CH617540A5

CH617540A5 -

Info

Publication number: CH617540A5
Application number: CH800377A
Authority: CH
Inventors: Peter Jan De Waard
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1976-07-02
Filing date: 1977-06-29
Publication date: 1980-05-30
Also published as: DE2727793A1; BR7704233A; SE420551B; DE2727793C2; AU511164B2; JPS5753997B2; FR2357088B1; SE7707538L; ATA462277A; JPS535984A; FR2357088A1; IT1081121B; AU2663977A; US4323856A; CA1082341A; AT380131B; NL7607299A; GB1588019A

Description

Die Erfindung betrifft einen Injektionslaser mit einem Halbleiterkörper mit zwei praktisch parallelen Seitenflächen, die die Spiegel des Laser-Resonators bilden, mit einem pn-Übergang, der sich quer zu den Spiegelflächen in dem Halbleiterkörper erstrecken, und mit einer in der Nähe dieses pn-Übergangs liegenden aktiven Laserschicht, wobei auf beiden Seiten des pn-Übergangs ein Kontaktglied vorhanden ist, das den Abstand zwischen den Spiegelflächen praktisch völlig überbrückt,

wobei ein erstes dieser Kontaktglieder in einer geringeren Entfernung von dem pn-Übergang als das zweite Kontaktglied liegt, und wobei der Teil des pn-Übergangs, an dem bei einem von einem Kontaktglied zum anderen durch den Halbleiterkörper fliessenden Strom mit einem Wert etwa gleich dem Schwellwertstrom, der für das Auftreten stimulierter Emission erforderlich ist, spontane Lumineszenz auftritt, eine sich von einer Spiegelseitenfläche zu der anderen erstreckende Streifenform aufweist.

Derartige Injektionslaser sind z. B. aus der am 17. September 1973 offengelegten niederländischen Patentanmeldung Nr. 7 303 449 bekannt. Diese Laser enthalten in der Regel ein streifenförmiges Kontaktglied (meist das Kontaktglied, das dem pn-Übergang und der aktiven Laserschicht am nächsten liegt), das mitbestimmt, in welchem Teil der aktiven Laserschicht Laserwirkung auftreten kann. Dieses streifenförmige Kontaktglied kann als durch Oxidstreifen begrenzter Kontaktstreifen oder z. B. als Mesa-Streifen, als vergrabener Mesa-Streifen, durch Beschuss mit Protonen, oder als ein durch Implantation von Sauerstoffionen begrenzter Streifen gebildet werden. Diese und andere bekannte streifenförmige Kontaktglieder haben das gemeinsame Merkmal, dass damit parallel zu dem pn-Übergang und der aktiven Schicht der engste Querschnitt für den Durchgang des elektrischen Stromes festgelegt ist, der die Grösse des Teiles des pn-Übergangs mitbeeinflusst, über den im Betriebszustand Strom fliesst. Dieser Querschnitt kann gleich dem stromführenden Teil des pn-Übergangs und der aktiven Schicht, z. B. bei Mesa-Ausführungen, oder kleiner sein, wie bei dem Oxidstreifen, wobei das Kontaktglied durch eine Metallelektrode gebildet wird, die in einer streifenförmigen Öffnung in einer auf dem Halbleiterkörper vorhandenen Isolierschicht mit dem Halbleiterkörper in Verbindung steht. Bei diesem Oxidstreifen tritt von der Öffnung zu dem pn-Übergang Stromstreuung auf, wodurch der stromführende Teil des pn-Übergangs grösser als der strombegrenzende Querschnitt des Kontaktgliedes ist, der in diesem Falle mit der Öffnung in der Isolierschicht zusammenfällt.

Für verschiedene Anwendungen ist es von Bedeutung, den stromführenden Teil der aktiven Laserschicht klein zu halten und in der Richtung parallel zu der aktiven Schicht und den Spiegelflächen zu begrenzen. Dabei handelt es sich um seitliche Begrenzung des Teiles der aktiven Schicht, in dem Laserwirkung auftreten kann, oder mit anderen Worten um die Breite des Streifens der aktiven Schicht, in dem die benötigte Inversion erhalten wird. Die Breite des lasernden Gebietes der aktiven Schicht ist übrigens oft grösser als die des stromführenden Teiles der aktiven Schicht. Auch dadurch, dass die in die aktive Schicht injizierten Ladungsträger oft in der aktiven Schicht eingeschlossen sind, tritt Diffusion von Ladungsträgern in der Schichtrichtung infolge des Konzentrationsgradienten an den Rändern des stromführenden Teiles auf. Ausserhalb des stromführenden Teiles wird also bis über einen Abstand in der Grös-senordnung der Diffusionslänge der injizierten Ladungsträger noch Inversion in der aktiven Schicht auftreten können.

