Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
WO 2023/275320 1
PCT/EP2022/068188
COMPOSANT OPTOÉLECTRONIQUE INSENSIBLE AUX DISLOCATIONS
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
[0001] La présente invention concerne de manière générale les composants opto-
électroniques émetteurs de lumière à base de semi-conducteurs composés sur des
substrats non natifs.
[0002] L'invention montre une application particulièrement avantageuse pour
l'intégration
de composants opto-électroniques émetteurs de lumière dans ou sur des circuits
intégrés
photoniques.
ETAT DE LA TECHNIQUE
[0003] L'intégration de composants opto-électroniques émetteurs de lumière à
base de
matériaux semi-conducteurs, comme les lasers ou les diodes
électroluminescentes, sur des
substrats non natifs, c'est à dire un substrat formé en un matériau différent
des matériaux
formant le composant, permet d'étendre leur champ d'application et de diminuer
leurs coûts
de fabrication.
[0004] En effet, certaines filières technologiques, par exemple celles basées
sur les
substrats en silicium ou en arséniure de gallium, se sont développées depuis
de
nombreuses années et bénéficient d'avantages en termes de coût. Elles ouvrent
ainsi la
perspective de pouvoir utiliser des technologies d'intégration matures, tels
que les procédés
de fabrication de l'industrie microélectronique, pour réaliser des composants
photoniques.
Par ailleurs, la photonique sur silicium est un domaine de recherche très
prometteur visant
à intégrer des fonctions photoniques avec des circuits électroniques à
l'échelle de plaques
de silicium.
[0005] L'intégration de composants semiconducteurs sur substrat non natif peut
être
effectuée principalement par deux méthodes : soit de manière dite hétérogène,
c'est-à-dire
par le collage de couches ou composants semiconducteurs sur le substrat non
natif, soit de
manière dite monolithique, c'est-à-dire par croissance épitaxiale de couches
de
semiconducteurs directement sur le substrat non natif.
[0006] La croissance épitaxiale sur un substrat qui ne possède pas le même
paramètre
de maille que le matériau épitaxié engendre la présence de dislocations au
sein du
composant formé. Les dislocations sont des défauts linéaires (c'est-à-dire non-
ponctuels),
correspondant à une discontinuité dans l'organisation de la structure
cristalline. Elles ont
une influence en particulier sur les propriétés électroniques des matériaux
semi-
conducteurs.
[0007] II est constaté et reconnu que les lasers à puits quantiques présentent
une
sensibilité aux dislocations et que les lasers à puits quantiques épitaxiés
sur des substrats
CA 03224067 2023- 12-22
WO 2023/275320 2
PCT/EP2022/068188
non natifs connaissent en conséquence une dégradation de leurs performances du
fait des
dislocations générées par la croissance épitaxiale. On peut par exemple
recenser les
articles Realization of GaAs/AlGaAs lasers on Si substrates using epitaxial
lateral
overgrowth by metalorganic chemical vapor deposition" de Kazi et al., ou
encore
Theoretical Study on the Effects of Dislocations in Monolithic III-V Lasers on
Silicon" de
Hantschmann et al., qui soulignent cette problématique.
[0008] L'article Lasing Characteristics and Reliability of 1550 nm laser
monolithically
grown on Si" de Shi et al. rapporte les contraintes de fonctionnement de
diodes laser en
phosphure d'indium fabriquées par croissance épitaxiale sur un substrat de
silicium. Une
diminution du temps de vie du laser et un courant de seuil augmenté d'un ordre
de grandeur
par rapport à des diodes laser épitaxiées sur un substrat natif ont notamment
été observés.
Cette baisse de performances est attribuée à des fuites de porteurs de charge
via les
dislocations.
[0009] Des lasers à boîtes quantiques, décrits par exemple dans les articles
Photonic
Integration With Epitaxial III-V on Silicon de A. Liu et J. Bowers, ou
encore "Low-
Threshold Epitaxially Grown 1.3-,um InAs Quantum Dot Lasers on Pattemed (001)
Si' de
Shang et al., ont été fabriqués par croissance épitaxiale sur substrat non
natif. Ceux-ci
présentent de meilleures performances en comparaison aux lasers à puits
quantiques
fabriqués selon le même procédé.
[0010] Cependant, les performances des lasers à boîtes quantiques fabriqués
sur
substrat non natif restent limitées par la densité des dislocations. Celle-ci
doit rester faible,
de l'ordre de 106 - 107 cm-2, pour assurer le bon fonctionnement de ces
lasers, comme
décrit dans les articles Origin of defect tolerance in InAs/GaAs quantum dot
lasers grown
on Si', de Liu et al., ou encore Impact of threading dislocation on the
lifetime of InAs
quantum dot lasers on Si , de Jung et al.
PRÉSENTATION DE L'INVENTION
[0011] Dans ce contexte, la présente invention propose un composant
optoélectronique
insensible aux dislocations, comprenant une hétérostructure semiconductrice à
puits
quantiques apte à émettre un rayonnement laser et formée par croissance
épitaxiale sur un
substrat non natif. En d'autres termes, les performances de ce composant
optoélectronique
ne sont pas affectées par les dislocations dues à la fabrication par
croissance épitaxiale et
sont similaires à celles obtenues par croissance épitaxiale sur substrat
natif.
[0012] Ainsi, l'invention va à l'encontre du préjugé précédemment évoqué selon
lequel,
des sources lumineuses, telles que des lasers, à base de matériaux semi-
conducteurs
fabriquées par croissance épitaxiale sur des substrats non natifs, présentent
des
performances dégradées en comparaison aux sources fabriquées par croissance
épitaxiale
CA 03224067 2023- 12-22
WO 2023/275320 3
PCT/EP2022/068188
sur des substrats natifs.
