DE2236410B2 - Halbleiter-Injektionslaser - Google Patents

Halbleiter-Injektionslaser

Info

Publication number
DE2236410B2
DE2236410B2 DE2236410A DE2236410A DE2236410B2 DE 2236410 B2 DE2236410 B2 DE 2236410B2 DE 2236410 A DE2236410 A DE 2236410A DE 2236410 A DE2236410 A DE 2236410A DE 2236410 B2 DE2236410 B2 DE 2236410B2
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
layer
active zone
heterojunction
laser
band gap
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE2236410A
Other languages
English (en)
Other versions
DE2236410A1 (de
Inventor
Izuo Berkeley Heights N.J. Hayashi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
AT&T Corp
Original Assignee
Western Electric Co Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Western Electric Co Inc filed Critical Western Electric Co Inc
Publication of DE2236410A1 publication Critical patent/DE2236410A1/de
Publication of DE2236410B2 publication Critical patent/DE2236410B2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/024—Arrangements for thermal management
    • H01S5/02476—Heat spreaders, i.e. improving heat flow between laser chip and heat dissipating elements
    • H01S5/02484—Sapphire or diamond heat spreaders
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/0004—Devices characterised by their operation
    • H01L33/002—Devices characterised by their operation having heterojunctions or graded gap
    • H01L33/0025—Devices characterised by their operation having heterojunctions or graded gap comprising only AIIIBV compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/45001—Core members of the connector
    • H01L2224/45099—Material
    • H01L2224/451—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/45138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/45144—Gold (Au) as principal constituent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/4805—Shape
    • H01L2224/4809—Loop shape
    • H01L2224/48091—Arched
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
    • H01L2224/732—Location after the connecting process
    • H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
    • H01L2224/73265—Layer and wire connectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022—Mountings; Housings
    • H01S5/0233—Mounting configuration of laser chips
    • H01S5/0234—Up-side down mountings, e.g. Flip-chip, epi-side down mountings or junction down mountings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022—Mountings; Housings
    • H01S5/0233—Mounting configuration of laser chips
    • H01S5/02345—Wire-bonding
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S148/00—Metal treatment
    • Y10S148/056—Gallium arsenide
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S148/00—Metal treatment
    • Y10S148/065—Gp III-V generic compounds-processing
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S148/00—Metal treatment
    • Y10S148/067—Graded energy gap
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S148/00—Metal treatment
    • Y10S148/072—Heterojunctions
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S148/00—Metal treatment
    • Y10S148/107—Melt
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S148/00—Metal treatment
    • Y10S148/169—Vacuum deposition, e.g. including molecular beam epitaxy

