Brevet FR2882859A1 — publié le 20060908

ELEMENT OPTIQUE A SEMICONDUCTEUR La présente invention concerne un élément optique à semi-conducteur qui peut augmenter la puissance et améliorer la fiabilité de fonctionnement par l'utilisation de C ou Mg en tant qu'impureté de type p. Jusqu'à présent, on a largement utilisé Zn en tant que dopant de type p pour un élément optique à semiconducteur (voir par exemple l'abrégé du Brevet du Japon ouvert à l'examen du public n 11-054828). Le Tableau 1 montre l'impureté à ajouter, la concentration de porteurs et l'épaisseur de pellicule de chaque couche dans un élément optique à se- miconducteur classique. Ici, à titre d'exemple, on considère une structure stratifiée d'un élément optique à semiconducteur employé dans une source de lumière qui utilise un matériau basé sur GaAsP/InGaP employé pour exciter un laser à l'état solide dans une bande de 808 nm. [Tableau 1] Nom de la couche Impureté Concentration de porteurs Epaisseur de pellicule (1018/cm3) (nm) Couche de contact en GaAs de type p Zn 10,0 -30, 0 100 500 Couche BDR en InGaP de type p Zn 1,0 - 3,0 20 - 100 Couche de gaine en AlGalnP de type p Zn 1,0 - 2,0 500 - 1500 Couche de guide en InGaAsP - 500 - 1500 Couche active en GaAsP - - 5 - 12 Couche de guide en InGaAsP - 500 - 1500 Couche de gaine en AlGalnP de type n Si 0,5 - 1, 5 500 - 1500 Couche tampon en GaAs de type n Si 0,5 - 1,5 200 - 700 Substrat en GaAs de type n Si 0,7 - 1,0 - Dans la structure du Tableau 1, une couche tampon en GaAs (ou AIGaAs) de type n à laquelle Si est ajouté en tant qu'impureté de type n, une couche de gaine en AIGaInP de type n à laquelle Si est ajouté, une couche de guide en InGaAsP sans impuretés ajoutées, une couche active en GaAsP sans impuretés ajoutées, une couche de guide en ln-GaAsP sans impuretés ajoutées, une couche de gaine en AIGaInP de type p à laquelle Zn est ajouté en tant qu'impureté de type p, une couche de réduction de discontinuité de bande, ou BDR, en InGaP de type p à laquelle Zn est ajouté, et une couche de contact en GaAs de type p à la-quelle Zn est ajouté, sont stratifiées séquentiellement sur un substrat en GaAs de type n. Cependant, Zn utilisé comme une impureté de type p diffuse aisément sous l'effet d'un traitement thermique pendant la croissance ou la fabrication d'un laser à semiconducteur. Par conséquent, lorsque le débordement de porteurs implantés (électrons dans ce cas) doit être ré-duit en élevant la concentration en Zn de la couche de gaine en AlGalnP de type p, on observe occasionnellement la diffusion de Zn vers la couche active en GaAsP, dans laquelle des impuretés ne peuvent pas être mélangées dans des conditions normales. En particulier, dans des structures classiques, si une concentration élevée (par exemple 1019/cm3 ou plus) de Zn est ajoutée à une couche de contact en GaAs de type p, la couche de contact en GaAs de type p agit comme une source de Zn, et la diffusion de Zn vers la couche active en GaAsP est accélérée davantage. Si une impureté est mélangée dans la couche active, du fait qu'un centre de recombinaison non radiative est formé et occasionne des problèmes, comme la diminution de l'intensité d'émission et le déplace-ment de la jonction PN (écart par rapport à la valeur nominale), on ne peut pas fabriquer un élément optique à semiconducteur ayant des caractéristiques favorables. La figure 4 montre les résultats d'un test de fiabilité d'un élément optique à semiconducteur classique ayant la structure représentée dans le Tableau 1. On observe une mort soudaine environ 400 heures après le commencement du test de fiabilité, et la structure n'a pas une fiabilité suffisante. La présente invention a été conçue pour résoudre les problèmes décrits cidessus, et un but de la présente invention est de procurer un élément optique à semiconducteur qui puisse empêcher le mélange d'impuretés dans la couche