CA3224067A1 - Composant optoelectronique insensibles aux dislocations - Google Patents

Abstract

ABRÉGÉ L'invention concerne un composant opto-électronique (1) insensible aux dislocations comprenant : - une hétérostructure semiconductrice (2) apte à émettre un rayonnement laser formée en des premiers matériaux semiconducteurs comprenant une cascade de zones actives (21) à gain à transition radiative interbande de type II, - une structure de support (30) comprenant un substrat non natif (3) différent des premiers matériaux semiconducteurs, ladite hétérostructure semiconductrice (2) étant formée par croissance épitaxiale sur la structure de support (30), dans lequel les zones actives présentent une densité de dislocations supérieure à 107.cm-2. Figure pour l'abrégé : Fig.1

Description

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 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 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, - 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-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.

[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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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.

Claims

REVENDICATIONS
= [Revendication 1] Composant opto-électronique (1) comprenant .
- une hétérostructure semiconductrice (2) apte à émettre un rayonnement laser formée en des premiers matériaux semiconducteurs comprenant une cascade de zones actives (21) à gain à transition radiative interbande de type II, - une structure de support (30) comprenant un substrat non natif (3) différent des premiers matériaux semiconducteurs, ladite hétérostructure semiconductrice (2) étant formée par croissance épitaxiale sur la structure de support (30), caractérisé en ce que les zones actives présentent une densité de dislocations supérieure à 107.cm-2.
[Revendication 2] Composant opto-électronique (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure de support (30) comprend en outre sur le substrat non natif (3), au moins une couche tampon (4) qui présente une densité de dislocations supérieure à
107.cm-2.
[Revendication 3] Composant opto-électronique (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'hétérostructure semiconductrice (2) est réalisée directement sur le substrat non natif (3).
[Revendication 4] Composant opto-électronique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la structure de support (30) comprend en outre une première couche de transition supplémentaire (53a), une première zone de confinement (51) et une deuxième couche de transition supplémentaire (53b).
[Revendication 5] Composant opto-électronique (1) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le substrat non natif (3) est formé en un matériau du groupe IV.
[Revendication 6] Composant opto-électronique (1) selon la revendication 5, caractérisé
en ce que le substrat non natif (3) est formé en silicium.
[Revendication 7] Composant opto-électronique (1) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les premiers matériaux semiconducteurs comprennent un antimoniure.
[Revendication 8] Composant opto-électronique (1) selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les zones actives (21) 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.
[Revendication 9] Composant opto-électronique (1) selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les zones actives comprennent chacune :
- une première couche 243 en antimoniure d'aluminium AlSb et d'épaisseur comprise entre 1 nm et 3.5 nm, - une deuxième couche 242a en arséniure d'indium lnAs et d'épaisseur entre 1 nm et 4 nm, - une troisième couche 241 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 242b en arséniure d'indium lnAs et d'épaisseur entre 1 nm et 3.5 nm.
[Revendication 10] Composant opto-électronique (1) selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les zones actives sont chacune située entre une zone de blocage d'électrons (23) et une zone de blocage de trous (22).
[Revendication 11] Composant opto-électronique (1) selon la revendication 10, caractérisé
en ce que :
- chaque zone de blocage d'électrons (23) comprend :
- une couche 231 en antimoniure d'aluminium AlSb et d'épaisseur comprise entre 0.3 et 3 nm, - une couche 232 en antimoniure de gallium GaSb et d'épaisseur comprise entre 1.5 et 5 nm, - une couche 233 en antimoniure d'aluminium AlSb et d'épaisseur comprise entre 0.3 et 3 nm, - une couche 234 en antimoniure de gallium GaSb et d'épaisseur comprise entre 2 et 5.5 nm, - une couche 235 en antimoniure d'aluminium AlSb et d'épaisseur comprise entre 1 et 3.5 nm.
- chaque zone de blocage de trous (22) comprend :
- une couche 221 en arséniure d'indium lnAs et d'épaisseur comprise entre 3 et 6 nm, - une couche 222a en antimoniure d'aluminium AlSb et d'épaisseur comprise entre 0.6 et 3 nm, - une couche 223 en arséniure d'indium lnAs: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 222b en antimoniure d'aluminium AlSb et d'épaisseur comprise entre 0.6 et 3 nm, - une couche 224 en arséniure d'indium lnAs:Si de densité de dopage comprise entre 5 1017 et 2 1019 cm-3 en matériau et d'épaisseur comprise entre 1.5 et 4 nm, - une couche 222c en antimoniure de gallium AlSb et d'épaisseur comprise entre 0.6 et 3 nm, - une couche 225 en arséniure d'indium lnAs: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 222d en antimoniure de gallium AlSb et d'épaisseur comprise entre 0.6 et 3 nm, - une couche 226 en arséniure d'indium lnAs: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 222e en antimoniure de gallium AlSb et d'épaisseur comprise entre 0.6 et 3 nm, - une couche 227 en arséniure d'indium lnAs et d'épaisseur comprise entre 1 et 4 nm.
[Revendication 12] Composant opto-électronique (1) selon l'une des revendications 1 à
11, caractérisé en ce que l'hétérostructure semiconductrice présente une densité de dislocations comprise entre 106 et 109 cm-2.