DE2160005A1 - Halbleiter-Injektionslaser - Google Patents

Halbleiter-Injektionslaser

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DE2160005A1 DE19712160005 DE2160005A DE2160005A1 DE 2160005 A1 DE2160005 A1 DE 2160005A1 DE 19712160005 DE19712160005 DE 19712160005 DE 2160005 A DE2160005 A DE 2160005A DE 2160005 A1 DE2160005 A1 DE 2160005A1
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Description

Western Electric Company, Inc. M-m
New York Miller b2
Halbleiter-Inj ektionslaser
Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiter-Laser und insbesondere auf Halbleiter-Streifen-Injektionslaser mit herabgesetzten Schwellwerten für die stimulierte Emission.
Seit der Entwicklung des Halbleiter-Lasers wurde versucht, einen Dauerstrichbetrieb des Lasers bei Zimmertemperatur zu erreichen. Eine Schwierigkeit bestand darin, daß hohe optische Verluste, verbunden mit begrenzter Verstärkung, für eine stimulierte Emission bei Zimmertemperatur übermässig hohe Stromdichtenschwellwerte, typisch in der Größen-Ordnung von 40.000 A/cm , erforderlich machen. Das Grundproblem besteht daher in der Unfähigkeit, die in dem kleinen Raum des Übergangsgebiets erzeugte Wärme rasch genug abzuführen, bevor die Temperatur soweit ansteigt, daß der Halbleiter beschädigt wird. Zur Überwindung bzw. Vereinfachung dieses Problems unter Erzielung eines Dauerstrichbetriebs ist man zum Betrieb bei Tiefsttemperaturen übergegangen, bei denen die Schwellwerte beträchtlich niedriger sind, und zwar typisch etwa bei 1.000 A/cm , wobei der Temperaturanstieg nichtennähernd so groß wie bei höheren Temperaturen ist. In jüngster Zeit konnten I. Hayashi et al gemäß Bericht in "Applied Physics Letters" 17, 109 (1970) einen Dauerstrich-Laserbetrieb bei Zimmertemperatur in einem
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Injektionslaser mit doppelter HeteroStruktur (pnp- bzw. npn-Zonenfolge mit unterschiedlichen Halbleitermaterialien auf beiden Seiten der pn-Übergänge) realisieren. Dieser Laser, der in der deutschen Patentanmeldung P 21 20 464.8 beschrieben ist, weist einen aktiven Bereich aus einem Material mit einem schmalen energetischen Bandabstand auf, der zwischen Gebieten des entgegengesetzten Leitungstyps mit breiteren Bandabständen angeordnet ist. Der Doppel-Heterostruktur-Laser zeichnet sich nicht nur durch die niedrigeren Schwell-
2 werte bei Raumtemperatur (z.B. 1.000 A/cm ), sondern auch durch eine geringere Temperaturabhängigkeit vom Schwellwert aus; diese beiden vorteilhaften Eigenschaften sind in erster Linie auf den Effekt der Trägerbegrenzung auf das energetisch schmale aktive Gebiet zurückzuführen.
Sowohl bei der herkömmlichen Laserdiode als auch bei der verbesserten Doppel-Heterostruktur ist es erwünscht, einen elektrischen Streifenkontakt an dem p-Gebiet zu verwenden, um die bekannten Vorteile einer Transversalmodensteuerung und verbesserte thermische Eigenschaften zu erzielen. Obwohl ein solcher Streifenkontakt die stimulierte Emission auf die unter dem Kontakt liegende verlustarme Übergangszone zu begrenzen sucht, erstrecken sich Ausläufer des durch die niedrigsten Moden gebildeten (Gauss·sehen) optischen Feldes über diese Zone hinaus in unmittelbar benachbarte verlustreiche Gebiete. Da diese Ausläufer in den benachbarten Gebieten hohen Verlusten unterworfen sind, ist der effektive Schwellwert für stimulierte Emission größer als in dem Fall, daß die
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benachbarten Gebiete an optischen Verlusten arme Gebiete wären.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die optischen Verluste in den Übergangszonen einer Streifenkontakt-Laser diode nahe dem Streifenkontakt zu verringern.
Zu diesem Zweck weist ein Streifenkontakt-Halbleiter-Injektionslaser erfindungsgemäß wenigstens einen Steuerstreifenkontakt auf, der parallel und mit Abstand zum normalen ' stimuliert-emittierenden aktiven Kontakt angeordnet ist. Der Strom wird im stimuliert-emittierenden Kontakt oberhalb des Schwellwertes gehalten, wogegen der Strom im Steuerstreifen unterhalb des Schwellwerts eingestellt bleibt. Diese Maßnahmen führen dazu, daß die optischen Verluste in den dem stimuliert-emittierenden Kontakt benachbarten Gebieten verringert werden und der Schwellwert ebenfalls herabgesetzt wird.
