WO2004077495A2 - Composant optoelectronique comportant une structure verticale semi-conductrice - Google Patents

Composant optoelectronique comportant une structure verticale semi-conductrice Download PDF

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WO2004077495A2
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Jérôme DAMON-LACOSTE
François LARUELLE
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Avanex France S.A.
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Definitions

  • the present invention relates to the field of optoelectronic components and more specifically relates to an optoelectronic component comprising a vertical semiconductor structure comprising a region of circulation of a current of holes and an active layer.
  • a semiconductor optical component such as a laser, for example based on gallium arsenide, is often used for pumping solid lasers or optical amplifiers with rare earth doped fibers.
  • the operation of such a component is based on the use of a so-called active layer which, once supplied with current, emits radiation which can be amplified and correspond to laser radiation, of wavelengths generally included in a band around 808 nm, 920 nm, 940 nm, and in particular 980 nm, this latter wavelength being used for pumping single-mode fiber amplifiers used in optical telecommunications applications.
  • this optical component may have front and rear side faces cleaved to form faceted mirrors so that longitudinal propagation modes of Fabry-Perot type are established in the component.
  • the term layer can denote a single layer or a superposition of layers fulfilling the same function.
  • the vertical direction is the direction perpendicular to the planes of these layers.
  • the semiconductor optical component comprises between a hole current injection region into which the current enters the component and the layer activates a region for circulation of the hole current.
  • the hole current injection region conventionally contains a contact layer used for the ohmic contact generally made of an alloy based on gallium arsenide GaAs.
  • the p-doped hole current flow region contains: - an upper confinement layer (cladding), which contributes to guiding the radiation emitted by the active layer, generally made of a ternary alloy based on gallium and aluminum arsenide and low in aluminum, especially - an etching stop layer (stop-etch in English), generally based on d'no, 4 9Ga 0 ⁇ 5- ⁇ P, - an intermediate confinement layer in ternary alloy
  • the active layer, below the intermediate confinement layer is itself above a lower confinement layer also made of Alo, 3 Gao, 7 As and doped n.
  • These layers of monocrystalline semiconductor materials are generally deposited by epitaxy of the MOVPE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy in English) or BE (Molecular Beam Epitaxy in English) type.
  • the etching stop layer is used to form a ribbon (ridge in English) to control the size and shape of the optical mode and the single mode character. This layer makes it possible to precisely define the engraved depth (precision of the epitaxy) and therefore the height of the ribbon. It is in mesh agreement with the system used, A, 3 Gao, 7 As in this example.
  • the etching stop layer is generally produced over the entire surface and remains even in the region where a current is injected.
  • a high valence band discontinuity reaching view exceeding 200 meV, is present at the interface ln 0, 4 0 9GA, 5iP / Alo, 3Gao 7 As, the etch stop layer band level being valence lower than the level of the upper confinement layer.
  • a build-up charge is conventionally formed which reinforces the blocking of the holes. By acting as a blocking layer for the holes coming from the contact p, the latter introduces an additional differential series resistance whose consequences are a penalty in operating voltage and an increase in the Joule effect.
  • a “band adaptation” layer can be inserted between the etching stop layer and the upper confinement layer.
  • This epitaxial layer has a band of variable valence due to its gradually variable composition of Al ⁇ Ga ⁇ -x As.
  • the aluminum content x thus goes from 0.3 to 0.65 approximately.
  • the difference in valence band levels is limited to ten meV and the accumulation charge significantly reduced.
  • the band adaptation layer is produced by continuous epitaxy, gradually increasing the aluminum flow.
  • the object of the invention is to further reduce the differential series resistance and / or the operating voltage in any semiconductor optical component injecting a current of holes in layers, one of which is a barrier layer for the holes, and in particular with strong current.
  • an optoelectronic component comprising a vertical semiconductor structure comprising a region of circulation of a current of holes and an active layer, said region of circulation of a current of holes comprising the following successive layers:.
  • a second semiconductor layer called barrier layer, of given valence band level, said second level, lower than the first level, said barrier layer being an etching stop layer, - a third p-doped semiconductor layer with a given valence band level, called the third level, distinct from the second level, characterized in that it comprises: - a p-doped semiconductor layer, called the adaptation layer strip, arranged between the first layer and the barrier layer and having a gradually variable semiconductor composition to ensure a transition of substantially continuous valence strip levels between the first and second levels, - a semiconductor layer, called strip transition, disposed between the barrier layer and the third layer, and having a gradually variable semiconductor composition to ensure a substantially continuous valence strip level transition between said second and third levels.
  • the strip transition layer according to the invention makes it possible to significantly reduce or even eliminate the effect of this depletion charge by ensuring a smooth transition.
  • the tape transition layer is particularly necessary at high current, because the depletion charge increases with the current density.
  • the band transition layer allows a gain in operational voltage and in series resistance. This benefit reduces the power consumption, the power dissipated thermally and makes it possible to gain optical power.
  • This strip transition layer has no negative impact on the other parameters, notably the confinement and the yield of the component.