Die Breite des Streifens, in dem Inversion auftritt, beein-

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flusst z. B. den Modus oder die Modi, in dem oder in denen der Laser wirken wird. Wenn man die Laserwirkung auf einen einzigen Strahl zu beschränken wünscht, wie z. B. für optische Kommunikation und für Video- und Audiolangspielsysteme erwünscht ist, wird die genannte Breite derart klein sein müssen, dass nur der Grundmodus auftritt. Wenn man die Breite dieses einzigen Laserstrahls parallel zu der aktiven Schicht noch weiter zu beschränken wünscht, wird der Streifen, in dem Inversion auftritt, noch schmäler sein müssen. In praktischen Fällen liegen die genannten Breiten an der technologisch noch erzielbaren Grenze oder sogar unter dieser Grenze. Dies führt zu verwickelten Herstellungsvorgängen, die dadurch eine verhältnismässig niedrige Ausbeute ergeben. So ist in der vorgenannten niederländischen Patentanmeldung 7 303 449 die Anwendung eines streifenförmigen Kontaktgliedes beschrieben, das ausser einer in einer Öffnung einer Isolierschicht liegenden Metallelektrode noch zwei Halbleiterschichten enthält, die sich zwischen der Metallelektrode und der aktiven Schicht befinden, wobei der strombegrenzende Querschnitt für das Kontaktglied durch selektive Ätzung dieser beiden Halbleiterschichten erhalten wird. Namentlich wird die Unterätzung der zweiten Halbleiterschicht unter der ersten Schicht benutzt, die bei der Ätzbearbeitung einen schmalen Streifen der zweiten Schicht abschirmt, um die gewünschte geringe Breite zu erzielen.

Die Erfindung bezweckt, einen streifenförmigen Injektionslaser zu schaffen, bei dem nur ein Grundmodus angeregt wird, und der verhältnismässig leicht und mit verhältnismässig hohen Ausbeuten hergestellt werden kann. Ihr liegt u. a. die Erkenntnis zugrunde, dass durch passende Wahl der Form des Kontaktgliedes und durch passende Anordnung desselben in bezug auf die Spiegelflächen mit einem verhältnismässig breiten stromführenden Streifen des pn-Übergangs und der aktiven Laserschicht die Laserwirkung dennoch auf einen verhältnismässig schmalen Streifen zwischen den Spiegelflächen beschränkt werden kann.

Ein Injektionslaser der eingangs erwähnten Art ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie des ersten Kontaktgliedes derart ist, dass in einem Streifen des pn-Übergangs, dessen Längsränder in einem parallel zu den Spiegelflächen gemessenen Abstand b voneinander liegen, wobei dieser Abstand b derart definiert ist, dass die örtliche Intensität der genannten spontanen Emission innerhalb des Streifens mindestens 0,3 des Höchstwertes der örtlichen Intensität, die in dem Streifen auftritt, ist, der breiteste darin einschreibbare rechteckige, sich senkrecht von einer Spiegelfläche zur anderen erstreckende Streifen eine Breite höchstens gleich dem Abstand b abzüglich Veo des Abstandes zwischen den Spiegelflächen, bzw. höchstens eine solche Breite aufweist, dass beim Betrieb ein Grundtransversalmodus angeregt wird.

Die Anwendung der Erfindung erleichtert die Herstellung von im Grundtransversalmodus arbeitenden Laser-Resonatoren wesentlich. Durch eine besonders praktische Lösung wird vermieden, dass bei der Herstellung die angewandte Technologie bis an die äussersten Grenzen benutzt werden muss. Insbesondere braucht bei photolithographischen Bearbeitungen und bei Ätzbehandlungen nicht mehr mit den möglichst kleinen Details gearbeitet zu werden, sondern es kann dagegen z. B. für die Breite des Kontaktgliedes ein verhältnismässig grosser und praktisch gut verwirklichbarer Wert gewählt werden.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform,

Fig. 2 schematisch eine Draufsicht auf die erste Ausführungsform,

Fig. 3 schematisch wahrgenommene Strahlungsintensitäten,

Fig. 4 schematisch einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform,

Fig. 5 schematisch an der zweiten Ausführungsform wahrgenommene Strahlungsintensitäten,

Fig. 6,7a, 8a und 9a in Draufsicht andere mögliche Formen des streifenförmigen Leuchtstoffgebietes von Lasern nach der Erfindung,

Fig. 7b, 8b, 9b und 9c in Draufsicht schematische Formen des strombegrenzenden Querschnittes der streifenförmigen Kontaktglieder, mit denen ein streifenförmiges Leuchtstoffgebiet nach Fig. 7a, Fig. 8a bzw. nach Fig. 9a erhalten werden kann, und

Fig. 10 schematisch eine Draufsicht auf einen grösseren Halbleiterkristall, aus dem mehrere Laser hergestellt werden können.

Die erste Ausführungsform betrifft einen Injektionslaser mit einem doppelten HeteroÜbergang. Der Laser enthält einen Halbleiterkörper 1 (Fig. 1) mit zwei praktisch parallelen Seitenflächen 2 und 3 (Fig. 2), die die Spiegel des Lasers bilden. Quer zu den. Spiegelflächen 2 und 3 erstreckt sich ein pn-Übergang 4 in dem Halbleiterkörper 1 in der Nähe einer aktiven Laserschicht 5. Auf beiden Seiten des pn-Übergangs 4 ist ein Kontaktglied 6 bzw. 7 angeordnet, das den Abstand zwischen den Spiegelflächen 2 und 3 praktisch völlig überbrückt, wobei das erste Kontaktglied 6 in einer geringeren Entfernung von dem pn-Übergang 4 als das zweite Kontaktglied 7 liegt.

