FR 2628891 A1 19890922 FR 8903480 A 19890316 (9 RÉPUBLIQUE FRAN AISE. N de publication 2 628 89 1 (à n'utiliser que pour les INSTITUT NATIONAL commandes de reproduction) DE LA PROPRIETE INDUSTRIELLE ^A^ DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE N d'enregistrement national 89 03480 PARIS ( Int C'l4: H 01 L 33/00; H 01 S 3/19. DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1 _ Date de dépôt: 16 mars 1989. Q Demandeur(s): MITSUBISHI DENKI KABUSHIKI KAISHA. - JP. ) Priorité: JP, 16 mars 1988, n 63-64221. Inventeur(s): Yoichiro Ota et Tetsuya Yagi, Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha. 4 Date de la mise à disposition du public de la demande: BOPI " Brevets " n 38 du 22 septembre 1989. (i Références à -d'autres documents nationaux appa- rentés: (rt Titulaire(s): Q Mandataire(s): Cabinet Plasseraud. Laser à semiconducteurs. () Un laser à semiconducteurs comprend une couche active 9 7,-- 3 et une paire de couches de gaine 2, 4 ayant des types de ( conductivité différents et une bande interdite plus large que _,', celle de la couche active. L'une des couches de gaine présente., .', _ une moulure 9, et une région de diffusion à concentration en 7 / - 7 -3 impureté élevée 8 est formée le long de la moulure et pré- sente le même type de conductivité que la couche de gaine - dans laquelle elle est formée. Cette configuration produit une différence d'indice de réfraction en direction horizontale qui - o améliore l'astigmatisme de l'émission lumineuse. I, . cO N N oe IL. o Vente des fascicules/ I 'IMPRIMERIE NATIONALE, 27, rue de la Convention -- 75732 PARIS CEDEX 15 LASER A SEMICONDUCTEURS La présente invention concerne un laser à semiconduc- teurs, et elle porte plus particulièrement sur un tel laser ayant un faible astigmatisme. La figure 3 montre un laser à semiconducteurs de l'art antérieur qui est décrit par exemple dans le document J. Appli. Phys. -60(7), 2633(1986). Sur la figure 3, la référence 1 désigne un substrat en GaAs de type n. Une couche de gaine inférieure 2, en AlxGa xAs (0 _ x L 0,60), de type n, ayant une concentration de porteurs d'environ 1017 cm -3, est placée sur le substrat en GaAs de type n, 1. Une couche active 3 en AlyGa yAs (0 c y É 0,45 et y e x) de type p ou de type n, ayant une concentra- tion de porteurs d'environ 1017 cm-3, est placée sur la couche de gaine inférieure AlxGal xAs de type n, 2. Une couche de gaine supérieure en Ai Galx As de type p, 4, ayant une concen- tration de porteurs d'environ 1017 à 1018 cm-3, est place sur la couche active 3 en AlyGa As de type p ou de type n. Une y 1-y couche de blocage en GaAs de type n, 6, est placée sur la cou- che de gaine supérieure 4 en AlxGa _xAs de type p. Une couche de contact en GaAs de type p. 7, est placée sur la moulure 9 qui est formée par une partie en forme de bande de la couche de gaine supérieure 4 en AlxGa _xAs de type p. Les références nu- mériques 10 et 11 désignent respectivement une électrode du côté n et une électrode du côté p. On va maintenant décrire le processus de fabrication de ce dispositif. On fait tout d'abord croître par épitaxie sur un substrat en GaAs de type n, 1, une couche de gaine inférieure 2 en Al'xGa As de type n, une couche active 3, une couche de X 1-x gaine supérieure de type p, 4, et une couche de contact 7. On enlève ensuite par attaque deux parties latérales de la couche de gaine supérieure 4 et de la couche de contact 7, en utili- sant une attaque par voie humide avec par exemple une solution consistant en un mélange de peroxyde d'hydrogène, d'ammoniaque et d'eau, et on obtient une moulure en forme de bande qui cons- titue la couche de gaine supérieure 4 et la couche de contact 7. On peut définir l'inclinaison de la surface latérale à nu de la moulure en forme de bande, pour lui donner une valeur dé- sirée, en choisissant une solution d'attaque appropriée. Dans ce cas, il est souhaitable de fixer l'angle à 54,5 * Ensuite, on forme des couches de