  • said first, second and third layer 10 are based on ternary compounds III-V, the element V associated with said second layer being different from the element V common to said first and third layers.
  • said first, second and third layers are based on ternary compounds III-V, element III associated with barrier layer 15 (4) being different from element III of element III common to said first and third layers.
  • the difference in valence band levels at the interface between the barrier layer and the band transition layer is less than 150 meV and preferably less than 20 50 meV.
  • the difference in valence band levels at the interface between the barrier layer and the band adaptation layer is less than 150 meV and preferably less than 50 meV.
  • the gradually variable composition of the band transition layer and / or of the band adaptation layer can be based on semiconductors identical to the semiconductors of the third layer, for simplicity of realization of the invention.
  • the difference in valence band levels at the interface between the band transition layer and the third layer is substantially equal to 0 meV.
  • the gradually variable composition of the band transition layer can be substantially identical to the composition of the third layer.
  • the difference in valence band levels at the interface between the first layer and the band adaptation layer is substantially equal to 0 meV.
  • the gradually variable composition of the band adaptation layer can be substantially identical to the composition of the first layer.
  • the difference in valence levels at the interface between the barrier layer and the band adaptation layer can be less than or equal to 50 meV and the barrier layer can have doping n or p type with a concentration substantially equal to 10 17 cm "3 .
  • doping plays a very small role: the diffusion length of the holes is sufficient to cross the barrier layer without penalty.
  • the dopant used is carbon which cannot be incorporated into any type of layer.
  • this weak doping has no harmful consequences.
  • the first and third layers as well as the adaptation and band transition layers may have carbon doping, in order to limit optical losses.
  • the invention is typically applicable to a ribbon type laser such as a 980 nm pump laser, of n-doped substrate. It can also be applied to certain vertical cavity surface emission lasers, commonly called “VCSEL” (for “Vertical Cavity Surface Emitting Laser”), in which a current injection is provided through a semi-mirror. conductor surrounded by p-type semiconductor layers.
  • VCSEL vertical cavity surface emission lasers
  • the optoelectronic component can be a laser with a vertical structure and with a p-doped substrate, comprising among a plurality of semiconductor layers of given refractive indices and p-doped, a semiconductor layer of low refractive index to prevent the optical mode from extending into the p-doped substrate and thus generate losses.
  • This “mirror” layer forms a barrier layer for the holes and can advantageously be framed by the adaptation and band transition layers according to the invention.
  • the first and third layers can be confinement layers.
  • the band transition layer is of base composition of Al ⁇ Ga ⁇ - x As, x corresponding to the aluminum content and continuously varying from a maximum value greater than 0.45 and preferably between 0.6 and 0.7 to a minimum value substantially equal to 0.3.
  • the band adaptation layer is based on Al x Ga-
  • transition and band adaptation layers retains interest regardless of the aluminum content of the band transition layer.
  • FIG. 1 schematically represents a partial view in cross section, which is not to scale, of an optoelectronic component in a preferred embodiment of the invention.
  • the optoelectronic component 10 presented in FIG. 1 is a ribbon laser used for example as a pump laser at 980 nm.
  • the optoelectronic component 10 comprising a vertical semiconductor structure with a vertical axis Z comprising, along this axis Z:
  • a region R1 for injecting a current of holes I of width equal to approximately 5 ⁇ m and comprising a conventional contact layer 1 doped p with an alloy based on gallium arsenide GaAs and in which the current I enters component 10,
  • the region R2 of circulation of the current of holes I contains, along the axis Z:
  • a band adaptation layer 3 preferably of thickness equal to approximately 40 nm, of Al x Ga ⁇ - x As composition, x corresponding to the aluminum content and varying continuously and linearly from a minimum value substantially equal at 0.3 to a maximum value preferably substantially equal to 0.65, and doped p with a concentration of dopant, for example zinc, equal to 10 18 cm "3 , - an etching stop layer 4 in lno. 49 Gao. 5 1 P, of thickness equal to approximately 25 nm, p doped with a concentration of dopant, for example zinc, equal to 10 18 cm "3 ,
  • a band transition layer 5 preferably of thickness equal to approximately 40 nm, of Al y Ga ⁇ - y As composition, y corresponding to the aluminum content and varying continuously and linearly from a maximum value substantially equal to 0.65 to a minimum value preferably substantially equal to 0.3, and doped p with a concentration of dopant, for example zinc, equal to 4 10 17 cm “3 , - an intermediate confinement layer 6, preferably of thickness equal to about 95 nm, in Alo. 3 Gao. 7 As and p-doped with a concentration of dopant, for example zinc, equal to 4 10 17 cm- 3 ,
  • Layers 2 to 6 of monocrystalline semiconductor materials are conventionally deposited by epitaxy of MOVPE type (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy in English) or MBE (Molecular Beam Epitaxy in English).
  • MOVPE type Metal Organic Vapor Phase Epitaxy in English
  • MBE Molecular Beam Epitaxy in English
  • the band transition layers 5 and band adaptation layers 3 are obtained by continuous epitaxy.
