FR2740271A1 - Laser a puits quantique - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un laser à puits quantique dont la couche de puits quantique comporte dans la bande de conduction, un premier niveau fondamental (e1) et un deuxième niveau d'énergie supérieurs (e2). Des transitions radiatives peuvent avoir lieu, sous excitation du deuxième niveau vers le premier niveau. On prévoit des moyens pour "vider" rapidement ce premier niveau et cela par transitions de la bande de conduction vers la bande de valence. Ces moyens peuvent prendre la forme d'un troisième niveau (e0) inférieur de 40 meV par rapport au premier niveau (e1). Des transitions ont alors lieu entre ce troisième niveau et la bande de valence. Ces moyens peuvent également prendre la forme d'une couche présentant des défauts et permettant une transition rapide entre le premier niveau (e1) et la bande de valence. Applications: Lasers à puits quantiques.

Description

LASER A PUITS QUANTIQUE
L'invention conceme un laser à puits quantique et notamment un laser à émission intersousbande fonctionnant par transitions entre deux niveaux d'énergie de la bande de conduction.
La réalisation d'un laser utilisant l'émission intersousbande entre deux niveaux d'énergie quantifiés de la bande de conduction d'un puits quantique a été obtenue pour la première fois au début de l'année 1994. Le problème pour ces lasers est leur seuil élevé, et par conséquent leur faible puissance disponible, ainsi que leur basse température de fonctionnement.
Le problème de base de toutes les structures envisagées jusqu'à maintenant est le dépeuplement du niveau bas de la structure quantique. Selon l'invention, on prévoit des moyens dépeupler le niveau fondamental de la bande de conduction. Nous utilisons l'émission stimulée sur les transitions interbandes (bande de conduction, bande de valence) comme moyen de dépeuplement. Dans une variante, nous utilisons la recombinaison interbande non radiative très rapide dans un matériau réalisé à basse température. Dans les deux cas, on obtient une disparition très efficace des porteurs du niveau fondamental.Ceci permet ainsi d'améliorer toutes les performances des lasers intersousbandes (notamment leur seuil), et également de réaliser éventuellement un laser qui émet simultanément à deux longueurs d'onde : une longueur d'onde correspondant à la transition intersousbande (généralement située entre 2 et 20 pm) et une autre correspondant à la transition interbande (généralement située aux alentours de 1 pm). Les deux émissions peuvent être colinéaires ou non, selon le dessin indépendant des deux cavités correspondant à chaque longueur d'onde. Le pompage peut être électrique ou optique.
L'invention concerne donc un laser à puits quantique comportant un empilement de couches de matériaux semiconducteurs dans lequel deux couches barrières en matériaux de grandes bandes interdites enserrent une couche de puits quantique de plus faible bande interdite laquelle présente deux niveaux d'énergie au moins dans la bande de conduction permettant une transition radiative par suite d'une transition d'électrons d'un premier niveau d'énergie le plus élevé vers un deuxième niveau d'énergie moins élevé sous l'effet d'une excitation électrique (e2) ou d'un pompage optique, caractérisé en ce que la couche de puits quantique comporte des moyens permettant des transitions d'électrons du niveau d'énergie le moins élevé vers la bande de valence.
Selon une forme de réalisation de l'invention, le laser à puits quantique comporte un troisième niveau d'énergie dans la bande de conduction inférieure au deuxième niveau, la différence d'énergie entre ces deux niveaux étant comprise entre 36 meV et 60 meV.
Selon une autre forme de réalisation le laser comporte, dans la zone de plus grande probabilité de présence des électrons sur le deuxième niveau d'énergie, selon l'épaisseur de la couche de puits quantique une couche présentant des défauts et permettant une transition d'électrons vers la bande de valence par un processus non radiatif.
Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent:
- les figures la, lb, un dispositif à puits quantique connu dans la technique;
- la figure 2, une représentation générale du dispositif de l'invention;
- les figures 3a à 3d, différentes formes de réalisation du dispositif de l'invention comportant différents types de cavités;
- les figures 4a, 4b, un exemple de réalisation de l'invention permettant d'avoir un troisième niveau (eO) légèrement inférieur ou proche du deuxième niveau fondamental (e1 ;
- la figure 5, un exemple de réalisation d'un laser à émission par la tranche du dispositif;
- la figure 6, un exemple de réalisation d'un laser à émission par la surface;;
- les figures 7a à 7c, une représentation générale d'une variante de réalisation de l'invention permettant des transitions non radiatives entre la bande de conduction et la bande de valence;
- les figures 8a, 8b, un exemple de réalisation du dispositif résultant des figures 7a à 7c;
- les figures 9a et 9b, un exemple de réalisation détaillé du laser selon l'invention.
Le principe de base de l'invention est l'utilisation de la recombinaison extrêmement rapide des porteurs qui libèrent ainsi le niveau fondamental dans une structure quantique. Cela évite donc le remplissage des niveaux successifs par les électrons, en conséquence cela facilite l'inversion de population, ce qui permet la réalisation d'un laser utilisant les transitions intersousbandes.
Dans une structure à puits quantique, telle que représentée par les figures la et 1b, comportant une couche de puits quantique et deux couches barrières B1 et B2, et possédant deux niveaux d'énergie el et e2 une émission lumineuse peut être obtenue en excitant la structure à l'aide d'un courant qui remplit le niveau e2. Selon l'invention, on prévoit des moyens pour faciliter une inversion de population des porteurs entre la bande de conduction et la bande de valence et entre e2 et el simultanément.
Pour cela, on prévoit un puits quantique possédant trois niveaux eO, el, e2 d'énergie (figure 2). L'écart d'énergie entre les deux niveaux les plus élevés el, e2 correspond à l'énergie des photons à émettre de telle façon qu'une excitation du puits provoque une émission lumineuse du fait de transitions d'électrons entre ces deux niveaux. Le troisième niveau eO est à un niveau d'énergie plus faible que celui du deuxième niveau e2. La différence Ae entre ces deux niveaux est faible. Elle est supérieure à 36 meV et inférieure sensiblement à 60 meV pour qu'il puisse se produire une relaxation par phonons optique très efficace (voir article de MOUSSA et al dans Electronics Letters, vol 31, page 912, 1995). De préférence, cette différence d'énergie se situera aux alentours de 40 meV.
L'inversion de population pour les transitions intersousbandes est d'autant plus facile que le niveau fondamental eO de la bande de conduction est vidé rapidement. Comme les deux transitions optiques interbandes et intersousbandes sont également inversées en population, on peut avoir éventuellement une opération laser simultanément à deux longueurs d'onde.
C'est même le cas le plus favorable puisque c'est quand la structure laser sur la transition interbande que la recombinaison des porteurs recherchée sera plus rapide (régime de forte émission stimulée, disparition la plus rapide des porteurs sur eO) et donc l'inversion de population intersousbande sera facilitée entre les niveaux el et e2.
Dans ce cas, I'invention est formée de deux cavités lasers, I'une conçue pour l'émission intersousbande, L'autre pour l'émission interbande.
Les figures 3a à 3c donnent plusieurs exemples de cavités possibles : le plus simple est d'utiliser les faces clivées de l'échantillon comme miroirs pour les deux émissions (figure 3a). Les faces clivées peuvent être recouvertes de miroirs multicouches pour l'une etlou pour l'autre des deux longueurs d'onde (figure 3b). On a alors deux émissions colinéaires, ce qui donne en plus une application très intéressante à l'invention: la direction de l'émission intersousbande non visible est pointée par l'émission interbande, qui peut être par exemple, visible. D'autres possibilités sont envisageables avec cette fois les deux cavités non colinéaires : on peut utiliser les faces clivées perpendiculaires des deux cavités (figure 3c).On peut également utiliser une émission surfacique à une longueur d'onde et une émission intersousbande par la tranche en faces clivées à une autre longueur d'onde (figure 3d).
La structure peut être pompée électriquement, de manière tout à fait analogue aux lasers à semiconducteurs connus de l'homme de l'art, où optiquement, en éclairant la structure avec un rayonnement électromagnétique d'énergie suffisante pour que le niveau haut du laser intersousbande soit peuplé.
Pour avoir une structure à puits quantique comportant deux niveaux el et e2 de différence d'énergie comprise entre 36 et 60 meV on prévoit dans le puits une fine barrière 83 telle que cela est représenté en figure 4a.
