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DESCRIPTION
TITRE : Dispositif opto-électronique à semi-conducteurs
La présente invention concerne un dispositif opto-électronique à semi-
conducteurs,
tel qu'un laser à semi-conducteurs.
Les lasers à semi-conducteurs de forte puissance sont utilisés dans de
nombreuses
applications telles que les télécommunications.
La puissance des lasers à semi-conducteurs n'a cessé d'augmenter depuis les
années 90. Par le terme puissance dans ce contexte, il est entendu la
puissance fiable
du laser, c'est-à-dire la puissance qu'est capable de fournir le laser sur sa
durée de
fonctionnement (généralement 10-15 ans). Cette puissance fiable est, ainsi,
généralement
différente de la puissance maximale. Aujourd'hui, de tels lasers ont une
puissance
dépassant le Watt en monomode contre 150 mW dans les années 90.
Pour répondre au besoin des différentes applications, il est d'intérêt de
développer
des lasers à semi-conducteurs encore plus puissants.
L'augmentation de la puissance de tels lasers passe par la réduction des
pertes
internes dans la cavité du laser. En effet, le rendement du laser, défini
comme la puissance
par unité de courant injecté, est dépendant de deux paramètres, à savoir
l'injection de
porteurs dans la zone active, et les pertes internes. Le paramètre relatif aux
porteurs
injectés dans la zone active étant déjà optimisé, l'augmentation du rendement
dépend de
la capacité à réduire les pertes internes dans la cavité laser.
Tout l'enjeu consiste alors à diminuer les pertes internes pour conserver un
rendement élevé et utiliser, ainsi, une cavité plus longue pour le laser. En
effet, lorsque la
cavité est plus longue, le laser fonctionne à une densité de courant plus
faible puisque
l'injection est distribuée sur la longueur de la cavité. La température de la
zone active est
aussi plus faible car une cavité plus grande permet de réduire la résistance
thermique. En
outre, le rendement de conversion du laser, c'est-à-dire le rapport entre la
puissance
optique générée et la puissance électrique injectée, est également amélioré.
La longueur des cavités lasers n'a, ainsi, cessé d'augmenter depuis les années
90
passant de 1,2 à 1,5 millimètres dans les années 90 pour atteindre 4 à 5
millimètres de nos
jours.
Les pertes internes étant dépendantes du taux de dopage des couches semi-
conductrices, une technique utilisée pour réduire ces pertes est de réduire le
taux de
dopage et de placer le champ optique autant que possible dans les zones
présentant le
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moins d'absorption et donc le moins de pertes. Une telle technique est
toutefois limitée car
le taux de dopage des matériaux ne peut être réduit au-delà du taux de dopage
résiduel
des matériaux.
Un but de l'invention est de proposer une alternative pour continuer à réduire
les
pertes internes dans les dispositifs opto-électroniques à semi-conducteurs,
tels que les
lasers à semi-conducteurs, afin d'augmenter le rendement et la fiabilité de
tels dispositifs.
A cet effet, la présente description a pour objet un dispositif opto-
électronique à
semi-conducteurs comprenant une jonction propre à émettre ou absorber de la
lumière, la
jonction étant formée d'un empilement de couches dans une direction
d'empilement
définissant une zone dopée N, une zone intercalaire et une zone dopée P,
au moins une couche, dite couche modulée, de la zone dopée N ou/et de la zone
dopée P ou/et de la zone intercalaire étant formée de plusieurs empilements de
sous-
couches, superposés les uns aux autres dans la direction d'empilement,
chaque empilement de sous-couches comprenant au moins deux sous-couches,
chaque sous-couche ayant une épaisseur dans la direction d'empilement et étant
réalisée
en au moins un matériau, chaque sous-couche différant des autres sous-couches
du même
empilement par au moins une caractéristique du au moins un matériau de la sous-
couche,
dite caractéristique distinctive,
chaque empilement d'une couche modulée étant identique à l'empilement
superposé précédent ou différant au plus de l'empilement superposé précédent
par une
variation bornée de la composition d'au moins un matériau de deux sous-couches
correspondantes des deux empilements, les épaisseurs et les caractéristiques
distinctives
des sous-couches étant choisies de sorte à diminuer l'absorption de photons
par les
porteurs libres (trous, électrons) dans la zone correspondante par
modification des
propriétés électro-optiques de la bande de conduction ou/et de la bande de
valence par
rapport à un dispositif opto-électronique à semi-conducteurs, dit de
référence, ayant pour
seule différence que chaque couche modulée est remplacée par une couche non-
modulée,
la couche non-modulée ayant la même épaisseur que la couche modulée et ayant
des
caractéristiques identiques à l'exception de la au moins une caractéristique
distinctive qui
est uniforme ou varie graduellement sur l'épaisseur de la couche non-modulée.
