WO2016207495A1 - Nanolaser a cristal photonique pompe électriquement - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un nanolaser à semi-conducteurs comprenant une nervure comportant un empilement de couches dans lequel des couches centrales (33, 34, 35) formant un ensemble de puits quantiques sont disposées entre une couche inférieure (32) d'un premier type de conductivité et une couche supérieure (36) d'un deuxième type de conductivité, des trous (42) étant percés sur toute l'épaisseur de la nervure, dans lequel la couche inférieure comporte des premiers prolongements (38, 40) qui s'étendent latéralement de part et d'autre de la nervure, et qui sont revêtus de premières métallisations (42, 44) distantes de la nervure; et l'empilement comporte des seconds prolongements (45, 46) qui s'étendent longitudinalement au-delà de ladite nervure, et qui sont revêtus de deuxièmes métallisations (47, 48).
Description
NANOLASER A CRISTAL PHOTONIQUE POMPE ELECTRIQUEMENT
Domaine
La présente demande concerne un laser de dimensions submicrométriques, ou nanolaser, dont la source de lumière est réalisée à partir d'un semiconducteur à intervalle de bande direct, pompé électriquement.
Exposé de 1 ' art antérieur
La figure 1 est une représentation schématique d'un nanolaser à pompage optique dont la structure est décrite dans l'article de Y.Halioua et al, "Hybrid III-V semiconductor- silicon nanolaser", publié dans Optics Express vol. 19, N°10, du 9 mai 2011.
Le nanolaser comprend, sur un support 1, une nervure 3 constituée d'un empilement de couches successives. La nervure 3 comprend des couches alternées 5 d'arséniure de gallium et d' indium, InGaAs, et d'arséniure phosphure de gallium et d' indium, InGaAsP, comprises entre des couches d'InGaAsP 7. L'empilement est constitué de sorte que les couches d'arséniure de gallium et d' indium constituent des puits quantiques.
La nervure 3 est percée, sur toute sa hauteur, de deux séries de trous 9, 11 alignés suivant l'axe de la nervure avec un pas régulier. Les espacements et les diamètres des trous sont prévus de sorte que chaque série de trous forme un miroir de
haute réflectivité. La nervure 3 constitue ainsi un cristal photonique .
Lorsque la nervure 3 est éclairée par une lumière de longueur d'onde appropriée, un pompage optique des puits quantiques peut être réalisé, et une amplification laser apparaît à l'intérieur de la nervure. Une partie évanescente de l'onde laser est captée par un guide optique 13 présent dans le support 1 sous la nervure et parallèlement à celle-ci.
Un inconvénient est qu'un pompage optique est difficile à mettre en œuvre et à utiliser.
Résumé
Un mode de réalisation prévoit un nanolaser à pompage électrique de puits quantiques compris dans une nervure constituant un cristal photonique.
Un mode de réalisation prévoit un nanolaser à semiconducteurs comprenant une nervure comportant un empilement de couches dans lequel des couches centrales formant un ensemble de puits quantiques sont disposées entre une couche inférieure d'un premier type de conductivité et une couche supérieure d'un deuxième type de conductivité, des trous étant percés sur toute l'épaisseur de la nervure, dans lequel la couche inférieure comporte des premiers prolongements qui s'étendent latéralement de part et d'autre de la nervure, et qui sont revêtus de premières métallisations distantes de la nervure ; et l'empilement comporte des seconds prolongements qui s'étendent longitudinalement au-delà de ladite nervure, et qui sont revêtus de deuxièmes métallisations.
Selon un mode de réalisation, les seconds prolongements ont une épaisseur réduite par rapport au reste de la couche inférieure.
Selon un mode de réalisation, la distance entre les premières métallisations et la base de la nervure est de l'ordre de la longueur d'onde divisée par l'indice de réfraction du matériau recouvrant la métallisation .
Selon un mode de réalisation, la nervure comprend successivement :
- une couche inférieure d'un semi-conducteur III-V dopé de type P ;
- un empilement de couches de semi-conducteurs . III-V, d'intervalles de bandes différents, constitué de façon à former des puits quantiques ;
- une couche supérieure d'un semi-conducteur III-V dopé de type N.
