FR2672433A1 - Reseau de diodes laser et son procede de fabrication. - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un réseau de diodes laser et son procédé de fabrication. Après formation de canaux en V sur un substrat en GaAs de type N (11), chaque couche (13, 15, 17, 19, 21, 23) est formée au moyen d'une technique d'épitaxie par jets moléculaires. Du fait de l'utilisation de cette technique, le Si joue le rôle d'un dopant de type P sur une surface A des canaux en V tandis qu'il joue le rôle d'un dopant de type N sur une surface de l'extérieur des canaux en V et de ce fait, une structure de réseau de diodes laser est améliorée. Ainsi, la présente invention est utile pour obtenir un rendement de sortie optique ainsi qu'une commande de mode stables, une amélioration du rendement de fabrication, de la reproductibilité et un faisceau laser à sortie élevée.
Description
La présente invention concerne un réseau de diodes laser ainsi qu'un procédé pour le fabriquer et plus particulièrement, un réseau de diodes laser verrouillé en phase qui a un mode de sortie élevé stable.
Du fait du développement de la technologie des communications optiques et de la technologie industrielle de l'électronique qui utilisent des semiconducteurs, le domaine de l'opto-électronique est de plus en plus utilisé et la diode laser est mise en avant du fait de son bon rendement et de sa bonne fiabilité ainsi que du fait de sa petite taille, pour le transfert de données ou l'enregistrement de données.
Récemment, les recherches sur un composé semiconducteur dont les propriétés sont supérieures, par exemple le GaAs qui n'est pas du type transition indirecte comme le Si ou le Ge mais qui est du type transition directe, ont fait des progrès. Ce compose semiconducteur présente beaucoup de propriétés supérieures telles gutune mobilité électronique élevée, une réponse en fréquence élevée, une faible consommation d'énergie, une transition directe et une caractéristique de semi-isolant vis-à-vis du Si. Qui plus est, dans le semiconducteur du type transition directe tel que le GaAs, le moment est préservé pendant la recombinaison électron-trou.
Par conséquent, la durée de vie des charges injectées en direction de la région d'émission est si courte (inférieure à quelques nanosecondes) que l'intensité d'émission est forte. Et du fait que la réponse optique pour la charge d'une entrée de courant est très rapide, le composé semiconducteur est largement utilisé en tant que source de lumière dans la communication optique où une modulation rapide est demandée.
La figure 1 est une vue en coupe transversale verticale d'une diode laser à bande interne de substrat à canal en V.
Dans la diode laser à bande interne de substrat à canal en V, une couche de blocage de courant en GaAs de type P 2 est formée sur un substrat en GaAs de type N 1. Puis un canal en V est formé dans une forme de bande par gravure en mesa du substrat en GaAs de type N 1 et de la couche de blocage de courant 2. Sur la couche de blocage de courant 2, une couche en AlxGal-xAs de type
N 3, une couche en GaAs de type P 4, une couche en A1,Gal-xAs de type P 5 et une couche en GaAs de type P+ 6 sont empilées en séquence.La couche en AlxGa1#xAs de type N 3 est utilisée en tant que première couche de gainage, la couche en GaAs de type P 4 est utilisée en tant que couche active, la couche en AlxGa1#xAs de type
P 5 est utilisée en tant que seconde couche de gainage et la couche en GaAs de type P+ 6 est utilisée en tant que couche de recouvrement final
La première couche de gainage 3 remplit le canal en V et est connectée électriquement au substrat en
GaAs de type N 1. Par ailleurs, une électrode de type P 7 est formée sur la couche en GaAs de type P+ 6 tandis qu'une électrode de type N 8 est formée au-dessous du substrat en GaAs de type N 1. Les plans perpendiculaires au canal en V sont des facettes de miroir.