Das zweite Kontaktglied 7 ist eine leitende Schicht von 0,15 um, die sich über die ganze Unterseite des Halbleiterkörpers 1 erstreckt. Auf der gegenüberliegenden Seite ist der Halbleiterkörper 1 mit einer isolierenden Sperrschicht 8 aus z. B. Siliciumdioxid mit einer Dicke von etwa 0,2 (j.m überzogen. In der Sperrschicht 8 ist eine streifenförmige Öffnung 9 vorgesehen, die sich von einer Spiegelfläche zu der anderen erstreckt. Auf der Sperrschicht 8 und in der Öffnung 9 erstreckt sich eine leitende Schicht 6, die im vorliegenden Beispiel aus einer Schicht 10 aus Chrom mit einer Dicke von etwa 500 Â und einer Schicht 11 aus Gold mit einer Dicke von etwa 2000 À aufgebaut ist.

Die leitende Schicht 6 bildet in der Öffnung 9 einen streifenförmigen leitenden Kontakt mit dem Halbleiterkörper 1, wodurch bei Stromdurchgang von der leitenden Schicht 6 zu der leitenden Schicht 7 auch der stromführende Teil der aktiven Schicht 5 und des pn-Übergangs 4 eine entsprechende Streifenform aufweisen wird. Die mit Hilfe des elektrischen Stromes und der damit gepaarten Injektion von Ladungsträgern über dem pn-Übergang 4 erzeugte spontane und/oder stimulierte Emission wird also auch auf einen entsprechenden streifenförmigen Teil des pn-Übergangs 4 und der aktiven Schicht 5 beschränkt sein. Dieser streifenförmige Teil, in dem Emission erzeugt werden kann, erstreckt sich, wie die Öffnung 9, von einer Spiegelfläche 2 zu der anderen Spiegelfläche 3.

Der Halbleiterkörper 1 des Laser-Resonators weist weiter einen an sich bekannten Aufbau auf. Er enthält z. B. ein Substrat 12 aus n-leitendem GaAs, das mit Si in einer Konzentration von etwa 1018 Atomen/cm3 dotiert ist. Auf diesem Substrat 12 befindet sich eine Schicht 13 aus A^Ga^As, wobei x etwa 0,25 beträgt. Diese Schicht 13 ist eine mit Sn dotierte n-leitende Schicht mit einer Dicke von etwa 3,2 n,m, wobei die Sn-Konzen-tration etwa 5-1017 Atome/cm3 ist. Die Schicht 13 grenzt an den pn-Übergang 4 und an die aktive Laserschicht 5, die aus p-lei-tendem GaAs besteht, etwa 0,3 um dick ist und mit Ge in einer Konzentration von etwa 5-1017 Atomen/cm3 dotiert ist. Die aktive Schicht 5 grenzt an eine p-leitende Schicht 14 aus AlxGai_xAs mit einer Dicke von etwa 2,2 [xm, wobei x etwa 0,25 ist, wobei diese Schicht Ge in einer Konzentration von etwa 5-1017 Atomen/cm3 als Dotierungsmittel enthält. Die Schicht 15 besteht aus p-leitendem GaAs, das mit Ge bis zu einer Konzen5

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tration von etwa 2-1018 Atomen/cm3 dotiert ist, wobei diese Schicht eine Dicke von etwa 1,4 (im aufweist. In der Schicht 15 ist über die Öffnung 9 eine p-leitende Zone 16 durch Diffusion von Zn aus einer ZnAs2-Quelle mit etwa 10% GaAs bei einer Temperatur von etwa 600 °C während etwa 10 Minuten angebracht. Die Eindringtiefe dieser Zone 16 beträgt etwa 1 p.m.

Der Halbleiterkörper 1 kann völlig auf übliche Weise hergestellt werden. Die Gesamtdicke beträgt etwa 100 p.m.

Der Halbléiterkôrper 1 des betreffenden Laser-Resonators weist weiter Abmessungen von etwa 300 [xmx300 (im auf,

wobei die Breite der streifenförmigen Öffnung 9 .etwa 10 pm ist. Der Schwellwertstrom, der für das Auftreten stimulierter Emission erforderlich ist, beträgt, wie gefunden wurde, etwa 200 mA. An einer der Spiegelflächen wurde spontane Emission mit einer Intensitätsverteilung wahrgenommen, die schematisch mit der Kurve 31 in Fig. 3 dargestellt ist. Das Maximum liegt praktisch unter der Mitte der Öffnung 9 und die Halbwerts-breite beträgt etwa 20 pm. Die wahrgenommene spontane Emission tritt praktisch völlig in unmittelbarer Nähe der betreffenden Spiegelflächen auf.

