WO1990006608A1 - Procede de realisation de lasers semi-conducteurs et lasers obtenus par le procede - Google Patents

Procede de realisation de lasers semi-conducteurs et lasers obtenus par le procede Download PDF

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WO1990006608A1
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optical cavity
active medium
zones
axis
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PCT/FR1989/000629
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Claude Weisbuch
Baudouin De Cremoux
Jean-Paul Pocholle
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Thomson-Csf
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/005—Processes
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
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    • Y10S148/00—Metal treatment
    • Y10S148/095—Laser devices

Definitions

  • the present invention relates to the methods of producing semiconductor lasers and the lasers thus produced.
  • a semiconductor laser is essentially constituted by an active medium of crystalline type based, for example, on Gallium Arsenide, on which an electrical energy called “pumping" is applied, by means of two electrodes respectively located on the side and on the other of the crystalline material.
  • the active medium is placed, as for all lasers, in a resonant optical cavity formed by two reflecting mirrors, at least one of which is partially transparent to allow the light energy stimulated inside the optical cavity to emerge from this cavity.
  • the mirrors of the optical cavity are formed, for example, of multi-dielectric layers placed directly on the crystalline active material.
  • This method of producing the elements of a resonant optical cavity is moreover conventional and well known.
  • the groove there are then, by any means, two different kinds of material, laterally surrounding the column and in contact with at least the second set of layers, which produces the two electrodes.
  • These two materials are, for example, P-type and N-type semiconductor materials respectively, such as Gallium Arsenide and Aluminum doped with Zinc and Silicon, respectively.
  • the two materials fill the groove by flush with the upper level of the third set of layers and, on their surface flush with this level, are respectively secured two conductors of electrical energy making an ohmic contact, for example based on Gold, Zinc, Nickel or Germanium.
  • This technique gives good results as regards the production of a laser element on a substrate. It nevertheless has certain drawbacks, essentially of a financial nature, due to the large number of operations it requires, and in terms of size, since it is difficult to produce grooves of very small dimensions which are suitable receiving the materials to constitute the electrodes for supplying electrical energy. It is therefore limited to being able to implant on a substrate of given dimensions only a relatively small number of laser elements, which is inconvenient for obtaining a wide laser beam, both dense and homogeneous.
  • the object of the present invention is to overcome the drawbacks mentioned above and to implement a process for producing semiconductor lasers which makes it possible to lower their cost price, and which allows integration, on a substrate of dimensions data, of a number of laser optical cavities in higher density than that allowed by the techniques known to date.
  • the subject of the present invention is a method for producing semiconductor lasers, characterized in that it consists in: producing a layer of an active semiconductor laser medium having transverse dimensions greater than those of the medium active laser to obtain, to achieve a resonant optical cavity associated with said layer, said cavity being formed so that its optical axis is substantially perpendicular to the plane in which said transverse dimensions are defined, to be placed on at least part of the surface of said layer, first and second zones of impurity materials of opposite polarities, to diffuse in a part of said active medium at least a part of the two said impurity materials, to produce in said layer substantially a cylinder of axis substantially parallel to said axis of said optical cavity and formed of two substantially semi-cylindrical half-shells indric respectively of impurities diffused from opposite polarities, and to connect two conductors of electrical energy, respectively to the two half-shells.
  • the present invention also relates to a semiconductor laser obtained by the method according to the invention, characterized in that it comprises a resonant optical cavity, an active laser medium associated with said optical cavity, said active medium comprising two half -shells of impurities diffused with opposite polarities on, respectively, at least two portions of its lateral surface, and two conductors of electrical energy supply respectively connected to the two said half-shells.
  • FIGS. 1A and 1B show, respectively in section and in perspective, a diagram of an embodiment of a semiconductor laser according to the invention, making it possible to explain a first embodiment of the method according to the invention
  • the FIG. 2 represents, seen in section and in perspective, a diagram of an embodiment of a semiconductor laser making it possible to explain a second embodiment of the method according to the invention
  • FIGS. 1A and 1B show, respectively in section and in perspective, a diagram of an embodiment of a semiconductor laser according to the invention, making it possible to explain a first embodiment of the method according to the invention
  • the FIG. 2 represents, seen in section and in perspective, a diagram of an embodiment of a semiconductor laser making it possible to explain a second embodiment of the method according to the invention
  • FIG. 3 represents, as an application, a set of semiconductor lasers integrated on the same support substrate making it possible to obtain a light beam of a large and relatively dense and homogeneous diameter.
