Brevet FR2811150A1 — publié le 20020104

L'invention concerne les dispositifs à émission optique, tels que les lasers, et, plus particulièrement, mais non exclusivement, les lasers à émission en surface à cavité verticale (notés VCSEL). La différence entre la longueur d'onde de crête de gain (photo- luminescence) et la longueur d'onde de résonance de la cavité d'un VCSEL a un effet majeur sur les performances en température du composant. C'est parce que les deux longueurs d'onde ci-dessus mentionnées se décalent à des taux différents lorsque la température du composant varie. Par conséquent, la différence entre les longueurs d'onde varie avec la température. La variation, avec la température, de la puissance de sortie et du courant de seuil constitue un problème majeur dans les VCSEL. il est possible de fabriquer des VCSEL qui satisfont les gammes de fonctionnement en température normalisées pour les télécommunications, à savoir de 0 à 70 C, au moyen de structures qui sont bien décrites dans la littérature. Toutefois, si l'on utilise de telles structures, les exigences d'uniformité imposées à la fabrication de plaquettes épitaxiales sont très strictes, et il est difficile d'obtenir un bon rendement à un coût réduit et, ou bien, de satisfaire une spécification faisant intervenir une plus large gamme de température à l'avenir. Un but de l'invention est de réduire cette variation pour un intervalle de température donnée ou d'étendre l'intervalle des températures sur lequel le VCSEL peut fonctionner. Selon l'invention, il est proposé un dispositif à émission optique, comprenant un semiconducteur qui possède des bandes de conduction et de valence, ainsi qu'une pluralité de puits quantiques formés dans lesdites bandes de conduction et de valence dans une région active à multiples puits quantiques de façon qu'une recombinaison des trous et des électrons entre les puits quantiques résulte de l'émission de lumière, o au moins certains desdits puits quantiques ont des fréquences d'émission caractéristique différentes de façon à élargir le spectre de gain de la lumière émise. Dans cette description, le terme "optique" inclut les longueurs d'onde de rayonnement infrarouge, et analogue. L'invention n'est pas limitée au spectre visible. De préférence, les différents puits quantiques présents dans la région active à multiples puits quantiques d'un VCSEL possèdent des largeurs différentes, ce qui amène le spectre de gain à s'élargir. Ceci simplifie l'alignement du spectre de gain avec la longueur d'onde de résonance de la cavité, ce qui est nécessaire pour obtenir l'effet laser. De plus, puisque le spectre de gain et la résonance de la cavité varient tous deux en fonction de la température à des taux différents, leur alignement varie en fonction de la température. Ceci amène les performances du VCSEL à varier également avec la température; par exemple, le courant de seuil variera de façon parabolique avec la température, en présentant un minimum avec une certaine température. Si on élargit le spectre de gain, la courbure de la parabole diminue; ainsi, la variation du courant de seuil avec la température diminue. On peut faire varier le nombre des puits quantiques, mais celui-ci doit être supérieur ou égal à 2. Ils ne doivent pas tous avoir des épaisseurs différentes, mais au moins deux d'entre eux. Les puits quantiques ne doivent pas tous être faits à partir des mêmes matériaux, mais il est possible d'utiliser des compositions différentes pour AlGaAs. Les puits quantiques n'ont pas à être placés dans un ordre quelconque, à savoir le plus épais d'un côté et le plus mince de l'autre. De plus, la manière dont les différents puits quantiques sont placés par rapport au côté p ou au côté n de la jonction est sans importance. Tout ceci s'applique aussi bien aux barrières existant entre les puits quantiques, c'est-à-dire qu'elles peuvent avoir des épaisseurs ou des compositions différentes et qu'elles n'ont pas à être placées dans un ordre particulier. L'invention ne se limite pas à améliorer les performances en température des VCSEL, mais améliore également les performances en température des laser à émission latérale du type à réaction répartie (DFB, d'après "Distributed FeedBack") et du type à réflecteur de Bragg réparti (DBR, d'après "Distributed Bragg Reflector") qui souffrent exactement les mêmes problèmes que les VCSEL. De plus, l'invention pourra être utilisée pour augmenter la largeur spectrale des diodes d'émission de lumière et pour améliorer les performances en température des diodes d'émission de lumière à cavité résonante (RCLED, d'après "Resonant Cavity Light Emitting Diodes"). L'invention