Es ist klar, dass bei Stromdurchgang durch den Halbleiterkörper unter der streifenförmigen Öffnung 9 mit einer Breite von etwa 10 pm ein viel breiterer Streifen in der aktiven Schicht erhalten wird, in dem die Anzahl injizierter Ladungsträger genügend gross ist, um wahrnehmbare spontane Emission herbeizuführen. Von der streifenförmigen Öffnung her wird der elektrische Strom in seitlicher Richtung an den beiden langen Seiten der Öffnung etwas ausfächern. Weiter werden die in die aktive Schicht 5 injizierten Ladungsträger, die zwischen den beiden Hetero-Übergängen eingeschlossen sind, durch die auftretenden Konzentrationsunterschiede in seitlicher Richtung diffundieren. Die Breite des Streifens der aktiven Schicht in dem bei dem genannten Strom von etwa 200 mA spontane Emission mit einer Intensität von mindestens 0,3 der maximalen wahrgenommenen Intensität auftritt, ist etwa 25 p.m. In diesem Streifen ist also eine wesentlich erhöhte Ladungskonzentration vorhanden, so dass weitere Erhöhung des Stromes in diesem Streifen die für die Laserwirkung erforderliche Inversion auftreten könnte. Ein genauer Zusammenhang zwischen dem Auftreten von Inversion und der wahrgenommenen Intensität der spontanen Emission bei einem Strom in der Grössenordnung des Schwellwertstroms lässt sich schwer nachweisen. Dabei spielen eine grosse Anzahl von Parametern, wie die Dicke und die Dotierung der aktiven Schicht und der daran grenzenden Schichten, eine Rolle. Wohl kann im allgemeinen angenommen werden, dass in jenen Gebieten, in denen die Intensität der spontanen Emission weniger als 0,3 der maximalen Intensität beträgt, die Ladungsträgerkonzentration stets zu gering für das Auftreten von Laserwirkung sein wird. In vielen Fällen wird die Möglichkeit zum Auftreten von Laserwirkung nur über ein kleineres Gebiet vorhanden sein, in dem die Intensität der spontanen Emission nicht weiter als auf die Hälfte des Höchstwertes herabgesunken ist. Auch dann würde aber im vorliegenden Beispiel noch ein Streifen von etwa 20 pm breit verbleiben, in dem Inversion in genügendem Masse auftreten kann. Die Erfahrung zeigt, dass diese Breite viel zu gross ist, um erwarten zu dürfen, dass der Laser in dem Grundtransversalmodus, mit einem einzigen Fleck, wirken wird. In der Praxis werden bei einer derartigen Streifenbreite ein oder mehr Modi höherer Ordnung auftreten, wobei der Laser zwei oder mehr Flecke aufweisen wird. Für das Auftreten des Grundtransversalmodus wird die Streifenbreite auf höchstens 10 p.m und vorzugsweise auf höchstens 6 (im begrenzt werden müssen, wobei bemerkt wird, dass diese Werte praktische Werte sind. Die genaue höchstzulässige Streifenbreite hängt u. a. von den Dotierungen und der Dicke der Schicht ab.

Die Streifenbreite des Teiles der aktiven Schicht in dem spontane Emission auftritt, kann durch Verkleinerung der Breite der Öffnung 9 verkleinert werden. Diese Öffnung definiert ja einen kleinsten Querschnitt für den Durchgang von elektrischem Strom, der einen wesentlichen Einfluss auf die Grösse des stromführenden Teiles des pn-Übergangs 4 ausübt.

Bei den oben angegebenen Schichtdicken und Dotierungen wird eine Herabsetzung der Breite der Öffnung 9 auf z. B. 1 p,m zu einem Streifen mit einer Breite von 11 bis 16 p,m in der aktiven Schicht führen, in dem stimulierte Emission auftreten könnte. Für den Grundtransversalmodus ist eine derartige Breite noch immer zu gross und ausserdem stellt eine Öffnung von 1 pm dem Herstellungsvorgang besonders strenge Anforderungen.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Öffnung 9 in bezug auf die Spiegelflächen 2 und 3 schräg angeordnet, wie schematisch in Fig. 2 dargestellt ist. Der Deutlichkeit halber ist in dieser Figur, die nichtmassstäblich gezeichnet ist, die Abweichung übertrieben dargestellt. Tatsächlich war die Breite a der Öffnung 910 p,m und der Winkel a zwischen der Normalen auf den Spiegelseitenflächen 2 und 3 und den parallelen langen Rändern der Öffnung 9 etwa 3,5 °.

Wie bereits erwähnt, ist bei einer Öffnung 9 mit einer Breite von 10 p,m im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Streifen, in dem bei dem Schwellwertstrom spontane Emission mit einer Intensität grösser als oder gleich 0,3 der gefundenen maximalen Intensität auftritt, etwa 25 pm breit. Dieser Streifen ist in Fig. 2 mit gestrichelten Linien angegeben. Der Abstand b ist etwa 25 p.m. Dadurch, dass der Streifen b schräg in bezug auf die Spiegelflächen angeordnet ist, ist der grösste rechteckige Streifen, der in diesen Streifen passt, viel schmäler. Dieser möglichst breite rechteckige Streifen, der sich von der Spiegelfläche 2 zu der Spiegelfläche 3 erstreckt, weist im vorliegenden Beispiel eine Breite c von etwa 7 pm auf. Bei einem Winkel a von etwa 3,5° und einem Abstand zwischen den Spiegelflächen von etwa 300 pm ist der Durchschnitt der Öffnung 9 und der einen Spiegelseitenfläche 2 etwa 18 p,m gegen den Durchschnitt der Öffnung 9 und der anderen Spiegelfläche 3 verschoben.

Bei Vergrösserung des Stromes auf etwa 320 mA wurde Laserwirkung mit einer Intensitätsverteilung gefunden, wie sie schematisch mit der Kurve 32 in Fig. 3 angegeben ist. Die maximale Intensität war etwa sechsmal grösser als die maximale Intensität der Lumineszenz bei dem Schwellwertstrom. Die Halbwertsbreite des Flecks war etwa 4 pm. Der Laserstrahl ist etwa um 9 pm gegen die an der einen Spiegelseitenfläche erzeugte spontane Emission nach der Kurve 31 verschoben.

