DE2137892A1

DE2137892A1 - Halbleiterlaser

Info

Publication number: DE2137892A1
Application number: DE2137892A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dipl Phys Gottsmann; Joachim Specovius
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1971-07-29
Filing date: 1971-07-29
Publication date: 1973-02-08
Also published as: DE2137892B2; DE2137892C3; DE2236147A1; DE2236147C2

Description

Licentia

Patent-Verwaltungs-GmbH 2137892

6000 Prankfurt (Main) 70, Theodorf-Stern-Kai 1

Ulm (Donau), 25, Juli 1971 PT/UL/Scha/kö UL 7V62 kb.

"Halbleiterlaser"

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser mit einer in Form einer Halbleiterdiode, vorzugsweise einer Heterostrukturdiode ausgebildeten .Schichtenfolge.

Bei der Einkopplung von Lichtenergie aus einem Halblei-' terlaser in"eine Lichtleitfaser treten im allgemeinen Verluste auf, die hauptsächlich auf eine Modenfehlanpassung zwischen Laser und Faser zurückzuführen sind. In einer Lichtleitfaser, deren Kerndurchaesser in der Größenordnung der i/ellenlange der emittierten Strahlung liegt, ist in der Regel nur ein Grundmode ausbreitungsfähig, während die Halbleiterlaser bekannter Bauart eine große Anzahl von Moden ausstrahlen.

Halbleiterlaser sind bekannt als diffundierte Dioden, Epitaxiedioden oder als Heterostrukturdioden, die in einer aktiven Zone, welche sich zwischen entgegengesetzt dotier-

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ten halbleitenden Schichten z.B. aus η- und p-leitendem Material befindet, zur Umwandlung von elektrischer Energie in Strahlungsenergie fähig sind. Die bei einer bestimmten Schwellstromdichte beginnende Laserstrahlung tritt hierbei aus einem schmalen zwischen diesen halbleitenden kristallinen Schichten liegenden Bereich aus dem Laserresonator aus, der durch die Spaltflächen an den Kristallenden begrenzt ist. Infolge der senkrecht' zur Scheibenebene zwar geringen, parallel zu dieser Ebene jedoch groesen Ausdehnung der aktiven Zone ist die Austrittsfläche der Laserstrahlung wesentlich größer als die Einkoppelfläche beispielsweise einer Lichtleitfaser, so daß zum Ausgleich der dabei entstehenden Verluste hohe Lichtenergien und damit verbunden hohe Stromdichten erforderlich sind. Hinzu kommt bei solchen hohen Stromdichten die Notwendigkeit, besondere Maßnahmen für die Ableitung der entstehenden viärme vorzusehen.

Verbesserungen in dieser Richtung konnten durch HeteroStrukturen erzielt werden, die zur Ladungsträgerbegrenzung und zur Führung der Laserstrahlung senkrecht zur Ebene der aktiven Zone gut geeignet sind.. Es kann allerdings nur dann die aktive Zone in ihrer gesamten Breite kohärent emittieren^ wenn daß Material dieser Zone homogen ist. Inhomogenitäten führen zum Auftreten verschiedener Filaments,

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das heißt von einzelnen voneinander getrennten strahlenden Bereichen,' wobei im allgemeinen eine aus verschiedenen Moden bestehende Strahlung entsteht.

Weiterhin ist eine Anordnung "bekannt, bei der eine der Elektroden der Diode streifenförmig ausgebildet ist, wodurch erreicht werden kann, daß der Strom nicht gleichmäßig den gesamten Querschnitt der Diode durchsetzt, sondern die Stromdichte im Bereich der streifenförmigen Elektrode erhöht wird. Zwar kann dadurch der Schwellstrom kleingehalten werden, jedoch ergeben sich hohe Schwellstromdichten, und zudem treten wegen der schlechten seitlichen Wellenführung und der seitlichen Absorption der Laserstrahlung in der Ebene der aktiven Zone verhältnismäßig hohe- Strahlungsverluste auf..

Der Erfindung lag daLer die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterlaser mit einer in IPorm einer Halbleiterdiode, vorzugsweise einer Heterostrukturdiode ausgebildeten Schichtenfolge anzugeben, der sich durch eine kleine Auskoppelfläche und eine niedrige Schwellstromdichte auszeichnet.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß mindestens eine der in geringem Abstand von der Üchtemittierenden aktiven Zone liegenden Schichten isolierende .

