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Etat de l’art des diodes laser émettant à 1,3µm
Sur substrat InP
La filière GaInAsP/InP s’est largement imposée pour les diodes laser émettant à 1,3µm. L’application d’une contrainte pour améliorer les propriétés des puits quantiques a abouti après plusieurs années de recherches à des structures laser optimisées [2, 3]. Cependant, dans ces structures « conventionnelles » le faible confinement de la bande de conduction voisin de 100meV limite les températures caractéristiques T0 dans la gamme des 50K-60K avec des densités de courant de seuil par puits de 100A/cm².
Pour pallier à cet inconvénient, la filière AlGaInAs/InP s’est développée. Elle est plus adaptée aux applications nécessitant un fort T0. En effet, elle possède un meilleur confinement de la bande de conduction avec 0,72∆Eg pour la filière AlGaInAs/InP contre 0,4∆Eg pour la filière Phosphore sur InP. Des valeurs de T0 supérieures à 100 K ont été rapportées en fonctionnement en régime continu [4-6] et des bandes passantes élevées au-delà de 10 Gbit/s ont été démontrées à partir de structures Perot Fabry et DFB [7-9].
Sur substrat GaAs
Deux autres filières de matériaux ont été proposées pour l’émission à 1,3µm : les lasers à boîtes quantiques InAs/GaAs et les lasers à puits quantiques InGaAsN/GaAs.
Les structures laser à boîtes quantiques réalisées à ce jour n’atteignent pas encore toutes les performances escomptées par le confinement dans les trois dimensions de l’espace. La plupart des densités de courant de seuil mesurées sont comparables aux valeurs obtenues sur des puits quantiques. En effet, des valeurs de 300 A/cm² sont reportées pour des cavités de 2 mm de longueur comportant trois plans de boîtes quantiques [10-12]. Des densités « records » de 38 A/cm2 ont été cependant démontrées pour des lasers de 2,9 mm de longueur [13]. Alors que les valeurs de températures caractéristiques T0 obtenues restaient dans la gamme 85 K-150 K, l’utilisation d’une technique de dopage p a permis récemment de réaliser des lasers dont le courant de seuil est indépendant de la température, i.e. T0 est infini de 5 °C à 75 °C [14]. Une étude des performances statiques en fonction du niveau de dopage a révélé qu’il est possible d’obtenir un fort T0 de 1200 K avec des pertes internes de 5,4 cm-1, mais pour des longueurs de cavités de 4 mm [15]. Une bande passante de modulation directe de 9 GHz à température ambiante a été obtenue à partir d’une couche active de six plans de boîtes quantiques [16]. Des lasers ayant une couche active de dix plans de boîtes dopées p ont montré une indépendance de l’efficacité de modulation en fonction de la température jusqu’à 70 °C: la bande passante de modulation directe en petit signaux ne décroissant que de 8,1 GHz à 7,7 GHz de 20 °C à 70 °C [17]. Des premières expérimentations de transmission [18] ont été menées de 25 °C à 85 °C à 2,5 Gbit/s sur 16 km de fibre optique standard monomode sans plancher d’erreur jusqu’à un taux d’erreur de 5.10-12. Ces résultats mettent en valeur les avantages potentiels de cette filière de boîtes quantiques InAs/GaAs, mais il reste nécessaire d’améliorer la qualité et l’uniformité des boîtes pour exploiter totalement les propriétés 3D du confinement, et de poursuivre l’optimisation fine des composants pour aboutir à des dispositifs présentant un ensemble complet de hautes performances (seuil, T0, bande passante…).
La filière InGaAsN/GaAs a été proposée en 1996 par Kondow et al [1] comme filière alternative pour atteindre la gamme des longueurs d’onde des télécommunications par fibres optiques en exploitant les propriétés du système GaAs. Dès lors, de nombreux travaux ont porté sur l’étude de ce nouveau matériau en vue d’évaluer les potentialités de cette nouvelle filière et de réaliser des systèmes optiques performants.
La figure 1-1 illustre l’énergie de bande interdite des principaux éléments binaires et ternaires III-V en fonction du paramètre de maille. On observe que l’ajout d’indium dans GaAs induit une augmentation de la longueur d’onde d’émission et du paramètre de maille de l’alliage formé. L’ajout d’azote, quant à lui, se caractérise par une augmentation de la longueur d’onde mais en diminuant le paramètre de maille. Le quaternaire présente par conséquent l’avantage d’une longueur d’onde élevée, avec des contraintes induites par le désaccord de maille réduites. Il peut même être épitaxié, dans certaines proportions, en accord de maille avec le GaAs.