Suivant des modes de réalisation particuliers, le dispositif comprend une ou
plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes
les
combinaisons techniquement possibles :
- la couche modulée est une couche de la zone dopée N ou de la zone dopée P,
la
jonction étant une jonction PIN et la zone intercalaire étant une zone
intrinsèque ;
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- la couche modulée est une couche de la zone dopée N ou de la zone dopée
P,
chacune de la zone dopée N et de la zone dopée P comprenant un coeur et une
gaine,
l'indice optique du coeur étant supérieur à l'indice optique de la gaine, la
couche modulée
étant une couche du coeur ou de la gaine de la zone dopée correspondante,
avantageusement chacun du coeur et de la gaine de la zone dopée considérée
comprenant
une couche modulée ;
- la au moins une caractéristique distinctive est le taux de dopage du au
moins un
matériau de la sous-couche ;
- le taux de dopage de chaque sous-couche diffère du taux de dopage des
autres
sous-couches du même empilement d'au minimum un pourcent ;
- la moyenne du taux de dopage de la couche modulée est inférieure ou égale
au
taux de dopage de la couche non-modulée correspondante ;
- le taux de dopage de l'une des sous-couches de chaque empilement est le
taux
de dopage résiduel du au moins un matériau dans lequel est réalisée la sous-
couche ;
- chaque sous-couche d'un empilement ayant un taux de dopage supérieur au taux
de dopage d'une autre sous-couche de l'empilement a une épaisseur inférieure à
l'épaisseur de ladite autre sous-couche ;
- la au moins une caractéristique distinctive est la composition du au
moins un
matériau de la sous-couche ;
- au moins un matériau de chaque sous-couche comprend des éléments chimiques
appartenant aux colonnes III et V ou II et VI ou IV de la classification
périodique ;
- l'épaisseur de chaque empilement de sous-couches est comprise entre 1
nanomètres et 100 nanomètres, de préférence est supérieure ou égale à 5
nanomètres,
avantageusement supérieure ou égale à 10 nanomètres.
- l'épaisseur de chaque empilement de sous-couches est choisie de sorte à
diminuer
l'absorption de photons par des porteurs libres dans la zone correspondante
par rapport au
dispositif électronique de référence.
- la modification des propriétés électro-optiques de la bande de conduction
ou/et de
la bande de valence est propre à redistribuer la force d'oscillateur de la
transition intra-
bande parasite, à l'origine de l'absorption de photons par les porteurs
libres, différemment
entre les différentes polarisations des photons circulant dans le dispositif
opto-électronique,
et notamment de transférer la majeure partie de la force d'oscillateur de la
transition intra-
bande sur la polarisation orthogonale à la polarisation de l'émission laser.
- la modification des propriétés électro-optiques de la bande de conduction
et de la
bande de valence intervient par la réalisation d'une couche modulée
sensiblement
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bidimensionnelle qui génère des sous-bandes discrètes dans les bandes de
conduction et
de valence.
- chaque sous-couche de chaque empilement est dépourvue de nitrure de gallium.
La présente description concerne aussi un dispositif opto-électronique à semi-
conducteurs comprenant une jonction PIN propre à émettre ou absorber de la
lumière, la
jonction PIN étant formée d'un empilement de couches dans une direction
d'empilement
définissant une zone dopée N, une zone intrinsèque et une zone dopée P,
au moins une couche de l'une de la zone dopée N et de la zone dopée P, dite
couche modulée, étant formée de plusieurs empilements de sous-couches,
superposés les
uns aux autres dans la direction d'empilement,
chaque empilement de sous-couches comprenant au moins deux sous-couches,
chaque sous-couche ayant une épaisseur dans la direction d'empilement et étant
réalisée
en au moins un matériau, chaque sous-couche différant des autres sous-couches
du même
empilement par au moins une caractéristique du au moins un matériau de la sous-
couche,
dite caractéristique distinctive,
chaque empilement d'une couche modulée étant identique à l'empilement
superposé précédent ou différant au plus de l'empilement superposé précédent
par une
variation bornée de la composition d'au moins un matériau de deux sous-couches
correspondantes des deux empilements, les épaisseurs et les caractéristiques
distinctives
des sous-couches étant choisies de sorte à diminuer l'absorption de photons
dans la zone
dopée correspondante par rapport à un dispositif opto-électronique à semi-
conducteurs, dit
de référence, ayant pour seule différence que chaque couche modulée est
remplacée par
une couche non-modulée, la couche non-modulée ayant la même épaisseur que la
couche
modulée et ayant des caractéristiques identiques à l'exception de la au moins
une
caractéristique distinctive qui est uniforme ou varie graduellement sur
l'épaisseur de la
couche non-modulée.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la
lecture de la
description qui suit de modes de réalisation de l'invention, donnée à titre
d'exemple
uniquement et en référence aux dessins qui sont :
- [Fig 1] figure 1, une vue schématique en coupe d'un exemple de laser à semi-
conducteurs selon un premier exemple de mise en oeuvre,
- [Fig 2] figure 2, une vue schématique en coupe d'un exemple de laser à
semi-
conducteurs selon un deuxième exemple de mise en oeuvre, et
- [Fig 3] figure 3, une vue schématique en coupe d'un exemple de laser à
semi-
conducteurs selon un troisième exemple de mise en oeuvre.