Selon un mode de réalisation, la nervure comprend successivement :
une couche inférieure d'arséniure phosphure de gallium d'indium, InGaAsP, dopée de type P, dont le gallium constitue entre 0 et 40% des cations et le phosphore constitue entre 0 et 60% des anions, par exemple Ιηό, 8Ga0, 2Asn, 45P0, 55A dopée par des atomes de zinc à 10^ atomes/cm3 ;
une couche d' InGaAsP intrinsèque, dont le gallium constitue entre 0 et 40% des cations et le phosphore constitue entre 0 et 60% des anions, par exemple Ino, 8 Gao, 16As0, 48p0, 52 '* un empilement de couches d'une première composition d 'InGaAsP séparées par des couches d1 InGaAsP d'une deuxième composition, constitué de sorte que les couches d' InGaAsP de la première composition forment des puits quantiques ;
une couche d' InGaAsP intrinsèque, dont le gallium- constitue entre 0 et 40% des cations et le phosphore constitue entre 0 et 60% des anions, par exemple Ino, 84Gao, 16^-s0, 48p0, 52 î et une couche supérieure 36 de phosphure d'indium dopé de type N par des atomes de silicium à ÎO1^ atomes/cm3,
la première composition de l'empilement étant telle que le gallium constitue entre 0 et 40% des cations et le phosphore constitue entre 25 et 75% des anions, par exemple In0, 84Gao, 16^S0, 7β θ, 24^ et la deuxième composition étant telle que le gallium constitue entre 5 et 40% des cations et le phosphore constitue entre 0 et 60% des anions, par exemple Ino, 84Gan, i 6Aso ; 8 Q, 52 -
Selon un mode de réalisation la nervure comprend successivement :
- . une couche inférieure d'arséniure phosphure de gallium d'indium, InGaAsP, dopée de type P, d'une épaisseur comprise entre 50 et 250 nm, de préférence entre 100 et 150 nm, par exemple 130 nm ;
une couche d'InGaAsP intrinsèque d'une épaisseur comprise entre 15 et 100 nm, de préférence entre 15 et 60 nm, par exemple 40 nm ;
- un empilement de couches d'une première composition d'InGaAsP séparées par des couches d'InGaAsP d'une deuxième composition, les couches de la première composition ayant une épaisseur comprise entre 4 et 12 nm, par exemple 6,5 nm, et les couches de la deuxième composition ayant dés épaisseurs comprises entre 10 et 50 nm, I .de préférence entré 10 et 20 nm, par exemple 15 nm;
une couche d'InGaAsP intrinsèque d'une épaisseur comprise entre 15 et 100 nm, de préférence entre 15 et 60 nm, par exemple 40 nm ; et
- une couche supérieure de phosphure d'indium dopé de type N d'une épaisseur comprise entre 50 et 250 nm, de préférence entre 100 et 150 nm, par exemple 150 rim.
Un mode de réalisation prévoit une structure comprenant un nanolaser tel que ci-dessus disposé sur un substrat de silicium dans lequel est formé un guide optique configuré pour se coupler en fonctionnement au nanolaser.
Un mode de réalisation prévoit un procédé de fabrication d'un nanolaser tel que ci-dessus, comprenant les étapes consistant à assembler un empilement multicouche III-V sur un substrat de silicium et à photolithograver ledit empilement après assemblage.
Brève description des dessins
Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes
de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
la figure 1, décrite précédemment, représente schéma- tiquement un nanolaser à cristal photonique à pompage optique ; et
la figure 2 représente schématiquement un mode de réalisation d'un nanolaser à cristal photonique à pompage électrique.
Description détaillée
De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Par souci de clarté, seuls les éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés.
Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes "haut", "bas", etc., ou relative, tels que les termes "supérieur", "inférieur", etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que le terme "vertical", il est fait référence à l'orientation des figures.
La figure 2 représente un mode de réalisation d'un nanolaser à cristal photonique à pompage électrique.
