FR2685828A1 - Laser a semiconducteur. - Google Patents
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Abstract
L'invention porte sur un laser à semiconducteur comprenant une couche active dans laquelle une contrainte de compression biaxiale est engendrée, pour améliorer le gain optique. Le laser à semiconducteur a une double hétérostructure comprenant une couche active (24) d'un composé (Cd,S)Zn(Se,Te), deux couches de revêtement (22, 26), formées respectivement au-dessous et au-dessus de la couche active et comprenant un composé Zn(Se,Te), et deux couches soumises à une contrainte (23, 25), formées respectivement entre la couche active et les couches de revêtement (22, 26), et comprenant un composé (Cd,S)Zn(Se,Te). Les couches (23, 25) comprenant un semiconducteur composé des Groupes II-VI, ayant des constantes de réseau inférieures à, et des largeurs de bande interdite supérieures à, celles de la couche active, de sorte qu'une contrainte de compression biaxiale soit induite dans la couche active, permettant ainsi l'amélioration du gain optique. Ces lasers à semiconducteurs peuvent être utilisés en pratique à la température ambiante.
Description
LASER A SEMICONDUCTEUR
La présente invention porte sur un laser à semiconducteur comprenant une couche active d'un composé des Groupes I-VI pour engendrer une contrainte de
compression biaxiale.
Récemment, les dispositifs de détection optique, tels que des disques MO et des imprimantes MO, ont vu leur demande s'accroître Pour satisfaire une telle demande, de nombreux efforts ont été effectués pour développer des lasers à semiconducteurs. Comme exemples de tels lasers à semiconducteurs, il existe un laser à semiconducteur, fait d'un semiconducteur composé des Groupes II-VI, qui est représenté sur la Figure 1 Comme représenté sur la Figure 1, le laser à semi-conducteur a une
structure multicouches, comprenant un substrat 10 de nd-Ga As, une couche 11 de n-
Zn Se, une couche de revêtement 12 de n-Zn S Se, une couche active 13 de Cd Zn Se, une couche de revêtement 14 de p-Zn S Se, une couche 15 de p- Zn Se et une couche 16 de
p'-Ga As, toutes les couches étant formées dans cet ordre sur le substrat 10 de nd-Ga As.
La couche active 13 de Cd Zn Se forme un alignement de réseau avec les couches de
revêtement 12 et 14 de Zn S Se, et il y a ainsi une double hétérostructure (structure DH).
La couche active 13 et les couches de revêtement 12 et 14 peuvent être formées par une
croissance cristalline de Zn Se Le laser à semi-conducteurs composé des Groupes il-
VI, ayant la structure mentionnée ci-dessus, fonctionne d'une manière telle que la couche active 13 et les couches de revêtement 12 et 14 sont dans un état d'alignement de réseau Un tel mode de fonctionne-ment est le même que le principe de fonctionnement des lasers à semiconducteurs composés des Groupes 111-V qui étaient
déjà couramment utilisés.
Des lasers à semiconducteurs à oscillation d'une onde présentant une longueur d'onde de lumière verte, d'utilisation répandue, ont été également développés, qui comprennent un laser actif pour l'oscillation d'une onde ayant une longueur d'onde de lumière verte de 480 nm à 550 nm Cependant, ces lasers à semiconducteurs présentent une difficulté de fabrication Autrement dit, il est difficile de fabriquer de tels lasers à semiconducteurs par utilisation d'un composé semiconducteur constitué par un composé des Groupes III-V Par ailleurs, un semiconducteur composé des Groupes II-VI, non seulement rend difficile de fabriquer les lasers à semiconducteurs, mais également nécessite une purification complexe En particulier, le semiconducteur composé des Groupes II-VI est médiocre dans sa caractéristique de gain optique, laquelle est la caractéristique la pius importante des lasers à semiconducteurs, par comparaison avec le semiconducteur composé des Groupes 11 m-V Ceci rend difficile d'utiliser dans la pratique le semiconducteur composé des Groupes I-VI Le semiconducteur composé des Groupes II-VI lui-même a un gain optique inférieur à celui d'un semiconducteur composé de Ga As de trois à cinq fois dans les mêmes conditions Comme résultat, il manifeste une densité de courant critique élevée et, de ce fait, nécessite un courant de plusieurs ampères pour un fonctionnement à la température ambiante Les techniques les plus connues sont à un niveau tel que les lasers à semiconducteurs sont actionnés à une faible température d'environ 700 'K ( 37,1 C) Pour faire fonctionner des lasers à semiconducteurs à la température ambiante, de nouveaux procédés capables de procurer une amélioration de gain optique sont
fortement requis.
