FR2866489A1 - Dispositifs electroluminescents de haute stabilite en temperature - Google Patents

Abstract

15Dispositifs électroluminescents de type diodes lasers ou diodes électroluminescentes, à haute stabilité en température comportant entre la région active à puits quantiques, et la couche de confinement « cladding » de type p, au moins une barrière quantique de composition (AlzGa1-z)uIn1-uP avec z inférieur à 0,5 environ et u lié à z par une relation proche de : (1-u) = 0,3 + 0,286 z

Description

Dispositifs électroluminescents de haute stabilité en température

Inventeur: Linh Trong Nuyen Les dispositifs électroluminescents que sont les lasers ou les diodes électroluminescentes, ont de nombreuses applications pour lesquelles la stabilité de leurs performances en température est un des paramètres le plus important. Pour illustrer le problème, citons deux exemples, le premier concerne les lasers de puissance qui servent à graver les disques DVD, et le deuxième concerne les diodes électroluminescentes qui équipent les panneaux d'affichage.

Le besoin de raccourcir le temps d'enregistrement du disque DVD pousse les fabricants des diodes lasers à augmenter la puissance de ces dernières. Ce faisant la température de fonctionnement du laser s'accroît et les performances du laser, tel que le courant de seuil ou le gain, se détériorent au détriment de la puissance.

Les panneaux d'affichage utilisant des diodes électroluminescentes (DEL) sont quelques fois exposés au soleil. L'élévation de température entraîne la détérioration des performances des DEL, plus particulièrement celles à courte longueur d'onde.

Il faut donc trouver un moyen de rendre les performances des lasers et des DEL le plus stable possible en fonction de la température. Tel est l'objet de la présente invention qui, pour être bien comprise, a besoin de quelques rappels sur les principes de fonctionnement d'un dispositif électroluminescent, et plus spécialement d'une diode laser.

Lorsque l'on polarise en direct une jonction p-n de semi-conducteur, les électrons et les trous se meuvent vers l'interface de la jonction et sont susceptibles de s'y recombiner en émettant des photons dont l'énergie est celle de la bande interdite du semi-conducteur. La recombinaison radiative est faible lorsqu'il s'agit d'un semi-conducteur à bande interdite indirecte. On ne considèrera alors que les semi-conducteurs à bande interdite directe. Pour avoir une émission de lumière cohérente, les diodes lasers possèdent une cavité dont deux faces sont constituées, de part et d'autre de la jonction p-n, par un empilement de semi- conducteurs à indice de réfraction plus faible que celui qui constitue la jonction. On désignera par couche active, celle qui est le siège de la recombinaison radiative, et par couches de confinement dit de cladding , celles de faible indice. Pour améliorer le rendement de recombinaison radiative, on incorpore à la couche active des matériaux semi-conducteurs présentant des discontinuités AEc de bande de conduction et ARA de bande de valence formant ainsi un ou plusieurs puits quantiques. L'ensemble puits quantiques et barrières quantiques sera appelé région active. Les diodes lasers de bonne performance comporte en plus un guide d'onde dont l'indice de réfraction est intermédiaire entre ceux de la région active et des couches de confinement. Une diode laser performant doit avoir, sous polarisation de la diode, tous les porteurs (électrons et trous) confinés dans la région active. Or lorsque la diode fonctionne, sa température s'élève et des porteurs, surtout les électrons, peuvent s'échapper de la région active par effet thermique pour aller vers les couches de confinement. Ces porteurs sont ainsi perdus pour la recombinaison radiative. Alors les performances de la diode laser se dégradent. Il en est ainsi de même pour les DEL de hautes performances qui comportent aussi des puits quantiques et des couches de confinement: l'élévation de la température fait baisser leurs performances.

L'objet de la présente invention est de palier ces limitations et concerne les dispositifs, à base d'alliage de phosphure d'Aluminium, Gallium, Indium qu'on écrira en abrégé AlGaInP. L'invention consiste à incorporer au moins une couche de semi-conducteur dont le rôle est de réduire la probabilité pour un électron de s'échapper vers les couches de confinement.

