WO2006067098A1 - Laser semiconducteur de puissance a faibles divergence et astigmatisme, et son procede de fabrication - Google Patents

Laser semiconducteur de puissance a faibles divergence et astigmatisme, et son procede de fabrication Download PDF

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laser
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Michel Krakowski
Michel Calligaro
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Thales
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    • H01S5/4025—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar
    • H01S5/4031—Edge-emitting structures

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor laser with low divergence and astigmatism, as well as to a method for producing a laser of this type.
  • Semiconductor lasers with power greater than 1Watt are generally wide ribbon type lasers and, depending on the required transmit power, may be unitary or arranged in parallel to form arrays.
  • the main disadvantage of such lasers is that the amplitude distribution of their emitted beam, in a plane perpendicular to their emission face, is strongly divergent (divergence
  • a monomode narrow-band laser (acting as a filter) extended on the same chip has been integrated, extended by a flared part acting as an amplifier. It is then possible to emit powers clearly greater than 1 Watt, while keeping a monomode transverse beam.
  • the known lasers were made according to the following two configurations. The first is to engrave in active layers a narrow single-mode ribbon with transverse guidance by the index followed by a flared portion which is also transversely guided by the index, "transverse guidance by the index” meaning that the confinement Lateral of the optical field is obtained by a differentiation of the refractive index between the narrow ribbon zone and the zones bordering it.
  • the second configuration also comprises a narrow monomode ribbon guided transversely by the index, but followed by a flared portion transversely guided by the gain.
  • a narrow monomode ribbon guided transversely by the index but followed by a flared portion transversely guided by the gain.
  • the present invention relates to a semiconductor laser whose emitted beam whose far field (a few cm from the emission face) has a Gaussian amplitude distribution and has a low divergence and a low astigmatism, and has a power greater than 1W while being stable in temperature, which is easy to achieve, which can have good heat dissipation and which can be manufactured in groups of several elements on the same substrate.
  • the method of the invention is a method for producing a semiconductor laser comprising a first part in the form of a single-mode narrow ribbon, terminated by a second part flaring from the first part, the multilayer structure of this laser being of the type separate confinements in a plane perpendicular to the planes of the layers and comprising an active layer to at least one quantum well, and it is characterized in that it comprises the following steps:
  • an electrode on the upper face of the assembly depositing an electrode on the upper face of the assembly.
  • several unitary lasers are produced side by side on the same substrate and after the electrode on the upper face of the assembly, cutting paths are made in this electrode to delimit single lasers or adjacent groups of adjacent unitary lasers, and the unit lasers or groups of unitary lasers are separated along the paths cutting.
  • a plurality of mini-bars each comprising a plurality of unitary lasers is formed on a substrate, at least a portion of the layers formed on the substrate of the trenches delimiting mini-bars are hollowed out, and fills these polymer trenches.
  • the unit lasers or the units of unit lasers are fixed by their upper face on a thermal radiator.
  • the laser according to the invention is a laser comprising, in an active layer, a first portion in the form of narrow single-mode ribbon guided transversely by the index, terminated by a second portion flaring from the first portion, also guided transverse by the index, and is characterized in that the delineation of the two parts of the laser cavity is made by two trenches etched in the surface layers.
  • FIG. 1 is a simplified perspective view of a laser according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic sectional view showing the different confinement and active layers of the laser of FIG. 1,
  • FIG. 3 is a set of nine very simplified cross-sectional views showing the various manufacturing steps of the unit laser of the invention
  • FIG. 4 is a set of ten very simplified cross-sectional views showing the various manufacturing steps of FIG. a bar with several unitary lasers of the invention
  • FIG. 5 is a schematic view from above of a set of bars similar to that of FIG. 4
  • FIG. 6 is a schematic perspective view of a bar similar to that of FIG. 4, with an enlarged view of a detail, and
  • FIG. 7 is a simplified top view of a photon baffle for a laser according to the invention.
  • the semiconductor laser 1 shown in FIG. 1 is an elementary laser source, but it is understood that it is possible to constitute a strip comprising several such elementary sources side by side, formed in the same semiconductor bar, as shown in FIGS. 4 to 6.
  • the laser 1 is in the form of a semiconductor rod 2 in the form of a rectangular parallelepiped.
  • This bar 2 essentially comprises a substrate 3 on which is formed a set of semiconductor layers 4, the details of which are described below, in particular with reference to FIGS. 2 and 6. In the most superficial layers situated above the quantum well layer (see FIGS.
