FR2495850A1 - Laser a semiconducteur a grande longueur d'onde - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE UN TYPE DE LASER A SEMICONDUCTEURS UTILISANT DES ALLIAGES MONOCRISTALLINS TELS, QU'EN VARIANT LEUR COMPOSITION, ON PUISSE OBTENIR DES LONGUEURS D'ONDES D'EMISSION S'ETAGEANT DANS UNE GRANDE GAMME. A CET EFFET ON CHOISIT UN SUBSTRAT 1 EN PHOSPHURE D'INDIUM MONOCRISTALLIN, PUIS DES ALLIAGES DE MEME PARAMETRE DE MAILLE CRISTALLINE:(GAAL),IN,ASOU X EST COMPRIS ENTRE 0 ET 0,27. POUR LA COUCHE ACTIVE 3, ENFIN POUR LES COUCHES DE CONFINEMENT 2,4 SOIT INP, SOIT UN ALLIAGE TERNAIRE AL,IN,AS, SOIT UN ALLIAGE QUATERNAIRE:GA,ALSBOU X ET Y SONT CHOISIS POUR QUE LE MATERIAU PRESENTE A LA FOIS UNE MAILLE CRISTALLINE DETERMINEE ET UNE BANDE INTERDITE PLUS LARGE QUE LE MATERIAU DU SUBSTRAT. APPLICATION AUX TELECOMMUNICATIONS PAR FIBRE OPTIQUE.
Description
LASER A SEMICONDUCTEUR A GRANDE
LONGUEUR D'ONDE
L'invention concerne un type de laser à semiconducteurs, permettant l'obtention d'une grande longueur d'onde ou de longueurs d'ondes réparties dans une grande gamme, en utilisant des couches monocristallines faites de différents matériaux tous compatibles avec le réseau cristallin d'un même composé dit 111-V (formé d'éléments des troisième et cinquième colonnes de la table de Mendeleeff). Ce type de laser est applicable notamment dans les
télécommunications par fibres optiques.
Les fibres optiques utilisées en télécommunications optiques ont une absorption minimale pour des longueurs d'onde voisines de 1,3 et 1,6]lm. Il
est donc intéressant de disposer d'émetteurs travaillant dans cette gamme.
Les lasers à semiconducteur classiques utilisent des hétérostructures de matériaux semiconducteurs appartenant: - soit au système ternaire: Ga, AI, As; - soit au système quaternaire: Ga, In, As, P. Seuls ces derniers permettent d'émettre dans la gamme d'absorption
minimale des fibres optiques de télécommunication.
L'invention vise à fournir l'industrie en lasers à semiconducteurs pour
fibres optiques possédant une hétérostructure différente des hétérostructu-
res classiques citées plus haut, et présentant certains avantages d'ordre
industriel.
On rappelle que l'hétérostructure d'un laser à semiconducteur est constituée comme suit: - un substrat monocristallin déterminé;
- une superposition de trois couches monocristallines, de même para-
mètre cristallin que le substrat, présentant au moins entre elles une jonction semiconductrice, et satisfaisant en outre à deux conditions: l1/ La couche médiane est formée d'un semiconducteur choisi de
manière que la bande interdite corresponde à une longueur d'onde prédéter-
minée; elle forme la zone active; 20/ Les couches extrêmes ont des bandes interdites plus grandes que celle de la couche médiane afin de créer un confinement des porteurs
électroniques dans la couche médiane, d'o le nom de couches de confine-
ment donné à ces couches.
Ainsi, ont été fabriquée des lasers ayant une couche active en GaAs sur substrat GaAs et des couches de confinement en AI x Ga x As, ou des lasers à couches actives en Gax In 1x As ou Ga x In1îx Asy P1 et couches
de confinement en InP, sur substrat InP.
Pour -mieux comprendre le choix de ces compositions, et par suite mieux comprendre l'objet de la présente invention, on considérera la figure 1 qui regroupe dans le même diagramme les valeurs de la bande interdite (en
ordonnées) et celles du paramètre cristallin (en abscisses), des composés III-
V. Les composés binaires sont donc représentés par des points de coordon-
nées déterminées. Les alliages ternaires sont situés sur les lignes reliant les points représentatifs des binaires. Pour ne pas trop surcharger le diagramme tous les alliages ternaires ne sont pas représentés sur cette figure. Les alliages quaternaires sont situés sur des zones inscrites dans des figures géométriques fermées constituées par les lignes définissant les alliages ternaires. Par exemple les alliages quaternaires contenant Ga, Al, In, et Sb
sont représentés par les points situés dans l'aire hachurée "AISb - GaSb -
InSb" de la figure 1. A l'aide de ce diagramme on peut voir qu'un laser ayant pour couche active GaAs peut avoir pour couche de confinement AlX Gaî1x As (0 <x <1) ou Gax In1 x P Sb1 y etc...Dans la pratique la couche de confinement utilisée est AIx Ga1 x As. La largeur de la bande interdite de GaAs étant de 1,43 eV, la longueur d'onde émise par le laser est donc 0,87 fin. D'autre part, si l'on désire avoir des lasers émettant vers 1,3 et 1,6 lm, il faut utiliser, pour la couche active, des matériaux ayant pour largeur de bande interdite environ 0,95 à 0,78 eV. Dans cette gamme d'énergie plusieurs types d'alliages peuvent convenir théoriquement (voir fig. 1):Gax In 1x Asy Ply, Gax Al1_x_y Iny As, Gax Ali-x Asy Sbi-Y et Gax Al1-x-y Iny Sb (les indices x, y seront précisés après). Cependant, considérant que les différentes couches mentionnées doivent être déposées par épitaxie sur un substrat déterminé et que ce substrat doit avoir le même paramètre cristallin que les couches déposées, on est conduit à quatre choix: le premier consiste à prendre comme substrat InP, le deuxième InAs, le troisième GaSb et le quatrième InSb. Parmi ces quatre types de substrat,
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InP est facilement disponible c'est pourquoi dans la pratique c'est le seul que l'on considère. Utilisant donc ce substrat InP, il reste deux solutions pour avoir une couche active de bande interdite voisine de 0,95 - 0,78 eV: Gax
In1 Asy P1_ et Ga AlI__ In As.
