FR2753576A1 - Procede de fabrication d'un laser semiconducteur a emission de surface - Google Patents

Procede de fabrication d'un laser semiconducteur a emission de surface Download PDF

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Abstract

Procédé de fabrication d'un laser à émission de surface, ce procédé étant caractérisé par le fait qu'il utilise un procédé de dépôt épitaxial pour déposer des matériaux semi-conducteurs (7, 9, 10, 13) ayant la maille cristalline de l'arséniure de gallium sur une plaquette semi-conductrice (P1) à base de phosphure d'indium incluant la structure active (3, 4, 5) du laser. L'invention s'applique notamment dans les systèmes de télécommunication à fibres optiques.

Description

Procédé de fabrication d'un laser semiconducteur à emission de surface.
La présente invention concerne les lasers semiconducteurs à émission de surface c'est à dire du type dit VCSEL d'après l'anglais "Vertical Cavity Surface Emitting Laser". Elle concerne plus particulièrement la fabrication de tels lasers lorsque la lumière émise par ces lasers doit avoir une longueur d'onde de 1300 ou 1500 nm environ pour se situer dans l'une des fenêtres spectrales couramment utilisées dans les systèmes de communication à fibres optiques.
Une telle longueur d'onde est obtenue à l'aide d'une structure optiquement active formée au sein d'une plaquette monocristalline de phosphure d'indium InP. Le réseau cristallin de ce matériau est cubique.
Certains éléments d'un tel laser sont cependant avantageusement constitués d'arséniure de gallium etiou d'autres matériaux ayant un réseau cristallin cubique avec la même maille cristalline que l'arséniure de gallium, c'est à dire une maille différente de celle du phosphure d'indium. II s'agit notamment d'un miroir de Bragg constituant l'une des extrémités de la cavité optique du laser. Il peut s'agir aussi d'une couche de confinement électrique permettant de confiner ou d'uniformiser la densité du courant d'alimentation qui injecte des porteurs de charges dans la couche optiquement active inclue dans cette cavité.
Compte tenu du fait qu'une bonne qualité cristalline constitue une caractéristique essentielle pour une plaquette semiconductrice devant constituer un amplificateur ou un laser un problème difficile peut alors être posé par le raccordement du réseau cristallin de l'arséniure de gallium à celui du phosphure d'indium. Plusieurs procédés sont connus à ce sujet.
Ils ont été proposés ou mis en oeuvre pour fabriquer un laser émettant aux longueurs d'ondes indiquées ci-dessus tout en évitant ou résolvant le problème ci-dessus.
Selon un premier procédé connu on évite ce problème, du moins en ce qui concerne le miroir de Bragg du laser, en constituant ce miroir par des couches alternées de phosphure d'indium et d'un matériau quaternaire GalnAsP accordé en maille au phosphure d'indium. Le faible écart entre les indices de réfraction des deux matériaux oblige alors, compte tenu de la grande réflectance nécessaire, à former un grand nombre de paires de couches. Ce nombre est spérieur à 40 et entraine une faible largeur de la bande optique du miroir et une grande résistance électrique. Cette dernière est gênante si le courant d'alimentation est injecté à travers ce miroir. Par ailleurs le matériau quaternaire introduit une résitance gênante à l'évacuation de la chaleur. Ce premier procédé connu est décrit dans une communication High reflectivity semiconductor mirrors for 1,3 ,um emitting lasers, P. Salet, C. Starck, A.
Pinquier, Cleo 96.
Le même problème est encore évité par réalisation d'un accord de maille dans un deuxième procédé connu selon lequel les matériaux du miroir de Bragg ont des compositions Al In As et Ga Al In As. Les inconvénients de ce deuxième procédé connu sont analogues à ceux du premier.
Le même problème est encore évité par réalisation d'un accord de maille dans un troisième procédé connu selon lequel les matériaux du miroir de Bragg ont les compositions AlAsSb et AlGaAsSb. Ces matériaux tendent malheureusement à se décomposer en deux phases distinctes. Ce troisième procédé connu est décrit dans un article : AlAsSb : AlGaAsSb
Bragg stacks for 1,55 ,um wavelength grown by MBE, J.C.Harmand,
F.Jeannès, G.Le Roux and M.Juhel Elec. Lett. \/ou31, 1995, 1669.