N 3, une couche en GaAs de type P 4, une couche en A1,Gal-xAs de type P 5 et une couche en GaAs de type P+ 6 sont empilées en séquence.La couche en AlxGa1#xAs de type N 3 est utilisée en tant que première couche de gainage, la couche en GaAs de type P 4 est utilisée en tant que couche active, la couche en AlxGa1#xAs de type
P 5 est utilisée en tant que seconde couche de gainage et la couche en GaAs de type P+ 6 est utilisée en tant que couche de recouvrement final
La première couche de gainage 3 remplit le canal en V et est connectée électriquement au substrat en
GaAs de type N 1. Par ailleurs, une électrode de type P 7 est formée sur la couche en GaAs de type P+ 6 tandis qu'une électrode de type N 8 est formée au-dessous du substrat en GaAs de type N 1. Les plans perpendiculaires au canal en V sont des facettes de miroir.
La diode laser à bande interne de substrat à canal en V génère une lumière du fait de la recombinaison électrons-trous dans la couche active 4 lorsqu'une tension est appliquée entre l'électrode de type P 7 et l'électrode de type N 8. Afin de limiter la lumière générée à l'intérieur de la couche en GaAs de type P 4, l'indice de réfraction de la couche en GaAs de type P 4 doit être supérieur à ceux de la couche en AlxGal#xAs de type N 3 et de la couche en AlxGal~xAs de type P 5 tandis que la largeur de bande interdite d'énergie de la couche en GaAs de type P 4 doit être inférieure à celles de la couche en AlxGaî-xAs de type
N 3 et de la couche en AlxGa1-xAs de type P 5.
N 3 et de la couche en AlxGa1-xAs de type P 5.
Ainsi, le rapport stoechiométrique X du composé semiconducteur doit s'inscrire dans une plage qui va de 0 à 1, c'est-à-dire que O < X < 1.
Par ailleurs, les facettes de miroir qui sont perpendiculaires au canal en V réfléchissent ou émettent la lumière générée sans absorption.
Maintenant, un procédé de fabrication de la diode laser à bande interne de substrat à canal en V va être décrit.
Après formation de la couche en GaAs de type P 2 sur le substrat en GaAs de type N 1, le canal en V est formé par gravure en mesa. Par ailleurs, la couche en AlxGa1#xAs de type N 3, la couche en GaAs de type P 4, la couche en AlxGa1#xAs de type P 5 et la couche en
GaAs de type P+ 6 sont formées en séquence sur la couche en GaAs de type N 2 au moyen d'une technique d'épitaxie en phase liquide. Ensuite, l'électrode de type P 7 en Au ou Zn sur Au est formée sur la couche en
GaAs de type P+ 6 tandis que l'électrode de type N 8 en
Au ou Ge sur Ni sur Au est formée au-dessous du substrat en GaAs de type N 1. Les électrodes de type P et de type N 7 et 8 forment des contacts ohmiques respectivement avec la couche en GaAs de type P+ 6 et avec le substrat en GaAs de type N 1.
GaAs de type P+ 6 sont formées en séquence sur la couche en GaAs de type N 2 au moyen d'une technique d'épitaxie en phase liquide. Ensuite, l'électrode de type P 7 en Au ou Zn sur Au est formée sur la couche en
GaAs de type P+ 6 tandis que l'électrode de type N 8 en
Au ou Ge sur Ni sur Au est formée au-dessous du substrat en GaAs de type N 1. Les électrodes de type P et de type N 7 et 8 forment des contacts ohmiques respectivement avec la couche en GaAs de type P+ 6 et avec le substrat en GaAs de type N 1.
Lors de la fabrication de la diode laser à bande interne de substrat à canal en V décrite ci-avant, un problème se pose et il réside en ce qu'une épitaxie en deux étapes est nécessaire puisque les autres couches 3, 4, 5 et 6 doivent croître à nouveau après croissance de la couche de blocage de courant 2. En outre, dans les facettes de miroir, des pièges dûs à des défauts du cristal sont facilement générés. Ces pièges rendent la largeur de bande interdite d'énergie si petite que les facettes de miroir sont rompues du fait que beaucoup de lumière leur est appliquée à l'instant d'une sortie élevée. Qui plus est, le mode est instable à l'instant de l'oscillation laser et la reproductibilité du mode n'est pas bonne.