  • the opening angle of the portion 8 is about 1 to 2 degrees, and preferably less than 1 °, which then ensures a low astigmatism to the laser beam coming out of this flare.
  • the length L of the bar is about 2.5 to 3 mm
  • the opening angle of the portion 8 is about 2 ° and its length is about 1 mm.
  • the length L is also about 2.5 to 3 mm
  • the opening angle of the portion 8 is about 0.64 ° and its length is about 2.2 mm.
  • the width of the ribbon 7 is a few microns. Outside the space between the outer walls of the trenches 5 and 6, protons (symbolized by points 9) are implanted in the surface layers of the assembly 4, for example with an energy of about 100 keV, in order to make these portions of electrically insulating layers and thus force, during the operation of the laser, the electric current which is brought to it by its electrodes to pass in the channel 7, 8.
  • the ribbon 7 is single mode transverse and stabilizes the beam mode emitted by the flare 8 which acts as an amplifier.
  • FIG. 2 schematically shows the semiconductor structure of the laser of the invention. This structure is of the type with separate confinements in a plane perpendicular to the planes of the layers, with an active layer with at least one quantum well. It is formed on a heavily doped N-type N3 substrate, for example GaAs. On this substrate, the following layers are successively formed:
  • a QW layer which is a quantum well active layer.
  • a P-type optical confinement layer P2 with a low index can be GaInP, GaAIAs, AIGaInP, etc.
  • a layer P 3 of P-type electrical contact which is heavily doped, for example GaAs.
  • FIG. 2 shows to the right of this structure the curve of evolution of the refractive index of the various layers which compose it, as well as the evolution curve of the intensity of the optical field, along a direction perpendicular to the planes of these layers.
  • a guide ribbon-type laser is produced, in planes parallel to the plane of the layers, by the real part of the refractive index of the semiconductor material. driver crossed.
  • the etching of these trenches can be carried out in different ways, depending on the nature of the material of the layer P2.
  • this layer is made of GaInP
  • the etching is done according to a wet chemical process, with self-alignment with respect to the drawing of the metal of the ohmic contact (deposited on the upper layer of the assembly 4), this because of the high selectivity the etching rate of the quaternary alloy of the layer P1, the etching being generally stopped at the boundary between the layers P2 and P1 (if the difference between the index of the layer P1 and that of the layer P2 is sufficiently large) .
  • the etching is carried out according to a method of dry plasma etching (RIE type, ICP, ...) self-aligned with respect to the drawing of the metal of the ohmic contact (deposited on the top layer of the assembly 4).
  • RIE type, ICP, ...) self-aligned with respect to the drawing of the metal of the ohmic contact (deposited on the top layer of the assembly 4).
  • the trenches thus produced are filled with polymer and made coplanar with the aforementioned ohmic contact layer.
  • the polymeric material acts as electrical insulation of the zones 7 and 8 with respect to the semiconductor material of the same layers, outside the trenches 5 and 6.
  • FIG. 3 schematically shows the first nine embodiments of the laser structure of the invention, referenced A to I, among the twelve main ones. These steps are, in order:
  • Figures 4 to 6 relate to the manufacturing steps of one or more mini-bars each comprising several elementary lasers such as that shown in Figure 1 and all made on the same substrate.
  • the optical separations between adjacent mini-bars are made by forming trenches with flanks not perpendicular to the planes of the active layers in the active layers (see FIG. 6).
  • FIG. 5 shows a partial top view of an assembly 23 of four mini-bars 23A formed on the same substrate with their optical separation trenches 24.
  • FIG. 6 there is shown one of the mini-bars of Figure 5, referenced 25 and formed on a substrate 26 for example GaAs N + type.
  • a substrate 26 for example GaAs N + type.
  • a set of active semiconductor layers 27 On this substrate is formed a set of active semiconductor layers 27.
  • This set comprises, in order from the substrate 26, a layer 28 for example GaInP, N-type, a layer 29 forming a first large optical cavity ("Large Optical Cavitiy" in English), corresponding to the set of layers N2 and N1 of FIG. 2), an optical well 30, a second large optical cavity 31 corresponding to the layer P1 of FIG.
  • the layer 34 is not flat because it follows the profile of the underlying layers.
  • the trenches 35, 36 defining the laser ribbon and its flare are hollowed out in the layers 32 and 33, while the trenches 24 delimiting the mini-bars are hollowed out in the set of layers 29 to 33, and partially in the thickness of layer 28.