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Pour la suite de la description, il est défini une direction longitudinale. Il
est
également défini une direction d'empilement et une direction transversale. La
direction
d'empilement est une direction perpendiculaire à la direction longitudinale et
contenue dans
un plan transverse par rapport à la direction longitudinale. La direction
d'empilement est
5 perpendiculaire à la direction de propagation de la lumière, dite
longitudinale. La direction
transversale est perpendiculaire à la direction longitudinale et à la
direction d'empilement.
Les directions longitudinale, d'empilement et transversale sont respectivement
symbolisées
par un axe Y, un axe Z et un axe X sur les figures 1 à 3.
Dans ce qui suit, il est considéré un laser à semi-conducteurs 10 comprenant
une
jonction PIN 12 propre à émettre ou absorber de la lumière. Le laser est de
préférence un
laser haute puissance, c'est-à-dire propre à émettre ou absorber un faisceau
laser ayant
une puissance supérieure à 500 milliwatts (mW). De préférence, la cavité du
laser a une
longueur supérieure à 3 millimètres (mm) et inférieure à 10 mm.
Un tel laser est, par exemple, propre à être utilisé dans le domaine des
télécommunications, tel que dans un amplificateur à fibre dopée à l'erbium. A
titre
d'exemple, le laser est un laser de type GaAs (Arséniure de Gallium) émettant
à 980 nm.
La jonction PIN 12 est formée d'un empilement de couches dans la direction
d'empilement Z.
Chaque couche de l'empilement est une couche planaire, c'est-à-dire que la
couche
s'étend entre deux faces planes et parallèles.
Chaque couche présente également une épaisseur selon la direction
d'empilement Z. L'épaisseur d'une couche est définie comme la distance entre
les deux
faces de la couche dans la direction d'empilement Z.
Les couches de l'empilement définissent une zone dopée N, une zone intrinsèque
I
et une zone dopée P. Par le terme <, zone dopée N il est entendu une zone dans
laquelle
des impuretés ont été introduites de sorte à produire un excès d'électrons.
Par le terme
zone intrinsèque , il est entendu une zone dans laquelle aucune impureté n'a
été
volontairement introduite, cette zone intrinsèque étant la zone active de la
jonction PIN 12.
La zone intrinsèque I est une zone dans laquelle de la lumière est générée par
recombinaison de paires électrons-trous. Par le terme zone dopée P , il est
entendu une
zone dans laquelle des impuretés ont été introduites de sorte à produire un
excès de trous.
Chacune de la zone dopée N et de la zone dopée P comprend un coeur et une
gaine, l'indice optique du coeur étant supérieur à l'indice optique de la
gaine, permettant la
formation d'un guide d'ondes. Le coeur de chaque zone dopée et la gaine de
chaque zone
dopée correspond à une ou plusieurs couches distinctes de l'empilement.
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Les figures 1 à 3 sont des exemples illustrant l'empilement de couches formant
la
jonction PIN 12. Dans ces exemples, les couches formant l'empilement sont
superposées
dans la direction d'empilement Z sur un substrat 14. Sur ces figures, la zone
dopée N est
notée ZN, la zone intrinsèque Zi et la zone dopée P Zp. Le coeur de la zone
dopée N est
noté CN, celui de la zone dopée P Cp, la gaine de la zone dopée N est notée GN
et celle de
la zone dopée P Gp.
Par exemple, lorsque le laser 10 est un laser de type GaAs, le substrat 14 est
en
GaAs.
Au moins une couche de l'une de la zone dopée N et de la zone dopée P, dite
couche modulée, est formée de plusieurs empilements de sous-couches dans la
direction
d'empilement Z. En d'autres termes, au moins une couche modulée est une couche
parmi
les couches de la zone dopée N et de la zone dopée P.
Chaque empilement de sous-couches comprend au moins deux sous-couches
superposées dans la direction d'empilement Z. Chaque empilement de sous-
couches est
assimilable à un motif répété autant de fois que le nombre d'empilements de
sous-couches.
La couche modulée est une couche du coeur ou de la gaine de la zone dopée
considérée. Avantageusement, la zone dopée considérée comprend au moins une
couche
modulée appartenant au c ur et une couche modulée appartenant à la gaine.
La figure 1 illustre un exemple dans lequel seule la zone dopée N comprend des
couches modulées, à savoir une couche modulée formant le coeur et une couche
modulée
formant la gaine de la zone dopée N. La figure 2 illustre un exemple dans
lequel seule la
zone dopée P comprend une couche modulée, à savoir une couche modulée formant
le
coeur et une couche modulée formant la gaine de la zone dopée P. La figure 3
illustre un
exemple dans lequel chacune de la zone dopée N et de la zone dopée P comprend
des
couches modulées (une couche modulée pour chacun du coeur et de la gaine des
zones
dopées P et N).
Les empilements de sous-couches sont superposés les uns aux autres dans la
direction d'empilement Z de sorte que l'épaisseur de l'ensemble des
empilements de sous-
couches (somme des épaisseurs des sous-couches formant l'empilement) est égale
à
l'épaisseur de la couche modulée.
