FR2774518A1 - Dispositif photoemissif et procede de renforcement de la puissance d'un tel dispositif - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif photoémissif.Elle se rapporte à un dispositif photoémissif qui comprend un substrat (12), une première couche de miroirs (14), une couche active, une région passivée, une seconde couche de miroirs (18), une plage de liaison (24), et une électrode (26) connectée à la plage et en contact électrique avec la seconde couche de miroirs, l'électrode comprenant une électrode non annulaire destinée à concentrer uniformément le courant appliqué sur la couche active. Des saillies (28) s'étendent vers l'intérieur, vers le centre de la couche active afin que la densité uniforme de courant soit accrue dans la couche active. Les saillies (28) sont disposées coaxialement à la couche active.Application aux laser à émission de surface et cavité verticale.
Description
La présente invention concerne un laser à émission de surface et à cavité verticale ou VCSEL et, plus précisément, elle concerne un laser à émission par la partie supérieure assurant l'injection d'un courant d'électrode supérieure et ayant d'excellentes propriétés de profil de mode optique et de capacité en puissance.
Les réalisations connues de lasers utilisés jusqu'à présent ont injecté le courant par un contact annulaire, de manière générale. Cependant, le diamètre du dispositif est normalement supérieur à la distance verticale comprise entre l'électrode et la région active d'émission de lumière. La dispersion du courant est donc limitée et comme l'effet laser se produit préférentiellement à la circonférence du dispositif, il existe plusieurs restrictions qui sont notamment
i) des complications de réalisation des lasers de grande puissance par augmentation de la surface, puisque la puissance maximale de sortie est proportionnelle à la circonférence et non à la surface,
ii) des difficultés de couplage avec la sortie de lumière puisque la fibre reçoit l'émission d'un diagramme annulaire à la circonférence,
iii) un faible rendement puisque l'effet laser est proche de la région d'arrêt de courant qui entoure le volume actif, cette région, lorsqu'elle est oxydée, implantée ou réalisée d'autres manières ayant un degré élevé de défauts qui donne un faible rendement quantique,
iv) une résistance élevée du dispositif,
v) un diagramme des modes qui n'est pas contrôlé et qui varie avec le courant dans le sens direct et entre les dispositifs individuels,
vi) une variation importante de la puissance de sortie entre différents dispositifs, et
vii) un processus qui nécessite une précision élevée lors de la délimitation du diagramme d'électrodes.
i) des complications de réalisation des lasers de grande puissance par augmentation de la surface, puisque la puissance maximale de sortie est proportionnelle à la circonférence et non à la surface,
ii) des difficultés de couplage avec la sortie de lumière puisque la fibre reçoit l'émission d'un diagramme annulaire à la circonférence,
iii) un faible rendement puisque l'effet laser est proche de la région d'arrêt de courant qui entoure le volume actif, cette région, lorsqu'elle est oxydée, implantée ou réalisée d'autres manières ayant un degré élevé de défauts qui donne un faible rendement quantique,
iv) une résistance élevée du dispositif,
v) un diagramme des modes qui n'est pas contrôlé et qui varie avec le courant dans le sens direct et entre les dispositifs individuels,
vi) une variation importante de la puissance de sortie entre différents dispositifs, et
vii) un processus qui nécessite une précision élevée lors de la délimitation du diagramme d'électrodes.
Dans la technique, les réalisations habituelles positionnent le contact annulaire à l'extérieur de la zone d'émission et comportent une couche d'arrêt de courant destinée à faire circuler à force le courant dans le volume actif. Cette couche d'arrêt de courant peut être formée par implantation ionique comme décrit par exemple dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 5 115 442 délivré le 19 mai 1992 à Lee et al. ou par oxydation comme indiqué dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 5 262 360, délivré le 16 novembre 1993 à Holonyak Jr. et al. Une électrode annulaire qui recouvre partiellement la région active d'émission de lumière est utilisée très fréquemment. Ces réalisations peuvent être combinées avec une ou plusieurs couches ayant une résistivité variant progressivement, entre des valeurs élevée et faible, afin que la dispersion du courant soit meilleure. La dispersion du courant est décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n" 5 343 487, délivré le 30 août 1994 à Scott et al.
