FR2581262A1 - Structure laser a semi-conducteur, laser accordable comprenant une telle structure et procede de fabrication de cette structure - Google Patents
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Abstract
LA STRUCTURE SELON L'INVENTION COMPREND UN SUBSTRAT SEMI-CONDUCTEUR2 EN GAAS DU TYPE P, RECOUVERT SUCCESSIVEMENT D'UNE COUCHE SEMI-CONDUCTRICE4 DE GAALAS DE TYPE P, D'UNE COUCHE ACTIVE6 DE GAALAS DE TYPE N DOPE AVEC DES IONS CR, ET UNE COUCHE8 DE GAALAS DE TYPE N, Y ET Z ETANT DES NOMBRES IDENTIQUES OU DIFFERENTS COMPRIS ENTRE 0 ET 1 ET X ALLANT DE 0,1 A 0,15; DE PART ET D'AUTRE DE LA STRUCTURE SONT PREVUES DES ELECTRODES10, 12 PERMETTANT D'APPLIQUER UNE TENSION SERVANT A PRODUIRE, PAR POMPAGE ELECTRIQUE, UN EFFET LASER DANS LA COUCHE ACTIVE DONT LA LONGUEUR D'ONDE VA DE 1,5 A 1,7MM.
Description
Structure laser à semiconducteur, Laser accordable comprenant une telle structure et procédé de fabrication
de cette structure
La presente invention a pour objet une struc
ture laser à semicoridicteur ainsi que son procédé de
fabrication. Cette structure Laser, émettant en parti
culier une lumière stimulée dont la longueur d'onde ap
partient à la plage de Longueurs d'onde allant de 1,5 à
1,7 um, permet la réalisation d'un laser accordable
dans cette même plage de longueurs d'onde, pompé notam
ment électriquement.
de cette structure
La presente invention a pour objet une struc
ture laser à semicoridicteur ainsi que son procédé de
fabrication. Cette structure Laser, émettant en parti
culier une lumière stimulée dont la longueur d'onde ap
partient à la plage de Longueurs d'onde allant de 1,5 à
1,7 um, permet la réalisation d'un laser accordable
dans cette même plage de longueurs d'onde, pompé notam
ment électriquement.
Ces laser s sont ut i I i sabLes principalement
dans les domaines le ti téLémétrie, de L'optique inté
grée ou des telécommuni ations Dar fibres optiques.
dans les domaines le ti téLémétrie, de L'optique inté
grée ou des telécommuni ations Dar fibres optiques.
De façon plus précise, l'invention se rappor
te à une structure Laser à semiconducteur comportant
une couche semiconductrice active réalise en des maté
riaux III-V mixtes à base de gallium et d'arsenic dopés
avec des ions luminophores de métaux de transition.
te à une structure Laser à semiconducteur comportant
une couche semiconductrice active réalise en des maté
riaux III-V mixtes à base de gallium et d'arsenic dopés
avec des ions luminophores de métaux de transition.
Dans les prochaines années, Les besoins dans
les télécommunications en matière d'émetteurs de lumiè-
re et notamment d'émetteurs lasers seront très impor
tants dans la région de 1,5 um.
les télécommunications en matière d'émetteurs de lumiè-
re et notamment d'émetteurs lasers seront très impor
tants dans la région de 1,5 um.
A l'heure actuelle, comme sources de lumière
accordables émettant dans la gamme de longueurs d'onde
de 1,5 à 1,7 um, ont été réalisés des cristaux d'oxydes
mixtes dopés avec des ions de transition luminophores.
accordables émettant dans la gamme de longueurs d'onde
de 1,5 à 1,7 um, ont été réalisés des cristaux d'oxydes
mixtes dopés avec des ions de transition luminophores.
De tels émetteurs lasers sont notamment décrits dans la
demande de brevet français n 83 18515 du 22 novembre
1983 intitulée "Nouveaux oxydes mixtes utilisables en
particulier dans des lasers accordables". Malheureuse
ment, ces émetteurs lasers ne fonctionnent qu'à l'aide
d'une source de pompage optique extérieure, telle
qu'une source laser, ce qui leur confère un encombre
ment relativement important. Etant donné l'impossibi-
Lité de réaliser une jonction PN dans Les cristaux d'oxyde, il est difficilement pensable de réaliser un émetteur Laser pompé électriquement.
demande de brevet français n 83 18515 du 22 novembre
1983 intitulée "Nouveaux oxydes mixtes utilisables en
particulier dans des lasers accordables". Malheureuse
ment, ces émetteurs lasers ne fonctionnent qu'à l'aide
d'une source de pompage optique extérieure, telle
qu'une source laser, ce qui leur confère un encombre
ment relativement important. Etant donné l'impossibi-
Lité de réaliser une jonction PN dans Les cristaux d'oxyde, il est difficilement pensable de réaliser un émetteur Laser pompé électriquement.
ParalLèlement, on a réalisé des sources lasers émettant dans la région de 1,5 pm à base de ccPpo- sés semiconducteurs du type Ga1~xInxAs1~yPy, ces sources étant des hétérostructures ou hétérojonctions formées d'un grand nombre de couches semiconductrices empilées. De tels émetteurs Lasers sont notamment dé crins dans L'écho des Recherches p.7 n0114 (1983) par
MM BOULEY s. c., PAQUET D , et QUILLEC M. Ces émetteurs ne sont, quant à eux, pas accordables puisque 1 1émis- si on corresoond à la largeur de La bande interdite du matériau actif.
MM BOULEY s. c., PAQUET D , et QUILLEC M. Ces émetteurs ne sont, quant à eux, pas accordables puisque 1 1émis- si on corresoond à la largeur de La bande interdite du matériau actif.
Récemment, la possibilité d'obtenir un effet laser sur un ion d'un métal de transition dans un semiconducteur III-V a été démontrée dans un article de
KLEIN et al. paru dans Applied Physics Letters vol.42, p.683 (1983). Un effet laser a notamment été mis en évidence sur l'ion Fe2+ dans le phosphure d'indium.
