FR2741195A1 - Dispositif a puits quantique et procede de realisation - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif à puits quantiques comprenant sur une face d'un substrat (S) au moins trois couches minces de matériaux semiconducteurs (I1, I2, l'1) constituant un puits quantiques délimitées par des alternances de couches à matériaux d'indices différents (b1.1/b1.2, b2.1/b2.2) perpendiculaires aux couches du puits quantique et réalisant des miroirs de Bragg (B1, B2). Le plan de couches de puits quantiques est de préférence perpendiculaire au plan du substrat. L'invention concerne également différentes variantes de réalisation et des procédés d'obtention. Applications: Laser.
Description
DISPOSITIF A PUITS QUANTIQUE ET PROCEDE DE REALISATION
L'invention conceme un dispositif à puits, quantique et son procédé de réalisation. Elle est applicable notamment à la réalisation de lasers.
L'invention conceme un dispositif à puits, quantique et son procédé de réalisation. Elle est applicable notamment à la réalisation de lasers.
Cette invention concerne la fabrication de structures dans lesquelles on réalise des couches minces verticalement (et horizontalement éventuellement). Elle est basée sur l'utilisation d'hétérostructures épitaxiées par croissance dirigée. L'utilisation judicieuse de ces techniques permet de fabriquer des dispositifs optoélectroniques divers, présentant des performances accrues.
Le procédé de croissance dirigée est décrit dans les demandes de brevet français n" 88 04437 et 88 04438 et divers perfectionnements de cette technique ont été décrits dans les demandes de brevets français n" 90 12443, 9112352 et 9204001.
Ce procédé d'épitaxie latérale d'hétérostructures présente d'énormes avantages en ce qui concerne la qualité des dispositifs obtenus, dans diverses applications optoélectroniques.
Divers procédés de croissance (épitaxie par jets moléculaires...) permettent couramment d'associer différentes couches extrêmement minces (jusqu'à quelques dixièmes de mm d'épaisseur) de matériaux semiconducteurs ayant des largeurs de bande interdite différentes, aboutissant ainsi à la réalisation de potentiels de type "puits quantiques". La présente invention permet de réaliser des puits quantiques orientés verticalement par rapport au substrat (figure 1). Cette orientation particulière, impossible par des techniques classiques de croissance planaire, présente des avantages décisifs pour tous les dispositifs utilisant les transitions intersousbandes (TISB) (voir référence 1 citée en fin de description) dans les puits quantiques d'une part, et pour la réalisation de systèmes de basse dimensionnalité, d'autre part (voir référence 2).
Les TISB (transitions intersousbandes) sont les transitions optiques entre niveaux confinés à l'intérieur d'une même bande (bande de valence ou bande de conduction) d'une hétérostructure à base de semiconducteurs (voir figure 2). A la suite de la première observation directe d'une TISB dans des puits quantiques, un certain nombre de dispositifs optoélectroniques ont vu le jour, que l'on peut regrouper en quatre familles
- les détecteurs à puits quantiques (réalisant essentiellement la
fonction de détecteur de rayonnement électromagnétique situé
dans l'infrarouge;
- les modulateurs à puits quantiques;
- les dispositifs non-linéaires (doubleurs ou tripleurs de
fréquence);
- les dispositifs émissifs (lasers).
- les détecteurs à puits quantiques (réalisant essentiellement la
fonction de détecteur de rayonnement électromagnétique situé
dans l'infrarouge;
- les modulateurs à puits quantiques;
- les dispositifs non-linéaires (doubleurs ou tripleurs de
fréquence);
- les dispositifs émissifs (lasers).
Toutes ces réalisations sont extrêmement handicapées par l'existence d'une règle de sélection régissant les TISB : une TISB n'a lieu que pour un champ électrique normal à la surface des puits (voir figure 3).
Une conséquence directe de cette règle de sélection est qu'une onde électromagnétique arrivant à incidence normale sur le dispositif ne sera pas absorbée, puisque son champ électrique se trouvera dans ce cas dans le plan des puits.
A cause de cette règle de sélection très contraignante, de nombreuses expériences ont été réalisées avec une incidence oblique, ou alors avec des échantillons taillés en biseaux, ce qui interdit les intégrations matricielles de ces dispositifs. Pour réaliser de telles matrices, il est possible de diffracter la lumière dans le plan des couches grâce à des réseaux métalliques déposés sur la surface des dispositifs, néanmoins cette technique présente des désavantages. Le couplage de la lumière avec les couches reste partiel, et ces techniques ne fonctionnent qu'à une seule longueur d'onde résonante.