[0013] L'invention propose ainsi un composant opto-électronique comprenant :
- une hétérostructure semiconductrice apte à émettre un rayonnement laser
formée en des
premiers matériaux semiconducteurs comprenant une cascade de zones actives à
gain à
transition radiative interbande de type-II,
- une structure de support comprenant un substrat non natif différent des
premiers
matériaux semiconducteurs, ladite hétérostructure semiconductrice étant formée
par
croissance épitaxiale sur la structure de support, caractérisé en ce que les
zones actives
présentent une densité de dislocations supérieure à 107.cm-2, supérieure à
3.107.cm-2,
supérieure, à 5.107.cm-2, supérieure à 108.cm-2, supérieure à109.cm-2 ou
supérieure à
101 .cm-2.
D'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du composant opto-
électronique
conforme à l'invention, prises individuellement ou selon toutes les
combinaisons
techniquement possibles, sont les suivantes :
- la structure de support comprend en outre sur le substrat non natif au moins
une couche
tampon qui présente une densité de dislocations supérieure à 107.cm-2, 107.cm-
2 supérieure
à 3.107.cm-2, supérieure à 5.107.cm-2, supérieure à 108.cm-2, supérieure
à109.cm-2 ou
supérieure à
1010.cm-2.
- la structure de support comprend en outre sur le substrat non natif au
moins une couche
tampon qui présente une épaisseur inférieure ou égale à 3 micromètres,
inférieure ou égale
à 2 micromètres ou encore inférieure ou égale à 1 micromètre.
-la structure de support comprend en outre une première couche de transition
supplémentaire, une première zone de confinement et une deuxième couche de
transition
supplémentaire,
-le substrat non natif est formé en un matériau du groupe IV,
- le substrat non natif est formé en silicium,
- les premiers matériaux semiconducteurs comprennent un antimoniure,
- les zones actives sont chacune constituées d'un puits quantique de trou
inséré entre deux
puits quantiques d'électrons, ledit puits quantique de trou et les deux puits
quantiques
d'électrons formant un ensemble situé entre deux couches barrières,
- les zones actives comprennent chacune :
- une première couche en antimoniure d'aluminium AlSb et d'épaisseur
comprise entre 1
nm et 3.5 nm,
- une deuxième couche en arséniure d'indium I nAs et d'épaisseur entre 1 nm
et 4 nm,
- une troisième couche en matériau ternaire à base de gallium, d'indium et
d'antimoine dont
la teneur en indium varie entre 0% et 50%, et d'épaisseur comprise entre 1.5
nm et 4.5 nm,
- une quatrième couche en arséniure d'indium InAs et d'épaisseur entre 1 nm
et 3.5 nm,
CA 03224067 2023- 12-22
WO 2023/275320 4
PCT/EP2022/068188
- les zones actives sont chacune située entre une zone de blocage
d'électrons et une zone
de blocage de trous,
- chaque zone de blocage d'électrons comprend :
- une couche en antimoniure d'aluminium AlSb et d'épaisseur comprise entre
0.3 et 3 nm,
- une couche en antimoniure de gallium GaSb et d'épaisseur comprise entre 1.5
et 5 nm,
- une couche en antimoniure d'aluminium AlSb et d'épaisseur comprise entre
0.3 et 3 nm,
- une couche en antimoniure de gallium GaSb et d'épaisseur comprise entre
2et 5.5 nm,
- une couche en antimoniure d'aluminium AlSb et d'épaisseur comprise entre
1 et 3.5 nm.
- chaque zone de blocage de trous comprend :
- une couche en arséniure d'indium InAs et d'épaisseur comprise entre 3 et
6 nm,
- une couche en antimoniure d'aluminium AlSb et d'épaisseur comprise entre
0.6 et 3 nm,
- une couche en arséniure d'indium I nAs:Si de densité de dopage comprise
entre 5 1017 et
2 1019 cm-3 et d'épaisseur comprise entre 2 et 5 nm,
- une couche en antimoniure d'aluminium AlSb et d'épaisseur comprise entre 0.6
et 3 nm,
- une couche en arséniure d'indium I nAs:Si de densité de dopage comprise
entre 5 10'7 et
2 1019 cm-3 en matériau et d'épaisseur comprise entre 1.5 et 4 nm,
- une couche en antimoniure de gallium AlSb et d'épaisseur comprise entre
0.6 et 3 nm,
- une couche en arséniure d'indium I nAs:Si de densité de dopage comprise
entre 5 1017 et
2 1019 cm-3 et d'épaisseur comprise entre 1 et 4 nm,
- une couche en antimoniure de gallium AlSb et d'épaisseur comprise entre
0.6 et 3 nm,
- une couche en arséniure d'indium InAs:Si de densité de dopage comprise
entre 5 10'7 et
2 1019 cm-3 et d'épaisseur comprise entre 1 et 4 nm,
- une couche en antimoniure de gallium AlSb et d'épaisseur comprise entre
0.6 et 3 nm,
- une couche en arséniure d'indium InAs et d'épaisseur comprise entre 1 et 4
nm,
- l'hétérostructure semiconductrice présente une densité de dislocations
comprise entre 106
et 109 cm-2.
[0014] Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et formes de
réalisation
de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses
combinaisons
dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des
autres.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION
[0015] La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à
titre
d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention
et comment elle
peut être réalisée.
