LASER A SEMICONDUCTEUR A HÉTÉROSTRUCTURE

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Submitted on 1 Jan 1974

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LASER A SEMICONDUCTEUR A HÉTÉROSTRUCTURE

P. Hirtz

To cite this version:

P. Hirtz. LASER A SEMICONDUCTEUR A HÉTÉROSTRUCTURE. Journal de Physique Collo-

ques, 1974, 35 (C3), pp.C3-201-C3-206. �10.1051/jphyscol:1974329�. �jpa-00215577�

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JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque C3, supplément au no 4, Tome 35, Avril 1974, page C3-201

LASER A SEMICONDUCTEUR A HÉTÉRO STRUCTURE

P. HIRTZ

Laboratoire Central de Recherches,

Domaine de Corbeville, BP 10, 91400 Orsay, France

Résumé. - Le laser semiconducteur homostructure, limité presque exclusivement au composé III-V GaAs, a fait son apparition il y a une douzaine d'années. Ses performances sont intéressantes a basse température, mais le fonctionnement près de l'ambiante est limité à cause de la forte augmentation du courant de seuil à la stimulation avec la température.

Le laser semiconducteur à hétérostructure, qui conduit à un confinement non seulement des porteurs de charge injectés, mais également du flux de photons stimulés, a permis d'abaisser les densités de courant de seuil à la température ambiante d'un facteur 40 par rapport au laser homostructure. De ce fait, le fonctionnement en continu à la température ambiante devient possible.

Nous nous proposons de présenter les travaux effectués au LCR THOMSON-CSF sur ce sujet.

Plus particulièrement, les problèmes reliés à la réalisation de dépôts épitaxiques multiples seront évoqués, les performances actuelles et les utilisations futures du laser à hétérostructure seront présentées.

Abstract. -The homostructure semiconductor injection laser, almost exclusively limited to the III-V cournpound GaAs, appeared twelve years ago. His characteristics are interesting at low temperature, but operation near ambiant is limited because the steep rise in threshold current for stimulation with temperature.

The semiconductor heterostructure injection laser that leads to a confinement of both injected charge carriers and stimulated photon flux, allowed to decrease the threshold current density at room temperature by a factor of 40, and thus continuous operation was possible.

We present some work done at LCR THOMSON-CSF on this subject. Problems related to the growth of multiple epitaxial layers will be raised, then present characteristics and future applications of heterostructure injection lasers will be'described.

1. Rappels concernant les limitations du laser homo- structure. - Ce type de laser est habituellement obtenu en diffusant une impureté acceptrice d'électrons (généralement du zinc) dans de l'arséniure de gallium dopé à l'aide d'une impureté donnatrice, dans le but de réaliser une jonction p-n.

La figure 1 donne une vue d'une telle structure.

'

^Face^dépolie

FIG. 1. - Vue d'un laser homostructure.

On peut montrer qu'avec ce type de laser, lorsque la jonction est polarisée dans le sens direct, l'injection d'électrons dans le matériau de type p est prédomi- nante (m* des électrons < m* trous, apparition d'une bande d'états permis due à l'interaction entre les impuretés acceptrices, entraînant une bande interdite effective plus faible que celle du matériau de type n).

Ceci implique que la zone de création de porteurs hors équilibre est située dans la partie de type p de la diode, au voisinage immédiat de la jonction.

L'épaisseur de cette zone, dite active, s'étend sur une épaisseur d égale à la longueur de diffusion des électrons injectés dans le type p.

Il est évident que le seuil de stimulation, c'est-à-dire le courant nécessaire pour réaliser d'abord, l'inversion de population définie par la condition de Bernard et Duraffourg [1] : F,, - F, > hv puis pour rendre le gain supérieur aux pertes dans la zone active, est proportionnel au volume excité, donc à d.