On réalise un double puits quantique possédant trois niveaux d'énergie eO, el, e2 tels que:
el - eO = 36 à 60 meV (40 meV par exemple)
e3 - e2 est nettement supérieur à 60 meV
Selon un exemple de réalisation, le puits est réalisé avec un empilement de couches de GaAs et de GaAIAs.
Les deux couches de puits quantique P1, P'1 sont en GaAs d'épaisseurs respectives 4,8 nm et 7,3 nm. La barrière 83 séparant les deux couches P1, P'1 est en Alo 22Gao 7gAs et d'épaisseur 1,7 nm. Les couches barrières B1 et 82 encadrant les puits sont en Aln22Ga078As et d'épaisseurs plusieurs dizaines de nanomètres (20 nm par exemple).
Pour obtenir un milieu amplificateur, on réalise un empilement de plusieurs puits quantiques ainsi constitués, une centaine par exemple. La réalisation d'un tel dispositif peut se faire par épitaxie par jets moléculaires.
Ce milieu amplificateur est inséré entre deux couches d'AIGaAs avec un fort pourcentage d'AI (par exemple AlAs), et donc d'indice de réfraction plus faible que le milieu amplificateur, permettant de réaliser un guidage de l'onde optique dans le plan des couches. 2 pm d'AIAs de part et d'autre du milieu amplificateur conviennent, par exemple, pour ces couches de confinement optique. Le tout est pompé optiquement par un laser argon.
On obtient une émission laser à deux longueurs d'onde, colinéaires, entre les deux faces clivées de l'échantillon qui forment la cavité optique du laser (voir figure 5).
Cette forme de réalisation peut donner lieu à une variante déjà suggérée par la figure 3d. Pour cela, comme représenté en figure 6, la structure de la figure 4b constituée d'un empilement de puits quantiques enserrée entre deux couches d'AIAs est à son tour insérée entre deux miroirs de Bragg conçus pour réfléchir la longueur d'onde émise par la transition interbande. Ces miroirs sont, par exemple une altemance de 20 couches d'AIAs et de GaAs d'épaisseur AJ4. On obtient ainsi une cavité laser à émission de surface connue de l'homme de l'art, pour la transition interbande. En pompant cette structure avec un laser argon à nouveau,
L'émission surfacique va se produire à une longueur d'onde, et l'émission laser intersousbande à une autre longueur d'onde a toujours lieu dans le plan des couches (figure 6).
Selon une autre forme de réalisation de l'invention, I'extraction des électrons du niveau el de la bande de conduction peut se faire dans le cadre d'une hétérostructure semiconductrice dans laquelle une partie de la croissance a été réalisée à basse température. II est connu de l'homme de i'art que dans un matériau réalisé à base température, par exemple l'arséniure de gallium, la recombinaison non radiative des porteurs est rendue extrêmement rapide à cause des défauts introduits par ce type de croissance durant un temps inférieur par exemple à une picoseconde).En localisant la partie basse température du semiconducteur là où la fonction d'onde du niveau fondamental est maximale et celle du niveau excité minimale, on peut privilégier la recombinaison non radiative du niveau fondamental sans accélérer celle du niveau excité : c'est cela qui nous permet de réaliser l'inversion de population désirée (voir schéma figure 7a).
Le pompage de la structure peut alors être réalisé de manière optique (en éclairant la structure avec un rayonnement électromagnétique d'énergie supérieure à e2-HH2 afin d'amener les porteurs sur le niveau haut du laser intersousbande, figure 7b), ou de manière électrique (voir figure 7c).
Une telle structure peut être réalisée sous la forme d'un empilement de couches B1, P, B2 constituant un puits quantique (voir figures 8a, 8b). Le matériau de la couche du puits P est en GaAs et son épaisseur est d'environ 5 nm. Sur une épaisseur de préférence inférieure à 1 nm (0,5 nm par exemple) la partie centrale du puits a été epitaxiée à basse température ce qui crée les défauts mentionnés précédemment.
Seule la fonction d'onde du niveau fondamental a un recouvrement important avec le centre du puits et donc seul ce niveau va être affecté par la présence de la zone basse température. Les barrières B1, 82 sont en AlGaAs, et le substrat est du GaAs, dopé n+. On peut disposer ainsi 30 puits séparés de barrières de 20 nm.