KLEIN et al. paru dans Applied Physics Letters vol.42, p.683 (1983). Un effet laser a notamment été mis en évidence sur l'ion Fe2+ dans le phosphure d'indium.
Dans ce cas encore, bien qu'il soit possible de réaliser une jonction PN de phosphure d'indium, l'émission stimulée de lumière ne peut se faire qu'à l'aide d'un pompage optique externe.
L'invention a justement pour objet une nouvelle structure laser à semiconducteur, émettant notamment dans la gamme de longueurs d'onde allant de 1,5 à 1,7 pm, utilisable dans un laser accordable dans ladite gamme, pompé électriquement, lui conférant ainsi des dimensions plus petites que celles des dispositifs de
L'art antérieur dans lequel l'effet laser est obtenu par pompage optique.
L'art antérieur dans lequel l'effet laser est obtenu par pompage optique.
De façon plus précise, L'invention a pour objet une structure laser à semiconducteur comportant une couche semiconductrice active, c'est-à-dire une couche dans laquelle se produit l'effet laser, réalisée en Ga1~xAlxAs ou en GaAs1-xPx dopée avec les ions Cr2+, x allant de 0,1 à 0,15.
Cette structure est susceptible d'émettre une lumière laser ayant une longueur d'onde allant de 1,5 pm à 1,7 pm.
La luminescence des ions Cr2+ dans des maté riaux du type Gal, Al As ou du type GaAs1~xPx a déjà
x x fait l'objet de nombreuses études et publications. Pour les matériaux à base de GaAlAs, on peut notamment citer l'article de B. DEVEAUD et al. paru dans Physical
Review du 15 mai 1984, p.5749 et intitulé "Luminescence processes at Chromium in GaAs" et un article de ce même auteur paru dans "Journal of Luminescence" 24/25 (1981) pages 273-276, intitulé "cor2 Internal Luminescence in GaAIAs".
x x fait l'objet de nombreuses études et publications. Pour les matériaux à base de GaAlAs, on peut notamment citer l'article de B. DEVEAUD et al. paru dans Physical
Review du 15 mai 1984, p.5749 et intitulé "Luminescence processes at Chromium in GaAs" et un article de ce même auteur paru dans "Journal of Luminescence" 24/25 (1981) pages 273-276, intitulé "cor2 Internal Luminescence in GaAIAs".
Pour les matériaux du type GaAsP on peut citer l'article de Y. FUJIWARA et al. paru dans Japanese
Journal of Applied Physics, vol. 23, n 1, de janvier 1984, pages L4-L6, intitulé "Deep Level Luminescence of
Cr doped GaAsP Alloys". Il est cependant à noter que dans ce dernier article, contrairement à ce qui est écrit, ce n'est pas la luminescence du chrome qui est mise en évidence, mais celle d'un complexe du chrome présent dans le substrat en arséniure de gallium.
Journal of Applied Physics, vol. 23, n 1, de janvier 1984, pages L4-L6, intitulé "Deep Level Luminescence of
Cr doped GaAsP Alloys". Il est cependant à noter que dans ce dernier article, contrairement à ce qui est écrit, ce n'est pas la luminescence du chrome qui est mise en évidence, mais celle d'un complexe du chrome présent dans le substrat en arséniure de gallium.
Bien que la luminescence des ions Cr2+ dans des matériaux du type Ga1 Ga1~xAlxAs Ai x As a été mise en éviden- ce, rien ne peut présumer de la possibilité d'obtenir un effet laser avec ces matériaux. Afin de bien voir la différence entre une simple luminescence et un effet laser, on a représenté sur la figure 1, un diagramme donnant les différents niveaux d'énergie mis en jeu pour l'obtention d'un effet laser.
Sur cette figure, EC et EV correspondent respectivement aux niveaux d'énergie inférieur de la bande de conduction et supérieur de la bande de valence du matériau semiconducteur III-V. De même, Eg, E1 et E2 correspondent respectivement au niveau fondamental ou non excité de l'ion Cr2+, à un premier et à un second niveaux excités de l'ion Cr2+, avec E0 < E1 < E2.
La luminescence des ions Cr seuls ne peut être observée que pour des transitions internes de
Cr 2+ 2+ l'ion Cr2 + , correspondant au passage des ions Cr de l'état excité E1 à l'état non excité Eg, qui se situent dans la bande interdite du matériau semiconducteur contenant ces ions chrome ; la luminescence des ions Cr intéressante du point de vue niveau énergétique est la transition 5E-5T2.En jouant sur la composition des ma tériaux semiconducteurs à base de GaAlAs ou de GaAsP, on peut modifier notamment le niveau d'énergie inférieur de la bande de conduction EC de ces matériaux jusqu a ce que l'état de départ E1 de la Luminescence des ions Cr2+ (hv) se trouve dans -ladite bande interdite, les niveaux d'énergie internes des ions Cr 2+ restant pratiquement inchangés.
Cr 2+ 2+ l'ion Cr2 + , correspondant au passage des ions Cr de l'état excité E1 à l'état non excité Eg, qui se situent dans la bande interdite du matériau semiconducteur contenant ces ions chrome ; la luminescence des ions Cr intéressante du point de vue niveau énergétique est la transition 5E-5T2.En jouant sur la composition des ma tériaux semiconducteurs à base de GaAlAs ou de GaAsP, on peut modifier notamment le niveau d'énergie inférieur de la bande de conduction EC de ces matériaux jusqu a ce que l'état de départ E1 de la Luminescence des ions Cr2+ (hv) se trouve dans -ladite bande interdite, les niveaux d'énergie internes des ions Cr 2+ restant pratiquement inchangés.
Pour les matériaux semiconducteurs à base de
GaAlAs, on a trouvé qu'une quantité d'au moins 10X en mole d'aluminium permettait d'observer la Luminescence des ions chrome entre le niveau d'énergie 5E et 5T2
2 (voir article de DEVEAUD cité précédemment).
GaAlAs, on a trouvé qu'une quantité d'au moins 10X en mole d'aluminium permettait d'observer la Luminescence des ions chrome entre le niveau d'énergie 5E et 5T2
2 (voir article de DEVEAUD cité précédemment).
