Brevet FR2879841A1 — publié le 20060623

LASER SEMICONDUCTEUR DE PUISSANCE A FAIBLES DIVERGENCE ET ASTIGMATISME La présente invention se rapporte à un laser semi-conducteur de puissance à faibles divergence et astigmatisme. Les lasers à semi-conducteur de puissance supérieure à 1Watt sont généralement des lasers de type à ruban large et, en fonction de la puissance d'émission requise, peuvent être unitaires ou disposés en parallèle pour former des barrettes. Le principal inconvénient de tels lasers est que la distribution en amplitude de leur faisceau émis, dans un plan perpendiculaire à leur face d'émission, est fortement divergente (divergence de l'ordre de 15 dans un plan parallèle aux couches actives) et très inhomogène, ce qui entraîne une baisse de rendement du couplage à une fibre optique. La cause en est l'existence de modes parasites dans la cavité du laser et la présence de phénomènes de filamentation (le courant électronique, à l'intérieur du semi-conducteur, passe non pas par toute la section active du semi-conducteur, mais de façon inhomogène). Pour améliorer l'homogénéité du champ proche de la face d'émission de tels lasers, on a intégré sur la même puce un laser à ruban étroit monomode (agissant comme un filtre) prolongé par une partie évasée agissant en amplificateur. On peut alors émettre des puissances nettement supérieures à 1 Watt, tout en gardant un faisceau transverse monomode. Les lasers connus ont été réalisés selon les deux configurations suivantes. La première consiste à graver dans des couches actives un ruban étroit monomode à guidage transverse par l'indice suivi d'une partie évasée qui est également à guidage transverse par l'indice, guidage transverse par l'indice signifiant que le confinement latéral du champ optique est obtenu par une différenciation de l'indice de réfraction entre la zone du ruban étroit et les zones qui la bordent. La seconde configuration comporte également un ruban étroit monomode à guidage transverse par l'indice, mais suivi d'une partie évasée à guidage transverse par le gain. Jusqu'à présent, aucune autre configuration n'a été proposée, car on estimait que seules les deux précitées permettaient de contrôler facilement la qualité du faisceau laser émis. Cependant, ces structures connues sont relativement complexes à réaliser et leur dissipation thermique n'est pas facile à évacuer. 2879841 2 La présente invention a pour objet un laser à semi- conducteur dont le faisceau émis dont le champ lointain (à quelques cm de la face d'émission) ait une répartition en amplitude gaussienne et ait une faible divergence et un faible astigmatisme, et ait une puissance supérieure à 1W tout en étant stable en température, qui soit facile à réaliser, qui puisse avoir une bonne dissipation thermique et qui puisse être fabriqué par groupes de plusieurs éléments sur le même substrat. Le laser conforme à l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte, dans une couche active, une première partie sous forme de ruban étroit monomode à guidage transverse par l'indice, terminée par une deuxième partie s'évasant depuis la première partie, également à guidage transverse par l'indice. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non 15 limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel: É la figure 1 est une vue simplifiée en perspective d'un laser conforme à l'invention, É la figure 2 est une vue en coupe schématique montrant les différentes couches de confinement et actives du laser de la 20 figure 1, É la figure 3 est un ensemble de neuf vues en coupe très simplifiées montrant les différentes étapes de fabrication du laser unitaire de l'invention, É la figure 4 est un ensemble de dix vues en coupe très 25 simplifiées montrant les différentes étapes de fabrication d'une barrette à plusieurs lasers unitaires de l'invention, É la figure 5 est une vue schématique de dessus d'un ensemble de barrettes similaires à celle de la figure 4, É la figure 6 est une vue schématique en perspective d'une 30 barrette similaire à celle de la figure 4, avec une vue agrandie d'un détail, et É la figure 7 