Un quatrième procédé connu résout le problème en question, c'est à dire que le réseau cristallin du miroir de Bragg a la maille de l'arséniure de gallium et est raccordé à une plaquette de phosphure d'indium. Les matériaux de ce miroir sont l'arséniure d'aluminium AlAs et l'arséniure de gallium. Ils permettent d'obtenir une grande réflectance et de faibles résistances thermique et électrique. Le miroir est formé par un procédé de dépôt épitaxial sur une deuxième plaquette constituée d'arséniure de gallium. Cette deuxième plaquette est soudée à la première par appui mutuel à 500"C sous hydrogène.
Ce quatrième procédé connu est coûteux parce que les dimensions des plaquettes que l'on peut souder ainsi sont limitées. Une fabrication économique des lasers est en effet classiquement obtenue en réalisant des plaquettes de grande dimension qui sont ensuite découpées pour que chacune des parties ainsi séparées constitue un laser. En raison de leurs dimensions limitées les plaquettes composites formées par ce quatrième procédé connu ne peuvent pas, lors de leur découpage ultérieur, constituer chacune un nombre sufisamment grand de lasers pour que ie procédé soit économique. Par ailleurs la tension de seuil des lasers fabriqués est relativement élevée. Ce quatrième procédé est connu sous l'appellation internationale "water fusion". il est décrit dans un article
D.l.Babic, K.Treubel, R.P.Mirin, N.M.Margalit, J.E.Bowers, E.L.Hu,
D.E.Mars, L.Yang and K.Carey, Photon. Techn. lett. vol 7,1225,1995.
La présente invention a notamment pour but de permettre la fabrication à faible coût de lasers à émission de surface émettant aux longueurs d'onde associées au phosphure d'indium tout en comportant un miroir de Bragg ou un autre élément ayant des qualités liées à l'arséniure de gallium et aux matériaux de même maille cristalline. Elle a plus généralement pour but de permettre d'associer simplement ces deux types de matériaux pour la fabrication d'un tel laser.
Dans ces buts elle a pour objet un procédé de fabrication d'un laser à émission de surface, ce procédé étant caractérisé par le fait qu'il utiiise un procédé de dépôt épitaxial pour déposer des matériaux semiconducteurs ayant la maille cristalline de l'arséniure de gallium sur une plaquette semiconductrice à base de phosphure d'indium incluant ia structure active du laser.
A l'aide des figures schématiques annexées on va exposer ci après diverses dispositions utiles associées à la présente invention et on va décrire, à simple titre d'exemple, quatre modes de mises en oeuvre de cette invention. Les figures sont des vues en coupe de lasers à émission de surface. L'ordre de succession des couches semiconductrices représentées sur ces figures de bas en haut représente l'ordre de succession des étapes de dépôt de ces couches.
La figure 1 représente un premier et un deuxième lasers fabriqués selon cette invention.
La figure 2 représente un troisième et un quatrième lasers fabriqués selon cette invention.
De même que le quatrième procédé connu précédemment mentionné, le procédé selon cette invention comporte les opérations suivantes, les couches déposées par ces opérations étant représentées à la figure 1: - Formation de la dite plaquette à base de phosphure d'indium InP. Cette plaquette sera appelée ci-après "première plaquette".
Le réseau cristallin du phosphure d'indium a une dimension caractéristique constituant sa maille cristalline. La première plaquette définit des directions horizontale et verticale et présente deux faces principales horizontales constituant une face inférieure F1 et une face supérieure F2. La structure active est formée par des couches horizontales et comporte de bas en haut: . une couche d'injection inférieure 3 d'un premier type de conductivité, qui est typiquement le type N, . une couche active 4 constituée d'un matériau actif à composition ternaire ou quaternaire ou constituée de puits quantiques et présentant la maille cristalline du phosphure d'indium, et
. une couche d'injection supérieure 5 de l'autre type de conductivité qui est donc typiquement le type P.