La diminution d’énergie de bande interdite induite par l’introduction simultanée d’indium et d’azote dans GaAs permet d’envisager la gamme d’émission jusque là réservée à l’InP. L’effet de l’azote se répercutant essentiellement sur la bande de conduction, un large décalage de bande de conduction entre le puits quantique (PQ) et la barrière GaAs permet d’obtenir un fort confinement électronique. La figure 1-2 permet de comparer les décalages de bandes de conduction et de valence de la filière conventionnelle Phosphore sur InP avec la nouvelle filière InGaAsN, à partir de deux exemples de puits quantiques émettant aux alentours de 1,3 µm. Pour une composition de 30 % d’indium et 0,5 % d’azote, l’InGaAsN présente un décalage de bande supérieur à 300 meV contre 124 meV pour un puits In0,67Ga0,33As0,72P0,28/In0,9Ga0,1As0,22P0,78 représentatif de la filière InP. Cette qualité intrinsèque du quaternaire InGaAsN sur GaAs permet une réduction de la fuite des porteurs lors de l’échauffement et pourrait en théorie conduire à des valeurs de T0 de l’ordre de 180 K [19].
Ga0.1In0.9As0.222P0.78 ∆E =124meV GaAs c∆Ec=341meV Ga0.33In0.67As0.72P0.28 Ga0.7In0.3As0.995N0.005 ∆Ev=182meV ∆Ev=124meV (a)(b)
Nous avons reporté sur la figure 1-3 le bilan des ‘meilleurs’ résultats à 1,3 µm en terme de densité de courant de seuil en fonction du nombre de puits [20-27]. La meilleure valeur pour des lasers à 3PQ InGaAsN, publiée par l’université de Würzburg, rapporte une densité de courant de seuil de 810 A/cm2. Ces résultats ont été améliorés par l’ajout d’antimoine (Sb) dans l’alliage InGaAsN. Furukawa a ainsi atteint 450 A/cm2 pour 3 puits de InGaAsNSb. Ces résultats restent toutefois un peu moins bons que dans la filière GaInAsP sur InP, pour laquelle on trouve des structures à 6 puits avec des courants de seuil de 500 A/cm2.
Outil de modélisation des puits InGaAsN/GaAs
Dans cette partie, nous présentons tout d’abord la modélisation de la structure de bande des puits quantiques InGaAsN/GaAs(N) puis nous décrivons le logiciel CADILAC. Nous illustrons enfin les résultats de modélisation sur un puits quantique typique.
Modélisation de la structure de bande du InGaAsN
La présence d’azote dans la matrice hôte (In,Ga)As induit un niveau d’énergie localisé de 1,65eV au dessus du maximum de la bande de valence qui interagit fortement avec la bande de conduction de la matrice GaAs ou InGaAs. Cette interaction se traduit par la formation de deux sous-bandes notées E+ et E- respectivement repoussées au dessus et en dessous des deux bandes initiales EM et EN. EM représente le niveau d’énergie de la bande de conduction de la matrice hôte et EN le niveau isoélectronique de l’azote en fonction du vecteur d’onde, comme illustré sur la figure 1-4. On note que l’effet de l’incorporation d’azote sur la bande de valence est négligeable. E- est responsable de l’importante diminution d’énergie de bande interdite. Il est donc nécessaire de calculer ce nouveau niveau d’énergie induit par l’introduction de l’azote et la structure de bande complète. E+EM EN EnergieE- EHH ESOELH Vecteur d’onde k
La modélisation de la structure de bande a été développée au LNMO-INSA de Toulouse. Elle s’appuie sur un modèle d’anticroisement de bandes (BAC pour Band Anti Crossing) proposé par Shan et al en 1999 [32]. Elle repose sur l’hypothèse d’un couplage fort entre les états localisés liés à l’azote et les états étendus de la bande de conduction de la matrice (Ga,In)As.
Elle est basée sur l’approximation k.p 8 bandes et prend en compte la contrainte liée au désaccord de maille entre le puits et les barrières, le confinement et le couplage fort entre les états de conduction étendus de InGaAs et les états très localisés associés à l’azote. Les inconnues de l’équation sont levées par la méthode des matrices de transfert en prenant en compte les conditions de discontinuité aux interfaces. Dans l’approximation BAC appliquée aux puits quantiques InGaAsN/GaAs, seule la bande d’énergie E- est prise en compte dans l’Hamiltonien, la bande E+ se trouvant au dessus de l’énergie de barrière. La valeur de E- en k = 0 est déterminée par la résolution en k = 0 de l’équation 1 qui permet de calculer les énergies propres des états de conduction. Équation 1 : E± (k, x) = 1 [EM (k) + EN ± (EM (k) − EN )² + 4CNM ²x ] avec CNM le coefficient de couplage défini par Shan et x la fraction d’azote.