  • the process for producing semiconductor lasers according to the invention consists, in a first step illustrated in FIG. 1A, of producing a layer 1 of an active semiconductor laser medium, advantageously on a support substrate 13, of transverse dimensions higher than those of the active laser medium when the laser is completed.
  • this active medium consists of a stack of thin layers of Gallium arsenide and Gallium arsenide and Aluminum.
  • a resonant optical cavity 2 having an optical axis direction 3 substantially perpendicular to the plane in which the transverse dimensions of the layer 1 are defined.
  • This cavity is formed of two mirrors obtained, for example, by the deposition of a layer of dielectric material on each of the two opposite faces 4, 5 of., the layer of medium a . ctif respectively contained in two planes parallel to that in which the transverse dimensions are defined.
  • the first step defined above can be carried out as follows: In a suitable reactor, sequential deposition of epitaxial layers is carried out, in the following order taking as reference the upper face of the base substrate 13 which serves as a support: production of a first so-called “lower” mirror, deposition of the active medium on this first mirror, and deposition of the second so-called “upper” mirror which, associated with the first, forms the cavity resonant optics.
  • the active medium like mirrors, can consist of a set of thin layers of semiconductors.
  • the preferred materials are from the family of GaAIAs / GaAs or from the family of GalnAsP / InP.
  • the mirrors are obtained, for example, by stacking semiconductor layers of alternating indices or of different indices.
  • these two impurity zones 6, 7 are implanted indirectly on the face 5 perpendicular to the optical axis 3 opposite to the face 4 in contact with the support substrate 13, through the upper mirror of the optical cavity .
  • the next step in the process in this case the third, consists in diffusing the materials of the two impurity zones 6, 7 into the active laser medium, in order to produce in the first layer 1, as illustrated in FIG. 1B, substantially a cylinder 8 with an axis parallel to the optical axis 3 of the resonant optical cavity 2.
  • This cylinder 8 consists of two half-shells 9, 10 of diffused impurities of opposite polarities and delimiting a column 11 of the active semiconductor laser medium.
  • the diffusion of the materials " of impurities in the layer 1 is carried out so that the height of the cylinder 8 is- substantially equal to the thickness of the layer of active medium taken between its two external faces 4, 5 perpendicular to the axis optical 3.
  • the diffusion is obtained by heat treatment, for example by subjecting the assembly to a temperature of the order of 450 degrees C. for approximately 30 minutes, using the example of implementation advantageous given above, the depth of the diffusion of the impurity atoms in the epitaxial structure is between one and ten microns.
  • the two zones of impurity materials of opposite polarities are arranged on one face of the layer of active medium perpendicular to the optical axis of the resonant cavity.
  • the next step of the method then consists in placing on two portions of the cylindrical peripheral surface 23 of the column 21, respectively two impurity zones of opposite polarities 24, 25.
  • This second embodiment of the method makes it possible to obtain higher resonant cavity heights than those obtained with the first mode described above. It is more advantageous to obtain semiconductor lasers having large transverse dimensions.
  • the thickness of the half-shells widens away from the level of the first and second zones of impurities, which can lead to an increasing harmful lateral congestion.
  • the lateral widening of the half-shells described above is avoided, because it it is then possible to carry out a diffusion of the impurities in the active medium.
  • the impurities are doping atoms of type "P" or "N", for example atoms of Zinc or of
  • the constituent elements of the semiconductors are Gallium (Ga), Aluminum (Al) and Arsenic (As) for the materials of the family GaAIAs / GaAs, and Gallium, Indium (In), Arsenic and Phosphorus (P) for those of the GaAsInP / InP family.
  • the concentration of these constituent elements can take any value between 0 and 0.5, provided that there are as many atoms in column III of the classification of elements (Ga, Al, In) as there are in column V (As, P).
