FR2507834A1 - Laser a semiconducteurs stabilise - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LA TECHNOLOGIE DES LASERS A SEMICONDUCTEURS. UN LASER A HETEROSTRUCTURE ENTERREE EST STABILISE SUR LE MODE LE PLUS BAS AU MOYEN DE DIFFERENCES DE PERTES ACCRUES ENTRE LE MODE LE PLUS BAS ET LES MODES D'ORDRE SUPERIEUR. CES PERTES SONT OBTENUES PAR DIFFUSION D'INTERFACE ENTRE LA STRUCTURE MESA CENTRALE 3, 5, 7, 9, 11 ET UNE COUCHE 110 QUI ENTERRE LA STRUCTURE MESA. LA STABILISATION RESULTE DU FAIT QUE LES PERTES PAR DIFFUSION AUGMENTENT RAPIDEMENT AVEC L'ORDRE DES MODES TRANSVERSES. APPLICATION AUX TELECOMMUNICATIONS OPTIQUES.

Description

La présente invention concerne une structure émettrice de lumière qui

comprend une couche active, des première et seconde couches de semiconducteurs sur des côtés opposés de la couche active, et une troisième couche venant en contact avec des faces latérales opposées de la

couche active et des première et seconde couches de semi-

conducteurs. Les systèmes de télécommunications optiques actuels utilisent une source lumineuse et un photodétecteur qui sont couplés optiquement l'un à l'autre par une ligne de transmission en verre qu'on appelle communément une

fibre optique Deux types de dispositifs, les diodes élec-

troluminescentes et les lasers, ont été sérieusement envi-

sagés en tant que candidats pour la source lumineuse On

considère généralement que le laser est le meilleur dispo-

sitif, en particulier aux cadences de données élevées.

De nombreuses structures de laser à semiconduc-

teurs ont été envisagées pour la source lumineuse dans de tels systèmes de télécommunications optiques A l'heure actuelle, tous les chercheurs travaillant dans ce domaine

s'accordent pour considérer que les lasers à hétérostructu-

re enterrée sont les candidats les plus intéressants pour les systèmes de télécommunications optiques, à cause de leurs faibles courants de seuil et de leur fonctionnement stable jusqu'à une puissance élevée On fabrique de façon caractéristique un laser à hétérostructure enterréen faisant croître un laser à double hétérostructure, en formant par attaque une structure mésa, et en revêtant les cotés de la structure mésa par de la matière semiconductrice qu'on fait croître au cours d'une seconde opération de croissance Le laser résultant présente un guidage par indice de réfraction, par lequel les porteurs sont confinés dans la couche active dans les deux directions transversales De tels lasers à

hétérostructure enterrée ont des caractéristiques souhaita-

bles, telles qu'une caractéristique linéaire pour la lumière en fonction du courant, une bonne stabilité vis-à-vis des

pulsations en l'absence de gros défauts, et pas d'astigma-

tisme optique.

Un article ancien décrivant des recherches ini-

tiales sur les lasers à hétérostructure enterrée figure

dans la revue Journal of Applied Physics, 45, pages 4899-

4906, novembre 1974 Cet article décrit un laser à hétéro-

structure enterrée du type Alx Ga X As-Ga As fonctionnant sur le mode le plus bas Un tel fonctionnement est souhaitable du fait qu'il garantit l'absence de variation du diagramme d'émission de lumière, et donc du rendement de couplage

entre le laser et la fibre optique On a obtenu ce fonc-

tionnement en utilisant une région active très mince et étroite, mesurant de préférence moins de 0,4 pm en hauteur comme en largeur, qui était entourée par une matière ayant un indice de réfraction ne présentant pas une différence de plus de 5 % par rapport à celui de la couche active Ces contraintes dimensionnelles font qu'il est difficile de fabriquer le laser de façon fiable et elles lui donnent également des possibilités réduites en ce qui concerne la puissance. Une structure plus récente qui est appelée un laser à hétérostructure enterrée avec guide optique enterré est décrite dans la revue Applied Physics Letters, 35, pages

513-516, 1 er octobre 1979 Ce dispositif utilise une cou-

che de guidage adjacente à la couche active pour élargir le diagramme de champ proche perpendiculaire au plan de la jonction, et augmenter ainsi la puissance qui peut être couplée vers une couche mince optique Le dispositif peut aussi utiliser urm 2 argar ë strict Lwe en bande s' élevant jusqu' à 4 pm On n'obtient une telle dimension que si la couche

qui produit la structure enterrée a un indice de réfrac-

tion très proche de celui de la couche de guidage.