Par conséquent, un objectif de l'invention est de proposer un laser à semiconducteur comprenant une couche active et des couches barrières qui sont constituées par un semiconducteur composé des Groupes II-VI, avec une composition contrôlée pour induire une contrainte de compression biaxiale, permettant ainsi de
parvenir à une amélioration de gain optique.
Conformément à la présente invention, cet objectif peut être atteint par une diode de laser fait d'un semiconducteur composé des Groupes II-VI, présentant une double hétérostructure, comprenant: un substrat dopé par des ions d'une conductivité prédéterminée; au moins une couche inférieure de revêtement, formée sur le substrat et dopée par des ions de même conductivité que le substrat, la couche inférieure de revêtement comprenant un semiconducteur composé des Groupes II-VI; une couche de région active, formée sur la couche inférieure de revêtement et ayant une contrainte de compression biaxiale pour améliorer la caractéristique de gain optique, la couche de région active comprenant un semiconducteur composé des Groupes I-VI-; au moins une couche supérieure de revêtement, formée sur la couche de région active et dopée par des ions de conductivité opposée à celle de la couche inférieure de revêtement, la couche supérieure de revêtement comprenant un semiconducteur composé des Groupes I-VI; et une couche de recouvrement, formée sur la couche supérieure de revêtement et
dopée par des ions de conductivité opposée à celle du substrat.
Conformément à des modes de réalisation préférés: le substrat et la couche de recouvrement comprennent un Ga As; et/ou la couche de revêtement comprend un Zn(Se Te) et la couche de région active comprend un (Cd,S)Zn(Se,Te); et/ou la couche de région active comprend: au moins une couche barrière inférieure, formée sur la couche inférieure de revêtement et dopée par des ions ayant la même conductivité que la couche inférieure de revêtement; une couche active, formée sur la couche barrière inférieure et comprenant un semiconducteur composé non dopé; et au moins une couche barrière supérieure, formée sur la couche active et dopée par des ions ayant la même conductivité que la couche supérieure de revêtement, les couches barrière supérieure et inférieure ayant des constantes de réseau inférieures à, et des largeurs de bande interdite supérieures à, celles de la couche active, la couche active ayant notamment une épaisseur de 5 nm à 30 nm ( 50 A à 300 ), afin de présenter une élasticité; et ayant notamment une largeur de bande
interdite de 480 nm à 550 nm.
D'autres objectifs et aspects de l'invention ressortiront de la description
suivante, de modes de réalisation donnés avec référence aux dessins annexés.
Sur ces dessins: la Figure 1 est une vue en coupe schématique d'une couche semi-conductrice classique; la Figure 2 est une vue en coupe d'un laser à semi-conducteur conforme à la présente invention; la Figure 3 est un tableau décrivant les constantes de réseau et les largeurs de bande interdite de semi-conducteurs composés comprenant des composés des Groupes II-VI conformément à la présente invention; les Figure 4 A et 4 B sont des graphiques illustrant les variations de la structure de bande lorsqu'une contrainte est appliquée; et la Figure 5 est une courbe caractéristique nombre d'électrons injectés gain, qui est obtenue par le calcul de la variation du gain dans un mode de mécanique quantique. Si l'on se réfère à la Figure 2, on voit que l'on y a représenté un laser à
semiconducteur conforme à la présente invention.
Le laser à semiconducteurs représenté sur la Figure 2 peut être fabriqué par les procédés suivants A savoir, sur un substrat 20 de nd-Ga As, sont formées une
couche 21 de n-Zn Se et une couche de revêtement 22 de n-Zn S Se, dans cet ordre.
Ensuite, une couche barrière 23 de Cd Zn S Se, en tant que couche soumise à une contrainte de type n, est formée sur la couche de revêtement 22 de n-Zn Se, de façon à présenter une épaisseur de 10 nm ( 100 À) à 1 Rm Sur la couche barrière 23 de n-Cd Zn S Se, une couche active 24 de Cd Zn Se est formée de façon à présenter une épaisseur de 5 nm à 30 nm ( 50 À à 300 À) Une couche barrière 25 de Cd Zn S Se, en tant que couche soumise à une contrainte de type p, est ensuite formée sur la couche barrière 23 de n-Cd Zn S Se, de façon à présenter une épaisseur de 10 nm ( 100 À) à 1 pm Sur la couche barrière 25 de p-Cd Zn S Se, sont finalement formées une couche de revêtement 26 de p-Zn S Se, une couche 27 de p-Zn Se et une couche de p-Ga As, dans
cet ordre.
