Brevet FR2851692A1 — publié le 20040827

i COMPOSANT OPTOELECTRONIQUE COMPORTANT UNE STRUCTURE VERTICALE SEMICONDUCTRICE La présente invention se rapporte au domaine des composants optoélectroniques et plus précisément porte sur un composant 5 optoélectronique comportant une structure verticale semi-conductrice comprenant une région de circulation d'un courant de trous et une couche active. De manière connue, un composant optique semi-conducteur tel qu'un laser, par exemple à base d'arséniure de gallium, est souvent utilisé 10 pour le pompage de lasers solides ou d'amplificateurs optiques à fibres dopées terres rares. Le fonctionnement d'un tel composant est basé sur l'utilisation d'une couche dite active qui, une fois alimentée en courant, émet des rayonnements qui peuvent être amplifiés et correspondre à des rayonnements lasers, de longueurs d'onde généralement comprises dans 15 une bande autour de 808 nm, 920 nm, 940 nm, et en particulier 980 nm, cette dernière longueur d'onde étant utilisée pour le pompage des amplificateurs à fibre monomode employés dans les applications de télécommunications optiques. De plus, ce composant optique souvent de type parallélépipédique 20 peut posséder des faces latérales avant et arrière clivées pour former des miroirs facettés afin que s'établissent dans le composant des modes de propagation longitudinaux de type Fabry-Pérot. Dans tout ce qui suit, le terme couche peut désigner une couche unique ou une superposition de couches remplissant la même fonction. Par 25 convention, on désigne comme direction verticale, la direction perpendiculaire aux plans de ces couches. Le composant optique semi-conducteur comprend entre une région d'injection de courant de trous dans laquelle le courant pénètre au sein du composant et la couche active une région de circulation du courant de trous. 30 Par exemple dans la technologie GaAs, la région d'injection de courant de trous contient classiquement une couche de contact servant à la F:\Salle\FP000591\PREMDEP'ADMIN\TEXTE DEPOSE.doc prise de contact ohmique généralement en un alliage à base d'arséniure de gallium GaAs. Par ailleurs, la région de circulation du courant de trous, dopée p, contient: - une couche supérieure de confinement (cladding en anglais), qui contribue au guidage des rayonnements émis par la couche active, généralement en un alliage ternaire à base d'arséniure de gallium et d'aluminium et à faible taux d'aluminium, notamment en AIo,3Gao,7As, - une couche d'arrêt de gravure (stop-etch en anglais), généralement à base de d'ln0,49Ga0,51P, - une couche de confinement intermédiaire en l'alliage ternaire AIo,3GaO, 7As. La couche active, en dessous de la couche de confinement 15 intermédiaire est elle-même au-dessus d'une couche de confinement inférieure également en AIO0,3Ga0,7As et dopée n. Ces couches en matériaux semi-conducteurs monocristallins sont généralement déposées par épitaxie de type MOVPE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy en anglais) ou MBE (Molecular Beam Epitaxy en anglais). La couche d'arrêt de gravure sert à former un ruban (ridge en anglais) pour contrôler la taille et la forme du mode optique et le caractère monomode. Cette couche permet de définir avec précision la profondeur gravée (précision de l'épitaxie) et donc la hauteur du ruban. Elle est en accord de maille avec le système utilisé, AIo,3Ga0,7As dans cet exemple. Pour simplifier la fabrication du composant, la couche d'arrêt de gravure est généralement réalisée sur toute la surface et subsiste même dans la région o un courant est injecté. Or, une forte discontinuité de bande de valence, atteignant voire dépassant 200 meV, est présente à l'interface In0,49Ga0,51P/AIo0,3Ga0,7As, la couche d'arrêt de gravure étant de niveau de 30 bande de valence inférieur au niveau de la couche de confinement supérieure. Il se forme classiquement une charge d'accumulation qui renforce le blocage des trous. F:\Salle\FP000591\PREMDEP'ADMIN\TEXTE DEPOSE.doc En agissant comme une couche bloquante pour les trous venant du contact p, cette dernière introduit une résistance série différentielle supplémentaire dont les conséquences sont une pénalité en tension