VCSELs GaIn(N)As/GaAs émettant dans la gamme 1.1 – 1.3 µm Laboratoire de Photonique sur Silicium DOPT / SIONA Ga 1-y In y N x As 1-x 5.6 5 .8 6.0 1 1.55 m In P Ga 1-y In y As G aN x As 1-x 1.3 m InA s G aA s E n e rg ie de b a n d e in te rd ite E g (eV ) P aram è tre de m a ille a 0 (Å ) L. Grenouillet, P. Duvaut, P. Demolon, N. Olivier, P. Gilet, P. Grosse, P. Philippe, E. Pougeoise, A. Tchelnokov CEA LETI, Dpt Optronique, Service Ingénierie Optique et Nouvelles Applications, Laboratoire Photonique sur Silicium • Liens optiques hauts débits : besoin de sources à = 1.3 µm, rapides (>10 Gbits/s) sur ~ 10 km • Photonique sur silicium : besoin de sources III-V compactes transparentes dans le silicium Le VCSEL (filière GaAs, matériau actif GaIn(N)As) est un composant intéressant dans cette perspective Type de structures réalisées Résultats Conclusions, Perspectives Technologie : Empilement épitaxial : 0 5 10 15 20 25 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 VCSEL = 30 µm ouverture oxyde = 10 µm 1110 1115 1120 1125 C ontinu Tem pérature am biante Intensité (u.a.) Longueurd'onde (nm ) VC S E L G aInA s 31281 V C S E L In G aA s 31281 P u issa n ce (m W) D e n sité d e co u ra n t (kA /cm 2 ) 10 °C 20 °C 30 °C 40 °C 50 °C 60 °C 0 5 10 15 20 25 0.0 0.1 0.2 0.3 VCSEL = 36 µm ouverture oxyde = 19 µm 1240 1245 1250 1255 1260 C ontinu Tem pérature am biante Intensité (u.a.) Longueurd'onde (nm ) VC SEL G aInN A s 31290 V C S E L In G aA sN 31290 P u issa n ce (m W) D e n sité d e co u ra n t (kA /cm 2 ) 10 °C 20 °C 30 °C 40 °C 50 °C 60 °C Optimisation des VCSELs InGaAs 0 5 10 15 20 25 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 10 °C 20 °C 30 °C 40 °C 50 °C 60 °C 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016 0.018 0.020 =30 µm o xyd e =8µm V C S E L In G aA s 31287 P u issa n ce (m W) C ourant(m A ) =30 µm oxyde =8µm V C S E L In G aA s 31287 P uissance (m W) C ourant(m A) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 =38 µm oxyde =16µm V C S E L InG aA s 31287 P uissance (m W) C ourant(m A ) 10 °C 20 °C 30 °C 40 °C 50 °C 60 °C VCSEL InGaAs VCSEL InGaAsN Effet laser en continu à l’ambiante salle blanche dédiée III-V • Contact p Ti/Pt/Au • Contact n Ni/Ge/Au • Gravure des mesas : RIE SiCl 4 /Ar • Passivation des mesas : nitrure • Oxydation latérale AlAs AlOx Problématique • Densité de courant de seuil de l’ordre de 2 kA/cm 2 • ~1.11 µm • P > 1 mW • Efficacité au-dessus du seuil ~ 0.14 W/A (20 °C) Introduction N dans InGaAs dégradation des caractéristiques des VCSELs : J th , P , efficacité • Densité de courant de seuil de l’ordre de 1 kA/cm 2 • ~ 1.24-1.26 µm • P < 1 mW • Efficacité au-dessus du seuil ~ 0.03 W/A • Résistance série ~ 100 - 600 • VCSEL InGaAs ( = 1.11 µm) avec de très bonnes caractér tensions de fonctionnement < 3.3 V (compatibilité avec le CMOS) puissance > 1 mW étude en fréquence à mener • VCSEL InGaAsN ( > 1.26 µm) en cours d’optimisation • Elaboration de composants hybrides sur Silicium • Travail sur le dopage proche de la cavité Seuil diminué (< 1 mA) Jusqu’à 2.4 mW de puissance • Travail sur le matériau actif (1 seul puits quantique) Seuil diminué (< 150 µA) Fonctionnement jusqu’à 150 fois le courant de seuil 1230 1235 1240 1245 1250 V C S E L G aInN A s 31290 T = 300 K C ontinu 3 .5 m A 3 .0 m A 2.0 m A Intensité (u.a.) L on g ue u r d'o n d e (n m ) 1 .3 m A 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0 2 4 6 8 10 P u issa n ce (m W) C ourant(m A ) V C S E L G IN A 31290 VCSEL = 36 µm ouverture oxyde = 2µm T en sion (V ) 0 5 10 15 20 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 T = 20°C co ntin u = 40 µm ouverture d'oxyde = 7 µm I th = 120 A J th = 310 A /cm 2 = 1.11 µm R s ~ 300 V C S E L In G aA s LE TI31309 P uissance (m W) C ourant(m A ) SSMBE, Riber 32 • Dopage p au Carbone (CBr 4 ) • Matériau actif : puits quantiques InGaAs ou InGaAsN • Focus sur VCSEL GaInNAs faible ouverture d’oxyde Comportement monomode jusqu’au roll-over GaAs (/4n) Puits Quantiques GaIn(N)As (7 nm) Al 0.9 Ga 0.1 As (/4n) Barrières (20 nm) Miroir supérieur 29 bicouches Dopé P Miroir inférieur 35.5 bicouches Dopé N H = 12 à 13 µm