  • compositions of the adaptation and band transition layers 3, 5 are preferably of the linear type, an variation that is effective and easy to carry out.
  • the difference in valence band levels at the interface between the etching stop layer 4, which is a barrier layer for the holes, and the band transition layer 5 is less than 30 meV and the depletion charge is thus minimized.
  • the difference in valence band levels at the interface between the band transition layer 5 and the intermediate confinement layer 6 is substantially equal to 0 meV.
  • the difference in valence band levels at the interface between the etching stop layer 4 and the band matching layer 3 is less than 30 meV and the accumulation charge is also minimized.
  • the difference in valence band levels at the interface between the band adaptation layer 3 and the upper confinement layer 2 is substantially equal to 0 meV.
  • the doping rate of the band transition layer 5, which is closer to the optical field, can be chosen to be lower almost without consequences for the electrical parameters.
  • Table 1 presented below lists the values of differential series resistance Rs and operational voltage V for a current I of 800 mA of three components:
  • an optoelectronic component n ° 1 called reference without etching stop layer and therefore without band transition and band adaptation layers
  • an optoelectronic component no. 2 corresponding to the component already described in the prior art, with an etching stop layer but without a band transition layer
  • an optoelectronic component no. 3 corresponding to the component
  • the zinc dopant is replaced by the carbon dopant for all the doped layers 1, 2, 3, 5, 6 except the barrier layer of etching 4 obtained from an undoped epitaxy composition.
  • This layer 4 can have a low residual doping n of concentration of the order of 10 17 cm 3 without influencing the electrical parameters.
  • the thickness of the band transition layer preferably between
  • a thickness too weak for example less than about 10 nm, can create a tunnel effect and a poor quality layer.
  • the invention applies both to a pump laser diode made of other semiconductors and to other types of optoelectronic component with hole current injection and comprising a barrier layer.
  • the invention also applies to systems with a p-doped substrate, the active layer then being situated above the region of circulation of the current of holes.
  • the above description has been given purely by way of illustration. Without departing from the scope of the invention, any means can be replaced by equivalent means.
  • element V associated with the barrier layer which has been described as different from the element V common to the first and third containment layer.
  • element III used in the barrier layer as different from element III common to the first and second confinement layers, this difference being manifested either by its nature or by its concentration.

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Abstract

La présente invention concerne un composant optoélectronique (10) comportant une structure verticale semi-conductrice comprenant une région de circulation d'un courant de trous (R2) et une couche active (CA), ladite région de circulation d'un courant de trous comprenant une première couche (2) semi-conductrice et dopée p, de niveau de bande de valence donné dit premier niveau, une deuxième couche (4) semi-conductrice, dite couche barrière, de niveau de bande de valence donné, dit deuxième niveau, inférieur au premier niveau, une troisième couche (6) semi-conductrice et dopée p, de niveau de bande de valence donné, dit troisième niveau, distinct du deuxième niveau, et comportant une couche semi-conductrice dopée p, dite couche d'adaptation de bande (3). La couche barrière (4) est une couche d'arrêt de gravure. Le composant comprend en outre une couche semi-conductrice, dite de transition de bande (5), disposée entre la couche barrière (4) et la troisième couche, et ayant une composition en semi-conducteurs graduellement variable pour assurer une transition de niveaux de bande de valence sensiblement continue entre lesdits deuxième et troisième niveaux.

Description

COMPOSANT OPTOELECTRONIQUE COMPORTANT UNE STRUCTURE VERTICALE SEMI-CONDUCTRICE
La présente invention se rapporte au domaine des composants optoélectroniques et plus précisément porte sur un composant optoélectronique comportant une structure verticale semi-conductrice comprenant une région de circulation d'un courant de trous et une couche active.
De manière connue, un composant optique semi-conducteur tel qu'un laser, par exemple à base d'arséniure de gallium, est souvent utilisé pour le pompage de lasers solides ou d'amplificateurs optiques à fibres dopées terres rares. Le fonctionnement d'un tel composant est basé sur l'utilisation d'une couche dite active qui, une fois alimentée en courant, émet des rayonnements qui peuvent être amplifiés et correspondre à des rayonnements lasers, de longueurs d'onde généralement comprises dans une bande autour de 808 nm, 920 nm, 940 nm, et en particulier 980 nm, cette dernière longueur d'onde étant utilisée pour le pompage des amplificateurs à fibre monomode employés dans les applications de télécommunications optiques.
De plus, ce composant optique souvent de type parallélépipédique peut posséder des faces latérales avant et arrière clivées pour former des miroirs facettés afin que s'établissent dans le composant des modes de propagation longitudinaux de type Fabry-Pérot.
Dans tout ce qui suit, le terme couche peut désigner une couche unique ou une superposition de couches remplissant la même fonction. Par convention, on désigne comme direction verticale, la direction perpendiculaire aux plans de ces couches.
Le composant optique semi-conducteur comprend entre une région d'injection de courant de trous dans laquelle le courant pénètre au sein du composant et la couche active une région de circulation du courant de trous. Par exemple dans la technologie GaAs, la région d'injection de courant de trous contient classiquement une couche de contact servant à la prise de contact ohmique généralement en un alliage à base d'arséniure de gallium GaAs.