L'invention sera mieux comprise à l'aide des figures de 1 à 18 où la figure 1 représente la variation de l'énergie de la bande interdite des alliages GaInP et AIInP en fonction de leur paramètre de maille, la figure 2 représente la variation des niveaux de bande de valence et de conduction des alliages A1GaInP en fonction de leur teneur en Aluminium, la figure 3 représente les empilements des couches de semi-conducteurs d'une diode laser, la figure 4 montre de manière schématique les niveaux de bande de valence et de conduction d'une structure laser DVD selon l'art antérieur, la figure 5 montre de manière schématique les différents niveaux quantiques situés dans un puits quantiques, la figure 6 montre de manière schématique le trajet des électrons, marqués e-, franchissant la barrière énergétique sous le double effet de la polarisation électrique et de la température, la figure 7 représente de manière schématique les niveaux de bande de conduction d'une structure à multiples barrières quantiques selon l'art antérieur, la figure 8 représente la position relative en énergie des bandes de valence et de conduction des alliages AlGaInP en fonction de leur paramètre de maille, les énergies de référence étant celles de Gao,51no,5P, la figure 9 représente les niveaux des bandes de valence et de conduction d'un premier exemple de diode laser selon l'invention, la figure 10 représente les niveaux des bandes de valence et de conduction d'un deuxième exemple de diode laser selon l'invention, la f i g u r e 1 l représente les niveaux des bandes de valence et de conduction d'un troisième exemple de diode laser selon l'invention, la figure 12 représente les niveaux des bandes de valence et de conduction d'un quatrième exemple de diode laser selon l'invention, la figure 13 représente les niveaux des bandes de valence et de conduction d'un cinquième exemple de diode laser selon l'invention, la figure 14 représente les niveaux des bandes de valence et de conduction d'un sixième exemple de diode laser selon l'invention, la figure 15 représente les niveaux des bandes de valence et de conduction d'un septième exemple de diode laser selon l'invention, la figure 16 représente les niveaux des bandes de valence et de conduction d'un huitième exemple de diode laser selon l'invention, la figure 17 représente les niveaux des bandes de valence et de conduction d'un exemple de diode électroluminescente selon l'art antérieur, la figure 18 représente les niveaux des bandes de valence et de conduction d'un exemple de diode électroluminescente selon l'invention.

Afin de bien suivre les démarches techniques de l'invention, il est à signaler que le cas des lasers est traité avant celui des DEL.

L'ensemble des informations contenues dans les figures de 1 à 7 et les commentaires qui les accompagnent, résume l'état de l'art antérieur, et que l'on retrouve, en grande partie, dans un article de revue publié par D. P. Bour et al. dans IEEE J. Quantum Electronics vol.20, n 2, 593-607 (1994) : Strained GaxIn j_xP / (AIGa)o.51n0.5P Heterostructure and Quantum Well Laser Diodes.

La figure 1 montre la variation de la largeur de la bande interdite des alliages GaxIni_xP et Alalnl_;P en fonction du paramètre de maille cristalline de l'alliage qui, lui-même dépend de la composition en Indium (1-x). On remarque que pour une composition x voisine de 0,5 ces alliages ont le même paramètre de maille que GaAs, et que pour cette composition l'alliage GaxIni_xP a pour largeur de bande interdite 1,9 eV ce qui correspond à une longueur d'onde émise de 650 nm qui est la longueur d'onde des lasers pour DVD. Ce qui explique que les lasers rouges, et spécifiquement ceux pour les DVD, sont constitués par des alliages à base de phosphure déposés sur un substrat en GaAs, selon une technique appelée épitaxie.

La figure 2 montre la variation des discontinuités DES de bande de conduction et AFN de bande de valence d'une héterojonction.(AlyGal_y)o, 5Ino,5P / Gao,51no,5P en fonction de la teneur en Aluminium y. Il est à rappeler que l'échelle d'énergie est croissante vers le haut pour les électrons, et croissante vers le bas pour les trous. On note que la discontinuité de la bande de conduction est maximum pour y très voisin de 0,7, et que la valeur de ce maximum est de 250 meV environ.

La figure 3 montre les empilements des couches de semi-conducteurs d'une diode laser pour DVD selon l'art antérieur. D'après les informations tirées des figures 1 et 2 on peut déduire que la région active est constituée par une couche (1) de composition GaxIn1_xP avec x voisin de 0, 5 ( couche émettant des photons à 650 nm). Dans le cas où la région active est constituée par un seul puits quantique, la couche (1) est entourée de part et d'autre par des couches (3) et (4) de même composition (Aly,Gal_y')x'lnl_xÉP avec x' voisin de 0,5,et agissant en tant que barrières quantiques. La région active n'est pas dopée. La hauteur de la barrière pour les électrons est AEc et pour les trous AFN. La valeur de ces hauteurs de barrière dépend donc de la teneur en Aluminium y'. Le choix de la hauteur de barrière va être commenté ci- après avec la figure 4. Si la région active comporte plusieurs puits quantiques, ces derniers sont nommés (2) sauf le puits quantique situé le plus près de la zone dopée p de la jonction p-n et qui porte le numéro (1) . Plusieurs barrières (3) sont alors incorporées entre les puits. Dans ce qui va suivre la couche qui est nommée (4) est celle qui constitue la barrière la plus proche du côté p de la jonction p-n de la diode. Du fait de leur importance dans la présente invention, les couches (1) et (4) portent une numérotation différente des autres couches de la même catégorie. De part et d'autre de la région active se trouvent deux couches (6) et (7) servant de guide d'onde, et dont la composition est choisie la même que celle des couches barrières. La couche (6) est dopée de type n et la couche (7) de type p. De part et d'autre des couches (6) et (7) se trouvent deux couches de confinement dit de cladding (8) de type n et (9) de type p et dont la composition est (Aly"Gal_y,)o,5Ino,5P avec une teneur en Aluminium y" plus élevée que celle des couches (6) et (7) afin d'avoir un indice de réfraction plus faible.