La présente invention résout tous ces problèmes. Les puits quantiques étant verticaux, une onde électromagnétique arrivant à incidence normale sur le dispositif a naturellement un couplage maximal avec les puits quantiques (voir figure 3). Ceci permet donc d'améliorer les performances des quatre familles de dispositifs cités ci-dessus, et aussi de faciliter leur intégration sous forme de matrices.
En ce qui concerne les dispositifs émissifs, un laser utilisant les transitions intersousbandes ou les transitions interbandes sera plus facilement réalisé avec une cavité formée par un ou deux miroirs de Bragg, déposés (horizontalement cette fois) de part et d'autre des puits quantiques verticaux, de façon analogue à ce qui a été réalisé dans les longueurs d'onde proche infrarouge avec les microlasers à émission par la surface. Les miroirs de Bragg situés en-dessous et audessus des puits verticaux seront épitaxiés de manière classique (épitaxie planaire), soit avant, soit après l'épitaxie latérale, en étant éventuellement intégrés aux couches de confinement nécessaires pour l'épitaxie latérale.
L'invention conceme donc un dispositif à puits quantiques comprenant sur une face d'un substrat au moins trois couches minces de matériaux semiconducteurs constituant un puits quantique délimitées par des alternances de couches à matériaux d'indices différents perpendiculaires aux couches du puits quantique et réalisant des miroirs de
Bragg.
Bragg.
Plus particulièrement, I'invention concerne un dispositif dans lequel les couches minces de puits quantiques sont dans des plans sensiblement perpendiculaires au plan de la face du substrat et que les couches des miroirs de Bragg sont parallèles à la face du substrat.
Selon l'invention, on prévoit également qu'un dispositif est caractérisé en ce que les couches minces de puits quantiques sont selon des plans parallèles au plan de la face du substrat et que les couches des miroirs de Bragg sont perpendiculaires au plan de la face du substrat.
Un procédé selon l'invention consiste à prévoir les étapes suivantes:
- réalisation sur une face d'un substrat d'une première alternance de couches de matériaux d'indices de réfraction différents et constituant un premier miroir de Bragg, la dernière couche épitaxiée étant en matériau sur lequel il ne peut y avoir ni nucléation, ni dépôt de matériaux à épitaxier;
- réalisation d'une couche provisoire sur la première alternance de couches;
- réalisation sur la couche provisoire d'une deuxième alternance de couches de matériaux d'indices de réfraction différents et constituant un deuxième miroir de Bragg, la première couche réalisée en contact avec la couche provisoire étant en matériau sur lequel il ne peut y avoir ni nucléation, ni dépôt de matériaux à épitaxier;;
- réalisation d'une première ouverture dans les deux alternances de couches et dans la couche provisoire et réalisation dans cette ouverture d'un germe en matériau semiconducteur monocristallin;
- dépôt d'une couche d'encapsulation du germe;
- réalisation d'une deuxième ouverture dans la couche d'encapsulation et dans la deuxième altemance de couches et attaque chimique de la couche provisoire pour élimination de celle et réalisation d'une cavité;
- épitaxie par la deuxième ouverture dans la cavité de deux matériaux à épitaxier de largeurs de bandes interdites différentes et croissance latérale à partir du germe d'une succession de couches constituant au moins un puits quantique.
- réalisation sur une face d'un substrat d'une première alternance de couches de matériaux d'indices de réfraction différents et constituant un premier miroir de Bragg, la dernière couche épitaxiée étant en matériau sur lequel il ne peut y avoir ni nucléation, ni dépôt de matériaux à épitaxier;
- réalisation d'une couche provisoire sur la première alternance de couches;
- réalisation sur la couche provisoire d'une deuxième alternance de couches de matériaux d'indices de réfraction différents et constituant un deuxième miroir de Bragg, la première couche réalisée en contact avec la couche provisoire étant en matériau sur lequel il ne peut y avoir ni nucléation, ni dépôt de matériaux à épitaxier;;
- réalisation d'une première ouverture dans les deux alternances de couches et dans la couche provisoire et réalisation dans cette ouverture d'un germe en matériau semiconducteur monocristallin;
- dépôt d'une couche d'encapsulation du germe;
- réalisation d'une deuxième ouverture dans la couche d'encapsulation et dans la deuxième altemance de couches et attaque chimique de la couche provisoire pour élimination de celle et réalisation d'une cavité;
- épitaxie par la deuxième ouverture dans la cavité de deux matériaux à épitaxier de largeurs de bandes interdites différentes et croissance latérale à partir du germe d'une succession de couches constituant au moins un puits quantique.