[0016] Sur les dessins annexés :
[0017] [Fig. 1] est une vue schématique d'un mode de réalisation d'un
composant opto-
CA 03224067 2023- 12-22
WO 2023/275320 5
PCT/EP2022/068188
électronique selon l'invention ;
[0018] [Fig. 2] est une vue schématique d'un mode de réalisation d'une zone
active selon
l'invention ;
[0019] [Fig. 3] est une vue schématique d'un puits quantique de type ll ;
[0020] [Fig. 4] est une vue schématique d'un puits quantique de type Il
présentant des
dislocations ;
[0021] [Fig. 5] illustre le principe de fonctionnement d'une cascade de zones
actives ;
[0022] [Fig. 6] est une vue schématique d'un mode de réalisation d'une zone de
blocage
de trous et d'une zone de blocage d'électrons selon l'invention ;
[0023] [Fig. 7] représente le diagramme de bande du mode de réalisation de
l'assemblage
formée par une zone active, une zone de blocage de trous et une zone de
blocage
d'électrons de la figure 6.
[0024] [Fig. 8] représente l'évolution en fonction du courant d'alimentation
de la puissance
par facette du rayonnement laser émis par un composant opto-électronique
fabriqué selon
la combinaison des modes de réalisation des figures 1, 2 et 6.
[0025] [Fig. 9] représente l'évolution en fonction du courant d'alimentation
du spectre du
rayonnement laser émis par un composant opto-électronique selon la combinaison
des
modes de réalisation des figures 1, 2 et 6.
[0026] [Fig. 10] représente l'évolution en fonction de la température du
spectre du
rayonnement laser émis par un composant opto-électronique selon la combinaison
des
modes de réalisation des figures 1, 2 et 6.
[0027] [Fig. 11] représente la mesure de durée de vie du composant opto-
électronique
selon la combinaison des modes de réalisation des figures 1, 2 et 6.
[0028] [Fig. 12] représente l'évolution de la puissance par facette du
rayonnement laser
émis par un composant opto-électronique de structure similaire à la
combinaison des
modes de réalisation des figures 1, 2 et 6, mais fabriqué par croissance
épitaxiale sur un
substrat natif.
[0029] [Fig. 13] représente l'évolution en fonction de la température du
spectre du
rayonnement laser émis par un composant opto-électronique de structure
similaire à la
combinaison des modes de réalisation des figures 1, 2 et 6, mais fabriqué par
croissance
épitaxiale sur un substrat natif.[Fig. 14] représente l'évolution en fonction
du courant
d'alimentation de la puissance par facette du rayonnement laser émis par un
composant
opto-électronique similaire au mode de réalisation de la figure 1, mais
fabriqué par
croissance épitaxiale sur un substrat natif.
[0030] [Fig. 15] représente l'évolution, en fonction du courant
d'alimentation, de la
puissance par facette du rayonnement laser émis par un composant opto-
électronique
similaire au mode de réalisation de la figure 1.
CA 03224067 2023- 12-22
WO 2023/275320 6
PCT/EP2022/068188
[0031] [Fig. 16] représente l'évolution, en fonction du courant
d'alimentation, de la
puissance par facette du rayonnement laser émis par un composant opto-
électronique
similaire au mode de réalisation de la figure 1, mais fabriqué par croissance
épitaxiale sur
un substrat natif.
[Fig. 17] représente l'évolution, en fonction du courant d'alimentation, de la
puissance par
facette du rayonnement laser émis par un composant opto-électronique similaire
au mode
de réalisation de la figure 1.
[0032] [Fig. 18] est une vue schématique d'un autre mode de réalisation d'un
composant
opto-électronique selon l'invention
[0033] La figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation d'un
composant
optoélectronique selon l'invention désigné dans son ensemble par la référence
1.
[0034] Le composant optoélectronique 1 comprend une structure de support 30
sur
laquelle va être formée par croissance épitaxiale une hétérostructure
semiconductrice 2
apte à émettre un rayonnement laser.
[0035] La structure de support 30 comprend a minima un substrat, en anglais
vvafer ,
non natif 3. Par substrat non natif , il est entendu un substrat formé en
un matériau
différent des matériaux formant l'hétérostructure semiconductrice 2. Selon
l'exemple
illustré, le substrat non natif 3 est un substrat de silicium Si (001) étant
entendu que le
substrat pourrait également être réalisé en germanium, en arséniure de
gallium, en
phosphure de gallium, ou en phosphure d'indium.
[0036] Dans le cas présent, la structure de support 30 comprend en outre un
empilement
de plusieurs couches semiconductrices déposées successivement les unes sur les
autres
par croissance épitaxiale sur le substrat non natif 3. Le type d'épitaxie peut
être choisi parmi
l'épitaxie par jets moléculaires, l'épitaxie par jets chimiques, ou encore
l'épitaxie en phase
vapeur d'organométalliques.
[0037] Ainsi, la structure de support 30 comprend successivement et à partir
du substrat
3; une couche tampon 4, une première couche de transition supplémentaire 53a,
une
première zone de confinement 51 (en anglais, couche de cladding ), puis une
deuxième
couche de transition supplémentaire 53b. Le rôle de la couche tampon et des
couches de
transition est d'adapter les changements du minimum d'énergie de la bande de
conduction
d'une couche à l'autre.
[0038] En variante, une couche pourrait être ajoutée dans la couche tampon 4
afin de
réaliser une couche de contact inférieure spécifique comme il sera décrit plus
loin.
[0039] Ici, la couche tampon 4 est en antimoniure de gallium GaSb:Te et
présente une
épaisseur comprise entre 100 nm et 3 m. Selon l'exemple illustré la couche
tampon
possède une épaisseur de 1500 nm.