active, augmenter la puissance et améliorer la fiabilité de fonctionnement. Selon un aspect de la présente invention, un élément optique à semiconducteur a une structure dans laquelle une couche tampon en GaAs de type n, une couche de gaine en AIGaInP de type n, une première couche de guide en InGaAsP (incluant une proportion d'As nulle) sans impuretés ajoutées, une couche active en InGaAsP (incluant une proportion d'In nulle), une seconde couche de guide en InGaAsP (incluant une proportion d'As nulle) sans impuretés ajoutées, une couche de gaine en AlGalnP de type p, une couche de réduction de discontinuité de bande de type p, et une couche de contact en GaAs de type p, sont stratifiées séquentiellement sur un substrat en GaAs de type n; et dans cette structure C ou Mg est utilisé comme l'impureté de type p pour la couche de contact en GaAs de type p, la couche de réduction de discontinuité de bande de type p et la couche de gaine en AIGaInP de type p. Conformément à la présente invention, le mélange d'impuretés dans la couche active peut être évité, la puissance peut être augmentée et la fiabilité de fonctionnement peut être améliorée. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention res-sortiront plus complètement de la description suivante, se référant aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est un graphique montrant les résultats d'un test de fiabilité pour un élément optique à semiconducteur conforme au premier mode de réalisation de la présente invention; - la figure 2 est une coupe montrant un laser du type à guide d'ondes à moulure dans lequel l'élément optique à semiconducteur de la présente invention peut être appliqué; - la figure 3 est une coupe montrant un laser de type enterré ayant une structure de confinement de courant, auquel l'élément optique à semiconducteur de la présente invention peut être appliqué; et la figure 4 est un graphique montrant les résultats d'un test de fiabilité pour un élément optique à semiconducteur classique. Premier Mode de Réalisation Le Tableau 2 montre l'impureté à ajouter, la concentration de porteurs et l'épaisseur de pellicule de chaque couche dans un élément optique à semiconducteur conforme au premier mode de réalisation de la présente invention. Ici, à titre d'exemple, on considère une structure stratifiée d'un élément optique à semiconducteur employé dans une source d'énergie qui utilise un matériau basé sur GaAsP/InGaP, qu'on utilise pour exciter un laser à l'état solide dans une bande de 808 nm. [Tableau 2] Nom de la couche Impureté Concentration de porteurs Epaisseur de pellicule (1018/cm3) (nm) Couche de contact en GaAs de type p C 30,0 - 50, 0 100 500 Couche BDR en InGaP de type p Mg 1,0 - 3,0 20 - 100 Couche de gaine en AlGalnP de type p Mg 1,0 - 2,0 500- 1500 Couche de guide en InGaAsP - 500 - 1500 Couche active en GaAsP - - 5 - 12 Couche de guide en InGaAsP - 500 - 1500 Couche de gaine en AIGaInP de type n Si 0,5 - 1, 5 500 - 1500 Couche tampon en GaAs de type n Si 0,5 - 1,5 200 - 700 Substrat en GaAs de type n Si 0,7 - 1,0 - Dans l'élément optique à semiconducteur du Tableau 2, une couche tampon en GaAs (ou AIGaAs) de type n à laquelle Si est ajouté en tant qu'impureté de type n, une couche de gaine en AIGaInP de type n à laquelle Si est ajouté, une couche de guide en InGaAsP sans impuretés ajoutées, une couche active en GaAsP sans impuretés ajoutées, une couche de guide en InGaAsP sans impuretés ajoutées, une couche de gaine en AIGaInP de type p à laquelle Mg est ajouté en tant qu'impureté de type p, une couche de réduction de discontinuité de bande (BDR) en InGaP de type p à laquelle Mg est ajouté, et une couche de contact en GaAs à la-quelle C est ajouté, sont stratifiées séquentiellement sur un substrat en GaAs de type n. On utilise par exemple en tant que procédé pour la stratification une technique de croissance cristalline, comme