Comme déjà dit précédemment, l'observation de cette luminescence du chrome ne présume en rien sur la possibilité d'obtenir un effet laser. En effet, pour obtenir un effet laser, il est nécessaire d'amener un plus grand nombre d'ions Cr2+ dans l'état excité E1, niveau d'énergie 5E par exemple, que dans L'état fondamental Eot niveau d'énergie 5T2. Ce phénomène dit d'in- version de population ne peut notamment être obtenu que si le temps de présence d'un électron au niveau excité des ions Cr2+ est -suffisamment long ; ce temps de pré sence est généralement mesuré sous forme d'un temps de déclin.
Dans le cas d'un pompage optique,l'inversion de population est obtenue en excitant optiquement des ions Cr2+ jusqu'a un niveau d'énergie E2 supérieur au niveau d'énergie de départ E1 (5E) de la luminescence, ces ions se désexcitant instantanément jusqu'au niveau immédiatement inférieur. L'excitation au niveau E2 est par exemple obtenue par absorption d'un rayonnement lumineux A.
Dans le cas d'un pompage électrique, L'inver- sion de population est réalise en amenant des électrons de la bande de valence dans ta bande de conduction. En se désexcitant , ces électrons excitent les ions Cr2+ jusqu'au niveau d'énergie E1. Le temps de capture des électrons par le niveau d'énergie Et, genératemenrt mesuré sous forme dtune section efficace, doit être très faible pour avoir un effet Laser. En particulier, ce temps de capture des électrons doit être inférieur au temps de recombinaison d'un électron de La bande de conduction avec un trou de la bande de vatence Typiquement le temps de capture des électrons doit etre S à 10 ns.
Selon l'invention, il est possible d'obtenir un effet laser notamment pompé électriquement avec des matériaux semiconducteurs du type Ga1-xAlxAs ou de GaAs1 xPx dopé avec des ions Cr2+, dans lesquels 0,1 x 40,15. En effet, ces matériaux semiconducteurs présentent un niveau d'énergie inférieur de la bande de conduction Ec, très proche du niveau d'excitation E1 des ions Cr 2+ entraînant une quasi résonance et donc une capture des électrons ou une section efficace très élevée et réglable. Lorsque x est inférieur à 0,1, la
luminescence des ions Cr2+ est impossible, étant donné que le niveau d'énergie E1 de ces ions est supérieur au niveau d'énergie EC de la bande de conduction.De même, pour x supérieur à 0,15, la section efficace devient trop faible, l'inversion de population devenant alors impossible à réaliser.
luminescence des ions Cr2+ est impossible, étant donné que le niveau d'énergie E1 de ces ions est supérieur au niveau d'énergie EC de la bande de conduction.De même, pour x supérieur à 0,15, la section efficace devient trop faible, l'inversion de population devenant alors impossible à réaliser.
De façon avantageuse, la couche active dè la structure laser selon l'invention est une couche de
Ga0,9Al0,1AS ou de GaAs0,9P0,1- Cette couche est susceptible d'émettre une lumière stimulée dont La longueur d'onde est de 1,65 pm.
Ga0,9Al0,1AS ou de GaAs0,9P0,1- Cette couche est susceptible d'émettre une lumière stimulée dont La longueur d'onde est de 1,65 pm.
Salon un mode préféré de réalisation de la structure Laser selon l'invention, le dopage de la couche active semiconductrice en ions Cr2+ varie de 1015 à 6.tE15 atomesUcm3.
De façon avantageuse, la structure laser selon L'invention se présente sous la forme d'une hétérostructure ou hétérojonction. Elle se compose notamment d'un substrat semiconducteur en GaAs d'une conductivité d'un premier type, recouvert successivement d'une première couche semiconductrice de GayALy As de même conductivité que le substrat, de la couche active de Ga1~xAlxAs formant une seconde couche semiconductrice d'une conductivité d'un second type, inverse de celle du substrat, et d'une troisième couche semiconductrice de Ga1-zAlzAs de même conductivité que la couche active, y et z étant des nombres identiques ou différents compris entre 0 et 1.
Avantageusement, cette structure laser comprend sur la troisième couche semiconductrice de
Ga1-zAlzAs une quatrieme couche semiconductrice de Ga1~tAltAs de même conductivité que la troisième couche semiconductrice, t étant compris entre 0 et 1.
Ga1-zAlzAs une quatrieme couche semiconductrice de Ga1~tAltAs de même conductivité que la troisième couche semiconductrice, t étant compris entre 0 et 1.
Selon un autre mode préféré de réalisation sous forme d'une hétérostructure, de la structure laser selon L'invention, celle-ci peut être formée d'un substrat semiconducteur en GaAs d'une conductivité d'un premier type, recouvert successivement d'une première couche semiconductrice de GaAsl-yPy de même conductivité que le substrat, de la couche active de GaAs 1-x P x formant une seconde couche semiconductrice d'une conductivité d'un second type, inverse de celle du substrat, et d'une troisième couche semiconductrice de
GaAs1 P de même conductivité que la couche active, y
z et z étant des nombres identiques ou différents compris entre 0 et 1.
GaAs1 P de même conductivité que la couche active, y
z et z étant des nombres identiques ou différents compris entre 0 et 1.
Dans ce mode de réalisation, la structure laser comprend avantageusement sur la troisième couche semiconductrice de GaAs zPz Pz une quatrième couche semi- conductrice de GaAs1 P t de même conductivité que la troisième couche semiconductrice, t étant compris entre 0 et 1.
La structure laser selon l'invention, peut avantageusement être excitée électriquement pour émettre une lumière stimulée contrairement aux structures lasers de l'art antérieur. A cet effet, la structure laser selon l'invention comprend deux électrodes, disposées de part et d'autre de la structure et parallélement à la couche active.
Selon un autre mode préféré de réalisation de la structure selon l'invention, celle-ci comprend entre le substrat et la première couche semiconductrice une couche tampon de GaAs de même conductivité que le substrat.