  • flanks of trenches 24 are perpendicular to the planes of the semiconductor layers, at the layers 32 and 33, and oblique at the other layers 28 to 31 forming between them an angle of a few degrees, for example between 0.5 and 2 ° about. All trenches 24, 35 and 36 are filled with polymer. Protons are implanted in the zones 37 of the layers 32 and 33 bordering externally the trenches 35, 36. The implantation does not necessarily stop at the layer 32.
  • FIG. 7 shows, in particular, the details of embodiment of a reflector 38.
  • This reflector comprises two elements 39, 40 having, in plan view, a "V” shape and arranged symmetrically on both sides. other laser ribbon 41, near its junction with the flared portion 42.
  • One of the branches of each "V” is parallel to the ribbon 41, while the other branch forms an angle less than 90 ° relative to the first, the top of each "V” being directed towards the flared portion 42.
  • the two “V” of this reflector are made by digging in the active layers lying above the quantum well "trenches” with walls perpendicular to the planes of these layers and whose section, in a plane parallel to the plane of the layers has the shape in "V” described above. These trenches are then filled with a polymer material, which makes them electrically insulating.
  • elementary lasers having wavelengths of between 0.7 and 1.1 ⁇ m have been obtained with quantum wells or boxes (called "Qdots") on a GaAs substrate.
  • Qdots quantum wells or boxes
  • the constant width of the trenches delimiting the ribbon and its flaring was approximately 6 to 7 ⁇ m, the width of the ribbons 3 to 4 ⁇ m, the length of the ribbons of 500 ⁇ m maximum and that of the flared parts from 2500 to 3000 ⁇ m at maximum and their flaring angle of about 0.64 °, the pitch of the elementary lasers of the same mini-bar of about 50 microns.
  • the divergence of the beam emitted was of the order of 2 ° at mid-height of its amplitude curve), and the power of the beam at the exit of the flared portion greater than or equal to at about 1 W.
  • the axis of the flared portion 8 may not be aligned on the axis of the ribbon 7, but to make with it an angle of a few degrees (in a plane parallel to that of the active layers), in order to reduce the reflectivity in the output face of the laser beam.

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Abstract

La présente invention concerne un laser semi-conducteur de puissance à faibles divergence et astigmatisme, et ce laser est caractérisé en qu'il comporte, dans une couche active (4), une première partie (7) sous forme de ruban étroit monomode à guidage transverse par l'indice, terminée par une deuxième partie (8) s'évasant depuis la première partie, également à guidage transversé par l'indice.

Description

IJASER SEMICONDUCTEUR DE PUISSANCE A FAIBLES DIVERGENCE ET ASTIGMATISME , ET SON PROCEDE DE FABRICATION
La présente invention se rapporte à un laser semi-conducteur de puissance à faibles divergence et astigmatisme, ainsi qu'à un procédé de réalisation d'un laser de ce type.
Les lasers à semi-conducteur de puissance supérieure à 1Watt 5 sont généralement des lasers de type à ruban large et, en fonction de la puissance d'émission requise, peuvent être unitaires ou disposés en parallèle pour former des barrettes. Le principal inconvénient de tels lasers est que la distribution en amplitude de leur faisceau émis, dans un plan perpendiculaire à leur face d'émission, est fortement divergente (divergence
10 de l'ordre de 15° dans un plan parallèle aux couches actives) et très inhomogène, ce qui entraîne une baisse de rendement du couplage à une fibre optique. La cause en est l'existence de modes parasites dans la cavité du laser et la présence de phénomènes de « filamentation » (le courant électronique, à l'intérieur du semi-conducteur, passe non pas par toute la
15 section active du semi-conducteur, mais de façon inhomogène).
Pour améliorer l'homogénéité du champ proche de la face d'émission de tels lasers, on a intégré sur la même puce un laser à ruban étroit monomode (agissant comme un filtre) prolongé par une partie évasée agissant en amplificateur. On peut alors émettre des puissances nettement 0 supérieures à 1 Watt, tout en gardant un faisceau transverse monomode. Les lasers connus ont été réalisés selon les deux configurations suivantes. La première consiste à graver dans des couches actives un ruban étroit monomode à guidage transverse par l'indice suivi d'une partie évasée qui est également à guidage transverse par l'indice, « guidage transverse par 5 l'indice » signifiant que le confinement latéral du champ optique est obtenu par une différenciation de l'indice de réfraction entre la zone du ruban étroit et les zones qui la bordent. La seconde configuration comporte également un ruban étroit monomode à guidage transverse par l'indice, mais suivi d'une partie évasée à guidage transverse par le gain. Jusqu'à présent, aucune 0 autre configuration n'a été proposée, car on estimait que seules les deux précitées permettaient de contrôler facilement la qualité du faisceau laser émis. Cependant, ces structures connues sont relativement complexes à réaliser et leur dissipation thermique n'est pas facile à évacuer. On connaît par exemple d'après le brevet US 2004/125846 un laser du type à ruban étroit prolongé par une partie évasée, mais ce laser est complexe à réaliser (il comporte des étapes de gravure et de recroissance).
