FR 2512286 A1 19830304 FR 8214583 A 19820825 La présente invention concerne un laser à injection à double hétérojonction à trois bornes, et plus particulièrement, un laser à semiconducteur avec comme partie intégrante un transistor a induction statique en mode bipolaire ayant un rendement de commande élevé. Les lasers à semiconducteur ont de petites dimensions, produisent un faisceau laser avec un rende- ment élevé et permettent une modulation directe, de sorte qu'ils trouvent une utilisation potentielle comme sources lumineuses dans les télécommunications optiques, les systèmes de traitement optique de l'information et les circuits intégrés optiques Les lasers à injection à double hétérojônction courants ne nécessitent qu'une faible densité de courant seuil et utilisent une struc- ture géométrique en bande pour stabiliser le mode d'effet laser Mais chacun d'eux est électriquement une diode et nécessite un transistor extérieur pour assurer une modulation directe Si la largeur de la bande est très réduite, la densité du courant seuil est extréme- ment augmentée et l'oscillation laser se produit dans de nombreux modes axiaux plutôt que dans un seul mode. Les dimensions du laser à semiconducteur sont critiques dans un circuit intégré optique et une réduction de la largeur de sa bande est inévitable. Un objet de l'invention est donc de proposer un laser à semiconducteur à trois bornes qui est formé, avec comme partie intégrante, un transistor à induction statique pour commander l'injection des porteurs dans la couche active du laser afin d'obtenir un rendement et une commande à grande-vitesse de la sortie du laser. Iln autre objet de l'invention est de proposer. un laser à semiconducteur à trois bornes avec une largeur de bande très réduite mais qui produit une sortie optique dans un seul mode transversal, dont la densité de courant seuil d'excitation est faible et qui permet d'utiliser une électrode de commande de faible consommation de courant. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux au cours de la descrip- tion qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexes sur lesquels: la figure 1 est une vue en perspective d'un laser à semiconducteur à induction statique selon un mode de réalisation de l'invention, la figure 2 est un diagramme de distribution de potentiel sur une coupe de la figure 1, suivant la ligne A-A', les figures 3 a, 3 b et 3 c sont des diagrammes de distribution de potentiel dans une coupe de la figure 1, suivant la ligne B-B', les figures 4 à 9 sont des coupes d'autres - modes de réalisation du laser à semiconducteur à induction électrostatique selon l'invention, la figure 10 est un schéma montrant comment est fabriqué le laser de la figure 9, la figure 11 est un schéma d'un modèle comportant une région P dans le canal, la figure 12 montre des courbes illustrant l'effet de la région P, la figure 13 est une représentation schéma- tique d'un laser à semiconducteur à induction statique comprenant une région P dans le canal, la figure 14 est une coupe d'un laser à semiconducteur comprenant une structure de stabilisation en mode transversal, les figures 15 et 16 a et 16 b sont des courbes illustrant l'effet de stabilisation de mode, la figure 17 est un schéma d'un modèle de circuit de gỉde de lumière, les figures 18 et 19 montrent des courbes caractéristiques du guide de lumière, les figures 20 a à 20 h sont différentes coupes de la partie de guidage de lumière permettant d'obtenir la stabilisation de modes, les figures 21 à 25 sont des coupes de laser à semiconducteur permettant une stabilisation de modes, la figure 26 représente des caractéristiques d'intensité en fonction de la tension pour un transis- tor à induction statique en mode bipolaire réalisé en Ga As, la figure 27 montre des caractéristiques d'intensité en fonction de la tension pour un laser à semiconducteur à induction électrostatique,. les figures 28 et 29 sont des coupes de deux lasers a semiconducteur à induction statique comprenant un canal multiple, les figures 30 a, 30 b et 31 a à 31 c sont des vues en plan et en coupe de deux lasers à semiconducteur à induction statique comportant une structure de sta- bilisation en mode axial, les figures 32 à 34 sont des coupes de trois lasers à semiconducteur à induction électro- statique comprenant un canal multiple et une structure- de stabilisation en mode transversal, les figures 35 a et 35 b représentent un laser à semiconducteur à induction électrostatique comprenant une région P dans le canal et une structure de stabi- lisation dans le mode transversal et le mode axial, la figure 35 a étant une coupe dans une direction perpendiculaire à la bande et la figure 35 b une coupe longitudinale passant par le centre de la bande, et la figure 36 représente un autre mode de réalisation comprenant une région P dans le canal. La figure 1 est une vue en perspective d'un laser à semiconducteur selon l'invention, qui est formé avec comme partie intégrante un transistor à induction statique en mode bipolaire (qui sera appelé ci-après BSIT) Le transistor est réalisé en Ga As et Ga x Alx As; il comporte un substrat 1 Ga As de type P sur lequel sont formées successivement une couche 2 de Ga Al As de type P+, une couche active 3 de Ga As de type N, une couche 4 de Ga Al As de type N et une couche 5 de Ga As i O de type N+ Le transistor comporte également deux régions 6 de type P encadrées par le trait plein 12 et des électrodes-7, 8 et 9 qui sont respectivement une cathode, une anode et une grille. La figure i montre également deux régions appauvries 10 encadrées par le trait pointillé 11. Comme le montre la figure 1, pour une tension de grille nulle, la couche appauvrie 10 s'étendant à partir de- la région de grille P+ sur un côté est en contact complet avec la couche appauvrie 10 s'étendant à partir de la région de grille Pl sur l'autre côté dans la -région de canal, c'est-à-dire que le transistor est réalisé de manière que le canal soit "pincé" avec une polari- sation de grille nulle Autrement dit, ce transistor est un transistor à induction statique normalement bloqué dans-lequel aucun courant ne circule avec une polarisation de grille nulle Si le canal n'est pas pincé et les deux couches appauvries 10 ne -sont pas en contact mutuel-même avec une polarisation de grille - nulle, et si seule la largeur du canal de courant est changée, le composant qui en-résulte est un transistor à induction statique normalement débloqué dans lequel un courant circule même avec une polarisation de grille nulle, entraînant une consommation inutile de courant. Bien entendu, ce transistor normalement débloqué peut être utilisé si une modulation à grande vitesse est effectuée en maintenant l'application d'un courant de polarisation au-dessous du niveau seuil. La figurez 2 montre la distribution de poten- tiel de la grille et du canal de la figure 1 suivant une coupe le long de la ligne A-A' Lorsque le canal est complètement pincé avec une polarisation de grille nulle et si la grille faite de Ga O 7 Alo 03 As reçoit des ten- sions positives de 0,4 V, 0,8 V, 1,2 V et 1,6 V, la distribution de potentiel du canal varie comme le mon- trent les lignes 22, 23, 24 et 25 La ligne pointillée 26 indique le potentiel de cathode Quand la tension directe de grille augmente, la barrière de potentiel dans le canal diminue progressivement et des électrons de la région de cathode 5 sont injectés dans le canal entraînant la circulation d'un courant Etant donné que la grille P est fortement polarisée dans le sens direct, des trous sont injectés dans le canal à partir de la grille de sorte que des nombres presque égaux d'électrons et de trous sont présents dans le canal. Les figures 3 a, 3 b et 3 c sont des diagrammes de potentiel de la figure 1 dans la direction B-B' à une tension de grille nulle Les régions 1 à 5 indiquent les régions correspondantes de la figure 1 e+ le poten- tiel est tracé sur l'axe y Sur les figures 3 a, 3 b et 3 c, la région 27 est la barrière de potentiel produite dans le canal par le potentiel de diffusion P+N et évite le passage des porteurs "électrons" 31 Sur les figures 3 a, 3 b, 3 c les trous sont désignés par 32 -La tension de grille change la hauteur de la barrière comme le montre la figure 2 et des électrons sont injectés dans la région de canal 4 de type N à partir de la région cathodique 5 de type N+ de manière à changer la quantité d'injection d'électrons dans la couche active 3 La figure 3 a montre la distribution de potentiel quand la tension entre la cathode et l'anode est nulle Les figures 3 b et 3 c montrent la distribution de potentiel entre la cathode et l'anode lorsque l'anode reçoit une tension positive La figure 3 b suppose le cas o la couche appauvrie s'étendant à partirde la grille Pl atteint presque la couche active et la figure 3 c suppose le cas o la couche active est aussi essentiellement une couche appauvrie Le composant ayant la structure de la figure 1 est électroniquement un thyristor à induction statique à canal N bien que la présence d'une hétéro- jonction fasse que ce point n'est pas tout à fait évident Vu dans la direction B-B' de la figure 1, F + le composant est une diode N-NP Aucun courant ne circule dans ce composant même s'il reçoit une tension directe comme l'explique le mécanisme suivant L'injection d'électrons à partir de la région de cathode 5 de type N est inhibée par la barrière de potentiel 27 produite dans le canal par la grille P