Die Erfindung schafft also eine besonders einfache und günstige Lösung, durch die, ohne dass die dem Herstellungsvorgang zu stellenden Anforderungen extrem erhöht werden, Laser-Resonatoren erhalten werden können, die in dem Grundtransversalmodus arbeiten und einen einzigen schmalen Fleck aufweisen. Die Ausbeute des Herstellungsvorgangs wird dadurch verhältnismässig hoch sein.

Die Breite des Streifens, in dem stimulierte Emission auftreten kann, und die Breite des Flecks können einfach dadurch beeinflusst werden, dass die Öffnung 9 in einer schrägeren oder weniger schrägen Lage angeordnet wird, dass die Länge des Lasers passend gewählt wird und/oder dass die Breite der Öffnung geändert wird. Bei kürzeren Lasern wird der Winkel a verhältnismässig gross, bei längeren Lasern verhältnismässig klein sein können. Vorzugsweise ist der Winkel a grösser als oder gleich 2°.

Das zweite Ausführungsbeispiel betrifft einen mit Protonen beschossenen Streifenlaser. Der in Fig. 4 dargestellte Halbleiterkörper 40 ist auf gleiche Weise wie im ersten Beispiel aus Schichten 12,13,5,14 und 15 mit denselben Dicken, derselben Zusammensetzung und denselben Dotierungen aufgebaut.

Statt einer Örtlichen Zone 16 ist in diesem Falle über die ganze

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Oberfläche der Schicht 15 eine Diffusion von Zn durchgeführt. bleme, die sich beim Zusammenfallen der Begrenzung des pn-Die Zn-dotierte Schicht ist mit 41 bezeichnet. Auf der Unter- Übergangs und der aktiven Schicht mit der Begrenzung des Seite des Halbleiterkörpers 40 befindet sich auch hier ein Kon- lasernden Gebietes ergeben können, wie ein zu grosser Untertaktglied 7. schied in Brechungszahl am Rande des lasernden Gebietes und/ Auf der Oberseite werden nacheinander eine Titanschicht 5 oder eine zu grosse Rekombinationsgeschwindigkeit an diesem 42, eine Platinschicht 43 und eine nicht dargestellte etwa 5 p,m Rande oder Verlust durch strahlungslose Rekombination an dicke Goldschicht angebracht. Dann wird die Goldschicht, bis diesem Rand, werden auf diese Weise vermieden, während das auf einen etwa 4 (im breiten, sich von der einen Spiegelfläche . lasernde Gebiet durch Anwendung der Erfindung dennoch ver-zu der anderen erstreckenden Streifen, weggeätzt. Dieser 4 |xm hältnismässig schmal gehalten werden kann.

breite Goldstreifen wird während eines Beschüsses mit Proto- i o im ersten Beispiel enthält das erste Kontaktglied eine Elek-nen mit einer Energie von etwa 300 keV als Maske verwendet. trode 6 aus leitendem Material, die durch eine Sperrschicht 8 Die Dosis betrug etwa 1015/cm2. Durch diesen Beschuss wird von dem Halbleiterlaserkörper getrennt ist und in einer strei-der nicht von dem Goldstreifen maskierte Teil des Halbleiter- fenförmigen Öffnung 9 in der Sperrschicht 8 mit dem Laserkörkörpers bis zu einer Tiefe von etwa 2 |xm hochohmig. Die auf per in elektrischer Verbindung steht. Die Breite der streifenför-beiden Seiten des Goldstreifens liegenden hochohmigen Teile 15 migen Öffnung 9 ist vorzugsweise mindestens etwa 5 p.m.

sind in Fig. 4 mit ihren Begrenzungen 44 angegeben. Nach dem In beiden Beispielen ist die Geometrie des ersten Kontakt-

Beschuss wird der Goldstreifen entfernt. Nach Spaltung des gliedes derart gewählt, dass die Projektionen der Durch-

Halbleiterkristalls zum Erhalten der Spiegelflächen ist der schnitte des strombegrenzenden Querschnittes 45 oder der

Laserkörper für Fertigmontage bereit. Die Fertigmontage Öffnung 9 und der beiden Spiegelflächen 2 bzw. 3 auf eine kann auf übliche Weise und in einer üblichen Umhüllung erfol- 20 Ebene parallel zu den beiden Spiegelflächen einander in einer gen. Richtung parallel zu dem pn-Übergang 4 nicht überlappen, son-

Diese Ausführungsform weist an sich den Vorteil auf, dass dern vollständig nebeneinander liegen. Im ersten Beispiel der strombegrenzende Querschnitt 45 des dem pn-Übergang beträgt der Abstand zwischen den Projektionen etwa 8 um und am nächsten liegenden Kontaktgliedes 42,43 schmäler ist und im zweiten Beispiel ist dieser Abstand etwa 1 n.m.