La présente invention a pour objet un laser à semi-conducteur dont le faisceau émis dont le champ lointain (à quelques cm de la face d'émission) ait une répartition en amplitude gaussienne et ait une faible divergence et un faible astigmatisme, et ait une puissance supérieure à 1W tout en étant stable en température, qui soit facile à réaliser, qui puisse avoir une bonne dissipation thermique et qui puisse être fabriqué par groupes de plusieurs éléments sur le même substrat.
Le procédé de l'invention est un procédé de réalisation d'un laser semiconducteur comportant une première partie sous forme de ruban étroit monomode, terminée par une deuxième partie s'évasant depuis la première partie, la structure multicouche de ce laser étant du type à confinements séparés dans un plan perpendiculaire aux plans des couches et comportant une couche active à au moins un puits quantique, et il est caractérisé par le fait qu'il comporte les étapes suivantes :
- croissance épitaxiale du substrat et des couches de la structure multicouche ; - dépôt d'un contact ohmique sur la couche supérieure de ladite structure ;
- photolithographie et gravure de deux tranchées définissant entre elles lesdites première et deuxième parties du laser ;
- dépôt d'un contact ohmique sur la face inférieure du substrat ;
- dépôt de polymère dans les tranchées ;
- photolithographie sur la face supérieure du contact ohmique, laissant subsister du photorésist au-dessus d'une zone comprise entre les deux tranchées ; - implantation de protons à travers la couche de contact, la couche de photorésist empêchant l'implantation dans la zone qu'elle recouvre ;
- dépôt d'une électrode sur la face supérieure de l'ensemble. Selon une autre caractéristique de l'invention, on réalise plusieurs lasers unitaires côte à côte sur un même substrat et après dépôt de l'électrode sur la face supérieure de l'ensemble, on pratique des chemins de découpe dans cette électrode pour délimiter des lasers unitaires ou des groupes adjacents de lasers unitaires adjacents, et on sépare les lasers unitaires ou groupes de lasers unitaires en suivant les chemins de découpe. Selon une autre caractéristique de l'invention, on forme sur un substrat plusieurs mini-barrettes comportant chacune plusieurs lasers unitaires, on creuse dans au moins une partie des couches formées sur le substrat des tranchées de délimitation de mini-barrettes, et l'on remplit ces tranchées de polymère. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'on fixe les lasers unitaires ou les ensembles de lasers unitaires par leur face supérieure sur un radiateur thermique.
Le laser conforme à l'invention est un laser comportant, dans une couche active, une première partie sous forme de ruban étroit monomode à guidage transverse par l'indice, terminée par une deuxième partie s'évasant depuis la première partie, également à guidage transverse par l'indice, et il est caractérisé par le fait que la délimitation des deux parties de la cavité laser est faite par deux tranchées gravées dans les couches superficielles.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel :
• la figure 1 est une vue simplifiée en perspective d'un laser conforme à l'invention,
• la figure 2 est une vue en coupe schématique montrant les différentes couches de confinement et actives du laser de la figure 1 ,
• la figure 3 est un ensemble de neuf vues en coupe très simplifiées montrant les différentes étapes de fabrication du laser unitaire de l'invention, • la figure 4 est un ensemble de dix vues en coupe très simplifiées montrant les différentes étapes de fabrication d'une barrette à plusieurs lasers unitaires de l'invention,
• la figure 5 est une vue schématique de dessus d'un ensemble de barrettes similaires à celle de la figure 4, • la figure 6 est une vue schématique en perspective d'une barrette similaire à celle de la figure 4, avec une vue agrandie d'un détail, et
• la figure 7 est une vue de dessus simplifiée d'un déflecteur de photons pour un laser conforme à l'invention.