de fonctionnement et une augmentation de l'effet Joule. Pour supprimer la barrière à l'interface AIO,3GaO,7As/lno,49Gao,51P, il a déjà été proposé d'intercaler une couche " d'adaptation de bande " entre la couche d'arrêt de gravure et la couche de confinement supérieure. Cette couche épitaxiale est à bande de valence variable de part sa composition graduellement variable en ALGa1-As. Le taux d'aluminium x 10 passe ainsi de 0,3 à 0,65 environ. De cette façon, à l'interface AIO, 65GaO,35As/lnO,49Gao,51P l'écart de niveaux de bande de valence est limité à une dizaine de meV et la charge d'accumulation significativement réduite. En outre, il y a continuité des niveaux à l'interface entre la couche de confinement supérieure et la couche d'adaptation de bande. La couche d'adaptation de bande est réalisée par une épitaxie en continu, en augmentant graduellement le débit d'aluminium. L'objet de l'invention est de réduire davantage la résistance série différentielle et/ou la tension de fonctionnement dans tout composant optique semi-conducteur à injection d'un courant de trous dans des couches dont 20 l'une est une couche barrière pour les trous, et en particulier à fort courant. L'invention propose à cet effet un composant optoélectronique comportant une structure verticale semi-conductrice comprenant une région de circulation d'un courant de trous et une couche active, ladite région de circulation d'un courant de trous comprenant les couches successives 25 suivantes: - une première couche semi-conductrice et dopée p, de niveau de bande de valence donné dit premier niveau, - une deuxième couche semi-conductrice, dite couche barrière, de niveau de bande de valence donné, dit deuxième niveau, inférieur 30 au premier niveau, F:\Salle\FP000591\PREMDEPDMIN\TEXTE DEPOSE.doc - une troisième couche semi-conductrice et dopée p, de niveau de bande de valence donné dit troisième niveau, distinct du deuxième niveau, et comportant une couche semi-conductrice dopée p, dite couche 5 d'adaptation de bande, disposée entre la première couche et la couche barrière, et ayant une composition en semi-conducteurs graduellement variable pour assurer une transition de niveaux de bande de valence sensiblement continue entre les premier et deuxième niveaux, caractérisé en ce qu'il comprend une couche semi-conductrice, dite de transition de bande, disposée entre la couche barrière et la troisième couche, et ayant une composition en semi-conducteurs graduellement variable pour assurer une transition de niveaux de bande de valence sensiblement continue entre lesdits deuxième et 15 troisième niveaux. Toute chute de potentiel à l'interface entre deux couches rend nécessaire l'emploi de la couche d'adaptation de bande comme décrit précédemment. Inversement, l'augmentation de potentiel à l'interface entre la couche barrière et la troisième couche ne constitue pas, a priori, un obstacle 20 pour les trous puisqu'il s'agit de " remonter " la bande de valence. Toutefois, il existe une charge de déplétion qui crée une chute abrupte et difficilement quantifiable de potentiel dans la bande de valence (spike en anglais) et dont les répercussions, notamment en termes de critères électriques et optiques, était considérées négligeables dans l'art antérieur La demanderesse a mise en évidence la nécessité de diminuer significativement cette chute induite à l'hétérointerface. La charge de déplétion, même associée à un petit nombre de niveaux accessibles par rapport au niveau normal de bande de valence, constitue un frein notable au courant de trous. La couche de transition de bande selon l'invention permet de réduire significativement voire de supprimer l'effet de cette charge de déplétion en assurant une transition douce. La couche de transition de bande est F:\Salle\FP000591\PREMDEP\ADMIN\TEXTE DEPOSE.doc particulièrement nécessaire à fort courant, car la charge de déplétion augmente avec l'augmentation de la densité de courant. Ainsi, la couche de transition de bande permet un gain en tension opérationnelle et en résistance série. Ce bénéfice réduit la consommation 5 électrique, la puissance dissipée thermiquement et permet de gagner en puissance optique. Cette