De préférence, le nombre d'empilements de sous-couches formant une couche
modulée est supérieur ou égal à 10. Ainsi, l'épaisseur totale de la couche
modulée est
typiquement comprise entre 10 nm et 10 m, lorsque l'épaisseur de chaque
empilement de
sous-couches est comprise entre 1 nanomètres et 100 nanomètres.
Chaque sous-couche est une sous-couche planaire, c'est-à-dire que la sous-
couche
s'étend entre deux faces planes et parallèles.
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Chaque sous-couche présente une épaisseur selon la direction d'empilement Z.
L'épaisseur d'une sous-couche est définie comme la distance entre les deux
faces de la
sous-couche dans la direction d'empilement Z. L'épaisseur de chaque sous-
couche est
strictement inférieure à l'épaisseur de la couche modulée correspondante. De
préférence
l'épaisseur de chaque sous-couche est supérieure ou égale à 1 nanomètres (nm)
et
inférieure ou égale à 100 nm.
De préférence, l'épaisseur de chaque empilement de sous-couches est comprise
entre 1 nanomètres et 100 nanomètres.
Chaque sous-couche est réalisée en au moins un matériau.
Avantageusement, le au moins un matériau de chaque sous-couche est constitué
de plusieurs éléments chimiques. Un élément chimique est un élément du tableau
de
Mendeleïev. De préférence, les éléments appartiennent aux colonnes III et V ou
II et VI ou
IV de la classification périodique. Par exemple, le matériau est l'Arséniure
d'aluminium-
gallium (AlGaAs) ou le Phosphure d'Indium (InP) ou ses alliages InGaAsP ou
InGaAlAs.
Dans un mode de réalisation, chaque sous-couche est réalisée en un seul
matériau.
En variante, au moins une sous-couche est réalisée en plusieurs matériaux, les
matériaux
étant constitués des mêmes éléments chimiques mais différant par la
composition
(proportion) en éléments chimiques.
Chaque sous-couche diffère des autres sous-couches du même empilement par au
moins une caractéristique du au moins un matériau de la sous-couche, dite
caractéristique
distinctive.
De préférence, les caractéristiques distinctives sont au moins l'une du taux
de
dopage du matériau de chaque sous couche et de la composition du matériau de
la sous-
couche. Le taux de dopage est défini comme le nombre d'impuretés dopantes
(donneuses
ou accepteuses d'électrons) dans un centimètre cube du réseau cristallin. Le
taux de
dopage est volumique. La composition est définie comme étant la proportion des
éléments
chimiques constituant le matériau.
Autrement formulé, dans ce mode de réalisation, pour deux matériaux de deux
sous-couches distinctes d'un même empilement, trois cas sont possibles :
- les deux matériaux présentent la même composition mais un taux de dopage
différent,
- les deux matériaux présentent un même taux de dopage mais une composition
différente, et
- les deux matériaux présentent un taux de dopage différent et une
composition
différente.
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Dans un mode de mise en uvre, les empilements formant une couche modulée
sont identiques. Ainsi, chaque empilement d'une couche modulée est identique à
l'empilement superposé précédent. L'empilement précédent est l'empilement sur
lequel
l'empilement considéré est superposé.
Dans une variante de mise en oeuvre, au moins un empilement diffère des autres
empilements.
Dans cette variante, de préférence, chaque empilement diffère au plus de
l'empilement superposé précédent par une variation bornée de la composition du
au moins
un matériau de chaque sous-couche de l'empilement par rapport à la composition
du au
moins un matériau des sous-couches correspondantes de l'empilement superposé
précédent (ie le ou au moins un matériau de deux sous-couches correspondantes
de deux
empilements ont des compositions différentes). En d'autres termes, d'un
empilement à un
autre, le nombre de sous-couches, l'épaisseur des sous-couches, les éléments
chimiques
des matériaux des sous-couches et les taux de dopage sont identiques.
Cependant, la
composition d'un matériau d'une sous-couche d'un empilement est augmentée ou
diminuée
(d'une valeur donnée comprise dans la variation bornée) par rapport à celle de
la sous-
couche correspondante de l'empilement précédent.
Par le terme au plus , il est entendu que la variation de composition est la
seule
différence, et qu'elle peut être nulle auquel cas les empilements considérés
sont identiques.
Par le terme sous-couche correspondante , il est entendu la sous-couche de
l'autre empilement ayant la même position dans l'autre empilement que la sous-
couche de
l'empilement considéré. On compare ainsi par exemple la sous-couche du premier
empilement la plus proche de la base du premier empilement avec la sous-couche
du
deuxième empilement la plus proche de la base du deuxième empilement, et ainsi
de suite
pour les autres sous-couches.
Par le terme variation bornée , il est entendu que les compositions des
matériaux
des deux sous-couches des deux empilements considérés, diffèrent l'une de
l'autre d'un
pourcentage compris dans une gamme de valeurs prédéterminées. Par exemple, la
variation de composition est comprise entre 0 et 2 pourcents.