Le nanolaser comprend, sur un support 1 dont la couche supérieure est par exemple en oxyde de silicium, une nervure 30 formée par une structure multicouche. Dans cet exemple, la structure comprend successivement, à partir du support :
une couche inférieure 32 d'arséniure phosphure de gallium d'indium, InGaAsP, dopée de type P, dont le gallium constitue entre 0 et 40% des cations et le phosphore constitue entre 0 et 60% des anions, par exemple Ino, 8Gan, 2As0, 45p0, 55r dopée par des atomes de zinc à 10^8 atomès/cm^ ;
une couche 33 d' InGaAsP intrinsèque, dont le gallium constitue entre 0 et 40% des cations et le phosphore constitue entre 0 et 50% des anions, par exemple Ino,84Gao,l6Aso, 8PO,52
un empilement 34 de couches d'une première composition d'InGaAsP séparées par des couches d'InGaAsP d'une deuxième composition, constitué de sorte que les couches d'InGaAsP de la première composition forment des puits quantiques ;
- une couche 35 d'InGaAsP intrinsèque, dont le gallium constitue entre 0 et 40% des cations et le phosphore constitue entre 0 et 60% des anions, par exemple Ino,84Gao,l6Aso,48PO,52 ; et
une couche supérieure 36 de phosphure d'indium dopé de type N par des atomes de silicium à ÎO-^ atomes/cm-^.
Dans l'exemple ci-dessus, la première composition de l'empilement 34 est par exemple telle que le gallium constitue entre 0 et 40% des cations et le phosphore constitue entre 25 et 75% des anions, par exemple Ino, 84Gao, 16As0, 76p0, 24/ et la deuxième composition est par exemple telle que le gallium constitue entre 5 et 40% des cations et le phosphore constitue entre 0 et 60% des anions, par exemple Ino, 84Gao, 16As0, 48p0, 52 ·
La couche 32 a une épaisseur comprise entre 50 et 250 nm, de préférence entre 100 et 150 nm, par exemple 130 nm. Les couches 33 et 35 ont des épaisseurs comprises entre 15 et 100 nm, de préférence entre 15 et 60 nm, par exemple 40 nm. Les couches de la première composition de l'empilement 34 ont une épaisseur comprise entre 4 et 12 nm, par exemple 6,5 nm. Les couches de la deuxième composition de l'empilement 34 ont des épaisseurs comprises entre 10 et 50 nm, de préférence entre 10 et 20 nm, par exemple 15 nm. La couche 36 a une épaisseur comprise entre 50 et 250 nm, de préférence entre 100 et 150 nm, par exemple 150 nm.
La nervure 30 constitue un guide optique et est percée de trous 42 sur toute sa hauteur. La répartition des trous 42 permet de créer un cristal photonique du type décrit en relation avec la figure 1, dans lequel l'espacement entre les trous a été optimisé suivant la méthode décrite dans l'article de A. Bazin et al, "Design of Silica Encapsuled High-Q Photonic Crystal
Nanobeam Cavity", publié dans Journal of Lightwave Technology, Vol 32, N° 5, du 1 mars 2014.
La couche inférieure 32 dopée de type P comprend deux prolongements latéraux 38, 40, de chaque côté, au niveau d'une partie centrale de la nervure 30. Ces prolongements peuvent avoir une épaisseur inférieure du tiers à la moitié de celle de la couche 32 de la nervure. Chaque prolongement latéral 38, 40 est en contact avec une métallisation latérale 42, 44, par exemple à base de zinc et d'or. Les métallisations latérales sont disposées sur les prolongements latéraux symétriquement de part et d'autre de la nervure.
Une distance d est prévue entre chacune des métallisa¬ tions latérales 42 et 44 et la base de la nervure 30. Le choix de la distance d est critique. Cette distance d doit être suffisamment grande pour limiter l'absorption de l'onde électromagnétique présente dans la nervure 30 et donc pour préserver la qualité optique de la nervure (la réduction d'épaisseur susmentionnée des prolongements 38 et 40 contribue à cette limitation) . Cette distance d doit être suffisamment petite pour que la conduction entre les métallisations et la zone active de la couche 32 soit suffisamment élevée. On propose ici de calculer la distribution spatiale du champ électromagnétique dans la nervure et les prolongements latéraux afin de placer les métallisations dans des zones où l'amplitude de ce champ est faible. Ceci conduit à une distance d de l'ordre de la longueur d'onde de la lumière, à 20% près, divisée par l'indice de réfraction du matériau recouvrant la métallisation.