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Bereiche und/oder durch Sperrschichten voneinander getrennte entgegengesetzt dotierte halbleitende Bereiche aufweist, die derart ausgebildet sind, daß ein in Durchlaßrichtung der Diode fließender Strom auf schmale zwischen den isolierenden Bereichen oder den Sperrschichten hin-

durchführende Strompfade zusammengedrängt wird.; Die Vorteile dieser erfindungsgemäßen Lösung sind darin zu sehen, daß durch die in den Strompfaden entstehenden hohen Stromdichten einmal die Anregung von Laserstrahlung schon mit geringen Ansteuerströmen der Diode möglich ist, zum anderen der zur Strahlung anregbare Bereich äußerst schmal gehalten werden kann.

Die Erfindung soll im folgenden anhand einiger Aus-führungsbeispiele unter Zuhilfenahme der ITig. 1 bis 16 näher erläutert werden.

In Eig. 1 ist ein Halbleiterlaser perspektivisch dargestellt, der aus einer n-und einer p-leitenden Schicht sowie einer dazwischenliegenden aktiven Zone a besteht, die üblicherweise aus kompensiert dotiertem Halbleitermaterial aufgebaut ist, jedoch auch ein einfacher pn-übergang sein kann. Auf der Oberseite der η-leitenden ochicht und der Unterseite der p-leitenden Schicht sind die Elektroden aufgebracht, welche in dieser Figur jedoch nicht eingezeichnet

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sind. Die Spaltflächen Sp wirken als Laserspiegel, welche einen geschlossenen Resonator der Länge L begrenzen. Hierbei steht die durch die gesamte Breite B und Höhe H gebildete Fläche zur Ausstrahlung der in der aktiven Zone durch strahlende Rekombination erzeugte Lichtenergie zur Verfügung. Sine Möglichkeit zur Verringerung der wirksamen Austrittsfläche in der Weise, daß die aktive Zone sich nicht über die gesamte Breite B erstreckt, ist in Fig. 2 in Ansicht dargestellt» Die hier gezeigte Anordnung der Schichten kann auf folgende Weise hergestellt werden. Der Halbleiterlaser bestehe zunächst aus einer obenliegenden η-Schicht und einer darunterliegenden p-Schicht. Auf die Oberfläche der η-Schicht wird zunächst eine Maske vorzugsweise aus SiOo aufgebracht, die im wesentlichen den seitlichen Begrenzungen der Zone entspricht, durch die der Strom hindurchgeführt werden soll. Durch die nicht bedeckten Teile der Oberfläche werden daraufhin Substanzen eindiffundiert, die in den darunterliegenden Teilen der η-Schicht eine. p-Leitfähigkeit erzeugen. Da auch eine geringe Diffusion unter die Abdeckung von der Seite her erfolgt, können sogar Stromkanäle mit kleineren seitlichen Abmessungen als die der Abdeckung selbst hergestellt vsierden,

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ah Durchlaßrichtung der Diode sind die neu entstandenen pn-tibergänge gesperrt, so daß der Strom nur durch den schmalen η-Kanal hindurchgeführt wird. Die dadurch erzielbare hohe Stromdichte bewirkt auch bei geringen. Ansteuerströmen der Diode ein auftreten von Laserstrahlung, d.h. die Anregung mindestens eines Filaments. Vorteilhafterweise wird eine solche Laserdiode noch auf eine
metallische Unterlage M aufgebracht, wodurch eine ausreichende Wärmeabfuhr gewährleistet ist.

Die Anordnungen g«mäß den Ansichtsdarstellungen nach Fig. 3, 4- und 5 stellen weitere in sich verständliche Ausführungsbeispiele dar, deren Herstellung in völlig analoger Weise erfolgt.

Bei den folgenden Beispielen handelt es sich um HeteroStruktur dioden, die, wie etwa in !Figur 6 oder 7> aus einer aktiven'Zone a aus kompensiert dotiertem Halbleitermaterial bestehen, auf die weitere halbleitende Schichten
(n, n⁺, p⁺, p) aufgebaut sind. Der Bandabstand zwischen Valenz- und Leitungsband ist in den Schichten n⁺ und p⁺ größer als in der aktiven Zone a. Die p-Bereiche in Schicht η (Figur 6) sowie die η-Bereiche in Schicht ρ (Figur 7) können wiederum durch Maskierung der Oberflächenschicht und Eindiffusion entsprechender Substanzen erzeugt werden.