La figure 4 montre la position schématique des bandes de conduction et de valence de l'empilement des couches décrites dans la figure 3 ci-dessus. Dans cette figure les épaisseurs des différentes couches sont représentées de manière schématique. Etant donné que l'indice de réfraction augmente continûment avec la teneur en Aluminium, mais que la discontinuité AEc de la bande de conduction passe par un maximum pour une teneur en Aluminium voisine de 0,7, l'optimal en composition d'Aluminium y" des couches de confinement (8) et (9) est de 0,7. En ce qui concerne les hauteurs de barrière des puits quantiques, c'est-à-dire les discontinuités de bande de conduction et de valence entre les couches (3) ou (4) et les couches (1) ou (2), l'intérêt est de les avoir les plus grandes possibles afin que les électrons et les trous situés dans les puits quantiques aient la plus faible probabilité de s'y échapper par effet thermique. Comme le renseigne la figure 2, l'intérêt est donc d'avoir pour les couches de barrière (3) et (4) une teneur en Aluminium la plus proche possible de 0,7. Cependant il ne faut pas que cette teneur en Aluminium soit trop grande afin de garder l'indice de réfraction composite de la région active supérieur à celui des guides d'onde (6) et (7), lui-même supérieur à celui des couches de confinement (8) et (9). Autrement dit, il y a un optimal pour la teneur en Aluminium y' des couches barrières et qui se situe vers 0,5. La figure 4 correspond à des teneurs en Aluminium optimisées tel que décrit l'art antérieur. On remarque que la discontinuité des bandes de conduction des puits (1) ou (2) et des barrières (3) ou (4) est de l'ordre de 180 meV.

La figure 5 montre les différents niveaux d'énergie dans un puits quantique. Les électrons occupent différents niveaux quantiques E1, E2, E3, étc... Les trous se scindent en deux catégories, trous lourds HH et trous légers LH. Ceux-ci occupent des niveaux HH1, HH2... LH1, LH2, étc... On note que le premier niveau quantique E1 se trouve, selon la largeur du puits quantique, à environ de 50 meV à 100 meV de la bande de conduction du puits quantique, c'est-à-dire à 130 meV et 80 meV respectivement de la bande conduction des barrières constituées par les couches (3) et (4). Les électrons qui peuplent le niveau E1 peuvent donc sous le double effet de la polarisation de la diode et de la température franchir la barrière (4).L'effet thermique est d'autant plus prononcé que le niveau E1 est plus élevé. Or ce niveau d'énergie est inversement proportionnel au carré de la largeur du puits quantique. Plus les puits quantiques sont minces, plus les niveaux quantiques sont élevés et plus la fuite d'électrons est importante. A niveaux quantiques élevés correspondent des longueurs d'onde émises courtes. Par conséquent, les lasers à courte longueur d'onde sont encore moins stables en température que les autres.

La figure 6 montre un autre mécanisme de fuite d'électrons qui se produit à l'interface du guide d'onde (7) et de la couche de confinement (9) de type p. La discontinuité de la bande de conduction à cette interface est faible, d'ordre de 70 meV. De plus la difficulté de doper fortement de type p l'alliage à forte teneur en Aluminium qui constitue la couche (9), rend faible la barrière de potentiel que, par effet thermique, les électrons franchissent pour aller se recombiner de manière non radiative dans la couche (9). Pour diminuer cet effet, on doit dans l'art antérieur, recourir à une incorporation dans la couche de confinement (9) d'une structure dite de multiples barrières quantiques dont l'efficacité chiffrée en terme d'accroissement de barrière de potentiel à franchir par les électrons, est de l'ordre de 50 mV (voir par exemple T. Takagi et al. IEEE J. Quantum Electronics vol 27, n 6, 1511-1519 (1991) : Design and Photoluminescence study on Multiquantum Barrier, ou P. Raisch et al. Appl. Phys. Lett. Vol 74, n 15, 2158-2160 (1999) : Investigations on the performance of multiquantum bariers in short wavelength (630 nm) AIGaInP laser diodes.) La figure 7 représente le schéma de bande de conduction d'une structure à multiples barrières quantiques selon l'art antérieur.

Malgré de perceptibles améliorations apportées par cette solution, les diodes lasers à 650 nm pour DVD, et celles à longueur d'onde plus courte doivent être encore plus stables en température pour satisfaire les besoins du marché.

Examinons le cas des DEL. Comme rappelé plus haut, les DEL de hautesperformances comportent aussi des puits quantiques (1) et (2), des barrières quantiques (3) et (4), et des couches de confinement (8) et (9). Par contre, les couches (6) et (7) ne sont pas nécessaires. Leur fonction, lorsqu'elles sont présentes, est de contribuer à confiner les porteurs.