Un autre procédé selon l'invention prévoit les étapes suivantes:
- réalisation sur une face d'un substrat d'une première couche d'un matériau sur lequel il ne peut y avoir ni nucléation, ni dépôt de matériaux à épitaxier;
- réalisation sur cette première couche d'une couche provisoire;
- réalisation sur la couche provisoire d'une deuxième couche d'un matériau sur lequel il ne peut y avoir ni nucléation ni dépôt de matériaux à épitaxier;
- gravure d'une première ouverture dans les trois couches précédentes jusqu'au substrat et réalisation dans cette ouverture d'un empilement de couches de bandes interdites différentes constituant un empilement de puits quantiques;
- dépôt d'une couche d'encapsulation du germe; ;
- gravure dans la couche d'encapsulation et dans la deuxième couche de part et d'autre dudit empilement de puits quantiques d'au moins une deuxième ouverture encadrant cet empilement;
- attaque chimique et élimination de la couche provisoire par la deuxième ouverture pour réaliser une cavité;
- épitaxie par la deuxième ouverture, dans la cavité de matériaux d'indices de réfraction différents et croissance à partir de l'empilement de puits quantiques et de part et d'autre de celui-ci, d'empilements de couches constituant des miroirs de Bragg.
- réalisation sur une face d'un substrat d'une première couche d'un matériau sur lequel il ne peut y avoir ni nucléation, ni dépôt de matériaux à épitaxier;
- réalisation sur cette première couche d'une couche provisoire;
- réalisation sur la couche provisoire d'une deuxième couche d'un matériau sur lequel il ne peut y avoir ni nucléation ni dépôt de matériaux à épitaxier;
- gravure d'une première ouverture dans les trois couches précédentes jusqu'au substrat et réalisation dans cette ouverture d'un empilement de couches de bandes interdites différentes constituant un empilement de puits quantiques;
- dépôt d'une couche d'encapsulation du germe; ;
- gravure dans la couche d'encapsulation et dans la deuxième couche de part et d'autre dudit empilement de puits quantiques d'au moins une deuxième ouverture encadrant cet empilement;
- attaque chimique et élimination de la couche provisoire par la deuxième ouverture pour réaliser une cavité;
- épitaxie par la deuxième ouverture, dans la cavité de matériaux d'indices de réfraction différents et croissance à partir de l'empilement de puits quantiques et de part et d'autre de celui-ci, d'empilements de couches constituant des miroirs de Bragg.
L'invention est applicable notamment à une réalisation dans laquelle le dispositif à puits quantique constitue un laser.
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 1 à 3, des dispositifs connus dans la technique;
- la figure 4, un exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention;
- les figures 5a à 5i, un procédé de réalisation d'un dispositif à puits quantique selon l'invention;
- la figure 6, une représentation simplifiée d'un dispositif selon l'invention;
- les figures 7a à 7c, un autre dispositif selon l'invention;
- les figures 8a, 8b et 9, une variante de réalisation du dispositif à puits quantique selon l'invention;
- les figures 10 et 11, des variantes de réalisation de lasers à émission par la surface.
- les figures 1 à 3, des dispositifs connus dans la technique;
- la figure 4, un exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention;
- les figures 5a à 5i, un procédé de réalisation d'un dispositif à puits quantique selon l'invention;
- la figure 6, une représentation simplifiée d'un dispositif selon l'invention;
- les figures 7a à 7c, un autre dispositif selon l'invention;
- les figures 8a, 8b et 9, une variante de réalisation du dispositif à puits quantique selon l'invention;
- les figures 10 et 11, des variantes de réalisation de lasers à émission par la surface.