Cette analyse a été validée par plusieurs résultats expérimentaux [33]. L’erreur relative entre le calcul k.p et la valeur expérimentale de la transition e1-hh1 a été évaluée à plus ou moins 2% pour la plupart des structures comportant un taux d’azote inférieur à 1%.
Logiciel CADILAC
Le logiciel CADILAC (conception assistée de diodes laser et d’amplificateurs optiques à puits contraints) développé en collaboration avec le LNMO, est un outil de modélisation permettant de calculer les performances caractéristiques d’une diode laser à partir de sa structure et des propriétés physiques des matériaux qui la composent.
Le logiciel permet de calculer à partir des compositions et épaisseur du puits quantique et des barrières :
• la structure de bande, déterminant les énergies de confinement des porteurs dans le puits quantique. Elle décrit la dispersion par le vecteur d’onde des bandes et sous bandes électroniques, caractéristique des phénomènes de recombinaisons radiatives de porteurs;
• le spectre de gain à densité de porteurs et température données. Les effets de l’inhomogénéité du quaternaire InGaAsN sont décrits en convoluant le spectre de gain avec une gaussienne de 12meV pour les alliages que nous avons considérés;
• la densité du courant radiatif et non radiatif :
La densité de courant total par puits peut être définie sous la forme de l’équation 2 : / puitsn3/ puits Équation 2 : Jtot = q ⋅V .N + Cauger ⋅ n + J rad τ nr avec J tot/puits : densité de courant total par puits, n : densité de porteurs, q : charge électrique élémentaire, V : volume de la zone active, N : nombre de puits quantiques, τnr : durée de vie des porteurs non radiatifs et Cauger : coefficient de recombinaison Auger.
La durée de vie des porteurs non radiatifs τnr et le coefficient Auger Cauger sont des paramètres mal connus qui déterminent la part des recombinaisons non radiatives et Auger sur la densité de courant total.
Pour une cavité donnée, le gain au seuil est défini par la relation : Gth = αi + L1 ln( R1 ) où αi représente les pertes internes, L la longueur et R la réflectivité des facettes. Connaissant la densité de porteurs, nous pouvons donc déterminer la densité de courant de seuil du dispositif.
Illustration sur une structure à puits quantique InGaAsN/GaAs
Pour illustrer la modélisation, nous avons choisi un puits quantique In0.38Ga0.62As0.9925N0.0075 d’épaisseur 7 nm avec des barrières de GaAs d’épaisseur 100 nm émettant aux alentours de 1,3µm. Grâce au logiciel, nous calculons les confinements procurés par chaque puits et la position de différents niveaux. La figure 1-5 représente schématiquement la position des niveaux dans le puits quantique. On note que le confinement électronique est supérieur à 400 meV. Les courbes de dispersion de la bande de conduction (figure 1-6) pour un puits quantique InGaAsN/GaAs émettant
à 1,3 µm montre très clairement une forte non parabolicité de la bande et le couplage aux fortes valeurs de k. Concernant la bande de valence, l’utilisation de la contrainte permet d’ajuster la position relative des trous lourds et des trous légers et de procurer une structure de bande plus favorable. L’ingénierie de contraintes, déjà utilisée dans la filière InP, peut être aussi mise à profit dans les puits nitrurés.
Etude de conception sur la structure verticale
L’objectif de ce paragraphe est de déterminer les compositions, l’épaisseur et le nombre de puits quantique optimaux pour atteindre une émission à 1,3 µm avec un fort gain différentiel, une densité de porteurs à la transparence faible, ainsi qu’un T0 et une fréquence de résonance les plus élevés possibles.
Influence des paramètres sur les propriétés du puits
L’optimisation d’un puits quantique In1-xGaxAsyN1-y/GaAs implique en tout premier lieu d’évaluer l’épaisseur et les compositions optimales d’indium et d’azote dans le puits pour obtenir une émission laser autour de 1,3 µm avec le maximum de gain possible. Il en découle que nous avons étudié de façon systématique l’influence de l’épaisseur du puits, des barrières et des compositions sur les performances spectrales en limitant les compositions maximales en indium et en azote à respectivement 40 % et 2 % afin de ne pas atteindre la limite de relaxation de contraintes et/ou de ne pas incorporer trop de défauts.