un procédé de dépôt chimique en phase vapeur aux organométalliques (MOCVD). Dans le cas de la croissance par MOCVD, la température de croissance est de 720 C, la pression de croissance est par exemple de 10 kPa; et en ce qui concerne les matières premières pour former chaque couche, on utilise par exemple le triméthylindium (TMI), le triméthylgallium (TMG), le triméthylaluminium (TMA), la phosphine (PH3), l'arsine (AsH3), le silane (SiH4), le diéthylzinc (DEZn) ou autres. Les débits de ces gaz de matières sont commandés en utilisant un régulateur de débit-masse, ou autres, pour obtenir une composition désirée. Dans la croissance de la couche de contact en GaAs de type p, la température de croissance est par exemple de 540 C, et le rapport V/III (rapport entre le débit d'AsH3 et celui de TMG) est approximative- ment égal à 1. Normalement, la température de croissance pour faire croître une couche de GaAs est d'environ 600 à 750 C, et le rapport V/III est de plusieurs dizaines à plusieurs centaines. En la faisant croître dans les conditions de croissance décrites ci-dessus, le C libéré par des groupes méthyle contenus à l'origine dans le TMG, est incorporé sans introduire une matière spéciale pour ajouter l'impureté. On peut utiliser un tel procédé d'introduction d'impureté intrinsèque, ou bien on peut également utiliser du tétrachlorure de carbone (CCI4), du tétrabromure de carbone (CBr4), ou un corps semblable. Comme décrit ci-dessus, dans le premier mode de réalisation, l'impureté de type p à ajouter à la couche de contact en GaAs de type p est C, et l'impureté de type p à ajouter à la couche de réduction de dis-continuité de bande en InGaP de type p et à la couche de gaine en AlGalnP de type p, est Mg. Mg et C ont des coefficients de diffusion inférieurs à celui de Zn. Théoriquement, aucune diffusion mutuelle ne se pro- duit entre C dans la couche de contact en GaAs de type p et Mg dans la couche de gaine en AlGalnP de type p. Par conséquent, la diffusion d'impuretés vers la couche active, qu'on peut observer lorsqu'on utilise Zn, peut être réduite. D'après ce fait, la concentration en C dans la couche de contact en GaAs de type p, et la concentration en Mg dans la couche de réduction de discontinuité de bande en InGaP de type p, et dans la couche de gaine en AlGalnP de type p au voisinage de la couche active, peuvent être élevées en comparaison avec le cas classique utilisant Zn. Par conséquent, conformément au premier mode de réalisation, du fait que la diffusion d'impuretés de type p dans la couche active en GaAsP peut être réduite tout en maintenant à 4,0 x 1019/cm3 la concentration de porteurs dans la couche de contact en GaAs de type p, et à 2 x 1018/cm3 la concentration de trous dans la couche de gaine en AIGaInP de type p, il est possible de réaliser un élément optique à semi-conducteur à puissance élevée et à rendement élevé, tout en maintenant une fiabilité élevée. La figure 1 montre les résultats d'un test de fiabilité d'un élément optique à semiconducteur ayant la structure représentée dans le Tableau 2. Aucune mort soudaine n'est apparue 1000 heures après le commencement du test de fiabilité, ce qui montre une fiabilité suffisante. Lorsque l'impureté de type p ajoutée à la couche de réduction de discontinuité de bande en InGaP de type p et à la couche de gaine en AlGalnP de type p est Mg, la température de formation de pellicule de la couche de réduction de discontinuité de bande en InGaP de type p et de la couche de gaine en AlGalnP de type p peut être plus élevée que dans le cas où toute l'impureté de type p est C, et la cristallinité de la couche de réduction de discontinuité de bande en InGaP de type p et de la couche de gaine en AlGalnP de type p peut être élevée; par conséquent, on peut obtenir un élément optique à semiconducteur à rendement élevé. L'élément optique à semiconducteur décrit