Par ailleurs, ia région de drculation du courant de trous, dopée p, contient: - une couche supérieure de confinement (cladding en anglais), qui contribue au guidage des rayonnements émis par la couche active, généralement en un alliage ternaire à base d'arséniure de gallium et d'alumi nium et à faible taux d'aluminium, notamment en
Figure imgf000004_0001
- une couche d'arrêt de gravure (stop-etch en anglais), généralement à base de d'lno,49Ga0ι5-ιP, - une couche de confinement intermédiaire en l'alliage ternaire
Figure imgf000004_0002
La couche active, en dessous de la couche de confinement intermédiaire est elle-même au-dessus d'une couche de confinement inférieure également en Alo,3Gao,7As et dopée n.
Ces couches en matériaux semi-conducteurs monocristalîins sont généralement déposées par épitaxie de type MOVPE (Métal Organic Vapor Phase Epitaxy en anglais) ou BE (Molecular Beam Epitaxy en anglais). La couche d'arrêt de gravure sert à former un ruban (ridge en anglais) pour contrôler la taille et la forme du mode optique et le caractère monomode. Cette couche permet de définir avec précision la profondeur gravée (précision de l'épitaxie) et donc la hauteur du ruban. Elle est en accord de maille avec le système utilisé, A ,3Gao,7As dans cet exemple. Pour simplifier la fabrication du composant, la couche d'arrêt de gravure est généralement réalisée sur toute la surface et subsiste même dans la région où un courant est injecté. Or, une forte discontinuité de bande de valence, atteignant voir dépassant 200 meV, est présente à l'interface ln0,49Ga0,5iP/Alo,3Gao,7As, la couche d'arrêt de gravure étant de niveau de bande de valence inférieur au niveau de la couche de confinement supérieure. Il se forme classiquement une charge d'accumulation qui renforce le blocage des trous. En agissant comme une couche bloquante pour les trous venant du contact p, cette dernière introduit une résistance série différentielle supplémentaire dont les conséquences sont une pénalité en tension de fonctionnement et une augmentation de l'effet Joule. Pour supprimer la barrière à l'interface Alo,3Gao,7As/lno, 9Ga0,5iP, on peut intercaler une couche « d'adaptation de bande » entre la couche d'arrêt de gravure et la couche de confinement supérieure.
Cette couche épitaxiale est à bande de valence variable de part sa composition graduellement variable en Al<Gaι-xAs. Le taux d'aluminium x passe ainsi de 0,3 à 0,65 environ. De cette façon, à l'interface A!o,65Gao,35As/lno,49Gao,5iP l'écart de niveaux de bande de valence est limité à une dizaine de meV et la charge d'accumulation significativement réduite. En outre, il y a continuité des niveaux à l'interface entre la couche de confinement supérieure et la couche d'adaptation de bande. La couche d'adaptation de bande est réalisée par une épitaxie en continu, en augmentant graduellement le débit d'aluminium.
L'objet de l'invention est de réduire davantage la résistance série différentielle et/ou la tension de fonctionnement dans tout composant optique semi-conducteur à injection d'un courant de trous dans des couches dont l'une est une couche barrière pour les trous, et en particulier à fort courant.
L'invention propose à cet effet un composant optoélectronique comportant une structure verticale semi -conductrice comprenant une région de circulation d'un courant de trous et une couche active, ladite région de circulation d'un courant de trous comprenant les couches successives suivantes : .
- une première couche semi-conductrice et dopée p, de niveau de bande de valence donné dit premier niveau,
- une deuxième couche semi-conductrice, dite couche barrière, de niveau de bande de valence donné, dit deuxième niveau, inférieur au premier niveau, ladite couche barrière étant une couche d'arrêt de gravure, - une troisième couche semi-conductrice et dopée p, de niveau de bande de valence donné, dit troisième niveau, distinct du deuxième niveau, caractérisé en ce qu'il comporte : - une couche semi -conductrice dopée p, dite couche d'adaptation de bande, disposée entre la première couche et la couche barrière et ayant une composition en semi-conducteurs graduellement variable pour assurer une transition de niveaux de bande de valence sensiblement continue entre les premier et deuxième niveaux, - une couche semi-conductrice, dite de transition de bande, disposée entre la couche barrière et la troisième couche, et ayant une composition en semi-conducteurs graduellement variable pour assurer une transition de niveaux de bande de valence sensiblement continue entre lesdits deuxième et troisième niveaux. Toute chute de potentiel à l'interface entre deux couches rend nécessaire l'emploi de la couche d'adaptation de bande comme décrit précédemment. Inversement, l'augmentation de potentiel à l'interface entre la couche barrière et la troisième couche ne constitue pas, a priori, un obstacle pour les trous puisqu'il s'agit de « remonter » la bande de valence. Toutefois, il existe une charge de deplétion qui crée une chute abrupte et difficilement quantifiable de potentiel dans la bande de valence (spike en anglais) et dont les répercussions, notamment en termes de critères électriques et optiques, étaient considérées négligeables dans l'art antérieur
• , La demanderesse a mis en évidence Ja nécessité de diminuer significativement cette chute induite à l'hétérointerface. La charge de deplétion, même associée à un petit nombre de niveaux accessibles par rapport au niveau normal de bande de valence, constitue un frein notable au courant de trous.