Cette structure est destinée à être traversée par un courant d'alimentation ayant la direction verticale et un sens direct défini par les types de conductivité des couches d'injection. Elle est alors apte à amplifier une lumière dont la longueur d'onde est comprise entre 1200 et 2000 nm et est typiquement voisine de 1300 ou 1500 nm.
-Mise en place sur la face supérieure de la première plaquette d'une deuxième plaquette semiconductrice P2 constituée de matériaux ayant la maille cristalline de l'arséniure de gallium Ga As. La superposition des deux plaquettes forme une plaquette composite présentant une face inférieure F1 et une face supérieure F3. Des éléments liés à la deuxième plaquette pourront assurer diverses fonctions au sein du laser à fabriquer.
Deux telles fonctions seront indiquées plus loin.
-Formation d'un miroir inférieur Ml sur la face inférieure et d'un miroir supérieur 13 sur la face supérieure de la plaquette composite pour constituer une cavité optique résonante verticale pour le laser à fabriquer.
L'un de ces miroirs est partiellement transparent pour permettre à la lumière de ce laser de s'échapper de cette cavité.
- Enfin formation d'une électrode inférieure 16 et d'une électrode supérieure 12 respectivement sur les faces inférieure et supérieure de la plaquette composite pour permettre d'injecter ledit courant d'alimentation à travers la structure active.
Selon l'invention la mise en place de la deuxième plaquette est une opération de dépôt effectuée par ledit procédé de dépôt épitaxial. Ce procédé forme la deuxième plaquette en faisant croitre progressivement les couches constitutives de cette deuxième plaquette sur la face supérieure de la première plaquette.
Si le matériau de la deuxième plaquette avait la même maille cristalline que le phosphure d'indium de la première plaquette, I'utilisation d'un procédé de dépôt épitaxial aurait pour conséquence de former la deuxième plaquette en continuité cristalline avec la première. Compte tenu du désaccord de maille important entre l'arséniure de gallium et le phosphure d'indium, I'utilisation d'un tel procédé de dépôt fait apparaitre des contraintes mécaniques et des dislocations dans les réseaux cristallins des matériaux en contact. De très nombreuses dislocations se poursuivent dans toute l'épaisseur du matériau déposé. Ce matériau peut alors être qualifié de "métamorphique". Par ailleurs les contraintes appliquées au réseau cristallin de la première plaquette peuvent y provoquer des dislocations. Or la formation de dislocations importantes dans la structure active contenue dans cette première plaquette empêcherait le fonctionnement du laser. C'est peut être pourquoi le quatrième procédé de fabrication connu précédemment mentionné incluait des étapes complexes pour ne pas avoir à utiliser un procédé de dépôt épitaxial pour la mise en place de la deuxième plaquette. Cependant, dans le cadre de la présente invention, il a été envisagé que les contraintes induites par un tel procédé de dépôt dans le réseau cristallin de la première plaquette restaient peut être relativement limitées au voisinage de la face supérieure de cette plaquette, et il a été en fait trouvé que le fonctionnement de la structure active sous jacente pouvait ne pas être sensiblement affecté par des dislocations provoquées par de telles contraintes.
Il a de plus été trouvé que certaines dispositions contribuaient utilement à préserver l'intégrité fonctionnelle de la structure active, tout en n'étant pas indispensables. Selon l'une de ces dispositions ladite opération de dépôt formant la deuxième plaquette P2 débute par le dépôt d'une couche de blocage 6 ayant la maille cristalline du phosphure d'indium. Cette couche de blocage est constituée d'un matériau à composition quaternaire. Elle permet de bloquer efficacement les dislocations générées dans l'arseniure de gallium. Elle a par exemple la composition Ga0 > 2 In0,8 As0,44 Po 56.
Ledit procédé de dépôt épitaxial est par exemple l'épitaxie par jet moléculaire. On pourrait cependant aussi utiliser la technique de croissance en phase vapeur dite MOVPE.
L'opération de dépôt épitaxial formant la deuxième plaquette semble être avantageusement effectuée à une température inférieure à 500"C, par exemple 450 OU 400"C.