couche de transition de bande n'a pas d'impact négatif sur les autres paramètres notamment le confinement et le rendement du composant. Dans un mode de réalisation avantageux, l'écart de niveaux de 10 bande de valence à l'interface entre la couche barrière et la couche de transition de bande est inférieur à 150 meV et de préférence inférieur à meV. Il est possible de récupérer toute la pénalité tant en résistance série différentielle qu'en tension opérationnelle lorsque l'écart est proche de 15 0meV. De préférence, la composition graduellement variable de la couche de transition de bande peut être à base de semi-conducteurs identiques aux semi-conducteurs de la troisième couche, pour une simplicité de réalisation de l'invention. Dans un mode de réalisation avantageux, l'écart de niveaux de bande de valence à l'interface entre la couche de transition de bande et la troisième couche est sensiblement égal à O meV. De préférence, à cette interface, la composition graduellement variable de la couche de transition de bande peut être sensiblement 25 identique à la composition de la troisième couche. Il suffit ensuite d'ajuster les bandes de valences à l'interface couche barrière/couche de transition de bande, en fonctions des performances souhaitées. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'écart de niveaux de 30 valence à l'interface entre la couche barrière et la couche d'adaptation de bande peut être inférieur ou égal à 50 meV et la couche barrière peut F:\Salle\FP000591\PREMDEP',ADMIN\TEXTE DEPOSE.doc présenter un dopage de type n ou p de concentration sensiblement égale à 1017cm-3. Un dopage fort de la couche barrière favorise le courant de trous mais lors qu'il est trop élevé pose des problèmes de fiabilité. Toutefois, 5 l'impact quantitatif du dopage de la couche barrière se réduit du fait de la présence de la couche de transition de bande et de la couche d'adaptation de bande selon l'invention. Autrement dit, en régime "bandes plates " c'est à dire à faibles écarts de niveaux de bande de valence, le dopage joue un rôle très faible: la 10 longueur de diffusion des trous suffit pour traverser la couche barrière sans pénalité. On gagne un degré de liberté sur le dopage et par exemple on peut choisir de réaliser la couche barrière à partir d'une composition non dopée, en particulier si le dopant utilisé est du carbone qui ne peut s'incorporer à tout type de couche. Même si un dopage " résiduel " apparaît, par exemple 15 de type n, ce dopage faible n'a pas de conséquences nuisibles. Aussi, selon une caractéristique, les première et troisième couches ainsi que les couches d'adaptation et de transition de bande peuvent présenter un dopage au carbone, pour limiter les pertes optiques. L'invention est applicable typiquement à un laser de type à ruban tel 20 qu'un laser de pompe à 980 nm, de substrat dopé n. Elle peut aussi s'appliquer à certains lasers à cavité verticale à émission par la surface, couramment appelés "VCSEL " (pour " Vertical Cavity Surface Emitting Laser" en anglais), dans lesquels on prévoit une injection de courant à travers un miroir semi-conducteur entouré de couches semiconductrices de 25 type p. Dans un autre exemple d'application, le composant optoélectronique peut être un laser à structure verticale et à substrat dopé p, comprenant parmi une pluralité de couches semiconductrices d'indices de réfraction donnés et dopées p, une couche semiconductrice de faible indice de 30 réfraction pour empêcher le mode optique de s'étendre dans le substrat dopé p et engendrer ainsi des pertes. Cette couche " miroir" forme une couche F:\Salle\FP000591\PREMDEP'ADMIN\TEXTE DEPOSE.doc barrière pour les trous et peut être avantageusement encadrée par les couches d'adaptation et de transition de bande selon l'invention. Lorsque le composant optoélectronique selon l'invention est un laser de type à ruban, les première et troisième couches peuvent être des couches 5 de confinement et la couche barrière peut être une couche d'arrêt de gravure. Dans un mode de réalisation préféré, lorsque la troisième couche est à base de AIO,3GaO,7As, et la couche barrière est à base de InO,49Gao,51P, la couche de transition