La figure 4 représente un exemple de réalisation d'un tel laser avec des miroirs de Bragg. II comporte sur un substrat S un empilement de couches alternées bu .1 et bu .2 formant un premier réseau de Bragg B1. Des couches telles que 11, 12, 1'1 disposées perpendiculairement par rapport au plan du réseau de Bragg B1 forment des puits quantiques et réalisent la partie active du laser L. Le deuxième réseau de Bragg B2 constitué des couches telles que b2.1 et b2.2 est situé au-dessus du laser L. Celui-ci est ainsi compris dans une cavité constituée par les deux miroirs de Bragg qui sont perpendiculaires aux plans des puits quantiques.
A titre d'exemple, les puits quantiques sont réalisés à l'aide de matériaux à base de GaAs/AIGaAs.
Les miroirs de Bragg peuvent être en oxydes par exemple à base de SiO2/TiO2 mais ils peuvent être aussi en matériaux semiconducteurs.
De façon connue dans la technique les miroirs de Bragg sont constitués d'alternances de couches quart d'onde.
En se reportant aux figures 5a à 5g, on va maintenant décrire un exemple de réalisation de procédé selon l'invention.
Sur un substrat S on réalise une première alternance de couches telles que bl.1 et b1.2 dont l'objet sera de constituer le réseau de Bragg B1.
Sur cette alternance de couches on réalise une couche provisoire 1 destinée à être enlevée ultérieurement. Enfin sur la couche 1 est réalisée une alternance de couches b2. 1, b2.2 dont l'objet sera de constituer le réseau de
Bragg B2 (voir figure 5a). Les matériaux des couches b1.1, b2.2, b2.1, b2.2 sont choisis de façon à ce que dans les opérations d'épitaxie qui vont suivre, il ne puisse y avoir ni nucléation, ni dépôt des matériaux permettant de réaliser le laser.
Bragg B2 (voir figure 5a). Les matériaux des couches b1.1, b2.2, b2.1, b2.2 sont choisis de façon à ce que dans les opérations d'épitaxie qui vont suivre, il ne puisse y avoir ni nucléation, ni dépôt des matériaux permettant de réaliser le laser.
Le matériau de la couche 1 est choisi de nature chimique différente des couches b1.i, b1.2, b2.1, b2.2 avec lesquelles elle est en contact ou tout au moins de celle de ces couches avec lesquelles la couche 1 est en contact.
L'ensemble de couches réalisé est gravé dans une zone 4 de façon à dégager le substrat S (voir figure 5b). Le substrat S étant en matériau semiconducteur, on réalise une croissance d'un matériau semiconducteur monocristallin à base des principaux constituants du laser à obtenir, par exemple à base de GaAs. On obtient ainsi un germe G en matériau semiconducteur (voir figure 5c). Le matériau du germe pourra être semblable ou non au substrat. II peut être constitué d'une structure active complexe.
On dépose une couche 6 en matériau à bonne tenue mécanique.
Cette couche a pour fonction d'encapsuler le germe G et servira ultérieurement à rigidifier la structure.
On pratique ensuite par gravure une ouverture 2 dans l'alternance de couches b2.1/b2.2 de façon à atteindre la couche 1 dans une zone nettement distincte de celle où est réalisé le germe G (figure 5d).
Selon la figure 5e, on procède à une attaque chimique sélective de la couche 1 par l'ouverture 2. Le matériau de la couche 1 est ainsi supprimé et laisse la place à un espace 3 vide de tout matériau.
Selon la figure 5f, on réalise l'épitaxie alternativement d'un matériau destiné à constituer les parois des puits quantiques et d'un matériau destiné à constituer les couches actives des puits. Selon l'exemple de la figure 4, on épitaxie alternativement des matériaux GaAs et AlGaAs.
Cette épitaxie se fait dans l'espace 3 par l'ouverture 2. Il y a alors croissance des couches de puits quantiques sur le germe et selon la direction indiquée par la flèche F. Cette croissance selon la direction F permet d'obtenir des couches 11/12/1'1 perpendiculaires au plan des couches telles que bl.1. car il ne peut y avoir ni nucléation, ni dépôt sur les couches des miroirs de Bragg ou tout au moins sur les couches de ces miroirs qui délimitent l'espace 1.
La figure 59 représente une structure laser à miroir de Bragg ainsi réalisée.
Pour les connexions électriques permettant l'excitation électrique du laser L, on peut prévoir lors de l'épitaxie de réaliser des éléments EXI et
EX2 en matériau semiconducteur convenablement dopé pour constituer les électrodes d'excitation du laser (voir figure 5h).