L'objet de l'invention consiste à fournir un réseau de diodes laser qui présente un bon rendement de sortie, un mode stable et une reproductibilité supérieure.
Un autre objet de la présente invention consiste à fournir un procédé de fabrication d'un tel réseau de diodes laser.
Selon la présente invention, on fournit un réseau de diodes laser comprenant : une première couche semiconductrice qui est d'un second type de conductivité au niveau de canaux en V d'un substrat semiconducteur d'un premier type de conductivité sur lequel beaucoup de canaux en V sont formés et qui est du premier type de conductivité au niveau de l'extérieur desdits canaux en V, une seconde couche semiconductrice en tant que première couche de gainage, cette couche étant formée sur ladite première couche semiconductrice, une troisième couche semiconductrice du second type de conductivité en tant que couche active, cette couche étant formée sur ladite seconde couche semiconductrice, une quatrième couche semiconductrice du second type de conductivité en tant que seconde couche de gainage, cette couche étant formée sur la troisième couche semiconductrice, une cinquième couche semiconductrice du second type de conductivité en tant que couche de recouvrement final, cette couche étant formée sur ladite quatrième couche semiconductrice, une électrode du second type de conductivité formée sur ladite cinquième couche semiconductrice et une électrode du premier type de conductivité formée au-dessous du substrat semiconducteur du premier type de conductivité.
On fournit également un procédé de fabrication d'un réseau de diodes laser comprenant les étapes de formation de beaucoup de canaux en V par gravure en mesa sur un substrat semiconducteur d'un premier type de conductivité, formation en séquence de première, seconde, troisième, quatrième et cinquième couches sur le substrat semiconducteur du premier type de conductivité avec lesdits canaux en V et formation d'une électrode d'un second type de conductivité sur ladite cinquième couche semiconductrice et d'une électrode du premier type de conductivité au-dessous dudit substrat semiconducteur du premier type de conductivité.
Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention apparaîtront à la lumière de la description qui suit des modes de réalisation particuliers que l t on lira en relation avec les dessins annexés parmi lesquels
la figure 1 est une vue en coupe transversale verticale d'une diode laser à bande interne de substrat à canal en V classique ;
la figure 2 est une vue en coupe transversale verticale d'un réseau de diodes laser selon la présente invention ; et
les figures 3 (A) à 3(C) forment une série de vues en coupe transversale qui sont utiles pour expliquer la séquence de fabrication du réseau de diodes laser selon la présente invention.
la figure 1 est une vue en coupe transversale verticale d'une diode laser à bande interne de substrat à canal en V classique ;
la figure 2 est une vue en coupe transversale verticale d'un réseau de diodes laser selon la présente invention ; et
les figures 3 (A) à 3(C) forment une série de vues en coupe transversale qui sont utiles pour expliquer la séquence de fabrication du réseau de diodes laser selon la présente invention.
La présente invention va maintenant être décrite de manière plus détaillée par report aux dessins annexés.
La figure 2 est une vue en coupe transversale verticale d'un réseau de diodes laser selon la présente invention.
Un certain nombre de canaux en V sont formés sur une plaquette en GaAs de type N 11 par gravure en mesa.
Une couche en GaAs de type P 13 (première couche semiconductrice) est formée sur la région en canaux en
V tandis que sur la région située à l'extérieur des canaux en V, une couche en GaAs de type N 15 (première couche semiconductrice) est formée.
V tandis que sur la région située à l'extérieur des canaux en V, une couche en GaAs de type N 15 (première couche semiconductrice) est formée.
Sur ces couches en GaAs de type P et de type N, une couche en AlxGa1#xAs de type N 17 (seconde couche semiconductrice), une couche en GaAs de type P 19 (troisième couche semiconductrice), une couche en AlxGa1#xAs de type P 21 (quatrième couche semiconductrice) et une couche en GaAs de type P+ 23 (cinquième couche semiconductrice) sont formées en séquence.