de bande est de composition à base de AGal-xAs, x 10 correspondant au taux d'aluminium et variant continment d'une valeur maximale supérieure à 0,45 et de préférence comprise entre 0,6 et 0,7 à une valeur minimale sensiblement égale à 0,3. L'emploi des couches de transition et d'adaptation de bande conserve un intérêt quel que soit le taux en aluminium de la couche de 15 transition de bande. Le choix de l'aluminium résulte d'un compromis. Plus le taux d'aluminium est élevé meilleurs sont les gains. Cependant, une couche trop riche en aluminium pose un problème de fiabilité car les pièges non radiatifs augmentent fortement (présence d'oxygène). Aussi une valeur entre 0,6 et 20 0,7 est préférée. Les particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'un exemple illustratif et non limitatif et faite en référence à la figure 1 annexée qui représente schématiquement une vue partielle en coupe transversale, qui n'est pas à 25 l'échelle, d'un composant optoélectronique dans un mode de réalisation préféré de l'invention. Le composant optoélectronique 10 présenté en figure 1 est un laser à ruban utilisé par exemple comme laser de pompe à 980 nm. Le composant optoélectronique 10 comportant une structure 30 verticale semi-conductrice d'axe vertical Z comprenant, suivant cet axe Z: - une région RI d'injection d'un courant de trous 1, de largeur égale à environ 5 pm et comportant une couche classique de contact 1 F:\Salle\FP000591\PREMDEP\ADMIN\TEXTE DEPOSE.doc dopée p en un alliage à base d'arséniure de gallium GaAs et dans laquelle le courant I pénètre au sein du composant 10, - une région R2 de circulation du courant de trous I prolongeant la région Rl, - une couche active classique CA, à puits quantique, alimentée en courant de trous 1, - une région R3 de couches semi-conductrices et dopées n, - un substrat en GaAs (non représenté) apte à recevoir l'ensemble des couches épitaxiales, - une région d'injection d'un courant d'électrons (non représentée). Plus précisément la région R2 de circulation du courant de trous I contient, suivant l'axe Z: - un empilement de couches semi-conductrices se terminant par une couche de confinement supérieure 2 en Ab,3GaO,7As, 15 d'épaisseur égale à 630 nm environ, dopée p avec une concentration de dopant, par exemple zinc, égale à 1018 cm-3, - une couche d'adaptation de bande 3, de préférence d'épaisseur égale à 40 nm environ, de composition en AlGalxAs, x correspondant au taux d'aluminium et variant continment et 20 linéairement d'une valeur minimale sensiblement égale à 0,3 à une valeur maximale de préférence sensiblement égale à 0,65, et dopée p avec une concentration de dopant, par exemple zinc, égale à 1018 cm-3, - une couche d'arrêt de gravure 4 en InO,49Gao,51P, d'épaisseur 25 égale à 25 nm environ, dopée p avec une concentration de dopant, par exemple zinc, égale à 1 018 cm-3, - une couche de transition de bande 5, de préférence d'épaisseur égale à 40 nm environ, de composition en AlGa1_yAs, y correspondant au taux d'aluminium et variant continment et 30 linéairement d'une valeur minimale sensiblement égale à 0,3 à une veleur maximale de préférence sensiblement égale à 0,65, et F:\Salle\FP000591\PREMDEP'ADMIN\TEXTE DEPOSE.doc dopée p avec une concentration de dopant, par exemple zinc, égale à 4 1017 cm-3, - une couche de confinement intermédiaire 6, de préférence d'épaisseur égale à 95 nm environ, en AIO,3GaO,7As et dopée p 5 avec une concentration de dopant, par exemple zinc, égale à 4 1017cm-3 - éventuellement d'autres couches semi-conductrices (non représentées) classiques et dopées p. Les couches 2 à 6 en matériaux semi-conducteurs monocristallins 10 sont classiquement déposées par épitaxie de type MOVPE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy en anglais) ou MBE (Molecular Beam Epitaxy en anglais). En particulier, les couches de transition de bande 5 et d'adaptation de bande 3 sont obtenues par une épitaxie en continu. Les variations de compositions des couches d'adaptation et de 15 transition de bande 3, 5 sont de préférence de type linéaire, variation facile à réaliser et efficace. La réalisation par une épitaxie en continu évite la multiplicité d'interfaces