Dans cette variante, de préférence, la variation est graduelle sur l'épaisseur
de la
couche modulée, c'est-à-dire conduit à une augmentation ou à une diminution de
la
composition globale sur l'épaisseur de la couche modulée.
Par exemple, à titre d'illustration de cette variante, la couche modulée
comprend
trois empilement superposés formés chacun de deux sous-couches. La
caractéristique
distinctive est la composition des matériaux des sous-couches. Le premier
empilement et
le deuxième empilement sont identiques et comprennent :
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- une première sous-couche en A10,28Ga0,72As de 10 nm d'épaisseur ayant un
taux
de dopage (atonies de Si) de 5.1016 cm-3, et
- une deuxième sous-couche en A10,32Ga0,68As de 20 nm d'épaisseur ayant un
taux de dopage (atomes de Si) de 5.1016 cm 3.
Le troisième empilement comprend :
- une première sous-couche en A10,29Ga0,71As de 10 nm d'épaisseur ayant un
taux
de dopage (atomes de Si) de 5.1016 cm-3, et
- une deuxième sous-couche en A10,33Ga0,67As de 20 nm d'épaisseur ayant un
taux de dopage (atomes de Si) de 5.1016 cm-3.
Le troisième empilement de cet exemple présente donc une variation (de 0,01)
de
la composition du matériau de ses sous-couches par rapport aux sous-couches
correspondantes du premier et du deuxième empilement.
Les épaisseurs et les caractéristiques distinctives des sous-couches sont
choisies
de sorte à diminuer l'absorption de photons dans la zone dopée correspondante
par rapport
à un laser à semi-conducteurs, dit de référence. Une telle absorption de
photons est un
phénomène parasite due à l'absorption de photons issues de la zone active par
les porteurs
libres (trous ou électrons) d'une zone dopée. Ce phénomène est aussi appelé
absorption
par les porteurs libres (en anglais Free-carrier absorption ).
Le laser de référence diffère seulement du laser considéré en ce que chaque
couche modulée est remplacée par une couche non-modulée. La couche non-modulée
a
la même épaisseur que la couche modulée correspondante et a des
caractéristiques
identiques à l'exception de la caractéristique distinctive qui est uniforme
(dans les limites
des technologies utilisées) ou varie graduellement sur l'épaisseur de la
couche non-
modulée.
Par le terme uniforme , il est entendu que la valeur de la caractéristique
distinctive est la même sur l'épaisseur de la couche non-modulée. Ainsi,
lorsqu'une
caractéristique distinctive est le taux de dopage des matériaux des sous-
couches, le taux
de dopage du matériau de la couche non-modulée a la même valeur sur
l'épaisseur de la
couche non-modulée. Lorsqu'une caractéristique distinctive est la composition
des
matériaux des sous-couches, la composition du matériau de la couche non-
modulée est la
même sur l'épaisseur de la couche non-modulée.
Par le terme variation graduelle , il est entendu que la valeur de la
caractéristique
distinctive est augmentée ou diminuée progressivement sur l'épaisseur de la
couche non-
modulée.
Dans un exemple, l'absorption de photons dans la zone dopée considérée est
quantifiée en effectuant une régression des rendements externes de lasers de
longueurs
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différente, en fonction de cette longueur de cavité même. Une telle régression
est décrite
par exemple dans le livre intitulé "Diode Lasers and Photonic Integrated
Circuits." Chap. 2
(1995) de Coldren, L. et al.
De préférence, l'absorption de photons dans la zone considérée est réduite
d'au
5 moins 0,1 cm-1 par rapport au laser de référence.
De préférence, la jonction PIN 12 a été obtenue exclusivement par épitaxie à
partir
du substrat 14. Il est entendu par le terme épitaxie , une technique de
croissance d'un
cristal sur un autre cristal, chaque cristal comprenant un réseau cristallin
ayant un certain
nombre d'éléments de symétrie communs avec l'autre cristal. La technique
d'épitaxie
10 utilisée est, par exemple, choisie parmi : l'épitaxie par jets
moléculaires, l'épitaxie en phase
liquide et l'épitaxie en phase vapeur aux organo-métalliques.
Ainsi, la réalisation d'une couche modulée formée d'une alternance de sous-
couches spécifiques se répétant, à la place d'une couche uniforme ou à
variation graduelle,
permet de modifier l'absorption de photons par les porteurs libres des zones
dopées
considérées, et ainsi de réduire les pertes internes. En d'autres termes, la
structure de la
couche modulée permet de modifier les propriétés électro-optiques de la bande
de
conduction lorsque la couche modulée appartient à la zone dopée N et dans la
bande de
valence lorsque la couche modulée appartient à la zone dopée P. Cette
modification est
l'un des facteurs contribuant à inhiber l'absorption de photons par les
porteurs libres des
zones dopées considérées.
Dans ce qui suit, il est donné des caractéristiques avantageuses de la
structure de
la couche modulée dans le cas où une caractéristique distinctive est le taux
de dopage des
matériaux des sous-couches. Dans ce cas, il est créé une structure de super-
réseaux de
dopage. Ces super-réseaux (SR) sont typiquement de type n-i-n-i pour les
couches N Ou
de type p-i-p-i pour les couches P.