Par les couches 23 et 25 soumises à une contrainte, interposées entre la couche de revêtement 22 et la couche active 24, et entre la couche active 24 et la couche de revêtement 26, une contrainte de compression biaxiale est induite au niveau de la couche active 24, de telle sorte que le gain optique qui est la caractéristique de
semiconducteur intrinsèque puisse être amélioré.
Ici, le terme "contrainte" signifie que le réseau de la couche active 24 est en désalignement par rapport aux réseaux des couches barrières 23 et 25 à l'intérieur de la limite élastique de la couche active L'expression "contrainte de compression biaxiale" signifie la contrainte engendrée lorsque l'espacement de réseau de la couche
active 24 est supérieur à celui des couches barrières 23 et 25.
Pour empêcher la contrainte engendrée par les couches 23 et 25 soumises à une contrainte de se comporter comme un défaut, le laser à semiconducteur de la présente invention doit présenter une élasticité Une telle élasticité peut être obtenue en formant la couche active 24 avec une épaisseur de plusieurs dizaines de nm (plusieurs
centaines d' ) ou au-dessous.
De préférence, un semiconducteur approprié pour fournir un laser à semiconducteur pour l'oscillation d'une onde de lumière verte a une double hétérostructure comprenant la couche active 24, qui est faite d'un semiconducteur composé ternaire de (Cd,S)Zn(Se Te) et ayant une largeur de bande interdite de 2 e V à 3 e V, et les couches barrières 23 et 25 qui sont faites d'un semiconducteur composé ternaire de (Cd, S)Zn(Se,Te) et ayant une largeur de bande interdite supérieure à, et un espacement de réseau inférieur à, ceux de la couche active 24 Dans ce cas, les couches barrières peuvent avoir une structure multicouches, de façon à obtenir une meilleure
contrainte de compression biaxiale.
Si l'on se réfère à la Figure 3, on voit que l'on y a représenté un tableau décrivant les constantes de réseau et les largeurs de bande interdite de semiconducteurs composés de composés des Groupes II-VI Conformément à la présente invention, un semiconducteur composé, présentant une largeur de bande de 2,58 e V à 2,25 e V correspondant à l'onde de lumière verte, ayant une longueur d'onde de 480 mn à 550 nm, est choisi Par exemple, un semiconducteur composé de Cdo 2 Zno 8 Se présente une largeur de bande interdite Eg de 2,43 e V et une longueur d'onde de 500 nm Après sélection du semiconducteur composé ayant une largeur de bande correspondant à la longueur d'onde de lumière verte, la couche active 24 est formée à l'aide du semiconducteur composé choisi, de façon à présenter une épaisseur d'environ 5 mn à 30 mn ( 50 À à 300 ) Au niveau des surfaces supérieure et inférieure de la couche active 24, les couches barrières 23 et 25 sont ensuite développées, lesquelles ont des constantes de réseau inférieures à, et des largeurs de bande interdite supérieures à, celles de la couche active 24 En vertu de la différence de constante de réseau, une contrainte de compression biaxiale peut être engendrée La contrainte engendrée contribue à une
grande augmentation du gain optique dans la couche active 24.
Les Figures 4 A et 4 B illustrent des variations de la structure de bande lorsqu'une contrainte est appliquée La Figure 4 A représente des graphes de contrainte zéro, alors que la Figure 4 B représente des graphes de contrainte de compression biaxiale Sur les Figures 4 A et 4 B, les axes des abscisses k indiquent une constante, alors que les axes des ordonnées E indiquent un niveau d'énergie Le chiffre de référence 41 représente une bande de conduction, 42, une bande à forte densité de
lacunes, et 43 une bande à faible densité de lacunes.
Lorsque l'espacement de réseau de la couche active 24 est inférieur à celui des couches barrières 23 et 25, une contrainte de compression biaxiale est engendrée à l'intérieur de la limite élastique de la couche active ( 5 ni à 30 nm 50 A à 300 ) Dans ce cas, la contrainte engendrée sert à déformer les structures de bande de la bande 42 à forte densité de lacunes et de la bande 43 à faible densité de lacunes de la couche active 24 Autrement dit, les lacunes de la bande 42 à forte densité de lacunes sont transformées en un état fondamental avec un niveau d'énergie inférieur à
celui du cas o aucune contrainte n'est engendrée.