La structure multicouche se prolonge longitudinale- ment, au-delà de chacune des deux extrémités de la nervure 30, en deux prolongements longitudinaux 45, 46. La couche supérieure
36 dopée de type N des prolongements longitudinaux est en contact avec des métallisations supérieures 47, 48, par exemple à base de titane et d'or. Les métallisations 47 et 48 sont disposées sur les prolongements respectivement 45 et 46. Dans l'exemple représenté, la largeur de ces prolongements
longitudinaux, de l'ordre de 25 ym à 10 % près, est supérieure à la largeur de la nervure 30, ce qui permet une diminution de la résistance de contact.
Les parties 38, 40 de la couche 32 sont interrompues pour ne pas rejoindre la partie de cette couche 32 située sous les prolongements longitudinaux, ce qui définit des espacements 50, 52 situés de part et d'autre de la nervure.
En fonctionnement, un courant circule des métalli- sations inférieures 42 et 44 connectées à un même premier potentiel vers les métallisations supérieures 47 et 48 connectées à un même second potentiel. Les espacements 50, 52 contribuent à canaliser le courant vers la couche inférieure 32 dopée de type P de la nervure 30. Le courant circule alors verticalement dans la nervure puis rejoint les métallisations supérieures 47 et 48. Les porteurs se recombinent radiativement au sein de l'empilement 34, permettant le pompage au sein des puits quantiques, et la qualité optique de la nervure 30 permet qu'une amplification laser se produise. Une partie de l'onde laser est captée par un guide optique 13 noyé dans le support 1 de la manière décrite en relation avec la figure 1.
Le nanolaser décrit en relation avec la figure 2 est réalisé à partir d'une structure multicouche reportée sur le support 1 et est défini par des gravures plasma successives.
Une première étape de gravure, sur la totalité de l'épaisseur de la structure multicouche, permet de réaliser les trous 42, les espacements 50, 52 et le pourtour de l'ensemble de la nervure 30 et des prolongements latéraux 38, 40 et longitu¬ dinaux 45, 46.
Une deuxième étape de gravure, qui laisse en place une épaisseur limitée de la couche inférieure 32, permet de finali¬ ser la nervure 30, et de réaliser les prolongements latéraux 38, 40.
Les métallisations 42, 44 et 47 et 48, sont ensuite réalisées par exemple par un procédé de lift off .
Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, bien que les puits quantiques décrits soient réalisés par des couches d'arséniure de qallium et d'indium comprises entre des couches d'arséniure phosphure de gallium et d'indium, il. sera clair pour l'homme de l'art que d'autres semi-conducteurs à intervalle de bande direct pourraient être choisis, par exemple parmi les semi-conducteurs III-V.
Bien que les dopages de type N et P décrits ici soient respectivement à base d'atomes de silicium et d'atomes de zinc, il sera clair pour l'homme de l'art que d'autres atomes pourraient être utilisés.
Bien que les contacts métalliques aient été décrits avec des compositidns particulières, il sera clair pour l'homme dé l'art que d'autres compositions, adaptées pour réaliser des contacts électriques avec les couches dopées, sont possibles.
Bien que la couche inférieure dopée de type P décrite ait un contact direct avec le support 1, il sera clair pour l'homme de l'art que ce contact peut être fait, par exemple, par l'intermédiaire d'une couche en phosphure d'indium intrinsèque.
Claims
1. Nanolaser à semi-conducteurs comprenant une nervure comportant un empilement de couches dans lequel des couches centralés (33, 34, 35) formant un ensemble de puits quantiques sont disposées entre une couche inférieure (32) d'un premier type de conductivité et une couche supérieure (36) d'un deuxième type de conductivité, des trous (42) étant percés sur toute l'épaisseur de la nervure, dans lequel :
la couche inférieure comporte des premiers prolongements (38, 40) qui s'étendent latéralement de part et d'autre de la nervure, et qui sont revêtus de premières métallisations (42, 44) distantes de la nervure ; et
l'empilement comporte des seconds' prolongements (45, 46) qui s'étendent longitudinalement au-delà de ladite nervure, et qui sont revêtus de deuxièmes métallisations (47, 48) .