EX2 en matériau semiconducteur convenablement dopé pour constituer les électrodes d'excitation du laser (voir figure 5h).
Dans ce cas, le réseau de Bragg B2 est ensuite gravé pour dégager les surfaces supérieures de ces éléments EXI et EX2 et pour réaliser sur ces éléments des contacts ohmiques COI, C02 (voir figure 5i).
Le procédé de l'invention permet de réaliser des structures de faibles dimensions. La longueur de la cavité peut être très faible en réalisant une couche 1 (figure 5a) de faible épaisseur ; on obtient alors des fils quantiques. II est également possible de réaliser des boîtes quantiques en prévoyant une gravure des structures obtenues (gravure dirigée perpendiculaire au plan des couches des lasers de Bragg) et au plan du substrat.
De telles structures de faibles dimensions permettent de diminuer le courant de seuil des lasers ainsi que d'augmenter leur fréquence de modulation.
Dans ce qui précède, 'épitaxie décrite en relation avec la figure 5f se fait par épitaxie sélective pour qu'il n'y ait ni nucléation, ni dépôt sur les parois des miroirs de Bragg.
La figure 6 illustre les dimensions h1 (quelques dizaines de nm à quelques pm), el (quelques pm à quelques centaines de pm), e2 (de 1 pm à l'infini) faibles que l'on peut obtenir.
Pour compléter le dispositif de la figure 5i, il est possible de prévoir latéralement au laser L des miroirs de Bragg B3, B4 diminuant ou interdisant toute émission dans des modes latéraux. Ces miroirs peuvent être plans (voir figure 8b) limitant ainsi l'émission dans l'une des directions selon le plan du substrat, soit de géométrie plus complexe. La figure 8b représente en perspective une telle structure avec des miroirs de Bragg plans.
Pour cela, un perfectionnement du procédé de l'invention décrit en relation avec les figures 5a à 5i, on prévoit qu'après la réalisation de la succession des couches, la structure est gravée de part et d'autre de cette succession de couches selon des plans perpendiculaires à ces couches, puis dans les espaces gravés on réalise deux couches sur lesquelles il ne peut y avoir ni nucléation ni dépôt de matériaux à épitaxier, ces deux couches encadrant une couche provisoire laquelle est ensuite enlevée par attaque chimique sélective et enfin deux matériaux d'indices différents étant épitaxiés dans l'espace libre par la couche provisoire et des alternances de couches constituant des miroirs de Bragg croissant à partir de la succession de couches étant ainsi réalisées.Ces miroirs de Bragg sont perpendiculaires au substrat et au plan des couches de puits quantiques.
La figure 9 représente une cavité laser cylindrique. Le laser L est enserré entre les miroirs de Bragg B1 et 82. L'ensemble est entouré par une multicouche constituant un miroir de Bragg 87 interdisant l'émission de modes latéraux. Le laser émet donc toute sa lumière selon l'axe XX'. La réalisation de ce laser se fait en faisant un germe G de forme circulaire, puis une ouverture 4 (pour réaliser l'épitaxie du 87) de forme circulaire concentrique avec le germe G.
La figure 7a représente une variante de réalisation selon l'invention. Elle comporte un empilement de puits quantiques constituant un laser L disposé sur un substrat S. De part et d'autre du laser L sont réalisés des miroirs de Bragg B5 et 86 constitués de couches b5.1/b5.2 et b6.1/b6.2 perpendiculaires à la face du substrat.
Pour réaliser une telle structure, on réalise sur un substrat S deux couches de confinement 10, 12 séparées par une couche 11 d'un matériau chimiquement différent (figure 7b) puis on grave une cavité 13 dans laquelle on réalise un empilement de puits quantiques L (figure 7c). Ensuite, on pratique plusieurs ouvertures pour accéder à la couche 11 et pour l'éliminer par attaque chimique sélective. Enfin on réalise par épitaxie, entre les couches de confinement 10,12, les miroirs de Bragg B5 et B6 à partir du matériau du laser L qui sert alors de germe.
Dans ce qui précède, on a considéré que le laser émet selon une direction parallèle au plan des couches. Dans ce cas, le laser est réalisé comme représenté en figure 10 de façon analogue à celui de la figure 7a.