et donc de petites charges de déplétion. Elle évite ainsi la création de nombreux défauts qui augmentent le nombre de centres de 20 recombinaison. Dans cet exemple, l'écart de niveaux de bande de valence à l'interface entre la couche d'arrêt de gravure 4, qui est une couche barrière pour les trous, et la couche de transition de bande 5 est inférieur à 30 meV et la charge de déplétion est ainsi minimisée. L'écart de niveaux de bande de 25 valence à l'interface entre la couche de transition de bande 5 et la couche de confinement intermédiaire 6 est sensiblement égal à 0 meV. En outre, l'écart de niveaux de bande de valence à l'interface entre la couche d'arrêt de gravure 4 et la couche d'adaptation de bande 3 est inférieur à 30 meV et la charge d'accumulation est aussi minimisée. L'écart 30 de niveaux de bande de valence à l'interface entre la couche d'adaptation de bande 3 et la couche de confinement supérieure 2 est sensiblement égal à 0 meV. F:\Salle\FP000591\PREMDEP\ADMIN\TEXTE DEPOSE.doc Le taux de dopage de la couche de transition de bande 5, plus proche du champ optique, peut être choisi inférieur quasiment sans conséquences sur les paramètres électriques. Le tableau 1 présenté ci-dessous répertorie les valeurs de 5 résistance série différentielle Rs et de tension opérationnelle V pour un courant I de 800 mA de trois composants: - un composant optoélectronique no1 dit de référence sans couche d'arrêt de gravure et donc sans couches de transition de bande et d'adaptation de bande, - un composant optoélectronique n02 correspondant au composant déjà décrit de l'art antérieur, sans couche de transition de bande, - un composant optoélectronique n03 correspondant au composant 10. Composant n Il n23 V à 800mA (V) 1,64 1,74 1,67 Rs ( ) 0,46 0,520,46 Tableau 1 A fort courant, on observe que la pénalité du composant n03 n'est plus que de 30 mV par rapport au composant de référence no1 et la 20 résistance série devient identique. En outre, un gain de 70 mV est obtenu par rapport au composant n02 de l'art antérieur. Ce bénéfice réduit la puissance dissipée thermiquement et permet de gagner quelques dizaines de mW en puissance optique et de réduire la consommation électrique. L'idée de l'invention n'est pas restrictive et s'applique à tous types de couches barrières pour les trous. Dans une variante de l'exemple de réalisation préféré, et afin de limiter les pertes optiques, on remplace le dopant en zinc par le dopant F:\Salle\FP000591\PREMDEP'ADMIN\TEXTE DEPOSE.doc carbone pour toutes les couches dopées 1, 2, 3, 5, 6 excepté la couche d'arrêt de gravure 4 obtenue à partir d'une composition d'épitaxie non dopée. Cette couche 4 peut présenter un faible dopage résiduel n de concentration de l'ordre de 1017 cm-3 sans influence sur les paramètres électriques. L'épaisseur de la couche de transition de bande, de préférence entre nm et 40 nm, est choisie d'autant plus grande que l'écart entre les troisième et deuxième niveaux est important. Inversement, une épaisseur trop faible, par exemple inférieure à 10 nm environ, peut créer un effet tunnel et une couche de mauvaise qualité. L'invention s'applique aussi bien à une diode laser de pompe réalisée en d'autres semi-conducteurs qu'à d'autres types de composant optoélectroniques à injection de courant de trous et comprenant une couche barrière. L'invention s'applique aussi à des systèmes avec un substrat dopé p, 15 la couche active étant alors située au-dessus de la région de circulation de courant de trous. Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre purement illustratif. On pourra sans sortir du cadre de l'invention remplacer tout moyen par un moyen équivalent. F:\Salle\FP000591\PREMDEP'ADMIN\TEXTE DEPOSE.doc REVENDICATIONS 1. Composant optoélectronique (10) comportant une structure verticale semi-conductrice comprenant une région de circulation d'un courant de trous (R2) et une couche active (CA), ladite région de circulation d'un courant de trous comprenant les couches successives suivantes: - une première couche (2) semi-conductrice et dopée p, de niveau de bande de valence donné dit premier niveau, - une deuxième couche (4) semi-conductrice, dite couche