est une vue de dessus simplifiée d'un déflecteur de photons pour un laser conforme à l'invention. Le laser semi-conducteur 1 représenté en figure 1 est une source 35 laser élémentaire, mais il est bien entendu que l'on peut constituer une 2879841 3 barrette comportant plusieurs telles sources élémentaires côte à côte, formées dans le même barreau semi-conducteur, ainsi que représenté en figures 4 à 6. Le laser 1 se présente sous forme d'un barreau 2 semiconducteur en forme de parallélépipède rectangle. Ce barreau 2 comporte essentiellement un substrat 3 sur lequel est formé un ensemble de couches semi-conductrices 4 dont les détails sont décrits ci- dessous, en particulier en référence aux figures 2 et 6. Dans les couches les plus superficielles situées au-dessus de la couche de puits quantique (voir figures 2 et 6) de l'ensemble 4, on forme, par micro- lithographie et gravure, deux tranchées 5 et 6, qui sont parallèles entre elles et à l'axe longitudinal du barreau 2 sur une première partie de leur parcours, puis s'écartent légèrement l'une de l'autre, sur le reste de leur parcours, définissant ainsi entre elles un canal de passage de courant ou ruban étroit monomode 7 qui se prolonge par un évasement 8. L'angle d'ouverture de la partie 8 est d'environ 1 à 2 degrés, et de préférence inférieur à 1 , ce qui assure alors un faible astigmatisme au faisceau laser sortant de cet évasement. Selon un premier exemple de réalisation, la longueur L du barreau est d'environ 2,5 à 3 mm, l'angle d'ouverture de la partie 8 est d'environ 2 et sa longueur est d'environ 1 mm. Selon un autre exemple de réalisation, la longueur L est également d'environ 2,5 à 3 mm, l'angle d'ouverture de la partie 8 est d'environ 0, 64 et sa longueur est d'environ 2,2 mm. La largeur du ruban 7 est de quelques microns. A l'extérieur de l'espace compris entre les parois extérieures des tranchées 5 et 6, on procède à une implantation de protons (symbolisés par des points 9) dans les couches superficielles de l'ensemble 4, par exemple avec une énergie d'environ 100 keV, afin de rendre ces parties de couches électriquement isolantes et forcer ainsi, lors du fonctionnement du laser, le courant électrique qui lui est amené par ses électrodes à passer dans le canal 7, 8. Dans cette structure, le ruban 7 est à guidage monomode transverse et stabilise le mode du faisceau émis par l'évasement 8 qui joue le rôle d'amplificateur. Dans le cas où l'angle de la partie évasée 8 est supérieur à 2 , on forme avantageusement un déflecteur tel que celui décrit ci-dessous en référence à la figure 7. Les faces frontales du barreau 2 (perpendiculaires à la direction des tranchées 5) sont obtenues par clivage de ce barreau, après dépôt des ses électrodes, par clivage. L'une de ces faces (la face 2A visible sur le dessin) reçoit un traitement à haute réflectivité, 2879841 4 tandis que la face opposée (face de sortie du faisceau laser) reçoit un traitement anti-reflets. On a schématiquement représenté en figure 2 la structure semi- conductrice du laser de l'invention. Cette structure est du type à confinements séparés dans un plan perpendiculaire aux plans des couches, avec une couche active à au moins un puits quantique. Elle est formée sur un substrat N3 de type N fortement dopé, par exemple en GaAs. Sur ce substrat, on forme successivement les couches suivantes: Une couche N2 de confinement optique et électrique, de type 10 N, à faible indice. Elle peut être en GalnP, GaAlAs, AlGalnP, etc. - Une couche N1 de confinement électrique et optique, de type N, à fort indice. Elle peut être en GaInAsP, GalnP, etc. Une couche QW, qui est une couche active à puits quantique. Une couche P1 de confinement électrique et optique de type P, à indice fort. Elle peut être en GaInAsP, GalnP, etc. Une couche P2 de confinement optique de type P, à faible indice. Elle peut être en GalnP, GaAlAs, AlGalnP, etc. Une couche P3 de contact électrique de type P, fortement dopée, par exemple en GaAs. En correspondance avec le schéma de la structure qui vient d'être décrite, on a représenté, sur la figure 2, à droite de cette