La couche de transition de bande selon l'invention permet de réduire significativement voir de supprimer l'effet de cette charge de deplétion en assurant une transition douce. La couche de transition de bande est particulièrement nécessaire à fort courant, car la charge de deplétion augmente avec la densité de courant.
Ainsi, la couche de transition de bande permet un gain en tension opérationnelle et en résistance série. Ce bénéfice réduit la consommation 5 électrique, la puissance dissipée thermiquement et permet de gagner en puissance optique.
Cette couche de transition de bande n'a pas d'impact négatif sur les autres paramètres notamment le confinement et le rendement du composant.
Avantageusement, lesdites première, deuxième et troisième couche 10 sont à base de composés ternaires lll-V, l'élément V associé à ladite deuxième couche étant différent de l'élément V commun aux dites première et troisième couches.
En variante, lesdites première, deuxième et troisième couches sont à base de composés ternaires lll-V, l'élément III associé à la couche barrière 15 (4) étant différent de l'élément III de l'élément III commun aux dites première et troisième couches.
Dans un mode de réalisation avantageux, l'écart de niveaux de bande de valence à l'interface entre la couche barrière et la couche de transition de bande est inférieur à 150 meV et de préférence inférieur à 20 50 meV.
De même, l'écart de niveaux de bande de valence à l'interface entre la couche barrière et la couche d'adaptation de bande est inférieur à 150 meV et.de préférence inférieur à 50 meV.
Il est possible de récupérer toute la pénalité tant en résistance série 25 différentielle qu'en tension opérationnelle lorsque l'écart est proche de O meV.
De préférence, la composition graduellement variable de la couche de transition de bande et/ou de la couche d'adaptation de bande peut être à base de semi-conducteurs identiques aux semi-conducteurs de la troisième 30 couche, pour une simplicité de réalisation de l'invention. Dans un mode de réalisation avantageux, l'écart de niveaux de bande de valence à l'interface entre la couche de transition de bande et la troisième couche est sensiblement égal à 0 meV.
De préférence, à cette interface, la composition graduellement variable de la couche de transition de bande peut être sensiblement identique à la composition de la troisième couche.
Il suffit ensuite d'ajuster les bandes de valences à l'interface couche barrière/couche de transition de bande, en fonctions des performances souhaitées. De même, l'écart de niveaux de bande de valence à l'interface entre la première couche et la couche d'adaptation de bande est sensiblement égal à 0 meV.
De préférence, à cette interface, la composition graduellement variable de la couche d'adaptation de bande peut être sensiblement identique à la composition de la première couche.
Dans un mode de réalisation de l'invention, l'écart de niveaux de valence à l'interface entre la couche barrière et la couche d'adaptation de ' bande peut être inférieur ou égal à 50 meV et la couche barrière peut présenter un dopage de type n ou p de concentration sensiblement égale à 1017cm"3.
Un dopage fort de la couche barrière favorise le courant de trous mais lors qu'il est trop élevé pose des problèmes de fiabilité. Toutefois, l'impact quantitatif du dopage de la couche barrière se réduit du fait de la présence de la couche de transition de bande et de la couche d'adaptation de bande selon l'invention.
Autrement dit, en régime « bandes plates » c'est-à-dire à faibles écarts de niveaux de bande de valence, le dopage joue un rôle très faible : la longueur de diffusion des trous suffit pour traverser la couche barrière sans pénalité. On gagne un degré de liberté sur le dopage et par exemple on peut choisir de réaliser la couche barrière à partir d'une composition non dopée, en particulier si le dopant utilisé est du carbone qui ne peut s'incorporer à tout type de couche. Même si un dopage « résiduel » apparaît, par exemple de type n, ce dopage faible n'a pas de conséquences nuisibles.
Aussi, selon une caractéristique, les première et troisième couches ainsi que les couches d'adaptation et de transition de bande peuvent présenter un dopage au carbone, pour limiter les pertes optiques.
L'invention est applicable typiquement à un laser de type à ruban tel qu'un laser de pompe à 980 nm, de substrat dopé n. Elle peut aussi s'appliquer à certains lasers à cavité verticale à émission par la surface, couramment appelés « VCSEL » (pour « Vertical Cavity Surface Emitting Laser » en anglais), dans lesquels on prévoit une injection de courant à travers un miroir semi-conducteur entouré de couches semi-conductrices de type p.
Dans un autre exemple d'application, le composant optoélectronique peut être un laser à structure verticale et à substrat dopé p, comprenant parmi une pluralité de couches semi-conductrices d'indices de réfraction donnés et dopées p, une couche semi-conductrice de faible indice de réfraction pour empêcher le mode optique de s'étendre dans le substrat dopé p et engendrer ainsi des pertes. Cette couche « miroir » forme une couche barrière pour les trous et peut être avantageusement encadrée par les couches d'adaptation et de transition de bande selon l'invention.