Description

— wobei
— die durch Rekombination der injizierten Ladungsträger erzeugte Strahlung im wesentlichen auf eine erste aktive Zone zwischen dem ersten und zweiten HeteroÜbergang (20,22) eingegrenzt bleibt und
— Ladungsträger, die" bei Vorspannung in Durchlaßrichtung über den pn-übergang injiziert werden, im wesentlichen auf eine zweite aktive Zone zwischen dem dritten und vierten HeteroÜbergang eingegrenzt werden,
dadurch gekennzeichnet, daß
— der dritte und der vierte HeteroÜbergang (21,23), die die zweite aktive Zone (17) definieren, mittig zwischen erstem (20) und zweitem (22) HeteroÜbergang angeordnet sind und
— die Größen du Aw und Am im wesentlichen durch die Beziehungen
Aud\2 = 0,1
0,1 μιη-
miteinander verknüpft sind, wobei d\ relativ groß gewählt wird.
2. Halbleiter-Injektionslaser nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß
— die erste Schicht (14) aus AI.Gui ,As ist und benachbart zum ersten HeteroÜbergang (20) gelegen ist,
— die fünfte Schicht (18) aus AIXJai-,As ist und benachbart zum zweiten HeteroÜbergang (22) gelegen ist,
— die erste aktive Zone aus AI.Gai ,As ist, wobei y < ν und κ < /fist,
— die zweite aktive Zone aus AI,,Gai _,As ist, wobei ρ < Oaber kleiner als _yist, und
— die vierte Schicht (19) aus Al^Gai-^Aii ist.
J. Halbleiter-Injektionslaser nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß χ = ζ und
Die Erfindung betrifft einen Halbleiter-Injektionslaser der im Oberbegriff des Anspruches I angegebenen Art.
Bei dem Halbleiter-Injektionslaser mit sogenannter Doppelhcterostruktur (DH) ist die aktive Zone, die den
y> schmalen Energiebandabstand hat, von zwei Zonen breiteren Energieabstandes flankiert, so daß ein HeteroÜbergang an jeder Grenzfläche .'.ur mittleren Zone vorhanden ist. Die beiden äußeren Zonen sind im Leitungstyp zueinander entgegengesetzt. Ein pn-Über-
iii gang ist an einem der HeteroÜbergänge oder zwischen den HeteroÜbergängen angeordnet. Der Energiebandabstandunterschied an jedem HeteroÜbergang hat zwei Effekte:
Er erzeugt ein elektrisches Feld an jedem Helero-
Γ) übergang, das injizierte Ladungsträger auf die aktive Zone eingrenzt, und bildet an jedem HeteroÜbergang eine Brechungsindexsiufc, die die Photonen auf die aktive Zone eingrenzt. In der aktiven Zone werden also die Ladungsträgerkonzentration (und damit die Vertu Stärkung) und die Kopplung zwischen den eingegrenzten Ladungsträgern und Photonen erhöht, wodurch niedrigere Schwellenwertstromdichten für stimulierte Emission und eine geringere Temperaturabhängigkeit dieses Schwellenwerts erreicht werden. Eine solche
■ν· DM-Laserdiode kann deshalb im Dauerstrichbetrieb auch bei Zimmertemperatur betrieben werden. Typischerweisc handelt es sich dabei um eine im Flüssigphasen-Epitaxieverfahren hergestellte Diode des Al-Ga-As-Mischkristallsystems mit dem kleinsten Al-
r><> Gehalt in der mittleren Zone, der aktiven Zone.
Weiterhin ist es erwünscht, daß die Dicke der aktiven Zone annähernd λ/2 oder weniger beträgt (wobei λ die im Halbleiter gemessene Wellenlänge der stimulierten Rekombinationsstrahlung ist), um höhere Ladungsträgerkonzentrationen im Wege der Eingrenzung zu erzielen. Einige konkurrierende Mechanismen, vor allem die optischen Verluste und die Ladungsträger-Photonen-Kopplung, bewirken, daß der Dickenabnahme nach unten Grenzen gesetzt sind und schließlich wieder höhere Schwellenwerte auftreten. Eine verbesserte Ausführungsform des DH-Lasers, der die sich aus der schmalen aktiven Zone bei niedrigem Schwellinwert ergebende hohe Verstärkung ausnutzt, weist deshalb eine erste aktive Zone schmalen Energiebandabstandes und eine in der ersten Zone gelegene /weite aktive Zone noch schmaleren Encrgicbandabsiandcs auf. Die eiste aktive Zone hat eine Dicke zwischen etwa λ/2 und λ und dient der optischen F.ingrenzung, während
die /weile aktive Zone, deren Dicke angenähert gleich einem Eleklronendurchmcsscr sein kann, für die Ladungsträgcrcingrenzung sorgt. Diese Struktur wird im folgenden als Doppel-Doppel-Heterostruktur (DDH) bezeichnet. (Vgl. zu alledem die ältere DE-PS ·, 21 65 006.)
Überlegungen bezüglich erhöhter L.ästungaufnahme und der Steuerung der Transversalmoden zeigen, dall für einige Anwendungsfälle weitere Verbesserungen bei der DDH-Struktur wünschenswert wären. Obw ohl ι« dünne aktive Zonen zur Verkleinerung der Schwellenwerte vorteilhaft sind, ruft eine dünne aktive Zone gleichzeitig häufig eine so hohe Leistungsdichte in dieser aktiven Zone hervor, daß sich eine beträchtliche Beschädigung des Halbleitermaterials an den Resona- r, torspiegeln ergibt. Daher besteht eine Kollision zwischen einem niedrigen Schwellenwert und einem Betrieb bei hoher Leistung.