De préférence, le taux de dopage de chaque sous-couche diffère du taux de
dopage
des autres sous-couches du même empilement d'au minimum un pourcent.
De préférence, la moyenne du taux de dopage de la couche modulée (obtenue à
partir du taux de dopage des sous-couches en tenant compte de leurs
épaisseurs) est
inférieure ou égale au taux de dopage de la couche non-modulée correspondante
(du laser
de référence). Ainsi, la structure avec des empilements répétés de sous-
couches permet
de réduire le taux de dopage moyen par rapport à une couche ayant le même taux
de
dopage sur son épaisseur.
De préférence, le taux de dopage de l'une des sous-couches de chaque
empilement
est le taux de dopage résiduel du matériau dans lequel est réalisée la sous-
couche. Le taux
de dopage résiduel est le taux de dopage obtenu alors même qu'aucune impureté
n'a été
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introduite volontairement dans le matériau. Ainsi, dans le cas où chaque
empilement
comprend seulement deux sous-couches, la couche modulée est formée d'une
alternance
répétée sur l'épaisseur de la couche modulée, d'une sous-couche dopée et d'une
sous-
couche de dopage intrinsèque.
De préférence, chaque sous-couche d'un empilement ayant un taux de dopage
supérieur au taux de dopage d'une autre sous-couche du même empilement a une
épaisseur inférieure à l'épaisseur de ladite autre sous-couche.
Un exemple particulier résultant d'une mise en oeuvre expérimentale est décrit
dans
ce qui suit.
Dans cet exemple, une structure laser GaAs à 980 nm a été réalisée selon deux
variantes, à savoir :
- une structure laser standard formant le laser de référence. Cette structure
a été
réalisée sur le principe de celle décrite dans l'article intitulé "Reaching 1
watt reliable output
power on single-mode 980 nm pump lasers" de M. Bettiati et al, Froc. SPIE
7198, High-
Power Diode Laser Technology and Applications VII, 71981D (23 February 2009).
Dans
cette structure, la zone dopée N comprend :
= une première couche non-modulée formant la gaine de 3 pim d'épaisseur
avec un taux de dopage (atomes de Si) constant à 5.1016 cm-3 et une matrice
en matériau AlGaAs, et
= une deuxième couche non modulée formant le coeur d'épaisseur 900 nm
avec un taux de dopage (atomes de Si) constant à 5.1016cm-3 et une matrice
en matériau AlGaAs.
- une structure laser équivalente à la différence que la première,
respectivement la
deuxième, couche non-modulée est remplacée par une première, respectivement
une
deuxième, couche modulée de même épaisseur et formée de plusieurs empilements
identiques et superposés de sous-couches. Chaque empilement de sous-couches
comprend deux sous-couches. La première sous-couche de chaque empilement a une
épaisseur de 10 nm et un taux de dopage (atomes de Silicium Si) constant à
6.1016 cm-3 et
la deuxième sous-couche de chaque empilement a une épaisseur de 20 nm et un
taux de
dopage (atomes de Si) constant à 2,5.1016 cm-3 (niveau résiduel de dopage dans
le
matériau). Ainsi, la première couche modulée (gaine) est formée de 100
empilements (3 m
d'épaisseur et 30 nm d'épaisseur par empilement) et la deuxième couche modulée
(coeur)
est formée de 30 empilements.
Cette approche permet donc de comparer une structure intégrant le principe de
sous-couches alternées avec une périodicité en taux de dopage (aussi appelé
digital
doping) dans la zone dopée N, par rapport à une structure standard dont les
performances
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sont connues. Dans cette approche, la comparaison a été faite sur un paramètre
clé des
lasers de puissance, nommé rendement et qui quantifie l'efficacité en émission
laser du
composant. Il est souvent indiqué comme SE (Slope Efficiency) et est mesuré en
Watts par
Ampère (W/A). L'expression technique de ce paramètre est définie, par exemple,
dans le
livre intitulé "Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits." Chap. 2 (1995)
de Coldren, L.
et al, à savoir :
(hv am)
SE=11L. e
ai + am
Où:
= ni est le rendement quantique interne, défini comme la fraction de
porteurs injectés
dans la zone active,
= h est la constante de Planck,
= y la fréquence de l'émission laser,
= e la charge de l'électron,
= a, les pertes internes, et
= a, les pertes miroir (Q,= (1/L) In (1/R) pour un laser avec facettes ayant
la même
réflectivité R ; L étant la longueur de cavité du laser).
L'expression SE fait clairement apparaître les pertes internes ai. Ainsi, il
est clair
que la diminution des pertes internes ai conduit à une augmentation du
rendement SE.
Pour un laser avec une cavité de longueur 3,9 mm, le rendement SE obtenu,
mesuré
en conditions d'injection par impulsions courtes (<1ps), est de 0,460 W/A avec
une structure
standard, et est de 0,494 W/A avec une structure modifiée (sous-couches).