Lorsque le composant optoélectronique selon l'invention est un laser de type à ruban, les première et troisième couches peuvent être des couches de confinement.
Dans un mode de réalisation préféré, lorsque la troisième couche est à base de Alo,3Gan,7As, et la couche barrière est à base de lno,49Ga0,5iP, la couche de transition de bande est de composition à base de AlχGaι-xAs, x correspondant au taux d'aluminium et variant continûment d'une valeur maximale supérieure à 0,45 et de préférence comprise entre 0,6 et 0,7 à une valeur minimale sensiblement égale à 0,3. Dans un mode de réalisation préféré, lorsque la première couche est à base de Alo,3Gao,7As, et la couche barrière est à base de lno.49Gao.51P, la couche d'adaptation de bande est de composition à base de AlxGa-|.xAs, x correspondant au taux d'aluminium et variant continûment d'une valeur maximale supérieure à 0,45 et de préférence comprise entre 0,6 et 0,7 à une valeur minimale sensiblement égale à 0,3..
L'emploi des couches de transition et d'adaptation de bande conserve un intérêt quel que soit le taux en aluminium de la couche de transition de bande.
Le choix du taux d'aluminium résulte d'un compromis. Plus le taux d'aluminium est élevé meilleurs sont les gains. Cependant, une couche trop riche en aluminium pose un problème de fiabilité car les pièges non radiatifs augmentent fortement (présence d'oxygène). Aussi une valeur entre 0,6 et
0,7 est préférée.
Les particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'un exemple illustratif et non limitatif et faite en référence à la figure 1 annexée qui représente schematiquement une vue partielle en coupe transversale, qui n'est pas à l'échelle, d'un composant optoélectronique dans un mode de réalisation préféré de l'invention.
Le composant optoélectronique 10 présenté en figure 1 est un laser à ruban utilisé par exemple comme laser de pompe à 980 nm. Le composant optoélectronique 10 comportant une structure verticale semi-conductrice d'axe vertical Z comprenant, suivant cet axe Z:
- une région R1 d'injection d'un courant de trous I, de largeur égale à environ 5 μm et comportant une couche classique de contact 1 dopée p en un alliage à base d'arséniure de gallium GaAs et dans , , laquelle le courant I pénètre au sein du composant 10,
- une région R2 de circulation du courant de trous I prolongeant la région R1,
- une couche active classique CA, à puits quantique, alimentée en courant de trous I, - une région R3 de couches semi-conductrices et dopées n,
- un substrat en GaAs (non représenté) apte à recevoir l'ensemble des couches épitaxiales, - une région d'injection d'un courant d'électrons (non représentée). Plus précisément la région R2 de circulation du courant de trous I contient, suivant l'axe Z :
- un empilement de couches semi-conductrices se terminant par une couche de confinement supérieure 2 en Ab.3Gao.7As, d'épaisseur égale à 630 nm environ, dopée p avec une concentration de dopant, par exemple zinc, égale à 1018cm"3,
- une couche d'adaptation de bande 3, de préférence d'épaisseur égale à 40 nm environ, de composition en AlxGaι-xAs, x correspondant au taux d'aluminium et variant continûment et linéairement d'une valeur minimale sensiblement égale à 0,3 à une valeur maximale de préférence sensiblement égale à 0,65, et dopée p avec une concentration de dopant, par exemple zinc, égale à 1018cm"3, - une couche d'arrêt de gravure 4 en lno.49Gao.51P, d'épaisseur égale à 25 nm environ, dopée p avec une concentration de dopant, par exemple zinc, égale à 1018cm"3,
- une couche de transition de bande 5, de préférence d'épaisseur égale à 40 nm environ, de composition en AlyGaι-yAs, y correspondant au taux d'aluminium et variant continûment et linéairement d'une valeur maximale sensiblement égale à 0,65 à une valeur minimale de préférence sensiblement égale à 0,3, et dopée p avec une concentration de dopant, par exemple zinc, égale à 4 1017 cm"3, - une couche de confinement intermédiaire 6, de préférence d'épaisseur égale à 95 nm environ, en Alo.3Gao.7As et dopée p avec une concentration de dopant, par exemple zinc, égale à 4 1017cm-3,
- éventuellement d'autres couches semi-conductrices (non représentées) classiques et dopées p.
Les couches 2 à 6 en matériaux semi-conducteurs monocristallins sont classiquement déposées par épitaxie de type MOVPE (Métal Organic Vapor Phase Epitaxy en anglais) ou MBE (Molecular Beam Epitaxy en anglais). En particulier, les couches de transition de bande 5 et d'adaptation de bande 3 sont obtenues par une épitaxie en continu.
Les variations de compositions des couches d'adaptation et de transition de bande 3, 5 sont de préférence de type linéaire, variation efficace et facile à réaliser.