Le laser à guide optique enterré qui est décrit à titre d'exemple dans la revue IEEE Journal of Quantum Electronics, QE-16, pages 205-214, février 1980 est un laser à hétérostructure enterrée qui représente l'état actuel de la technique Ce laser comporte un guide d'onde

optique passif ce qui fait que le laser présente un rende-

ment quantique différentiel élevé, un faible étalement du champ lointain et des limites élevées de détérioration optique catastrophique Le laser à guide optique enterré

est parvenu à des seuils descendant jusqu'à 10 m A par micro-

mètre de largeur de la structure en bande.

Bien qu'il convienne dans de nombreux buts, le laser à guide optique enterré décrit présente l'inconvénient

de faire intervenir des étapes de fabrication critiques.

Bien qu'il soit relativement simple de faire croître des lasers à hétérostructure enterrée ou à guide optique enterré

avec des guides d'onde multimodes, du fait que des contrain-

tes minimales sont imposées à la composition delasecondec ercuïss oe,ou composition de recroissance, il est difficile de réaliser des lasers à hétérostructure enterrée ou à guide optique enterré avec des guides d'onde de type monomode ou ayant un gain du mode transverse fondamental qui est notablement supérieur à celui de tout autre mode, sans que des exigences

critiques soient imposées sur la composition, les dimen-

sions, etc Dans les lasers à hétérostructure enterrée et les lasers à guide optique enterré, on obtient le fonction nement désiré sur un mode bas en choisissant l'indice de réfraction de la seconde croissance ou de la couche de gaine extérieure de façon qu'il soit légèrement inférieur à l'indice effectif des couches mésa -Ceci impose des limites

très critiques sur la composition de la couche de recrois-

sance Par exemple, pour des lasers à guide optique enterré d'une largeur de 2 à 3 Vm, le coefficient x de la couche de recroissance ou de seconde croissance en Al Gaî x As ne doit être supérieur que d'environ 1 à 2 % à la valeur effective de x, (x eff), pour les couches de la structure mésa Du

fait que xeff est fonction des dimensions et des composi-

tions des couches de la structure mésa centrale, ces cou-

ches doivent également être maintenues dans des tolérances

serrées Le pourcentage de variation de l'indice de réfrac-

tion, n, représente environ 1/5 du pourcentage de variation

de x, c'est-à-dire lorsque N varie de 1 %, x varie de 5 %.

Conformément à l'invention, ces problèmes sont résolus par une-structure émettrice de lumière qui comprend

une couche active, des première et seconde couches de semi-

conducteurs sur des côtés opposés de la couche active, et une troisième couche qui vient en contact avec des faces latérales opposées de la couche active et des première et seconde couches de semiconducteurs, caractérisée en ce que la couche active à une bande interdite qui est inférieure aux bandes interdites des première et seconde couches de semiconducteurs, et la troisième couche est une couche de

semiconducteur ayant un indice de réfraction qui est infé-

rieur d'au moins 4 % environ à l'indice de réfraction de la

couche active.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de

la description qui va suivre d'un mode de réalisation et en

se référant aux dessins annexés sur lesquels:

La figure 1 est une coupe d'un laser à hétéro-

structure enterrée, stabilisé par pertes, conforme à l'in-

vention La figure 2 est un graphique sur lequel on a porté verticalement la valeur calculée des pertes pardiffusion à l'interface en fonction de la largeur de la structure mésa,

portée horizontalement, pour un laser conforme à l'inven-

tion, et La figure 3 est un graphique sur lequel on a porté verticalement les pertes de diffusion, en fonction de la discontinuité d'indice de réfraction, portée horizontalement,

pour les deux plus bas modes d'un laser conforme à l'inven-

tion.