  • the interdiffusion of the main constituent elements of the axial epi layers More specifically, in this case, it is the process of interdiffusion assisted by the diffusion of impurities, during which the constituent elements of the layers are mixed when the impurities are diffused therein.
  • ⁇ , 100 A thin layers
  • compositions for example: GaAs / AlAs / GaAs / AlAs / ...)
  • the advantage of this process implemented for the production of the half-shells as shown in FIGS. 1B and 2 is that, as regards the lasers according to the invention, the disordered alloy has advantageous properties compared to those of the superalloy.
  • the thickness of each of the thin layers which constitute the active region e is small, typically less than 100 A, while it this is not the case for the mirrors of the optical cavity.
  • These diffusion and inter-diffusion are for example obtained by heating by means of electromagnetic radiation 26 like that given by a laser or the like, radiation of this type can easily plunge into the groove 22 in an oblique direction relative to the surface.
  • lateral cylindrical 23 are for example obtained by heating by means of electromagnetic radiation 26 like that given by a laser or the like, radiation of this type can easily plunge into the groove 22 in an oblique direction relative to the surface.
  • the widening of the thickness of the half-shells during the diffusion according to the first mode of implementation of the method can be limited by subjecting the layer of active laser medium to lateral stresses oriented towards the center of the active medium , that is to say substantially towards the optical axis of the resonant cavity and in such a way that the resultant of the pressure forces is substantially zero or parallel to this optical axis.
  • FIG. 3 represents, as an advantageous application of the implementation of the method, a plurality of semiconductor lasers of the "laser diode" type 31, 32, 33 ... juxtaposed one beside the other in such a way that the mirrors of their resonant cavities are all substantially located in two same planes 34, 35 and that their optical axes 36, 37, 38, • .. are parallel.
  • the active medium 40 is produced on a substrate 41 which serves as a support for all of the diodes.
  • the laser diodes illustrated in FIG. 3 were produced according to the first embodiment of the method described above, that is to say from the implantation of two zones 41, 42 of impurities of polarities opposite on one of the two faces of the active medium perpendicular to all of the optical axes of the different cavities of the laser diodes, more particularly on the face opposite to that which is close to or in contact with the support substrate.
  • a set of laser diodes juxtaposed one beside the other could also be obtained by the second mode. implementing the method described with reference to FIG. 2.

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Abstract

La présente invention concerne les procédés de réalisation de lasers semi-conducteurs. Le procédé selon l'invention se caractérise essentiellement par le fait qu'il consiste à réaliser une couche (1) d'un milieu actif semi-conducteur laser, à réaliser une cavité optique (2) associée à cette couche, à disposer, sur au moins une partie de la surface de la couche, des première (6) et deuxième (7) couches de matériaux d'impuretés de polarités opposées, à faire diffuser dans le milieu actif au moins une partie des deux matériaux d'impuretés pour réaliser dans la première couche un cylindre (8) d'axe sensiblement parallèle à l'axe de la cavité optique et formé de deux demi-coquilles (9, 10) semi-cylindriques d'impuretés de polarités opposées diffusées, et à relier deux conducteurs (12) de l'énergie électrique, respectivement aux deux demi-coquilles. Application à la réalisation d'une pluralité de diodes laser sur un même substrat support, pour donner naissance à un faisceau laser unique homogène et dense.

Description

Procédé de réalisation de lasers semi-conducteurs et Lasers obtenus par le procédé
La présente invention concerne les procédés de réalisation des lasers semi-conducteurs et les lasers ainsi réalisés.
Un laser semi-conducteur est essentiellement constitué par un milieu actif de type cristallin à base, par exemple, d'Arséniure de Gallium, sur lequel est appliquée une énergie électrique dite "de pompage", au moyen de deux électrodes respectivement situées de part et d'autre du matériau cristallin.
Par ailleurs, pour obtenir la stimulation de l'énergie de rayonnement optique, le milieu actif est placé, comme pour tous les lasers, dans une cavité optique résonnante formée de deux miroirs réfléchissants, dont l'un au moins est partiellement transparent pour permettre à l'énergie lumineuse stimulée à l'intérieur de la cavité optique d'émerger de cette cavité.