structure, la courbe d'évolution de l'indice de réfraction des différentes couches qui la composent, ainsi que la courbe d'évolution de l'intensité du champ optique, le long d'une direction perpendiculaire aux plans de ces couches. On réalise ainsi, grâce à la formation des tranchées 5 et 6, un laser de type ruban à guidage, dans des plans parallèles aux plans des couches, par la partie réelle de l'indice de réfraction du matériau semi- conducteur traversé. La gravure de ces tranchées peut être réalisée de façons différentes, en fonction de la nature du matériau de la couche P2. Si cette couche est en GalnP, la gravure se fait selon un procédé chimique humide, avec auto- alignement par rapport au dessin du métal du contact ohmique (déposé sur la couche supérieure de l'ensemble 4), ceci en raison de la grande sélectivité de vitesse de gravure de l'alliage quaternaire de la couche P1, la gravure étant généralement arrêtée à la limite entre les 2879841 5 couches P2 et P1 (si la différence entre l'indice de la couche P1 et celui de la couche P2 est suffisamment importante). Dans le cas où la couche P1 est en GaAIAs, la gravure est réalisée selon un procédé de gravure sèche par plasma (de type RIE, ICP,.. .) auto- alignée par rapport au dessin du métal du contact ohmique (déposé sur la couche supérieure de l'ensemble 4). Les tranchées ainsi réalisées sont remplies de polymère est rendues coplanaires avec la couche de contact ohmique précitée. Le matériau polymère joue le rôle d'isolation électrique des zones 7 et 8 par rapport au matériau semi- conducteur des mêmes couches, à l'extérieur des tranchées 5 et 6. La structure laser de l'invention qui vient d'être décrite peut être fixée par sa face supérieure (la plus proche de la couche P3) sur un radiateur thermique, ce qui optimise sa dissipation thermique. En figure 3, on a schématiquement représenté les neuf premières étapes de réalisation de la structure du laser de l'invention, référencées A à I, 15 parmi les douze principales. Ces étapes sont, dans l'ordre: (A) : croissance épitaxiale du substrat et des couches suivantes, telles que celles représentées en figure 2, l'ensemble étant référencé 11, (B) : dépôt d'un contact ohmique 12 sur la couche P3 de la structure 11, (C) : photolithographie et gravure des deux tranchées 5 et 6, (D) : amincissement du substrat (du côté de la face opposée à la couche 15), l'ensemble de la structure semi-conductrice est maintenant référencé 11A, (E) : dépôt d'un contact ohmique 13 sur la face inférieure du 25 substrat, et recuit de ce contact, (F) : dépôt de polymère 14 dans les tranchées 5 et 6, puis élimination du surplus afin d'obtenir une surface plane, coplanaire avec la face supérieure du dépôt 12, (G) : photolithographie sur la face supérieure de la couche 12, puis implantation de protons afin de bien isoler les parties 7 et 8. La zone se trouvant sous la partie 15A de photorésist subsistant après photolithographie (entre les deux tranchées 5 et 6) ne comporte pas de protons, (H) : dépôt d'une électrode 15 sur les couches 12 et 14, 2879841 6 (I) : photolithographie et ouverture des chemins de découpe 15B entre lasers unitaires adjacents ou groupes adjacents de lasers élémentaires, - clivage des faces d'émission et à haute réflectivité, - traitement anti-reflets des faces d'émission laser, - traitement haute réflectivité des faces opposées aux faces d'émission, - séparation des lasers élémentaires (ou des barrettes de lasers élémentaires), en suivant les chemins de découpe 15B. o Les figures 4 à 6 se rapportent aux étapes de fabrication d'une ou de plusieurs mini-barrettes comportant chacune plusieurs lasers élémentaires tel que celui représenté en figure 1 et réalisées toutes sur le même substrat. Les séparations optiques entre mini-barrettes adjacentes sont réalisées par formation de tranchées à flancs non perpendiculaires aux plans des couches actives dans les couches actives (voir figure 6). Ces étapes de fabrication sont les suivantes, dans l'ordre: (A) : croissance épitaxiale du substrat et des couches suivantes, telles que celles représentées en