propose également un procédé d'élargissement du spectre de gain d'un dispositif d'émission optique, qui comprend les opérations consistant à produire une pluralité de puits quantiques dans une région active d'un semiconducteur et à former au moins certains desdits puits quantiques ayant des fréquences d'émission caractéristique différentes de façon à élargir le spectre de gain du dispositif. La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés parmi lesquels: la figure 1 montre le spectre de gain normalisé pour une région active dotée de puits quantiques d'une même épaisseur; la figure 2 montre le spectre de gain normalisé pour une région active ayant des puits quantiques d'épaisseurs différentes; la figure 3 montre les courbes de photoluminescence de VCSEL ayant des puits quantiques de même épaisseur et d'épaisseurs différentes; et les figures 4a et 4b sont des schémas illustrant respectivement les régions actives ayant une même épaisseur et des épaisseurs différentes. On a augmenté le gain d'un VCSEL standard en introduisant une séparation entre les énergies propres des trois sous-bandes associées à la région active à trois puits quantiques. On a introduit cette séparation en faisant varier les épaisseurs des différents puits quantiques. En théorie, ce type d'élargissement du spectre de gain ne s'obtient pas sans que ceci ait un effet négatif sur le courant de seuil. C'est parce que le courant à injecter dans le dispositif est proportionnel à l'aire se trouvant sous la courbe du spectre de gain. D'autre part, la condition relative au courant de seuil est satisfaite lorsque la courbe du spectre de gain atteint une certaine amplitude à la fréquence étalon. Un élargissement du spectre de gain augmente l'aire se trouvant en dessous d'elle si l'on maintient constante l'amplitude à la fréquence étalon. Ainsi, le courant de seuil augmente. Pour contrebalancer cette augmentation du courant de gain, on effectue la modification suivante dans la structure du VCSEL: on augmente le nombre de périodes dans la DBR supérieure en faisant passer ce nombre de 20 à 23. Ceci devrait (théoriquement) augmenter la réflectivité de la DBR supérieure et, par conséquent, réduire le courant de seuil. Les résultats expérimentaux se sont révélés très encourageants. On a traité 1/8 d'une plaquette, que l'on a testé dans un nouveau contrôleur de plaquette MULDER. A 25 C, 99,5 % des composants ont un courant de seuil en deçà de 5 mA. A 70 C, 99,9 % des composants ont un courant de seuil en deçà de 6 mA. Dans le même temps, environ 95 % des composants ont une chute de puissance inférieure à 30 % entre 25 C et 70 C pour un courant d'excitation de 12 mA. Ceci constitue le rendement le plus élevé jamais rapporté pour une plaquette de VCSEL traitée par la demanderesse. Montage expérimental Selon des calculs, la région active d'un VCSEL classique Mitel possède un spectre de densité d'états pour les porteurs, consistant en la somme de trois fonctions échelons de Heaviside, ayant toutes des débuts à une énergie de photon E = 1,49 eV correspondant à une longueur d'onde de photon X = 832 nm. Alors, on a augmenté l'épaisseur de puits quantiques en la faisant passer de 6 nm à 7 nm afin de décaler les débuts des fonctions échelons de Heaviside, de X = 832 nm à X = 838 nm. Puisque le gain de la région active est proportionnel à la densité d'états pour les porteurs, le spectre de gain est également décrit par les fonctions échelons de Heaviside ci-dessus mentionnées, comme représenté sur la figure 1. Ainsi qu'on peut le voir sur la figure 1, aucun effet laser ne peut se produire pour les longueurs d'onde situées en deçà de 838 nm, puisque le gain est nul. Ceci pourrait sembler étrange, si l'on considère que les VCSEL Mitel présentent ordinairement l'effet laser à une longueur d'onde voisine de 850 nm. L'explication est que le spectre de gain a été élargi par des vibrations thermiques du réseau. Ceci permet un effet laser à des longueurs d'onde situées au-dessus de 838 nm. Toutefois, l'élargissement thermique convertit la pente infinie de la fonction échelon de Heaviside en une pente finie, mais escarpée. Ceci fait que le courant de seuil d'un dispositif est très sensible à la longueur d'onde de l'effet laser. Pour rendre la pente moins raide, on donne des épaisseurs différentes aux puits quantiques. Ceci amène une division des longueurs d'onde de début des fonctions échelons de Heaviside. En choisissant des épaisseurs de puits quantiques de 7, 8 et 9 nm pour les trois puits différents, on a obtenu des longueurs d'onde de début de 838, 844 et 848 nm, ce qui donne le spectre de gain représenté sur la