Les inventeurs ont trouvé qu'on pouvait réaliser un laser monomode à hétérostructure enterrée, sans étapes de fabrication critiques L'absence d'étapes de fabrication critiques et la simplicité de la croissance résultent du

fait qu'on ne tente pas de faire croître une structure mono-

mode par une maîtrise stricte des dimensions et de la compo-

sition, mais en formant un guide multimode, par croissance d'une couche de formation de structure enterrée, avec une composition qui produit une grande discontinuité d'indice

de réfraction entre la structure mésa et la couche de forma-

tion d'une structure enterrée La discontinuité d'indice et la rugosité des parois de la structure mésa produisent des pertes qui augmentent rapidement avec l'ordre des modes et conduisent effectivement à un fonctionnement sur le mode le

plus bas.

La figure 1 représente un dispositif conforme à l'invention désigné globalement par la référence 100 Le dispositif comprend un substrat 1, sur lequel se trouvent

une première couche de gaine 3, une première couche de gui-

dage 5, une couche active 7, une seconde couche de guidage

9 et une seconde couche de gaine 11 La structure mésa for-

mée par les couches 3,5, 7, 9 et 11 est noyée à l'intérieur de la couche désignée de façon générale par la référence qui, comme il est représenté, vient en contact avec des faces latérales opposées des couches 3, 5, 7, 9 et 11, ainsi que du substrat 1 La couche 110 comprend en outre une couche 19, une couche 21 et une couche 23 Une couche de diffusion 13 et des couches de métal 15 et 17 sont disposées sur la couche 11 et la couche 23 La couche 25 est disposée sur la surface du substrat 1 qui est opposée aux couches 3

et 19 Pour des raisons de clarté, les éléments du disposi-

tif ne sont pas dessinés à l'échelle La couche active a une bande interdite inférieure aux bandes interdites des couches 3 et 11, ainsi que des couches 5 et 9, et il existe une discontinuité importante d'indice de réfraction entre les couches de la structure mésa et la couche 110 L'indice

de réfraction de la couche 110 est de façon générale infé-

rieur d'au moins 4 % à l'indice de réfraction effectif des

couches de la structure mésa.

Comme on le décrira par la suite, la discontinuité d'indice de réfraction contribue à créer des pertes qui augmentent rapidement lorsque J'ordre du mode augmente,

ce qui procure un mécanisme de sélection pour le fonctionne-

ment dans le mode le plus bas On parvient à ceci sans con-

traintes critiques sur -les dimensions maximales de la couche

active ou sur la composition de la couche formant la struc-

ture enterrée, ces contraintes étant difficiles à satisfaire

dans la fabrication de dispositifs réels.

Le substrat 1 et les couches 3 et 5 ont un premier type de conductivité et les couches 9 et 11 ont un second type de conductivité, ce qui forme une jonction p-n dans la couche active La couche active peut avoir n'importe quel

type de conductivité La couche 21 a le second type de con-

ductivité et les couches 19 et 23 ont le premier type de

conductivité Dans un mode de réalisation préféré, le pre-

mier type de conductivité est le type N et le second type de conductivité est le type p. On peut choisir les matières semiconductrices dans le groupe constitué par les éléments du groupe III-V On peut par exemple utiliser Al X Ga X As ou In Ga As P Dans un mode de réalisation préféré, les couches de semiconducteurs consistent en Alx Gaî X As avec x O, pour le substrat 1 et la couche 7, 0,30 pour les couches 3 et 11, 0,15 pour les cou

ches 5 et 9 et 0,65 pour les couches 19, 21 et 23 Les cou-

ches 3 et 5 sont de type N et les couches 7, 9 et 11 sont de type p Les couches 19 et 23 sont de type N et la couche 21 est de type p. On fabrique commodément les lasers de l'invention par une version modifiée du processus bien connu d'épitaxie en phase liquide à deux étapes, qu'on décrira en considérant la fabrication de laser de type Alx Gaî x As Dans la première étape, on fait crottre la structure laser désirée et l'épaisseur totale des couches épitaxiales est de façon

caractéristique d'environ 4 pm Il est nécessaire d'effec-

tuer une attaque traversant les couches épitaxiales jusqu'à pénétrer dans le substrat, pour former les structures mésa,