A basse température (< 77 K) la longueur de diffusion des électrons est faible (- 0,5 p) et les densités de courant de seuil obtenues sont de l'ordre de 500 à 1 000 A . C ~ - ~ . Le fonctionnement en régime continu est possible, des puissances lumineuses de l'ordre de 1 W ont été obtenues.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1974329

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C3-202 P. HIRTZ

Remarquons que ce laser fonctionne correctement à cause de plusieurs raisons fortuites. En effet, outre la faible valeur de la longueur de diffusion des élec- trons, il est nécessaire que l'onde électromagnétique soit confinée, sinon, à la réflection aux miroirs de la cavité Pérot Fabry, il existerait une diffraction carac- térisée par un angle d'ouverture du faisceau

-

^Ald

donc supérieure à 1 rd, de telle sorte que l'onde stimulée serait rapidement absorbée dans les zones latérales où n'existe pas l'inversion de population.

Plusieurs causes peuvent expliquer cet « auto- confinement », en particulier l'apparition d'une Struc- ture à trois couches, où la permittivité est de la forme :

io,

E zone active = E; f - W E zones latérales = E;

-

- ia2

.

W

A cause des relations de Kramers-Kronig et du fait que a, 9 a,, on peut montrer [2] que la partie réelle de l'indice de réfraction dans la zone active est supé- rieur à celui des zones latérales.

D'autre part, dans la zone d'inversion de population, la probabilité de transition radiative est multipliée par le nombre de photons dans un mode de la cavité, ce qui entraîne une diminution de la populatioti en porteurs minoritaires, d'où une aiigmentation de l'indice de réfraction dans la zone active [3].

Toutefois, ce confinement est toujours de faible importance, l'onde électromagnétique s'étend dans les zones adjacentes fortement absorbantes. De plus une partie des porteurs est injectée dans des zones où l'inversion de population n'est pas réalisée, et ne participe donc pas à la stimulation de photons.

A haute température, on constate que le courant de seuil a beaucoup augmenté puisque l'on obtient typiquement-: J , 2 50 000 A . cm-'.

Une des raisons expliquant ce phénomène est Paug- mentation de la longueur de diffusion des porteurs minoritaires injectés. En effet, on peut montrer [4]

que la durée de vie radiative en régime spontané varie comme

T ~ / ~

pour un modèle où les bandes de conduc-

~ ~ v i t é sont paraboliques, et où la règle de sélection Ak = O est satisfaite.

2. Principe du laser double hétérostructure.

-

Ce type de laser semiconducteur est constitué de la juxtaposition de trois zones, la région active intermédiaire possédant une énergie de bande interdite inférieure à celle des 2 zones adjacentes. Cette structure a été proposée conjointement par Alferov et al. [5] et par Panish et al. [6].

Le choix des deux semiconducteurs a été imposé par des considérations d'égalité de paramètre de maille cristalline, permettant d'éliminer toute contrainte aux interfaces, ces dernières entraînant par exemple des dislocations, la formation de précipités, d'où diminution du rendement quantique. L'arséniure

de gallium et la solution solide Ga,-,Al,As ont été choisis pour cette raison.

Le diagramme de bande à l'équilibre thermodynamique et en polarisation directe est montré dans la figure 2.

FIG. 2. - Diagramme de bande d'une double hétérostructure (zone active compensée) a) équilibre thermodynamique, b) pola-

risation directe.

Sur ce diagramme, on n'a pas tracé les barrières de potentiel correspondant aux travaux de sortie des différents matériaux, mais les caractéristiques 1-V montrent que ce schéma est correct. Ceci est la consé- quence d'une variation graduelle en concentration d'A1As aux interfaces, due aux conditions de crois- sance.

On voit immédiatement les avantages d'une telle structure : les électrons et les trous hors équilibre sont injectés uniquement dans GaAs. En effet, si l'on prend x

-

0,3 pour le composé ternaire, on obtient alors que

d'où un taux d'injection r en faveur de GaAlAs vers GaAs :

Pour les chiffres cités AEIkT

-

10 ce qui est largement suffisant pour exciter exclusivement GaAs.

De plus, les charges injectées sont confinées dans la zone active, puisque cette dernière constitue un puits de potentiel énergétique.