figure 2, l'ensemble étant référencé 16, (B) : dépôt d'un contact ohmique 17 de type P+ sur la couche P3 de la structure 16, (C) : photolithographie et gravure, pour chaque laser élémentaire, des deux tranchées 5 et 6, (D) : photolithographie et gravure des séparations 18 entre minibarrettes adjacentes, (E) : amincissement du substrat (du côté de la face opposée à la couche 17), l'ensemble de la structure semi-conductrice est maintenant référencé 19, (F) : dépôt d'un contact ohmique 20 sur la face inférieure du substrat, et recuit de ce contact, (G) : dépôt de polymère 21 dans les tranchées 5, 6 et 18, puis élimination du surplus afin d'obtenir une surface plane, coplanaire avec la face supérieure du dépôt 17, (H) : photolithographie sur la face supérieure de la couche 17, puis implantation de protons afin de bien isoler les parties 7 et 8 des zones 35 environnantes, 2879841 7 (I) : dépôt d'une électrode 22 sur les couches 17 et 21, (J) : photolithographie et ouverture des chemins de découpe entre lasers unitaires adjacents ou groupes adjacents de lasers élémentaires, clivage des faces d'émission et à haute réflectivité, traitement anti-reflets des faces d'émission laser, traitement haute réflectivité des faces opposées aux faces d'émission, séparation des mini-barrettes de lasers élémentaires. Sur la figure 5, on a représenté une vue de dessus partielle d'un 10 ensemble 23 de quatre mini-barrettes 23A formées sur le même substrat avec leurs tranchées de séparation optique 24. Sur la vue en perspective de la figure 6, on a représenté une des mini-barrettes de la figure 5, référencée 25 et formée sur un substrat 26 par exemple en GaAs de type N+. Sur ce substrat on forme un ensemble de couches actives semi-conductrices 27. Cet ensemble comporte, dans l'ordre à partir du substrat 26, une couche 28 par exemple en GalnP, de type N, une couche 29 formant une première grande cavité optique ( Large Optical Cavitiy en anglais), correspondant à l'ensemble des couches N2 et N1 de la figure 2), un puits optique 30, une deuxième grande cavité optique 31 correspondant à la couche P1 de la figure 2, une couche 32 de type P, par exemple en GalnP de type P, une couche 33, par exemple en GaAs, de type P+ , et une couche 34 formant électrode, par exemple en PtCrAuPtAu déposée sur toute la surface supérieure de la mini-barrette après gravure des tranchées décrites ci-après. Comme on le remarque sur la figure 6, la couche 34 n'est pas plane, car elle suit le profil des couches sousjacentes. Les tranchées 35, 36 de délimitation du ruban laser et de son évasement sont creusées dans les couches 32 et 33, alors que les tranchées 24 de délimitation des mini-barrettes sont creusées dans l'ensemble des couches 29 à 33, et partiellement dans l'épaisseur de la couche 28. Les flancs des tranchées 24 sont perpendiculaires aux plans des couches semiconductrices, au niveau des couches 32 et 33, et obliques au niveau des autres couches 28 à 31 en formant entre eux un angle de quelques degrés, par exemple compris entre 0,5 et 2 environ. Toutes les tranchées 24, 35 et 36 sont remplies de polymère. On implante des protons dans les zones 37 2879841 8 des couches 32 et 33 bordant extérieurement les tranchées 35, 36. L'implantation ne s'arrête pas nécessairement à la couche 32. Sur le schéma de la figure 7, on a représenté en particulier les détails de réalisation d'un réflecteur 38. Ce réflecteur comporte deux éléments 39, 40 ayant, en vue de dessus, une forme en V et disposés symétriquement de part et d'autre du ruban laser 41, près de sa jonction avec la partie évasée 42. L'une des branches de chaque V est parallèle au ruban 41, tandis que l'autre branche forme un angle inférieur à 90 par rapport à la première, le sommet de chaque V étant dirigé vers la partie évasée 42. Les deux V de ce réflecteur sont réalisés en creusant dans les couches actives se trouvant au-dessus du puits quantique des tranchées à parois perpendiculaires aux plans de ces couches et dont la section, dans un plan parallèle au plan des couches a la forme en V décrite ci-dessus. Ces tranchées sont ensuite