Par rapport au laser de la figure 7a, dans le laser de la figure 10, les couches de confinement 10, 12 sont réalisées sous forme d'un empilement de couches constituant des miroirs de Bragg B8-B9. Ainsi le laser de la figure 10 comporte les miroirs de Bragg B8-B9 tenant lieu de miroirs de la cavité laser, mais il possède aussi, de part et d'autre du laser L, des miroirs de Bragg tels que 83-84 perpendiculaires aux miroirs B8-B9.
Le laser de la figure 10 peut être réalisé sous forme polygonale ou cylindrique comme cela est représenté en figure 11. Pour la réalisation de ce laser, on réalise les miroirs de Bragg B8-B9 séparés par une couche provisoire. On réalise dans les miroirs de Bragg B8-B9 et dans la couche provisoire un trou de section polygonale ou cylindrique et dans ce trou on réalise un empilement de couches constituant les couches actives laser.
Ensuite, on pratique dans le miroir de Bragg B8 une ouverture concentrique avec le laser et on élimine, par cette ouverture, la couche provisoire. Enfin, on épitaxie, dans l'espace laissé libre par croissance à partir des couches du laser servant de germe, un empilement de couches concentriques avec le laser et constituant un miroir de Bragg B8.
L'invention permet ainsi la réalisation de structures multicouches perpendiculaires à la surface d'un substrat. De telles structures présentent les avantages suivants:
i) la fabrication de cavités lasers à semiconducteurs, émettant dans le plan du substrat, de façon analogue aux lasers à microcavité émettant par la surface
ii) le dépôt de structures multicouches sur la surface latérale d'un laser émettant par la surface pour interdire l'émission spontanée dans le plan du laser permet d'accroître considérablement le rendement de ces lasers. En effet, un facteur de mérite extrêmement important pour les lasers est le facteur ss, rapport entre l'émission dans le mode désiré (mode laser) et l'émission dans l'autres modes (c'est-à-dire la proportion de photons émis utiles).Les lasers à semiconducteurs ont un ss de l'ordre de 104 seulement, les microlasers à semiconducteurs émettant par la surface ont réussi à augmenter ss grâce à l'utilisation d'une cavité de très grand facteur de qualité, formée de miroirs de Bragg ayant un coefficient de réflexion extrêmement élevés. Ceci limite le nombre de modes possibles dans la cavité, et donc l'émission dans des modes inutiles. Ces structures sont parvenues à des coefficients Q de l'ordre de 10-2. Dans ces microlasers,
I'essentiel des photons perdus correspond aux modes d'émission latérale, dans le plan des couches. Ce sont ces modes qui limitent ss.
i) la fabrication de cavités lasers à semiconducteurs, émettant dans le plan du substrat, de façon analogue aux lasers à microcavité émettant par la surface
ii) le dépôt de structures multicouches sur la surface latérale d'un laser émettant par la surface pour interdire l'émission spontanée dans le plan du laser permet d'accroître considérablement le rendement de ces lasers. En effet, un facteur de mérite extrêmement important pour les lasers est le facteur ss, rapport entre l'émission dans le mode désiré (mode laser) et l'émission dans l'autres modes (c'est-à-dire la proportion de photons émis utiles).Les lasers à semiconducteurs ont un ss de l'ordre de 104 seulement, les microlasers à semiconducteurs émettant par la surface ont réussi à augmenter ss grâce à l'utilisation d'une cavité de très grand facteur de qualité, formée de miroirs de Bragg ayant un coefficient de réflexion extrêmement élevés. Ceci limite le nombre de modes possibles dans la cavité, et donc l'émission dans des modes inutiles. Ces structures sont parvenues à des coefficients Q de l'ordre de 10-2. Dans ces microlasers,
I'essentiel des photons perdus correspond aux modes d'émission latérale, dans le plan des couches. Ce sont ces modes qui limitent ss.
(1) "Intersubband Transitions in Quantum Wells" edity by E.
Rosencher, B. Levine and B. Vinterne, Plenum, London
(1992) (2) "Quantum Semiconductors Structures: Fundamentals and
Applications" Accademic Press, Boston (1991 ) (3) "Optical Waves in Layered Media" Pochi Yeh, John Wiley et
Sons (4) J.L. Lewell et al. IEEE J. of Quant. Electronics, 27, 1332
(1991) (5) H. Yokoama, Science, 256, 66 (3 Avril 1992)
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(1991) (5) H. Yokoama, Science, 256, 66 (3 Avril 1992)
Claims (17)
1. Dispositif à puits quantiques comprenant sur une face d'un substrat (S) au moins trois couches minces de matériaux semiconducteurs (11, l2,l'1) constituant un puits quantiques délimitées par des alternances de couches à matériaux d'indices différents (b1.1/b1.2,b2.11b2.2) perpendiculaires aux couches du puits quantique et réalisant des miroirs de
Bragg (B1, 82).