Le laser semi-conducteur 1 représenté en figure 1 est une source laser élémentaire, mais il est bien entendu que l'on peut constituer une barrette comportant plusieurs telles sources élémentaires côte à côte, formées dans le même barreau semi-conducteur, ainsi que représenté en figures 4 à 6. Le laser 1 se présente sous forme d'un barreau 2 semiconducteur en forme de parallélépipède rectangle. Ce barreau 2 comporte essentiellement un substrat 3 sur lequel est formé un ensemble de couches semi-conductrices 4 dont les détails sont décrits ci-dessous, en particulier en référence aux figures 2 et 6. Dans les couches les plus superficielles situées au-dessus de la couche de puits quantique (voir figures 2 et 6) de l'ensemble 4, on forme, par micro- lithographie et gravure, deux tranchées 5 et 6, qui sont parallèles entre elles et à l'axe longitudinal du barreau 2 sur une première partie de leur parcours, puis s'écartent légèrement l'une de l'autre, sur le reste de leur parcours, définissant ainsi entre elles un « canal de passage de courant » ou ruban étroit monomode 7 qui se prolonge par un évasement 8. L'angle d'ouverture de la partie 8 est d'environ 1 à 2 degrés, et de préférence inférieur à 1 °, ce qui assure alors un faible astigmatisme au faisceau laser sortant de cet évasement. Selon un premier exemple de réalisation, la longueur L du barreau est d'environ 2,5 à 3 mm, l'angle d'ouverture de la partie 8 est d'environ 2° et sa longueur est d'environ 1 mm. Selon un autre exemple de réalisation, la longueur L est également d'environ 2,5 à 3 mm, l'angle d'ouverture de la partie 8 est d'environ 0,64° et sa longueur est d'environ 2,2 mm. La largeur du ruban 7 est de quelques microns. A l'extérieur de l'espace compris entre les parois extérieures des tranchées 5 et 6, on procède à une implantation de protons (symbolisés par des points 9) dans les couches superficielles de l'ensemble 4, par exemple avec une énergie d'environ 100 keV, afin de rendre ces parties de couches électriquement isolantes et forcer ainsi, lors du fonctionnement du laser, le courant électrique qui lui est amené par ses électrodes à passer dans le canal 7, 8. Dans cette structure, le ruban 7 est à guidage monomode transverse et stabilise le mode du faisceau émis par l'évasement 8 qui joue le rôle d'amplificateur. Dans le cas où l'angle de la partie évasée 8 est supérieur à 2°, on forme avantageusement un déflecteur tel que celui décrit ci-dessous en référence à la figure 7. Les faces frontales du barreau 2 (perpendiculaires à la direction des tranchées 5) sont obtenues par clivage de ce barreau, après dépôt des ses électrodes, par clivage. L'une de ces faces (la face 2A visible sur le dessin) reçoit un traitement à haute réflectivité, tandis que la face opposée (face de sortie du faisceau laser) reçoit un traitement anti-reflets. On a schématiquement représenté en figure 2 la structure semi- conductrice du laser de l'invention. Cette structure est du type à confinements séparés dans un plan perpendiculaire aux plans des couches, avec une couche active à au moins un puits quantique. Elle est formée sur un substrat N3 de type N fortement dopé, par exemple en GaAs. Sur ce substrat, on forme successivement les couches suivantes :
- Une couche N2 de confinement optique et électrique, de type N, à faible indice. Elle peut être en GaInP, GaAIAs, AIGaInP, etc.
- Une couche N1 de confinement électrique et optique, de type N, à fort indice. Elle peut être en GaInAsP, GaInP, etc.
- Une couche QW, qui est une couche active à puits quantique.
- Une couche P1 de confinement électrique et optique de type P, à indice fort. Elle peut être en GaInAsP, GaInP, etc.
- Une couche P2 de confinement optique de type P, à faible indice. Elle peut être en GaInP, GaAIAs, AIGaInP, etc.
- Une couche P3 de contact électrique de type P, fortement dopée, par exemple en GaAs.
En correspondance avec le schéma de la structure qui vient d'être décrite, on a représenté, sur la figure 2, à droite de cette structure, la courbe d'évolution de l'indice de réfraction des différentes couches qui la composent, ainsi que la courbe d'évolution de l'intensité du champ optique, le long d'une direction perpendiculaire aux plans de ces couches.
