Brevet FR2833419A1 — publié le 20030613

LASER UNIPOLAIRE A CASCADE QUANTIQUE DE PUISSANCE A COURANT DE SEUIL REDUT La présente invention se rapporte à un laser unipolaire à cascade quantique de puissance à courant de seuil réduit. Actuellement, les lasers unipolaires à cascade quantique (dits QCL ) fonctionnent dans la gamme de longueurs d'onde 4-18 um, en régime pulsé à température supérieure à 175 K environ, et en régime continu (dit CW ) pour des températures inférieures à 175 K. Etant donné que de tels lasers ont de nombreuses applications industrielles importantes (détection de gaz, optronique, télécommunications atmosphériques à courte distance...) et que leur refroidissement à des températures inférieures à 175 K nécessite des moyens onéreux et encombrants pour permettre leur fonctionnement en régime continu, il est économiquement très important de porter leur température maximale de fonctionnement en régime CW au-delà de 200 K, pour pouvoir utiliser des solutions simples de refroidissement thermoélectrique, en particulier des solutions mettant en oeuvre l'effet Peltier. La présente invention a pour objet un laser unipolaire à cascade quantique qui ait la plus faible dissipation thermique possible, et qui puisse fonctionner à des températures supérieures à 200 K, c'est-à-dire pouvant être refroidi de façon économique. Le laser conforme à l'invention comporte un volume actif inférieur à son volume total. Selon une caractéristique de l'invention, cette réduction de volume actif est obtenue par découplage des confinements optique et électrique. Selon un mode de réalisation préféré, l'injection électrique est concentrée au centre du ruban laser, là où le mode optique est le plus intense. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de plusieurs modes de réalisation, pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, sur lequel : - la figure 1 est une vue simplifiée en coupe transversale d'un ruban laser QCL de l'art antérieur ; - la figure 2 est une vue simplifiée en coupe transversale d'un ruban laser QCL conforme à l'invention ; - les figures 3 à 6 sont des vues simplifiées en coupe d'un laser QCL selon quatre variantes de réalisation de l'invention. On a représenté en figure 1 un ruban laser QCL de l'art antérieur. Ce ruban 1 est formé sur un substrat 2 et comporte essentiellement plusieurs couches formées sur le substrat 2, qui sont, dans l'ordre : une couche de confinement optique 3, une couche active dopée 4 et une autre couche de confinement optique 5. Ces trois couches 3 à 5 ont, en coupe, une forme trapézoïdale se rétrécissant de la couche 3 vers la couche 5. Une couche 6 de protection recouvre une partie de la face supérieure de la couche 5 et les faces latérales obliques des couches 3 à 5, ainsi que la partie de la face supérieure du substrat 2 non recouverte par la couche 3. Une couche de contact 7 est formée sur la face supérieure de la couche 5 en faisant contact électrique avec cette couche 5. Dans ce laser 1, l'injection d'électrons depuis la couche 7 vers l'embase 2 se fait de façon uniforme à partir de toute la largeur de la couche 5, comme symbolisé par les flèches 8. La hauteur H des couches 3 à 7 est typiquement de 10 um et leur largeur L de 20 um. En figure 2, on a représenté de façon simplifiée le laser conforme à l'invention. Sur un substrat 9, qui peut être le même que le substrat 2, on forme un empilement 10 de couches de confinement optique et de zone active, qui est décrit en détail ci-dessous en référence aux figures 3 à 6. Cet empilement 10 peut avoir les mêmes épaisseur et forme que l'empilement des couches 3 à 5. Une couche 11 de protection recouvre latéralement l'empilement 10 et la partie visible de l'embase 9. Une couche de contact électrique 12 recouvre la face supérieure de l'empilement 10. Selon l'invention, on modifie la partie centrale de l'empilement 10 pour produire une localisation centrale de l'injection électrique, c'est-à-dire que l'injection électrique n'est possible que dans la zone centrale 13, là où le mode optique est le plus intense. Dans une configuration classique de diode laser, telle que représentée en figure 1, l'injection électrique dans le ruban laser, symbolisée par les flèches 8 sur cette figure, est uniforme sur toute la largeur du ruban. Toute absence locale de pompage