2. Nanolaser selon la revendication 1, dans lequel les premiers prolongements (45, 46) ont une épaisseur réduite par rapport au reste de la couche inférieure.
3. Nanolaser selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la distance (d) entre les premières métallisations (42, 44) et la base de la nervure est de l'ordre de la longueur d'onde divisée par l'indice de réfraction du matériau recouvrant la métallisation.
4. Nanolaser selon l'une quelconque des revendications. 1 à 3, dans lequel la nervure (30) comprend successivement :
- une -couche inférieure (32) d'un semi-conducteur III-V dopé de type P ;
- un empilement (33, 34, 35) de couches de semi-conducteurs III- V, d'intervalles de bandes différents, constitué de façon à former des puits quantiques ;
- une couche supérieure (36) d'un semi-conducteur III-V dopé de type N.
5. Nanolaser selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la nervure (30) comprend successivement :
une couche inférieure (32) d'arséniure phosphure de gallium de d'indium, InGaAsP, dopée de type P, dont le gallium constitue entre 0 et 40% des cations et le phosphore constitue entre 0 et 60% des anions, par exemple Ino, 8Ga0, 2AS0, 5p0, 55/ dopée par des atomes de zinc à 1018 atomes/cm^ ;
une couche (33) d' InGaAsP intrinsèque, dont le gallium constitue entre 0 et 40% des cations et le phosphore constitue entre 0 et 60% des anions, par exemple Ino,8 Gao,15Aso, 8PO,52
un empilement (34) de couches d'une première composition d' InGaAsP séparées par des couches d'InGaAsP d'une deuxième composition, constitué de sorte que les couches d'InGaAsP de la première composition forment des puits, quantiques ;
une couche (35) d'InGaAsP intrinsèque^ dont le gallium constitue entre . 0 et 40% des cations et le phosphore constitue entre 0 et 60% des anions, par exemple Ino,84Gao, 16Aso,48PO,52 et
une couche supérieure 36 de phosphure d'indium dopé de type N par des atomes de silicium à ÎO^-8 atomes/cm-^,
la première composition de l'empilement (34) étant telle que le gallium constitue entre 0 et 40% des cations' et le phosphore constitue entre 25 et 75% des anions, par exemple Ino, 84Gao, l6^so( 76^0, 24 r et la deuxième composition étant telle que le gallium constitue entre 5 et 40% des cations et le phosphore constitue entre 0 et 60% des anions, par exemple
Ino, 8 Gao, i6Aso, 48P0, 52 ·
6. Nanolaser selon 1 ' une quelconque des revendications à 5, dans lequel la nervure (30) comprend successivement : une couche inférieure (32) d'arséniure phosphure de gallium de d'indium,. InGaAsP; dopée de type P, d'une épaisseur comprise entre 50 et 250 nm, de préférence entre 100 et 150 nm, par exemple 130 nm ;
une couche (33) d'InGaAsP intrinsèque d'une épaisseur comprise entre 15 et 100 nm, de préférence entre 15 et 60 nm, par exemple 40 nm ;
un empilement (34) de couches d'une première composition d'InGaAsP séparées par des couches d'InGaAsP d'une deuxième composition, les couches de la première composition ayant une épaisseur comprise entre 4 et 12 nm, par exemple 6,5 nm, et les couches de la deuxième composition ayant des épaisseurs comprises entre 10 et 50 nm, de préférence entre 10 et 20 nm, par exemple 15 nm ;
une couche (35) d'InGaAsP intrinsèque d'une épaisseur comprises entre 15 et 100 nm, de préférence entre 15 et 60 nm, par exemple 40 nm ; et
une couche supérieure (36) de phosphure d'indium dopé de type I N d'une épaisseur comprise entre 50 eti 250 nm, de préférence entre 100 et' 150 nm, par exemple 150 nm.
7. Structure comprenant un nanolaser selon 1 ' une quelconque des revendications 1 à 6 disposé sur un substrat de silicium dans lequel est formé un guide optique (13) configuré pour se coupler en fonctionnement au nanolaser.
8. Procédé de fabrication d'un nanolaser selon l'une quelconqué des revendications 1 à 7, comprenant les étapes consistant à assembler un empilement multicouche III-V sur un substrat de silicium et à photolithograver ledit empilement après assemblage.
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