tandis que l'injection de trous à partir de la région d'anode 2 de type P est inhibée par le potentiel de diffusion P N Ce n'est que si la couche active 3 est devenue une couche complètement appauvrie comme le montre la figure 3 c, que la barrière de potentiel due au potentiel de diffusion P N sur l'extrémité avant de l'anode est abaissée, avec pour résultat que les trous sont injectés dans la couche active à partir de la région d'anode P pour entratner la circulation d'un courant Il est évident qu'avec un composant comprenant une hétérojonction, le courant résultant est beaucoup plus faible quedans un composant comprenant une homojonction même si la couche active est complètement devenue appauvrie Dans tous les cas, pour réaliser un composant normalement bloqué dans lequel aucun courant ne circule à une tension de grille nulle même si une certaine tension positive est appli- quée à l'anode, il est essentiel que le canal N contien- ne une barrière de potentiel de hauteur qui convient formée par le potentiel de diffusion entre la grille P+ et le canal. Il sora supposé que l'intervalle entre les grilles est 2 a (cm), que la densité en impuretés de la région 4 de type N dans le canal entouré par les gril- les est N (cm 3) et que la longueur de canal déterminée D par la profondeur de chaque grille P+ dans la direction verticale est L (cm). Dans le but d'obtenir un contact complet entre les couches appauvries s'étendant à partir des régions de grille P+ pour que le canal soit complé- tement pincé en produisant une barrière de potentiel- la relation ci-après doit être au moins satisfaite: ND ( 2 a) 2 4,5 x 107 (cm-3) Si 2 a est 1 pm, cette relation peut s'écrire sous la forme ND ( 4, 5 x 11015 cm 3 et si 2 a est 2 Vm, la relation peut être ND appliquée à l'anode Pour obtenir de meilleurs caracté- ristiques de blocage normal, il est préférable que L/2 a soit 1,0 ou davantage Par conséquent, pour obtenir un composant normalement bloqué, la relation ND ( 2 a) 0,7, de préférence, L/2 a> 1,0 doivent être satisfaites en même temps Cette double relation signifie que -pour maintenir constante la hauteur de la barrière de poten- tiel dans le canal, la valeur de L/2 a doit diminuer quand la valeur ND ( 2 a) diminue D'une façon générale, pour obtenir de bonnes caractéristiques de blocage normal, N ou la densité d'impuretés de la couche 4 de Ga Al As de type N est choisie à une valeur de l'ordre de 1 o 04 cm 3 ou 10 cm Même si la densité d'impuretés du canal est aussi basse, la densité des électrons injectés dans le canal à partir de la cathode dépasse 1 x 1017 cm 3 si-la grille P est fortement polarisée dans le sens direct Les électrons injectés à partir de la cathode circulent dans la couche active 3 comme le montre par exemple la figure 3 b En raison de la barrière de potentiel, les électrons circulant dans la couche active 3 ne peuvent migrer dans la région 2 de type P et s'accumulent dans cette couche La couche active 3 se charge donc négativement Quand la couche active 3 est chargée négativement, la jonction entre la région 2 de type P et la région 3 de type Ne est polarisée dans le sens direct, c'est-à- dire que des trous sont injectés dans la couche active 3 à partir de la région 2 de type Pe En raison de la barrière de poten- tiel entre les régions 3 et 4, peu de trous migrent dans la région 4 de type N Par conséquent, des élec- trons et des trous s'accumaulent dans la couche active 3. Si la densité des électrons et des trous atteint un certain niveau, l'oscillation laser a lieu Par consé- quent, le composant de la figure 1 est électronïquement un thyristor à induction statique et l'oscillation laser a lieu dans la couche active 3 qui est contiguë à l'anode du thyristor-et qui possède une bande d'inhibition étroite. Le courant peut être interrompu et l'oscil- lation laser arrêtée en ramenant à zéro la polarisation directe sur la grille P La période de blocage peut être en outre réduite en appliquant quelques volts de tension inverse à la grille Comme cela a déjà été indiqué, le composant de la figure 1 est essentiellement un thyristor à induction statique, même presque tous les trous qui ont été injectés par l'anode se diffusent dans la région active et n'atteignent pas la grille P 25122-86 Dans ce sens, le composant fonctionne comme un intermé- diaire entre un BSIT et un thyristor à induction élec- trostatique, et la période de blocage peut être consi- dérée comme une phase dans laquelle les trous qui ont été injectés dans le canal à partir des grilles P sont à nouveau prélevés dans les grilles P+ La période de blocage est très courte si la largeur du canal est réduite. Les spécifications du composant de la figure 1 sont les suivantes: le substrat 1 de type P a une densité d'impuretés de 1 à 2 x 1019 cm-3; la couche 2 de Gal x Alx As du type P+ a une épaisseur de 1 à 5 pm 1-x x 18 19 -3 et une densité d'impuretés de 1 x 1018 à 1 x 1019 cm 3; la couche active de Ga As a une épaisseur de 0,05 à 1 pm et une densité d'impuretés de 1 x 1014 à 1 x 1017 cm 1; la couche 4 de Ga Alx As de type N a une épaisseur 1-x x 1 de 0,5 à 3 pm et une densité d'impuretés de 1 x 1013 1 x 1015 cm 3; la couche de Ga As de type N+ a une densité d'impuretés de 1 x 1018 à 1 x 1019 cm 3; et la région de grille 6 de type P+ a une densité d'impu- 17 19 -3 retés de 1 x 1017 à 5 x 1019 cm Il est préférable que la densité d'impuretés de la région de cathode N et de la région de grille P+ soit le plus élevée possible L'intervalle entre les grilles (largeur de canal) est de 0,3 à 3 pm. Selon la figure 1, la région de cathode N+ n'est formée que dans la couche 5 de Ga As mais peut s'étendre jusqu'à la couche 4 de Ga Al As Pour augmenter le gain en courant du composant, déterminé par le rapport entre le courant d'anode et le courant de grille, il est préférable qu'une région isolante soit formée entre la région de cathode et la région de grille. Si plus de trous sont injectés par la grille P vers la région de canal N avec une polarisation directe à la grille, plus d'électrons sont injectés par la cathode N+ de sorte qu'il est préférable que la largeur de canal soit inférieure 'au double de la longueur de diffusion. des trous En variante, la largeur de canal peut être augmentée pour permettre qu'un certain courant circule même avec une polarisation de grille nulle et, dans ce cas, une certaine polarisation inverse doit être appliquée à la grille pour inhiber la circulation d'un courant. Comme cela est bien connu, le laser à semi- conducteur ne doit pas émettre de lumière au moment o un courant circule Aucune lumière n'est' émise à moins que'la densité des porteurs de la couche active dépasse une valeur seuil Si la densité de courant seuil, la charge unitaire, l'épaisseur de la couche active et la durée de vie des porteurs dans la couche active (qui est déterminée par exemple par émission spontanée) sont désignées respectivement par Jth, q, d et T la densité seuil des porteurs est représentée par T Jth/qd. Par conséquent, po ur obtenir une émission de lumière laser qui répond le plus fidélement au signal de tension appliqué à la grille, un courant voisin du courant seuil doit toujours circuler dans le composant. En variante, un composant normalement déblo- qué peut être utilisé, dans lequel un courant voisin de Jth circule même avec une polarisation de grille nulle Ou un composant normalement bloqué peut être utilisé dans lequel une certaine polarisation directe est appliquée à la grille pour faire circuler un courant voisin de Jth. Le composant représenté sur la figure 1 peut être fabriqué en formant successivement des couches 2, 3, 4 et 5 sur le substrat de Ga As de type P+ par la technique de croissance épitaxiale, en formant une région de grille P+ par implantation d'ions de Be jusqu'à une concentration de 1 à 5 x 10 î cm 3 et en faisant recuire l'ensemble dans une atmosphère de As H 3 sous environ 1 à 3 torr et à 800-900 C Selon la figure l, la couche 5 est faite de Ga As, la couche 4 est faite par exemple de Gao 7 A 10, 3 As et la région 6 est une région P, de sorte que si la tension de grille s'approche du potentiel de diffusion de Ga As, un courant direct circule entre Ga As de type'P+ et Ga AS de type N dans la couche 5 plutôt que dans le canal de Gao,7 Alo,3 As réduisant ainsi le gain en courant défini par le rapport entre les courants d'anode et de grille Pour éviter cela, une région d'isolement 52 faite de Si 3 N 4, Al N, A 1203 ou-Si O 2 est formée entre chaque région de grille 6 et la région de cathode 51 au- dessous de l'électrode de cathode 7 comme le montre la figure 4. De cette manière, aucune injection de porteurs à partir de la région de grille 6 vers la région de cathode 51 - n'a lieu et un gain en courant accru est obtenu Si une région d'isolement 53 est également formée de chaque côté de la région de grille, la capacité de grille est réduite ce qui augmente la fréquence de modu- lation et en même temps le gain en courant Iliest préférable que la région cathodique 51 de type N+ s'étende jusqu'à la couche 4 de Ga Al As L'injection des porteurs à partir de la région de grille dans la région de cathode peut aussi être évitée en supprimant une partie de la couche 5 comme le montre la figure 5 pour séparer la cathode de la grille, ou en éliminant entièrement la couche 4 comme le montre la figure 6. La région 51 est une région N Pour réduire la résis- tance de contact des électrodes, il est également préférable que la région