D'autre part, on est maître de l'épaisseur de cette zone active, que l'on peut rendre aussi faible que

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LASER A SEMICONDUCTEUR A HÉTÉROSTRUCTURE C3-203

0,2 p, cette valeur représentant une limite au confinement d'une onde de 1,

-

0,9 p. Un autre avantage lié à cette structure est la présence d'une discontinuité de l'indice de réfraction

n

aux interfaces : GaAs-GaAlAs.

En effet, à cause des relations de dispersion, il existe une augmentation de

n

au voisinage de la limite d'absorption bande à bande dans un semi-conducteur, et l'énergie des photons émis est voisine du gap de GaAs, mais inférieure de

-

300 meV, au gap de GaAlAs ; ceci entraîne une variation relative de l'indice : A&/;

-

⁵

^%,

suffisante pour confiner effica- cement l'onde électromagnétique dans GaAs ; on obtient donc un très bon couplage entre les porteurs hors équilibre et les photons stimulés.

La méthode choisie pour déposer les différentes couches du laser double hétérostructure est l'épitaxie en phase liquide, à partir d'un bain riche en gallium, effectuée à

-

⁸⁵⁰^OC,c'est-à-dire à une température nettement inférieure au point de fusion du matériau, avec tous les avantages qui en découlent :

- moindre contamination,

- possibilité de formation de lacunes plus faible, donc moins de centres recombinants non radiatifs, et absence de pièges qu'il est nécessaire de saturer et qui entraînent des retards à la stimulation, phénomène observé dans les lasers homostructure diffusés clas- siques.

Substrat GaAs(n)

3,5

FIG. 3. - a) Positionheur d'épitaxie à tiroir. b) Photographie .d'une face clivée montrant une structure 4 couches.

14

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C3-204 P. HIRTZ Les différents dopants : Zn, Te, Sn, Si, Ge sont ajoutés dans la phase liquide, de même que As et Al.

C'est ce dernier élément qui pose le plus de problèmes, à cause de sa forte réactivité avec l'oxygène résiduel dans l'enceinte épitaxique, et de la formation d'un oxyde très stable (A1203) ; ceci oblige à travailler dans une atmosphère où la teneur en éléments oxy- dants est à la limite de ce qui est obtenable.

Les différentes couches sont déposées à l'aide d'un positionneur à tiroir généralement en graphite (voir Fig. 3).

Sur la même figure est représentée une structure 4 couches, dont la zone active est voisine de 0,9 p ; une quatrième couche en GaAs (type p) a été déposée, elle a pour but de faciliter la prise de contact ohmique, en empêchant la formation d'une couche d'alumine à la surface de GaAlAs. A cause des problèmes thermi- ques posés par le fonctionnement en continu, les deux couches superficielles doivent être nécessairement de faible épaisseur. (Ceci est d'autant plus vrai pour Ga 0,7 Al 0,3 As qui possède un coefficient de conduc- tibilité thermique cinq fois supérieur à celui de GaAs.) Le puits thermique sur lequel le laser est soudé a une grande importance, en particulier l'emploi du diamant type II A, dont le coefficient de conductivité thermique est égal à quatre fois celui du cuivre, est très intéressant.

De plus, il est avantageux de réaliser un laser dont la zone active est réduite en largeur (- 10 à 20 p), dans le but de diminuer la résistance thermique de l'ensemble. Ceci est obtenu à l'aide d'un contact localisé, d'une structure de type planar (diffusion localisée, bombardement protonique), ou en fin d'une

N mesa ^Dréalisée par attaque chimique.

A l'aide de ces différentes solutions, il est possible d'obtenir des lasers dont le courant de seuil à la tem- pérature ambiante est voisin de 50 mA, et capables de délivrer quelques dizaines de milliwatts à Â.

-

^0,9^p

en continu.

3. Caractéristiques des lasers double hétérostructure.

-

3.1 COURANT DE SEUIL EN FONCTION DE L'ÉPAISSEUR DE LA ZONE ACTIVE. - Pour des lasers possédant une forte épaisseur de zone active (d

-

^{4 p), on}

retrouve approximativement les densités de courant de seuil obtenues avec les lasers homostructure, ce qui confirme que pour ces derniers la longueur de diffusion des porteurs minoritaires est équivalente à cette épaisseur. Par contre ces lasers présentent, contrairement aux lasers homostructure, des modes de propagation transverses dans une direction perpen- diculaire à la jonction, ceci confirme la présence d'une rupture d'indice notable aux limites de la zone active.