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Dasselbe trifft auch zu für die folgenden Beispiele, wobei lediglich in Figur 8 und 9 erst nach Eindiffusion der entgegengesetzt dotierten Bereiche der Halbleiterlaser auf die Metallunterlage M aufgebracht wird, während in Figur 10 und 11 auch das Aufwachsen der halbleitenden Schichten (n⁺, a, p⁺, p2 oder (p⁺, a, n⁺, n) erst nach Herstellung dieser Bereiche erfolgt.

Die in den bisherigen Beispielen behandelte Einengung der Strombahnen durch Sperrschichten kann auch durch isolierende Bereiche erreicht werden, wie z.B. aus der Figur 12 ersichtlich ist. Hier ist wiederum eine Heterostrukturdiode dargestellt, die zunächst aus einem Substrat S, beispielsweise aus GaAs bestehen soll, auf dem dann das Aufwachsen der Schichten v, a, w, d erfolgt, a soll wieder die aktive Zone darstellen, während ν und w Schichten mit größerem. Bandabstand sind. Bandabstandssprünge lassen sich durch Mischkristallschichten, beispielsweise Ga Al As verschiedener Zusammensetzung herstellen, d ist lediglich eine Deckschicht, die erforderlich ist, falls w nicht korrosionsfest ist. Zur Herstellung der Bereiche F, G, von denen mindestens. F isolierend sein muß, wird auf die Oberfläche ebenfalls eine Maske aufgebracht, die den seitlichen Begrenzungen der stromführenden Bereiche entspricht. Die nicht abgedeckten Oberflächenteile werden durch ein

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Ätzverfahren abgetragen, wobei die Tiefe der so gewonnenen Rinnen beliebig sein und sich sogar bis in das Substrat S erstrecken kann. Danach werden die Rinnen mit einer Schutzschicht F, die vorzugsweise hochohmig ist, und/oder einer weiteren Schicht G aufgefüllt. Als isolierende Substanzen können Materialien gewählt werden,■die einen kleineren Brechungsindex aufweisen als z.B. die Zone a, wodurch eine seitliche Wellenführung der Laserstrahlen infolge Totalreflexion in der Zone a möglich ist. F kann auch aus dem selben Material wie a bestehen, muß dann jedoch undotiert sein, wenn wieder ein Brechungsindexsprung zwischen If und a angestrebt werden soll.

Auch Kombinationen der beiden bisher beschriebenen Möglichkeiten sind vorstellbar, wie die Beispiele entsprechend der Figuren 13, 14-, 15 und 16 zeigen.

In Figur 13 wird der Stromkanal durch die vor dem Aufwachsen der Schichten v, a, w, d ins Substrat S eindiffundierten Bereiche D begrenzt. Ist die am Substrat S angrenzende Schicht ν η-leitend, dann wird D p-leitend, bei p-leitender Schicht ν wird D dagegen η-leitend gewählt, so daß im Betrieb die Grenze D-v stets ein gesperrter pnübergang ist. Die abgewandelte Ausführung nach Figur 14 entsteht durch Ätzen der Schicht a und nachfolgendem Auf-

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wachsen der Schichten w und d. Die seitliche Strombe~ grenzung wird, wie bei Figur 13» erreicht. In Figur 15 werden die geätzten Rinnen R nicht wieder mit Material aufgefüllt. Zur mechanischen Stabilität bleiben außen Stützen stehen. Der Stroiafluß durch diese Stützen wird durch die Diffusionsstrukturen D entsprechend Figur 13 unterdrückt. Der Querwiderstand der Schicht ν ist wegen der geringen Schichtdicke groß· Die Rinnen müssen mindestens bis an die Schicht ν eingeätzt werden, sie können sich aber auch bis ins Substrat S erstrecken« Figur gibt ein Ausführungsbeispiel ähnlich dem der Figur 15 an, wobei jedoch der Stromfluß durch die seitlichen Stützen durch SiO₂-Aufdampfen oder -Abscheiden verhindert wird. Dadurch werden gleichzeitig Kurzschlüsse vermieden, die durch Aufsteigen des Lotes in die Atzrinne H hervorgerufen werden können. Bei Anwendung von Diffusionsstruktüren als seitliche Strombegrenzung muß die Atzung genau bis in die Schicht ν erfolgen, da die Sperrschicht v-D benötigt wird.