La disponibilité de diodes DEL de différentes couleurs du rouge au bleu est une nécessité dans les affichages. Dans les diodes à base d'alliages AlGaInP les différentes longueurs d'onde sont obtenues, d'une part par une variation de largeur de puits quantique, et d'autre part par la substitution d'une fraction de Gallium par la même fraction d'Aluminium dans l'alliage des couches (1) et (2), qui a pour composition la formule générale (AlyGal_y)xlni_YP avec x voisin de 0,5 et y allant de 0 et 0,7. Pour y voisin de zéro la longueur d'onde de la diode correspond au rouge, et pour y voisin de 0,7 elle passe au vert. En utilisant pour barrières l'alliage (Al 'Gal_y')o,5Ino,5P, comme dans les lasers, on peut prendre pour y' des valeurs allant de 0,5 à la valeur limite 0,7. On remarque alors que plus on se rapproche du vert, plus les niveaux quantiques des électrons des puits (1) et (2) montent et se rapprochent de la bande de conduction des barrières (3) et (4). Le courant de fuite de la diode augmente donc pour les courtes longueurs d'onde. Ainsi les LED rouges et jaunes présentent des performances acceptables, quoique à äméliorer, mais les LED verts sont de médiocre qualité.

L'objet de la présente invention est de palier toutes les limitations précitées de l'art antérieur, en incorporant dans la structure du dispositif électroluminescent, au moins une couche supplémentaire entre la région active et la couche de cladding de type p afin de réduire la fuite des électrons vers la zone de type p de la diode, tout en laissant les trous se déplacer de la zone dopée p vers la région active.

L'invention sera mieux comprise à l'aide des figures allant de 8 à 18 et les commentaires qui les accompagnent.

La figure 8 représente la position relative en énergie des bandes de conduction et de valence des alliages AIGaInP en fonction de leur paramètre de maille cristalline, les énergies de référence étant celles de Gao,51no,5P. On remarque tout comme dans la figure 1, que A1P et GaP ont des paramètres de maille presque identiques, ainsi que leurs alliages respectifs ayant la même composition en Indium. On porte alors en abscisse en haut de la figure la teneur en Indium des alliages. La figure 8 montre que: l'énergie de la bande de valence augmente de manière linéaire en fonction de la teneur en Aluminium et varie peu avec la teneur en Indium, la situation de la bande de conduction est nettement plus compliquée du fait qu'il y a deux domaines. L'un d'entre eux concerne les matériaux pauvres en Indium et à bande interdite indirecte, l'autre concerne les matériaux riches en Indium, et à bande interdite directe, dans le domaine pauvre en Indium, l'énergie de la bande de conduction diminue de manière linéaire avec la teneur en Aluminium et varie peu avec la teneur en Indium, par contre, dans le domaine riche en Indium, l'énergie de la bande de conduction augmente avec la teneur en Aluminium et baisse très fortement quand la concentration en Indium augmente. Cette variation est représentée sur la figure 8 comme étant linéaire. Cette approximation est valable à quelques meV prés dans le petit intervalle de composition considéré. L'intersection de ces deux domaines a lieu à une concentration en Indium qui varie avec la teneur en Aluminium, on peut donner une expression mathématique simple et pratique mais approximative, qui relie les concentrations d'Indium et d'Aluminium des alliages (AlZGa1_z,) In1.uP dont la bande de conduction se trouve aux points d'intersection des deux domaines, bande interdite indirecte et bande directe. En prenant une relation linéaire, et utilisant deux points d'intersection limites bien connus, le premier étant l'alliage sans Aluminium pour lequel la teneur en Indium est 0,3 environ, le deuxième étant l'alliage avec une teneur en Aluminium de 0,7 pour lequel le teneur en Indium est 0,5 environ, on trouve pour les points intersection la relation 1-u = 0,3 + 0,286 z (équation 1) on peut donc donner une relation linéaire entre l'énergie de la bande de conduction des alliages se trouvant à ces points d'intersection, et leur concentration en Indium, en prenant comme référence en énergie, celle de Gao,5lno,5P.

Energie Ee (meV) = 250 + 650 (0,5 (1-u)) (équation 2) Ces propriétés exceptionnelles sont utilisées avantageusement dans la présente invention pour améliorer la stabilité thermique des diodes lasers et des DEL, en procédant de plusieurs façons qui vont être explicitées dans ce qui va suivre. Considérons d'abord le cas des diodes lasers.