dass ausserdem durch die Eindringtiefe von 2 [im des Protonen- 25 Vorzugsweise ist der breiteste rechteckige Streifen, der in beschusses der Abstand von dem pn-Übergang 4 kleiner ist, so den Streifen passt, in dem Lumineszenz mit einer Intensität dass die Ausfächerung oder Streuung des Stromes geringer grösser als oder gleich der Hälfte der maximalen Intensität aufsein wird. tritt, nicht breiter als 6 |xm, wie im ersten Beispiel, in dem diese Es stellte sich heraus, dass der Schwellwertstrom etwa 120 Breite etwa 20-18 = 2 jxm beträgt. Eine grössere Sicherheit des mA war. Die bei diesem Strom an einer der Spiegelseitenflä- 30 Auftretens des Grundtransversalmodus ist vorhanden, wenn chen wahrgenommene spontane Emission hatte eine Intensi- auch der breiteste rechteckige Streifen, der in den Leuchtstoff-tätsverteilung mit einer Halbwertsbreite von etwa 12,5 um. streifen passt, in dem die Intensität grösser als oder gleich 0,3 Diese Verteilung ist schematisch mit der Kurve 51 in Fig. 5 der maximalen Intensität ist, höchstens 6 jxm breit ist. Wie angegeben. erwähnt, kann die Breite des rechteckigen Streifens einfach Auch in diesem Beispiel ist das Kontaktglied absichtlich 35 durch Einstellung der Länge des Lasers, der Grösse des Win-schräg in bezug auf die Spiegelflächen angeordnet. Die sehe- kels a und/oder der Breite des strombegrenzenden Querschnit-matische Draufsicht nach Fig. 2 trifft zu, wenn angenommen tes des ersten Kontaktgliedes auf den gewünschten Wert wird, dass die Öffnung 9 in der Isolierschicht 8 nun das streifen- gebracht werden. So kann z. B. die Breite der Öffnung 9 im förmige Halbleitergebiet 45 darstellt, das im zweiten Beispiel ja ersten Beispiel 1 oder 2 |xm kleiner gewählt oder kann der den strombegrenzenden Querschnitt des Kontaktgliedes defi- 40 Laser etwa 330 p,m statt 300 |xm lang gemacht werden.

niert. Im zweiten Beispiel ist der Abstand a etwa 4 jxm, der Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungs-Abstand b etwa 12,5 |xm und der Abstand c etwa 7,5 [xm. Der beispiele beschränkt. Es leuchtet ein, dass andere Halbleiter-Laser ist etwa 300 |xm lang und der Durchschnitt des streifen- materialien und/oder andere Schichtdicken, Dotierungen und förmigen Halbleitergebietes 45 und der einen Spiegelseiten- Dotierungskonzentrationen und/oder ein anderer Schichtenfläche ist etwa um 5 |xm gegen den Durchschnitt mit der ande- 45 aufbau verwendet werden können. Z. B. braucht der Laser kein ren Spiegelseitenfläche verschoben. Der Winkel a beträgt gut Laser mit doppeltem HeteroÜbergang zu sein. Die Erfindung 10 und der Unterschied zwischen den Abständen b und c ist bezweckt insbesondere, Laser-Resonatoren zu schaffen, die etwa '/so der Laserlänge. ohne dass dem Herstellungsvorgang strenge Anforderungen

Bei einem Strom von etwa 160 mA wurde die schematisch gestellt werden, hergestellt werden können und dennoch in durch die Kurve 52 dargestellte Laserstrahlung wahrgenom- 50 dem Grundtransversalmodus wirken und die erwünschtenfalls men. Die Halbwertsbreite war gut 5 jxm und die maximale einen sehr schmalen Fleck liefern. Nach der Erfindung wird

Intensität war etwa fünfzehnmal grösser als die der spontanen dies mittels der Geometrie eines der Kontaktglieder erzielt,

Emission nach der Kurve 51. Die Stelle an der Spiegelseiten- wobei die Geometrie in diesem Zusammenhang sowohl die fläche, an der diese maximale Intensität auftritt, ist etwa um 2 besondere Form als auch die Anordnung in bezug auf die Spie-

bis 3 |xm gegen die Stelle der maximalen Intensität der wahrge- 55 gelflächen umfasst. Mit Hilfe dieser Geometrie wird erreicht,

nommenen spontanen Emission verschoben. dass innerhalb eines verhältnismässig grossen Gebietes, in dem

In den beiden Beispielen enthält der Halbleiterkörper 1 ; 40 spontane Emission auftritt, nur ein verhältnismässig schmaler ein Halbleitersubstrat 12, das sich zwischen dem pn-Übergang rechteckiger Streifen zwischen den Spiegelflächen vorhanden

4 und dem zweiten Kontaktglied 7 befindet, wobei der pn-Über- ist, in dem über die ganze Länge des Lasers in genügendem gang 4 und die aktive Schicht 5 sich in einer Richtung parallel 60 Masse Inversion auftritt, um Laserwirkung erhalten zu können,

zu den Spiegelseitenflächen 2 und 3 praktisch über die ganze Dabei können ausser den einfachen Streifen mit zwei geraden

Breite des Halbleitersubstrats erstrecken. langen praktisch parallelen Rändern, wie in den beiden

In einer Richtung quer zu dem ersten Kontaktglied sind der beschriebenen Ausführungsbeispielen, auch andere Formen pn-Übergang und die aktive Schicht also wesentlich breiter als angewandt werden. So zeigt Fig. 6 ein sich windender Streifen die stromführenden Teile derselben. Mit anderen Worten: aus- 65 64, in dem spontane Emission auftritt, die mit einem entspre-

genommen den Spiegelflächen fallen die seitlichen Grenzen chenden sich windenden strombegrenzenden Querschnitt des des lasernden Gebietes nicht mit den seitlichen Grenzen des Kontaktgliedes erhalten werden kann. In diesem Falle ist die pn-Übergangs und der aktiven Schicht zusammen. Die Pro- Amplitude der Windung derart gross, dass nur Laser mit einer