On réalise ainsi, grâce à la formation des tranchées 5 et 6, un laser de type ruban à guidage, dans des plans parallèles aux plans des couches, par la partie réelle de l'indice de réfraction du matériau semi- conducteur traversé. La gravure de ces tranchées peut être réalisée de façons différentes, en fonction de la nature du matériau de la couche P2. Si cette couche est en GaInP, la gravure se fait selon un procédé chimique humide, avec auto- alignement par rapport au dessin du métal du contact ohmique (déposé sur la couche supérieure de l'ensemble 4), ceci en raison de la grande sélectivité de vitesse de gravure de l'alliage quaternaire de la couche P1 , la gravure étant généralement arrêtée à la limite entre les couches P2 et P1 (si la différence entre l'indice de la couche P1 et celui de la couche P2 est suffisamment importante). Dans le cas où la couche P1 est en GaAIAs, la gravure est réalisée selon un procédé de gravure sèche par plasma (de type RIE, ICP,...) auto- alignée par rapport au dessin du métal du contact ohmique (déposé sur la couche supérieure de l'ensemble 4). Les tranchées ainsi réalisées sont remplies de polymère est rendues coplanaires avec la couche de contact ohmique précitée. Le matériau polymère joue le rôle d'isolation électrique des zones 7 et 8 par rapport au matériau semiconducteur des mêmes couches, à l'extérieur des tranchées 5 et 6.
La structure laser de l'invention qui vient d'être décrite peut être fixée par sa face supérieure (la plus proche de la couche P3) sur un radiateur thermique, ce qui optimise sa dissipation thermique. En figure 3, on a schématiquement représenté les neuf premières étapes de réalisation de la structure du laser de l'invention, référencées A à I, parmi les douze principales. Ces étapes sont, dans l'ordre :
(A) : croissance épitaxiale du substrat et des couches suivantes, telles que celles représentées en figure 2, l'ensemble étant référencé 1 1 , (B) : dépôt d'un contact ohmique 12 sur la couche P3 de la structure 1 1 ,
(C ) : photolithographie et gravure des deux tranchées 5 et 6, (D) : amincissement du substrat (du côté de la face opposée à la couche 15), l'ensemble de la structure semi-conductrice est maintenant référencé 1 1 A,
(E) : dépôt d'un contact ohmique 13 sur la face inférieure du substrat, et recuit de ce contact,
(F) : dépôt de polymère 14 dans les tranchées 5 et 6, puis élimination du surplus afin d'obtenir une surface plane, coplanaire avec la face supérieure du dépôt 12, (G) : photolithographie sur la face supérieure de la couche 12, puis implantation de protons (9) afin de bien isoler les parties 7 et 8. La zone se trouvant sous la partie 15A de photorésist subsistant après photolithographie (entre les deux tranchées 5 et 6) ne comporte pas de protons, puis élimination de la partie 15A,
(H) : dépôt d'une électrode 15 sur les couches 12 et 14, (I) : photolithographie et ouverture des chemins de découpe 15B entre lasers unitaires adjacents ou groupes adjacents de lasers élémentaires, - clivage des faces d'émission et à haute réflectivité,
- traitement anti-reflets des faces d'émission laser,
- traitement haute réflectivité des faces opposées aux faces d'émission,
- séparation des lasers élémentaires (ou des barrettes de lasers élémentaires), en suivant les chemins de découpe 15B.
Les figures 4 à 6 se rapportent aux étapes de fabrication d'une ou de plusieurs mini-barrettes comportant chacune plusieurs lasers élémentaires tel que celui représenté en figure 1 et réalisées toutes sur le même substrat. Les séparations optiques entre mini-barrettes adjacentes sont réalisées par formation de tranchées à flancs non perpendiculaires aux plans des couches actives dans les couches actives (voir figure 6). Ces étapes de fabrication sont les suivantes, dans l'ordre :
(A) : croissance épitaxiale du substrat et des couches suivantes, telles que celles représentées en figure 2, l'ensemble étant référencé 16, (B) : dépôt d'un contact ohmique 17 de type P+ sur la couche P3 de la structure 16,
(C ) : photolithographie et gravure, pour chaque laser élémentaire, des deux tranchées 5 et 6,
(D) : photolithographie et gravure des séparations 18 entre mini- barrettes adjacentes,
(E) : amincissement du substrat (du côté de la face opposée à la couche 17), l'ensemble de la structure semi-conductrice est maintenant référencé 19,
(F) : dépôt d'un contact ohmique 20 sur la face inférieure du substrat, et recuit de ce contact, (G) : dépôt de polymère 21 dans les tranchées 5, 6 et 18, puis élimination du surplus afin d'obtenir une surface plane, coplanaire avec la face supérieure du dépôt 17,
(H) : photolithographie sur la face supérieure de la couche 17, puis implantation de protons (9) afin de bien isoler les parties 7 et 8 des zones environnantes,
(I) : dépôt d'une électrode 22 sur les couches 17 et 21 ,
(J) : photolithographie et ouverture des chemins de découpe entre lasers unitaires adjacents ou groupes adjacents de lasers élémentaires, - clivage des faces d'émission et à haute réflectivité,
- traitement anti-reflets des faces d'émission laser,
- traitement haute réflectivité des faces opposées aux faces d'émission,
- séparation des mini-barrettes de lasers élémentaires. Sur la figure 5, on a représenté une vue de dessus partielle d'un ensemble 23 de quatre mini-barrettes 23A formées sur le même substrat avec leurs tranchées de séparation optique 24.