[0040] Dans le cas présent, la première zone de confinement 51 est formée d'un
nombre
CA 03224067 2023- 12-22
WO 2023/275320 7
PCT/EP2022/068188
important de répétitions de la superposition d'une couche en antimoniure
d'aluminium AlSb
d'épaisseur comprise entre 1 nm et 4 nm et d'une couche en arséniure d'indium
InAs:Si
d'épaisseur comprise entre 1 nm et 4 nm. Selon l'exemple illustré la couche en
antimoniure
d'aluminium AlSb possède une épaisseur de 2.3 tandis que la couche en
arséniure d'indium
InAs:Si possède une épaisseur de 2.4 nm et il en est réalisé 685 répétitions.
[0041] La première couche de transition supplémentaire 53a et la deuxième
couche de
transition supplémentaire 53b sont en alliage d'antimoniure d'aluminium et
d'arséniure
d'indium AlSb/InAs ayant chacune une épaisseur comprise entre 1.5 nm et 3.5
nm.
[0042] La structure de support 30 est fabriquée par une technique de
croissance
épitaxiale choisie parmi les techniques précédemment citées.
[0043] L'hétérostructure semiconductrice 2, apte à émettre un rayonnement
laser, est
alors déposée en couches successives par croissance épitaxiale sur la
structure de
support 30. L'hétérostructure semiconductrice 2 est formée d'un empilement de
régions et
couches en matériaux semiconducteurs.
[0044] Selon l'exemple illustré, l'hétérostructure semiconductrice comprend, à
partir de la
dernière couche de la structure support 30 (i.e. la couche la plus éloignée du
substrat 3)
une région 22 formant une première hétérostructure de confinement. Dans le cas
présent,
la région 22 est en antimoniure de gallium GaSb:Te et présente une épaisseur
une
épaisseur comprise entre 100 nm et 1.2 [lm, et par exemple de 400 nm.
[0045] L'hétérostructure semiconductrice 2 comprend successivement, à partir
de la
région 22 : une première couche de transition 21a, une région photoémettrice
20 qui sera
décrite plus en détails plus loin, une deuxième couche de transition 21b, une
région 23
formant une deuxième hétérostructure de confinement.
[0046] Selon l'exemple illustré, la première couche de transition 21a et la
deuxième
couche de transition 21b sont constituées en un alliage d'antimoniure
d'aluminium et
d'arséniure d'indium AlSb/InAs, d'épaisseurs respectives comprises entre 0.3
nm et 3.5 nm.
La région 23 est, comme la région 22, en antimoniure de gallium GaSb:Te,
présentant une
épaisseur de 400 nm.
[0047] Des couches supplémentaires venant compléter le composant
optoélectronique 1
selon l'invention sont également déposées en couches successives et par
croissance
épitaxiale sur l'hétérostructure semiconductrice 2.
[0048] Ainsi, sur la région de confinement 23 de l'hétérostructure
semiconductrice 2, se
situe une troisième couche de transition supplémentaire 53c. Par exemple,
cette troisième
couche de transition supplémentaire 53c est en un alliage d'antimoniure
d'aluminium et
d'arséniure d'indium AlSb/InAs.
[0049] Sur la troisième couche de transition supplémentaire 53c se trouvent
dans l'ordre,
premièrement, une deuxième zone de confinement 52, et deuxièmement, une couche
de
CA 03224067 2023- 12-22
WO 2023/275320 8
PCT/EP2022/068188
contact supérieure 54. Dans le cas présent, la deuxième zone de confinement 52
est
formée, comme la première zone de confinement 51, d'un nombre important de
répétitions
de la superposition d'une couche en Antimoniure d'Aluminium AlSb d'épaisseur
comprise
entre 1 nm et 4 nm et d'une couche en arséniure d'indium InAs:Si d'épaisseur
comprise
entre 1 nm et 4 nm. Selon l'exemple illustré la couche en AlSb possède une
épaisseur de
2.3 nm tandis que la couche en InAs:Si possède une épaisseur de 2.4 nm. Par
ailleurs, la
couche de contact supérieure 54 est une couche en arséniure d'indium InAs:Si
d'épaisseur
comprise entre 5 nm et 50 nm, par exemple de 20 nm.
[0050] La région photoémettrice 20 de l'hétérostructure semiconductrice 2 est
formée
d'une cascade de zones actives 24.
[0051] Dans une source laser à semi-conducteur, la zone active est la zone
spatiale où a
lieu l'émission du rayonnement laser. La zone active est une zone de
confinement de
porteurs de charge de type électron et trou. Un trou se définit comme une
absence
d'électron dans une bande de valence d'un matériau semi-conducteur. La zone
active peut
être constituée d'une ou plusieurs couches de matériaux semiconducteurs.
L'émission des
photons est produite suite à une recombinaison d'un porteur de charge de type
électron
avec un porteur de charge de type trou.
[0052] Dans le mode de réalisation de la figure 1, chaque zone active 24
présente une
structure telle que représenté à la figure 2. Cette structure est composée
d'un empilement
de couches 243, 242a, 241 et 242b. Dans le cas présent, ces couches présentent
les
caractéristiques suivantes : la couche 241 est en matériau ternaire à base de
gallium,
d'indium et d'antimoine Ga0.651n035Sb, et d'épaisseur comprise entre 1.5 nm et
4.5 nm, par
exemple 3 nm les couches 242a et 242b sont en arséniure d'indium InAs et
d'épaisseurs
respectives comprises chacune entre 1 nm et 4 nm , par exemple 1.6 nm et 1.4
nm ; la
couche 243 est en antimoniure d'aluminium AlSb et d'épaisseur comprise entre 1
nm et
3.5 nm, dans le cas présent de 2.5 nm. La composition du matériau ternaire à
base de
gallium, d'indium et d'antimoine de la couche 241 peut varier de 0% d'indium à
50%
d'indium. La structure composée de l'empilement de couches 243, 242a, 241 et
242b est
dite avec une structure de bande en W . La couche 211 constitue un puits
quantique de
trous et est entourée des couches 212a et 212b formant chacune un puits
quantique
d'électrons.