En ce que qui concerne ce qui précède, les régions à canaux en V du substrat en GaAs de type N ont le plan < 111 > A tandis que les régions externes ont le plan < 100 > . Le plan < 111 > A est formé par gravure du substrat en GaAs de type N jusqu'à ce que le Ga soit exposé. En utilisant le fait que le Si devient un dopant P au niveau du plan < 111 > A et un dopant N au niveau du plan < 100 > lorsqu'unie couche en GaAs dopée par du Si est obtenue par croissance au moyen du procédé d'épitaxie par jets moléculaires, la couche en
GaAs de type P est formée sur les canaux en V tandis qu'une couche en GaAs de type N est formée sur les régions situées à l'extérieur des canaux et ces couches sont ainsi utilisées en tant que couches de blocage de courant en GaAs 13 et 15.Par ailleurs, la couche en AlxGal- xAs de type N 17, la couche en GaAs de type
P 19, la couche en AlxGa1#xAs de type P 21 et la couche en GaAs de type P+ 23 sont respectivement utilisées en tant que première couche de gainage, en tant que couche active, en tant que seconde couche de gainage et en tant que couche de recouvrement final. Afin de limiter la lumière générée à l'intérieur de la couche en GaAs de type P 19, l'indice de réfraction de la couche en
GaAs de type P 19 doit être supérieur à celui des couches en AlxGa1#xAs de type N et de type P 17 et 21 tandis que la largeur de bande interdite d'énergie de la couche en GaAs de type P doit être inférieure à celles des couches en AlxGa1#xAs de type N et de type
P. Ainsi, le rapport stoechiométrique X doit se situer entre 0 et 1.
GaAs de type P est formée sur les canaux en V tandis qu'une couche en GaAs de type N est formée sur les régions situées à l'extérieur des canaux et ces couches sont ainsi utilisées en tant que couches de blocage de courant en GaAs 13 et 15.Par ailleurs, la couche en AlxGal- xAs de type N 17, la couche en GaAs de type
P 19, la couche en AlxGa1#xAs de type P 21 et la couche en GaAs de type P+ 23 sont respectivement utilisées en tant que première couche de gainage, en tant que couche active, en tant que seconde couche de gainage et en tant que couche de recouvrement final. Afin de limiter la lumière générée à l'intérieur de la couche en GaAs de type P 19, l'indice de réfraction de la couche en
GaAs de type P 19 doit être supérieur à celui des couches en AlxGa1#xAs de type N et de type P 17 et 21 tandis que la largeur de bande interdite d'énergie de la couche en GaAs de type P doit être inférieure à celles des couches en AlxGa1#xAs de type N et de type
P. Ainsi, le rapport stoechiométrique X doit se situer entre 0 et 1.
Par ailleurs, les régions situées à l'extérieur des canaux en V stabilisent le mode de la lumière générée à partir de la couche en GaAs de type P 19. Une électrode de type P 25 en Au ou Zn sur Au est formée sur la couche en GaAs de type P+ 23 tandis qu'une électrode de type N 27 en Au ou Ge sur Ni sur Au est formée au-dessous du substrat en GaAs de type N 11. Les électrodes de type P et de type N 25 et 27 forment respectivement des contacts ohmiques avec la couche en
GaAs de type P 23 et avec le substrat en GaAs de type
N 11. Les parties de la couche en GaAs de type P 19 qui sont entourées par un cercle en pointillés sont les régions d'émission 29. La figure 3 représente une séquence de fabrication d'un réseau de diodes laser selon la présente invention.
GaAs de type P 23 et avec le substrat en GaAs de type
N 11. Les parties de la couche en GaAs de type P 19 qui sont entourées par un cercle en pointillés sont les régions d'émission 29. La figure 3 représente une séquence de fabrication d'un réseau de diodes laser selon la présente invention.