et avec le masque orienté dans les directions cristallogra-

phiques appropriées, comme il est connu, on obtient une structure mésa avec la configuration représentée On utilise un masque en bandesde 12 pm de largeur pour produire les structures mésa avec une largeur de sormmet de 4 dm dans leur région la plus étroite La largeur du masque est de façon générale approximativement trois fois supérieure à la largeur de la

partie la plus étroite de la structure mésa Un agent d'atta-

que approprié consiste en H 2 SO 4:H 202 ( 30 %): H 20 1:8:10 à 240 C Les bandes sont orientées dans les directions t 110 > ou 4 001 >, pour produire des structures mésa présentant un rétrécissement dans leur partie médiane, et la largeur de

la structure mésa au niveau de la couche active est générale-

ment inférieure à 3 pm, pour des raisons qu'on envisagera

ultérieurement On contr 8 le commodément l'attaque en obser-

vant la largeur du sommet de la structure mésa, à travers

le masque de matière de réserve photographique transparente.

On peut par exemple utiliser un masque de matière de réserve photographique Shipley 1350 J Cette procédure forme aisément les structures mésa désirées, par attaque dans le substrat, avec certaines fluctuations des largeurs des sommets des structures mésa, à cause de l'attaque étendue Après des observations visuelles, on a estimé que la largeur du sommet des structures mésa variait de façon générale légèrement sur des distances de 10 p F, et que la variation maximale de largeur avait une valeur caractéristique d'environ 0,3 pm, tandis que l'amplitude efficace des fluctuations de la position de chaque frontière de paroi latérale de structure mésa, qu'on désigne ici par A, était d'environ 0,1 pim On enlève le masque de matière de réserve photographique dans une substance du commerce destinée à l'enlèvement de la matière de réserve et ensuite, on effectue une étape finale de nettoyage consistant à faire croître de l'oxyde natif

sur la surface de l'échantillon On forme ensuite les cou-

ches 19, 21-et 23 par recroissance épitaxiale Avant l'éta-

pe de recroissance, on enlève l'oxyde natif par une brève immersion dans des parties égales d'hydroxyde d'ammonium et

d'eau.

Une alternative à l'utilisation de l'attaque

d'augmentation de la rugosité qu'on vient de décrire, consis-

te à employer un masque d'augmentation de la rugosité,

c'est-à-dire un masque en bandesqui présente des fluctua-

tions de largeur L'attaque des structures mésa peut égale-

ment se dérouler de la manière suivante On enlève tout d'abord sélectivement la couche de gaine supérieure, sur des

distances d'environ 100 pi, séparées par des distances d'en-

viron 280 pm, de façon qu'après recroissance et nettoyage dans la région passive de 100 j Im, on obtienne des lasers avec des miroirs dans les régions passives On accomplit ceci en effectuant un masquage de façon à laisser à nu des

fentes ayant des dimensions de 5 pim et 100 pi, dans la sur-

face de l'hétérostructure, et on attaque sélectivement la gaine supérieure à travers ce masque, en descendant jusqu'à

la couche active On nettoie ensuite la surface, on superpo-

se le masque en bandessur les fentes attaquées, et on effec-

tue l'attaque de formation de structures mésa. Une composition commode pour former la gaine revêtant les structures mésa, c'est-à-dire pour former la couche 110, consiste en Al 65 Ga 35 As, du fait que cette

composition procure d'excellentes caractéristiques de con-

finement de courant, bien qu'on puisse utiliser n'importe quelle composition Al x Ga X As ayant une valeur x supérieure

d'au moins environ 20 % à la valeur x effective de la struc-

ture mésa L'excellent confinement du courant résulte du fait qu'il est très difficile d'effectuer un dopage avec cette concentration en épitaxie en phase liquide, aussi bien pour le type p avec Ge que pour le type N avec Sn, et dans la croissance avec cette composition, des jonctions

p-n multiples tendent à se former Pour renforcer ce com-

portement, on fait croître à la fois des couches-de type

p (avec un pourcentage atomique de 0,1 % de Ge) et des cou-

ches de type N (avec un pourcentage atomique de 0,4 % de Sn), et on augmente la vitesse de refroidissement jusqu'à 0,40 C/ mn, ce qui est le double de la vitesse de refroidissement normale Ce procédé de croissance donne un confinement de courant excellent et reproductible, avec formation d'un grand nombre de jonctions p-n dans l'étape de seconde

croissance ou de recroissance.