Der Einbau isolierender oder verschieden dotierter Bereiche läßt sich an Lasordioden vornehmen, bei denen die Elektroden die Außenflächen der beiden jeweils äußersten Schichten ganz bedecken, oder bei denen die Elektroden schon eine besondere Form, etwa die Form eines Streifens

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aufweisen. Bei dieser letztgenannten Ausführungsform der Diode werden die Bereiche vorzugsweise derart in die Schicht eingebracht, daß die freibleibenden Strompfade unter die streifenförmige Elektrode zu liegen kommen, wodurch die Stromdichte dort noch weiter erhöht werden kann.

Durch die beschriebenen Anordnungen können Strompfade erzeugt werden, deren seitliche Abmessungen in der Größenordnung /U liegen, also in der gleichen Größenordnung wie etwa der Kerndurchmesser einer Lichtleitfaser, Auch ist es hierdurch möglich, in einem Halbleiterlaser einen Transversalmode anzuregen, der für die Einkopplung in eine Lichtleitfaser besonders gut geeignet ist.

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2 o 9 H B R / η r; π /_f

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Claims

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Pa t e η t a η s ρ r ü.c^ji^e

j) Halbleiterlaser mit einer in Form einer Halbleiterdiode, vorzugsweise einer Heterostrukturdiode ausgebildeten Schichtenfolge, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der in geringem Abstand von der lichteiaittierenden aktiven Zone liegenden Schichten isolierende Bereiche und/oder durch Sperrschichten voneinander getrennte entgegengesetzt dotierte halbleitende Bereiche aufweist, die derart ausgebildet sind, daß ein in Durchlaßrichtung der Diode fließender Strom auf schmale zwischen den isolierenden Bereichen oder den Sperrschichten hindurchführende Strompfade zusammengedrängt wird.
2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dai die von den Strompfaden durchsetzte Pläche in der Scheibenebene im wesentlichen streifenförmig ausgebildet ist.
3. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der aktiven Zone ein aus homogenem Material bestehender Bereich oder mindestens ein Filament anregungsfähig ist.

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4. Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder Anspruch 3, da» durch gekennzeichnet, daß in der aktiven Zone mindestens ein Transversalmode anregbar ist,
5. Halbleiterlaser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Zone aus kompensiert oder wenig dotiertem Halbleitermaterial besteht.
6. Halbleiterlaser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, da£ die aktive Zone aus einem Mischkristall besteht.
7. Halbleiterlaser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der an die aktive Zone angrenzenden Halbleiterschichten aus einem Mischkristall besteht, dessen Bandabstand zwischen Valenz- und Leitungsband größer ist als der des in der aktiven Zone verwendeten Mischkristalls.
8. Halbleiterlaser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Zone und/ oder mindestens eine der an diese Zone angrenzende Halbleiterschicht aus Ga As oder Ga Al As besteht.

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9. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der isolierende Bereich einen kleineren Brechungsindex aufweist als die aktive Zone.
10. Verfahren zur Herstellung einer aus isolierenden halbleitenden Bereichen bestehenden Schicht nach einem oder, mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche einer halbleitenden Schicht eine Maske aufgebracht wird, die den seitlichen Begrenzungen der stromführenden Bereiche entspricht, und daß die nicht abgedeckten Teile der Oberfläche durch ein Ätzverfahren abgetragen werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die eingeätzten Vertiefungen mit einem isolierenden Material überzogen oder aufgefüllt werden.
12. Verfahren zur Herstellung einer aus entgegengesetzt dotierten halbleitenden Bereichen bestehenden Schicht nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche einer halbleitenden Schicht vom einen Leitungstyp eine Maske aufgebracht wird, die den seitlichen Begrenzungen der stromführenden Bereiche entspricht, und daß durch die nicht abgedeckten Teile der Oberfläche Substanzen eindiffundiert werden, die in den

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darunterliegenden Teilen der Schicht halbleitende Bereiche vom anderen Leitungstyp erzeugen.

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