[0053] Ainsi, dans le mode de réalisation de la figure 1, chaque zone active
24 est une
zone active à transition interbande basée sur un puits quantique de type-II,
c'est-à-dire, où
les extrema de la bande de conduction et de la bande de valence des matériaux
constituant
le puits quantique sont spatialement séparés.
[0054] La figure 3 illustre schématiquement un puits quantique de type-II. La
limite de la
bande de conduction y est matérialisée par la courbe BC et la limite de la
bande de valence
CA 03224067 2023- 12-22
WO 2023/275320 9
PCT/EP2022/068188
y est matérialisée par la courbe BV. Les traits en pointillés représentent
schématiquement
un niveau d'énergie possible pour un électron (rond noir) et pour un trou
(rond avec un
signe plus ). Les recombinaisons entre électrons et trous sont
matérialisées par les
flèches épaisses verticales et les émissions de photons sont matérialisées par
les flèches
ondulées. On peut observer que le minimum de la bande de conduction et celui
de la bande
de valence se situent dans un premier matériau, et que le maximum de la bande
de
conduction et celui de la bande de valence se situent dans un autre matériau.
Si des
porteurs de charge (électrons et trous) sont injectés dans le puits quantique
de type Il, ils
sont spatialement séparés, mais peuvent néanmoins se recombiner avec une
probabilité
réduite.
[0055] Comme mentionné en introduction, la croissance épitaxiale sur un
substrat qui ne
possède pas le même paramètre de maille que le matériau épitaxié, comme cela
est le cas
de la fabrication du composant optoélectronique 1 selon l'invention, engendre
une très
grande densité de dislocations au sein du composant formé, c'est-à-dire une
densité de
dislocations supérieure à 107.cm-2. Par exemple ici, le composant
optoélectronique, et
notamment ses zone actives 24, présentent une densité de dislocations de
5.108.cm-2.
[0056] Dans un matériau semiconducteur, les dislocations peuvent être
modélisées par
des niveaux d'énergie situés dans la bande d'énergie interdite ( gap ),
c'est-à-dire, la
bande d'énergie entre la bande de conduction et la bande de valence.
[0057] La figure 4 illustre schématiquement un puits quantique de type Il
comportant des
dislocations. La ligne BC désigne la limite de la bande de conduction BC, la
ligne
BV désigne la limite de la bande de valence BV et entre ces deux lignes se
trouve la bande
d'énergie interdite Bl. Les niveaux d'énergie associés aux dislocations sont
représentés en
traits pointillés.
[0058] On peut observer que ces niveaux d'énergie sont structurellement
éloignés du
milieu où ont lieu les recombinaisons radiatives. Un exemple de recombinaison
radiative
est représenté par une flèche en trait plein. On peut observer que les niveaux
d'énergie
modélisant les dislocations ne peuvent intercepter la flèche en trait plein.
Autrement dit, il
n'est pas possible aux porteurs de charge de se recombiner de manière non
radiative via
les dislocations au sein de zones actives à transition radiative de type-Il.
[0059] Ainsi, les inventeurs ont eu le mérite de démontrer que l'utilisation
de zones actives
à transition radiative de type-Il permet d'éliminer les recombinaisons non
radiatives au
niveau de dislocations. Ces recombinaisons non radiatives, qui affectent
l'efficacité
d'émission dans les zones actives, n'ont donc pas lieu dans le composant
optoélectronique
1 selon l'invention.
[0060] Par ailleurs, dans la région photoémettrice 20, les zones actives sont
mises en
cascade. Le principe de mise en cascade, illustré à la figure 5, permet un
recyclage des
CA 03224067 2023- 12-22
WO 2023/275320 10 PC
T/EP2022/068188
porteurs d'une zone active vers la zone active suivante. La figure 5 illustre
schématiquement une première zone active ZA1 juxtaposée à une deuxième zone
active
ZA2. La première zone active ZA1 et la deuxième zone active ZA2 présentent la
même
structure physique. Par exemple, elles sont constituées chacune du même
empilement de
couches semiconductrices. La première zone active ZA1 et la deuxième zone
active ZA2
présentent ainsi la même structure de bande.
[0061] Sous l'effet d'un champ électrique (non représenté), faisant se
déplacer des
électrons de la gauche vers la droite sur la figure 5, un électron peut par
exemple se
recombiner avec un trou dans la première zone active ZA1 de manière radiative,
émettant
ainsi un photon. L'application du champ électrique a pour effet de translater
verticalement
la structure de bande de la deuxième zone active ZA2 par rapport à la
structure de bande
de la première zone active. On suppose le champ électrique configuré pour
abaisser la
structure de bande de la deuxième zone active ZA2, c'est-à-dire pour diminuer
tous les
niveaux d'énergie de la deuxième zone active ZA2. Par conséquent, l'électron
poursuivant
son trajet de gauche à droite dans la cascade est en capacité d'atteindre la
bande de
conduction de la deuxième zone active ZA2. L'électron peut alors se recombiner
avec un
trou dans la deuxième zone active ZA2 et y émettre un autre photon.
[0062] Ainsi, la mise en cascade de zones actives permet d'obtenir un gain
plus élevé et
donc de fournir plus de puissance optique.
[0063] Avantageusement, chaque zone active 24 est entourée d'un côté d'une
zone de
blocage de trous 22, et de l'autre côté d'une zone de blocage d'électrons 23.