On ajuste la composition des bains en fusion pour

faire croître Al 0,65 Ga,35 As pour l'étape de recroissance.

On place l'échantillon dans la nacelle de croissance qu'on place sous le premier bain en fusion, à une température constante ( 7500 C) Pour obtenir un bon mouillage, on élève la température du four de 10 C et on la maintient pendant mn La refusion résultante, qu'on estime ne pas dépasser environ 0,2 P Mj, contribue à nettoyer la surface attaquée et réduit la recombinaison non rayonnante aux frontières des couches de recroissance des structures mésa Après cette étape de refusion, on abaisse la température du four de Q,40 C par minute, pour faire croître une couche d'environ 1 pm d'épaisseur On dope cette couche avec Sn (pourcentage atomique de 0,4 %), de façon que si le côté de la structure mésa était mouillé et recroissait jusqu'à la couche de gaine supérieure de type p dans la structure mésa, le courant serait mieux bloqué par l'hétérojonction p-n ainsi formée, que par une hétérojonction p-p On fait ensuite glisser l'échantillon sous le second bain en fusion, de type p,

avec un pourcentage atomique de 0,1 % de Ge, et après crois-

sance d'environ 2 jim, on fait croître une autre couche de

type N (pourcentage atomique de 0,4 % de Sn), d'une épais-

seur approximative de 2 pm On a trouvé qu'il était avanta-

geux d'utiliser la composition approximative Al 65 Ga 35 As pour commencer l'étape de recroissance, même si la couche de formation d'une structure enterrée ne doit pas avoir

cette composition approximative, à cause des bonnes carac-

téristiques de mouillage de cette composition.

On nettoie ensuite l'échantillon en faisant dis-

paraître les gouttelettes de Ga présentes en surface, par

des anodisations successives par lesquelles le Ga est con-

verti en oxyde qu'on peut facilement enlever de la surface par essuyage de cette dernière On voit aisément qu'après l'anodisation initiale, l'oxyde natif ne se-forme que sur les sommets des structures mésa et il ne croît que peu d'oxyde natif entre les structures mésa, à cause du chemin

à résistance élevée qui est formé par la recroissance.

Du fait que le seul chemin conducteur vertical

dans le dispositif traverse la structure mésa, on peut uti-

lement employer ce chemin conducteur pour former des réseaux de lasers isolés avec lesquels on peut établir des

contacts individuels L'écartement entre lasers est déter-

miné par l'écartement des bandes dans le masque d'attaque utilisé pour former les structures mésa Lorsqu'on utilise le masque à bandes de 12 im de largeur décrit précédemment, l'écartement entre laseispourrait ne pas dépasser 15 pm, du

fait que l'espace non masqué de 3 pm entre les bandes mas-

quées est suffisant pour l'accomplissement de l'attaque for-

mant les structures mésa.

On soumet ensuite le dispositif à une brève diffusion de Zn pour former une couche diffusée p+ d'environ 0,3 pm d'épaisseur La métallisation consiste en 10 nm de Ti (couche 15) et 200 nm de Au (couche 17) sur le côté p, et en 30 nm de Sn, 50 nm de Au et 100 nm de Ni (couche 25) du côté n En utilisant les mêmes techniques photolithographiques que pour l'attaque formant les structures mésa, on forme des fenêtres de 10-25 pm de largeur dans l'or qui se trouve sur

la surface p, pour permettre l'observation de la luminescen-

ce de la couche active On allie les métallisations pour former des contacts ohmiques, par un chauffage bref jusqu'à

5100 C, et on forme des lasers par un clivage classique.

Les agents de dopage utilisés dans la structure de

17 3

laser ont des concentrations de 3 x O 1/cm Les épaisseurs nominales des couches sont les suivantes: couche active 0,15 PM, couches de guide d'onde: 0,5 p M, et couches de gaine supérieure et inférieure: 1,5 pm On peut modifier

le laser représenté sur la figure 1 en supprimant les cou-

ches de guide d'onde ou en n'employant qu'une seule couche de guide d'onde On peut également fabriquer d'autres modes

de réalisation Par exemple, la couche active peut consis-

ter en In Ga As P et les couches de gaine et de guidage d'onde peuvent consister en In P De plus, la couche 110 peut avoir

un seul type de conductivité.