électrique entraînerait une absorption optique inter-bande rédhibitoire. Dans les structures QCL, l'absence de courant de transparence rend possible la localisation de l'injection électrique au sein du ruban. En effet, les parties non pompées électriquement ne sont transmises qu'à l'absorption interne par les porteurs libres des couches dopées (couche active et couches de confinement). Ainsi, pour réduire le courant de seuil, on peut accroître l'efficacité des recombinaisons stimulées inter-sous-bande en concentrant l'injection électrique au centre du ruban laser (zone 13 en figure 2), c'est-à-dire là où le mode optique fondamental est le plus intense. Pour la bande spectrale concernée par les lasers QCL (typiquement 4-18 um), ! a largeur typique des rubans monomodes est comprise entre 10 et 30 um, ce qui permet de localiser aisément et de façon efficace une injection électrique centrale. Cette localisation au centre du ruban laser peut être facilement obtenue par des moyens lithographiques courants, comme expliqué cidessous. Le calcul de la réduction du courant de seuil d'un ruban monomode QCL montre que si la largeur de la zone 13 est de 5 um alors que la largeur du ruban 10 est de 20 pm, le courant de seuil se trouve réduit d'un facteur voisin de 2 par rapport à celui d'un laser QCL de l'art antérieur dont le ruban a la même largeur. Il faut toutefois noter que ce calcul n'est valable que si le laser fonctionne en régime linéaire du gain optique en fonction de la densité de courant, ce qui exclut les configurations à injection trop concentrée (largeur de la zone 13 inférieure à 2 um), pour lesquelles les densités de courant de seuil seraient supérieures à environ 10 kA/cm2. Pour la bande spectrale généralement concernée par les lasers QCL (4-18 um), la largeur typique des rubans monomodes est comprise entre 10 et 30 um, ce qui permet de localiser aisément et de façon efficace une injection électrique centrale (zone 13) par des moyens lithographiques courants, tels que ceux décrits ci-dessous en référence aux figures 3 à 6. En figure 3, on a schématisé un ruban laser QCL obtenu selon un procédé d'implantation ionique de protons. Sur cette figure 3, comme sur les suivantes, on n'a pas représenté la couche de protection (couche 11 de la figure 2), ni le détail des couches du ruban laser. Le laser QCL 14 de la figure 3 comporte essentiellement, sur un substrat 15 un ruban 16 multicouches et une couche 17 de contact électrique, ces couches étant déposées de façon habituelle. Pour localiser l'injection électrique, on procède à l'implantation ionique de protons H+ dans une zone 18 centrée en hauteur par rapport à la zone active du ruban. Cette implantation est effectuée depuis les faces latérales du ruban, jusqu'à laisser subsister une zone centrale 19 exempte de tels protons. Pour un ruban de largeur L = 20 um, la largeur f de la zone 19 est par exemple de 5 um environ. Cette implantation ionique permet, par compensation électrique, de neutraliser le dopage des couches semiconductrices de la zone 18. Cette implantation est réalisée avant les gravures du ruban laser et de l'ouverture dans la couche isolante 11. La hauteur h de la zone 18 est supérieure ou égale à celle de la zone active du ruban laser, c'est-à-dire la zone comprise entre les zones de confinement optique 16A, 16B. La figure 4 illustre une deuxième possibilité de réaliser la localisation de l'injection électrique dans le ruban laser. Le ruban laser 20 a, avant traitement de localisation, les mêmes structure et composition que le ruban 14 de la figure 3. Ce traitement consiste à disposer le ruban gravé dans une enceinte chauffée à environ 300 C en présence d'hydrogène atomique pendant environ 1-2 heures. L'hydrogénation s'effectue latéralement sur toute la hauteur du ruban (et non pas seulement au niveau de sa zone active 20A), jusqu'à ne laisser subsister qu'une fenêtre centrale 21 dopée. La largeur de cette fenêtre est également d'environ 5 um dans le cas présent. Cette hydrogénation permet de neutraliser les semi-conducteurs dopés de groupe ttt ou V, par passivation chimique. La stabilité thermique de cette neutralisation est comparable à celle d'une implantation ionique de protons. C'est une solution qui peut permettre, comme la précédente (figure 3), de réduire également les pertes