ci-dessus peut être appliqué soit à un laser ayant une structure de guide d'ondes à moulure, représenté sur la figure 2, soit à un laser enterré ayant une structure de confinement de courant, représenté sur la figure 3. Dans le laser représenté sur la figure 2, une électrode 11 de type n, un substrat 12 en GaAs de type n, une couche tampon 13 en GaAs de type n, une couche de gaine 14 de type n, une structure de puits quantique 15 en GaAsP/InGaP, une couche de gaine 16 de type p, une couche de contact 17 de type p et une électrode 18 de type p sont stratifiées séquentiellement à partir du bas. Des couches de blocage de courant 19 de type n sont en outre incorporées dans le laser représenté sur la figure 3. Dans le premier mode de réalisation, bien qu'on ait décrit le cas de l'utilisation d'une couche active en GaAsP, il n'y a aucune intention de limiter le nombre de couches actives, et on peut obtenir le même effet lorsqu'on utilise deux couches actives, ou plus. L'épaisseur de chaque couche indiquée dans le Tableau 2 n'est également pas limitée. Second Mode de Réalisation Le Tableau 3 montre l'impureté à ajouter, la concentration de porteurs et l'épaisseur de pellicule de chaque couche dans un élément optique à semiconducteur conforme au second mode de réalisation de la 5 présente invention. [Tableau 3] Nom de la couche Impureté Concentration de porteurs Epaisseur de pellicule (10181cm3) (nm) Couche de contact en GaAs de type p C 30,0 50, 0 100 500 Couche BDR en InGaP de type p C 1,0 - 3,0 20 - 100 Couche de gaine en AIGaInP de type p C 1,0- 2,0 500- 1500 Couche de guide en InGaAsP - - 500 - 1500 Couche active en GaAsP - - 5- 12 Couche de guide en InGaAsP - - 500 - 1500 Couche de gaine en AlGalnP de type n Si 0,5 - 1, 5 500- 1500 Couche tampon en GaAs de type n Si 0,5 - 1,5 200 - 700 Substrat en GaAs de type n Si 0,7 - 1,0 - Dans le second mode de réalisation, l'impureté de type p ajoutée à la couche de contact en GaAs de type p, à la couche de réduction de discontinuité de bande en InGaP de type p et à la couche de gaine en AIGaInP de type p est C. D'autres structures sont les mêmes que dans le premier mode de réalisation. Ainsi, le mélange d'impuretés dans les couches actives peut être évité, la puissance peut être augmentée et la fiabilité de fonctionnement peut être améliorée. Du fait qu'aucune matière de dopage de type p n'est exigée lorsqu'on utilise C pour l'impureté de type p devant être ajoutée à l'en-semble de la couche de contact en GaAs de type p, de la couche de réduction de discontinuité de bande en 1nGaP de type p et de la couche de gaine en AIGaInP de type p, le coût de fabrication peut être réduit. De plus, le procédé de fabrication est pratiquement le même que dans le premier mode de réalisation. Cependant, on doit utiliser du tétrachlorure de carbone (CCI4) ou du tétrabromure de carbone (CBr4) pour ajouter C à la couche d'AlGalnP, et on ne peut pas utiliser le procédé d'introduction d'impureté intrinsèque, comme décrit dans le premier mode de réalisation. Troisième Mode de Réalisation Le Tableau 4 montre l'impureté à ajouter, la concentration de porteurs et l'épaisseur de pellicule de chaque couche dans un élément optique à semiconducteur conforme au troisième mode de réalisation de la présente invention. [Tableau 4] Nom de la couche Impureté Concentration de porteurs Epaisseur de pellicule (1018/cm3) (nm) Couche de contact en GaAs de type p Mg 30,0 -50, 0 100 500 Couche BDR en InGaP de type p Mg 1,0 - 3,0 20 - 100 Couche de gaine en AIGaInP de type p Mg 1,0 - 2,0 500- 1500 Couche de guide en InGaAsP - 500 - 1500 Couche active en GaAsP - - 5 - 12 Couche de guide en InGaAsP - 500 - 1500 Couche de gaine en ANGalnP de type n Si 0,5 - 1, 5 500 - 1500 Couche tampon en GaAs de type n Si 0,5 - 1,5 200 - 700 Substrat en GaAs de type n Si 0,7 - 1,0 - Dans le troisième mode de réalisation, l'impureté de