Les seuils de courant caractéristiques sont de 7 m A/pm pour les lasers sans couches de guidage d'onde et de 10 m A/pm pour les lasers avec les couches de guidage d'onde. Les relations entre la lumière et le courant pour les lasers à guide optique enterré, stabilisés par pertes, sont très proches de relations linéaires et correspondent à

des rendements quantiques différentiels d'environ 50 à 60 %.

Les relations entre la lumière et le courant pour les lasers à hétérostructure enterrée, stabilisés par pertes, sont légèrement non linéaires et correspondent à des rendements quantiques différentiels d'environ 25 à 35 % De ce fait, les

lasers à guide optique enterré sont de façon générale supé-

rieurs aux lasers à hétérostructure enterrée.

i 1 La dépendance du courant de seuil vis-à-vis de la température peut être représentée approximativement par la fonction: Ith exp(T/T 0) avec T O 1670 K dans la région de température basse dans laquelle T est inférieur à 3250 K, et T O = 570 K dans la région de température élevée dans laquelle T est supérieure à 3500 K Les données relatives

aux lasers à hétérostructure enterrée, stabilisés par per-

tes, sont similaires On ne comprend pas complètement la cause précise de la variation abrupte de TO, mais on forme

l'hypothèse qu'elle est due à une conduction avec un cou-

rant accru autour de la bande active On a noté que l'aug-

mentation du courant en fonction de la température se pro-

duit à des températures qui sont supérieures aux tempéra-

tures de fonctionnement envisagées pour la plupart des

lasers.

On fait fonctionner le laser stabilisé par pertes

dans un seul mode transverse, avec un seul mode longitudi-

nal ou quelques modes longitudinaux très rapprochés Cepen-

dant, pour des courants élevés, généralement supérieurs à

2,5 Ith' les spectres s'élargissent quelquefois et il appa-

rait occasionnellement un second ensemble de modes Dans un cas dans lequel Ith était d'environ 22 m A et un second ensemble de modes est apparu à environ 70 m A, on a mesuré le diagramme de champ lointain au moyen d'un spectromètre et on a identifié les raies laser comme étant associées au mode transverse le plus bas et au premier mode transverse

excité, c'est-à-dire TE O et TE 0, le mode TE O apparais-

sant pour le courant le plus élevé Les angles complets

mesurés à demi-intensité étaient de 210 et de 480 L'éner-

gie des photons du mode TE est supérieure de 35 cm 1 à O' celle correspondant au mode TE O Ceci est une preuve que les pertes du mode TE 01, lorsque le courant est supérieur au seuil de 70 m A pour le mode TE 01, sont supérieures aux pertes du mode TE O L'activité laser à lieu à une valeur

de h V qui correspond à un maximum de la courbe de gain.

Lorsque le gain augmente à cause d'une augmentation de la densité de porteurs, le maximum de la courbe de gain se

décale vers des énergies supérieures.

La discontinuité d'indice élevéeentre la couche et les couches qui forment la structure mésa centrale, qui est au moins de 4 %, ainsi que la rugosité des parois de la structure mésa attaquéeeproduisent des pertes lorsque le phénomène de diffusion d'interface produit un couplage de

lumière du mode initial vers d'autres modes Comme il résul-

te de la considération de la figure 2, les pertes augmentent

rapidement avec l'ordre du mode et elles procurent un méca-

nisme de sélection qui fait fonctionner le laser dans le

mode le plus bas.

On a calculé de façon théorique les coefficients

de pertes pardiffusion, conformément à la théorie détail-

lée de la diffusion d'interface qui est présentée par D. Marcuse dans la revue Bell System Technical Journal, 48, pages 3187-3215, 'décembre 1969 On a utilisé la formule des pertes par diffusion pour calculer les pertes pardiffusion pour le mode le plus bas ainsi que pour des modes d'ordre supérieur Sur la figure 2, on a porté verticalement les pertes par diffusion, en cm 1 et on a porté horizontalement la largeur de la bande, en pm Les courbes désignées par 1, 2, 3, 4 et 5 représentent respectivement les modes TE 00, 01,