Par ailleurs, le gain optique est proportionnel au taux de recombinaison (polarisation TE) des lacunes de la bande à forte densité de lacunes dans une bande de valence avec des électrons dans une bande de conduction Le taux de recombinaison augmente davantage pour une énergie fondamentale de lacunes inférieure Etant donné que la valeur absolue 44 (Figure 4 B) de la contrainte de compression biaxiale augmente, la probabilité de transition augmente de façon proportionnelle, amenant ainsi le gain
optique à augmenter.
La Figure 5 est une courbe caractéristique nombre d'électrons injectés -
gain, qui est obtenue par le calcul de la variation de gain dans un mode de mécanique quantique La courbe caractéristique montre la relation entre le gain optique et la densité de support lorsqu'une contrainte de compression biaxiale est induite dans la
couche active 24, qui est en Cdo 2 Zno 8 Se et a une épaisseur d'environ 10 mu ( 100 ).
Elle montre également que la contrainte est supérieure pour la valeur absolue supérieure du potentiel de contrainte g A partir de la courbe caractéristique, il peut également être trouvé que le gain optique est amélioré de façon extrêmement importante Lorsque le potentiel de contrainte; n'est pas supérieur à zéro, la contrainte est proportionnelle à la différence de constante de réseau entre les couches barrières 23 et 25 Par exemple, le gain optique pour un potentiel de contrainte 7 de -30 me V est supérieur de trois fois ou davantage au gain optique pour le cas o il n'y a aucune contrainte.
Comme il ressort à l'évidence de la description ci-dessus, la présente
invention propose un laser à semi-conducteur comprenant une couche active et deux couches soumises à une contrainte, disposées respectivement au-dessous et au-dessus de la couche active et faites d'un semiconducteur composé des Groupes II-VI avec une composition contrôlée capable d'induire une contrainte de compression biaxiale dans la couche active, améliorant ainsi le gain optique En conséquence, il est possible de proposer des lasers à semiconducteurs qui peuvent être en pratique utilisés à la
température ambiante.
Bien que les modes de réalisation préférés de l'invention aient été décrits à des fins d'illustration, il apparaîtra à l'homme du métier que diverses modifications, additions et substitutions sont possibles, sans que l'on s'écarte du domaine et de l'esprit
de l'invention telle que définie par les revendications annexées.
Claims (4)
1 Diode de laser en un semiconducteur composé des Groupes Il-VI, présentant une double hétérostructure, caractérisée par le fait qu'elle comprend: un substrat ( 20) dopé par des ions d'une conductivité prédéterminée; au moins une couche inférieure de revêtement ( 22), formée sur le substrat ( 20) et dopée par des ions de même conductivité que le substrat, la couche inférieure de revêtement ( 22) comprenant un semiconducteur composé des Groupes I-VI-; une couche de région active, formée sur la couche inférieure de revêtement ( 22) et ayant une contrainte de compression biaxiale pour améliorer la caractéristique de gain optique, la couche de région active comprenant un semiconducteur composé des Groupes Il-VI; au moins une couche supérieure de revêtement ( 26), formée sur la couche de région active et dopée par des ions de conductivité opposée à celle de la couche inférieure de revêtement ( 22), la couche supérieure de revêtement ( 26) comprenant un semiconducteur composé des Groupes I-VI; et une couche de recouvrement, formée sur la couche supérieure de revêtement et
dopée par des ions ayant une conductivité opposée à celle du substrat ( 20).
2 Diode de laser selon la revendication 1, caractérisée par le fait que
le substrat ( 20) et la couche de recouvrement comprenant un Ga As.
3 Diode de laser selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la couche de revêtement ( 22, 26) comprend un Zn(Se Te) et la couche de région active
comprend un (Cd,S)Zn(Se,Te).
4 Diode de laser selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la couche de région active comprend: au moins une couche barrière inférieure ( 23), formée sur la couche inférieure de revêtement ( 22) et dopée par des ions ayant la même conductivité que la couche inférieure de revêtement ( 22); une couche active ( 24), formée sur la couche barrière inférieure ( 23) et comprenant un semiconducteur composé non dopé; et au moins une couche barrière supérieure ( 25), formée sur la couche active ( 24) et dopée par des ions ayant la même conductivité que la couche supérieure de revêtement ( 26), les couches barrières supérieure ( 25) et inférieure ( 23) ayant des constantes de réseau inférieures à, et des largeurs de bande interdite
supérieures à, celles de la couche active ( 24).
Diode de laser selon la revendication 4, caractérisée par le fait que la couche active ( 24) a une épaisseur de 5 nm à 30 nm ( 50 À à 300 À), afin de présenter une élasticité. 6 Diode de laser selon la revendication 4, caractérisée par le fait que
la couche active ( 24) a une largeur de bande interdite de 480 nm à 550 nm.
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