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die Hälfte der Periode der Windung unterschreitenden Länge lungsvorgang erforderlich sind. Ausserdem lassen sich diese erhalten werden können. In Abhängigkeit von der Länge des rechteckigen Formen, die praktisch senkrecht auf den Spiegel-Lasers kann das lasernde Gebiet schmäler oder breiter sein, flächen stehen, leichter in bezug auf die als Spiegelflächen zu wie angegeben ist. Die Spiegelflächen sind schematisch mit verwendenden Kristallflächen ausrichten. Mit einem photoche-gestrichelten Linien 3 und 2 bzw. 2' angegeben. Liegt die Spie- 5 mischen Ätzvorgang können in einer Isolierschicht aus z. B. gelfläche auf der Höhe der Linie 2, so liegt das lasernde Gebiet Siliciumoxid verhältnismässig einfach mehrere Reihen gegen-innerhalb der strichpunktierten Linien 61 und 62. Ist der Laser einander versetzter Öffnungen 93 und 94 (Fig. 10) vorgesehen länger und liegt die Spiegelseitenfläche auf der Höhe der Linie werden. Dann kann die ganze freie Oberfläche mit einer leiten-2', so liegt das lasernde Gebiet innerhalb der strichpunktierten den Schicht bedeckt werden. Aus einem auf diese Weise bear-Linien 61 und 63. 10 beiteten Halbleiterkörper können eine Anzahl von Lasern

Die Kombination von Streifenbreite 71 und Amplitude der durch Spaltung des Körpers quer zu den Öffnungen und durch Windung kann auch derart gewählt werden, dass für Laserlän- die Öffnungen erhalten werden, in der Weise, dass jeder Laser gen, die grösser als die halbe Periode der Windung sind, die mindestens zwei Öffnungen 93 und 94 aufweist. Z. B. kann längs Breite des lasernden Gebietes von der Laserlänge unabhängig der gestrichelten Linien 96 gespaltet werden. In einer Richtung ist. Dies ist in Fig. 7a dargestellt. Der sich windende Leucht- is parallel zu den Reihen von Öffnungen kann der Halbleiterkörstoffstreifen 72 enthält einen rechteckigen Streifen 73, dessen per z. B. durch Kratzen und Brechen in eine Anzahl gerader Breite von der Länge unabhängig ist. Je nach der auftretenden Streifen z. B. längs der strichpunktierten Linien 97 unterteilt Stromstreuung und der Diffusionslänge der eingeschlossenen werden. Dabei ist die Unterteilung in gerade praktisch senk-Ladungsträger kann der schmälere Streifen 74 (Fig. 7b), der den recht auf den Spiegeln, somit senkrecht auf den Linien 96 ste-strombegrenzenden Querschnitt des Kontaktgliedes darstellt, 20 hende Streifen einfacher als die Unterteilung in schräg in bezug gar keinen ununterbrochenen rechteckigen Streifen enthalten. auf die Spiegel angeordnete Streifen.

Eine andere Form, bei der die Breite des lasernden Gebie- Für mit Protonen beschossene Laser können auf ähnliche tes nicht von der Länge des Lasers abhängig ist, ist in Fig. 8 dar- Weise gegeneinander versetzte Streifen aus einem maskierengestellt Fig. 8a zeigt den Leuchtstoffstreif en 81 mit darin dem den Material ausgeätzt werden.

ununterbrochenen rechteckigen Streifen 82, in dem Laserwir- 25 Im allgemeinen ist diese wichtige Ausführungsform kung auftreten kann. Der Streifen 81, der örtlich in seitlicher dadurch gekennzeichnet, dass der zu dem ersten Kontaktglied Richtung versetzt ist, kann mit einem Kontaktglied erhalten gehörende strombegrenzende Querschnitt mindestens zwei werden, das aus zwei Teilen 83 und 84 besteht, wie in Fig. 8b praktisch rechteckige, praktisch senkrecht auf den Spiegelsei-dargestellt ist. Bei einem Kontaktglied mit voneinander tenflächen stehende Teile aufweist, die je eine Länge haben, die getrennten Teilen werden die Teile vorzugsweise eine Gesamt- 30 kleiner als der Abstand zwischen den Spiegelflächen ist, wobei länge aufweisen, die grösser als die Länge des Lasers ist, so dass die praktisch zueinander parallelen Mittellinien 98 bzw. 99 die-die beiden Teile in der Längsrichtung des Lasers einander ser beiden rechteckigen Teile nicht miteinander zusammenfal-

etwas überlappen. Eine derartige Variante ist in Fig. 9 darge- len, sondern in einiger Entfernung voneinander liegen. Vorstellt. Fig. 9a zeigt den Leuchtstoffstreifen 91 und die gerade zugsweise ist die Summe der Längen der rechteckigen Teile Begrenzung 82 des lasernden Gebietes und Fig. 9b zeigt die bei- 35 mindestens gleich dem Abstand zwischen den Spiegelflächen, den voneinander getrennten Teile 93 und 94 des Kontaktglie- wobei diese Summe vorteilhafterweise grösser als der des. Für den Fall, dass der Unterschied in der Breite des Leucht- genannte Abstand gewählt wird. Der Abstand zwischen den Stoffstreifens 91 und des strombegrenzenden Querschnittes Mittellinien 98 und 99 liegt in der Grössenordnung der quer zu kleiner ist, z. B. infolge der Tatsache, dass die auftretende den Mittellinien gemessenen Breite der rechteckigen Teile des