Sur la vue en perspective de la figure 6, on a représenté une des mini-barrettes de la figure 5, référencée 25 et formée sur un substrat 26 par exemple en GaAs de type N+. Sur ce substrat on forme un ensemble de couches actives semi-conductrices 27. Cet ensemble comporte, dans l'ordre à partir du substrat 26, une couche 28 par exemple en GaInP, de type N, une couche 29 formant une première grande cavité optique (« Large Optical Cavitiy » en anglais), correspondant à l'ensemble des couches N2 et N1 de la figure 2), un puits optique 30, une deuxième grande cavité optique 31 correspondant à la couche P1 de la figure 2, une couche 32 de type P, par exemple en GaInP de type P, une couche 33, par exemple en GaAs, de type P+, et une couche 34 formant électrode, par exemple en PtCrAuPtAu déposée sur toute la surface supérieure de la mini-barrette après gravure des tranchées décrites ci-après. Comme on le remarque sur la figure 6, la couche 34 n'est pas plane, car elle suit le profil des couches sous-jacentes. Les tranchées 35, 36 de délimitation du ruban laser et de son évasement sont creusées dans les couches 32 et 33, alors que les tranchées 24 de délimitation des mini-barrettes sont creusées dans l'ensemble des couches 29 à 33, et partiellement dans l'épaisseur de la couche 28. Les flancs des tranchées 24 sont perpendiculaires aux plans des couches semi- conductrices, au niveau des couches 32 et 33, et obliques au niveau des autres couches 28 à 31 en formant entre eux un angle de quelques degrés, par exemple compris entre 0,5 et 2° environ. Toutes les tranchées 24, 35 et 36 sont remplies de polymère. On implante des protons dans les zones 37 des couches 32 et 33 bordant extérieurement les tranchées 35, 36. L'implantation ne s'arrête pas nécessairement à la couche 32.
Sur le schéma de la figure 7, on a représenté en particulier les détails de réalisation d'un réflecteur 38. Ce réflecteur comporte deux éléments 39, 40 ayant, en vue de dessus, une forme en « V » et disposés symétriquement de part et d'autre du ruban laser 41 , près de sa jonction avec la partie évasée 42. L'une des branches de chaque « V » est parallèle au ruban 41 , tandis que l'autre branche forme un angle inférieur à 90° par rapport à la première, le sommet de chaque « V » étant dirigé vers la partie évasée 42. Les deux « V » de ce réflecteur sont réalisés en creusant dans les couches actives se trouvant au-dessus du puits quantique des « tranchées » à parois perpendiculaires aux plans de ces couches et dont la section, dans un plan parallèle au plan des couches a la forme en « V » décrite ci-dessus. Ces tranchées sont ensuite remplies d'une matière polymère, ce qui les rend électriquement isolantes.
Ainsi, grâce à l'invention, il est possible de réaliser des sources laser élémentaires ou groupées en barrettes, et de les fixer par leur face supérieure (celle 18) sur un radiateur thermique approprié, ce qui améliore nettement l'évacuation thermique en fonctionnement par rapport aux sources de l'art antérieur, qui ne pouvaient être fixées sur un radiateur que par leur embase.
Selon des exemples de réalisation de l'invention, on a obtenu des lasers élémentaires ayant de longueurs d'onde comprises entre 0,7 et 1 ,1 μm avec des puits ou boites (dites « Qdots ») quantiques sur substrat en GaAs, des longueurs d'onde comprises entre 1 ,1 et 1 ,8 μm avec des puits ou boites quantiques sur substrat en InP, des longueurs d'onde comprises entre 2 et 2,5 μm pour des puits ou boites quantiques sur substrat en GaSb, et des longueurs d'onde comprises entre 3 et plus de 12 μm avec des sources laser de type QCL. Dans ces exemples de réalisation, la largeur constante des tranchées délimitant le ruban et son évasement était d'environ 6 à 7 μm, la largeur des rubans de 3 à 4 μm, la longueur des rubans de 500 μm au maximum et celle des parties évasées de 2500 à 3000 μm au maximum et leur angle d'évasement d'environ 0,64°, le pas des lasers élémentaires d'une même mini-barrette d'environ 50 μm.