On dispose de part et d'autre de cette région active deux zones d'AIGaAs servant de couches de confinement optique (figure 9a). Au-dessus de la structure, une couche de GaAIAs dopée n est déposée, et sert de contact injecteur. Un guide latéral est également réalisé par toute technique de gravure de semiconducteurs connue de l'homme de l'art, définissant le trajet du mode optique du laser, à l'intérieur de la cavité, entre les deux faces clivées de l'échantillon.
Un isolant est déposé sur ce guide d'onde, laissant une petite ouverture pour le contact en or. La structure est pompée électriquement entre ce contact et le substrat. Un miroir M en or est déposé sur l'une des surfaces du guide comme miroir hautement réfléchissant, L'émission laser se fait donc par l'autre face (figure 9b).

Claims (13)

REVENDICATIONS
1. Laser à puits quantique comportant un empilement de couches de matériaux semiconducteurs dans lequel deux couches barrières en matériaux de grandes bandes interdites enserrent une couche de puits quantique de plus faible bande interdite laquelle présente deux niveaux d'énergie (el, e2) dans la bande de conduction permettant une transition radiative par suite d'une transition d'électrons d'un premier niveau d'énergie le plus élevé (e2) vers un deuxième niveau d'énergie moins élevé (el) sous l'effet d'une excitation électrique ou d'un pompage optique, caractérisé en ce que la couche de puits quantique (P) comporte des moyens (83, Z) permettant des transitions d'électrons du niveau d'énergie le moins élevé dans la bande de conduction vers la bande de valence.
2. Laser à puits quantique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un troisième niveau d'énergie (e3) dans la bande de conduction inférieure au deuxième niveau (ex), la différence d'énergie entre ces deux niveaux étant comprise entre 36 meV et 60 meV.
3. Laser à puits quantique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte, dans l'épaisseur de la couche de puits quantique (P) une fine couche séparant le puits quantique en deux puits quantiques couplés.
4. Laser à puits quantique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, dans la zone de plus grande probabilité de présence des électrons sur le deuxième niveau d'énergie (ex), selon l'épaisseur de la couche de puits quantique (P) une couche (Z) présentant des défauts et permettant une transition d'électrons vers la bande de valence.
5. Laser à puits quantique selon la revendication 4, caractérisé en ce que la couche (Z) présentant des défauts a une épaisseur de l'ordre ou inférieure au nanomètre.
6. Laser à puits quantique selon la revendication 5, caractérisé en ce que la couche (Z) présentant des défauts a été réalisée à basse température.
7. Laser à puits quantique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est compris dans une cavité accordée à une première longueur d'onde correspondant à une émission radiative due à une transition d'électrons du premier niveau (e2) au deuxième niveau (el) ainsi qu'à une deuxième longueur d'onde correspondant à une émission radiative due à une transition de porteurs entre le troisième niveau (eO) et la bande de valence.
8. Laser à puits quantique selon la revendication 7, caractérisé en ce que deux faces opposées perpendiculaires aux plans des couches du laser sont clivées.
9. Laser à puits quantique selon la revendication 8, caractérisé en ce que les deux faces opposées sont recouvertes de miroirs multicouches.
10. Laser à puits quantique selon la revendication 7, caractérisé en ce que deux faces opposées perpendiculaires aux plans des couches du laser sont recouvertes de miroirs multicouches permettant une émission à la première longueur d'onde et deux autres faces opposées également perpendiculaires aux plans des couches sont recouvertes de miroirs multicouches permettant une émission à la deuxième longueur d'onde.
11. Laser à puits quantique selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte une première cavité orientée dans le plan des couches du laser fermée par deux faces opposées perpendiculaires au plan des couches et permettant une émission à une longueur d'onde et une deuxième cavité orientée perpendiculairement au plan des couches du laser, fermée par des faces parallèles au plan des couches, permettant une émission par la surface du laser d'une autre longueur d'onde.
12. Laser à puits quantique selon la revendication 11, caractérisé en ce que la deuxiéme cavité est fermée par des multicouches constituant des miroirs de Bragg.
13. Laser à puits quantique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'empilements de couches de puits quantique.
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