de Ga Al As soit en contact continu avec la région de Ga As Dans le laser à semi- conducteur à double hétérojonction Ga As-Ga Al As, la couche 5 n'a pour fonction que de réduire la résistance ohmique et elle n'est pas essentielle pour le mécanisme laser lui-même Un laser à semiconducteur à double hétérojonction In P-In Ga P As est essentiellement une structure en trois couches comprenant des couches de In P, In Ga P As et In P comme le montre la figure 6. -Dans les modes de réalisation illustrés ci- dessus, la région de grille est formée au-dessus du composant mais elle peut être du type encastrée comme le montre la figure 7 Avec la grille encastrée, des trous sont également injectés depuis la grille 6 dans la région de cathode de sorte que si un gain en courant plus élevé est souhaité, une région semi- isolante 62 peut être formée de chaque côté de la couche , contigue avec la région 6 de grille P+ comme le montre la figure 8, avec une région N formée seulement dans la région 61 dans laquelle des électrons sont injectés Une grille complètement encastrée est formée en réalisant la couche 5 avec Ga Al As, qui est la même matière que celle utilisée dans la couche 4 Il est évident qu'un gain en courant plus élevé peut être obtenu en formant une région de cathode N qui s'étend jusqu'à la couche 4. La figure 9 représente un autre mode de réalisation du laser à semiconducteur selon l'invention. Il comporte une région 63 qui est une couche isblante faite de Si 3 N 4, Al N, A 1203 ou Si O 2 La couche d'isolement est formée entre chaque grille et cathodejet une couche 5 de Ga As est formée avec une région N+ qui s'étend jusqu'a la couche de Ga Al As La couche d'isolement inhibe l'injection des trous depuis la grille dans la cathode Etant donné que la région de Ga Al As de type N+ de la cathode et la région de Ga Al As de type P+ de la grille sont plus épaisses que la longueur de diffusion des trous et des électrons, aucune injection de porteurs dans la région Ga As n'a lieu et un gain en courant accru est obtenu En résumé, le composant de la figure 9 est 12286 réalisé de manière que la région d'électrode soit faite de Ga As avec un faible intervalle de bande pour réduire le contact ohmique sans réduire le gain en courant. Ce composant est fabriqué par la séquence illustrée sur la figure 10: sur un substrat 1 de Ga As de type P, une couche 2 de Ga Al As de type P +, une couche 3 de Ga As non dopée, une-couche 4 de Ga Al As de type N et une couche de Ga As non dopée sont formées successivement par une technique de croissance cristal line; ensuite, une bande de régions N+ et P+ est formée par diffusion, implantation d'ions ou tout autre procédé approprié; ensuite, une région d'interface en bande est gravée entre les régions de cathode et de grille; et une couche d'isolement est formée La couche d'isolement peut être formée à de basses tempé- ratures à partir de Si O 2, Si 3 N 4, Al N ou A 1203 par dépôt de vapeur chimique excité par plasma ou par la lumière, ou elle peut être formée d'une couche de polysilicium déposée sur une mince pellicule de Si 3 N 4 par dépôt de vapeur chimique, excité par plasma ou par la lumière La région P est formée par implantation d'éléments comme Be et Cd, et la région N+ est formée par implantation d'éléments tels que S et Se. Pour raccourcir la longueur de canal et améliorer les caractéristiques de blocage du composant représenté sur la figure 1 et les figures 4 à 9, il convient de former une mince couche P d'une densité d'impuretés relativement faible entre la région de cathode N+ et la couche active Comme cela a été déjà décrit, si la région de canal est faite seulement d'une région N, le rapport entre la longueur de canal (L) et l'intervalle entre les grilles ( 2 a) doit être supérieure à 0,7; sinon, aucune barrière de potentiel n'est formée dans le canal à l'application d'une tension de 1 à 2 volts à l'anode Cet inconvénient peut être éliminé en fomant une région P dans le canal En présence d'une région P, la barrière de potentiel n'est pas perdue même si la valeur L/2 a est inférieure à 0,7 et cela aide à raccourcir la longueur de canal. Un laser à trois bornes avec une région P est décrit plus particulièrement en regard du modèle schématique de la figure 11 sur laquelle l'intervalle entre les grilles, la longueur de canal et l'épaisseur de la région P sont désignés respectivement par 2 a, L et d La figure 12 montre les conditions pour produire une barrière de potentiel de 0,6 volt dans le canal lorsqu'une polarisation directe de 1, 5 volt est appliquée entre l'anode et la cathode avec une polarisation de grilles nulle à la condition que les densités d'impu- retés des régions N+ et P+ soient respectivement x 1018 cm-3 et 3 x 1019 cm 3, la région N ayant une densité d'impuretés de 1,3 x 101 04 cm-3 et 2 a étant 1 Vm. Sur la figure 12, la longueur de canal L est tracée sur l'axe x et la concentration des porteurs de la région P est portée sur l'axe y Comme paramètres, le rapport entre l'épaisseur (d) de la région P et la longueur de canal (L) est utilisé et écrit sous la d forme a () Si a est 1, tout le canal constitue i L n la région P, et la région P est d'autant plus mince que la valeur a est plus faible Si L est 0,8 pm et n anest 0, 25, la barrière de potentiel peut être maintenue à 0,6 volt en utilisant une concentration des porteurs de 2,3 x 1016 cm-3 dans la région P Evidemment, la longueur de canal peut être remarquablement réduite en augmentant la concentration des porteurs. La figure 13 montre un mode de réalisation du composant dans lequel une région 55 de type P est formée dans le canal. Pour stabiliser le mode d'oscillation laser, l'indice de réfraction de la partie de guidage de lumière doit être augmenté mais le composant de la figure 1 n'a pas une distribution d'indice de réfraction dans une direction parallèle à la jonction PN Il existe deux procédés pour augmenter l'indice de réfraction effectif l'un consiste à former une bande avec une région d'indice de réfraction élevée ou une grande perte de transmission optique, qui est formée en utilisant une matière et une structure choisies de façon appropriée, et l'autre procédé consiste à produire une région de gain optique élevé comme un trajet de guidage de lumière. La région de gain optique élevé peut être formée par une concentration d'injection de courant dans une certaine partie du semiconducteur pour produire une inversion de population des porteurs dans cette zone Le composant de la figure 1 n'est pas fabriqué pour produire une distribution d'indice de réfraction dans la direction transversale Un flux d'électrons injectés par la cathode 7 est focalisé par la grille 6, mais il s'étale ensuite L'anode est généralement formée sur toute la surface inférieure du composant et le substrat 1 est généralement aussi épais que 100 tm de sorte que le courant appliqué se répartit comme le montre la flèche de la figure 1 et ne peut être confiné dans la couche active 3 dans la direction transversale Cela entraîne une augmentation du courant seuil De plus, cette concentration insuffisante du courant est néfaste à la stabilisation du mode transversal. Le composant de la figure 14 présente une double structure pour produire à l'intérieur une dif- férence pratique d'indice de réfraction Les références 1 à 10 désignent les mêmes éléments que ceux définis en regard de la figure 1; la référence 21 représente une projection formée sur la couche semiconductrice 2 et laréférence 22 représente une sixième couche semiconductrice, telle que Ga As dont le type de conduc- tivité est opposé à celui du substrat et de la couche semiconductrice 2 et dont l'indice de réfraction est supérieur à celui de la couche 2 Une partie de la double structure est caractérisée par la formation d'une couche épaisse 21 dans la zone correspondant à la région d'émission lumineuse (c'est-à-dire la région guidée optiquement) Par conséquent, la couche semi- conductrice 2 présente une différence d'épaisseur à l'interface entre la région d'émission lumineuse et l'autre partie de la couche, et elle change également l'indice de réfraction complexe de la lumière qui fuit hors de la mince région de la couche semiconduc- trice 2 La figure 15 montre la distribution d'intensité de lumière dans la direction perpendiculaire aux couches de jonction du composant comprenant une couche active de Ga As d'une épaisseur de 0,1 pm intercalée entre des couches semiconductrices de Ga Al As. 0 o,7 0,3 L'axe x indique la distance dans la direction verticale d(ii m) et l'axe y indique l'intensité relative de la lumière infra-rouge Sur cette figure, l'épaisseur de la couche active 3-est désignée par dl = 0,l pm. Il est évident en regard de la figure 15 qu'une quantité notable de lumière fuit hors de la couche active Si les couches de Ga O 7 A 10 3 As n'ont pas une épaisseur d'au moins 0,6 Pm environ, les fuites de lumières augmen- tent la perte de sortie optique En ce qui concerne le dispositif laser de la figure 14, si l'épaisseur (d) est inférieure à 0,6 Pm et l'-paisseur de la région 21 est supérieure à 11 'm, la perte optique dans la zone audelà de la rainure (largeur = a) est importante et la perte optique dans la rainure est plus faible de sorte que la lumière laser est confinée dans la rainure. Les caractéristiques ondulatoires de guide optique sont déterminées par la différence d'indice de réfraction complexe ( 6 n) entre la région rainurée et la région pleine,et 6 N peut