Brevet FR2791477A1 — publié le 20000929

LASER SEMI-CONDUCTEUR INFRAROUGE La présente invention se rapporte aux lasers de type semi-conducteur émettant dans une bande de longueurs d'onde comprise dans l'infrarouge. De tels lasers, appelés plus simplement lasers infrarouges, ont fait l'objet de nombreuses publications et de plusieurs dépôts de brevets. Il est entendu que les définitions des termes techniques et scientifiques utilisés et la plupart des phénomènes physiques mentionnés dans le présent document sont expliqués dans l'ouvrage intitulé "Quantum electronics" de Amnon Yariv, éditions J. Wiley, New-York 1989. La présente invention concerne, plus particulièrement, un laser semi- conducteur infrarouge, du type comportant, de manière connue, une électrode inférieure et, sur celle-ci, un empilement de couches en matériau semi-conducteur qui forment un guide d'onde comprenant une région de gain, elle-même comprenant au moins: - une zone active avec au moins un puits quantique permettant des transitions inter-sous- bandes de porteurs de charge susceptibles de générer un mode de lumière cohérente, et - une zone d'injection attenante à la zone active. Un laser de ce type est décrit dans un article de la revue Science, May 1997, Volume 75, pp. 773-776, intitulé "High-Power Infrared (8- Micrometer Wavelength) Supperlattice Lasers". Il est de type unipolaire. Cela signifie que l'émission de photons fait appel à des porteurs de charge d'un seul type, en général des électrons. Ce laser comporte un substrat sur lequel on dépose des couches alternées de deux semi-conducteurs, constituant respectivement des puits et des barrières quantiques et formant au moins une zone active dans laquelle s'effectuent les transitions inter-sous-bandes, et une zone d'injection permettant d'injecter des électrons dans la zone active. Celle-ci est agencée 2 2791477 de manière à comporter deux sous-bandes entre lesquelles les électrons peuvent transiter, le passage de la sous-bande supérieure à la sous- bande inférieure générant des photons de lumière cohérente. La région de gain est interposée entre deux couches de confinement, I'une supérieure, I'autre inférieure, réalisées en un matériau à haut indice de réfraction et formant avec elle un guide d'onde. Celui-ci est adjacent à deux manteaux optiques, appelés aussi "claddings", à faible indice de réfraction, dont la fonction est d'empêcher la lumière de sortir des faces supérieure et inférieure du guide d'onde. 1o L'injection des électrons se fait au moyen d'électrodes, l'une inférieure, formée par le substrat, I'autre supérieure, formée par une couche métallique disposée sur l'empilement, toutes deux adjacentes à l'un des manteaux optiques. Ces électrodes ne participent pas au système optique du laser. Une telle structure est complexe et les nombreuses interfaces entre les couches affectent le rendement du laser. La présente invention a pour but de simplifier la structure du laser et d'améliorer son rendement. De façon plus précise, le laser selon l'invention est caractérisé en ce que l'empilement comporte, dans sa partie opposée à l'électrode inférieure, une couche attenante à la région de gain et rendue conductrice par dopage, de manière à constituer une électrode supérieure coopérant avec l'électrode inférieure pour soumettre la région de gain à un champ électrique. De la sorte, il n'est plus nécessaire de placer un manteau au-dessus du guide d'onde, I'air ou le vide en tenant lieu. Avec une telle structure, il est possible que le mode de lumière cohérente pénètre dans l'environnement de l'empilement, du côté opposé à l'électrode inférieure. Les essais ont montrés qu'une pénétration d'au moins 0.5 %o était particulièrement favorable. Selon l'épaisseur de la région active, il est nécessaire ou souhaitable que le guide comporte des couches de confinement, I'une supérieure, I'autre inférieure, entre lesquelles la région de gain est interposée, afin d'obtenir un 3 2791477 couplage optimum. La couche de confinement supérieure est en contact direct avec l'air ou le vide entourant le laser, qui définit alors le manteau supérieure. Selon un mode préféré de réalisation, l'électrode supérieure est formée par dopage dans la couche de confinement supérieure. Un tel laser est généralement fabriqués par croissance épitaxiale, puis par attaque chimique. De