Comme 0.494
/ 0.460 = 1.074, l'augmentation du rendement du laser est d'environ 7 %. Cette
augmentation du rendement SE montre ainsi que la structure en sous-couches
permet de
réduire les pertes internes. Il est toutefois à noter que cette première
réalisation a été faite
sur des lasers avec une cavité de longueur 3,9 mm. L'augmentation du rendement
est
attendue à des valeurs plus élevées pour des lasers de cavité plus longue,
raisonnablement
jusqu'à des longueurs maximales de 8 à 10 mm. Pour ces cavités, il est estimé
que
l'augmentation de rendement pourrait atteindre 10 à 11 c'/0. Pour des lasers
de grande
surface (largeur de zone active de 100 lm), de longueur de cavité de 10,2 mm,
comme
exemple, un gain de 10 à 11% a été constaté, car le SE est passé de 0.36 à
0.40 W/A.
Il est à noter qu'en modifiant également les couches de la zone dopée P, il
est
possible de diminuer encore plus les pertes internes et donc d'augmenter
encore plus le
rendement du laser.
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Dans un autre exemple, la couche modulée comprend des empilements identiques
de sous-couches suivantes comprenant chacun :
- une première sous-couche en AlGaAs de 10 nm d'épaisseur ayant un taux de
dopage (atomes de Si) de 6.1016 cm-3, et
- une
deuxième sous-couche en AlGaAs de 25 nm d'épaisseur ayant un taux de
dopage (atomes de Si) de 5.1016 cm-3.
Dans encore un autre exemple, la couche modulée comprend des empilements
identiques de sous-couches suivantes comprenant chacun :
- une première sous-couche en InP de 15 nm d'épaisseur ayant un taux de
dopage (atomes de Si) de 6.1016 cm-3, et
- une deuxième sous-couche en InP de 30 nm d'épaisseur ayant un taux de
dopage (atomes de Si) de 3.1016 cm-3.
Dans encore un autre exemple, la couche modulée comprend des empilements
identiques de sous-couches suivantes comprenant chacun :
- une première sous-couche en A10,28Ga0,72As de 10 nm d'épaisseur ayant un
taux
de dopage (atomes de Si) de 5.1016 cm-3, et
- une deuxième sous-couche en A10,32Ga0,68As de 20 nm d'épaisseur ayant un
taux de dopage (atomes de Si) de 5.1016 cm-3.
Dans encore un autre exemple, la couche modulée comprend des empilements
identiques de sous-couches suivantes comprenant chacun :
- une première sous-couche en A10,28Ga0,72As de 10 nm d'épaisseur ayant un
taux
de dopage (atomes de Si) de 6.1016 cm-3, et
- une deuxième sous-couche en A10,32Ga0,68As de 20 nm d'épaisseur ayant un
taux de dopage (atomes de Si) de 2,5.1016 cm-3.
Dans encore un autre exemple, la couche modulée comprend des empilements
identiques de sous-couches suivantes comprenant chacun :
- une première sous-couche en A10,28Ga0,72As de 10 nm d'épaisseur ayant un
taux
de dopage (atomes de Si) de 6.1016 cm-3,
- une deuxième sous-couche en A10,32Ga0,68As de 20 nm d'épaisseur ayant un
taux de dopage (atomes de Si) de 2,5.1016 cm-3, et
- une troisième sous-couche en AI0,3Gao,7As de 10 nm d'épaisseur ayant un
taux
de dopage (atomes de Si) de 4.1016 cm-3
Ainsi, la structure laser décrite permet, par une alternance répétée
périodiquement
de sous-couches ayant des caractéristiques différentes (taux de dopage et/ou
composition),
de réduire les pertes internes dues à l'absorption de photons par les porteurs
libres des
zones dopées de la jonction PIN. Cela permet, ainsi, d'augmenter le rendement
et la fiabilité
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du laser. Par ailleurs, une réduction significative des pertes internes peut
permettre
d'augmenter, en plus du rendement purement optique du laser, le rendement de
conversion
totale du composant, exprimé comme le rapport de la puissance optique totale
émise par
le laser P.0 normalisée à la puissance électrique totale injectée dans le
laser et qui est
égale au produit lxV (produit du courant injecté dans le laser et de la
tension nécessaire à
l'injecter).
L'homme du métier comprendra que les modes de réalisation précédemment décrits
peuvent être combinés pour former de nouveaux modes de réalisation pourvu
qu'ils soient
compatibles techniquement et que l'invention ci-décrite n'est pas limitée aux
réalisations
spécifiquement décrites et que tout autre réalisation équivalente doit être
assimilée à la
présente invention. En particulier, bien que l'invention a été décrite dans le
cas d'un laser
à semi-conducteurs, elle s'applique à tous dispositifs opto-électroniques à
semi-
conducteurs, notamment à des photo-détecteurs ou à des cellules
photovoltaïques. Il
convient dans ce cas de remplacer dans la description le terme laser par le
terme dispositif
opto-électronique à semi-conducteurs.