[0064] Par entourée ), il est entendu que, si des porteurs de charge de type
électron
sont injectés dans la région photoémettrice 20 constituée d'une cascade de
zones actives
24, les porteurs de charge de type électron se déplaçant dans la région
photoémettrice 20
rencontrent une zone de blocage de trous 22, puis une zone active 24, puis une
zone de
blocage d'électrons 23.
[0065] Réciproquement, du fait du sens inverse de déplacement des trous par
rapport au
sens de déplacement des électrons, les porteurs de charge de type trou, lors
de leur
déplacement dans la région photoémettrice 20, rencontrent une zone de blocage
d'électrons 23, puis une zone active 21, puis une zone de blocage de trous 22.
[0066] Chaque zone de blocage d'électrons 23 a pour fonction d'empêcher le
déplacement d'électrons dans une direction, plus précisément, depuis la zone
active 24
vers la zone de blocage d'électrons 23. Autrement dit, les électrons
atteignant une zone
active 21 ne se déplacent pas au-delà de celle-ci.
[0067] Chaque zone de blocage de trous 22 a pour fonction d'empêcher le
déplacement
des trous dans une direction, plus précisément, depuis la zone active 24 vers
la zone de
blocage de trous 22. Autrement dit, les trous ne se déplacent pas au-delà de
la zone active
CA 03224067 2023- 12-22
WO 2023/275320 11 PC
T/EP2022/068188
24.
[0068] Ainsi, les électrons et les trous ne peuvent pas donner lieu à des
recombinaisons
non-radiatives au niveau de dislocations situées autour des zones actives 24,
c'est-à-dire
dans une zone de blocage d'électrons 23 ou dans une zone de blocage de trous
22, du fait
du blocage des électrons et des trous dans les zones actives 24 une fois que
ceux-ci ont
atteint les zones actives 24.
[0069] En conclusion, dans le composant optoélectronique 1 selon l'invention,
les
recombinaisons non-radiatives sont éliminées par l'utilisation de zones
actives à transition
interbande de type II et de zones de blocage de trous et d'électrons situées
autour de
chaque zone active 24.
[0070] Dans le mode de réalisation de la zone active 24 représenté à la figure
2, la zone
de blocage de trous est située sous la couche 243 et la zone de blocage
d'électrons est
située sur la couche 242b.
[0071] La figure 6 illustre un exemple d'assemblage d'une zone active 24
entourée d'une
zone de blocage de trous 22 et d'une zone de blocage de trous 23.
[0072] Sur la figure 6, la zone de blocage de trous 22 est composée d'un
empilement de
onze couches. Plus généralement, la zone de blocage de trous 22 peut être
réalisée
avec un empilement de huit à dix-huit couches. Dans le cas présent, la zone de
blocage
de trous 22 est composée de la manière suivante :
- une couche 221 en arséniure d'indium InAs et d'épaisseur comprise entre 3 nm
et 6 nm,
par exemple ici 4.2 nm
- une couche 222a en antimoniure d'aluminium AlSb et d'épaisseur comprise
entre 0.6
nm et 3 nm, ici 1.2 nm ;
- une couche 223 en arséniure d'indium InAs:Si de densité de dopage 4.5
1018 cm-3, ou
plus généralement comprise entre 5 1017 et 2 1019 cm-3, et d'épaisseur
comprise entre 2
nm) et 5 nm, dans le cas présent, 3.2 nm ;
- une couche 222b en antimoniure d'aluminium AlSb et d'épaisseur comprise
entre 0.6
nm et 3 nm, par exemple 1.2 nm ;
- une couche 224 en arséniure d'indium InAs:Si de densité de dopage 4.5
1018 cm-3, ou
plus généralement comprise entre 5 1017 et 2 1019 cm-3, et d'épaisseur
comprise entre 1.5
nm et 4 nm, dans le cas présent, 2.5 nm;
- une couche 222c en antimoniure d'aluminium AlSb et d'épaisseur comprise
entre 0.6 nm
et 3 nm, ici 1.2 nm ;
- une couche 225 en arséniure d'indium InAs:Si de densité de dopage 4.5
1018 cm-3, ou
plus généralement comprise entre 5 1017 et 2 1019 cm-3, et d'épaisseur
comprise entre 1
nm et 4 nm, par exemple, 2 nm
- une couche 222d en antimoniure d'aluminium AlSb et d'épaisseur comprise
entre 0.6 nm
CA 03224067 2023- 12-22
WO 2023/275320 12
PCT/EP2022/068188
et 3 nm, ici 1.2 nm ;
- une couche 226 en arséniure d'indium InAs:Si de densité de dopage 4.5
1018 cm-3, ou
plus généralement comprise entre 5 1017 et 2 1019 cm-3, et d'épaisseur
comprise entre 1
nm et 4 nm, dans le cas présent 1.7 nm;
- une couche 222e en antimoniure d'aluminium AlSb et d'épaisseur comprise
entre 1 nm
et 4 nm, ici 1.2 nm ;
- et une couche 227 en arséniure d'indium I nAs et d'épaisseur comprise
entre 1 nm et
4 nm , par exemple 1.5 nm.
[0073] Sur la figure 6, la zone de blocage d'électrons 23 est composée d'un
empilement
de cinq couches. Dans le cas présent, la zone de blocage d'électrons 23 est
composée
de la manière suivante :
- une couche 231 en antimoniure d'aluminium AlSb et d'épaisseur comprise
entre 0.3 nm
et 3 nm, par exemple, 1 nm ;
- une couche 232 en antimoniure de gallium GaSb et d'épaisseur comprise
entre 1.5 nm
et 5 nm, ici, 3.5 nm ;
- une couche 233 en antimoniure d'aluminium AlSb et d'épaisseur comprise
entre 0.3 nm
et 5 nm, dans le cas présent, 1 nm ;
- une couche 234 en matériau antimoniure de gallium et d'épaisseur comprise
entre 2 nm
et 5.5 nm, ici 4.5 nm ;
- une couche 235 en antimoniure d'aluminium AlSb et d'épaisseur comprise entre
1 nm et
3.5 nm ,par exemple 2.5 nm.