Un premier perfectionnement consiste à substituer la couche (4) par une couche (10) de composition (AIZGa1_Z) In1_ P où la teneur en Aluminium z et celle en Indium 1-u suivent l'équation 1. En utilisant l'équation 2, on déduit que cette couche (10) présente avec la couche (1) une discontinuité de bande de conduction nettement plus élevée que n'en présente la couche (4). Par exemple, pour z égal à 0, 0,25 et 0,5, cette discontinuité est respectivement égale à 380, 335 et 290 meV, à comparer avec 180 meV qui correspond au cas où la couche (4) est utilisée. L'alliage qui a la composition déterminée par l'équation 1, présente un paramètre de maille plus petit que celui du substrat GaAs. Lorsque l'on dépose la couche (10) par épitaxie, cette dernière est sous contrainte tensile, c'est-à-dire que sa maille cristalline cubique se déforme en tétragonale de façon à ce que, dans le plan de l'épitaxie, son paramètre de maille se dilate pour épouser celui sur lequel elle est déposée, et que la direction perpendiculaire le paramètre de maille, au contraire, se contracte. Mais cette contraction ne permet pas à la maille cristalline de garder tout à fait son volume. Il en résulte que le volume de la maille cristalline le la couche (10) sous contrainte tensile est un peu plus grand que celui de l'alliage libre de contrainte. Par conséquent, l'énergie de la bande interdite de la couche (10) est inférieure à celle de l'alliage libre de contrainte, de même la discontinuité de la bande de conduction entre la couche (10) et la couche (1) est inférieure à celle de l'alliage libre de contrainte. La réduction de l'énergie de la bande interdite, exprimée en valeur relative, est de l'ordre de deux fois le désaccord de paramètre de maille, exprimé en valeur relative. Autrement dit, sous contrainte tensile les valeurs de discontinuité citée plus haut de 380, 335 et 290 meV se réduisent à 320, 300 et 275 meV environ; ce qui reste notablement plus élevé que 180 meV correspondant à la couche (4). La couche (10) constitue donc une barrière plus efficace contre le courant de fuite dû au déplacement des électrons des puits quantiques (1) et (2) vers le guide d'onde (7). Notons deux caractéristiques le couche (10) son épaisseur ne doit pas dépasser une certaine valeur au-dessus de laquelle les contraintes se relâchent; apparaissent alors dans la couche (10) des dislocations très nuisibles au bon fonctionnement du composant électronique. Cette valeur critique de l'épaisseur à ne pas dépasser dépend de l'écart des paramètres de maille, et est de l'ordre de 10 à 30 nm pour un écart de paramètre de maille respectivement de 1 à 0,5%.

compte tenu de cette faible épaisseur, la substitution de la couche (4) par la couche (10) de composition voisine n'apporte pas de modification notable de l'indice de réfraction composite du guide d'onde dont l'épaisseur dépasse 100 nm.

La figure 9 représente les niveaux des bandes de valence et de conduction d'une structure de diode laser selon l'invention, dans laquelle la concentration en Aluminium de la couche (10) est prise pour illustration, égale à la valeur limite z = 0,5. Dans cette figure et celles qui suivent de 10 à 18, les épaisseurs des couches sont indicatives, et ne respectent pas l'échelle. L'important est l'échelle des énergies., Pour l'alliage avec la composition limite z = 0,5, l'alignement énergétique des bandes de valence entre les couches (10) et (7) est à quelques meV près, le déplacement des trous de la couche (9) vers la région active est donc favorable. Par contre la couche (10) forme une barrière quantique avec la couche (1) de hauteur d'environ 275 meV. Les électrons sont donc confinés dans la région active grâce à cette haute barrière de potentiel. Dans l'exemple choisi pour la figure 9, le niveau E, est placé à 80 meV de la barrière (3), donc à 175 meV de la barrière (10). Dans l'art antérieur le niveau El est à 80 meV de la barrière (4). Le perfectionnement selon l'invention permet alors de gagner en énergie de barrière, un facteur supérieur à deux par rapport à l'art antérieur.

Les alliages avec z supérieur à 0,5 sont sans intérêt, car la discontinuité de bande de conduction est faible et celle de la bande de valence constitue une barrière pour le déplacement des trous de la couche (9) vers la région active.

La figure 10 représente les niveaux des bandes de valence et de conduction d'une structure de diode laser selon l'invention, dans laquelle la couche (10) a pour teneur en Aluminium l'autre valeur limite z = 0 (dont l'épaisseur est inférieure à 10 nm environ, comme rappelé ci- dessus). Pour cet alliage, la bande de valence de la couche (10) est plus basse que celle de la couche (1) d'une valeur de 30 meV environ. L'ensemble des couches (10) et (1) forme donc vis-à-vis des trous, un puits quantique composite dont la largeur est la somme des épaisseurs des deux couches.

Un deuxième perfectionnement selon l'invention consiste à placer la couche (10) entre la couche (4) et la couche (7).

La figure 11 représente les niveaux des bandes de valence et de conduction d'une structure de diode laser selon le deuxième perfectionnement, dans laquelle la couche (10) est choisie pour illustration avec une concentration en Aluminium z = 0. Il est à remarquer que les trous provenant de la couche (9) se déplacent jusqu'à la région active sans barrière de potentiel à franchir comme dans le cas de la figure 10. La bande de valence correspondant à la couche (10) forme un puits quantique qui ne participe que faiblement aux recombinaisons radiatives car la bande de conduction correspondante ne présente pas de puits quantique. Mais ce léger handicap, qui est lié au choix pour la couche (10) de la teneur en Aluminium z = 0, est compensé par une forte hauteur de barrière aux électrons, créée par cette même couche.