Les lasers ayant pour couche active Gax In -x Asy P1 y ont été déjà fabriqués. Ils ont pour couche de confinement InP dont la bande interdite est 1,36 eV. Ce choix conduit cependant à plusieurs limitations: 1 - la largeur de la bande interdite de InP n'est pas suffisamment
grande pour avoir un effet de confinement important.
2 - l'alliage Gax Inî Asy P1y n'est pas facile à réaliser selon certai-
nes techniques d'épitaxie telle que l'épitaxie par jets moléculaires, à cause
du caractère volatil du phosphore.
L'objet de la présente invention est de remédier à ces limitations en utilisant pour la couche active un matériau quaternaire contenant trois éléments III et un élément V.
Le laser selon l'invention est du type comportant un substrat monocris-
tallin en InP d'un type de conductivité prédéterminé, et au moins les couches épitaxiales suivantes: une première couche de confinement de même type de conductivité que le substrat, une couche active et une deuxième couche de confinement du type opposé de conductivité, les couches de confinement étant constituées par des matériaux semiconducteurs de composition telle que leur largeur de bande interdite soit plus grande que celle du matériau
constituant la couche active, les paramètres cristallins de tous les maté-
riaux semiconducteurs étant égaux à ceux du substrat à 1% près.
Il est caractérisé en ce que le matériau constituant la couche active répond à la formule générale: (Gax Al Ix)n,47 In As x I-X0,470,53
avec:0 < x < 0,27.
L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques apparai-
tront, au moyen de la description qui suit, et des dessins qui l'accompagnent,
parmi lesquels:
Les figures 1 et 2 sont des diagrammes explicatifs.
Les figures 3 à 5 représentent en coupe schématique des lasers à
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semiconducteur selon l'invention.
Les matériaux de la couche active, dans le cas de l'invention, sont des alliages quaternaires (Ga, AI, Jn, As) dont les points figuratifs (voir le diagramme de la figure 1, déjà commenté ci-avant) se trouvent dans l'aire hachurée de forme oblongue délimitée par: - une ligne brisée 1, joignant les points figuratifs des composés AI As et In As; - le segment 2 joignant les points figuratifs des composés AI As et Ga As qui présentent sensiblement le même paramètre cristallin; - le segment curviligne joignant les points figuratifs des composés Ga
As et In As.
On voit sur le diagramme que l'aire ainsi définie contient le point
figuratif du composé InP.
Cette constatation est essentielle pour l'invention.
En effet, on choisit pour constituer la couche active du laser l'alliage quaternaire (Ga, AI, In, As) dont le point figuratif se trouve sur une parallèle à l'axe Oy pasant par le point InP, soit:
(Ga AI In0,As.
x I-x 0,47 0,53As La largeur de bande interdite de cet alliage est comprise entre 0,75 eV pour x = I et 1,47 eV pour x = 0. Il existe une relation linéaire entre les deux paramètres. En ce qui concerne les couches de confinement, on choisit, tout en restant dans le cadre de l'invention, plusieurs solutions, c'est à dire un alliage binaire, ternaire ou quaternaire présentant le même paramètre cristallin que le composé InP. Ce peut être InP lui-même. Il convient
toutefois de satisfaire, en outre, la condition supplémentaire, déjà mention-
née, à savoir la nécessité, pour que la couche joue son rôle de confinement, de présenter une largeur de bande interdite supérieure à celle de l'alliage constituant la couche active. Le point figuratif du matériau constituant la couche de confinement doit donc se trouver au dessus du point figuratif de InP. Si l'on choisit un alliage quaternaire de composition: Ga, AllX, Asy, Sb,_y
on utilise le diagramme de la figure 2 pour déterminer les valeurs de x' et y'.
Ce diagramme comporte un axe des abscisses Ox' exprimant en fraction de 0 à 1 la teneur en Ga, et deux axes d'ordonnées: OY': teneur en As; = OZ': pseudo-axe des valeurs du paramètre cristallin, lequel dépend très peu de la teneur en GA et beaucoup de la teneur en As. La valeur du
paramètre est exprimée en angstrâms.