La figure 1-9 et la figure 1-10 présentent respectivement l’influence du taux d’indium pour un puits comportant 0,5 % d’azote et l’influence du taux d’azote pour un puits comportant 35 % d’indium, pour des épaisseurs de puits quantique de 5, 7 et 9 nm. Pour une composition donnée, l’augmentation de l’épaisseur du puits de 5 à 9 nm se traduit par une augmentation du gain et par un décalage spectral vers les grandes longueurs d’onde de quelques nanomètres. Pour une épaisseur de puits fixée, une augmentation de 1 % des proportions d’indium ou d’azote conduit à une translation vers les grandes longueurs d’onde. Mais sur la figure 1-9 nous montrons qu’une concentration de 0,5 % d’azote reste insuffisante pour atteindre des longueurs d’onde supérieures à 1,3 µm et cela, même pour un taux d’indium élevé de 38 %, qui induirait de fortes contraintes en compression sur GaAs.
La figure 1-9 et la figure 1-10 présentent respectivement l’influence du taux d’indium pour un puits comportant 0,5 % d’azote et l’influence du taux d’azote pour un puits comportant 35 % d’indium, pour des épaisseurs de puits quantique de 5, 7 et 9 nm. Pour une composition donnée, l’augmentation de l’épaisseur du puits de 5 à 9 nm se traduit par une augmentation du gain et par un décalage spectral vers les grandes longueurs d’onde de quelques nanomètres. Pour une épaisseur de puits fixée, une augmentation de 1 % des proportions d’indium ou d’azote conduit à une translation vers les grandes longueurs d’onde. Mais sur la figure 1-9 nous montrons qu’une concentration de 0,5 % d’azote reste insuffisante pour atteindre des longueurs d’onde supérieures à 1,3 µm et cela, même pour un taux d’indium élevé de 38 %, qui induirait de fortes contraintes en compression sur GaAs.
Conditions de réalisation de la couche d’Alox
L’exploitation de l’oxydation latérale humide pour l’obtention d’un isolant Alox est largement répandue pour une grande gamme d’applications. Elle concerne la réalisation de diaphragme d’oxyde pour le confinement électrique et optique dans les diodes laser [29, 40-42] et dans les diodes laser à cavité verticale [43], la réalisation de miroirs de Bragg large bande à haute réflectivité [44], la réalisation de matériau bas indice dans les guides d’onde ruban [45], la réalisation d’oxyde de grille de transistor [46].Dans le cadre de nos recherches, nous nous sommes focalisés sur l’utilisation de la technologie Alox dans les lasers à ruban pour assurer le confinement électrique et optique de la structure. L’AlAs est un matériau semi-conducteur d’indice n égal à 2.9. L’Alox quant à lui, est un matériau isolant robuste et mécaniquement stable d’indice 1.6. Cette différence notable d’indice de réfraction procure au diaphragme des propriétés de guidage transverse. L’utilisation du diaphragme d’oxyde offre donc une nouvelle voie de réalisation de lasers à guidage par l’indice. L’utilisation de cette technologie de confinement permet d’effectuer la métallisation avec une plus grande superficie de contact, et de limiter ainsi la résistance de contact et d’améliorer la tolérance aux erreurs d’alignement lors des étapes de photolithographie. De plus, le confinement vertical est défini lors de la croissance de la structure. Cette voie a notamment été explorée dans la filière InGaAsN par Illek et al [29] ou encore Yang et al [42].
De nombreuses études des conditions d’oxydation ont été menées pour favoriser le mécanisme de l’oxydation. Les principaux paramètres déterminants sont les débits de gaz, la température de la réaction et l’épaisseur de la couche à oxyder.
On peut noter la diversité des conditions d’oxydation rapportées dans la littérature. Yong Cheng et al [40] et Heerlein et al [41] ont réalisé respectivement des diaphragmes de ~1,8µm et ~4µm à partir d’une oxydation à 390°C et 400°C à une vitesse d’environ 1µm/min sur des couches d’AlAs d’épaisseur 100nm. Dans la filière InGaAsN/GaAs, Illek et al d’Infineon [29] ont rapporté une structure monomode réalisée à partir d’un ruban de quelques microns par l’oxydation d’une couche d’AlAs de 15nm. Cette épaisseur a imposé une durée d’oxydation de 25min à 400°C pour oxyder seulement 3,75µm et obtenir un diaphragme de 2,5µm.