[0074] La figure 7 illustre le diagramme de bande de l'assemblage, illustré à
la figure 6,
de la zone active 24, de la zone de blocage de trous 22 et de la zone de
blocage
d'électrons 23. La flèche D montre le sens de déplacement des porteurs de
charge de type
électron sous l'effet de l'application d'un champ électrique au composant
optoélectronique
1. Dans ce cas, le sens de déplacement des porteurs de charge de type trou
sous l'effet de
l'application du champ électrique est le sens opposé à la flèche D.
[0075] Après avoir traversé une zone de blocage de trous 22, les porteurs de
charge de
type électron atteignent la zone active 24 et y sont bloqués du fait de la
présence de la zone
de blocage d'électrons 23 adjacente à la zone active 24. Les porteurs de
charge de type
électron sont cependant recyclés suite aux recombinaisons radiatives avec les
porteurs de
charge de type trou. En effet, après une recombinaison radiative, les
électrons prennent la
place des trous dans la bande de valence, et peuvent transiter directement
depuis la bande
de valence vers la bande de conduction et se déplacer vers la zone active 21
suivante.
[0076] Le composant optoélectronique comprenant la combinaison structures
illustrées
figures 1, 2 et 6 tel que décrit précédemment, fonctionne de manière suivante.
[0077] Une tension est appliquée entre la couche de contact supérieure 54 et
une couche
CA 03224067 2023- 12-22
WO 2023/275320 13
PCT/EP2022/068188
de contact inférieure. La couche de contact inférieure peut être le substrat
3. En alternative,
la couche de contact inférieure peut être l'une parmi les couches situées sous
la zone active
2, c'est -à-dire par exemple, la couche tampon 4, la première couche de
transition
supplémentaire 53a, la première zone de confinement 51 ou la deuxième couche
de
transition supplémentaire 53b. Préférentiellement, la couche de contact
inférieure est l'une
parmi la couche 4 ou la couche 51. Cette tension est configurée pour créer un
champ
électrique structurant le diagramme de bande de la région photoémettrice 20 en
une
succession de diagrammes de bandes similaires à celui illustré à la figure 9.
Le champ
électrique déclenche la circulation de porteurs de charge au travers des
couches comprises
entre la couche de contact supérieure 4 et la couche de contact inférieure.
[0078] Les figures 8, 9, 10 et 11 montrent les performances du composant opto-
électronique 1 décrit précédemment. Le composant optoélectronique 1 ainsi
constitué
présente une largeur de 8 microns et une longueur de cavité de 2 mm et
fonctionne jusqu'à
une température de 45 C en régime d'alimentation électrique continue. Le
composant
optoélectronique 1 selon l'exemple décrit précédemment présente une densité de
dislocations de 5.108 cm2.
[0079] La figure 8 présente l'évolution de la puissance de sortie du
rayonnement laser
émis par l'hétérostructure semiconductrice 2 ainsi que de la tension entre la
première zone
de confinement 51 et la couche de contact supérieure 54 en fonction du courant
d'alimentation du composant opto-électronique 1. Les différentes courbes
représentent ces
évolutions pour des températures s'échelonnant entre 15 C et 47.5 C. Il peut
être observé
que le courant de seuil d'émission à une température de 20 C est de 48 mA et
qu'une
puissance maximale de l'ordre de 18mVV par facette est obtenue à cette
température.
[0080] La figure 9 présente l'évolution du spectre en longueur d'onde du
rayonnement
laser émis par le composant opto-électronique 1 obtenu à une température de 20
C. Il peut
être observé que la longueur d'onde d'émission se situe entre 3.4 microns et
3.5 microns.
[0081] La figure 10 présente l'évolution du spectre en longueur d'onde du
rayonnement
laser émis par le composant opto-électronique 1 alimenté par un courant
continue de 120
mA pour différentes températures. Il peut être observé une faible translation
de ce spectre
vers les grandes longueurs d'onde avec un maintien de la valeur de l'intensité
normalisée
maximale jusqu'à 45 C.
[0082] La figure 11 montre la mesure de durée de vie du composant opto-
électronique 1
soumis à un courant continu de 120 mA à une température de 40 C. Il peut être
observé
que la puissance de sortie par facette (d'environ 4.3 mVV par facette) et le
courant de seuil
(d'environ 77 mA) ne se dégradent pas au cours du temps.
[0083] On peut comparer le résultat illustré à la figure 11 à la durée de vie
d'un laser à
boîtes quantiques avec une densité de dislocations de 5 108 cm-2, c'est-à-dire
la période de
CA 03224067 2023- 12-22
WO 2023/275320 14
PCT/EP2022/068188
temps au bout de laquelle le courant de seuil Ith double, qui est d'environ
1000 heures. On
remarque en effet que le courant de seuil Ith du composant optoélectronique
selon
l'invention reste stable pendant une période d'au moins 1800 heures. Par
ailleurs, la durée
de vie d'un laser à puits quantique de l'art antérieur est impossible à
mesurer.