optiques internes résultant d'une absorption par les porteurs libres présents dans les semiconducteurs. La solution illustrée en figure 5 consiste à réaliser une oxydation thermique à l'aide de vapeur d'eau, selon le procédé, connu en soi, dénommé ALOX. Cette oxydation attaque latéralement les couches 22,23 situées de part et d'autre de la zone active 24 du ruban du laser QCL 25. Ces couches 22,23 sont riches en Aluminium (elles sont généralement en AlAs ou AlSb). L'oxydation est poursuivie jusqu'à laisser subsister une partie centrale des couches 22,23 non attaquée et à obtenir ainsi une zone centrale active 24A réduite, de largeur f, d'environ 5 pm, comme pour les modes de réalisation précédents. On réalise ainsi un confinement électrique interne au ruban laser par resserrement des lignes de courant passant entre la couche de contact 26 et le substrat 27. Ce procédé ALOX est mis en oeuvre dans la réalisation des diodes laser à cavité verticale (diodes dites VCSEL ), mais, dans le cas présent, seuls les lasers QCL comportant des couches en GaAs et GaSb peuvent en bénéficier. En figure 6, on a illustré une autre possibilité de localisation de confinement de l'injection électrique dans le ruban QCL, qui consiste à graver chimiquement, latéralement et sélectivement, les couches riches en Aluminium 28,29 enserrant la zone active 30 du ruban d'un laser QCL 31. Comme dans le cas précédent, on arrête la gravure lorsqu'il ne reste plus qu'une partie centrale définissant une zone centrale active 31A de largeur non attaquée par cette gravure. Egalement, comme dans le cas précédent, ce procédé ne peut être mis en oeuvre que pour les lasers QCL à couches de GaAs et GaSb. En conclusion, le procédé de l'invention réalise une réduction du volume actif du laser QCL par concentration de l'injection électrique au centre du ruban laser. On crée ainsi un confinement séparé des photons et des électrons selon une direction latérale du ruban. Cette séparation des confinements n'est possible qu'avec des lasers unipolaires. La réduction significative du courant du seuil de ces lasers qui en résulte a pour effet de permettre d'augmenter la température de fonctionnement en régime continu (CW) de ces lasers, qui était antérieurement d'environ 175 K, et qui peut ainsi dépasser le seuil critique de 200 K, au-dessus duquel les lasers peuvent être facilement refroidis à l'aide de refroidisseurs thermoélectriques courants (à effet Peltier) qui sont relativement économiques. REVENDICATIONS 1. Laser unipolaire à cascade quantique de puissance, caractérisé par le fait qu'il comporte un volume actif (13,19, 21,24A, 30A) inférieur à son volume total. 2. Laser selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la réduction du volume actif est obtenue par découplage des confinements optique et électrique. 3. Laser selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'injection électrique est concentrée au centre du ruban laser, là où le mode optique est le plus intense. 4. Procédé de réalisation d'un laser unipolaire à cascade quantique de puissance, caractérisé par le fait qu'après dépôt des couches contacts du ruban laser et avant le dépôt de sa couche isolante, on modifie latéralement des couches du ruban laser au moins dans la région de sa zone active (18,20A, 24,30) jusqu'à ne laisser subsister qu'une zone centrale (19, 21,24A, 30A) pour le passage des électrons. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la modification de couches du ruban consiste à y implanter des protons (figure 3). 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les protons sont des protons H+. 7. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la modification des couches du ruban consiste à les hydrogéner sur toute la hauteur du ruban à une température d'environ 200 C en présence d'hydrogène atomique (figure 4). 8. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la modification des couches du ruban consiste à oxyder thermiquement avec de la vapeur d'eau les couches (22,23) riches en Aluminium de part et d'autre de la zone active (24). 9. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la modification des couches du ruban consiste à graver chimiquement, latéralement et sélectivement, les couches riches en Aluminium (28,29) situées de part et d'autre de la zone active (30).