La structure laser selon l'invention décrite précédemment permet la réalisation de laser à semiconducteur accordable dans la plage de longueurs d'onde allant de 1,5 à 1,7 pm, gamme de longueurs d'onde particuliérement intéressante dans les télécommunications. Ce laser semiconducteur, en plus de
la structure laser décrite précédemment, comprend des moyens de sélection en longueur d'onde et une cavité résonnante externe permettant d'obtenir l'accord en longueur d'onde.
la structure laser décrite précédemment, comprend des moyens de sélection en longueur d'onde et une cavité résonnante externe permettant d'obtenir l'accord en longueur d'onde.
La présente invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'une structure laser semiconductrice telle que décrite précédemment. Ce procédé se caractérise en ce que l'on dépose sur un substrat semiconducteur, par croissance epitaxiale en phase liquide, une couche semiconductrice de Ga1~xAlxAs ou de GaAs1~xPx dopée avec des ions Cor2+, x allant de 0,1 à 0,15, le dopage en Cr étant effectué simultanément à la croissance épitaxiale de la couche semiconductrice.
Selon une mise en oeuvre préférée du procédé de l'invention, on effectue la croissance épitaxiale à une température comprise entre 650 et 8500 C, de préférence égale à 8000C.
Selon une autre mise en oeuvre préférée du procédé de l'invention, on réalise, à travers un masque approprié, une implantation de particules telles que des protons dans la couche active. Cette implantation permet le guidage selon une direction donnée de la lumière produite dans la couche active. La région de la couche active ne contenant pas de protons constitue la zone active de la structure laser.
D'autres caractéristiques et avantages de
L'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif et non limitatif.
L'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif et non limitatif.
La description se réfère aux figures anne xées, dans lesquelles
- la figure 1, déjà décrite, représente un diagramme illustrant les différents niveaux d'énergie mis en oeuvre pour l'obtention d'un effet Laser,
- la figure 2 représente, schématiquement, en perspective, une structure laser conformément à L'invention pouvant être excitée optiquement,
- la figure 3 représente, schématiquement, en coupe longitudinale, une structure laser conformément à l'invention pouvant être excitée électriquement, et
- la figure 4 représente, schématiquement, le principe d'un laser accordable conformément à l'inven- t ion.
- la figure 1, déjà décrite, représente un diagramme illustrant les différents niveaux d'énergie mis en oeuvre pour l'obtention d'un effet Laser,
- la figure 2 représente, schématiquement, en perspective, une structure laser conformément à L'invention pouvant être excitée optiquement,
- la figure 3 représente, schématiquement, en coupe longitudinale, une structure laser conformément à l'invention pouvant être excitée électriquement, et
- la figure 4 représente, schématiquement, le principe d'un laser accordable conformément à l'inven- t ion.
La structure laser à semiconducteur selon l'invention comporte une couche active semiconductrice, dans laquelle peut être produit un effet Laser, réalisé en un matériau de formule Ga1~xAlxAs ou GaAsl P dopé avec des ions luminophores Cr , x etant un nombre allant de 0,1 à 0,15. De préférence, x est égal à 0,1. La concentration en ions Cr2+ peut varier
15 16 de 10 à 10 atomes/cm
La couche semiconductrice active selon l'invention se présente sous forme monocristalline obtenue par croissance épitaxiale sur un substrat monocristallin semiconducteur par exemple de GaAs ou de
GaP. Le dopage en chrome de la couche semiconductrice est effectué simultanément à la croissance épitaxiale.
15 16 de 10 à 10 atomes/cm
La couche semiconductrice active selon l'invention se présente sous forme monocristalline obtenue par croissance épitaxiale sur un substrat monocristallin semiconducteur par exemple de GaAs ou de
GaP. Le dopage en chrome de la couche semiconductrice est effectué simultanément à la croissance épitaxiale.
De façon avantageuse, on réalise cette épitaxie en phase liquide (LPE) à une température comprise entre 6500C et 8500C.
Afin d'obtenir une bonne émission de lumière (forte intensité), il est préférable d'utiliser un dopage en ions Cr 2+ le plus élevé possible. De préférence, ce dopage est compris entre 1015 et 6.1015 ato mes/cm3. Cependant, l'épitaxie en phase liquide se faisant généralement dans un creuset en graphite, une concentration en chrome supérieure à 1% en poids dans le bain d'épitaxie (0,1 ppm), provoque une attaque du creuset de graphite introduisant dans la couche semiconductrice épitaxiée des impuretés nuisibles à l'obtention d'un effet laser.
Compte tenu de cette limitation du bain d'épitaxie, il est nécessaire de travailler à la tempé rature la plus élevée possible afin d'obtenir La plus forte concentration en chrome possible dans la couche semiconductrice active. Or, pour une température d'épitaxie supérieure à 8500C, il n'est plus possible d'obtenir une croissance épitaxiale d'une couche de Ga1~xAlxAs ou de GaAl1~xPx dopée avec des ions Cr . Un bon compromis est de travailler à 800 C, en utilisant un bain d'épitaxie comprenant 1X en poids de chrome, ce qui permet d'obtenir un dopage de la couche semiconductrice épitaxiée voisin de 3.1015 atomes/cm3.
Le procédé décrit précédemrrent permet d'obtenir un effet laser à 40K en effectuant un pompage optique avec une source Lumineuse cohérente (laser) ayant une longueur d'onde voisine de 1,6 pm.
L'élément le plus important dans ce procédé d'épitaxie de La couche active pour obtenir l'effet laser est d'effectuer le dopage en chrome simultanément à la croissance épitaxiale de cette couche. En effet, des études ont montre qu'une diffusion d'ions Cor2+ dans une couche de Ga1 xAL As préalablement épitaxiée sur un substrat en GaAs ne permettait pas d'obtenir d'effet laser ; cette diffusion était effectuée à travers une couche de nitrure de silicium à une température de 900"C (article de DEVEAUD).
Sur la figure 2, on a représenté un mode préféré de réalisation d'une structure laser selon l'in- vention du type hétérostructure. Cette structure, qui présente notamment La forme d'un parallélépipède rectangle, comprend un substrat semiconducteur monocristallin 2 par exemple en GaAs de type p recouvert de trois couches semiconductrices référencées 4, 6 et 8.