Dans le domaine des lasers semi-conducteurs, les miroirs de la cavité optique sont formés, par exemple, de couches multi- diélectriques placées directement sur le matériau actif cristallin. Ce procédé de réalisation des éléments d'une cavité optique résonnante est d'ailleurs classique et bien connu. Il en existe cependant d'autres, par exemple l'empilement de couches semi-conductrices intégrées dans la structure même du cristal ou du substrat qui supporte le cristal.
Les techniques actuelles permettent assez bien de respecter toutes ces caractéristiques, mais il existe encore un certain nombre de problèmes, notamment pour disposer sur le milieu actif les électrodes d'amenée de l'énergie électrique de pompage. Ce problème se pose plus particulièrement dans le cas où une pluralité de milieux actifs sont implantés sur un seul substrat de base, les uns à côté des autres essentiellement dans le but d'obtenir une pluralité de faisceaux lumineux ayant des directions d'émission sensiblement parallèles, d'autant plus que, pour obtenir un faisceau composite équivalent à un faisceau unique relativement dense et homogène, il est: impératif que les milieux actifs soient disposés les uns à côté des autres, le plue serré possible et de façon que les axes des cavités résonnantes soien -tous orientés sensiblement perpendiculairement à la surface par laquelle doit être émis le faisceau. Le problème posé est alors la réalisation des électrodes d'amenée de l'énergie électrique, sachant que ces électrodes ne peuvent être disposées que sur la face sur laquelle affleure au moins l'un des deux miroirs de la cavité optique.
On connaît déjà une réalisation de lasers semi-conducteurs dans laquelle l'amenée de l'énergie électrique se fait sensiblement dans le plan de l'un des miroirs de la cavité optique du laser. Cette réalisation est obtenue de la façon suivante. On commence par déposer, sur un substrat support, un premier ensemble de couches constituant un premier miroir de la cavité optique. Sur ce premier ensemble de couches, on dépose par épitaxie un deuxième ensemble de couches cristallines, par exemple de l'Àrséniure de Gallium, sur une épaisseur égale à celle qui est nécessaire pour obtenir le milieu actif laser voulu, puis un troisième ensemble de couches, par exemple multi- diélectrique, constituant le deuxième miroir de la cavité optique, les dimensions latérales, longueur et largeur, de ces trois ensembles de couches étant supérieures à celles du laser semi-conducteur tel que devant être obtenu en final.
Cet empilement multi-couche étant' terminé, on creuse une gorge circulaire connue par les hommes de.1' rt sous le terme de "mesa", en enlevant une partie des deux ou trois ensembles de couches pour réaliser en quelque sorte une colonne.
Dans la gorge, on dispose ensuite, par tous moyens, deux sortes de matériaux différents, en entourant latéralement la colonne et au contact au moins du deuxième ensemble de couches, ce qui réalise les deux électrodes. Ces deux matériaux sont, par exemple, des matériaux semi-conducteurs respectivement de type P et de type N, comme de l'Arséniure de Gallium et d'Aluminium dopé respectivement avec du Zinc et du Silicium. Les deux matériaux emplissent la gorge en affleurant au niveau supérieur du troisième ensemble de couches et, sur leur face affleurant à ce niveau, sont respectivement solidarisée deux conducteurs de l'énergie électrique réalisant un contact ohmique, par exemple à base d'Or, de Zinc, de Nickel ou de Germanium.
Cette technique donne de bons résultats quant à la réalisation d'un élément laser sur substrat. Elle présente malgré tout certains inconvénients, essentiellement d'ordre pécuniaire, du fait du nombre important d'opérations qu'elle nécessite, et sur le plan de l'encombrement, car il est difficile de réaliser des gorges de très petites dimensions qui soient aptes à recevoir les matériaux devant constituer les électrodes d'amenée de l'énergie électrique. On se trouve donc limité à ne pouvoir implanter sur un substrat de dimensions données qu'un nombre d'éléments lasers relativement petit, ce qui est gênant pour obtenir un faisceau laser large, à la fois dense et homogène.
La présente invention a pour but de pallier les inconvénients mentionnés ci-dessus et de mettre en oeuvre un procédé de réalisation de lasers semi-conducteurs qui permette d'abaisser leur coût de revient, et qui permette l'intégration, sur un substrat de dimensions données, d'un nombre de cavités optiques lasers en densité plus élevée que celle permise par les techniques connues jusqu'à ce jour.