En général, pour tous ces exemples de réalisation, la divergence du faisceau émis était de l'ordre de 2° à mi-hauteur de sa courbe d'amplitude), et la puissance du faisceau à la sortie de la partie évasée supérieure ou égale à 1 W environ.
Selon une variante de l'invention (non représentée), l'axe de la partie évasée 8 peut ne pas être aligné sur l'axe du ruban 7, mais faire avec celui-ci un angle de quelques degrés (dans un plan parallèle à celui des couches actives), afin de diminuer la réflectivité dans la face de sortie du faisceau laser.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de réalisation d'un laser semiconducteur comportant une première partie (7) sous forme de ruban étroit monomode, terminée par une deuxième partie (8) s'évasant depuis la première partie, la structure multicouche de ce laser étant du type à confinements séparés dans un plan perpendiculaire aux plans des couches et comportant une couche active à au moins un puits quantiques, caractérisé par le fait qu'il comporte les étapes suivantes :
- croissance épitaxiale du substrat et des couches de la structure multicouche (1 1 ) ; - dépôt d'un contact ohmique (12) sur la couche supérieure de ladite structure ;
- photolithographie et gravure de deux tranchées (5, 6) définissant entre elles lesdites première et deuxième parties du laser ; - dépôt d'un contact ohmique (13) sur la face inférieure du substrat ;
- dépôt de polymère (14) dans les tranchées ;
- photolithographie sur la face supérieure du contact ohmique, laissant subsister du photorésist (15A) au-dessus d'une zone comprise entre les deux tranchées ;
- implantation de protons (9) à travers la couche du contact, la couche de photorésist empêchant l'implantation dans la zone qu'elle recouvre ;
- dépôt d'une électrode (15) sur la face supérieure de l'ensemble.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé par le fait que l'on réalise plusieurs lasers unitaires côte à côte sur un même substrat et qu'après dépôt de l'électrode (15) sur la face supérieure de l'ensemble, on pratique des chemins de découpe (15B) dans cette électrode pour délimiter des lasers unitaires ou des groupes adjacents de lasers unitaires adjacents, et qu'on sépare les lasers unitaires ou groupes de lasers unitaires en suivant les chemins de découpe.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'on forme sur un substrat plusieurs mini-barrettes comportant chacune plusieurs lasers unitaires, que l'on creuse dans au moins une partie des couches formées sur le substrat des tranchées (24) de délimitation de minibarrettes, et que l'on remplit ces tranchées de polymère.
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'on fixe les lasers unitaires ou les ensembles de lasers unitaires par leur face supérieure sur un radiateur thermique.
5. Laser semi-conducteur de puissance à faibles divergence et astigmatisme, comportant, dans une couche active (4), une première partie (7) sous forme de ruban étroit monomode à guidage transverse par l'indice, terminée par une deuxième partie (8) s'évasant depuis la première partie, également à guidage transverse par l'indice, caractérisé par le fait que la délimitation des deux parties de la cavité laser est faite par deux tranchées (35, 36) gravées dans les couches superficielles (32, 33)
6. Laser selon la revendication 5, caractérisé en ce que les deux parties de la cavité sont formées dans les couches actives situées au-dessus du puits quantique (QW).
7. Laser selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que la délimitation est complétée par une implantation de protons (9) dans les zones (37) qui bordent extérieurement les tranchées.
8. Laser selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte, au niveau de la première partie de cavité un déflecteur de photons parasites (9).
9. Laser selon la revendication 8, caractérisé en ce que le déflecteur comporte deux tranchées (39, 40) en forme de « V » disposées de part et d'autre de la première partie de cavité, et que ces tranchées sont remplies de matériau isolant.
10. Laser selon l'une des revendications 5 à 9, caractérisé en ce qu'il est fixé sur un radiateur thermique par sa face opposée au substrat (26).
1 1. Mini- barrette laser comportant plusieurs lasers élémentaires, caractérisé en ce que les lasers élémentaires sont des lasers selon l'une des revendications 5 à 10.
12. Assemblage de mini- barrettes comportant chacune plusieurs lasers élémentaires et formées sur le même substrat (26), caractérisé en ce que les lasers élémentaires sont des lasers selon l'une des revendications 5 à 10 et en ce que la séparation entre mini- barrettes adjacentes est assurée à chaque fois par une tranchée (24) de séparation optique formée dans les couches semi- conductrices et remplie de matériau isolant.
13. Assemblage selon la revendication 12, caractérisé en ce que les flancs de chaque tranchée font entre eux un angle de quelques degrés.
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