Compte tenu des restrictions imposées par la méthodologie existante, il est nécessaire d'obtenir un meilleur rendement en puissance fournie par un laser à émission par la partie supérieure. L'invention correspond à ce besoin et constitue une solution à ce problème, et elle permet le réglage du profil des modes optiques.
Ainsi, l'invention concerne, dans un premier aspect, un laser VCSEL ayant une meilleure dispersion du courant.
Dans un aspect général, l'invention concerne un dispositif photoémissif qui comporte
un substrat,
une première couche de miroirs diélectriques,
une couche active,
une région passivée,
une seconde couche de miroirs diélectriques,
une plage de liaison, et
une électrode connectée à la plage et en contact électrique avec la seconde couche de miroirs diélectriques.
un substrat,
une première couche de miroirs diélectriques,
une couche active,
une région passivée,
une seconde couche de miroirs diélectriques,
une plage de liaison, et
une électrode connectée à la plage et en contact électrique avec la seconde couche de miroirs diélectriques.
L'électrode supérieure du laser VCSEL à émission par la partie supérieure peut avoir une forme quelconque qui facilite l'injection du courant dans la région active. Dans un exemple, une électrode circulaire munie de doigts qui recouvrent la zone active conductrice est réalisée mais les hommes du métier peuvent noter que des variantes donnant le même résultat peuvent aussi être utilisées. Dans des variantes, l'électrode peut comprendre un ensemble ayant un nombre quelconque ou une forme quelconque de doigts tournés vers le centre du dispositif afin que la dispersion du courant soit meilleure. L'électrode peut former un dessin qui améliore le diagramme des modes dans le dispositif. En outre, l'électrode peut avoir des bandes, asymétriques par exemple, qui améliorent la polarisation du dispositif.
D'autres variantes de réalisation du dispositif comprennent le positionnement d'un anneau interne coaxialement à l'électrode connectée à la plage de liaison. On a constaté que l'invention pouvait être appliquée à des formes non circulaires pour la zone d'émission.
La réalisation de contact supérieur peut être assurée pour l'augmentation de la polarisation qui donne un degré plus élevé de polarisation de la lumière émise. La réalisation peut être utilisée dans tout dispositif électrooptique (par exemple des diodes photoémissives à microcavité
MCLED ou RECLED). Les contacts, pendant la fabrication, sont normalement délimités par des opérations photolithographiques à la surface supérieure, mais des réalisations mettant en oeuvre d'autres procédés de fabrication, par exemple la lithographie par faisceaux d'électrons et d'autres techniques convenables, peuvent aussi être utilisées.
MCLED ou RECLED). Les contacts, pendant la fabrication, sont normalement délimités par des opérations photolithographiques à la surface supérieure, mais des réalisations mettant en oeuvre d'autres procédés de fabrication, par exemple la lithographie par faisceaux d'électrons et d'autres techniques convenables, peuvent aussi être utilisées.
Dans un autre aspect, l'invention concerne un procédé permettant l'augmentation de la puissance de sortie d'un dispositif à semi-conducteur photoémissif, comprenant la disposition d'un laser à semi-conducteur à émission par la partie supérieure possédant des miroirs de Bragg, une région active, une région passivée, un substrat et une plage de liaison connectée à une électrode afin qu'un courant appliqué soit concentré dans la région active afin que la puissance fournie par le dispositif à semi-conducteur soit accrue.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels
la figure 1 est une représentation schématique d'une pastille de laser VCSEL dans un mode de réalisation de l'invention ;
la figure 2 est une vue en plan du dispositif de la figure 1
les figures 3 à 5 sont des vues en plan d'autres modes de réalisation de l'invention ; et
la figure 6 est un graphique permettant la comparaison de la puissance de sortie pour une électrode annulaire et une électrode formant un dessin.
la figure 1 est une représentation schématique d'une pastille de laser VCSEL dans un mode de réalisation de l'invention ;
la figure 2 est une vue en plan du dispositif de la figure 1
les figures 3 à 5 sont des vues en plan d'autres modes de réalisation de l'invention ; et
la figure 6 est un graphique permettant la comparaison de la puissance de sortie pour une électrode annulaire et une électrode formant un dessin.
Sur les diverses figures, les références identiques désignent des éléments analogues.