Ce type de laser est utilisé lorsque l'on désire obtenir de fortes puissances lumineuses crêtes (- 50 W) en fonctionnement impuIsionne1 à la température ambiante. En effet, on constate une dégradation des faces de la cavité Pérot Fabry due à la très forte valeur

de la densité énergétique aux limites du cristal, le seuil de dégradation étant voisin de 2 M W . C ~ - ~ .

11 est possible d'obtenir une version améliorée de ce type de laser ; il s'agit de la structure LOC [7] (large optical cavity) à cinq couches, dans laquelle les zones de confinement des porteurs et de confinement de l'onde électromagnétique sont différents.

Lorsque l'on diminue d, on constate que le courant de seuil décroît linérairement jusqu'à 0,3 p puis croît pour d inférieur à 0,2 p.

La plus faible valeur de J, obtenue est de 1 000 A . c ~ - ~ (pour d

-

^{0,2 p).}

3.2 CARACTÉRISTIQUES SPECTRALES. - Sur la figure 4, on a représenté l'évolution du spectre émis pour un laser dont la couche active est dopée au Ge.

En régime spontané, l'émission est dominée par l'annihilation d'un électron situé dans la bande de conduction avec un trou piégé sur l'accepteur Ge neutre. Elle est située à 1,39 eV, soit pour une énergie inférieure de 30 meV à E,.

A plus forte excitation, le niveau accepteur se sature en trous, et la recombinaison entre un électron et un trou libres apparaît, et prend progressivement de l'importance :

LASER DH z o n e active dopée Ge

(épaisseur 1 . 5 ~ ~ ) 1,= 3.5A

1.L03.

RG. 4. - Spectres d'émission lumineuse d'un laser DH en régime spontané pour des valeurs différentes de l'excitation.

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LASER A SEMICONDUCTEUR A HÉTÉROSTRUCTURE C3-205

Pour I ⁼3,5 A, le seuil est obtenu, on voit sur cette LASER DH

figure que l'émission stimulée se situe sur le flanc zone active dopée Ge

basse énergie de la recombinaison bande-accepteur. (épaisseur 1,5ji )

1, = 3 , 5 A 8862 88.13991ev

A 1 ⁼3,8 A (Fig. 5) deux ordres de modes de

vibration transverses sont observés. La séparation ¹ ^E^{4 , 2 A} entre deux modes à l'intérieur d'un ordre est de 2,9

A,

ceci correspond à une distance séparant les miroirs de la cavité de 300 y.

L A S E R DH

8853.2 A - 1 4006eV

zone active dopée Ge 1

, = 3 , 5 A 1 = 3 , 8 A

AA,= 2,9A 8871 51.1 3977pv

FIG. 5. - Spectre d'émission lumineuse en régime stimulé : Z = 3,8 A.

Pour 1 = 4,2 A, l'enveloppe spectrale s'est élargie, et un nouvel ordre de vibration transverse apparaît à haute énergie (Fig. 6).

3 . 3 VITESSE ^DEMODULATION. ^-Cette vitesse est limitée, dans le laser DH, non pas par la présence de pièges dans la zone active, mais par un retard appa- raissant entre l'application de l'impulsion de courant électrique et le début de stimulation. Ce retard est représentatif du temps nécessaire pour injecter les charges indispensables pour réaliser l'inversion de population, c'est donc une fonction de la durée de vie spontanée, et du courant.

Pour J

-

2 J, le retard peut être voisin de quelques nanosecondes, ce qui limite la fréquence de modulation à

-

^{100 MHz.}

FIG. 6 . - Spectre d'émission lumineuse en régime stimulé : Z = 4.2 A.

Il existe toutefois un moyen de s'affranchir de ce retard ; il consiste à prépolariser le laser en direct à l'aide d'un courant I

<

I, ; dans ce cas, la modulation à 1 GHz a été obtenue.