02, 03 et 04 La valeur efficace de l'amplitude des fluctua-

tions de largeur, désignée par A, est de 0,1 pm, et la lon-

gueur de cohérence des fluctuations est de 10 pm Ces

valeurs sont basées sur des mesures approximatives de struc-

tures mésa attaquées La couche 110 a la composition Al 65 Ga 35 As et la composition effective de la structure

mésa centrale est Al M 12 Ga 88 As Dans ce cas, la disconti-

nuité d'indice de réfraction est d'environ 10 % Les diffé-

rences calculées entre les courants de seuil pour le second mode et pour le premier mode sont indiquées sur la courbe 2 pour différentes largeurs de la bande, W Il faut noter que pour des largeurs étroites, par exemple 2,5 pm, la différence de pertes pardiffusion pour le mode le plus bas et pour le premier mode est considérable, et que la différence entre le courant de seuil pour le second mode et le premier mode est également considérable Dans le cas qui est représenté, c'est-à-dire un guide avec de nombreux modes discrets, plus de 90 % des pertes par diffusion résultent du couplage de la lumière vers des modes limités, tandis que les pertes restantes passent dans le continuum Ainsi, comme le montre la figure 2, les pertes augmentent à la fois sous l'effet d'une augmentation de l'ordre du mode et d'une dimi- nution de la largeur W de la bande Cet effet est encore renforcé en réalisant l'attaque de telle façon que la couche active 7 se trouve dans la partie la plus étroite de la

structure mésa, ce qui donne à la jonction active une lar-

geur notablement inférieure à la largeur de la bande, pour

augmenter encore la discrimination de modes.

Sur la figure 3, on a porté verticalement les pertes par diffusion, en cm, en fonction de la différence de la concentration de l'aluminium de la couche 110 et de la structure mesa La concentration effective de Al dans la struc ture mésa était de 0,12, alors que xd représente la con-

centration de Al dans la couche 110 La figure montre les pertes pour les deux modes transverses les plus bas, TE 00 et TEO 1 Les courbes correspondent à un W de 3 pm, et les valeurs de A et de la longueur de cohérence sont les mêmes que pour la figure 2, c'est-à-dire respectivement 0,1 pm et 10 pm On peut ainsi voir que pour Ax, xd xeff' c'est-à-dire xd 12 %,supérieur ou égal à 4 %, la différence d' indice de refraction est élevée et il y a une sélection de mode

importante due aux différences dans les pertes par diffu-

sion Au contraire, dans le régime des lasers à hétérostruc-

ture enterrée classiques, &x est inférieur ou égal à envi-

ron 4 % Avec tx supérieur à environ 4 %, la diffusion d'interface peut être appréciable et améliore la stabilité sur un seul mode des lasers à hétérostructure enterrée classiques. On a choisi les valeurs de A et de la longueur de

cohérence sur la base d'observations visuelles microscopi-

ques des structures mésa attaquées Les courbes de pertes des figures 2 et 3 sont proportionnelles à A, et on peut les transformer pour les faire correspondre à d'autres

choix de ce paramètre Si les fluctuations de largeur aug-

mentent, la différence de pertes par diffusion entre modes

augmente Cependant, les pertes du mode le plus bas augmen-

tent également et peuvent atteindre des niveaux indésira-

bles La valeur optimale de A dépend également de la lon-

gueur d'onde de l'émission laser Les pertes par diffusion

diminuent de façon inversement proportionnelle à la quatriè-

me puissance de la lôngueur d'onde, et à des longueurs d'onde de 1,3 pm, par exemple, des fluctuations plus élevées

peuvent être souhaitables, ou bien on peut diminuer la lar-

geur de la couche active.