blocage de courant 6, de type n, sur les deux surfaces à nu de la couche de gaine supérieure 4. On forme ensuite une électrode du côté n, 10, et une électrode du côté p, 11 respectivement sur le substrat en GaAs de type n, 1, et sur la surface supérieure de la couche de contact de type p 7 ainsi que sur les couches de blocage de type n, 6. Lorsque des tensions négative et positive sont res- pectivement appliquées aux électrodes du cCté n et du côté p, et 11, un courant circule de façon concentrée dans la mou- lure 9. Dans ces conditions, dans une région de la couche acti- ve 3 située au voisinage de la partie inférieure de la moulure 9, des électrons et des trous sont respectivement injectés dans la couche active 3, et une émission de lumière se produit sous l'effet de la recombinaison des électrons et des trous. Lorsque le courant d'injection est augmenté jusqu'à une valeur supé- rieure à un courant de seuil, une émission stimulée commence et une oscillation laser se produit. Cependant, dans le laser à semiconducteurs de l'art antérieur ayant cette structure, le mode transverse vertical est sous la dépendance de la structure de guide d'onde par in- dice de réfraction qui résulte de la différence d'indice de ré- fraction incorporée. Au contraire, le mode transverse horizontal est sous la dépendance de la différence d'indice de réfraction effective, c'est-àdire de ce qu'on appelle le guide d'onde à moulure, et bien que le dispositif soit du type à indice de ré- fraction, il n'y a aucune différence d'indice de réfraction in- corporée dans la direction horizontale. Ce dispositif a donc un astigmatisme plus élevé qu'un dispositif ayant des différences d'indice de réfraction incor- porées à la fois en direction verticale et en direction hori- zontale, bien qu'il ait un plus faible astigmatisme que le la- ser à guide d'onde du type à gain. En effet, le laser à guide d'onde à indice de réfraction a généralement un plus faible astigmatisme que le laser à guide d'onde à gain, du fait que la lumière qui est émise par le laser à guide d'onde à indice de réfraction commence à s'élargir aux positions auxquelles les émissions lumineuses sont entièrement réfléchies à l'intérieur du cristal et sont émises avec des fronts d'onde parallèles. Un but de l'invention est de procurer un laser à se- miconducteurs ayant un faible astigmatisme, c'est-à-dire capable de focaliser une image sur une trace de très faible dimension. Conformément à l'invention, une région de diffusion ayant une concentration d'impuretés élevée, et ayant le même type de conductivité que la couche de gaine, est formée dans la couche de gaine le long d'au moins une moulure ou d'un sillon en forme de bande. Une différence d'indicc de réfraction appa- rait donc entre la région de diffusion à concentration d'impu- reté élevée dans la couche de gaine, et la région de cette cou- che qui n'est pas une région de diffusion, ce qui confine effec- tivement la lumière dans la couche de gaine, le long de la mou- lure ou du sillon en forme de bande. Un aspect de l'invention porte sur un laser à semi- conducteurs comprenant une couche active; une paire de couches de gaine de types de conductivité différents, ayant toutes deux une bande d'énergie interdite plus large que celle de la couche active, qui sont placées de part et d'autre de la couche active; l'une des couches de gaine étant formée avec une configuration qui présente une moulure en forme de bande ou qui est enterrée dans une sillon en forme de bande; et une région de diffusion à concentration d'impureté élevée, ayant le même type de con- ductivité que la couche de gaine précitée, qui est formée dans cette couche de gaine lé long de la moulure en forme de bande ou du sillon en forme de bande. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de modes de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La suite de la description se réfère aux dessins annexes sur les- quels: La figure 1 est une coupe d'un laser à semiconduc- teurs conforme à un mode de réalisation de l'invention; La figure 2 est une coupe d'un laser à semiconduc- teurs conforme à un second mode de réalisation de l'invention; et La figure 3 est une coupe d'un laser à semiconduc- teurs conforme à l'art antérieur. - On voit sur la figure 1 une couche d'un laser à semi- - conducteurs conforme à un mode de réalisation de l'invention. Sur la figure 1, la référence 1 désigne un substrat en GaAs de type n. Une couche de gaine inférieure 2 en AlxGa As (0 e x x 1-x 0,60) de type n, ayant une concentration de porteurs d'envi- ron 1 x 1017 cm-3 est placée sur le substrat en GaAs de type n, 1. Une couche active 3 en AlyGa yAs (0. y É 0,45 et y 4 x) de y 1-y1 type n, ayant une concentration de porteurs d'environ 6 x 10'7 cm3 est placée sur la couche de gaine inférieure 2 en AlxGal xAs de type n. Une couche de gaine supérieure 4 en AlxGal x1As de type p, ayant une concentration de porteurs d'en- viron 1017 à 1018 cm-3 est placée sur la couche active 3 en AlyGa yAs de type n. Une région de diffusion de dopant de type p, 8, ayant une concentration de porteurs d'environ 101 à 1019 cm 3, est formée sur une région supérieure de la couche de gaine supérieure 4. Une couche de contact 7a en GaAs de type p, ayant une concentration de porteurs d'environ 1 x 1019 cm-3, est forméc sur la moulure 9 qui consiste en une moulure en for- me de bande de la couche de gaine supérieure 4. Des couches tampon en GaAs de type p, 5, ayant une concentration de por- teurs d'environ 1 x 1019 cm3, sont disposées sur les deux par- ties latérales de la région de diffusion de dopant de type p, 8. Des couches de blocage 6 en GaAs de type n, ayant une con- centration de porteurs d'environ 8 x 1018 cm 3, sont disposées sur les deux côtés de la couche de gaine supérieure 4 en AlxGa xAs de type p, avec interposition de la couche tampon 5. Les références 10 et-11 désignent respectivement des élec- trodes du côté n et du côté p. On va maintenant décrire le processus de fabrication. En premier lieu, on fait croître successivement sur le substrat de type n, 1, par épitaxie, une couche de gaine inférieure 2 en AlxGa _xAs de type n, une couche active 3 en AlyGa yAs de type p ou de type n, une couche de gaine supé- rieure 4 en AlxGal xAs de type p, une région de diffusion de dopant de type p 8 et une couche de contact 7a en GaAs de type p. On enlève ensuite par attaque les deux parties latérales de la couche de gaine supérieure 4 et de la couche de contact de type p, 7a, en employant une solution d'attaque consistant par exemple en un mélange de peroxyde d'hydrogène, d'ammoniaque et d'eau, et on fait croître des couches de blocage de courant de type n, 6, sur les deux surfaces latérales attaquées de la couche de gaine supérieure 4 et de la couche de contact de type p. 7a. Pour former la région de diffusion de dopant de type p, 8, dans la couche de gaine supérieure 4, il suffit de doper préalablement la couche de gaine supérieure 4 avec du zinc, jusqu'à une concentration de porteurs d'environ 1017 à 1018 cm 3, et de doper avec du zinc la couche tampon 5 et la couche de contact 7a jusqu'à une concentration d'environ 1019 cm3. Ensuite, pendant l'opération de croissance des couches de blo- cage de courant 6, les dopants présents dans ces couches dif- fusent de façon à produire la région de diffusion de dopant de type p, 8, le long de la surface supérieure de la couche de gaine supérieure 4. Dans le semiconducteur de la famille GaAs de type p, l'indice de réfraction diminue lorsque la con- centration de porteurs est augmentée jusqu'à une valeur supé- rieure ou égale à 1018 cm-3, même dans une condition dans la- quelle les rapports de composition sont les mêmes (voir par exemple l'ouvrage de H.C. Casey, "Heterostructure Lasers", Academic Press (1978), 944). Par conséquent, l'indice de ré- fraction de la région de diffusion de dopant de type p 8 est inférieur à celui de la couche