ce fait, l'empilement des couches formant la région de gain et la couche de confinement supérieure constitue un prisme de section trapézoïdale dont la grande base est définie par la face inférieure de la l0 région de gain et dont la petite base est définie par la face supérieure de la couche de confinement supérieure. De façon avantageuse, le laser selon l'invention comporte, en outre: - une couche isolante recouvrant les portions latérales de la couche de confinement inférieure ainsi que les côtés inclinés du prisme, et - une couche conductrice recouvrant ladite couche isolante et débordant légèrement sur les côtés de l'électrode supérieure pour lui servir de liaison électrique avec une source d'alimentation. Le laser selon la présente invention trouve des applications particulièrement intéressantes dans le domaine de la spectroscopie, du fait que les lignes d'absorption de la plupart des molécules gazeuses sont précisément situées dans sa bande de longueurs d'onde. Lorsque ces lasers sont activés par injection de courant sous forme de brèves impulsions, ce qui est nécessaire pour les faire fonctionner à une température proche de l'ambiante, ils présentent un large spectre d'émission, pouvant atteindre 10 cm-'. Or, les gaz à pression ambiante ont des raies d'absorption dont la largeur est d'environ 0.1 cm-'. Pour réduire la largeur du spectre d'émission de tels lasers, il a été proposé de définir, à l'intérieur de la couche de confinement et du manteau supérieur, un réseau d'interférence qui force un mode particulier. Une solution de ce type est décrite dans l'ouvrage intitulé "Quantum Electronics" mentionné ci-dessus, au chapitre 22.4. Le manteau 4 2791477 optique supérieur et la couche de confinement présentent alors des découpes, pratiquées par lithographie et obturées par un métal, par exemple de l'or. Ces découpes définissent un réseau d'interférence dont le pas est égal à un multiple de la moitié de la longueur d'onde désirée. Dans ce cas, le mode sélectionné est forcé par absorption. Selon une autre solution, décrite, par exemple, dans l'ouvrage intitulé "Optoélectronique" de E. Rosencher et B. Masson, chap. 13, Paris 1998, le métal est remplacé par un diélectrique. Le mode sélectionné est alors forcé par un phénomène physique faisant appel à la réflexion. L'électrode est lo disposée au-dessus du diélectrique. Malheureusement, dans un cas comme dans l'autre, le rétrécissement du spectre d'émission conduit à une diminution importante du rendement. L'un des buts essentiels de la présente invention est de réaliser un laser semi-conducteur infrarouge qui dispose d'un guide d'onde permettant à la fois un fort couplage avec le réseau, de faibles pertes optiques et une simplification dans le processus de fabrication. Ce but est atteint grâce au fait que la couche de confinement supérieure présente une structure constituant un réseau de diffraction de pas égal à un multiple de la moitié de la longueur d'onde désirée du spectre d'émission du laser. Comme l'électrode fait partie intégrante de la couche de confinement supérieure, celle-ci est adjacente au gaz ou au vide, de sorte que les conditions à la limite sont optimales, I'indice de réfraction étant minimum. Ainsi, I'utilisation d'une électrode supérieure en un matériau semiconducteur transparent et dopé permet d'améliorer considérablement les caractéristiques du laser, bien que la résistivité soit sensiblement plus élevée que celle d'un métal. En d'autres termes, malgré les pertes par effet Joule, le rendement est nettement meilleur. Le laser selon l'invention présente encore les caractéristiques suivantes: 2791477 - l'électrode inférieure constitue un substrat et est réalisée en phosphure d'indium dopé au silicium; - les couches de confinement inférieure et supérieure sont réalisées en un alliage d'arséniure d'indium et de gallium; s - la partie de la couche de confinement supérieure rendue conductrice l'est par dopage au silicium; - la couche formant la région de gain est formée d'une succession de couches d'arséniure d'aluminium et d'indium et d'arséniure d'indium et de gallium; - la couche isolante est réalisée en séléniure de zinc; - la couche conductrice est réalisée en un alliage d'or et/ou de titane. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard du dessin annexé, dans lequel les figures 1 et 2 montrent, en coupes, orthogonales l'une à l'autre, un laser selon I'invention. Ainsi qu'on peut le voir sur le dessin, le laser selon l'invention comporte un substrat 10, en phosphure d'indium (InP), dopé au silicium (Si: 2 x 1017cm3) qui, du point de vue optique, forme un manteau optique inférieur et, du point de vue électrique, tient lieu d'électrode inférieure. Ce substrat est revêtu d'une couche transparente 12 d'un alliage d'arséniure d'indium et de gallium (InGaAs) constituant une couche de confinement inférieure. La couche 12 porte, dans sa partie médiane, un empilement 14 de forme prismatique à section trapézoïdale fait de trois couches semiconductrices portant les références 16, 18 et 20. Plus précisément, la grande base du trapèze est définie par la face inférieure de la couche 16, tandis que sa petite base est définie par la face supérieure de la couche 20. La couche inférieure 16 est une région active formée elle-même d'une succession de couches d'arséniure d'aluminium et d'indium (AlInAs) et 6 2791477 d'arséniure d'indium et de gallium (InGaAs) qui constituent respectivement des barrières et des puits quantiques La couche intermédiaire 18 et la couche supérieure 20 sont toutes deux également en arséniure d'indium et de gallium (InGaAs) rendu conducteur par dopage au silicium. Les couches 18 et 20 se distinguent l'une de l'autre par le fait qu'elles sont respectivement dopées à des taux de 2.1018 et 5.1019 cm-3 et présentent des épaisseurs de 500 et 10 nm. La couche supérieure 20 fait office d'électrode supérieure. Par ailleurs, elle forme avec la couche intermédiaire 18, sensiblement plus épaisse, une io couche de confinement dont l'indice de réfraction est très élevé, puisqu'il atteint 3.2. Comme la couche de confinement se trouve au sommet de l'empilement, son environnement, soit l'air ambiant, présente un indice de réfraction égal à 1. Il n'est, de la sorte, pas nécessaire de disposer un manteau optique supérieur, I'air en tenant lieu. Avec une telle structure, le mode généré pénètre dans l'air se trouvant au- dessus de l'empilement 14. Des conditions de travail particulièrement bonnes sont obtenues lorsque le mode pénètre d'au moins 0.5%0. Les couches de confinement, formées des couches 12, 18 et 20, constituent, avec la région active 16, un guide d'onde dans laquelle la lumière générée par l'effet laser est confinée. On relèvera que si la région active est suffisamment épaisse pour assurer un bon couplage du mode, les couches de confinement peuvent être considérablement réduites, voire supprimées. Il ne subsistera alors que la couche 20, en matériau semi-conducteur dopé, qui forme l'électrode supérieure. Les portions latérales de la couche de confinement inférieure 12 qui ne reçoivent pas l'empilement 14 ainsi que les côtés inclinés du prisme sont recouverts d'une couche 22 isolante en séléniure de zinc (ZnSe). Celle-ci est, elle-même, revêtue d'une couche conductrice 24, en alliage d'or et/ou de titane (Ti/Au), qui déborde légèrement sur les côtés de l'électrode supérieure 7 2791477 et constitue ainsi une liaison électrique permettant de la connecter, comme l'électrode inférieure 10, à une source de courant non représentée. Comme le montre la figure 2, un réseau en créneaux est pratiqué dans les deux couches 18 et 20, par photolithographie, avec des creux de 300 nm environ. Plus précisément, le réseau est formé d'une alternance de creux et de protubérances, dont le pas p est égal à 1,6.tm, avec une largeur des creux sensiblement égale à celle des protubérances. Ce pas permet de forcer, dans le guide d'onde, une longueur d'onde égale à 3.2 Pm. Comme l'indice de réfraction y est sensiblement égale à 3.2, la longueur d'onde dans 1o l'air vaut donc 10.2 tm. La structure de l'empilement 14 est décrite de manière plus détaillée dans la demande de brevet FR 98 15721 au nom de la demanderesse. Un laser de ce type a été fabriqué, avec une région active formée d'une succession de couches de AlInAs et de InGaAs dont les épaisseurs en nm, écrites respectivement en caractères gras en caractères maigres, sont les suivantes: 3.9/1.0/3.8/1.2/3.7/1.5/3.9/1.714.014.213.110.916.4/1.016. 