On se réfère maintenant aux dessins ; la figure 1 est une vue en perspective d'un laser à émission de surface à cavité verticale, désigné de façon générale par la référence 10. Le substrat du dispositif porte la référence 12.
L'ensemble forme une série de miroirs 14 de Bragg près d'un empilement de puits quantiques 16. Une autre série de miroirs 18 de Bragg recouvrent les puits 16. Une zone active 20 est entourée par une zone passivée 22. Ces éléments sont connus dans la technique de manière générale.
Une plage métallique de liaison 24 est positionnée à la partie supérieure du dispositif 10. Une électrode 26 formant un dessin est montée sur la plage 24 et elle est représentée dans cet exemple avec un organe en demi-cercle ayant des doigts ou saillies 28. Les doigts sont équidistants et sont dirigés vers l'intérieur, vers la zone active 20.
L'électrode 26 formant un dessin a été déterminée comme particulièrement efficace pour la dispersion du courant par rapport aux lasers VCSEL connus dans la technique.
La figure 2 est une vue en plan d'une pastille de dispositif 10 de laser VCSEL. Une zone passivée 22 entoure la zone active circulaire 20. La zone active est connectée électriquement à la plage 24 de liaison par l'électrode 26 et les doigts 28.
Les figures 3 à 5 représentent d'autres variantes pour la formation de l'électrode. Dans le mode de réalisation de la figure 3, un quadruplet d'électrodes 28 est représenté avec des dispositions équidistantes et orthogonales. En outre, chaque électrode 26 forment plusieurs électrodes individuelles 28 de dimensions différentes qui sont imbriquées et disposées coaxialement par rapport à la zone active 20.
Sur la figure 4, les électrodes en saillie 28 entourent l'électrode avec une disposition angulaire.
La figure 5 représente une autre variante.
Dans tous les cas, une augmentation notable de puissance est réalisée lorsque l'électrode formant un dessin est utilisée par rapport aux ensembles annulaires ou à anneau connus dans la technique. Les résultats obtenus sont indiqués sur la figure 6. Il est manifeste que la mise sous forme de dessin a un effet net sur la gestion de puissance.
Lors du fonctionnement des dispositifs, un courant est injecté de manière voulue par réalisation de l'électrode supérieure. La sélection du dessin d'injection uniforme permet la réalisation d'un laser qui donne un effet préférentiellement actif dans la partie centrale de la zone active. Des avantages découlent de cette disposition, ces avantages comprenant
i) une augmentation de la puissance maximale jusqu'à 20 % dans le cas d'un dispositif ayant une zone circulaire active de 56 pra de diamètre,
ii) une augmentation du rendement de couplage à une fibre puisque l'effet laser peut se produire dans la partie centrale de la zone active,
iii) l'effet laser a lieu de préférence en partie dans la portion centrale du dispositif très loin des couches d'arrêt de courant avec une densité élevée de défauts,
iv) une faible résistance du dispositif étant donné la dispersion efficace du courant,
v) la possibilité du réglage du diagramme des modes à l'aide du dessin des électrodes, soit à un profil stable de mode, soit dans la zone centrale du dispositif, soit avec ces deux caractéristiques,
vi) une faible variation de la puissance de sortie entre les dispositifs, et
vii) la possibilité de la production du dessin par des opérations photolithographiques sans alignement très précis du masque d'électrode sur le masque qui provoque l'arrêt de courant (directement ou indirectement) . L'alignement de deux masques circulaires ayant presque les mêmes rayons (rl et r2) est primordial puisque l'erreur d'alignement doit être comparée à la différence de rayons des cercles (r2 - rl), toute erreur comparable à r2 - rl (qui est normalement d'environ 2 à 3 pin dans le cas des lasers VCSEL à émission par la partie supérieure) provoquant un défaut très important de fonctionnement. Des erreurs plus petites affectent aussi les propriétés du dispositif. Pour l'alignement des masques selon l'invention (par exemple une croix à la place du cercle plus petit), l'erreur d'alignement peut être comparée au rayon du cercle r2 qui, pour les dispositifs actuellement commercialisés, donne une tolérance d'alignement qui est plus grande d'un facteur important.