remplies d'une matière polymère, ce qui les rend électriquement isolantes. Ainsi, grâce à l'invention, il est possible de réaliser des sources laser élémentaires ou groupées en barrettes, et de les fixer par leur face supérieure (celle 18) sur un radiateur thermique approprié, ce qui améliore nettement l'évacuation thermique en fonctionnement par rapport aux sources de l'art antérieur, qui ne pouvaient être fixées sur un radiateur que par leur embase. Selon des exemples de réalisation de l'invention, on a obtenu des lasers élémentaires ayant de longueurs d'onde comprises entre 0,7 et 1,1 pm avec des puits ou boites (dites Qdots ) quantiques sur substrat en GaAs, des longueurs d'onde comprises entre 1,1 et 1,8 pm avec des puits ou boites quantiques sur substrat en InP, des longueurs d'onde comprises entre 2 et 2,5 pm pour des puits ou boites quantiques sur substrat en GaSb, et des longueurs d'onde comprises entre 3 et plus de 12 pm avec des sources laser de type QCL. Dans ces exemples de réalisation, la largeur constante des tranchées délimitant le ruban et son évasement était d'environ 6 à 7 pm, la largeur des rubans de 3 à 4 pm, la longueur des rubans de 500 pm au maximum et celle des parties évasées de 2500 à 3000 pm au maximum et leur angle d'évasement d'environ 0,64 , le pas des lasers élémentaires d'une même mini-barrette d'environ 50 pm. 2879841 9 En général, pour tous ces exemples de réalisation, la divergence du faisceau émis était de l'ordre de 2 à mi-hauteur de sa courbe d'amplitude), et la puissance du faisceau à la sortie de la partie évasée supérieure ou égale à 1 W environ. Selon une variante de l'invention (non représentée), l'axe de la partie évasée 8 peut ne pas être aligné sur l'axe du ruban 7, mais faire avec celui-ci un angle de quelques degrés (dans un plan parallèle à celui des couches actives), afin de diminuer la réflectivité dans la face de sortie du faisceau laser. REVENDICATIONS 1. Laser semi-conducteur de puissance à faibles divergence et astigmatisme, caractérisé en ce qu'il comporte, dans une couche active (4) , une première partie (7) sous forme de ruban étroit monomode à guidage transverse par l'indice, terminée par une deuxième partie (8) s'évasant depuis la première partie, également à guidage transverse par l'indice. 2. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux parties de la cavité sont formées dans les couches actives situées au- dessus du puits quantique (QW). 3. Laser selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la délimitation des deux parties de la cavité laser est faite par deux tranchées (35, 36) gravées dans les couches superficielles (32, 33) 4. Laser selon la revendication 3, caractérisé en ce que la délimitation est complétée par une implantation de protons (9) dans les zones (37) qui bordent extérieurement les tranchées. 5. Laser selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte, au niveau de la première partie de cavité un déflecteur de photons parasites (9). 6. Laser selon la revendication 5, caractérisé en ce que le déflecteur comporte deux tranchées (39, 40) en forme de V disposées de part et d'autre de la première partie de cavité, et que ces tranchées sont remplies de matériau isolant. 7. Laser selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est fixé sur un radiateur thermique par sa face opposée au substrat (26). 8. Mini- barrette laser comportant plusieurs lasers élémentaires, caractérisé en ce que les lasers élémentaires sont des lasers selon l'une des revendications précédentes. 9. Assemblage de mini- barrettes comportant chacune plusieurs lasers élémentaires et formées sur le même substrat (26), caractérisé en ce que les lasers élémentaires sont des lasers selon l'une des revendications 1 à 7 et en ce que la séparation entre mini- barrettes adjacentes est assurée à chaque fois par 2879841 11 une tranchée (24) de séparation optique formée dans les couches semi- conductrices et remplie de matériau isolant. 10. Assemblage selon la revendication 9, caractérisé en ce que les flancs de chaque tranchée font entre eux un angle de quelques degrés.