Die Mittel, mit denen die optischen Verluste verringert ' werden, werden nachfolgend kurz erläutert und zusammengefaßt. Bei herkömmlichen Dioden fließt ein geringer Teil des Anregungsstroms in den dem stimuliert-emittierenden Kontakt benachbarten Zonen, so daß in diesen Zonen keine Besetzungsumkehr zwischen den Valenz- und Leitungsbändern stattfindet. Demgemäß regen die sich in diese Zonen hineinerstreckenden Ausläufer des optischen Feldes Elektronen
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durch Absorption derart an, daß sie vorn Valenzband in das Leitungsband überwechseln; dies ist eine Form optischer Verluste. Die Größe der Absorption ist direkt proportional zur Anzahl der auf diese Weise angeregten Elektronen. Wenn der Laser jedoch mit Steuerstrexfenkontakten ausgestattet ist, wird ein großer Teil der Valenzbandelektronen in den benachbarten Zonen von dem in diesen Zonen fließenden Steuerstrom zum Leitungsband angeregt; daher bleiben weniger, für die optische Absorption maßgebliche Elektronen im Valenzband. Es ist zu beachten, daß der Strom in den Steuerstreifen unterhalb des Schwellwerts gehalten werden muß, wenn diese Vorteile erreicht werden sollen. Anderenfalls würde die Diode als Laser arbeiten, der statt eines schmalen Streifenkontakts einen einzigen breiten Kontakt aufweist, wodurch die bekannten Vorteile von Streifenkontaktlasern in Bezug auf die Modensteuerung und die thermischen Eigenschaften zunichte gemacht würden.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung findet ein Paar paralleler Steuerstreifen Verwendung, von denen jeweils einer auf jeder Seite des stirauliert-e»ittierenden Streifens angeordnet 1st, ujt die optischen Verluste in denjenigen Zonen zu verringern, in die die beiden Ausläufer der Gauss*sehen optischen FeIdYerteilung eindringen. - -. . ■ . . . '. -.- . ■ '_ . .. __. . . . ν ._
lsi folgenden wird, die Erfindung anhand von in der Zeichnung
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■' I h,
dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Laserdiode gernäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 eine Seitenansicht der Diode gemäß Fig. 1 mit möglichen Schaltanschlüssen; und
Fig. 3 eine Seitenansicht der Diode nach Fig. 1, die auf einer beispielsweisen Wärmesenke angebracht ist.
In den Figuren 1 und 2 ist als Ausführungsbeispiel eine Halbleiter-Laser-Diode 10"mit einander benachbarten p-und n-Gebieten 12 und 14 gezeigt, wobei zwischen den p- und n-Gebieten ein pn-übergang 16 gebildet ist. Am Boden des n-Gebiets 14 ist ein metallischer Kontakt 18 niedergeschlagen, während auf der Oberseite des pn-Gebiets 12 ein stimulier t-emittier ender oder aktiver elektrischer Streifehkontakt 20 und ein Paar paralleler elektrischer Steuerstreif erikontakte 22 und 24 auf jeder Seite des stimuliertem! ttierenden Kontaktes 20 angeordnet sind. Endflächen und 28 sind in typischer Ausführungsform optisch flach und rechtwinkelig zum Übergang 16 gespalten und poliert, um einen optischen Resonator zum Aufrechterhalten der im Übergangerzeugten kohärenten Strahlung 'zu bilden. Eine der Endflächen ist praktisch total reflektierend ausgebildet, während die andere Endfläche teildurchlässig gemacht ist und als Austrittsfläche für die kohärente Strahlung
ORIGINAL INSPECTED
209825/1028 :; —— :" " '
Mr,. τ,
"v/L· ir Fig. 2 gefolgt L;-, L, liegt eine Qui.'LLe .->(- ,'.v/u.rhen cte.u _ timuliert-emittierenclen Streifen 20 und d_nn Kontakt l-> ^r.d liefert den den Schwellwert I. für die stirnuiierte Emission übersteigenden Strom I. in Durchi.-ißrichtung. Ausserdem sind Quellen 32 und 34 zwischen den Kontakt 18 und die Kontrollstreifen 22 bzw. 24 geschaltet, um letztere mit Strömen Ip und I- Ln Durchlaßrichtung zu speisen, wo bei jeder der Ströme I„ und I3 kleiner als der Schwellwert I, ist (unter der für das Ausführungsbeispiel geltenden Annahme gleicher Längen und Breiten der Kontakte).