[0084] Les figures 12 et 13 illustrent les performances d'un composant
optoélectronique
de structure quasi-identique à celle du composant opto-électronique 1
précédemment
caractérisé, mais obtenu par croissance épitaxiale sur un substrat natif en
antimoniure de
gallium GaSb. Ce composant présente également une largeur de 8 microns et une
longueur
de cavité de 2 mm, et fonctionne en régime d'alimentation en courant continue
jusqu'à
40 C.
[0085] La figure 12 présente l'évolution de la puissance de sortie du
rayonnement laser
émis par ce composant en fonction du courant d'alimentation. Les différentes
courbes
représentent ces évolutions pour des températures s'échelonnant entre 15 C et
45 C. Il
peut être observé que le courant de seuil d'émission à une température de 20 C
est de
52 mA et qu'une puissance maximale de l'ordre de 18 mW par facette est obtenue
à cette
température.
[0086] Les figures 14 à 17 illustrent l'évolution du rayonnement laser émis
par des
composants optoélectroniques selon l'invention (figures 15 et 17) et par des
composants
optoélectroniques réalisés sur substrat natif (figures 14 et 16).
[0087] Ici, dans les composants optoélectroniques réalisés sur substrat non-
natif,
- la couche tampon 4 est en GaSb et présente une épaisseur de 500
nanomètre,
- la première et la deuxième zones de confinement 51 et 52 sont des couches
de AlGaAsSb
qui présentent une épaisseur de 2,8 micromètres,
- les première et deuxième hétérostructures 22 et 23 sont des couches de
GaSb dopées
au Tellure (GaSb :Te),
- la couche de contact supérieure 54 est une couche d'arséniure d'indium de
20 nanomètres
d'épaisseur,
- la zone photoémettrice 20 comporte sept cascades interbandes.
[0088] On retrouve une structure analogue dans les composants
optoélectroniques
réalisés sur substrat natif, à l'exception du substrat natif en GaSb et de
l'absence de couche
tampon.
[0089] Les résultats illustrés par les figures 14 et 15 correspondent à des
composants
optoélectroniques qui présentent une longueur de cavité de 2 millimètres. Les
différentes
courbes représentent ces évolutions pour des températures s'échelonnant entre
15 C et
47,5 C.
[0090] II peut être observé que les performances relatives à la densité de
courant de seuil
sont très similaires pour les deux composants à 20 C : 105 A/cm-2 pour le
composant sur
CA 03224067 2023- 12-22
WO 2023/275320 15
PCT/EP2022/068188
substrat non natif et 130 A.cnn 2 pour le composant sur substrat natif. Il n'y
a donc pas de
dégradation des performances due à la présence de dislocations dans le
composant réalisé
sur un substrat non natif.
[0091] Les résultats illustrés par les figures 16 et 17 correspondent à des
composants
optoélectroniques qui présentent une longueur de cavité de 3 millimètres. Les
différentes
courbes représentent ces évolutions pour des températures s'échelonnant entre
15 C et
47,5 C.
[0092] II peut être observé que les performances relatives à la densité de
courant de seuil
sont très similaires pour les deux composants à 20 C : 110 A.cm-2 pour le
composant sur
substrat non natif et 120 A.cm-2 pour le composant sur substrat natif. Il n'y
a donc pas de
dégradation des performances due à la présence de dislocations dans le
composant réalisé
sur un substrat non natif.
[0093] Ainsi, il peut être constaté que, contrairement à ce que la littérature
enseigne et de
manière surprenante, la forte densité de dislocations dans le composant opto-
électronique
1 selon l'invention ne dégrade pas ses performances en termes de puissance de
sortie,
température maximale de fonctionnement, courant de seuil et durée de vie, en
comparaison
avec un composant opto-électronique présentant une structure quasi-identique
mais
obtenu par croissance épitaxiale sur substrat natif en antimoniure de gallium
GaSb.
[0094] La présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation
décrits
précédemment en relation avec les figures 1 à 117, et l'homme du métier saura
y apporter
toute variante possible dans le cadre des revendications annexées.
[0095] Ainsi, la première zone de confinement et la deuxième zone de
confinement
peuvent être formées en un autre matériau que celui décrit précédemment et
notamment
en matériau quaternaire à base d'aluminium, de gallium, d'arsenic et
d'antimoine
AlGaAsSb.
[0096] Par exemple, la zone de blocage de trous peut être un empilement de
couches en
nombre compris entre 6 et 16, formé de paires de couches en alliage de
matériaux
pentanaires/quinaires à base respectivement d'aluminium, de gallium, d'indium,
d'arsenic
et d'antimoine, et d'indium, d'aluminium, de gallium, d'antimoine et d'arsenic
Al(GalnAs)Sb
/ In(AlGaSb)As, avec un dopage des couches en In(AlGaSb)As présent sur tout ou
partie
de ces couches.
[0097] Par exemple encore, d'autres structures de puits quantiques pour les
zones
actives 21 peuvent être envisagées en étant formées par des alternances de
puits à trous
et de puits à électrons, à la condition que les zones actives soient à gain à
transition
radiative de type-II.
[0098] Enfin, il a été démontré que le composant optoélectronique selon
l'invention est
insensible aux dislocations. Il est donc possible de s'affranchir de la
réalisation de couche
CA 03224067 2023- 12-22
WO 2023/275320 16
PCT/EP2022/068188
intermédiaire entre le substrat 3 et l'hétérostructure 22. Ainsi, dans
certains modes de
réalisation, notamment celui illustré à la figure 18, l'hétérostructure 2 est
réalisée
directement sur le substrat 3. Elle ne comporte donc pas, comme c'était le cas
dans les
modes de réalisation précédemment décrits, la couche tampon 4 ni la zone de
confinement
21. Dans de tels modes de réalisation, c'est le substrat 3 qui fait office de
zone de
confinement et c'est l'hétérostructure de confinement 22 qui fait office de
couche tampon.
CA 03224067 2023- 12-22