s'écrire sous la forme An + i 1 a réfracetin b 2 Ko oa An est l'indice effectif de réfraction, est 2 K le coefficient d'absorption effectif, et Ko est le nombre d'ondes de lumièreslaser dans le vide Etant donné que An est à peu près proportionnel à a et a est déterminé par la structure du composant, ces paramètres peuvent être utilisés pour décrire les caractéristiques d'ondes optiques guidées Si d 1 = 0,1 pm et d 2 = 0,6 pm % eu -1 41 = 40 cm et An = 4 x 10-4 Si la valeur de d 1 est augmentée, moins de lumière fuit dans le composant comme le montre la figure 15 de sorte que si d 1 = 0,15 Pm, d 2 n'est pas supérieur à 0,5 Pm ( An = 3 x 10) et si d 1 = 0,2 pm, d 2 n'est pas supé- rieur à 0,45 pm (An = 2 x 10) Dans ces exemples, l'indice de réfraction effectif est plutôt réduit, et pour qu'il soit égal ou supérieur à 1 x 10 3, les combinaisons suivantes de d et d sont nécessaires - 1 a X -1 d = 0,1 Pm et d 2 0,45 m = 200 cm), d 1 0,15 pm et d 2 par a devient très grande. L'autre partie de la double structure consiste en une couche 22 selon la figure 14 dont le type de conductivité est opposé à celui du substrat 1 et de la couche semiconductrice 2, ou une couche 22 de forte résistivité et dont l'indice de réfraction est supé- rieur à celui de la couche-2 Cette disposition produit une autre focalisation du trajet du courant sur le côté du substrat semiconducteur et confine la réparti- tion du courant dans la région d'émission lumineuse du laser Une forme de circulation du courant est indiquée par la flèche sur la figure 14; le rendement du courant dans la couche active du laser à semiconduc- teur est remarquablement amélioré ainsi que le confi- nement du mode d'oscillation pour obtenir une réduction substantielle du courant seuil global. Dans un laser à double hétérojonction à Ga As-Ga x Alx As, la relation entre la densité des électrons injectés dans la couche active et le gain du guide d'ondes optiques ( Ag) est représenté par l'équation ci-après basée sur la formule empirique du courant seuil: e n F Ag = n 225 (cm-1) ( 1) 20 Ts - o e = 1,602 x 10-9 coulomb, N: rendement quantique interne, Ts: durée de vie des porteurs, r: coefficient de confinement de la lumière et N: concentration des porteurs (cm-3) Si x = 0,3, d = 0,1 Vm, Ts = 1 nsec, N = 1 ét r = 0,28 (car x = 0,3 et d = 0,1 pm), -16 -1 Ag = 2,24 x 10-16 N 63 (cm 1) ( 2) La perte de sortie optique (a total) est représentée par l'équation: ( 3) atotal = ai + 2 (n 1 + N 1 2 L R 1 R 2 o ai: perte par diffusion et absorption dans le semiconducteur, L: longueur du laser et R 1 et R 2: indice de réflexion des miroirs Dans le cas écrit, un gain commence à être obtenu lorsque N est 2,8 x 1017 cm-3 et une oscillation laser a lieu lorsque -1 Ag est égal à' a total Si ai = 10 cm, L = 100 Pm -1 et R 1 = R 2 = 0,31 (Ga As), a total est 127 cm et l'oscillation laser a lieu lorsque nth est 17 -3 2 8,5 x 10 cm (Jth = 1 360 A/cm) Dans ce cas, le -1 gain interne (gnet) est environ 117 cm-). La figure 16 a montre la dispersion de courant dans la direction transversale de la bande et la figure 16 b montre la distribution de gain net (gnet) dans la direction transversale de la bande Sur la 12286 figure 16 a, l'axe x indique la longueur (x en p Dm) dans la direction transversale de la bande, le centre de la bande étant indiqué par zéro,et l'axe y indique la concentration des électrons injectés ( N en cm 3). La largeur de la bande (s) est supposée être 6 pm. Sur la figure 16 à, la courbe 41 indique le courant dispersé dans la couche active du laser à semiconducteur de la figure 1, et la courbe 42 indique le courant dis- persé observé dans le composant de la figure 14 ayant une structure pour focaliser le courant sur le côté du substrat Il est évident que le dispositif de la figure 14 est très efficace pour focaliser le trajet du courant et réduire le courant seuil Pour un laser à semiconducteur dont la largeur de la bande est 2 ou 3 pm ou moins, le courant se disperse davantage et la densité de courant seuil est extrémement accrue provoquant une plus grande fuite de courant de la largeur de la bande, et la perte qui en résulte apparais- sant à l'extérieur de la bande de laser entraîne une production de chaleur locale qui, à son tour, entraîne une instabilité de mode Par conséquent, plus la bande est étroite, plus il est important de prévoir une structure qui évite la dispersion du courant Sur la figure 16 b, l'axe x indique la longueur (x en pm) dans la direction de la largeur de la bande, le centre de la bande étant indiqué 0, et l'axe y indique le gain net (g net) exempt des pertes d'absorption et de dispersion dans le laser à semiconducteur Sur la figure 16 b, les courbes 43 et 44 sont les gains cor- respondant aux courbes 41 et 42 de distribution de concentration des électrons de la figure 16 a L'équa- tion ( 2) est utilisée pour le calcul du gain Les courbes 45 et 46 montrent lés écarts par rapport aux courbes 43 et 44 lorsque la perte dans la partie autre que le trajet de guidage de lumière est de l'ordre - 3 de 100 cm 3 Il apparaît que la double structure du composant représentée sur la figure 14 aide à ce qu'une grande augmentation du gain d'amplification de lumière n'apparaisse que dans la largeur de la bande, réduisant ainsi davantage le courant seuil d'excitation et améliorant la stabilité dans le mode transversal La différence d'indice de réfraction complexe dans la direction transversale de la largeur de la bande peut être représentée -par la formule 6 N = Ani +(ig_ 2 Ko en termes de perte et de gain définis ci-dessus La partie réelle En-et la partie-imaginaire 21 o ( g) peuvent être liées ensembles par la relation de Kramers-Kroning, et An peut être calculé si ( t g) est connu La valeur de An est de l'ordre de 10 3 au maximum. Lorsque la largeur de la bande est diminuée et que la longueur d'onde de l'onde guidée devient un facteur, le gain en propagation est diminué ou des modes d'osàillation d'ordre supérieur sont produits à moins que la valeur de la relation entre la largeur de la bande et l'épaisseur de la couche active soit appropriée. Le tableau 1 ci-après donne les conditions pour qu'un guide d'onde diélectrique rectangulaire ne transmette qu'un seul mode fondamental si le guide d'onde à une largeur W, une épaisseur d, un indice de réfraction interne N et un indice de réfraction périphérique N 2. Sur le tableau 1, X indique la longueur d'onde dans le vide et chacune des valeurs qui sont indiquées représentent le maximum pour la propagation en mode fondamental seulement. Si ces valeurs sont dépassées, des modes d'ordres supérieurs se propagent et par ailleurs, si les dimensions réelles sont inférieures à ces valeurs "" 00 ni l,M 1 , O, 1 c- A 2 5 122 8 6 il se produit davantage de'pertes de propagation, Cette relation est illustrée par le tableau 2 pour un laser à Ga As-Ga Al As (n 1 3,G) et un laser à In P-In Ga P As (n 1 = 3,3) chacun d'entre eux ayant gêné- rarement un rapport N 1/n 2 égal à 1,05. Tableau 1 " w ni -M II)OOI U -a ni m Ir 01 à -7 ni = 1 n 2;II O 5 -ni = 1 n 2 7 5 e 3 'X n I 19 A n 1, 26 , 8)- nj 4 eg -X n I 6 1 -1 y N I S', 5 X- n 3, 2 Y 25 -L n 3 219 8 1- ni 3 > 8 -L n.1 01,92 1 n I 1 21 -L > ni 1,37 -L n 3, W d W 2 d W 4 d Tableau 2 lq=d Il#'= 2 dla;= 4-d Laser à Ga As-Ga Al As 1 = 0,85 Pm Laser à In P-In Ga P As X = 1, 5 lim W (Pm) CI (Ilm) O, 53 0 " 66 0, 90 O., 53 Oj 3 OX 22 1; O 17 2 7 1, 73 il O ( 64 O/ 43 1 q clim)- * d (v-M) Si la largeur de la bande W est d'environ 1 pm, la perte de propagation peut être réduite au minimum en utilisant une couche active dont l'épaisseur est voisine de la valeur indiquée par d dans le tableau 2. De plus, le laser à In P-In Ga P As nécessite des plus grandes dimensions que le laser à Ga As-Ga Al As-et par conséquent, il est plus difficile de l'adapter à l'utilisation d'une bande plus étroite Pour la plupart des lasers à semiconducteur, l'extérieur de la largeur de bande présente un rapport N 1/n 2 d'environ 1, 001 et la couche active peut être plus mince que cela ne semble possible en regard des limitations indiquées sur le tableau 2 Mais les informations du tableau 2 s'appliquent sans modification à un laser semiconducteur DH à hétérojonction encastrée (laser BH) Une autre description sera faite ci-après concernant la réduction de la largeur de la bande. La figure 17 est une coupe d'un modèle de guide d'onde optique, dans lequel une région de guide d'onde 100 est entourée par des régions 98 et 99. La région 100 a un indice de réfraction N 1, la région 99 a un indice de réfraction N 2 et la région 98 a un indice de réfraction N 3, N 1 étant supérieur à ni et N 3. La région 100 correspond à la région active d'un laser à semiconducteur, la largeur du guide de lumière a correspondant à la largeur de la bande et l'épaisseur de guide de lumière b correspondant à l'épaisseur de la couche active Les régions hachurées sont négli- gées en supposant qu'aucune lumière n'y passe La figure 18 montre les caractéristiques de dispersion du guide d'onde optique de la figure 17, dans lequel An =L 2 est constant à 5 x 10-2 et 1 N 1 nî - N 3 nlb A N l et mettant en corrélation l'épaisseur du guide d'onde optique b avec la longueur d'onde dans l'espace (X) sont utilisés comme les nla deux paramètres L'axe x indique 1 mettant en corrélation la largeur du guide d'onde optique a avec la longueur d'onde dans l'espace (A), et l'axe y indique (K 2 K 2 K 2 2 o) K est le z 2 ni, 1 22 e t Kzes nombre d'ondes et K 1 = K 2 = zest le nombre d'ondes se propageant par le guide d'ondes optiques Si (Kz 2 K 2) / (K 12 K 22) s'approche 1 seulement par l'indice de réfraction n Les caractéris- tiques du guide d'onde optique sont d'autant meilleures que la valeur de (K z 2 K 22) / (K 12 K 2) est plus voisine de l'unité. La figure 18 montre les caractéristiques de n 1 N 3 3 -2 dispersion, o N 2 = -est égal, 10 -2 21 bn et 5 x 10 pour chacun des cas ou X est égal à 0,5, 1 et 1,5 à la condition que la propagation se fasse dans un mode fondamental (T Eoo, T Moo) Quand la valeur de nb augmente, les caractéristiques du X guide d'onde optique deviennent meilleures mais si elle devient supérieure à 1,5, des modes d'ordres supérieurs commencent à se propager et le courant seuil du laser augmente Pour réduire au minimum le courant seuil, d est généralement choisi entre 0,1 et 0,2 m pour un laser à Ga As-Ga Al As en utilisant un courant résonateur. Cela veut dire que de meilleurs résultats sont obtenus si nlb est supérieur à 0,5 et inférieur à 1 Si -3 2 2 2 2 n 2 est 10, la valeur de (Kz_ K 2)/ (K 1 K 22) est pratiquement constante indépendamment de la largeur a du guide d'onde optique et cela veut dire que la lumière n'est pas effectivement confinée dans la direction transversale Quand la valeur de An 2 augmente jusqu'à -2 -2 lo ou 5 x 10, les caractéristiques du guide d'onde optique deviennent plus dépendantes de la largeur du guide d'onde optique,et elles sont perturbées de façon significative lorsque 1 devient inférieur à 2 ou 3. Pour connaître la limite exacte de la réduction de la largeur de la bande, un calcul est effectué pour déterminer le coefficient de confinement du guide d'onde optique. La figure 19 montre la relation entre le coefficient de confinement (r) et nl correspondant à la largeur de la bande Le coefficient de confinement r indique l'intensité de la lumière présente dans la zone du guide d'onde optique (a x b) comparativement à l'intensité totale de la lumière présente dans tout l'ensemble du composant, et plus la valeur de r est voisine de l'unité, plus de lumière est concentrée dans -2 le noyau ou la couche active Si N 2 est 5 x 10, peut être inférieur à une valeur entre I et 2 mais si N 2 est îcf 2, la limite de -l est comprise entre 2 et 3, tandis que si-n est 10, le coefficient 2 lna de confinement ne peut être supérieur même si est compris entre 5 et 6 La vàleur de Ln 2 doit être supérieure à une certaine valeur-pour obtenir de bonnes caractéristiques de propagation de lumière et une densité inférieure du courant seuil L'effet de r ressort de l'équation ( 1) et s'il est inférieur à l'unité, la perte interne apparente et la perte par les miroirs sont augmentées. Dans une structure de double hétérojonction, un confinement satisfaisant des porteurs peut être obtenu dans la direction perpendiculaire à l'hétéro- jonction en faisant en sorte que l'intervalle de bande de la couche active soit nettement inférieur à celle du revêtement, mais cela n'est généralement pas le cas pour la direction parallèle à l'hétérojonction; les seules exceptions sont le laser à hétérojonction encastrée (BH) ou le laser TJS Autrement dit, des porteurs peuvent être confinés dans la direction parallèle à la largeur de bande en formant une structure d'hétérojonction dans la direction transversale ou en formant une barrière de potentiel de type opposé de conductivité. Les spécification du composant de la figure 14 sont les suivantes: le substrat anodique 1 de- Ga As de type P+ a une densité d'impuretés 1 x 1018 à 2 x 1019 cm-3; le substrat comporte un logement 21 dont la profondeur est généralement de 1 à 1,5 im; la couche 2 de Gal x Alx As de type P (x est au plus 17 -3 0,3 et pest au plus à 1 x 107 cm) P est formé sur le substrat pour remplir le logement; la couche 22 de Ga As de type N dont la type de conductibilité est opposé à celui du substrat 1, a une épaisseur de 0,1 à 1, 5 Pm et 16 18 -3 une densité d'impuretés de 1 x 1016 à 1 x 10 cm 3; la couche active 3 de Ga As a une épaisseur de 0,05 à 1 Vm et une densité d'impuretés de 1 x 10 14 1 x 1017 cm 3; la couche 4 de Ga _x Alx As de type N (x est généralement 0,3) a une épaisseur de 0,5 à 3 Vm et une densité d'impuretés de 1 x 1013 à 1 x 1016 cm-3; la couche 5 de Ga As de type N a une épaisseur de 0,5 à 2 pm et une densité d'impuretés de 1 x 1013 à 1 x 1016 cm-3; la région de grille 6 3 detp P+ 101 de type P a une densité d'impuretés de 1 x 1018 à x 119 c-3 + x 1019 cm 3; la région de cathode 10 de type N a une densité d'impuretés de x 1018 à 5 x 1019 cm-3 et l'intervalle entre les grilles (largeur de canal) est de l'ordre de 0,3 à 3 P m Même si les couches 1, 2 et 6 sont de type N et les autres couches de type P (la couche active peut être d'un type bu l'autre), les régions 1, 6 et 10 sont appelées respectivement l'anode, la grille et la cathode La région de cathode de type N+ peut s'étendre dans la couche 4 de Ga Al As. Le composant de la figure 14 peut être fa- briqué selon la procédure suivante: des ions du type N tels que Te, S, Se et Si sont implantés dans la surface du substrat P+ jusqu'à une concentration d'environ 1 x 1 016 à 1 x 1018 cm 3; le substrat est i O recuit dans une atmosphère de As H 3 sous environ 1 à 3 torr et à 800 à 900 QC; une rainure linéaire est gravée dans le substrat et des couches 2, 3, 4 et 5 sont formées successivement par une technique de croissance épitaxiale; et une région de fortes impu- retés est formée dans les régions 6 et 7 par diffusion ou implantation d'ions Si une implantation d'ions est utilisée pour produire une région P +, des 'ions tels que Be et Ce sont utiliséset si le procédé de diffusion est appliqué, une impureté telle que Zn est utilisée. Différentes structures peuvent être utilisées pour produire un guide d'ondes optiques et la structure représentée sur la figure 14 n'est qu'un exemple. Ce qui est nécessaire est d'entourer la région de propagation de la lumière par une zone ayant un indice de réfraction nettement inférieur-à celui de la zone de propagation Deux structures de base pour former cette disposition sont une structure étagée dans laquelle l'indice de réfraction change pas à pas et la lumière se propage en se réfléchissant sur les interfaces de deux indices de réfractions, et une structure d'auto-focalisation (indice progressif) dans laquelle l'indice de réfraction est plus élevé au centre du guide de lumière comme dans une lentille con- vexe, et diminue depuis le centre vers l'extérieur pour que la lumière se propage le long d'un trajet si- nueux La rainure 21 de la figure 14 forme une struc- ture étagée Différentes formes de la région de guide d'ondes optiques et de régions de focalisation de courant pouvant être utilisées selon l'invention sont représentées sur les figures 20 a à 20 h, parmi lesquelles a à 20 d représentent les structures étagées et les figures 20 e à 20 h les structures d'auto-focalisation. D'autres formes, à savoir trapézoldales,-trianglaires et mêmes polygonales peuvent être utilisées comme guides d'ondes optiques si l'indice de réfraction est suffisamment élevé pour produire une région de focali- sation de lumière et une région de concentration de courant. Selon la figure 14, la région de grille 6 s'étend à partir de la couche 5 jusque dans la couche 4. Etant donné que les deux couches forment une hétéro- jonction et que la couche 4 a un intervalle de bande plus large que la couche 5, moins de trous sont injectés par la jonction PN dans la région de grille de la couche 4 que par la jonction PN dans la couche 5 Net cela est nuisible au gain en courant un isolant. La figure 21 montre un mode de réalisation dans lequel le gain en courant est augmenté en formant la région de grille 6 dans la couche 5 plus épaisse que la couche 4 La couche 5 n'est pas essentielle -au mécanisme laser car elle n'a généralement aucun effet sur le courant seuil et elle n'est utilisée que pour réduire la résistance due aux contacts ohmiques des électrodes 7 et 9 La figure 22 montre un mode de réalisation dans lequel la couche 5 est éliminée et la région de grille est encastrée dans une couche 4 plus épaisse Un laser à semiconducteur à double hétéro- jonction à Ga As-Ga Al As utilise la couche 5 pour réduire la résistance ohmique mais un laser à double hétéro- jonction à In P-In Ga P As utilise généralement la structure de la figure 22 qui comprend un substrat 1 de In P de type P, une couche 22 de In Ga As P de type N, une couche 2 de In P de type P, une couche active 3 de In Ga P As, une couche 4 de In P de type N et une région 6 de In P de type P En raison de la présence de la couche active de Inl x Gax Py Asl y, différentes compositions peuvent être réalisées dans le composant de la figure 22 en effectuant une adaptation de réseau avec le réseau cristallin de In P, et la longueur d'onde carac- téristique ( À) pour l'émission lmineuse-peut être réglée entre environ 1,0 et 1,7 vm en fonction de la composition spécifique Mais si À est 1,4 p m ou davantage, il est quelquefois nécessaire de former une couche tampon entre la couche active 3 et le revête- ment 4 pour réduire au minimum l'effet de fusion en retour-pendant la croissance en phase liquide de la couche In Ga P As Comme dans les autres modes de réalisa- tion, le composant de la figure 22 comporte une région 23 de haute résistivité qui est formée par exemple par irradiation de protons, qui est efficace pour inhiber l'injection des porteurs dans une zone non