Sur la figure 3(A), un certain nombre de canaux en V sont formés par gravure en mesa du substrat en
GaAs de type N 11 avec un plan < 100 > .
GaAs de type N 11 avec un plan < 100 > .
L'agent de gravure utilisé est un mélange dont le rapport stoechiométrique est H3PO4 / H2O = 1 / 10.
Le plan suivant lequel le Ga est exposé au niveau des canaux en V est un plan < 111 > A.
Sur la figure 3(B), sur le substrat en GaAs de type N 11 qui comporte un certain nombre de canaux en
V, les couches en GaAs de type P et de type N 13 et 15, la couche en AlxGa1#xAs de type N 17, la couche en GaAs de type P 19, la couche en AlxGal#xAs de type P 21 et la couche en GaAs de type P+ 23 sont formées en séquence à une température de 600 à 6500C au moyen de la technique d'épitaxie par jets moléculaires.
V, les couches en GaAs de type P et de type N 13 et 15, la couche en AlxGa1#xAs de type N 17, la couche en GaAs de type P 19, la couche en AlxGal#xAs de type P 21 et la couche en GaAs de type P+ 23 sont formées en séquence à une température de 600 à 6500C au moyen de la technique d'épitaxie par jets moléculaires.
Particulièrement, la technique d'épitaxie par jets moléculaires permet de commander avec précision l'épaisseur lors de la croissance du cristal. Lorsque l'on fait croître les couches en GaAs dopées par du Si 13 et 15 au moyen de la technique d'épitaxie par jets moléculaires, le dopant Si joue le rôle du dopant de type N au niveau du plan < 100 > tandis que ce même dopant joue le rôle du dopant de type P au niveau du plan < 111 > A de telle sorte que la couche en GaAs de type P 13 est formée sur la région en canal en V tandis que la couche en GaAs de type N 15 est formée sur la région située à l'extérieur des canaux en V. Les couches en GaAs de type P et de type N 13 et 15 qui sont formées comme mentionné ci-avant sont utilisées en tant que couches de limitation de courant.
C'est-à-dire que les électrons ne peuvent pas traverser les facettes des canaux en V mais peuvent traverser les régions situées entre les canaux en V seulement.
Les couches en AlxGal#xAs de type N et de type P, qui sont utilisées en tant que première et seconde couches de gainage, sont dopées par des impuretés telles que du Si ou du Be selon une concentration de 5 x 1016 à 5 x 1017 ions/cm3 et leur épaisseur est d'environ 0,5 Wm. La couche en GaAs de type P 19, qui est utilisée en tant que couche active, est formée avec une épaisseur de 0,5 Clam. La couche en GaAs de type
P+ 23, qui est utilisée en tant que couche de recouvrement final, est dopée au moyen d'impuretés telles que du Be selon une concentration de 1 x 1019 ions/cm3 et son épaisseur est d'environ 0,2 Rm.
P+ 23, qui est utilisée en tant que couche de recouvrement final, est dopée au moyen d'impuretés telles que du Be selon une concentration de 1 x 1019 ions/cm3 et son épaisseur est d'environ 0,2 Rm.
Sur la figure 3(C), l'électrode de type P 25 est formée sur la couche en GaAs de type P+ 23 et l'électrode de type N 27 est formée au-dessous du substrat en GaAs de type N 11. Un alliage de Au ou
Ze sur Au est utilisé pour l'électrode de type P 25 et un alliage de Au ou Ge sur Ni sur Au est utilisé pour l'électrode de type N 27.
Ze sur Au est utilisé pour l'électrode de type P 25 et un alliage de Au ou Ge sur Ni sur Au est utilisé pour l'électrode de type N 27.
Comme mentionné jusqu'à présent, la présente invention utilise le fait que lorsque l'on fait croître une couche en GaAs dopée par du Si au moyen de la technique d'épitaxie par jets moléculaires, le Si joue le rôle du dopant P au niveau du plan < 111 > A et joue le rôle du dopant N au niveau du plan < 100 > et le réseau de diodes laser selon la présente invention a des caractéristiques de sortie élevées verrouillées en phase puisque les faisceaux générés à partir de chaque élément laser sont intercouplés.