Plus précisément, la présente invention a pour objet un procédé de réalisation de lasers semi-conducteurs, caractérisé par le fait qu'il consiste : à réaliser une couche d'un milieu actif laser semi-conducteur ayant des dimensions transversales supérieures à celles du milieu actif du laser à obtenir, à réaliser une cavité optique résonnante associée à ladite couche, ladite cavité étant réalisée de façon que son axe optique soit sensiblement perpendiculaire au plan dans lequel sont définies lesdites dimensions transversales, à disposer, sur au moins une partie de la surface de ladite couche, des première et deuxième zones de matériaux d'impuretés de polarités opposées, à faire diffuser dans une partie dudit milieu actif au moins une partie des deux dits matériaux d'impuretés, pour réaliser dans ladite couche sensiblement un cylindre d'axe sensiblement parallèle audit axe de ladite cavité optique et formé de deux demi-coquilles sensiblement semi-cylindriques respectivement d'impuretés diffusées de polarités opposées, et à relier deux conducteurs de 1.'énergie électrique, respectivement aux deux demi-coquilles.
La présente invention a aussi pour objet un laser semi- conducteur obtenu par le procédé selon l'invention, caractérisé par le fait qu'il comporte une cavité optique résonnante, un milieu actif laser associé à ladite cavité optique, ledit milieu actif comportant deux demi-coquilles d'impuretés diffusées de polarités opposées sur, respectivement, au moins deux portions de sa surface latérale, et deux conducteurs d'amenée de l'énergie électrique respectivement reliés aux deux dites demi-coquilles.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description suivante donnée en regard des dessins annexés à titre illustratif, mais nullement limitatif, dans lesquels :
Les figures 1A et 1B représentent, respectivement vu en coupe et en perspective, un schéma de réalisation d'un laser semi-conducteur selon l'invention, permettant d'expliciter un premier mode de mise en oeuvre du procédé selon l'Invention, La figure 2 représente, vu en coupe et en perspective, un schéma de réalisation d'un laser semi-conducteur permettant d'expliciter un deuxième mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, et
La figure 3 représente, à titre d'application, un ensemble de lasers semi-conducteurs intégrés sur un même substrat support permettant d'obtenir un faisceau lumineux d'un diamètre important et relativement dense et homogène.
Le procédé de réalisation de lasers semi-conducteurs selon l'invention consiste, dans une première étape illustrée sur la figure 1A, à réaliser une couche 1 d'un milieu actif laser semi-conducteur, avantageusement sur un substrat support 13, de dimensions transversales supérieures à celles du milieu actif laser lorsque le laser sera achevé. A titre d'exemple, ce milieu actif est constitué d'un empilement de couches minces d'Arséniure de Gallium et d'Arséniure de Gallium et d'Aluminium.
A ce milieu actif est associée une cavité optique résonnante 2 ayant une direction d'axe optique 3 sensiblement perpendiculaire au plan dans lequel sont définies les dimensions transversales de la couche 1. Cette .cavité est formée de deux miroirs obtenus, par exemple, par le dépôt d'une couche d'un matériau diélectrique sur chacune des deux faces opposées 4, 5 de., la couche de milieu a.ctif respectivement contenues dans deux plans parallèles à celui dans lequel sont définies les dimensions transversales.
Dans une mise en oeuvre possible de l'invention, la première étape définie ci-dessus peut être effectuée de la façon suivante: Dans un réacteur adéquat, on effectue des dépôts séquentiels de couches épitaxiales, dans l'ordre suivant en prenant comme référence la face supérieure du substrat de base 13 qui sert de support : réalisation d'un premier miroir dit "inférieur", dépôt du milieu actif sur ce premier miroir, et dépôt du deuxième miroir dit "supérieur" qui, associé au premier, forme la cavité optique résonnante. Le milieu actif, comme les miroirs, peuvent être constitués d'un ensemble de couches minces de semi-conducteurs. Les matériaux préférés sont de la famille de GaAIAs/GaAs ou de la famille de GalnAsP/InP. Les miroirs sont obtenus, par exemple, par empilement de couches semi-conductrices d'indices alternés ou d'indices différents.