barrière, de niveau de bande de valence donné, dit deuxième niveau, inférieur au 10 premier niveau, - une troisième couche (6) semi-conductrice et dopée p, de niveau de bande de valence donné, dit troisième niveau, distinct du deuxième niveau, et comportant une couche semi-conductrice dopée p, dite couche 15 d'adaptation de bande (3), disposée entre b première couche (2) et la couche barrière (4) et ayant une composition en semi-conducteurs graduellement variable pour assurer une transition de niveaux de bande de valence sensiblement continue entre les premier et deuxième niveaux, caractérisé en ce qu'il comprend une couche semi-conductrice, dite de transition de bande (5), disposée entre la couche barrière (4) et la troisième couche, et ayant une composition en semi-conducteurs graduellement variable pour assurer une transition de niveaux de bande de valence sensiblement continue entre lesdits deuxième et troisième 25 niveaux. 2. Composant optoélectronique (10) selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'écart de niveaux de bande de valence à l'interface entre la couche barrière (4) et la couche de transition de bande (5) est inférieur à 150 meV. 3. Composant optoélectronique (10) selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que l'écart de niveaux de bande de valence à F:\Salle\FP000591\PREMDEP\ADMIN\TEXTE DEPOSE.doc l'interface entre la couche barrière (4) et la couche de transition de bande (5) est inférieur à 50 meV. 4. Composant optoélectronique (10) selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la composition graduellement variable de la 5 couche de transition de bande (5) est à base de semi-conducteurs identiques aux semi-conducteurs de la troisième couche. 5. Composant optoélectronique (10) selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que l'écart de niveaux de bande de valence à l'interface entre la couche de transition de bande (5) et la troisième 10 couche (6) est sensiblement égal à 0 meV. 6. Composant optoélectronique (10) selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que, à l'interface entre la couche de transition de bande (5) et la troisième couche (6), ladite composition graduellement variable de la couche de transition de bande (5) est sensiblement 15 identique à la composition de la troisième couche. 7. Composant optoélectronique (10) selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que l'écart de niveaux de bande de valence à l'interface entre la couche barrière (4) et la couche d'adaptation de bande (3) est inférieur ou égal à 50 meV et la couche barrière (4) 20 présente un dopage de type n ou p de concentration sensiblement égale à 1017 cm3. 8. Composant optoélectronique (10) selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que les première et troisième couches (2, 6) et les couches d'adaptation et de transition de bande (3, 5) présentent un 25 dopage au carbone. 9. Composant optoélectronique (10) selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que, lorsque ledit composant optoélectronique est un laser de type à ruban, les première et troisième couches (2, 6) sont des couches de confinement et la couche barrière (4) est une couche 30 d'arrêt de gravure. 10. Composant optoélectronique (10) selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que, lorsque la troisième couche (6) est à base de F:\Salle\FPOOO591\PREMDEP"ADMIN\TEXTE DEPOSE.doc AIo,3GaO,7As, et la couche barrière (4) est à base de InO,49Ga0,51P, la couche de transition de bande (5) est de composition à base de AlxGa1-xAs, x correspondant au taux d'aluminium et variant continment d'une valeur maximale supérieure à 0,45 à une valeur minimale sensiblement égale à 0,3. 11. Composant optoélectronique (10) selon l'une des revendications 1 à 10 caractérisé en ce que lorsque la troisième couche (6) est à base de Ai0, 3GaO,7As, et la couche barrière (4) est à base de Ino,49Gao,51P, la couche de transition de bande (5) est de composition à base 10 de AlxGa1.- xAs, x correspondant au taux d'aluminium et variant continment d'une valeur maximale comprise entre 0,6 et 0,7 à une valeur minimale sensiblement égale à 0,3. F:\SaIIe\FPOOO59 \PREMDEP'ADMIN\TEXTE DEPOSE.doc