La couche 6, qui est la couche active de cette structure laser, est- réalisée en Ga 1-x AI x As ou en GaAL1 xPx dopé avec des ions Cr2+, avec 0,1$ xs 0,15. Dans le cas intéressant d'un pompage laser électrique, cette couche active 6 présente une conductivité inverse de celle du substrat 2. Par exemple, pour un substrat semiconducteur de type p, la couche active 6 présente une conductivité de type n.
La zone référencée 6a, définie dans la couche active et ayant la forme d'une bande continue s'étendant de part et d'autre de la structure et parallèlement à son axe longitudinal central 9, correspond à la zone active, à proprement parler, de la structure laser. C'est dans cette zone active 6a qui présente une différence de dopage avec le restant de la couche active 6 que la lumière produite dans la couche active est canalisée. La différence de dopage peut etre obtenue en implantant dans la couche active 6 et hors de la zone active 6a des particules et notamment des protons.
Les couches semiconductrices inférieure 4 et supérieure 8 disposées de part et d'autre de la couche active 6 servent au guidage, dans ladite couche active, de la lumière produite en son sein. Ceci permet L'ob- tention d'un effet laser à température ambiante. Ces couches semiconductrices 4 et 8 sont réalisées par exemple en un matériau ternaire à base de GaAlAs ou de
GaAsP selon que la couche semiconductrice active est réalisée en l'un ou l'autre de ces matériaux.
GaAsP selon que la couche semiconductrice active est réalisée en l'un ou l'autre de ces matériaux.
En particulier, pour une couche active semiconductrice en Ga1 xAI xAs, la couche semiconductrice inférieure 4 est réalisée en Ga1 -y AI y As et la couche supérieure 8 en Gal Al As, y et z étant des nombres identiques ou différents tels que 0 < y < 1 et O < z < 1.
De préférence, y---et --varient--de 0,4 à 0,6 et sont notamment égaux à 0,5. Dans le cas intéressant d'un pompage laser électrique, la couche inférieure 4 présente une conductivité de même type que le substrat, par exemple de type p, et la couche supérieure 8 une conductivité de même type que celle de la couche active 6, par exemple de type n.
Une structure laser selon l'invention peut par exemple être constituée d'un substrat semiconducteur 2 en GaAs de type p, d'une couche semiconductrice inférieure 4 de Ga0,5Al0,5As de type p, d'une couche active semiconductrice 6 de Ga0,9Al0,1 As de type n et d'une couche semiconductrice supérieure de Ga0,5AL0,5As de type n. Dans le cas d'un substrat de type n, la couche 4 sera aussi de type n et les couches 6 et 8 de type p.
De même, pour une couche active semiconductri ce en GaAs1~xPx, les couches semiconductrices 4 et 8 pourront être réalisées respectivement en GaAs1~yPy et en GaAs1~zPz, y et z étant tels que 0 < y (1 et 0 < z < 1.
De préférence y t z varient de 0,4 à 0,6 et sont par exemple égaux à 0,4. Comme précédemment, la couche inferieure 4 présente avantageusement une conductivité de même type que celle du substrat 2, et donc de type inverse de celle de la couche active 6, la couche supérieure 8 ayant une conductivité identique à celle de la couche active 6.
En particulier, la structure laser selon
L'invention peut être constituée d'un substrat de GaAs de type p, d'une couche inférieure 4 de GaAs0,6P0,4, d'une couche active 6 de GaAs 0,9P011 dopé Cr2+ de type n, d'une couche supérieure 8 de GaAs0,6P0,4 de type n.
L'invention peut être constituée d'un substrat de GaAs de type p, d'une couche inférieure 4 de GaAs0,6P0,4, d'une couche active 6 de GaAs 0,9P011 dopé Cr2+ de type n, d'une couche supérieure 8 de GaAs0,6P0,4 de type n.
L'émission laser avec la structure semiconductrice selon l'invention peut avantageusement être obtenue par un pompage électrique, ce qui n'était pas possible avec des matériauxtels que des oxydes mixtes.
Sur la figure 3, on a représenté, en coupe, une structure laser selon l'invention excitable électriquement.
Cette structure laser comporte, comme précédemment, un substrat 2 notamment en GaAs de type p+, une couche semiconductrice 4 de GaAs1yPy ou de Ga1 y As par exemple de type p+, une couche active 6 de GaAs 1-x P x ou de Ga1~xAlxAs dopé avec des ions Cr avec 0,1 # x 4 0,15, notamment de type n et une couche semiconductrice 8 de GaAs1 P ou de Ga1 AI z zALzAs, par exemple de type n, avec 0 < y < 1 et 0 < z < 1.
L'émission laser par pompage électrique est réalisée en appliquant aux bornes de La structure une différence de potentiel V de quelques volts (1 à 3V), polarisant I'hétérostructure. Cette polarisation permet l'injection de trous dans la couche active 6 de type n contenant un excédent d'électrons ; ceci est le principe de l'electroluminescence. Pour une couche active selon L'invention dopée avec des ions Cr2+, on obtient une électroluminescence dont la longueur d'onde est dans la gamme de longueurs d'onde de 1,5 à ,7 um.
Pour obtenir cette excitation électrique, la structure selon L'invention doit être munie de deux électrodes respectivement 10 et 12 disposées de part et d'autre de la structure et orientées paraLlèLement à la couche semiconductrice active 6. Par exempte, lteLec- trode inférieure 10, qui sera connectée à la masse, est située sur La surface libre du substrat semiconducteur 2 et l'électrode 12, portée à un potentiel V, est située au-dessus de la couche conductrice 8. L'électrode inférieure 10 est par exemple réalisée en un alliage d'or et de zinc et L'électrode supérieure 1) en un alliage d'or et de germanium.
Afin d'assurer un bon contact électrique entre l'électrode supérieure 12 et la couche semiconductrice 8, on peut avantageusement intercaler entre cette électrode 12 et cette couche 8 une couche semiconductrice 14 de même conductivité que la couche 8, par exemple de type n.