Selon une autre disposition présentant en outre d'autres avantages le miroir supérieur 13 est un miroir de Bragg faisant partie de la deuxième plaquette. Ce miroir est plus précisément constitué par une succession verticale alternée de couches à base d'arséniure de gallim As Ga et de couches d'un matériau de contraste d'indice présentant un indice de réfraction sensiblement différent de celui de l'arséniure de gallium tout en présentant un acccord de maille avec l'arséniure de gallium. Ce matériau de contraste d'indice est typiquement à base d'arséniure d'aluminium Al
As. Il a par exemple la composition Al0,9 GaO,1 As. Un tel miroir permet de manière connue d'obtenir une réflectance très élevée, voisine de 99,8%, au moins, ce qui est nécessaire au fonctionnement du laser et ne serait pas possible avec un miroir métallique. Le miroir inférieur est alors très partiellement transparent. II est par exemple du type multidiélectrique, mais il pourrait être constitué par les mêmes matériaux que le miroir supérieur. Sa réflectance est par exemple voisine de 99,7%.
Le fait que la plaquette supérieure soit constituée par la superposition de nombreuses couches semiconductrices semble utile à la préservation de l'intégrité fonctionnelle de la couche active. il a cependant été trouvé que le dépôt de ces couches semiconductrices dans des conditions de désaccord de maille pouvait faire apparaitre des rugosités de surface dans les interfaces qui sont notamment formées entre des couches ayant des indices de réfraction différents. De telles rugosités peuvent entrainer des pertes de lumière par diffusion et de telles pertes pourraient empêcher l'oscillation optique de s'établir dans la cavité résonante. Selon l'invention il a cependant été trouvé que ces rugosités pouvaient être suffisamment limitées pour que la présence de telles couches dans la cavité optique résonante du laser soit compatible avec un bon fonctionnement de ce dernier.
Selon une disposition utile pour limiter de telles rugosités les couches semiconductrices 7, 9, 10, 13,14 superposées au sein de la deuxième plaquette P2 contiennent une proportion d'indium comprise entre 0,1 et 5% en moles et de préférence entre 0,5 et 1% et par exemple voisine de 1%. L'adjonction d'indium permet de former des couches "lisses" sans rugosité.
En ce qui concerne les électrodes, au moins l'une d'entre elles doit être disposée latéralement à la cavité résonante optique. II s'agit de l'électrode qui est située sur la même face principale que le miroir partiellement transparent. Cette électrode empêcherait la sortie de la lumière de cette cavité si elle était disposée dans l'axe A de celle-ci. Une telle localisation de l'une ou des deux électrodes tend à faire passer le courant d'alimentation à distance de la cavité résonante. Or il est souhaitable que, au niveau de la couche active, le courant d'alimentation soit confiné au voisinage de l'axe de cette cavité. Il est connu pour cela d'incorporer dans une plaquette semiconductrice une couche qui est oxydée sur une partie de sa surface pour être électriquement isolante sauf au voisinage de la cavité optique. Le confinement du courant peut cependant aussi être obtenu par la disposition de l'électrode supérieure au dessus du miroir supérieur dont les dimensions horizontales sont limitées pour cela par une opération de gravure. Dans ce cas la couche partiellement oxydée reste typiquement utile pour uniformiser la densité du courant d'alimentation. Cette couche est avantageusement constituée par de l'arséniure d'alluminium Al As qui présente la même maille cristalline que l'arséniure de gallium. C'est pourquoi, de préférence, l'opération de dépôt formant la deuxième plaquette semiconductrice P2 comporte le dépôt d'une couche d'arséniure d'aluminium 9 et l'oxydation de cette couche dans une zone latérale 8 s'écartant de l'axe A de la cavité optique résonante.
On va maintenant décrire plus particulièrement quatre modes de mise en oeuvre de cette invention.
Conformément à la figure 1 des couches semiconductrices ont été déposées dans l'ordre indiqué ci après pour fabriquer un premier laser selon la présente invention. Pour former d'abord une première plaquette P1 les couches suivantes ont été constituées de phosphure d'indium InP sauf indication contraire: - Un substrat 1 épais de 0,1mu et dopé N à 3.1018 cm-3 - Une couche d'arrêt de gravure 2 constituée de GalnAsP avec une longueur d'onde caractéristique 1180 nm. Cette couche est épaisse de 50 nm et dopée N à 1.10 18 cm-3. Lors d'une gravure de la partie centrale de la face inférieure FI de la plaquette P1 cette couche a permis de limiter la profondeur de l'attaque pour former une surface sur laquelle a été déposé un miroir inférieur MI constitué de couches diélectriques.