Les perfectionnements précités s'appliquent aussi dans les cas où la composition des p.uits quantiques (1) et (2) diffère de Gao,51no,5P. En particulier la teneur en Indium peut être légèrement supérieure ou inférieure à 0,5, les couches (1) et (2) étant alors sous contrainte afin d'améliorer le courant de seuil du laser. On peut aussi substituer une faible fraction de Gallium par de l'Aluminium afin d'avoir des alliages présentant des énergies de bande interdite plus élevées donc des longueurs d'onde plus courtes. Dans ce cas, la discontinuité de la bande de conduction entre barrières et puits quantiques devient plus faible. L'adjonction de la couche (10) qui rehausse la barrière pour les électrons devient encore plus avantageuse.

Un troisième perfectionnement selon l'invention consiste à placer la couche (10) entre le guide d'onde (7) et la couche (9). Comme il a été rappelé à la figure 6, les électrons, par effet thermique, peuvent franchir la barrière que constitue la couche (9), car la discontinuité de la bande de conduction y est faible (70meV). L'intercalation de la couche (10) entre la couche (7) et la couche (9) offre une barrière plus forte que 70 meV.

La figure 12 représente les niveaux des bandes de valence et de conduction d'une structure de diode laser selon le troisième perfectionnement de l'invention, dans laquelle la teneur en Aluminium z de la couche (10) est prise pour illustration égale à la valeur limite 0, 5. La barrière crée par la couche (10) est de 95 meV. En ce qui concerne le déplacement des trous de la couche (9) vers la région active, la présence de la couche (10) ne crée pas de perturbation puisque la bande de valence de la couche (10) se trouve à un niveau sensiblement égal à celui de la couche (7).

La figure 13 représente les niveaux des bandes de valence et de conduction d'une structure de diode laser selon le troisième perfectionnement de l'invention dans laquelle la teneur en Aluminium z de la couche (10) est prise égale à l'autre valeur limite zéro. La barrière aux électrons créée par la couche (10) est égale à 140 meV, soit le double de l'art antérieur. On remarque que la couche (10) forme un puits quantique de trous qui ne participe pas aux recombinaisons radiatives. Mais ce léger handicap est compensé par une forte barrière aux électrons.

Un quatrième perfectionnement selon l'invention consiste à placer la couche (10) entre le guide d'onde (7) et la couche (9), cette dernière comportant de multiples barrières quantiques. On adopte pour ces multiplesbarrières quantiques les structures connues de l'art antérieur.

La figure 14 représente les niveaux des bandes de valence et de conduction d'une structure de diode laser selon le quatrième perfectionnement de l'invention dans laquelle la teneur en Aluminium z de la couche (10) est prise pour illustration égale à zéro. La barrière aux électrons que représente la couche (10) se trouve à 70 meV de la bande de conduction de la couche (9). Elle rend plus efficace l'effet des multiples barrières quantiques.

Un cinquième perfectionnement selon l'invention consiste à utiliser pour les multiples barrières quantiques des alliages définis par l'équation 1, les puits quantiques associés à ces barrières étant définis par des couches en Gao,51no,5P.

La figure 15 représente les niveaux de bande de valence et de conduction d'une structure de diode laser selon le cinquième perfectionnement de l'invention utilisé conjointement avec le troisième perfectionnement dans laquelle la teneur en Aluminium z des barrières est choisie pour illustration, égale à 0,25. L'amélioration par rapport à l'art antérieur est de 25 meV, ce qui se rajoute aux 50 meV résultant de l'effet quantique des multiples barrières rapporté dans les articles de T. Takagi et al. et de P. Raisch et al. cités plus haut dans les commentaires de la figure 6.

Un sixième perfectionnement selon l'invention consiste à utiliser pour les multiples barrières quantiques des alliages (AlZGa1_Z) Ini_ P définis par l'équation 1, les puits associés à ces barrières étant définis par des couches de composition (Alz,Gai-Z )o,5Ino,5P avec z' compris entre 0,5 et 0,7 environ, de telle manière que la bande de valence de ces dernières forment des barrières vis-à-vis des trous, alors qu'elles forment des puits vis-à-vis des électrons.

La figure 16 représente les niveaux de bande de valence et de conduction d'une structure de diode laser selon le sixième perfectionnement de l'invention utilisé conjointement avec le troisième perfectionnement dans laquelle les teneurs en Aluminium z et z' sont choisies pour illustration, respectivement égales à zéro et 0,7. On remarque que les puits quantiques de trous sont de grande profondeur, et risquent de gêner le déplacement des trous. Mais en prenant soin d'avoir de très faible largeur de puits quantiques de trous, inférieure au nanomètre, les niveaux quantiques de trous remontent vers le bord des barrières. Ainsi, le déplacement des trous n'est pas gêné.