0/2.8. On notera que les couches soulignées sont dopées au Si, avec une densité égale à 2.5.1 017 cm3. Ce laser a une longueur d'environ 1.5 mm et une largeur (dimension de la grande base) de 401rm. La couche 24 a été réalisée au moyen d'une sous- couche de titane de 10 nm et d'une couche d'or de 400 nm. Elle déborde de 5 im sur la couche 20. L'alimentation d'un tel laser nécessite l'application d'une tension entre les électrodes 10 et 20, sous forme d'impulsions de 200 ns environ, à une fréquence de 80 kHz par exemple. A basse température (80 K), le laser présente un seuil de courant à 1 A et une puissance maximum de sortie de 230 mW pour une tension de 9.7 V. Son rendement est de 220 mW/A et la densité de seuil de courant de 1.85 kA/cm2. A la température ambiante, sa puissance de sortie est encore de 80 mW, avec un rendement de 80 mW/A. Le seuil de courant est alors passé à 3 8 2791477 A (densité de seuil de courant égale à 5.5 kA/cm2) pour une tension d'alimentation de 12.5 V. 9 2791477 REVENDICATIONS 1. Laser semi-conducteur infrarouge comportant une électrode inférieure (10) et, sur celle-ci, un empilement (14) de couches en matériau semi- conducteur qui forment un guide d'onde comprenant une région de gain (16), elle-même comprenant au moins: - une zone active avec au moins un puits quantique permettant des transitions inter-sous-bandes de porteurs de charge susceptibles de générer un mode de lumière cohérente, et - une zone d'injection attenante à la zone active, caractérisé en ce que ledit empilement (14) comporte, dans sa partie opposée à ladite électrode (10), une couche (20) attenante à la région de gain (16) et rendue conductrice par dopage de manière à constituer une électrode supérieure coopérant avec l'électrode inférieure pour soumettre la région de gain (16) à un champ électrique. 2. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit mode pénètre d'au moins 0.5 %o dans l'environnement de l'empilement, du côté opposé à l'électrode inférieure. 3. Laser selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit guide d'onde comporte, en outre, deux couches de confinement, I'une supérieure(18, 20), I'autre inférieure (12), entre lesquelles la région de gain (16) est interposée. 4. Laser selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite électrode supérieure (20) est formée par dopage dans la couche de confinement supérieure (18, 20). 5. Laser selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que I'empilement des couches formant la région de gain (16) et la couche de confinement supérieure (18, 20) constitue un prisme de section trapézoïdale (14) dont la grande base est définie par la face inférieure de la région de gain et dont la petite base est définie par la face supérieure de la couche de confinement supérieure. 2791477 6. Laser selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre: - une couche isolante (22) recouvrant les portions latérales de la couche de confinement inférieure (12) ainsi que les côtés inclinés du prisme, et - une couche conductrice (24) recouvrant ladite couche isolante et débordant légèrement sur les côtés de l'électrode supérieure (20) pour lui servir de liaison électrique avec une source d'alimentation. 7. Laser selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que la couche de confinement supérieure présente une structure définissant un réseau de diffraction de pas égal à un multiple de la moitié d'une longueur d'onde désirée de son spectre d'émission. 8. Laser selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que 1s l'électrode inférieure (10) constitue un substrat et est réalisée en phosphure d'indium dopé au silicium. 9. Laser selon l'une des revendications 3 à 8, caractérisé en ce que les couches de confinement inférieure (12) et supérieure (18, 20) sont réalisées en un alliage d'arséniure d'indium et de gallium. 10. Laser selon la revendication 9, caractérisé en ce que la partie de la couche de confinement supérieure rendue conductrice l'est par dopage au silicium. 11. Laser selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la couche formant la région de gain (16) est formée d'une succession de couches d'arséniure d'aluminium et d'indium et d'arséniure d'indium et de gallium. 12. Laser selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite couche isolante (22) est réalisée en séléniure de zinc. 13. Laser selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite couche conductrice (24) est réalisée en un alliage d'or et/ou de titane.