- Une couche d'injection inférieure 3 épaisse de 1000 à 2000 nm et dopée
N à 1.1018 cl~3.
- Une couche active 4 constituée d'un matériau ternaire ou quaternaire ou de multiples puits quantiques et ayant une longueur d'onde caractéristique de 1300 ou 1500 nm. Cette couche est épaisse de 100 à 1000nm et n'est pas dopée.
- Enfin une couche d'injection supérieure 5 épaisse de 100 à 2000 nm et dopée P à 2.1018cm-3.
Sur la face supérieure F2 de la plaquette P1 on a déposé une couche 6 constituée de GalnAsP et présentant une épaisseur telle que 30 nm, trop faible pour que cette couche puisse jouer un rôle optique.
Pour former la deuxième plaquette P2 on a ensuite déposé les couches suivantes qui sont constituées d'arséniure de gallium sauf indication contraire: - Une couche inférieure 7 épaisse de 300 à 500 nm et dopée P à 2.1018 cm-3. La zone périphérique de cette couche a été oxydée pour constituer un écran diélectrique 8 constitué d'un matériau AlOx et utile pour un confinement ou une uniformisation de densité du courant d'alimentation du laser.
- Une couche de contact 10 ayant une épaisseur optique égale au 314 de la longueur d'onde d'émission du laser et un dopage P à 3.1019 cm-3.
- Une couche d'arrêt de gravure Il constituée de phosphure d'indium et de gallium Ga In P. Les proportions d'indium et de gallium dans cette couche sont choisies pour réaliser un accord de maille avec l'arséniure de gallium. Cette couche est épaisse de 10 à 50 nm et n'est pas dopée. Elle aura pour rôle de limiter la profondeur d'attaque d'une gravure qui sera effectuée ultérieurement sur la face supérieure F3 de la plaquette composite incluant les plaquettes P1 et P2 pour limiter latéralement le miroir supérieur 13 du laser.
- Le miroir supérieur 13. Ce miroir comporte de 20 à 30 paires de couches constituées chacune de deux couches non dopées ayant une même épaisseur optique égale au quart de la longueur d'onde du laser. Le matériau de l'une des couches de chaque paire a la composition Ga 0,1
AI 0,9 As et est accordé en maille à celui de l'arséniure de gallium. Le matériau de l'autre couche est l'arséniure de gallium.
- Enfin une couche d'accord de phase 14 épaisse de 200 nm environ et non dopée. Cette couche a pour but d'introduire une distance optique convenable entre le miroir 13 et une couche métallique supérieure 15 qui réfléchit la lumière et coopère ainsi avec le miroir 13.
L'ensemble des couches 13 et 14 a été gravé pour limiter latéralement le miroir supérieur 13. Après cette gravure une couche métallique d'or Au etiou de tungstène W a été déposée sur la face supérieure F3 de la plaquette composite . Sur le miroir supérieur elle constitue un réflecteur complémentaire 15. Sur la couche Il et la couche de contact 10 cette couche métallique constitue une électrode supérieure 12 autour du miroir 13.
Une électrode inférieure 16 a été déposée sur la face inférieure F1 autour du miroir inférieur M1. Le courant d'alimentation du laser sera ultérieurement fourni à ces électrodes par une source telle que 17.
La fabrication des trois autres lasers qui vont être donnés aussi en exemple de mise en oeuvre de l'invention est analogue à ce qui vient d'être décrit sauf sur les points indiqués ci- après.
Dans le deuxième laser représenté à la figure 1 le miroir supérieur 13 a été constitué par dépôt de couches diélectriques d'indices de réfraction alternés.
