de fusion noyés 18 sont visibles sur la surface de l'échantillon, lesquels canaux peuvent être utilisés pour aligner les contacts en anneau de côté supérieur 14. Après alliage des contacts, un miroir diélectrique 12 est déposé à l'intérieur de l'anneau de contact au-dessus de l'ouverture oxydée 22. Le diamètre du miroir peut être beaucoup plus important que le diamètre de l'ouverture du fait de la mobilité élevée des porteurs de côté n (des électrons). En fonction des matériaux diélectriques, les diamètres du miroir sont définis soit au moyen d'un procédé de pelage (Si/SiO2, ZnSe/MgF), soit au moyen d'un procédé de gravure par voie sèche (SiC/SiO2, Si2N3/SiO2). Bien que des modes de réalisation de l'invention aient été décrits de façon spécifique, I'homme de l'art appréciera que l'invention est susceptible de modifications substantielles sans que l'on s'écarte ni de l'esprit, ni de la nature et du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Laser à cavité verticale (10) caractérisé en ce qu'il comprend: un corps de substrat semiconducteur (24) en arséniure de gallium comportant une surface inférieure et une surface supérieure; un contact p plan (26) sur ladite surface inférieure; un empilement de miroir (20) sur ladite surface supérieure, ledit empilement de miroir étant constitué par une pluralité de couches en GaAs/AIGaAs; une couche active (16) comprenant une structure à multiples puits quantiques, ladite structure étant noyée dans des couches de gainage à base de InP; une pluralité de canaux (18) à l'intérieur d'une couche oxydée dudit empilement de miroir (20) et desdites couches actives (16), lesdits canaux étant en communication optique avec lesdites couches actives et ledit empilement de miroir; un miroir diélectrique (12); et un contact de côté n (14) entourant ledit miroir. 2. Laser à cavité verticale (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit laser est un laser à longueur d'onde longue. 3. Laser à cavité verticale selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits multiples puits quantiques incluent entre environ 7 et environ 15 puits. 4. Laser à cavité verticale (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit empilement de miroir dopé p (20) est dopé avec du carbone. 5. Laser à cavité verticale (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits canaux (18) sont selon une relation espacée. 6. Laser à cavité verticale (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits canaux (18) présentent une largeur comprise entre 150 et 300 micromètres. 7. Procédé de formation d'un laser à cavité verticale à longueur d'onde longue caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de: constitution d'une plaquette de substrat en arséniure de gallium constitution d'une plaquette de substrat en InP comportant une couche de fusion p-lnP, de multiples puits quantiques, une couche d'arrêt de gravure en GainAsP et un espaceur n-lnP; formation de canaux dans ledit substrat; oxydation desdits canaux; nettoyage de chaque dite plaquette; et fusion, selon une unique étape, desdits plaquettes afin de former ledit laser. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite couche de fusion en arséniure de gallium inclut une couche de fusion en arséniure de gallium p. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits canaux sont formés en gravant sélectivement ladite couche de fusion. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il inclut en outre l'étape d'oxydation desdits canaux dans un environnement de vapeur d'eau. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il inclut en outre l'étape d'exposition des plaquettes nettoyées à une température de 560 C ou moins pour la fusion. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il inclut en outre l'étape d'enlèvement dudit substrat en InP de ladite couche d'arrêt de gravure en GainAsP au moyen d'une gravure chimique par voie humide. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il inclut en outre l'étape d'alliage de contacts en anneau. 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il inclut en outre l'étape de dépôt d'un miroir diélectrique en une position adjacente auxdits contacts. 15. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il inclut en outre l'étape de masquage desdits canaux avant le nettoyage.