3.4 FIABILITÉ. - Les premiers lasers DH réalisés avaient des durées de vie, en fonctionnement continu, faibles (quelques dizaines d'heures). Depuis lors, des efforts ont été faits pour comprendre les phénomènes de dégradation (contraintes introduites par les contacts ohmiques très proches de la zone active :

-

^{2 y,}

juxtaposition de deux matériaux possédant des coeffi- cients de dilatation différents, création de défauts ou changement de site des impuretés caractérisés par de faibles énergies d'activation, et induits par l'annihilation des paires électron-trou, diffusion d'impuretés avec ou sans participation du champ électrique de la jonction.. .).

4ctuellement, des progrès ont été effectués et le chiffre de 10 000 heures de durée de vie est annoncé [81.

4. Utilisation des lasers semi-conducteur à double hétérostructure. - Si l'on considère les progrès considérables effectués parallèlement sur les fibres optiques quant à leur affaiblissement linéique, puisque celui-ci est passé, en l'espace de deux ans de 100 à 4 dB au kilomètre, les transmissions optiaues sont envisageables dans un proche avenir. Citons les avantages présentés par cette solution :

- capacités de transmission élevées : par exemple 100 000 voies téléphoniques pour un laser,

- faible encombrement des fibres par rapport aux câbles coaxiaux ou aux guides d'onde,

- affaiblissement diminué par rapport aux solutions existantes, donc moins de répéteurs,

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C3-206 P. HIRTZ

- possibilité de réaliser des répéteurs entièrement - dans un avenir un peu plus éloigné, épuisement à l'état solide, donc de faible encombrement et à des sources de cuivre du globe, ce qui n'est pas le cas

rendement élevé, pour la silice.

Bibliographie

[ l ] DURAFFOURG, BERNARD, Phys. Stat. Solid 1 (1961) 699. [5] ALFEROV et al., Sov. Phys. Semicond. 2 (1969) 1289.

[2] MCWKORTER, A. L., Solid State Electronics 6 (1963) 417. [6] PANISK et al., Appl. Phys. Lett. 16 (1970) 326.

[3] STERN, F., Phys. Rev. 113 6 A (1964) A 1653. [7] LOCKWOOD, F. et al., Appl. Phys. Lett. 17 (1970) 499.

[4] LASHER, G., et STERN, F., Phys. Rev. 133 2 A (1964) [8] Electronics, vol. 46, no 12, p. 35 (7 janvier 1973).

A 553. Electronics, vol. 46, no 13, p. 5E (21 janvier 1973).

DISCUSSION

J. P. NOBLANC. - Y a-t-il une influence de l'orien- diode pendant l'impulsion électrique (2 émissions déca- tation du substrat sur le courant de seuil des lasers lées dans le temps) ?

à double hétérostructure ?

P. HIRTZ.

-

Il s'agit de deux ordres de modes P. HIRTZ. - Il n'y a pas d'influence de l'orientation transverses dans le plan jonction.

à notre connaissance.

H. MATHIEU. - VOUS donnez une variation d'indice M. PILKUHN. - Can you comment on the quantum de 5

%

entre la zone active (AsGa) et les deux zones efficiency (300 K) of your DH Lasers ? adiacentes. S'agit-il d'un calcul faisant intervenir les

-

P. HIRTZ. - Le rendement quantique différentiel gaps des 3 zones ou d'une mesure

-

? externe est de l'ordre de 40

%.

P. HIRTZ.

-

Cette valeur est déduite de données H. MATHIEU. - Avez-VOUS une interprétation de _{connu es^}

l'existence de 2 séries de raies sur le spectre d'émission

de vos diodes ? Pensez-vous qu'il puisse s'agir de M. CARDONA. - On pourrait distinguer d'une façon l'existence d'un « escalier » sur une face clivée (varia- simple s'il s'agit des modes longitudinaux ou transver- tion de la largeur de la cavité) ou d'une variation saux en mesurant l'effet d'une pression uniaxiale. 11 d'indice dans le temps due à un échauffement de la suffirait d'une pression assez faible.