type p ajoutée à la couche de contact en GaAs de type p, à la couche de réduction de discontinuité de bande en InGaP de type p et à la couche de gaine en AIGaInP de type p est Mg. D'autres structures sont les mêmes que dans le premier mode de réalisation. Le procédé de fabrication est le même que le procédé pour ajouter Mg décrit dans le premier mode de réalisation. Ainsi, comme dans le premier mode de réalisation, le mélange d'impuretés dans les couches actives peut être évité, la puissance peut être augmentée et la fiabilité de fonctionnement peut être améliorée. De plus, du fait que la température de croissance peut être fixée à une valeur plus élevée que la température à laquelle le dopage par C est effectué, lorsqu'on utilise Mg pour l'impureté de type p à ajou- ter à l'ensemble de la couche de contact en GaAs de type p, de la couche de réduction de discontinuité de bande en InGaP de type p, et de la couche de gaine en AlGalnP de type p, la cristallinité de l'élément optique à semiconducteur peut être augmentée. Quatrième Mode de Réalisation L'élément optique à semiconducteur conforme au Quatrième Mode de Réalisation de la présente invention est un élément optique à semiconducteur dans lequel la couche active en GaAsP décrite dans les Tableaux 2 à 4 est remplacée par une couche active en InGaAsP. Cepen- dant, avec la composition InGaAsP, la longueur d'onde d'émission de lumière de photoluminescence de la structure de puits quantique InGaAsP/InGaP est de 790 à 810 nm. Les autres structures d'éléments, la combinaison des impuretés de type p à ajouter, et les procédés de fabrication sont les mêmes que les premier à troisième modes de réalisation. Par conséquent, on peut obtenir le même effet que dans les premier à troisième modes de réalisation. Il est évidemment possible d'apporter de nombreux changements et modifications à la présente invention, à la lumière des explications cidessus. Il faut donc noter que, dans le cadre des revendications annexées, l'invention peut être mise en oeuvre autrement que de la manière décrite spécifiquement. REVENDICATIONS 1. Elément optique à semiconducteur ayant une structure dans laquelle une couche tampon (13) en GaAs de type n, une couche de gaine (14) en AlGalnP de type n, une première couche de guide (15) en InGaAsP (incluant une proportion d'As nulle), sans impuretés ajoutées, une couche active (15) en InGaAsP (incluant une proportion d'In nulle), une seconde couche de guide (15) en InGaAsP (incluant une proportion d'As nulle), sans impuretés ajoutées, une couche de gaine (16) en AlGalnP de type p, une couche de réduction de discontinuité de bande de type p, et une couche de contact (17) en GaAs de type p, sont stratifiées séquentiellement sur un substrat (12) en GaAs de type n, caractérisé en ce que C ou Mg est utilisé pour l'impureté de type p pour la couche de contact (17) en GaAs de type p, la couche de réduction de discontinuité de bande de type p et la couche de gaine (16) en AIGaInP de type p. 2. Elément optique à semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que C est utilisé comme l'impureté de type p pour la couche de contact (17) en GaAs de type p, et Mg est utilisé comme l'impureté de type p pour la couche de réduction de discontinuité de bande de type p et la couche de gaine (16) en AIGaInP de type p. 3. Elément optique à semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que C est utilisé comme l'impureté de type p pour la couche de contact (17) en GaAs de type p, la couche de réduction de dis-continuité de bande de type p et la couche de gaine (16) en AlGalnP de type p. 4. Elément optique à semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que Mg est utilisé comme l'impureté de type p pour la couche de contact (17) en GaAs de type p, la couche de réduction de dis-continuité de bande de type p et la couche de gaine (16) en AlGalnP de type p.