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couches minces (l11l21l'1) de puits quantiques sont dans des plans sensiblement perpendiculaires au plan de la face du substrat et que les couches (b1.1 à b2.2) des miroirs de Bragg (81, 82) sont parallèles à la face du substrat.
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de couches minces constituant plusieurs puits quantiques.
4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la dimension des couches minces selon une direction perpendiculaire au plan du substrat est de quelques micromètres.
5. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte de chaque côté des couches de puits quantiques (11/12/1'1) perpendiculairement à ces couches et perpendiculairement à la face du substrat des couches de matériaux d'indices différents constituant un ou des miroirs de Bragg interdisant l'émission de modes latéraux.
6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couches minces (lI!l2ll'I) de puits quantiques sont des couches concentriques perpendiculaires au plan de la face du substrat et que les couches (bl.l à b2.2) des miroirs de Bragg (B1, 82) sont parallèles au plan de la face du substrat.
7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les couches minces (11/12/1'1 ) de puits quantiques sont entourées par des couches alternées de matériaux d'indices différents concentriques auxdites couches minces.
8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couches minces (11/12/1'1) de puits quantiques sont selon des plans parallèles au plan de la face du substrat et que les couches (b1.1 à b2.2) des miroirs de Bragg (B1, 82) sont perpendiculaires au plan de la face du substrat.
9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte une alternance de couches constituant un miroir de Bragg (89) situé entre le substrat (S) et les couches de puits quantiques et une alternance de couches constituant un autre miroir de Bragg (88) sir sur les couches de puits quantiques du côté opposé au substrat.
10. Procédé de réalisation d'un dispositif laser à puits quantiques comprenant les étapes suivantes:
- réalisation sur une face d'un substrat d'une première alternance de couches (b1.1/b.1.2) de matériaux d'indices de réfraction différents et constituant un premier miroir de Bragg (B1), la dernière couche épitaxiée étant en matériau sur lequel il ne peut y avoir ni nucléation, ni dépôt de matériaux à épitaxier;;
- réalisation d'une couche provisoire (1) sur la première altemance de couches
- réalisation sur la couche provisoire (1) d'une deuxième alternance de couches (b2.1/b2.2) de matériaux d'indices de réfraction différents et constituant un deuxième miroir de Bragg (82), la première couche réalisée en contact avec la couche provisoire (1) étant en matériau sur lequel il ne peut y avoir ni nucléation, ni dépôt de matériaux à épitaxier;
- réalisation d'une première ouverture (4) dans les deux alternances de couches (B1, 82) et dans la couche provisoire (1) et réalisation dans cette ouverture d'un germe (G) en matériau semiconducteur monocristallin ;
- dépôt d'une couche d'encapsulation (6) du germe (G).
- épitaxie par la deuxième ouverture dans la cavité (3) de deux matériaux à épitaxier de largeurs de bandes interdites différentes et croissance à partir du germe (G) d'une succession de couches (11/12/1'1) constituant au moins un puits quantique.
- réalisation d'une deuxième ouverture (2) dans la couche d'encapsulation et dans la deuxième alternance de couches (B2) et attaque chimique de la couche provisoire (1) pour élimination de celle-ci et réalisation d'une cavité (3);
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que les matériaux à épitaxier sont du GaAs et du GaAIAs ou du GaAs et GalnAs.
12. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'épitaxie desdits matériaux dans la cavité (3) est précédée et est suivie de l'épitaxie et de la croissance d'une couche épaisse d'un matériau semiconducteur dopé (EX1, EX2), le procédé étant complété par la réalisation de contacts ohmiques (CO1, C02) sur lesdits matériaux dopés (EX1, EX2).