Stromstreuung geringer ist, kann ein ununterbrochenes Kon- 40 strombegrenzenden Querschnittes des Kontaktgliedes und taktglied 95 (Fig. 9c) verwendet werden. wird, je nach der auftretenden Stromstreuung und der seitli-

Die in den Fig. 8 und 9 gezeigten Formen weisen in bezug chen Diffusion injizierter Ladungsträger, etwas grösser als die auf die nach den Fig. 6 und 7 den Vorteil auf, dass darin nur Breite sein, wie in den'Fig. 8b und 9b, oder gleich dieser Breite gerade Linien vorhanden sind. Diese aus Rechtecken aufgebau- sein, wie in Fig- 9c, oder etwas kleiner als diese Breite sein. In ten Formen lassen sich einfacher in Belichtungsmasken herstel- 45 beiden letzteren Fällen werden die rechteckigen Teile einander len, die für die photolithographischen Schritte in dem Herstel- örtlich überlappen oder wenigstens aneinander grenzen.

G

3 Blatt Zeichnungen

Claims

617540 PATENTANSPRÜCHE

1. Injektionslaser mit einem Halbleiterkörper (1) mit zwei praktisch parallelen Seitenflächen (2,3), die die Spiegel des Laser-Resonators bilden, mit einem pn-Übergang (4), der sich quer zu den Spiegelflächen (2,3) in dem Halbleiterkörper (1) erstreckt, und mit einer in der Nähe dieses pn-Überganges (4) liegenden aktiven Laserschicht (5), wobei auf beiden Seiten des pn-Übergangs (4) ein Kontaktglied (6,7) vorhanden ist, das den Abstand zwischen den Spiegelflächen (2,3) praktisch völlig überbrückt, wobei ein erstes dieser Kontaktglieder (6) in einer geringeren Entfernung von dem pn-Übergang (4) als das zweite Kontaktglied (7) liegt, und wobei der Teil des pn-Übergangs, an dem bei einem von einem Kontaktglied (6) zu dem anderen (7) durch den Halbleiterkörper (1) fliessenden Strom mit einem Wert etwa gleich dem Schwellwertstrom, der für das Auftreten stimulierter Emission erforderlich ist, spontane Lumineszenz auftritt, eine sich von einer Spiegelfläche (2) zu der anderen (3) erstreckende Streifenform aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie des ersten Kontaktgliedes (6) derart ist, dass in einem Streifen des pn-Übergangs (4), dessen Längsränder sich in einem parallel zu den Spiegelflächen (2,3) gemessenen Abstand b voneinander befinden, wobei dieser Abstand b derart definiert ist, dass die örtliche Intensität der genannten spontanen Emission innerhalb des Streifens mindestens 0,3 des Höchstwertes der örtlichen Intensität, die im Streifen auftritt, ist, der breiteste darin einschreibbare rechteckige, sich senkrecht von einer Spiegelfläche (2) zur anderen (3) erstreckende Streifen eine Breite höchstens gleich dem Abstand b abzüglich Vm des Abstandes zwischen den Spiegelflächen (2,3) bzw. höchstens eine solche Breite aufweist, dass beim Betrieb ein Grundtransversalmodus angeregt wird.

2. Injektionslaser nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des rechteckigen Streifens höchstens gleich 6 um ist.

3. Injektionslaser nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper (1) ein Halbleitersubstrat (12) enthält, das sich zwischen dem pn-Übergang (4) und dem zweiten Kontaktglied (7) erstreckt, wobei der pn-Übergang (4) und die aktive Schicht (5) sich in der Richtung parallel zu den Spiegelflächen (2,3) praktisch über die ganze Breite des Halbleitersubstrats (12) erstrecken.

4. Injektionslaser nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kontaktglied (6) eine Elektrode (10,11) aus leitendem Material enthält, die durch eine Sperrschicht (8) von dem Halbleiterkörper (1) getrennt ist und durch eine streifenförmige Öffnung (9) in dieser Sperrschicht (8) mit dem Halbleiterkörper (1) in elektrischer Verbindung steht, wobei die Breite dieser streifenförmigen Öffnung (9) mindestens 5 jxm beträgt.

5. Injektionslaser nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die streifenförmige Öffnung (9) zwei praktisch parallele gerade Ränder aufweist, die sich praktisch von einer Spiegelfläche (2) zur anderen (3) erstrecken und einen Winkel von mindestens 1 ° mit der Normalen auf den beiden Spiegelflächen (2,3) einschliessen.

6. Injektionslaser nach Patentanspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die senkrechten Projektionen der beiden in der Nähe der Spiegelflächen (2,3) liegenden Enden der streifenförmigen Öffnung (9) auf eine zu den Spiegelflächen (2,3) parallele Ebene einander nicht überlappen.

7. Injektionslaser nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kontaktglied aus mindestens zwei praktisch rechteckigen, praktisch senkrecht auf den Spiegelflächen stehenden Teilen (83,84; 93,94; 95) besteht, die je eine Länge aufweisen, die kleiner als der Abstand zwischen den Spiegelflächen ist, wobei die praktisch zueinander parallelen Mittellinien (98,99) dieser beiden rechteckigen Teile in einiger Entfernung voneinander liegen.