Dans le troisième laser représenté à la figure 2 le miroir 13 est constitué des mêmes paires de couches semiconductrices que dans le premier laser sauf que ces couches sont dopées P pour permettre d'injecter le courant d'alimentation du laser à partir du réflecteur complémentaire 15 qui constitue alors en même temps l'électrode supérieure. Un rôle de conduction électrique analogue à celui qui était joué par la couche de contact est joué ici par la couche 14 qui est dopée en conséquence.
Dans le quatrième laser plus particulièrement analogue au troisième et également représenté à la figure 2, le miroir 13 est constitué
des mêmes paires de couches que dans le troisième laser sauf que ces
couches sont dopées N pour diminuer la résistance électrique et les
pertes optiques présentées par le miroir. Les couches 7, 9, 10 et Il sont
alors également dopées N et le courant d'alimentation est transmis par
une jonction tunnel NIP formée par les couches 5 et 7.

Claims (8)

  1. REVENDICATIONS
    1- Procédé de fabrication d'un laser à émission de surface, ce procédé étant caractérisé par le fait qu'il utilise un procédé de dépôt épitaxial pour déposer des matériaux semiconducteurs (7, 9, 10, 13) ayant la maille cristalline de l'arséniure de gallium sur une plaquette semiconductrice (P1) à base de phosphure d'indium incluant la structure active (3,4, 5)du laser.
  2. 2- Procédé de fabrication selon la revendication 1, ce procédé incluant les étapes de - formation de la dite plaquette à base de phosphure d'indium InP, cette plaquette constituant une première plaquette (PI), - mise en place sur ladite face supérieure de la première plaquette d'une deuxième plaquette semiconductrice (P2) constituée de matériaux ayant la maille cristalline de l'arséniure de gallium Ga As pour former une plaquette composite présentant une face inférieure (F1) et une face supérieure (F3).
    ce procédé de fabrication étant caractérisé par le fait que la mise en place de ladite deuxième plaquette est une opération de dépôt effectuée par ledit procédé de dépôt épitaxial, ce procédé formant la deuxième plaquette en faisant croitre progressivement les couches constitutives de cette deuxième plaquette sur la face supérieure de la première plaquette.
    I'un de ces miroirs étant partiellement transparent pour permettre à la lumière de ce laser de s'échapper de cette cavité, et - formation d'une électrode inférieure (16) et d'une électrode supérieure (12) respectivement sur les faces inférieure et supérieure de la plaquette composite pour permettre d'injecter ledit courant d'alimentation à travers la structure active,
    - formation d'un miroir inférieur (M1) sur la face inférieure et d'un miroir supérieur (13) sur la face supérieure de la plaquette composite pour constituer une cavité optique résonante verticale pour le laser à fabriquer,
  3. 3- Procédé selon la revendication 2, ce procédé étant caractérisé par le fait que ladite opération de dépôt formant la deuxième plaquette (P2) débute par le dépôt d'une couche de blocage (6) à composition quaternaire.
  4. 4- Procédé selon la revendication 1, ce procédé étant caractérisé par le fait que ledit procédé de dépôt épitaxial est l'épitaxie par jet moléculaire.
  5. 5- Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le miroir supérieur (13) est un miroir de Bragg faisant partie de ladite deuxième plaquette, ce miroir étant constitué par une succession verticale alternée de couches à base d'arséniure de gallim As Ga et de couches d'un matériau de contraste d'indice présentant un indice de réfraction sensiblement différent de celui de l'arséniure de gallium tout en présentant un acccord de maille avec l'arséniure de gallium.
  6. 6- Procédé selon la revendication 2, ce procédé étant caractérisé par le fait que des couches semiconductrices (7,9,10,13,14) superposées au sein de ladite deuxième plaquette (P2) contiennent une proportion d'indium comprise entre 0,1 et 5% en moles.
  7. 7- Procédé selon la revendication 6, ladite proportion d'indium étant comprise entre 0,5 et 1%.
  8. 8 - Procédé selon la revendication 2, ce procédé étant caractérisé par le fait que l'opération de dépôt formant la deuxième plaquette semiconductrice (P2) comporte le dépôt d'une couche d'arséniure d'aluminium (9) et l'oxydation de cette couche dans une zone latérale (8) s'écartant de l'axe (A) de la cavité optique résonante.
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