13. Procédé de réalisation d'un dispositif laser à puits quantiques comprenant les étapes suivantes:
- réalisation sur une face d'un substrat (S) d'une première couche (10) d'un matériau sur lequel il ne peut y avoir ni nucléation, ni dépôt de matériaux à épitaxier;
- réalisation sur cette première couche (10) d'une couche provisoire;
- réalisation sur la couche provisoire d'une deuxième couche (12) d'un matériau sur lequel il ne peut y avoir ni nucléation ni dépôt de matériaux à épitaxier;
- dépôt d'une couche d'encapsulation (6) du germe (G);
- gravure d'une première ouverture dans les trois couches précédentes jusqu'au substrat (S) et réalisation dans cette ouverture d'un empilement de couches de bandes interdites différentes constituant un empilement de puits quantiques (L);;
- gravure dans la deuxième couche (12) de part et d'autre dudit empilement de puits quantiques (L) d'au moins une deuxième ouverture encadrant cet empilement;
- attaque chimique et élimination de la couche provisoire par la deuxième ouverture pour réaliser une cavité;
- épitaxie par la deuxième ouverture, dans la cavité de matériaux d'indices de réfraction différents et croissance à partir de l'empilement de puits quantiques et de part et d'autre de celui-ci, d'empilements de couches constituant des miroirs de Bragg (B5, B6).
14. Procédé selon la revendication 10 ou 13, caractérisé en ce que la première ouverture est circulaire et en ce que la deuxième ouverture est circulaire concentrique avec la première ouverture.
15. Procédé selon la revendication 14 ou 10, caractérisé en ce que l'épitaxie est complétée par une épitaxie de matériaux d'indices différents et croissaoce d'un empilement de couches constituant un miroir de
Bragg.
16. Procédé selon la revendication 10 ou 15, caractérisé en ce que après réalisation de la succession de couches (11/12/1'1), la structure est gravée de part et d'autre de cette succession de couches selon des plans perpendiculaires à ces couches, puis dans les espaces gravés on réalise deux couches sur lesquelles il ne peut y avoir ni nucléation ni dépôt de matériaux à épitaxier, ces deux couches encadrant une couche provisoire laquelle est ensuite enlevée par attaque chimique sélective et enfin deux matériaux d'indices différents étant épitaxiés dans l'espace libre par la couche provisoire et des alternances de couches constituant des miroirs de
Bragg (83, B4) croissant à partir de la succession de couches (l11l211'î) étant ainsi réalisées.
17. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ie dispositif à puits quantiques est un laser.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9513347A FR2741195B1 (fr) | 1995-11-10 | 1995-11-10 | Dispositif a puits quantique et procede de realisation |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9513347A FR2741195B1 (fr) | 1995-11-10 | 1995-11-10 | Dispositif a puits quantique et procede de realisation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2741195A1 true FR2741195A1 (fr) | 1997-05-16 |
| FR2741195B1 FR2741195B1 (fr) | 1997-12-05 |
Family
ID=9484448
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR9513347A Expired - Fee Related FR2741195B1 (fr) | 1995-11-10 | 1995-11-10 | Dispositif a puits quantique et procede de realisation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2741195B1 (fr) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1109209A1 (fr) * | 1999-12-16 | 2001-06-20 | STMicroelectronics SA | Procédé de fabrication d'un réseau de lignes nanométriques en silicium monocristallin et dispositif obtenu |
| FR3085369A1 (fr) * | 2018-08-31 | 2020-03-06 | Stmicroelectronics (Crolles 2) Sas | Modulateur electro-optique |
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| JPS58110087A (ja) * | 1981-12-24 | 1983-06-30 | Fujitsu Ltd | 半導体レ−ザ装置 |
| DE4135813A1 (de) * | 1990-10-31 | 1992-05-07 | Toshiba Kawasaki Kk | Halbleiterlaservorrichtung mit darin angeordnetem mehrrichtungsreflektor |
| EP0565414A1 (fr) * | 1992-04-02 | 1993-10-13 | Thomson-Csf | Procédé de réalisation de couches minces hétéroépitaxiales, et de dispositifs électroniques |
| JPH07183541A (ja) * | 1993-12-22 | 1995-07-21 | Oki Electric Ind Co Ltd | 半導体微細構造の形成方法 |
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1995
- 1995-11-10 FR FR9513347A patent/FR2741195B1/fr not_active Expired - Fee Related
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| US11604371B2 (en) | 2018-08-31 | 2023-03-14 | Stmicroelectronics (Crolles 2) Sas | Electro-optical modulator and methods of formation thereof |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2741195B1 (fr) | 1997-12-05 |
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