Dans une deuxième étape du procédé, par exemple par implantation ou dépôt, on dispose directement sur au moins une partie de la surface de la couche 1 de milieu actif, ou indirectement sur le miroir supérieur de la cavité optique 2, des première 6 et deuxième 7 zones de matériaux comportant des impuretés de polarités opposées, par exemple les impuretés de types P et N constituées par du Zinc et du Silicium. Dans l'exemple illustré, ces deux zones d'impuretés 6, 7 sont implantées indirectement sur la face 5 perpendiculaire à l'axe optique 3 opposée à la face 4 au contact du substrat support 13, à travers le miroir supérieur de la cavité optique.
L'étape suivante du procédé, en l'occurrence la troisième, consiste à faire diffuser dans le milieu actif laser les matériaux des deux zones d'impuretés 6, 7, pour réaliser dans la première couche 1, comme illustré sur la figure 1B, sensiblement un cylindre 8 d'axe parallèle à l'axe optique 3 de la cavité optique résonnante 2. Ce cylindre 8 est constitué de deux demi-coquilles 9, 10 d'impuretés diffusées de polarités opposées et délimitant une colonne 11 du milieu actif laser semi-conducteur. La diffusion des matériaux "d'impuretés dans la couche 1 est réalisée de façon que la hauteur du cylindre 8 soit- sensiblement égale à l'épaisseur de la couche de milieu actif prise entre ses deux faces externes 4, 5 perpendiculaires à l'axe optique 3. À titre d'exemple, la diffusion est obtenue par traitement thermique, par exemple en soumettant l'ensemble à une température de l'ordre de 450 degrés C. pendant environ 30 minutes. En reprenant l'exemple de mise en oeuvre avantageux donné ci-avant, la profondeur de la diffusion des atomes d'impuretés dans la structure épitaxiale est comprise entre un et dix microns.
Quand la diffusion dans la couche 1 est terminée, dans une dernière étape, deux conducteurs d'amenée de l'énergie électrique sont respectivement reliés aux deux demi-coquilles 9, 10, un seul, 12, ayant été représenté sur la figure 1B.
Dans l'exemple donné ci-avant en regard des figures 1A et 1B, les deux zones de matériaux d'impuretés de polarités opposées sont disposées sur une face de la couche de milieu actif perpendiculaire à l'axe optique de la cavité résonnante. Cependant, pour certaines applications, notamment quand les dimensions transversales de cette couche sont relativement importantes, il est possible, comme représenté sur la figure 2, de délimiter, dans la couche de milieu actif 20, une colonne 21 en y creusant une gorge circulaire 22. L'étape suivante du procédé consiste alors à disposer sur deux portions de la surface périphérique cylindrique 23 de la colonne 21, respectivement deux zones d'impuretés de polarités opposées 24, 25. Ce deuxième mode de mise en oeuvre du procédé permet d'obtenir des hauteurs de cavités résonnantes plus importantes que celles obtenues avec le premier mode décrit ci-avant. Il est de plus avantageux pour obtenir des lasers semi-conducteurs ayant des dimensions transversales importantes.
En effet, lors du premier mode de mise en oeuvre du procédé, l'épaisseur des demi-coquilles s'élargit en s'éloignant du niveau des première et deuxième zones d'impuretés, ce qui peut entraîner un encombrement latéral grandissant nuisant. Par contre, dans le cas de la réalisation de lasers semi¬ conducteurs ayant une cavité optique de grandes dimensions, avec le deuxième mode de mise en oeuvre du procédé, on évite l'élargissement latéral des demi-coquilles décrit ci-dessus, car il est alors possible d'effectuer une diffusion des impuretés dans' le milieu actif.
Il est précisé que les impuretés sont des atomes dopants de type "P" ou "N", par exemple des atomes respectivement de Zinc ou de
-3 Silicium, et ont des concentrations toujours inférieures à 10 , tandis que les éléments constituants des .semi-conducteurs sont le Gallium (Ga), l'Aluminium (Al) et l'Arsenic (As) pour les matériaux de la famille GaAIAs/GaAs, et le Gallium, l'Indium (In), l'Arsenic et le Phosphore (P) pour ceux de la famille GaAsInP/InP. La concentration de ces éléments constituants peut prendre toute valeur comprise entre 0 et 0,5, à la condition qu'il y ait autant d'atomes de la colonne III de la classification des éléments (Ga, Al, In) que de la colonne V (As, P).