Selon l'invention, il est avantageux d'associer le premier ou le deuxième perfectionnement au troisième perfectionnement, ou au quatrième, ou cinquième, ou sixième perfectionnement. Dans ce cas il n'est pas nécessaire d'utiliser la même composition pour toutes les couches intercalaires. Il est nécessaire cependant que l'épaisseur globale de toutes les couches intercalaires soit inférieure à l'épaisseur critique au-dessus de laquelle les contraintes se relâchent et laissent apparaître des dislocations d'interface.

Considérons maintenant le cas des DEL.

La figure 17 représente les niveaux de bande de valence et de conduction d'une structure de DEL émettant dans le vert, selon l'art antérieur. Dans cette structure prise comme exemple, les puits quantiques (1) et (2) sont constitués par des alliages (Al)(Gai-x)o,5Jno,5P avec x voisin de 0,3. Les barrières quantiques (3) et (4) et les couches de confinement (6) et (7) sont constitués par des alliages (Alx>Gal-0o,5Ino,5P avec x' voisin de 0,5. Un plus important confinement est assuré par les couches (8) et (9) de composition (Alx,>Gat_x>>)o,5Ino,sP avec x" voisin de 0,7. A l'aide des figures 2 et 5 on déduit que le premier niveau quantique E1 se trouve à une dizaine de meV des barrières quantiques. Sous polarisation de la diode, cette faible barrière laisse fuir les électrons de la région active vers les couches de confinement dopées de type p où ils sont perdus pour les recombinaisons radiatives. Et cette fuite est encore plus importante lorsque les électrons sont activés thermiquement. Les performances de la diode se dégradent alors fortement avec la température.

La figure 18 représente les niveaux de bande de valence et de conduction d'une structure DEL selon l'invention où la couche (10) se substitue à la couche (4), les autres couches ayant les mêmes compositions que dans la figure précédente. Avec une couche (10) ayant une teneur en Aluminium z inférieure à 0,5 une barrière aux électrons d'une centaine de meV se crée, alors que les trous se déplacent de la couche de confinement de type p vers la région active sans rencontrer de barrière. Le courant de fuite dû aux électrons franchissant la barrière est donc abaissé, permettant ainsi à la diode d'avoir une bonne stabilité de ses performances quand la température augmente.

Notons que la présence des couches (6) et (7) n'est pas nécessaire dans des DEL.

On peut aussi intercaler la couche (10) entre la couche (4) et la couche (7) lorsque celle-ci est présente, ou entre la couche (4) et la couche (9) lorsque la couche (7) n'est pas présente.

On peut aussi intercaler la couche (10) entre la couche (7) et la couche (9) lorsque celle-ci est présente, ou entre la couche (1) et la couche (9) lorsque la couche (7) n'est pas présente.

L'exemple d'une diode DEL verte a été pris pour illustrer les perfectionnements selon l'invention, mais ces perfectionnements sont aussi applicables aux diodes jaunes ou rouges.

Claims (25)

Revendications

1. Un dispositif électroluminescent à base d'alliages de phosphure d'Aluminium, de Gallium et d'Indium, ayant dans la région active un ou plusieurs puits quantique (1) et (2), et plusieurs barrières quantiques (3) et (4), comportant entre la région active et la couche de confinement (9) de type p, au moins une couche (10) formant avec les électrons une barrière énergétique destinant à réduire les fuites de ces électrons de la région active vers la couche de confinement (9) sous l'effet de la polarisation électrique et de la température, et caractérisé en ce que la couche (10) est constituée par un alliage de composition (AlZGa1_Z)ulnl_ P avec z inférieur à 0,5 environ et u lié à z par une relation proche de 1-u = 0,3 + 0,286 z définissant l'intersection des domaines où cet alliage change de bande interdite directe à bande indirecte.

2. Le dispositif électroluminescent selon la revendication 1 est une diode laser caractérisée en ce que deux guides d'onde (6) et (7) respectivement de type n et p sont placés respectivement entre la couche (8) de type n et la région active, et entre la couche (9) de type p et la région active, et en ce que la couche (10) est placée entre le puits quantique (1), celui se trouvant la plus proche de la zone p, et la couche (7).

3. Le dispositif électroluminescent selon la revendication 1 est une diode laser caractérisée en ce que deux guides d'onde (6) et (7) respectivement de type n et p sont placés respectivement entre la couche (8) de type n et la région active, et entre la couche (9) de type p et la région active, et en ce que la couche (10) est placée entre la couche (4) qui constitue la barrière quantique la plus proche de la zone p, et la couche (7).

4. Le dispositif électroluminescent selon la revendication 1 est une diode laser caractérisée en ce que deux guides d'onde (6) et (7) respectivement de type n et p sont placés respectivement entre la couche (8) de type n et la région active, et entre la couche (9) de type p et la région active, et en ce que la couche (10) est placée entre la couche (7) et la couche (9).

5. Le dispositif électroluminescent selon la revendication 1 est une diode laser caractérisée en ce que deux guides d'onde (6) et (7) respectivement de type n et p sont placés respectivement entre la couche (8) de type n et la région active, et entre la couche (9) de type p et la région active, en ce que, est insérée dans la couche (9), une structure à multiples barrières quantiques constituée par une succession de couches très minces, de l'ordre du nanomètre, et alternées de couches (10) et de couches de composition Gao,5Ino,5P.