de gaine supérieure 4 à la pé- riphérie de la région 8, et ceci signifie qu'une différence d'indice de réfraction incorporée doit exister dans cette par- tie. Le dispositif fonctionne de la façon suivante. Lorsque des tensions négative et positive sont res- pectivement appliquées à l'électrode du côté n et l'électrode du côté p. un courant circule de façon concentrée dans la mou- lure 9. Dans ces conditions, dans une partie de la région ac- tive 3 au voisinage de la partie inférieure de la moulure 9, des électrons et des trous sont respectivement injectés dans la couche active 3 à partir de la couche de gaine inférieure 2 et de la couche de gaine supérieure 4, et une émission lumi- neuse se produit sous l'effet des recombinaisons d'électrons et de trous. Lorsque le courant d'injection est augmenté, une émission stimulée commence et une oscillation laser se produit. Dans le laser à semiconducteurs de l'invention, la lumière qui fuit jusqu'à la couche de gaine supérieure 4 est confinée par la différence d'indice de réfraction incorporée qui est éta- blie entre la région de non-diffusion et la région de diffu- sion de dopant de type p 8 de la moulure 9 de la couche de gaine supérieure 4. Par conséquent, par rapport à un cas dans lequel le guidage d'onde est effectué uniquement par le guide d'onde à moulure, comme dans le- dispositif de l'art antérieur, la commande du mode transverse horizontal est effectuée de façon similaire à celle du mode transverse vertical, ce qui fait que l'astigmatisme est diminué. En outre, du fait que le confinement de la lumière est renforcé, le rendement d'émission de lumière est également amélioré. Bien que dans le mode de réalisation considéré ci- dessus, l'invention soit appliquée à un laser à semiconducteurs qui comporte des couches de blocage 6 des deux côtés de la mou- lure en forme de bande 9, au-dessus de la couche active 3, il est également possible d'appliquer l'invention à un laser à se- miconducteurs comportant des couches de blocage des deux côtés d'un sillon en forme de bande, situé au-dessous de la couche active 3. La figure 2 montre un second mode de réalisation de l'invention ayant une telle structure. Sur la figure 2, une première couche de gaine inférieure 18 en AlxGal_ As de type p, est placée sur un substrat 11 en GaAs de type p. Des cou- ches de blocage de courant 6 en GaAs de type n sont placées sur la première couche de gaine inférieure 18, de type p. Une seconde couche de gaine 14, en AlxGal xAs de type p, est placée sur les couches de blocage de courant 6 et sur la surface à nu de la première couche de gaine inférieure 18 avec interposition d'une couche tampon 5. Une couche active 13 est placée sur la seconde couche de gaine inférieure 14. Une couche de gaine su- périeure 15, en AlxGa As de type n, est placée sur la couche x 1-x active 13. Une couche de contact 16 en GaAs de type n est pla- cée sur la couche de gaine supérieure 15. Les références numé- riques 10 et 11 désignent respectivement une électrode du côté n et une électrode du côté p. On Va maintenant décrire le processus de fabrication. En premier lieu, on fait croître sur un substrat 12 en GaAs de type p une première couche de gaine 18 en AlGaAs de type p, et une couche de blocage de courant de type n, 6. En- suite, on attaque la couche de blocage de courant 6 par une opération d'attaque par voie humide, afin de produire une ou- verture dans la couche de blocage de courant 6. Ensuite, on fait croître par épitaxie, sur la couche de blocage de courant 6 et sur la surface à nu du substrat 12 en GaAs de type p, une couche tampon 5, une seconde couche de gaine inférieure 14, une couche active 13, une couche de gaine supérieure de type n et une couche de contact en GaAs de type n. Pendant cette croissance épitaxiale, les impuretés qui sont contenues dans la couche tampon 5 diffusent dans la couche de gaine inférieu- re 14, pour produire ainsi une région de diffusion de dopant de type p 8 