i) une augmentation de la puissance maximale jusqu'à 20 % dans le cas d'un dispositif ayant une zone circulaire active de 56 pra de diamètre,
ii) une augmentation du rendement de couplage à une fibre puisque l'effet laser peut se produire dans la partie centrale de la zone active,
iii) l'effet laser a lieu de préférence en partie dans la portion centrale du dispositif très loin des couches d'arrêt de courant avec une densité élevée de défauts,
iv) une faible résistance du dispositif étant donné la dispersion efficace du courant,
v) la possibilité du réglage du diagramme des modes à l'aide du dessin des électrodes, soit à un profil stable de mode, soit dans la zone centrale du dispositif, soit avec ces deux caractéristiques,
vi) une faible variation de la puissance de sortie entre les dispositifs, et
vii) la possibilité de la production du dessin par des opérations photolithographiques sans alignement très précis du masque d'électrode sur le masque qui provoque l'arrêt de courant (directement ou indirectement) . L'alignement de deux masques circulaires ayant presque les mêmes rayons (rl et r2) est primordial puisque l'erreur d'alignement doit être comparée à la différence de rayons des cercles (r2 - rl), toute erreur comparable à r2 - rl (qui est normalement d'environ 2 à 3 pin dans le cas des lasers VCSEL à émission par la partie supérieure) provoquant un défaut très important de fonctionnement. Des erreurs plus petites affectent aussi les propriétés du dispositif. Pour l'alignement des masques selon l'invention (par exemple une croix à la place du cercle plus petit), l'erreur d'alignement peut être comparée au rayon du cercle r2 qui, pour les dispositifs actuellement commercialisés, donne une tolérance d'alignement qui est plus grande d'un facteur important.
Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs et procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemple non limitatif sans sortir du cadre de l'invention.
Claims (15)
1. Dispositif photoémissif, caractérisé en ce qu'il comprend
un substrat (12),
une première couche de miroirs (14),
une couche active,
une région passivée,
une seconde couche de miroirs (18),
une plage de liaison (24), et
une électrode (26) connectée à la plage et en contact électrique avec la seconde couche de miroirs, l'électrode comprenant une électrode non annulaire destinée à concentrer uniformément le courant appliqué sur la couche active.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des saillies (28) qui s'étendent vers l'intérieur, vers le centre de la couche active afin que la densité uniforme de courant soit accrue dans la couche active.
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode (26) comprend plusieurs saillies espacées (28) afin qu'elles soient équidistantes.
4. Dispositif selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que les saillies (28) sont disposées coaxialement à la couche active.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que chacune des saillies (28) comprend plusieurs saillies supplémentaires.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il forme un laser à émission à microcavité.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que les saillies (28) concentrent le courant appliqué sur une portion choisie de la couche active.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'électrode (26) est formée par photolithographie.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'électrode (26) est formée par lithographie par faisceaux d'électrons.
10. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'un des miroirs au moins est diélectrique.
11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'électrode (26) forme un dessin destiné à accentuer au moins le diagramme des modes optiques ou la polarisation.
12. Procédé de renforcement de la puissance de sortie d'un dispositif à semi-conducteur photoémissif, caractérisé en ce qu'il comprend
la réalisation d'un laser à semi-conducteur à émission par la surface supérieure, possédant des miroirs de Bragg (14, 18), une région active, une région passivée, un substrat (12) et une plage de liaison (24), et
la formation d'une électrode non annulaire (26) près de la région active de manière que le courant appliqué soit concentré dans la région active et augmente la puissance fournie par le dispositif à semi-conducteur.
13. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte en outre la réalisation de l'électrode (26) avec au moins une saillie (28) destinée à diriger le courant appliqué vers la couche active.
14. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de disposition de plusieurs électrodes alignées coaxialement sur la couche active.
15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que l'électrode (26) forme un dessin qui renforce au moins le diagramme des modes optiques ou la polarisation.
Applications Claiming Priority (1)
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| GB9802049A GB2333896B (en) | 1998-01-31 | 1998-01-31 | Vertical cavity surface emitting laser |
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|---|---|---|---|
| FR9901026A Expired - Fee Related FR2774518B1 (fr) | 1998-01-31 | 1999-01-29 | Dispositif photoemissif et procede de renforcement de la puissance d'un tel dispositif |
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