6. Le dispositif électroluminescent selon la revendication 4 est une diode laser caractérisée en ce que deux guides d'onde (6) et (7) respectivement de type n et p sont placés respectivement entre la couche (8) de type n et la région active, et entre la couche (9) de type p et la région active, et en ce que, est insérée dans la couche (9), une structure à multiples barrières quantiques constituée par une succession de couches très minces, de l'ordre du nanomètre, et alternées de couches (10) avec z voisin de zéro et de couches de composition (AlX Gal,,,)o, 51no,5P avec x" compris entre 0,5 et 0,7.

7. Le dispositif électroluminescent selon la revendication 4 est une diode laser caractérisée en ce qu'elle comporte en plus, insérée dans la couche (9), une structure à multiples barrières quantiques constituée par une succession de couches très minces, de l'ordre du nanomètre, et alternées de couches de composition Gao,51no,5P et de couches de composition (Alo,7Gao,3)o,51no,5PÉ

8. Le dispositif électroluminescent selon la revendication 4 est une diode laser caractérisée en ce qu' elle comporte en plus, de multiples barrières quantiques telles que décrites dans la revendication 5.

9. Le dispositif électroluminescent selon la revendication 4 est une diode laser caractérisée en ce qu'elle comporte en plus, de multiples barrières quantiques telles que décrites dans la revendication 6.

10. Le dispositif électroluminescent selon la revendication 2 est une diode laser caractérisée en ce qu'elle comporte en plus, la couche (10) telle que décrite dans la revendication 4, et en ce que la composition de cette dernière couche peut être différente de celle de la couche placée entre le puits (1) et le guide d'onde (7).

11. Le dispositif électroluminescent selon la revendication 3 est une diode laser caractérisée en ce qu' elle comporte en plus, la couche (10) telle que décrite dans la revendication 4, et en ce que la composition de cette dernière couche peut être différente de celle de la couche placée entre la barrière (4) et le guide d'onde (7).

12. Le dispositif électroluminescent selon la revendication 2 est une diode laser caractérisée en ce qu'elle comporte en plus, de multiples barrières quantiques telles que décrites dans la revendication 5.

13. Le dispositif électroluminescent selon la revendication 3 est une diode laser caractérisée en ce qu'elle comporte en plus, de multiples barrières quantiques telles que décrites dans la revendication 5.

14. Le dispositif électroluminescent selon la revendication 2 est une diode laser caractérisée en ce qu'elle comporte en plus, de multiples barrières quantiques telles que décrites dans la revendication 6.

15. Le dispositif électroluminescent selon la revendication 3 est une diode laser caractérisée en ce qu'elle comporte en plus, de multiples barrières quantiques telles que décrites dans la revendication 6.

16. Le dispositif électroluminescent selon la revendication 9 est une diode laser caractérisée en ce qu'elle comporte en plus de multiples barrières quantiques telles que décrites dans la revendication 5.

17. Le dispositif électroluminescent selon la revendication 10 est une diode laser caractérisée en ce qu'elle comporte en plus, de multiples barrières quantiques telles que décrites dans la revendication 5.

18. Le dispositif électroluminescent selon la revendication 9 est une diode laser caractérisée en ce qu'elle comporte en plus, de multiples barrières quantiques telles que décrites dans la revendication 6.

19. Le dispositif électroluminescent selon la revendication 10 est une diode laser caractérisée en ce qu'elle comporte en plus, de multiples barrières quantiques telles que décrites dans la revendication 6.

20. Le dispositif électroluminescent selon la revendication 7 est une diode laser caractérisée en ce qu' elle comporte en plus, une barrière quantique telle que décrite la revendication 2.

21. Le dispositif électroluminescent selon la revendication 7 est une diode laser caractérisée en ce qu'elle comporte en plus, une barrière quantique telle que décrite la revendication 3.

22. Le dispositif électroluminescent selon la revendication 1 est une diode électroluminescente caractérisée en ce que la couche (10) est placée entre le puits quantique (1) et la couche de confinement (9).

23. Le dispositif électroluminescent selon la revendication 1 est une diode électroluminescente caractérisée en ce que la couche (10) est placée entre la barrière quantique (4) et la couche de confinement (9).

24. Le dispositif électroluminescent selon la revendication 1 est une diode électroluminescente caractérisée en ce qu'elle comporte une couche de confinement (7) de type p intercalée entre la couche (9) et la région active, et en ce que la couche (10) est placée entre le puits quantique (1) et la couche de confinement (7).

25. Le dispositif électroluminescent selon la revendication 1 est une diode électroluminescente caractérisée en ce qu'elle comporte une couche de confinement (7) de type p intercalée entre la couche (9) et la région active, et en ce que la couche (10) est placée entre la barrière quantique (4) et la couche de confinement (9).