VCSELs GaIn(N)As/GaAs émettant dans la gamme 1.1 – 1.3 µmLaboratoire de

Photonique sur Silicium

DOPT / SIONA

Ga1-yInyNxAs1-x

5.6 5.8 6.0

1

1.55 m

InPGa1-yInyAs

GaNxAs1-x

1.3 m

InAs

GaAs

Energ

ie d

e b

ande in

terd

ite

Eg

(eV

)

Paramètre de maille a0 (Å)

L. Grenouillet, P. Duvaut, P. Demolon, N. Olivier, P. Gilet, P. Grosse, P. Philippe, E. Pougeoise, A. TchelnokovCEA 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 20 250.0

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

ContinuTempérature ambiante

Inte

nsité

(u. a

.)

Longueur d'onde (nm)

VCSEL GaInAs 31281

VCSEL InGaAs 31281

Pui

ssan

ce (

mW

)

Densité de courant (kA/cm2)

10 °C 20 °C 30 °C 40 °C 50 °C 60 °C

0 5 10 15 20 250.0

0.1

0.2

0.3

VCSEL

= 36 µm

ouverture oxyde = 19 µm

1240 1245 1250 1255 1260

ContinuTempérature ambiante

Inte

nsité

(u. a

.)

Longueur d'onde (nm)

VCSEL GaInNAs 31290

VCSEL InGaAsN 31290

Pui

ssan

ce (

mW

)

Densité de courant (kA/cm2)

10 °C 20 °C 30 °C 40 °C 50 °C 60 °C

Optimisation des VCSELs InGaAs

0 5 10 15 20 250.0

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 2.00.000

0.002

0.004

0.006

0.008

0.010

0.012

0.014

0.016

0.018

0.020

=30 µm

oxyde=8µm

VCSEL InGaAs 31287

Pui

ssan

ce (

mW

)

Courant (mA)

=30 µm

oxyde=8µm

VCSEL InGaAs 31287

Pui

ssan

ce (

mW

)

Courant (mA)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

VCSEL InGaAs 31287

Pui

ssan

ce (

mW

)

Courant (mA)

10 °C 20 °C 30 °C 40 °C 50 °C 60 °C

VCSEL InGaAs VCSEL InGaAsNEffet 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 SiCl4/Ar• Passivation des mesas : nitrure• Oxydation latérale AlAs AlOx

Problématique

• Densité de courant de seuil de l’ordre de 2 kA/cm2

• ~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 :Jth , P ,

efficacité

• Densité de courant de seuil de l’ordre de 10 kA/cm2

• ~ 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 caractéristiques 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

VCSEL GaInNAs 31290

T = 300 KContinu

3.5 mA

3.0 mA

2.0 mA

Inte

nsité

(u.

a.)

Longueur d'onde (nm)

1.3 mA

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.00.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0

2

4

6

8

10

Pui

ssan

ce (

mW

)

Courant (mA)

VCSEL GINA 31290

VCSEL

= 36 µm

ouverture oxyde = 2µm

Te

nsi

on

(V

)

0 5 10 15 200.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0T = 20°Ccontinu = 40 µmouverture d'oxyde = 7 µmIth = 120 A

Jth = 310 A/cm2

= 1.11 µmRs ~ 300

VCSEL InGaAs LETI 31309

Pui

ssan

ce (

mW

)

Courant (mA)

SSMBE, Riber 32

• Dopage p au Carbone (CBr4)

• 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)

Al0.9Ga0.1As (/4n)

Barrières (20 nm)

Miroir supérieur29 bicouchesDopé P

Miroir inférieur35.5 bicouchesDopé N

H =

12

à 13

µ

m