souhaitée, de façon à augmenter le gain en courant, et-en mnee temps, pour aider à réduire la capacité de la région de grille et par conséquent, la fréquence de modulation. Si le semiconducteur a un intervalle de bande très étroit, une région de haute résistivité ne peut être formée par irradiation de protons, mais dans ce cas, le même objet peut être atteint en formant un isolant de Si 3 N 4, Sio 2, Al N ou A 1203. La structure qui produit une distribution d'indice de réfraction effectif dans la direction parallèle à la jonction PN et qui produit une focalisa- tion de courant est applicable non seulement à un laser à semiconducteur à trois bornes mais aussi à un laser ordinaire à semiconducteur à deux bornes Les figures 23 et 24 montrent des modes de réalisation d'un laser à semiconducteur à deux bornes Comme cela a déjà été indiqué, la structure selon l'invention est efficace pour produire une bande étroite, et des résultats particulièrement bons sont obtenus lorsque la largeur de la bande (W) est inférieure à 5 pm Si W est égal ou inféfieur à 2 ou 3 pm, le laser à semicon- ducteur courant présente une'instabilité de mode impor- tante et une augmentation de la densité apparente de courant seuil, mais ces problèmes sont résolus de façon satisfaisante par l'invention. Le composant de la figure 23 comporte une région 81 qui est généralement une couche de Ga As de type N, et la référence 82 désigne une région P formée par diffusion ou implantation d'ions En raison d'une polarisation inverse, aucun courant ne circule le long de l'interface des couches 81 et 82 et par contre, un courant circule seulement dans l'interface entre la couche 82 et la couche 4 Par conséquent, la rainure en V dans la couche 82 est plus efficace dans la simple formation d'une bande étroite Dans le composant de la figure 24, la région 80 est également du type N par exemple en utilisant Ga Al As, et une rainure en V profonde est faite dans la région 82 de manière qu'elle s'étende même jusqu'à la couche 2 à travers la couche active 3 Ainsi, en raison de l'hétérojonction, la zone de circulation de coutant est localisée dans la jonction de la région 82 et de la couche 3,et cela est à nouveau très efficace pour former une bande étroite. La figure 25 illustre un mode de réalisation dans lequel une région P est formée dans la région de canal, les autres parties de ce composant étant essen- tiellement les mêmes que celles décrites ci-dessus et sont identifiées par les mêmes références. La figure 26 montre des courbes caractéris- tiques d'intensité en fonction'de la tension d'un transistor BSIT à Ga As Les spécifications de ce compo- sant sont les suivantes: l'intervalle entre les grilles est 1,5 pm; la profondeur de la grille P est 2 lim; la distance entre la région de source N et la le région de drain N est 2,5 Vm; la longueur de la bande de canal est 200 lim; et la densité en impuretés du canal est 5 x 10 3 cm 3 Le courant de drain est tracé sur l'axe y et la tension de drain est tracée sur l'axe x Le symbole Vg indique la tension de grille. Selon la figure 26, quand la tension de grille augmente dans le sens direct, la tension du courant qui circule augmente Le transistor BSIT a un canal qui consiste en une région avec une très faible densité d'impuretés mais étant donné que des porteurs sont injectés direc- tement dans ce canal à partir de la région de source, des électrons d'une densité de 1 x 1017 cm 3 ou davantage sont facilement injectés dans le canal. De plus, la mobilité des électrons est aussi élevée que 8 000 à 9 000 cm/Vsec, de sorte qu'il est très 4 2 facile d'obtenir une densité de courant de 1 x 104 A/m La figure 27 montre des courbes caractéris- tiques d'intensité en fonction de la tension du composant représenté sur la figure 1 Le courant d'anode est tracé sur l'axe y et la tension d'anode sur l'axe x Le symbole Ig indique le courant de grille quand cette dernière est polarisée dans le sens direct. Evidemment, les caractéristiques du composant à l'état conducteur diffèrent de celles représentées sur la figure 26 Le composant de la figure 1 est un laser à Ga As-Ga 7 Al 3 As et dont les spécifications sont les mêmes que celles du composant utilisé avec les informations de la figure 26 Sa couche active a une épaisseur d'environ 0,5 p m et l'oscillation laser a lieu pour un courant seuil de 20 à 30 m A. Les modes de réalisation suivants concernent un laser à semiconducteur du type thyristor à induction statique formé comme partie intégrante avec un transis- tor BSIT à un seul canal, mais l'invention peut aussi s'appliquer sans difficulté à un laser à semiconducteur à plusieurs canaux. La figure 28 est une coupe d'un laser à semi- conducteur à canaux multiples, dans une direction normale à celle du résonateur laser Dans un simple laser à canaux multiples, les ondes lumineuses lasers émises par les régions 101 ont des phases entièrement différentes Mais si un laser à Ga Al As-Ga As est fabriqué de manière que l'épaisseur de la couche 4, la largeur de la bande et la distance centre àcentre de deux bandes sont respectivement 2 pm, 3 pm et 10 -pm, les -20 bandes individuelles sont partiellement couplées entre elles et les régions 101 émettent une lumière laser cohérente avec les points lumineux synchronisés Les points cohérents entraînent une directivité d'émission plus pointue qu'un simple point L'intervalle des régions d'émission lumineuse 101 dépend de la longueur de diffusion des porteurs et de la distance parcourue par la lumière laser de fuite, de sorte qu'il varie avec la matière et la structure utilisées Lorsque chaque région d'émission lumineuse 101 émet de la lumière cohérente, une source de lumière à grande puissance pour des lasers semiconducteurs peut être réalisée. Si les régions individuelles d'émission lumineuse 101 doivent être commandées indépendamment les unes des autres par la tension de grille, une région de haute résistivité ou une région isolante 111 peut être formée entre des grilles voisines afin que chaque région 101 puisse être commandée indépendamment des autres par la tension de grille qui lui est appliquée En variante, les régions 101 peuvent être rendues discrétes par attaque de la région 111 Mais le problème subsiste en ce qui concerne l'intervalle entre les régions d'émission lumineuse 101 Si cet intervalle est très petit, les régions 101 réagissent les unes sur les autres et ne peuvent être commandées indépendamment. Les spécifications d'un laser à canaux multi- ples courant à Ga Al As-Ga As adapté pour un fonction- 0,7 0,3 nement indépendant des régions d'émission lumineuse 101 sont les sỉvants: l'épaisseur de la couche 2 est 2 pm; l'épaisseur de la couche 3 est 0,1 à 0,3 Pm; l'épaisseur de la couche 4 est 2 li -; la largeur de la bande est 3 pm et l'intervalle entre les bandes est 20 Pm Plusieurs lasers à semiconducteur à thyristor à induction statique formés sur un substrat comme le montre la figure 29 peuvent être utilisés dans un 2 o système de télécommunications optiques pour obtenir une transmission simultanée d'informations sur plusieurs canaux Autrement dit, un traitement d'informations à grande vitesse et de grand volume peut être réalisé. Un dispositif comprenant -plusieurs lasers, dans lequel les régions individuelles d'émission lumineuse' sont espacées à des intervalles inférieurs à 10 pm peut être utilisé comme un radar à laser pour le balayage électrique, en commutant successivement les lasers pour changer la directivité de la lumière laser La directi- vité optique et la puissance de sortiè peuvent aussi être contrôlées en commandant indépendamment un laser sur deux, c'est-à-dire les lasers voisins les plus proches dans un groupe avec un intervalle entre les bandes d'environ 10 pm, ou en appliquant un courant à tous les lasers pour émettre de la lumière cohérente. Il est bien entendu que la structure produisant une distribution d'indice de réfraction effectif dans la direction parallèle à la jonction PN et assurant une focalisation de courant décrite en regard des figures 5 à 25, peut aussi être appliquée au laser à semiconducteur à canaux multiples des figures 28 et 29 Il est également bien entendu que le laser des figures 28 et 29 peut être fait de substances autres que Ga As-Ga Al As et In P-In Ga P As. Les figures 30 a et 30 b illustrent une autre -variante d'un laser à semiconducteur du type à thyristor à induction statique selon l'invention Ce mode de réalisation produit une plus grande puissance optique de sortie à une seule longueur d'onde La figure 30 a est une vue en plan du composant et la figure 30 b est une coupe de la figure 30 a suivant la ligne D-D'. Le composant qui est par exemple fait de In P-In Ga P As comporte un substrat 201 de In P de type P, une couche de croissance 202 de In P de type P, une couche active 203 de In Ga As P de type N, une couche de croissance 204 de In P de type N, une région de cathode 205 de type N une région de grille 206 de type P+, une électrode de cathode 207, une couche isolante 208 faite de Si 3 N 4, Si O 2 ou Al N, une surface de miroir 209, et une électrode d'anode 210 La période de la grille 206 de type P+ dans la direction de l'émission laser est réglée à m X/2 N (X: longueur d'onde du rayonnement, n: à peu près l'indice de réfraction de la couche active, m un nombre entier), et si X = 1,5 P m et N = 3,3 m = 1, la période de la grille est environ 0,23 wn Si la longueur de la grille dans la direction de l'émission laser est 