dans la partie inférieure de la seconde couche de gaine inférieure 14, et cette région de diffusion de dopant de type p 8 est produite le long du sillon en forme de bande qui est formé par la couche de blocage de courant 6. On forme en- suite une électrode du côté p 11 et une électrode du côté n , respectivement sur le substrat 12 en GaAs de type p et sur la couche de contact 16 en GaAs de type n. Dans ce laser comportant une région de diffusion de dopant de type p le long du sillon en forme de bande, il exis- te également une différence d'indice de réfraction incorporée, du fait de la présence de la région de diffusion de dopant de type p 8, et on obtient ainsi un faible astigmatisme et un rendement d'émission de lumière élevé. Bien que dans le mode de réalisation considéré ci- dessus, on utilise du zinc pour les dopants de type p, pour produire des régions de diffusion, on peut également utiliser d'autres dopants. En outre, on peut aussi utiliser des dopants de type n. Comme indiqué ci-dessus, et conformément à l'inven- tion, on forme une région de diffusion à concentration élevée, du même type de conductivité que la couche de gaine, au moins le long d'une moulure ou d'un sillon en forme de bande dans l'a couche de gaine. On peut donc obtenir également une différence d'indice de réfraction dans la direction transversale dans la couche de gaine, ce qui fait que la commande du mode transverse horizontal est effectuée d'une manière similaire à celle du mode transverse vertical. Il résulte de ceci qu'on obtient un laser à semiconducteurs ayant un faible astigmatisme et un rendement d'émission de lumière 1élevé. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Laser à semiconducteurs caractérisé en ce qu'il comprend: une couche active (3); une paire de couches de.gaine (2, 4) ayant des types de conductivité différents, ces deux couches ayant une bande d'énergie interdite plus large que celle de la couche active (3) et étant placées de part et d'au- tre de la couche active (3); l'une des couches de gaine (2, 4) ayant la configuration d'une moulure en forme de bande (9); et une région de diffusion à concentration en impureté élevée (8), ayant le même type de conductivité que la couche précitée parmi les couches de gaine (2, 4), qui est formée sur la couche de gaine précitée (4), le long de la moulure en forme de bande (9). 2. Laser à semiconducteurs selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche active (3) consiste en AlyGa 1yAs (0 c y 0,45), et en-ce que les couches de gaine supérieure et inférieure (2, 4) consistent en Al Ga1 xAs (0 6 x: 0,60 et y t x). 3. Laser à semiconducteurs selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste en un laser à moulure dans lequel des couches de blocage de courant (6) sont formées de part et d'autre de la moulure en forme de bande (9) au-dessus de la couche active (3) 4. Laser à semiconducteurs caractérisé en ce qu'il comprend: une couche active (13); une paire de couches de gaine (14, 15) ayant des types de conductivité différents, ces couches ayant une bande d'énergie interdite plus large que celle de la couche active (13), et étant placées de part et d'autre de la couche active (13); l'une des couches de gaine (14, 15) ayant une configuration enterrée dans un sillon en forme de bande; et une région de diffusion à concentration d'impureté élevée (8), ayant le même type de conductivité que la couche précitée parmi les couches de gaine (14, 15), qui est formée dans la couche de gaine précitée (14), le long du sillon en forme de bande. 5. Laser à semiconducteurs selon la revendication 4, caractérisé en ce que la couche active (13) consiste en AlyGa yAs (0 caractérisé en ce qu'il consiste en un laser du type à crois- sant enterre dans lequel des couches de blocage de courant (6) sont formées de part et d'autre du sillon en forme de bande, au-dessous de la couche active (13). 1/2 2628891 FIG.1. F IG.3. (ART ANTERIEUR) 7i 2/2 2628891 FIG.2. //