En outre, il est à noter que la modification des propriétés électro-optiques
de la
bande de conduction ou/et de la bande de valence permet de redistribuer la
force
d'oscillateur de la transition intra-bande parasite (à l'origine de
l'absorption de photons par
les porteurs libres) différemment entre les différentes polarisations des
photons (circulant
dans la cavité laser du dispositif opto-électronique), et particulièrement de
transférer la
majeure partie (voire toute) la force d'oscillateur de la transition intra-
bande sur la
polarisation orthogonale à celle de l'émission laser. Cela permet de découpler
presque
complètement l'émission laser de la transition responsable de l'absorption par
porteur
libres.
En particulier, il est à noter que lorsque la couche modulée est soit dans la
zone
dopée N, soit dans la zone dopée P, mais pas les deux à la fois, la couche
modulée ne
confère un effet bénéfique pour la réduction de l'absorption de photons par
les porteurs
libres, que dans la bande de de conduction pour une couche modulée dans la
zone dopée
N ou que dans la bande de valence pour une couche modulée dans la zone dopée
P. Par
contre, les propriétés électro-optiques de la bande de conduction et de la
bande de valence
sont généralement modifiées par la couche modulée dans les deux cas, notamment
du fait
que le matériau présente un caractère quasi-bidimensionnel.
De plus, la modification des propriétés électro-optiques de la bande de
conduction
et de la bande de valence intervient par la réalisation d'une couche modulée
quasi-2D (le
super-réseau de dopage et/ou de composition), donc essentiellement
bidimensionnelle qui
génère des sous-bandes discrètes dans les bandes de conduction et de valence.
En outre,
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dans cette couche modulée les règles de sélection et les répartition des
forces d'oscillateur
des transitions intra-bande pour les différentes polarisations sont
avantageusement
différentes par rapport à un matériau tridimensionnel isotrope ne possédant
pas cette
structure spécifique (le fait que le matériau soit isotrope implique que les
forces d'oscillateur
5 sont les mêmes le long des trois directions).
Il est aussi à noter que, outre les épaisseurs et les caractéristiques
distinctives des
sous-couches, l'épaisseur de chaque empilement de sous-couches est de
préférence aussi
choisie de sorte à diminuer l'absorption de photons par des porteurs libres
dans la zone
dopée correspondante par rapport au dispositif électronique de référence.
10 De préférence, l'épaisseur de chaque empilement de sous-couches est
supérieure
ou égale à 5 nm, de préférence supérieure ou égale à 10 nm.
Il est également à noter que chaque couche modulée est différente d'un super-
réseau à période courte (en anglais <e Short Period Superlattice abrégé en
SPSL).
Dans un mode de réalisation particulier (complément ou variante), il est à
noter que
15 chaque sous-couche de chaque empilement est dépourvue de nitrure de
gallium (GaN).
Dans un mode de réalisation particulier (complément ou variante), il est à
noter que
la couche modulée est au moins une couche du coeur de la zone dopée
correspondante.
L'homme du métier comprendra que le dispositif opto-électronique décrit est
particulièrement adapté aux semi-conducteurs III-V avec une structure
cristalline de type
dit 'du diamant' ou avec une structure de la 'blende'.
Par ailleurs, dans un mode de réalisation alternatif, la couche modulée
décrite
précédemment est aussi applicable à un dispositif opto-électronique à semi-
conducteurs
comprenant une jonction formée d'un empilement de couches dans une direction
d'empilement définissant une zone dopée N, une zone intercalaire (entre la
zone dopée N
et la zone dopée P) et une zone dopée P. Dans ce cas, la couche modulée est
une couche
appartenant à la zone intercalaire, et par exemple plus précisément à la zone
active (zone
où a lieu la recombinaison des porteurs de charge). En particulier, la couche
modulée est
par exemple une couche de la zone active (isotrope) d'un laser à Double
Hétérostructure
(DH) d'épaisseur suffisante pour intégrer plusieurs périodes de modulation de
la
caractéristique distinctive. L'épaisseur considérée est, par exemple,
supérieure ou égale
à 100 nm.
Ainsi, dans ce mode de réalisation alternatif, toutes les caractéristiques des
modes
de réalisation décrits précédemment dans la description sont applicables, les
seules
différences étant la jonction qui n'est pas nécessairement une jonction PIN et
la zone
intercalaire qui n'est pas nécessairement intrinsèque, ainsi que l'intégration
de la couche
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modulée dans cette zone intercalaire. Il est à noter que dans les modes de
réalisation
précédents, la zone intrinsèque correspond à la zone intercalaire.
En particulier, dans ce mode de réalisation alternatif, dans le cas où la
caractéristique distinctive est une composition d'un matériau, la zone
intercalaire peut être
une zone intrinsèque. En revanche, lorsque la caractéristique distinctive est
un taux de
dopage, la zone intercalaire est différente d'une zone intrinsèque
(puisqu'elle est dopée via
la couche modulée). Lorsque la zone intercalaire est dopée, le dopage est de
type N et/ou
de type P.
Un tel mode de réalisation alternatif est en outre compatible avec
l'intégration
d'autres couches modulées dans la zone dopée N et/ou la zone dopée P.
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