Lorsque le courant du laser augmente et dépasse le seuil, le laser commence à fonctionner dans le mode le plus bas, TE 00 Ce mode a une occupation de la couche active légèrement supérieure à celle des autres modes et, ce qui est plus important, ses pertes sont les plus faibles Au seuil, la densité de porteurs est uniforme dans la couche active, mais lorsqu'on augmente le courant au-delà du

seuil et que l'émission stimulée devient intense, la densi-

té de porteurs au centre du guide diminue et, pour maintenir le gain constant pour le mode le plus bas, la densité de porteurs près des bords de la bande augmente Ce changement de densité des porteurs, ou "consommation spatiale de trous", augmente le gain pour le mode TE 01 qui, finalement, commence à produire une émission laser La largeur optimale, lorsqu'on cherche à maximiser la différence de pertes entre le mode du premier ordre et le mode de l'ordre le plus bas, est d'environ 2 pm à environ 3 pim La largeur ne doit pas

dépasser environ 4 pi Dans cette plage, les pertes n'aug-

mentent pas jusqu'au niveau auquel les propriétés du mode le plus bas sont notablement dégradées Pour des lasers

ayant une configuration géométrique à bande large, c'est-à-

dire pour lesquels W est supérieur à 4 pm, la stabilisation des pertes est faible et d'autres effets tels qu'une densité

de porteurs non uniforme et des défauts du cristal détermi-

nent le moded'émission laser au seuil.

Il va de soi que de nombreuses modifications peu-

vent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans

sortir du cadre de l'invention.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1 Structure émettrice de lumière comprenant une

couche active ( 7), des première et seconde couches de semi-

conducteurs ( 3, 11) sur des côtés opposés de la couche acti-

ve, et une troisième couche ( 110) venant en contact avec des faces latérales opposées de la couche active et des première et seconde couches de semiconducteurs, caractérisée en ce que la couche active a une bande interdite qui est plus petite que les bandes interdites des première et seconde couches de semiconducteurs, et la troisième couche est une couche de

semiconducteur ayant un indice de réfraction qui est infé-

rieur d'au moins environ 4 % à l'indice de réfraction de la

couche active.

2 Structure selon la revendication 1, caractéri-

sée en ce qu'elle comporte des première et seconde couches de guidage ( 5, 9) qui se trouvent respectivement entre la couche active et la première couche de semiconducteur et

entre la couche active et la seconde couche de semiconduc-

teur.

3 'Structure selon la revendication 1, caractéri-

sée en ce que les couches sont constituées par des matières

du groupe III-V.

4 Structure selon la revendication 3, caractéri-

sée en ce que la matière semiconductrice consiste en Al Gai x As, et x pour la troisième couche est supérieur d'au moins environ 20 % à la valeur effective de x de la

structure mésa.

Structure selon la revendication 4, caractéri- sée en ce que la couche active a une largeur comprise entre

2,0 pm et 3,0 Pm environ.

6 Structure selon la revendication 5, caractéri-

sée en ce que x a une valeur d'environ 0,65-pour la troisiè-

me couche.

7 Structure selon la revendication 6, caractéri-

sée en ce que x a une valeur d'environ 0,30 pour la première couche. 8 Procédé de fabrication d'au moins un laser à double hétérostructure enterrée, caractérisé en ce qu'il

comprend les opérations suivantes: on fait croître séquen-

tiellement des première ( 5) seconde ( 7) et troisième ( 9) couches de semiconducteurs sur un substrat de semiconducteur ( 1), la seconde couche ( 7) ayant une bande interdite infé-

rieure aux bandes interdites des première et troisième cou-

ches, et la seconde couche étant une couche active, on forme par attaque une structure mésa ayant des fluctuations de largeur, en enlevant des parties des première, seconde et troisième couches de semiconducteurs, ce qui met à nu le

substrat, et on fait croître une quatrième couche de semi-

conducteur, cette quatrième couche venant en contact avec

des faces latérales opposées des première, seconde et troi-

sième couches de semiconducteurs.

9 Procédé selon la revendication 8, caractérisé

en ce qu'on accomplit l'attaque en utilisant un masque.

Procédé selon la revendication 9, caractérisé

en ce que forme des rugosités sur les bords du masque.

11 Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on fabrique au moins un premier et un second laser à double hétérostructure, et ces premier et second lasers

à double hétérostructure sont espacés d'environ 15 pm.

12 Procédé selon l'une quelconque des revendica-

tions 9 ou 11, caractérisé en ce qu'il comporte les opéra-

tions supplémentaires suivantes: on masque la troisième couche de façon à laisser à nu des parties sélectionnées de cette couche, on forme par attaque des fentes dans la troisième couche de façon à mettre à nu la couche active,

et on positionne un masque sur les fentes formées par atta-

que, avant l'attaque destinée à former la structure mésa.