En même temps que la diffusion des impuretés se produit, dans les conditions mentionnées ci-après, l'interdiffusion des éléments constituants principaux des couches épi axiales. Il s'agit plus précisément, dans ce cas, du processus d'interdiffusion assistée par la diffusion des impuretés, au cours duquel les éléments constituants des couches sont mélangés lorsque les impuretés y sont diffusées. Si l'on part d'un empilement régulier de couches fines ( ^,100 A) de compositions différentes (par exemple : GaAs/AlAs/GaAs/AlAs/...), on peut obtenir, après diffusion, un mélange de formule moyenne GaorAl0 As. Partant d'un matériau ordonné ou super-alliage, on obtient une solution solide ou alliage désordonné.
L'intérêt de ce processus mis en oeuvre pour la réalisation des demi-coquilles telles que représentées sur les figures 1B et 2 est que, pour ce qui concerne les lasers selon l'invention, l'alliage désordonné a des propriétés avantageuses par rapport à celles du super-alliage. A noter cependant que, pour obtenir l'effet d'interdiffusion dont la portée est limitée, il est nécessaire que l'épaisseur de chacune des couches minces qui constituent la région e active soit faible, typiquement inférieure à 100 A, alors qu'il n'en est rien pour les miroirs de la cavité optique. Ces diffusion et inter-diffusion sont par exemple obtenues par chauffage au moyen d'un rayonnement électromagnétique 26 comme celui donné par un laser ou analogue, un rayonnement de ce type pouvant facilement plonger dans la gorge 22 suivant une direction oblique par rapport à la surface latérale cylindrique 23.
Malgré tout, l'élargissement de l'épaisseur des demi-coquilles lors de la diffusion selon le premier mode de mise en oeuvre du procédé peut être limité en soumettant la couche de milieu actif laser à des contraintes latérales orientées vers le centre du milieu actif, c'est-à-dire sensiblement vers l'axe optique de la cavité résonnante et de telle façon que la résultante ' des forces de pression soit sensiblement nulle ou parallèle à cet axe optique.
Pour éviter un élargissement important de l'épaisseur des deux demi-coquilles, il peut aussi être avantageux de réaliser le milieu actif laser en couches partielles successives superposées. Dans ce cas, l'implantation des première et deuxième zones d'impuretés est avantageusement obtenue par l'implantation successive localisée d'impuretés apportées par des faisceaux d'ions focalisés sur chaque couche partielle après qu'elle ait été réalisée. La figure 3 représente, à titre d'application avantageuse de la mise en oeuvre du procédé, une pluralité de lasers semi-conducteurs du type "diodes laser" 31, 32, 33 ... juxtaposés les uns à côté des autres de telle façon que les miroirs de leurs cavités résonnantes soient tous sensiblement situés dans deux mêmes plans 34, 35 et que leurs axes optiques 36, 37, 38, •.. soient parallèles. Dans ce cas, le milieu actif 40 est réalisé sur un substrat 41 qui sert de support à l'ensemble des diodes. Les diodes laser illustrées sur la figure 3 ont été réalisées selon le premier mode de mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus, c'est-à-dire à partir de l'implantation de deux zones 41, 42 d'impuretés de polarités opposées sur l'une des deux faces du milieu actif perpendiculaires à l'ensemble des axes optiques des différentes cavités des diodes laser, plus particulièrement sur la face opposée à celle qui est à proximité ou au contact du substrat support. Bien entendu, un tel ensemble de diodes laser juxtaposées les unes à côté des autres pourrait aussi être obtenu par le deuxième mode de mise en oeuvre du procédé décrit en regard de la figure 2.