Choquette et al à 400°C [38] ont étudié l’influence de l’épaisseur de la couche d’AlAs sur la vitesse d’oxydation. Ils ont montré que la vitesse d’oxydation de la couche d’AlAs reste constante quelque soit l’épaisseur de la couche si celle-ci est supérieure à 60nm. (figure 2-1).
De nombreuses études des conditions d’oxydation ont été menées pour favoriser le mécanisme de l’oxydation. Les principaux paramètres déterminants sont les débits de gaz, la température de la réaction et l’épaisseur de la couche à oxyder.
On peut noter la diversité des conditions d’oxydation rapportées dans la littérature. Yong Cheng et al [40] et Heerlein et al [41] ont réalisé respectivement des diaphragmes de ~1,8µm et ~4µm à partir d’une oxydation à 390°C et 400°C à une vitesse d’environ 1µm/min sur des couches d’AlAs d’épaisseur 100nm. Dans la filière InGaAsN/GaAs, Illek et al d’Infineon [29] ont rapporté une structure monomode réalisée à partir d’un ruban de quelques microns par l’oxydation d’une couche d’AlAs de 15nm. Cette épaisseur a imposé une durée d’oxydation de 25min à 400°C pour oxyder seulement 3,75µm et obtenir un diaphragme de 2,5µm.
Choquette et al à 400°C [38] ont étudié l’influence de l’épaisseur de la couche d’AlAs sur la vitesse d’oxydation. Ils ont montré que la vitesse d’oxydation de la couche d’AlAs reste constante quelque soit l’épaisseur de la couche si celle-ci est supérieure à 60nm. (figure 2-1).
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Table des matières
INTRODUCTION GÉNÉRALE
1 Conception d’une structure laser InGaAsN/GaAs
1.1 Etat de l’art des diodes laser émettant à 1,3µm
1.1.1 Sur substrat InP
1.1.2 Sur substrat GaAs
1.2 Outil de modélisation des puits InGaAsN/GaAs
1.2.1 Modélisation de la structure de bande du InGaAsN
1.2.2 Logiciel CADILAC
1.2.3 Illustration sur une structure à puits quantique InGaAsN/GaAs
1.3 Etude de conception sur la structure verticale
1.3.1 Influence des paramètres sur les propriétés du puits
1.3.2 Etude du confinement optique vertical
1.3.3 Influence des pertes sur le gain différentiel et la densité de courant de seuil
1.3.4 Sensibilité à la température
1.3.5 Influence des pertes et de la température sur la fréquence de résonance
1.3.6 Conclusion
1.4 Modélisation de la diode laser ruban à diaphragme d’oxyde
1.4.1 Etude préliminaire : Structure à ruban classique
1.4.2 Modélisation optique du diaphragme d’Alox
1.4.3 Modélisation d’une diode à diaphragme d’oxyde
1.5 Conclusion
2 Développement d’un procédé de réalisation d’une structure ruban à diaphragme d’oxyde
2.1 L’oxydation latérale humide
2.1.1 Principe
2.1.2 Conditions de réalisation de la couche d’Alox
2.1.3 Description du four d’oxydation
2.1.4 Température du Four
2.1.5 Couches tests et méthodes d’observation
2.1.6 Protocole expérimental
2.2 Stabilité mécanique de l’oxyde
2.2.1 Recuit du contact ohmique
2.2.2 Couche de passivation
2.3 Définition de la structure finale
2.4 Réalisation : Procédé technologique complet
2.4.1 Gravure des mesas
2.4.2 Contact métallique en face avant : métallisation N
2.4.3 Etape d’oxydation
2.4.4 Couche de passivation
2.4.5 Métallisation P
2.4.6 Amincissement/Clivage/Montage
2.5 Conclusion
3 Réalisations et caractérisations
3.1 Validation du procédé sur GaAs
3.1.1 Les différentes structures test
3.1.2 Présentation des couches test
3.1.3 Influence de la couche AlAs sur les caractéristiques V(I) et P(I)
3.1.4 Influence de la gravure profonde et de la métallisation N
3.1.5 Caractérisation de laser de type (C) sur GaAs
3.2 Réalisation et caractérisation d’une structure à PQ InGaAsN/GaAs
3.2.1 Présentation et réalisation de la structure à puits quantiques InGaAsN/GaAs
3.2.2 Caractérisations de la structure à puits quantiques 1880 réalisée
3.3 Caractérisation des diodes laser InGaAsN/GaAs
3.3.1 Caractérisations des diodes laser larges à PQ InGaAsN de Type (A)
3.3.2 Caractérisation et analyse des lasers ruban à diaphragme d’oxyde
3.4 Conclusion
CONCLUSION
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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