La réalisation par une épitaxie en continu évite la multiplicité d'interfaces et donc de petites charges de deplétion. Elle évite ainsi la création de nombreux défauts qui augmentent le nombre de centres de recombinaison.
Dans cet exemple, l'écart de niveaux de bande de valence à l'interface entre la couche d'arrêt de gravure 4, qui est une couche barrière pour les trous, et la couche de transition de bande 5 est inférieur à 30 meV et la charge de deplétion est ainsi minimisée. L'écart de niveaux de bande de valence à l'interface entre la couche de transition de bande 5 et la couche de confinement intermédiaire 6 est sensiblement égal à 0 meV.
En outre, l'écart de niveaux de bande de valence à l'interface entre la couche d'arrêt de gravure 4 et la couche d'adaptation de bande 3 est inférieur à 30 meV et la charge d'accumulation est aussi minimisée. L'écart de niveaux de bande de valence à l'interface entre la couche d'adaptation de bande 3 et la couche de confinement supérieure 2 est sensiblement égal à 0 meV.
Le taux de dopage de la couche de transition de bande 5, plus proche du champ optique, peut être choisi inférieur quasiment sans conséquences sur les paramètres électriques.
Le tableau 1 présenté ci-dessous répertorie les valeurs de résistance série différentielle Rs et de tension opérationnelle V pour un courant I de 800 mA de trois composants :
- un composant optoélectronique n°1 dit de référence sans couche d'arrêt de gravure et donc sans couches de transition de bande et d'adaptation de bande, un composant optoélectronique n°2 correspondant au composant déjà décrit de l'art antérieur, avec une couche d'arrêt de gravure mais sans couche de transition de bande, un composant optoélectronique n°3 correspondant au composant
10.
Figure imgf000013_0001
Tableau 1
A fort courant, on observe que la pénalité du composant n°3 n'est plus que de 30 mV par rapport au composant de référence n°1 et la résistance série devient identique.
En outre, un gain de 70 mV est obtenu par rapport au composant n°2 de l'art antérieur. Ce bénéfice réduit la puissance dissipée thermiquemènt et permet de gagner quelques dizaines de mW en puissance optique et de réduire la consommation électrique.
L'idée de l'invention n'est pas restrictive et s'applique à tous types de couches barrières pour les trous.
Dans une variante de l'exemple de réalisation préféré, et afin de limiter les pertes optiques, on remplace le dopant en zinc par le dopant carbone pour toutes les couches dopées 1, 2, 3, 5, 6 excepté la couche d'arrêt de gravure 4 obtenue à partir d'une composition d'épitaxie non dopée. Cette couche 4 peut présenter un faible dopage résiduel n de concentration de l'ordre de 1017cm"3 sans influence sur les paramètres électriques. L'épaisseur de la couche de transition de bande, de préférence entre
20 nm et 40 nm, est choisie d'autant plus grande que l'écart entre les troisième et deuxième niveaux est important. Inversement, une épaisseur trop faible, par exemple inférieure à 10 nm environ, peut créer un effet tunnel et une couche de mauvaise qualité.
L'invention s'applique aussi bien à une diode laser de pompe réalisée en d'autres semi-conducteurs qu'à d'autres types de composant optoélectroniques à injection de courant de trous et comprenant une couche barrière.
L'invention s'applique aussi à des systèmes avec un substrat dopé p, la couche active étant alors située au-dessus de la région de circulation de courant de trous. Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre purement illustratif. On pourra sans sortir du cadre de l'invention remplacer tout moyen par un moyen équivalent.
Ainsi, c'est l'élément V associé à la couche barrière qui a été décrit comme différent de l'élément V commun aux première et troisième couche de confinement. Toutefois, il est également possible de considérer l'élément III utilisé dans la couche barrière comme différent de l'élément III commun aux première et deuxième couches de confinement, cette différence se manifestant soit par sa nature soit par sa concentration.

Claims

REVENDICATIONS
1. Composant optoélectronique (10) comportant une structure verticale semi-conductrice comprenant une région de circulation d'un courant de trous (R2) et une couche active (CA), ladite région de circulation d'un courant de trous comprenant les couches successives suivantes :
- une première couche (2) semi -conductrice et dopée p, de niveau de bande de valence donné dit premier niveau,
- une deuxième couche (4) semi-conductrice, dite couche barrière, de niveau de bande de valence donné, dit deuxième niveau, inférieur au premier niveau, ladite couche barrière étant une couche d'arrêt de gravure,
- une troisième couche (6) semi-conductrice et dopée p, de niveau de bande de valence donné, dit troisième niveau, distinct du deuxième niveau, caractérisé en ce qu'il comporte
- une couche semi-conductrice dopée p, dite couche d'adaptation de bande (3), disposée entre la première couche (2) et la couche barrière (4) et ayant une composition en semi-conducteurs graduellement variable pour assurer une transition de niveaux de bande de valence sensiblement continue entre les premier et deuxième niveaux,
- une couche semi-conductrice, dite de transition de bande (5), disposée entre la couche barrière (4) et la troisième couche, et ayant une composition en semi-conducteurs graduellement variable pour assurer une transition de niveaux de bande de valence sensiblement continue entre lesdits deuxième et troisième niveaux.