Pour une structure laser comportant une couche active semiconductrice en Ga1~xAlxAs, cette couche 14, jouant le rote de contact électrique, peut être réalisée en un matériau de formule Ga1 tAltAs, t étant tel que 0 < t < 1. De préférence, t est compris entre 0,4 et 0,6 et par exemple égal à 0,5.
De même, pour une structure laser semiconductri ce comportant une couche active 6 en GaAs1~xPx, la couche semiconductrice 14 peut être réalisée en un matériau de formule GaAs1 tPt, avec t tel que O < t < 1. De préférence, t est compris entre 0,4 et 0,6 et par exemple égal à 0,5.
Avantageusement, on interpose entre le substrat 2 et la couche semiconductrice 4 une couche semiconductrice 16 de même conductivité que te substrat et que la couche 4. Cette couche 16 joue le rôle de couche tampon. Elle a la même composition que le substrat. Par exemple, la couche tampon 16 est réalisée en GaAs de type p+.
On va maintenant donner un exemple de réalisation d'une structure laser selon L'invention, apte à émettre une Lumière dont la longueur d'onde va de 1,5 à 1,7 um, cette émission laser étant obtenue par pompage électrique (figure 3). Dans cet exemple, la couche semiconductrice active est une couche de Ga1~xhExAs.
Une structure laser selon L'invention est obtenue à partir d'un substrat 2 monocristallin de GaAs de type p+, le moins disloqué possible, par exemple d'orientation cristalLographique (100). Ce substrat est avantageusement obtenu par clivage d'un monocristal afin de présenter deux faces LatéraLes rigoureusement parallèles, par exemple 18 et 20 sur ta figure 3. Le substrat présente par exemple une Longueur de 500 um, une Largeur de 500 pm et une épaisseur de 300 um. Le dopage de type p+ du substrat peut être obtenu par dopage au zinc pendant la croissance du monocristal ;
La concentration en dopant est de i018 à 1019 ato m:es/cm3.
La concentration en dopant est de i018 à 1019 ato m:es/cm3.
A la surface du substrat 2, on dépose par épitaxie, de préférence en phase liquide à une température de 800"C, la couche tampon 16 de GaAs de type p+.
Ce dopage, obtenu simultanément à la croissance épitaxiale, peut être réalisé avec du béryllium à une concentration de 1018 atomes/cm3. Cette couche tampon épitaxiée 16 permet d'obtenir un "substrat" de bonne qualité surfacique ; en effet, le nombre de défauts de la couche épitaxiée 16 est très inférieur à celui du substrat 2, obtenu par tirage d'un monocristal. Cette couche tampon 16 présente une épaisseur de l'ordre de 0,2 pm.
On réalise ensuite le dépôt d'une couche semiconductrice 4 de Ga0,6AI0,4As de type p+ servant au guidage de la lumière par épitaxie, notamment en phase liquide à une température de 8000 C. Le dopage p+ de cette couche 4 est par exemple effectué avec du béryllium à une concentration de 1018 atomes/cm3, et simul tanément à la croissance épitaxiale. Cette couche 4 présente une épaisseur de l'ordre de 0,5 pm.
Sur la couche épitaxiée 4, on dépose ensuite par épitaxie, de préférence en phase liquide, à une température de 8000 C, une couche de GaO 9Alo 1As de type n dopée avec des ions C 2+ La conductivité d-e type n peut être obtenue simultanément à la croissance épitaxiale avec de l'étain à une concentration de 2.1016 atomes/cm3. Les ions Cr2+ introduits lors de la croissance épitaxiale de cette couche de Ga0,9Al0,1As à partir d'un bain contenant 1% en poids de chrome, sont par exemple au nombre de 3.1015 a-tomes-/--cm3. Cette coupe che active 6 présente une épaisseur de l'ordre de 0,2 m
Sur la couche active 6, on effectue ensuite le dépôt d'une couche 8 de Ga0,6AI0,4As de type n+ servant au guidage de la lumière émise au sein de la cou che 6 par épitaxie de préférence en phase liquide à une température de 80D"C. Cette conductivité n+ peut être obtenue simultanément à la croissance épitaxiale avec de l'étain à une concentration voisine de 1018 atomes/cm3. Cette couche 8 présente une épaisseur d'environ 0,5 jjm.
Sur la couche active 6, on effectue ensuite le dépôt d'une couche 8 de Ga0,6AI0,4As de type n+ servant au guidage de la lumière émise au sein de la cou che 6 par épitaxie de préférence en phase liquide à une température de 80D"C. Cette conductivité n+ peut être obtenue simultanément à la croissance épitaxiale avec de l'étain à une concentration voisine de 1018 atomes/cm3. Cette couche 8 présente une épaisseur d'environ 0,5 jjm.
Sur la couche semiconductrice 8, on dépose alors par épitaxie en phase Liquide à une température de 800"C, une couche 14 de Ga0,6A10,4As de type n+. Ce dopage peut être obtenu simultanément à la croissance épitaxiale avec de l'étain à une concentration de 1019 atomes/cm3. Cette couche 14 permettant une bonne prise de contact électrique présente une épaisseur d'environ 0,2 ijm.
ParalLèlement à l'axe longitudinal 9 de la structure laser semiconductrice,on réalise une implantation de particules afin de former la zone active 6a et donc d'améliorer le guidage de la lumière émise dans la couche active 6. Cette implantation est réalisée à travers un masque de protection fabriqué selon les procédés classiques de photolithographie, masquant La région de la couche active 6 dans laquelle on veut obtenir la zone active 6a.Elle est effectuée de préférence avec des protons à une énergie de 100 à 600 keV et une 1 2 dose de 10 2îoi4 atomes/cm
Après cette implantation, on dépose ensuite de part et d'autre de la structure, et parallèlement aux couches semiconductrices, des couches conductrices qui permettront d'appliquer aux bornes de ladite structure la tension (de quelques volts) nécessaire à
L'émission laser. L'électrode 10, au contact du substrat en GaAs est réalisée en un alliage d'or et de zinc de type p. Elle peut recouvrir tout ou partie du substrat et avoir notamment la forme d'une bande de largeur égale à celle de la zone active 6a ,orientée parallèlement à L'axe 9 de La structure et de longueur inférieure à celle de la zone active 6a.Cette éLectrode qui présente une épaisseur d'environ 0,1 pm peut être obtenue en déposant le matériau conducteur par pulvérisation cathodique à travers un masque de forme appropriée.