figure 2. On a utilisé une méthode semi-empirique pour estimer l'élargissement thermique du spectre de gain. Trois spectres de gain d'étalonnage de la région active, obtenus par photoluminescence à partir de la région active d'un VCSEL standard ayant des puits quantiques d'une épaisseur égale, ont été superposés, deux d'entre eux ayant des décalages respectifs de 6 et 10 nm. Le résultat est présenté sur la figure 3. Les deux courbes ont été normalisées de façon à avoir une même aire. La spécification de la structure, que l'on a fait croître par EPI, est EPIQ9718461. On a obtenu sept plaquettes portant les numéros EPQ9718461 n 1 à 7. Celles-ci ont reçu des numéros Mitel 3248-3254. La largeur à mihauteur de la courbe de photoluminescence de l'étalonnage de la couche active est de 25, 5 nm, ce que l'on comparera avec la valeur estimée de façon semi-empirique de 28,7 nm (figure 3) et la valeur standard de 19,0 nm (figure 3). Un quart ("A") de la plaquette 3248 a été traité (essai n J12810.1) à l'aide du processus de traitement de plaquette Mitel n0 106906. Après le traitement de la plaquette, on a divisé le quart en deux parties. Une partie a été séparée par clivage et montée dans des embases TO-46. L'autre partie a été contrôlée dans le contrôleur de plaquettes MULDER. La figure 4a représente une région active 10 à multiples puits quantiques o tous les puits quantiques 3 (dans ce cas, trois) ont la même épaisseur. Ainsi, le fond 4 des trois sous-bandes électroniques ont la même énergie par comparaison avec les fonds 5 des puits 3. Il en est de même pour les sommets 6 des trois trous. La figure 4b montre la situation dans le cas o on a rendu différentes entre elles les épaisseurs des puits quantiques. Comme on peut le voir, les énergies des fonds (sommets) des différentes sous-bandes sont maintenant différentes. Le fait que les énergies de sousbandes les plus hautes sont marquées dans les puits les plus minces est dû au fait que la probabilité de trouver un électron ayant la plus grande énergie de sous-bande est plus élevée dans le puits le plus mince. REVENDICATIONS 1. Dispositif à émission optique, caractérisé en ce qu'il comprend un semiconducteur possédant des bandes de conduction et de valence, ainsi qu'une pluralité de puits quantiques formés dans lesdites bandes de conduction et de valence dans une région active à multiples puits quantiques, de façon qu'une recombinaison des trous et des électrons entre lesdits puits quantiques donne lieu à une émission de lumière, o au moins certains desdits puits quantiques ont des fréquences d'émission caractéristique différentes de façon à élargir le spectre de gain de la lumière émise. 2. Dispositif à émission optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits puits quantiques ayant des fréquences d'émission caractéristique différentes ont des largeurs différentes. 3. Dispositif à émission optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits puits quantiques ayant des fréquences d'émission caractéristique différentes ont des épaisseurs de barrière différentes. 4. Dispositif à émission optique selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits puits quantiques ont tous des épaisseurs différentes. 5. Dispositif à émission optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le semiconducteur est AlGaAs. 6. Dispositif à émission optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif à émission optique est un VCSEL. 7. Dispositif à émission optique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un réflecteur de Bragg réparti (DBR), et en ce que le nombre de périodes dudit DBR est augmenté par rapport à un dispositif classique de façon que sa réflectivité soit augmentée, et que, par conséquent, son courant de seuil soit réduit. 8. Procédé d'élargissement du spectre de gain d'un dispositif à émission optique, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations consistant à produire une pluralité de puits quantiques dans une région active d'un semiconducteur et former au moins certains desdits puits quantiques avec des fréquences d'émission caractéristique différentes de façon à élargir le spectre de gain du dispositif. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits puits quantiques ont tous des fréquences d'émission caractéristique différentes. 10. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits puits quantiques ont des épaisseurs différentes. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit dispositif a un réflecteur de Bragg réparti (DBR) et le nombre de périodes dudit DBR est augmenté de façon à augmenter la réflectivité et, par conséquent, à réduire le courant de seuil.