Bei der nachfolgenden Beschreibung soll angenommen werden, daß die Laserparameter einschließlich des Anregungsstromes Zy. und die Breite des stimuliert-emittierenden (lasing) Streifens 20 sind so gewählt, daß der Laser 10 allein in seinem transversalen Grundmoden schwingt. Daher hat das optische Feld im Übergangsbereich in der Richtung quer zur Resonatorachse die durch die Kurve 36 in Fig. 2 angedeutete Gauss'sehe Verteilung. Es ist zu beachten, daß die Gauss»sehe
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Kurve 36 nur zur Verbesserung der Übersicht in das p-Ge-
'"■■■· · ■-■■■ - ■ : o.Aöd
biet 12 hineingezeichnet wurde; tatsächlich ist das optische Feld im wesentlichen auf den Übergangsbereich allein beschränkt.
Auf Grund, der Stromstreuung unterhalb des Kontaktes 20, Beugungserscheinungen und zugehöriger Effekte ist das optische Feld nicht auf den Teil des Übergangsbereichs 38 unter-
209825/1028 BADORIGtNAt
halb des Kontaktes f-Ό beschränkt, sondern tritt in verlustreiche benachbni 1 e Bereiche 40 und 42 ein. Wie oben erläui ert wurde, sind die I3< reiche 40 und 4? Gebiete hoher optischer Absorption, so dar. die dort auftretenden Verluste
beträchtlich zum Schwellwert des Lasers beitragen.
Um daher den Schwellwert zu reduzieren, wird vorgeschlagen, daß die Steuerstreifen 22 und 24 neben dem stimuliert-emittierenden (Laser-aktiven) Streifen 20 und direkt oberhalb
derjenigen Übergangsbereiche 40 und 42 angeordnet sind, in
welche die Ausläufer des optischen Feldes eindringen. Durch Aufrechterhalten der Ströme in den Steuerstreifen auf Werten unterhalb des Schwellwerts, d.h. unterhalb des für eine resultierende Verstärkung in den Bereichen 40 und 42 erforderlichen Stromwertes, jedoch mit einer Stärke, die zur Erzielung eines Null-Verlustes in diesen Gebieten ausreichend ist, werden die optischen Verluste der Dioden insgesamt verringert und damit der Schwellwert reduziert.
Niedrigere Schwellwerte führen naturgemäß zu geringerer Auf- heisung des Übergangs, was insbesondere für den Dauerstrichbetrieb von Laser-Dioden bei Zii*«erteiRperaturen von beson- derea Vorteil, ist« In einer Aueführungsform der Laser-Dio de 10 (Fig/'3.) ist der Kontakt 18 «it eine* Metallisierten Λζ·ρ.· verzinnten) Dlaaahten 50 hoher thermischer Leitfähigkeit, der auf einer verzinnten XupfW-Wäreesenfce 52 ange-
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BAD
bracht ist, verbunden. Wegen der Schwierigkeit der Herstellung einer den gesamten Diamanten 50 überziehenden Verzinnung können Golddrähte 56 und 58 (etwa 25 um Durchmesser) zur Verbindung der verzinnten Oberseite 54 des Diamanten mit der Wärmesenke 52 verwendet werden.
Die Laser-Diode 10 kann beispielsweise als Doppel-Heterostruktur-übergangs-Laser gemäß der in der oben genannten deutschen Patentanmeldung P 21 20 464.8 beschriebenen Aus-
™ führung ausgebildet sein, welche bei Zimmertemperatur im Dauerstrichbetrieb arbeitet. Die Diode weist in typischer Ausführungsform eine dünne Schicht aus p-leitendem GaAs (etwa 1 pm dick oder dünner) auf, die in Sandwichbauweise zwischen p- und η-leitenden Schichten aus Ga. Al As mit größerem Bandabstand von einer Dicke von 1,1 μτα und 5 ,um angeordnet ist. Derartige Dioden können im Epitaxieverfahren aus flüssiger Phase in der in der deutschen Patentanmeldung P 19 22 892.3-43 beschriebenen Weise hergestellt
fe werden. In diesem Zusammenhang wird auch auf Applied Physics Letters, 17, Seite 109 (1970) verwiesen. Vor dem Niederschlagen des Metalls zur Bildung der Streifenkontakte, die mit Hilfe herkömmlicher photolithographiseher Methoden definiert bzw. ausgebildet werden können, wird vorzugsweise ein Dotierstoff, z.B. Zn in das p-leitende Ga.- AlAs eindiffundiert, um eine schmale (z.B. 0,2. um) p+-Schicht zur Schaffung eines Ohm1sehen Kontakts zu bilden. Danach wird die Diode in der vorstehend anhand von
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Fig. 3 beschriebenen Weise an einer Wärmesenke befestigt.