0,13 Pm, l'intervalle entre les grilles est 0,1 pm La densité en impuretés dans la région 204 de type N et la profondeur de la grille P+ (longueur de canal) sont les mêmes que celles spécifiées dans les précédents modes de réalisation, Etant donné que l'intervalle entre les grilles est relativement réduit, le composant possède des carac- téristiques satisfaisantes de blocage normal même si les impuretés dans la région N sont aussi élevées -3 que 1 x 10 cm Un composant normalement bloqué de façôn satisfaisante est également obtenu si la longueur de canal est au moins 0,1 ou 0,2 lm Dans le laser à semiconducteur des figures 30 a et 30 b, un courant circule périodiquement, seulement à proximité de la zone dans laquelle l'intensité du champ électrique de l'onde stationnaire axiale d'émission laser est au- maximum Ainsi, le laser oscille facilement dans un seul-mode axial>et cela même si le courant réel qui circule est nettement supérieur au niveau seuil Le laser à semiconducteur des figures 30 a et 30 b est conçu pour que l'onde stationnaire d'émission laser soit en synchronisme avec la distribution de gaine et il peut fonctionner pour produire une très grande puissance de sortie dans un seul mode axial Le fonction- nement à une longueur d'onde unique et à une seule fréquence est obtenu en utilisant de simples modes transversaux et verticaux Un seul mode transversal peut être obtenu en restreignant à quelques microns la largeur de la bande limitée, entourée par la région de grille 206 de type P et un seul mode vertical peut être obtenu en restreignant-à moins de 0, 5 p m l'épaisseur de la couche active Les valeurs exactes de ces paramètres varient avec la différence d'indice de réfraction entre la couche active et la couche environnante Il est également efficace de réduire la longueur du résonateur pour atteindre un seul mode axial Un laser à semiconducteur qui fonctionne dans un mode complètement unique dans les directions axiale, verticale-et transversale maintient son fonctionnement à une seule longueur d'onde même s'il est soumis à une modulation directe du courant injecté dans le laser, de sorte qu'il peut être utilisé pour des télécommuni- cations avec une haute stabilité du système. Si l'intervalle entre les grilles dans la direction du résonateur laser des figures 30 a et 30 b est réduit, le courant circule seulement à proximité de la zone o l'intensité du champ électrique de l'onde stationnaire de la lumière laser est maximale, et lo cela contribue considérablement à obtenir un seul mode axial Une raison pour laquelle l'oscillation se fait dans plusieurs modes axiaux est que des porteurs injec- tés dans (la couche active diffusent dans la direction transversale Par conséquent, pour inhiber cette diffusion, il est souhaitable que la couche active soit aussi mince que possible De préférence, l'épaisseur de la couche active est inférieure à la période de l'onde stationnaire de la lumière laser (X /2 n) Pour un laser à semiconducteur susceptible d'osciller dans un seul mode axial, il est préférable que la couche active et la couche environnante présentent une différence suffisante d'indice de réfraction pour confiner la lumière laser dans la couche active même si elle est relativement mince. Il est évident que la dispersion des porteurs dans la direction transversale peut être efficacement inhibée en formant une région 206 de type P suffisam- ment profonde pour s'étendre jusqu'à un point juste à une courte distance du contact avec la couche active 203 Pour augmenter le gain en courant, la région 204 de chaque côté de la région 206 de grille P + peut être converti en une région semi-isolante par irradia- tion de protons En variante, la même zone peut être gravée et remplacée par une couche d'isolement. Les dispositifs représentés sur les figures 28 à 30 b ont une géométrie en bande étroite mais ils ne sont pas conçus pour permettre une oscillation stable dans-un mode transversal, Les figures 31 a à 31 c représentent un mode de réalisation dont la structure permet une oscillation stable à la fois dans le mode transversal et le mode axial La figure 31 a est une vue en plan du composant, la figure 31 b est une coupe de la figure 31 a suivant la ligne A-A' et-la figure 31 c est une coupe de la figure 31 a suivant la ligne B-B' Si l'on suppose une réalisation In P-In Ga As P le composant comporte un substrat 201 de In P de type P+, une couche de croissance 202 de In P de type P, une couche active 203 de In Ga P As, une couche 204 de In P de type N, une région 205 de In P de type N, une région 206 de In P de type P +, une électrode de cathode 207, une électrode de grille 209, une électrode d'anode 210, une couche isolante 208 fàite de Si 3 N 4, A 1203, AIN ou Si O et une couche 211 de In Ga P As de type N+ La période de la grille P dans la direction de l'émission laser est réglée à m 2 N longueur d'onde dans l'espace libre, N: indice de réfraction de la couche active, m:-nombre entier 1,-2) L'ef- ficacité en sélection de mode est d'autant plus basse que la valeur m est supérieure à l'unité Par exemple, si X = 1,5 Vm, N = 3,3 et m = 1, la période est 0,23 pm et si m = 3, la période est 0,69 pm Dans le laser à semiconducteur des figures 31 a à 31 c, un courant ne circule périodiquement qu'à proximité de la zone dans laquelle l'intensité du champ électrique de l'onde-stationnaire axiale d'émission laser est maximale Ainsi, le laser oscille facilement dans un seul mode axial,et il en est ainsi même si le courant réel qui circule est nettement supérieur au niveau seuil. La structure des figures 31 a à 31 c est également applicable à un laser à semiconducteur DFB (réaction distribuée) ou DE Un laser à semiconducteur qui fonc- tionne entièrement dans un seul mode pour les directions axiale, verticale et transversale maintient bon fonctionnement sur une seule longueur d'onde même s'il est soumis a une modulation directe du courant injecté dans le laser de sorte qu'il peut être utilisé pour des télécommunications avec une haute stabilité du système. Un laser à semiconducteur à canaux multiples susceptible d'oscillation stables dans un mode transversal peut aussi être fabriqué selon l'invention. Trois modes de réalisation de ce type de laser sont représentés sur les figures 32, 33 et 34, en coupe perpendiculairement à la direction du résonateur laser. Le composant représenté sur la figure 32 est un laser à semiconducteur à canaux multiples à trois bornes dans lequel la région de grille 6 est encastrée dans la région semiconductrice 4; le composant de la figure 33 est un laser à semiconducteur à trois bornes à canaux multiples du type à grille superficielle fabriqué par diffusion superficielle ou implantation d'ions; et le composant représenté sur la figure 32 offre une utilisation potentielle comme laser à semi- conducteur de grande puissance qui émet de la lumière laser simultanément dans tous les points lumineux. Si la grille est du type encastrée comme le montre la figure 32, davantage de courant de grille est nécessaire pour que le même courant circule entre l'anode et la cathode et il en résulte un faible gain en courant. Le laser à semiconducteur de la figure 34 est conçu pour que la lumière puisse être émise à partir de tous les points ou à partir de points commandés sélectivement. Si toutes les régions d'émission lumineuse sotiit U com- mutées en même temps, la cohérence de la lumière est également un facteur important Si le composant de la figure 34 est un laser à Ga Al As-Ga As et si l'épais- seur de la couche 4 est 3 1 m, la largeur de bande de cathode est 3 p m, la profondeur de diffusion est 2 p m, et la distance centre à centre de deux bandes est inférieure à lo 1 m, les points individuels d'émis- sion lumineuse peuvent produire les lumières lasers cohérentes en utilisant une structure de couplage par guide d'ondes La distance entre-chacune des régions d'émission lumineuse dépend de la longueur de diffusion des porteurs dans la direction transversale, de la distance franchie par la lumière laser de fuite et de la structure spécifique du couplage par guide d'ondes, et par conséquent, de la matière et de la structure spécifique utilisées Si les-régions individuelles d'émission lumineuse doivent être commandées indépen- damment l'une de l'autre, une région 53 de haute résistivité peut être formée entre des grilles voisines par irradiation de protons ou d'hélium, ou une région isolante peut être formée dans cette zone Cela permet une commande indépendante des régions respectives d'émission lumineuse en changeant la tension de grille. En variante, les régions d'émission lumineuse peuvent être discrètes par gravure de la région 53 Bien entendu, une couche de Si 3 N 4 ou de Al N peut être déposée sur la zone gravée par dépôt de vapeur chimique, d'exci- tation lumineuse L'intervalle entre chacune des régions d'émission lumineuse ne doit pas être trop réduit Les grilles peuvent avoir d'autres structures par exemple elles peuvent être encochées ou rainurées. Les figures 35 a et 35 b représentent un mode de réalisa- tion permettant une oscillation stable à la fois dans le mode transversal et dans le mode axial et qui comprend également une région P dans le canal Ce compo- sant comporte une couche 220 de Ga As et une région de cathode 205 de type N+ qui descend jusqu'à une couche de Ga Al As, et une région P formée dans la région de canal en dessous de la couche de Ga Al As Un canal P peut être formé dans