Ainsi, la présente invention permet de stabiliser le rendement de sortie optique et la commande de mode et elle améliore le rendement de fabrication et la reproductibilité, ce qui est très difficile à obtenir dans le réseau de diodes laser classique où les régions d'émission et d'isolation sont alternativement formées sur la structure plane en utilisant le substrat en GaAs de type N avec les canaux en V. Par ailleurs, le procédé de fabrication est facile à mettre en oeuvre puisqu'une épitaxie en une seule étape est utilisée.
L'invention n'est en aucune manière limitée au mode de réalisation décrit ici. Diverses modifications du mode de réalisation décrit ainsi que d'autres modes de réalisation de l'invention apparaîtront à l'homme de l'art par report à la description de l'invention. Il est par conséquent entendu que l'invention recouvre n'importe laquelle de ces modifications ou n'importe lequel de ces modes de réalisation pour autant qu'elles ou qu'ils s'inscrivent dans le cadre de l'invention.
Claims (8)
1. Réseau de diodes laser comprenant
un premier substrat semiconducteur d'un premier type de conductivité (11) qui comprend un certain nombre de canaux en V ;
une première couche semiconductrice (13, 15) qui est du premier type de conductivité au niveau desdits canaux en V et qui est d'un second type de conductivité à l'extérieur desdits canaux en V ;
une seconde couche semiconductrice (17) qui est formée sur ladite première couche semiconductrice (13, 15) en tant que première couche de gainage
une troisième couche semiconductrice (19) qui est formée sur ladite seconde couche semiconductrice (17) en tant que couche active ;
une quatrième couche semiconductrice (21) qui est formée sur ladite troisième couche semiconductrice (19) en tant que seconde couche de gainage ;;
une cinquième couche semiconductrice (23) qui est formée sur ladite quatrième couche semiconductrice (21) en tant que couche de recouvrement final ;
une électrode du second type de conductivité (25) qui est formée sur ladite cinquième couche semiconductrice (23) ; et
une électrode du premier type de conductivité (27) qui est formée au-dessous dudit substrat semiconducteur du premier type de conductivité (11).
2. Réseau de diodes laser selon la revendication 1, dans lequel ledit substrat semiconducteur du premier type de conductivité (11) est du GaAs.
3. Réseau de diodes laser selon la revendication 1, dans lequel ledit premier type de conductivité est le type N et ledit second type de conductivité est le type P.
4. Réseau de diodes laser selon la revendication 1, dans lequel ledit substrat semiconducteur du premier type de conductivité (11) présente un plan d'orientation crystalline < 100 > .
5. Réseau de diodes laser selon la revendication 1, dans lequel lesdits canaux en V ont des faces d'orientation crystalline < 111 > A et les régions externes auxdits canaux en V ont des faces d'orientation crystalline < 100 > .
6. Procédé de fabrication d'un réseau de diodes laser, comprenant les étapes suivantes
formation d'un certain nombre de canaux en V par gravure en mesa sur un substrat semiconducteur de type
N (11)
formation en séquence de première (13, 15), seconde (17), troisième (19), quatrième (21) et cinquième (23) couches semiconductrices sur ledit substrat semiconducteur de type N (11) avec lesdits canaux en V ; et
formation d'une électrode du second type de conductivité (25) sur ladite cinquième couche semiconductrice (23) et d'une électrode du premier type de conductivité (27) au-dessous dudit substrat semiconducteur de type N (11).
7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel lesdites couches semiconductrices (13, 15, 17, 19, 21, 23) sont formées au moyen d'une technique d'épitaxie par jets moléculaires.
8. Procédé selon la revendication 6, dans lequel ladite première couche semiconductrice (13, 15) est dopée par du silicium.
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