Durch ein solches Verfahren hergestellte Dioden arbeiten bei Zimmertemperaturen im Dauerstrichbetrieb (z.B. bei A= 8.858 S) mit Dauer-Schwellwerten von etwa 0,3 A
2
(6.000 A/cm ) bei einem stimuliert-emittierenden Streifen von 13 pm Breite und 400 um Länge, wobei die Diode eine Breite von etwa 80 um und eine Tiefe, einschließlich einer η-leitenden GaAs-Unterlage von etwa 0,15 bis 0,178 mm hat. Die Steuerstreifen, die beispielsweise 3 bis 10 pm breit und 400 pm lang sind, sind mit einem Abstand von 2 bis 5 pm von den stimuliert-emittierenden Streifen angeordnet. Zur Verringerung des Schwellwerts unterhalb des Werts von 6.000
2
A/cm sollte der Strom in den beiden Streifen auf einem solchen Wert gehalten werden, daß die Stromdichte unter dem Steuerstreifen daher die gleiche Fläche wie der stimuliertemittierende Streifen einnehmen, so sollte der Strom in den Steuerstreifen geringer als 0,3 A für das beschriebene Ausführungsbeispiel sein. Wenn die Steuerstreifen dagegen schmaler (z.B. 6 pm) als der stimuliert-emittierende Streifen sind, sollte der Steuerstrom entsprechend geringer, z.B. geringer als 0,15 A sein.
Es können auch mehrere aktive, stimuliert-emittierende Streifenkontakte abwechselnd mit Steuerstreifen angeordnet sein, um die optischen Verluste zwischen den stimuliert-emittierenden Streifen zu verringern.
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Bei einem geeigneten Halbleitermedium ist es ferner möglich, die optischen Verluste in den dem Laser-Streifen benachbarten Gebieten mit Hilfe anderer Mittel als den zuvor beschriebenen parallelen Steuerstreifen zu verringern, z.B. durch Verbreiterung des Bandabstands in jenen Bereichen durch Ionenimplantation oder Eindiffundieren von Dotierstoffen.
Zusätzlich zeigen die Dioden selbstinduziertes Pulsen bei Mikrowellenfrequenzen, wie dies von J.E. Ripper und T.L. Paoli in einem Artikel mit dem Titel "Coupled Longitudinal Mode Pulsing in Semiconductor Lasers", Physics Review Letters, 22, 1085 (26. Mai 1969) beschrieben wurde.
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Claims (5)

Patentansprüche
1.) Halbleiter-Injektionslaser mit einem aktiven Medium, in welchem ein ebener pn-übergang zum Erzeugen kohärenter Strahlung in der Übergangsebene ausgebildet ist, wobei das Medium die Strahlung aufrechterhält, ferner mit einer Vorrichtung zur Bildung eines optischen Resonators, dessen optische Achse parallel zu dem Übergang verläuft, und mit wenigstens einem stimuliert-emittierenden (lasing) elektrischen Streifenkon- j takt, der auf einer Hauptfläche des Mediums parallel zu dem Übergang derart angeordnet ist, daß sich seine Längsseite parallel zur optischen Achse des Resonators Erstreckt, wobei an den stimuliert-emittierenden Kontakt ein solcher Strom in Durchlaßrichtung angelegt wird, daß die Stromdichte in dem unter dem stimuliert-emittierenden Kontakt liegenden Bereich des Übergangs den für eine Verstärkung erforderlichen Wert zur Erzeugung kohärenter Strahlung übersteigt, dadurch gekennzeichnet,
daß auf der Hauptfläche des Mediums (12) parallel zum stimu- ™ liert-emittierenden Streifenkontakt (20) wenigstens ein elektrischer Steuerstreifenkontakt (22,24) angeordnet ist, der in Durchlaßrichtung mit einem solchen Streu gespeist wird, daß die Stromdichte im Übergangsbereich (40,42) unterhalb des Steuerstreifenkontakts geringer als die zur Verstärkung in diesem Bereich (40,42) erforderliche Stromdichte ist, wodurch eine Verringerung der optischen Verluste in diesem Übergangsbereich erzielbar ist.
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2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zwei Steuerstreifenkontakte (22,24) parallel zu einem stimuliert-emittierenden Streifenkontakt (20) angeordnet sind, von denen einer auf jeder Seite des stimuliert-emittierenden Streifenkontaktes (20) vorgesehen ist.
3. Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß zum Abführen der im Übergang erzeugten Wärme eine Wärmesenke (52,54) mit dem Medium (12* 14) thermisch gekoppelt ist.
4. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Diode eine dünne Schicht aus p-leitendem GaAs aufweist, die in Sandwichbauweise zwischen p- und n—leitenden Schichten aus Ga-1 Al As größeren Bandabstands eingesetzt ist.
5. Laser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dotierstoff in das p-leitende Ga1 ^^As eindiffundiert ist, um eine dünne p+-Schicht zur Schaffung eines Ohm1sehen Kontaktes auszubilden.
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