Après cette implantation, on dépose ensuite de part et d'autre de la structure, et parallèlement aux couches semiconductrices, des couches conductrices qui permettront d'appliquer aux bornes de ladite structure la tension (de quelques volts) nécessaire à
L'émission laser. L'électrode 10, au contact du substrat en GaAs est réalisée en un alliage d'or et de zinc de type p. Elle peut recouvrir tout ou partie du substrat et avoir notamment la forme d'une bande de largeur égale à celle de la zone active 6a ,orientée parallèlement à L'axe 9 de La structure et de longueur inférieure à celle de la zone active 6a.Cette éLectrode qui présente une épaisseur d'environ 0,1 pm peut être obtenue en déposant le matériau conducteur par pulvérisation cathodique à travers un masque de forme appropriée.
L'électrode 12, au contact de la couche 14 semiconductrice de GaO 6Alo 4As est réalisée en un alliage d'or et de germanium de type n. Cette électrode présentant une épaisseur de 0,1 pm peut aussi etre obtenue par pulvérisation cathodique, à travers un masque de forme appropriée. Elle présente La forme d'une bande continue, de même largeur que la zone active 6a, orientée paraLlèlement à l'axe 9 de la structure et stéten- dant de La face 18 à la face 20 de la structure.
Le procédé décrit ci-dessus permet d'obtenir une structure laser émettant une lumière stimulée de 1,65 , m. Bien entendu, ce procédé est applicable toutes choses égales par ailleurs, à la réaLisation d'une structure semiconductrice laser dont la couche active est du GaAs 1-x P
La structure laser fabriquée et décrite précédemment peut avantageusement être utilisée dans une source laser accordable en longueur d'onde dans une gamme de 1,5 pm à 1,7 pm.
La structure laser fabriquée et décrite précédemment peut avantageusement être utilisée dans une source laser accordable en longueur d'onde dans une gamme de 1,5 pm à 1,7 pm.
A cet effet, il est nécessaire de recouvrir les faces 18 et 20 de la structure laser d'une couche antiréfléchissante. Cette couche est par exemple une couche isolante dont l'épaisseur est donnée par L'equa- tion
étant la longueur d'onde de la lumière Laser émise par exemple 1,6 pm, et n eff l'indice effectif du mode guidé.Pour les couches 4 et 8 de confinement en Ga1 yAlyAs et en Ga13AI3As, n ef f est voisin de 3,39. Il est par exemple possibLe, dans ce cas, d'utiliser une couche antireflet de Si3N4 ou mieux de SiO, de 110 nm d'épaisseur.
étant la longueur d'onde de la lumière Laser émise par exemple 1,6 pm, et n eff l'indice effectif du mode guidé.Pour les couches 4 et 8 de confinement en Ga1 yAlyAs et en Ga13AI3As, n ef f est voisin de 3,39. Il est par exemple possibLe, dans ce cas, d'utiliser une couche antireflet de Si3N4 ou mieux de SiO, de 110 nm d'épaisseur.
Sur la figure 4, on a représenté le schéma de principe d'un laser accordable pompé électriquement, selon l'invention. Ce laser comprend une structure semiconductrice laser 21 selon l'invention, obtenue par le procédé ci-dessus. La couche active 6 de cette structure 21, portée à une différence de potentiel V, émet un faisceau Lumineux 22 selon l'axe 9 de la structure. Un monochromateur 24 permet de fixer à une valeur donnée La longueur d'onde du faisceau lumineux 22 émis par la couche active 6 et en particulier la zone active 6a de ta structure laser ; ce sélecteur de longueur d'onde 24 est par exemple constitué d'un prisme, mobile autour d'un axe perpendiculaire au plan de La figure ;
Les moyens de mise en rotation du prisme sont bien connus de l'homme du métier.
Les moyens de mise en rotation du prisme sont bien connus de l'homme du métier.
La lumière monochromatique sélectionnée est ensuite réfléchie par un miroir 26, totalement réfle- chissant pour la gamme de 1,5 à 1,7 um, en direction de la couche active de structure semiconductrice 21. Afin que ce miroir 26 ne réfléchisse que la lumière monochromatique sélectionnée, celui-ci est orienté perpen diculairement à la Lumière sélectionnée ; il présente de préférence une forme parabolique.
La lumière monochromatique sélectionnée, à chaque passage dans la couche active 6 de la structure
Laser 21, augmente en intensité du fait de t'augmenta- tion du nombre de photons lumineux de ladite Longueur d'onde émis. Lorsque l'intensité lumineuse est suffisamment élevée, celle-ci peut être perçue derrière le miroir semi-transparent 28.
Laser 21, augmente en intensité du fait de t'augmenta- tion du nombre de photons lumineux de ladite Longueur d'onde émis. Lorsque l'intensité lumineuse est suffisamment élevée, celle-ci peut être perçue derrière le miroir semi-transparent 28.
Du fait que les faces 18 et 20 du substrat de la structure laser obtenues par clivage sont rigoureusement parallèles, ces faces constituent deux miroirs partiellement réfLéchissants. La structure 21 forme une cavité résonnante interne, alors que les deux miroirs 26 et 28 définissent une cavité résonnante externe.
Pour de plus amples détails sur la réalisation et le fonctionnement d'une source laser accordable à matériau solide, on peut se référer à l'article de M.R. WYATT,
W. DELVIN paru dans Electron Letters 1982, vol.19 p.110.
W. DELVIN paru dans Electron Letters 1982, vol.19 p.110.
La description donnée précédemment n'a bien entendu été donnée qu'à titre d'exemple illustratif, toutes modifications, sans pour autant sortir du cadre de l'invention, pouvant être envisagées. En particulier, l'épaisseur, le dopage et la composition des différentes couches semiconductrices et conductrices de la structure laser selon l'invention peuvent être modifiées. Par ailleurs, le substrat en GaAs peut être remplacé par un substrat en GaP et la conductivité de celui-ci peut aussi bien être de type p+ que de type n, p ou n+. il en est de même pour la conductivité des différentes couches de la structure.