d'autres parties du composant comme dans les autres modes de réalisation de l'invention. La figure 36 représente un autre mode de réalisation d'un composant comportant une région P dans le canal Ce composant comporte une couche 360 de type P qui est faite d'une matière d'un plus petit intervalle de bande que les couches 4-et 361 Si le composant est un laser à semiconducteur à Ga As-Ga Al As, la couche 360 est faite dé Ga As ou-de Ga Al As, la couche est faite de Ga -Al As de type N et la l-x x couche 361 est faite de Ga x Alx As ( x > y) Cette structure est efficace pour augmenter le gain en courant car les trous positifs injectés depuis la grille sont bloqués par la barrière de l'hétérojonction et ne peuvent atteindre la cathode Le temps de blocage est déterminé par le taux de prélévement des électrons et des trous par le canalet le composant de la figure 36 offre un temps de réponse très rapide car la région P est faite d'une matière de transition directe et la durée de vie des porteurs est très courte Autrement dit, les performances du composant peuvent être nettement améliorées en réalisant la région P avec une matière d'un intervalle de bande plus réduit que celui de la matière utilisée dans les autres régions et qui est une matière semiconductrice directe Il est bien entendu que la structure de la figure 36 peut être appliquée aux autres modes de réalisation qui comprennent une région P dans le canal Il est également bien entendu que diverses modifications peu Vent être apportées au laser àisemiconducteur selon l'invention, sans être limité par les modes de réalisation ci-dessus Les composants de ces modes de réalisation utilisent un substrat P+ mais ils peuvent comporter un substrat N et d'autres régions semiconductrices dont le type de conductivité est opposé à celui utilisé dans ces modes de réalisation Les régions d'émission lumineuses qui peuvent être utilisées selon l'invention ne sont pas limitées à celles décrites en regard des modes de réalisation et une structure (BH) 4 étérojonction encastrée, une structure (PCW 7) de guide d'ondes plan- convexe et une structure (BC) en croissant encastré peuvent aussi convenir Les matières semiconductrices io utilisables ne sont également pas limitées à Ga As-Ga Al As et In P-In Ga P As; d'autres composés semi- conducteurs des groupes III-V, II-VI-et IV-VI ainsi que les structures hétérojonctions faites de cristaux mélangés de ces substances peuvent convenir Il est- évident que ces matières semiconductrices ont des indices de réfraction différents et des longueurs dif- férentes de diffusion des porteurs et nécessitent diverses modification de conception pour la fabrication dé composants optimaux. Comme cela a été décrit ci-dessus, l'invention présente un laser à semiconducteur à trois bornes à induction statique dont la sortie optique peut être facilement commandée par la tension de grille et qui permet une modulation à grande vitesse Le composant peut être adapté à une structure à canaux multiples qui offre une large utilité Le composant peut aussi être soumis à une modulation directe tout en produisant une sortie optique à une seule longueur d'onde et une seule fréquence de sorte qu'il peut être utilisé de la façon la plus efficace dans un système de télécom- munications La partie de guidage de lumière (l'intérieur de la largeur de la bande) du composant peut être prévue avec un gain optique, une perte et un indice de réfraction nettement différents que la région environ- nante et en même temps, la dispersion transversale du courant peut être réduite au minimum en prévoyant le substrat avec une région du type de conductivité opposée ou une région de haute résistivité de sorte qu'en se faisant, un laser à semiconducteur avec une bande étroite qui est capable d'oscillations stables dans le mode transversal et le mode axial peut être produit En résumé, une région de grille de haute densité d'impuretés est utilisée pour confiner le courant de commande entre des régions de grille et ceci est lo équivalent à une structure de guide d'ondes prévue - dans une direction parallèle à la surface de jonction dans la région active o une émission réelle du laser est effectuée L'intervalle entre les grilles peut être pratiquement égal ou un peu inférieur à la largeur de la région de guide d'ondes De cette manière, le courant ne circule que dans la région de haute intensité de lumière laser et le composant offre un rendement d'effet laser très élevé La longueur de canal peut être réduite et de meilleures caractéristiques de blocage normal peuvent être obtenues en formant une mince couche P-de densité d'impuretés relativement faible entre la région de cathode N + et la couche active. Le composant selon l'invention peut également comporter plusieurs grilles à des intervalles donnés dans la direction de l'onde laser guidée, et il est susceptible d'oscillations stables à une sele longueur d'onde dans un seul mode à la fois dans la direction trans- versa 2 et la direction verticale d Zns un large plagie. de courants de fonctionnement et, en même temps il émet des longueurs d'onde stables pendant la modulation optique L'utilisation de ce composant est en outre étendue par l'incorporation d'une structure à canaux multiples L'invention offre donc un laser à semicon- ducteur qui trouve beaucoup d'utilités dans l'industrie. REVENDICATIONS 1 Laser à semiconducteur, caractérisé en ce qu'il comporte une région d'anode ( 1) d'un premier type de conductivité faite d'une région fortement dopée, une couche active ( 3) adjacente à ladite région d'anode, une région de canal ( 4) faite d'une région de haute résistivité et disposée contre ladite couche active, une région de cathode ( 5) d'un second type de conductivi- té à une extrémité de ladite région de canal et fàite d'une région fortement dopée, et une région de grilles ( 9) qui entoure au moins en partie ladite région de canal et qui est faite d'une région fortement dopée du premier type de conductivité, ladite région d'anode et ladite région de canal ayant un intervalle de bande plus large que celui de ladite couche active. 2 Laser à semiconducteur selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que plusieurs desdites régions de grille ( 9) sont formées à un intervalle donné dans la direction axiale de l'émission laser. 3 Laser à semiconducteur selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que plusieurs régions de grille ( 9) sont formées dans une direction perpendi- culaire à la direction d'émission laser pour former une structure à canaux multiples comprenant deux ou plusieurs points d'émission de lumière laser. 4 Laser à semiconducteur à hétérojonction, caractérisé en ce qu'il comporte une région d'anode ( 1) d'un premier type de conductivité faite d'une région fortement dopée, une couche active ( 3) formée dontre la- dite région d'anode et ayant un indice de réfraction plus grandîet un intervalle de bande plus étroit que la zone environnante, une région de canal ( 4) faite d'une région de haute résistivité et disposée contre ladite couche active, une région de cathode ( 5) dudit second type de conductivité faite d'une région fortement dopée et positionnée à une extrémité de ladite région de canal, et une région de grille ( 9) entourant au moins en partie ladite région de canal et faite d'une région fortement dopée dudit premier type de conductivité, ledit laser comportant en outre dans une direction parallèle à l'hétérojonction, une structure destinée à augmenter l'indice de réfraction effectif et le gain effectif dans la région d'émission de lumière laser, une région dudit second type de conductivité pour- concentrer le courant entre ladite région d'anode et ladite région active étant formée autour de la région d'émission de lumière laser. Laser à semiconducteur selon la revendica- tion 4, caractérisé en ce que l'intervalle entre les grilles est pratiquement égal à la largeur de'ladite région de concentration de courants du second type de conductivité. 6 Laser à semiconducteur selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que ladite région de grille est une région encastrée. 7 Laser à semiconducteur selon la revendi- cation 1 ou 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une couche isolante formée entre chaque région de grille et une région de cathode. 8 Laser à semiconducteur selon la revendica- tion 1 ou 4, caractérisé en ce qu'il comporte une mince couche de type P entre ladite région de cathode et ladite région active. 9 Laser à semiconducteur selon la revendi- cation 1 ou 4, caractérisé en ce que ladite région de canal contient une région de type P. Laser à semiconducteur selon la reven- dication 4, caractérisé en ce qu'il comporte un dispo- sitif pour focaliser le circuit de courant sur le côté du substrat comprenant une couche d'indice de réfrac- tion plus élevé que celui de ladite zone environnante. 11 Laser à semiconducteur selon la revendi- cation 4, caractérisé en ce que ladite structure consiste en une configuration en gradin dans laquelle l'indice de réfraction effectif varie pas à pas. 12 Laser à semiconducteur selon la revendi- cation 4, caractérisé en ce que ladite structure consiste en une configuration à auto-focalisation dont l'indice de réfraction est le plus élevé en son centre. 13 Laser à semiconducteur selon la reven- dication 4, caractérisé en ce qu'une région de canal en forme de bande est formée par une rainure en V dans au moins une couche de recouvrement.