Les lignes en trait tireté correspondent à des alliages de même
paramètre cristallin: elles sont sensiblement parallèles à Ox'.
Les lignes en trait continu sont de deux sortes:
1 / Des courbes présentant un point anguleux et donnant les composi-
tions d'alliage d'égale bande interdite exprimée en électrons-volts.
/ Une courbe joignant les points anguleux des lignes précédentes et séparant le diagramme en deux domaines: D: alliage o entre en jeu la bande interdite directe;
1: alliage o entre en jeu la bande interdite indirecte.
Les valeurs de x' et y' de la composition choisie pour constituer les bandes de confinement du laser sont les coordonnées du point d'intersection d'une ligne pointillée (ou parallèle, par interpolation) et d'une ligne graduée
en largeur de bande interdite.
Sur les figures 3 à 5 on a représenté, en coupe partielle et schémati-
que, un laser de substrat 1, supportant une couche de confinement 2, une couche active 3, une autre couche de confinement 4, éventuellement une couche supplémentaire (60, figure 4), enfin des métallisations 5 et 6 formant
des contacts ohmiques avec le matériau des faces extrêmes. Ces métallisa-
tions sont destinées à permettre un bon raccordement à une source de tension.
Les exemples de réalisation de l'invention ainsi représentés compor-
tent tous un substrat en InP dopé p+. Un dopage n+, également possible, correspond à une autre série d'exemples, non représentés, o les dopages seraient de type opposé de conductivité, la source de tension ayant alors les
polarités inversées.
Sur l'exemple de la figure 3, les caractéristiques des couches sont les suivantes: Couche 2: InP ou Al,47 In0,,3 As, dopé p; Couche 3: (Gar Al In) 0,47 m0,53 As, dopé n ou p; Couche 4: même composition que la couche 2, dopée N. La valeur de x est choisie en fonction de la longueur d'onde d'émission, en pratique de la largeur de la bande interdite du matériau de la couche active, cette largeur devant être inférieure à celle des couches 2 et 4. On a donc:
0,01 < x < 0,27.
Sur l'exemple de la figure 4, les compositions sont les suivantes: Couche 2: Gax, AIJ-x' Asy, Sbly dopée p; Couche 3: même composition et même dopage que dans l'exemple précédent;
Couche 4: même composition que la couche 2 ci-dessus, dopée n.
Le paramètre x est choisi comme à l'exemple précédent.
Les paramètres x' et y' sont choisis comme il a été expliqué ci-avant, à propos du diagramme de la figure 2, pour avoir une bande interdite plus
grande que celle de la couche active.
Sur l'exemple de la figure 5, les compositions et les dopages sont les mêmes que ceux de l'exemple de la figure 3, mais on a déposé sur la couche 4 une couche supplémentaire 60 dopée n+ et de composition:
Ga0,47 InO,53 As.
Cette couche supplémentaire a pour but d'améliorer la qualité du
contact ohmique de la métallisation 6.
Un autre exemple, non représenté, correspond à celui de la figure 4, dans lequel on a ajouté une couche supplémentaire comme dans le cas de la
figure 5.
Parmi les avantages non encore signalés de l'invention, on mentionne le fait que la longueur d'onde démission du laser est définie par le
pourcentage d'aluminium par rapport au gallium dans la couche active.
Cette propriété présente un grand avantage pour certaines techniques
d'épitaxie, notamment dans le cas de l'épitaxie par jets moléculaires.
En effet dans le cas de l'épitaxie par jets moléculaires, la valeur du paramètre x de la composition obtenue est directement donnée par le rapport des flux de gallium et d'aluminium introduits dans le réacteur d'épitaxie.
Claims (5)
1. Laser à semiconducteur, du type comportant un substrat mono-
cristallin (1) en InP d'un type de conductivité prédéterminé, et au moins les couches épitaxiales suivantes: une première couche (2) de confinement de même type de conductivité que le substrat, une couche active (3) et une deuxième couche (4) de confinement de type opposé de conductivité; les couches de confinement étant constituées de matériaux à bande interdite plus large que celle de la couche active, caractérisé en ce que le matériau constituant la couche active est en alliage répondant à la formule: (Gax AI 1-_x)0,47 InO0,53 As
avec: 0 < x <0,27.
2. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couches de
confinement (2,4) sont en phosphure d'indium.
3. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couches de
confinement (2,4) sont en alliage de formule AI 0,47 In0,53 As.
4. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couches de confinement (2,4) sont en alliage de formule -Gax, Al_ xt A.sy, Sb1_y, dans laquelle les paramètres x' et y', compris entre zéro et un, sont
déterminés de manière à ce que l'alliage monocristallin présente un paramè-
tre de maille égal à celui du matériau de la couche active et une largeur de
bande interdite plus grande que celle de la couche active.
5. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une couche supplémentaire (60) est déposée par épitaxie sur la couche de confinement la plus éloignée du substrat, qu'elle est plus fortement dopée que celleci et du même type de conductivité, qu'enfin elle est constituée par un alliage de
formule: -
Ga0,47 In0,53 As.
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