Claims (18)
1. Structure Laser à semiconducteur comportant une couche semiconductrice active (6), caractérisée en ce que la couche (6) est une couche de
Ga1-xAlxAs ou de GaAs1-xPx dopée avec des ions Cr2 , x allant de 0,1 à 0,15.
2. Structure laser selon la revendicatin 1, caractérisée en ce que le dopage en 2+ varie de 1015 15 6,1015 atoaes/ 3
3. Structure laser selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que ta couche active (6) est une couche de Ga0,9Al0,1As ou de GaAs0,9P0,1.
4. Structure Laser selon L'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comprend un substrat semiconducteur en GaAs (2) d'une conductivité d'un premier type, recouvert successivement d'une première couche semiconductrice de Ga yALyAs (4) de même conductivité que le substrat (2), de la couche active (6) de Ga1-xAlxAs formant une seconde couche semiconductrice d'une conductivité d'un second type, inverse de celle du substrat (2), et d'une troisième couche semiconductrice (8) de Ga1AI z As de même conductivité que La couche active (6), y et z étant des nombres identiques ou différents compris entre O et 1.
5. Structure Laser selon ta revendication 4, caractérisée en ce que y et z sont égaux à 0,5.
6. Structure laser selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce qu'elLe comprend sur la troi siège couche semiconductrice (8) une quatrième couche semiconductrice (14) de Ga1~tALtAs de même conductivité que la troisième couche semiconductrice (8), t étant compris entre 0 et 1.
7. Structure laser selon L'une queLconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comprend un substrat semiconducteur (2) en GaAs d'une con ductivité d'un premier type, recouvert successivement d'une premiere couche semiconductrice (4) de GaAs 1-y P y de même conductivité que le substrat (2), de la couche active (6) de GaAsl~xP formant une seconde couche se
x miconductrice d'une conductivité d'un second type, inverse de celle du substrat (2), et d'une troisième couche (8) semiconductrice de GaAs1 Pz de même conductivité que celle de la couche active (6), y et z étant des nombres identiques -ou différents compris entre 0 et 1.
8. Structure laser selon la revendication 7, caractérisée en ce que y et z sont égaux à 0,4.
9. Structure laser selon La revendication 7 ou 8, caractérisée en ce qu'et Le comprend sur La troisième couche semiconductrice (8), une quatrième couche semiconductrice (14) de Gaks~tPt de même conductivité que la troisième couche semiconductrice, t étant compris entre 0 et 1.
10. Structure laser selon l'une quelconque des revendications I à 9, caractérisée en ce qu'elLe comprend deux électrodes (10, 12) disposées de part et d'autre de la structure et parallèlement à la couche active (6) servant à exciter ladite couche active (6) pour que s'y produise un effet laser.
11. Structure à laser selon l'une quelconque des revendications 4 à 10, caractérisé en ce qu'elle comprend entre le substrat (2) et la première couche semiconductrice (4) une couche tampon (16) de GaAs de même conductivité que le substrat (2).
12. Laser à semiconducteur accordable dans la plage de longueur d'onde allant de 1,5 à 1,7 pm, carac térisé en ce qu'il comprend une structure laser (21) selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, ainsi que des moyens de sélection (24) en longueur d'onde et une cavité résonnante externe (26e 28) pour obtenir l'accord en longueur d'onde.
13. Procédé de fabrication d'une structure laser à semiconducteur, caractérisé en ce que l'on dépose sur un substrat semiconducteur (2), par croissance épitaxiale en phase liquide, une couche semiconductrice (6) de Ga1~xAlxAS ou de GaAs1~xPx dopée avec des ions Cr2+, x allant de 0,1 à 0,15, le dopage en Cr2+ étant effectué simultanément à La croissance épitaxiale de la couche semiconductrice.
14. Procédé de fabrication selon La revendication 13, caractérisé en ce que L'on effectue la croissance épitaxiale de la couche semiconductrice (6) à partir d'un bain contenant 1Z en poids de chrome.
15. Procédé de fabrication selon la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce que l'on effectue ta croissance épitaxiale à une température comprise entre 6500C et 8500C.
16. Procédé de fabrication selon la revendication 15, caractérisé en ce que ta température est égale à 8000C.
La zone active (6a) de la structure.
17. Procédé de fabrication selon L'une quelconque des revendications 13 à 16, caractérisé en ce que L'on implante, à travers un masque approprié, des particules dans ta couche active (6) afin de délimiter
18. Prodécé de fabrication selon la revendication 17, caractérisé en ce que les particules implantées sont des protons.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8506250A FR2581262B1 (fr) | 1985-04-24 | 1985-04-24 | Structure laser a semi-conducteur, laser accordable comprenant une telle structure et procede de fabrication de cette structure |
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|---|---|---|---|
| FR8506250A FR2581262B1 (fr) | 1985-04-24 | 1985-04-24 | Structure laser a semi-conducteur, laser accordable comprenant une telle structure et procede de fabrication de cette structure |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2581262A1 true FR2581262A1 (fr) | 1986-10-31 |
| FR2581262B1 FR2581262B1 (fr) | 1987-06-05 |
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ID=9318632
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR8506250A Expired FR2581262B1 (fr) | 1985-04-24 | 1985-04-24 | Structure laser a semi-conducteur, laser accordable comprenant une telle structure et procede de fabrication de cette structure |
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| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2581262B1 (fr) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4158207A (en) * | 1978-03-27 | 1979-06-12 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Iron-doped indium phosphide semiconductor laser |
| US4183038A (en) * | 1978-03-29 | 1980-01-08 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Semiconductor laser device |
-
1985
- 1985-04-24 FR FR8506250A patent/FR2581262B1/fr not_active Expired
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US4158207A (en) * | 1978-03-27 | 1979-06-12 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Iron-doped indium phosphide semiconductor laser |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2581262B1 (fr) | 1987-06-05 |
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