2. Composant optoélectronique (10) selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdites première (2), deuxième (4) et troisième (6) couches sont à base de composés ternaires lll-V, l'élément V associé à ladite deuxième couche étant différent de l'élément V commun aux dites première et troisième couches.
3. Composant optoélectronique (10) selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdites première (2), deuxième (4) et troisième (6) couches sont à base de composés ternaires lll-V, l'élément III associé à la couche barrière (4) étant différent de l'élément III de l'élément III commun aux dites première et troisième couches (2, 6).
4. Composant optoélectronique (10) selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que l'écart de niveaux de bande de valence à l'interface entre la couche barrière (4) et d'une part la couche de transition de bande (5) et/ou d'autre part la couche d'adaptation de bande (3) est inférieur à 150 meV.
5. Composant optoélectronique (10) selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que l'écart de niveaux de bande de valence à l'interface entre la couche barrière (4) et d'une part la couche de transition de bande (5) et/ou d'autre part la couche d'adaptation cfe bande (3) est inférieur à 50 meV.
6. Composant optoélectronique (10) selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la composition graduellement variable de la couche de transition de bande (5) et/ou de la couche d'adaptation de bande (3) est à base de semi-conducteurs identiques aux semi- conducteurs de la troisième couche.
7. Composant optoélectronique (10) selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que l'écart de niveaux de bande de valence à l'interface entre la couche de transition ce bande (5) et la troisième couche (6) est sensiblement égal à 0 meV.
8. Composant optoélectronique (10) selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que l'écart de niveaux de bande de valence à l'interface entre la première couche (2) et la couche d'adaptation de bande (3) est sensiblement égal à 0 meV.
9. Composant optoélectronique (10) selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que, à l'interface entre la couche de transition de bande (5) et la troisième couche (6), ladite composition graduellement variable de la couche de transition de bande (5) est sensiblement identique à la composition de la troisième couche.
10. Composant optoélectronique (10) selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que, à l'interface entre la première couche (2) et la couche d'adaptation de bande (3), ladite composition graduellement variable de la couche d'adaptation de bande (3) est sensiblement identique à la composition de la première couche.
11. Composant optoélectronique (10) selon l'une des revendications 1 à 10 caractérisé en ce que l'écart de niveaux de bande de valence à l'interface entre la couche barrière (4) et la couche d'adaptation de bande (3) est inférieur ou égal à 50 meV et la couche barrière (4) présente un dopage de type n ou p de concentration sensiblement égale à 1017 crτf3.
12. Composant optoélectronique (10) selon l'une des revendications 1 à 11 caractérisé en ce que les première et troisième couches (2, 6) et les couches d'adaptation et de transition de bande (3, 5) présentent un dopage au carbone.
13. Composant optoélectronique (10) selon l'une des revendications 1 à 12 caractérisé en ce que, lorsque ledit composant optoélectronique est un laser de type à ruban, les première et troisième couches (2, 6) sont des couches de confinement.
14. Composant optoélectronique (10) selon l'une des revendications 1 à 13 caractérisé en ce que, lorsque la troisième couche (6) est à base de Alo.3Gao.7As, et la couche barrière (4) est à base de lno.49Gao.51P, la couche de transition de bande (5) est de composition à base de AlxGaι-xAs, x correspondant au taux d'aluminium et variant continûment d'une valeur maximale supérieure à 0,45 à une valeur minimale sensiblement égale à 0,3.
15. Composant optoélectronique (10) selon l'une des revendications 1 à 14 caractérisé en ce que lorsque la troisième couche (6) est à base de
Alo.3Gao.7As, et la couche barrière (4) est à base de lno.49Gao.51P, la couche de transition de bande (5) et/ou la couche d'adaptation de bande (3) est de composition à base de AlxGaι-xAs, x correspondant au taux d'aluminium et variant continûment d'une valeur maximale comprise entre 0,6 et 0,7 à une valeur minimale sensiblement égale à 0,3.
16. Composant optoélectronique (10) selon l'une des revendications 1 à 15 caractérisé en ce que, lorsque la première couche (2) est à base de Alo.3Gao.7As, et la couche barrière (4) est à base de lno.49Gao.51P, la couche d'adaptation de bande (3) est de composition à base de AlxGaι_xAs, x correspondant au taux d'aluminium et variant continûment d'une valeur maximale supérieure à 0,45 à une valeur minimale sensiblement égale à 0,3.
17. Composant optoélectronique (10) selon l'une des revendications 1 à 14 caractérisé en ce que lorsque la première couche (2) est à base de
Alo.3Gao.7As, et la couche barrière (4) est à base de lno.49Gao.51P, la couche d'adaptation de bande (3) est de composition à base de AlxGaι-xAs, x correspondant au taux d'aluminium et variant continûment d'une valeur maximale comprise entre 0,6 et 0,7 à une valeur minimale sensiblement égale à 0,3.
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121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
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