Il est apparent que la structure d'un laser semi-conducteur obtenu par le procédé selon l'invention, dont' deux exemples de mise en oeuvre avantageux ont été décrits ci-avant, comporte un milieu actif parfaitement délimité latéralement, ce qui permet d'obtenir un courant
"a ant un seuil de déclenchement de l'effet laser relativement bas, cette délimitation étant parfaitement obtenue par le contrôle spatial de la diffusion et de l'inter-diffusion, aussi bien dans une direction verticale que transversale, c'est-à-dire parallèle ou perpendiculaire à l'axe optique de la cavité. Cette configuration permet en outre de limiter l'encombrement transversal de chaque laser semi-conducteur, comme développé ci-avant, et donc d'obtenir sur un même substrat une densité de lasers, par exemple du type "diodes", plus importante que celle pouvant être obtenue avec les procédés selon l'art antérieur.

Claims

R E V E ND I C A T I O N S
1. Procédé de réalisation de lasers semi-conducteurs, caractérisé par le fait qu'il consiste : à réaliser une couche d'un milieu actif laser semi-conducteur (1,20,40) ayant des dimensions transversales supérieures à celles du milieu actif du laser à obtenir, à réaliser une cavité optique résonnante (2) associée à ladite couche, ladite cavité étant réalisée de façon que son axe optique (3) soit sensiblement perpendiculaire au plan dans lequel sont définies lesdites dimensions transversales, à disposer, sur au moine une partie (5,23) de la surface de ladite couche, des première (6,24,41) et deuxième (7,25,42) zones de matériaux d'impuretés de polarités opposées, à faire diffuser dans une partie dudit milieu actif au moins une partie des deux dits matériaux d'impuretés, pour réaliser dans ladite couche sensiblement un cylindre (8) d'axe sensiblement parallèle audit axe de ladite cavité optique et formé de deux demi- coquilles (9,10-24,25) sensiblement semi-cylindriques respectivement d'impuretés diffusées de polarités opposées, et à relier deux conducteurs (12) de l'énergie électrique, respectivement aux deux demi-coquilles.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite couche de milieu actif (1,20,40) est constituée d'un empilement de couches minces choisies parmi les deux familles suivantes : GaAs/GaAlAβ et GalnAsP/InP.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait e que l'épaisseur desdites couches minces est au plus égale à 100 A.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que lesdiεes première (6,24) et deuxième (7,25) zones contiennent respectivement des impuretés de type P et de type N.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que lesdites première et deuxième zones contiennent respectivement du Zinc et du Silicium.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que la diffusion des impuretés est obtenue par traitement thermique.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le traitement thermique est obtenu par application d'un faisceau (26) de rayonnement électromagnétique.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que lesdites première et deuxième zones (6,7) sont disposées sur une face (5) de ladite couche de milieu actif (1) perpendiculaire audit axe (3) de la cavité optique résonnante (2).
9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que ledit milieu actif est conformé sensiblement en forme de colonne (21) délimitée par une surface latérale cylindrique (23) et dont l'axe est sensiblement parallèle à l'axe de ladite cavité optique résonnante, lesdites première et deuxième zones (24,25) étant disposées sur ladite surface latérale cylindrique (23).
10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que, lors de l'opération de diffusion, ledit milieu actif est soumis à des contraintes sensiblement orientées vers l'axe de ladite cavité optique résonnante.
11. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit milieu actif est réalisé par un empilement de couches partielles successives, lesdites première et deuxième zones étant disposées au moyen de faisceaux d'ions d'impuretés focalisés sur chaque couche partielle après qu'elle ait été réalisée.
12. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'opération consistant à disposer, sur au moins une partie de la surface de ladite couche, des première et deuxième zones de matériaux d'impuretés de polarités opposées, est choisie parmi les deux opérations suivantes, dépôt et implantation.
13. Laser semi-conducteur obtenu par le procédé selon au moins l'une des revendications 1 à 12, caractérisé par le fait qu'il comporte une cavité optique résonnante (2), un milieu actif laser (1,20,40) associé à ladite cavité optique, ledit milieu actif comportant deux demi-coquilles (9,10) d'impuretés de polarités opposées diffusées sur, respectivement, au moins deux portions de sa surface latérale (5,23), et deux conducteurs (12) d'amenée de l'énergie électrique respectivement reliés aux deux dites demi-coquilles.
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