Außerdem bestimmen die Dicke c/der aktiven Zone und die Höhe Δ der Brechungsindexstufe an den HeteroÜbergängen, welche der zur Übergangsebene senkrechten Transversalmoden schwingen. Bei einem gegebenen Δ (etwa 0,1) und einem großen </(z. B. größer als etwa 1 Mikrometer) können viele Transversalmoden in der aktiven Zone schwingen. Ein kleineres J (ζ. Β. _>Λ> kleiner als I Mikrometer) beschränkt die Schwingung auf den Transversalgrundmoden; diese Eigenschaft ist in einigen Anwendungsfällen sehr erwünscht ('. B. in einem Nachrichtensystem zur Verminderung der Probleme der optischen Kopplung zwischen optischen Elementen). Wie bereits erwähnt, bringt aber ein schmales d eine hohe Leistungsdichte mit sich, die in einigen Fällen die Gesamtleistungsaufnahmefähigkeit des Lasers in unerwünschtem Maße begrenzt.
Andererseits kann bei einem gegebenen dem kleines r. Δ des Transversalgrundmoden erhalten, jedoch Moden höherer Ordnung unterdrücken. Diese Art der Modendiskriminierung entsteht, da sich das elektrische Feld der Transversalmoden höherer Ordnung weiter in die stärker verlustbehaftete inaktive Zone jenseits der HeteroÜbergänge erstreckt. Da die Ausläufer für Moden höherer Ordnung größer als für den Grundmoden sind, können die Moden höherer Ordnung einem so viel stärkeren Absorptionsverlust unterliegen, daß sie überhaupt nicht mehr schwingen. 4ri
Die Aufgabe besteht jedoch darin, die verschieden widerstreitenden Faktoren so zu steuern, daß höhere Leistung im Transversalgrundmodenbetrieb erzielbar und mit dem Eriordernis niedriger Schwellenwerte für einen Dauerstrichbetrieb bei Zimmertemperatur ver- w einbar wird.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung erläutert.
In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 den Schichtaufbau des DDH-Lasers entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 2 bis 5 das Energiebandabstandsptofil, das Brechungsindexprofil, die optische Feldverteilung bzw. die Leistungsverteilung im Laser nach Fig. 1, und
F i g. 6 eine sehemalische Schrägansicht des auf einem Kühlkörper angeordneten DDH-Lasers nach Fi g. I.
Im Prinzip handelt es sich also um einen DDH-HaIblciterinjektionslaser, dessen Halbleiterkörper einen ersten und /weiten Heteroubergang aufweist, welche /wischen sich eine erste aktive Zone der Dicke c/i /um Eingrenzen der optischen Rckombinationssirahlung definieren, ferner einen dritten und vierten Heteroübergang aufweist, welche eine zweite aktive Zone der Dicke i/> zur Eingrenzung der injizierten Ladungsträger definieren, wobei die zweite Zone zentral innerhalb der ersten Zone angeordnet ist, und schließlich einen pn-Übergang im Inneren der zweiten Zone aufweist. Die Größe der BrechungsindexMufen zin und Au am ersten bzw. zweiten HeteroÜbergang erfüllen dabei angenähert die Beziehungen Andr = 0,1 μητ2 = zlijJr-
Um die verschiedenen konkurrierenden Effekte auszugleichen, wird im einzelnen wie folgt verfahren:
Als erstes macht man wie bei der älteren DE-PS 21 65 006 die Höhen Δ>\ und/I2?der Brechungsindexstufen am dritten und vierten HeteroÜbergang groß genug, um die injizierten Ladungsträger auf die zweite aktive Zone zu begrenzen, aber genügend klein, um dem optischen Feld die Möglichkeit zu geben, über die zweite aktive Zone hinaus in die erste aktive Zone, welche als Wellenleiter wirkt, einzudringen. Die so eingegrenzten Ladungsträger werden eine hohe Verstärkung und niedrige Schwellenwerte hervorrufen. Andererseits verringert die Verteilung des optischen Feldes auf die breitere erste aktivi; Zone die Leistungsdichte.
Als /weites ordnet man die /weite aktive Zone zentral in der ersten aktiven Zone an und verringert dadurch die Ladungsträger/Photonen-Kopplung für Transverdalmodeii ungerader Ordnung, deren Leistungsverteilung außerhalb des Zentrums der aktiven Zonen konzentriert ist.
Als drittes wählt man die Dicke d\ der ersten aktiven Zone relativ groß, um die Wahrscheinlichkeil, daß die Leistungsdichte in den aktiven Zonen zu maßgeblichen Schaden führt, herabzusetzen.
Als viertes schließlich wählt man die Brechungsindexstufen Δ\\ und Au so, daß sie angenähert die Beziehung /lnc/r = 0,1 μίτι2 = <di>c/i2 erfüllen. Dieses bewirkt, daß die Ausläufer des optischen Feldes für Moden höherer Ordnung größer als für den Grundmoden sind, so daß die Moden höherer Ordnung größere Absorptionsvcrluste erfahren.
Die Kombination des ersten und dritten Merkmals verringert al.'o die Leistungsdichten und erhöht dadurch die Leistungsaufnahmefähigkeil des Lasers, und die Kombination des zweiten und vierten Merkmals bewirkt, daß Moden höherer Ordnung wegen der verminderten Kopplung und der erhöhten Absorptionsverluste bzw. Dämpfung unterdrückt werden, ohne daß ein schmales d\ verwendet werden muß. Ein schmales d\ könnte zwar die Schwingung auf den Grundmoden beschränken, würde aber zu hohe Leistungsdichten hervorrufen.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des vorliegenden DDH-Lasers sind auf einem n-leitenden GaAs-Substrat 12 die folgenden Schichten in der angegebenen Reihenfolge epitaktisch aufgewachsen:
eine η-leitende AI»Gai _ ,As-Schicht 14,
eine η-leitende AI^Gai _ ,As-Schicht 15 mit y < v,
eine GaAs-oder Al,Gai-,-As-Schicht 17 mit r < y, eine p-leitende AI,Gai_ ,,As-Schicht 19 mit r < q und
eine p-leitende Al/Gai ,As-Schicht 18 mit q < /.
Zwei Hetcroübergänge 20 und 22 liegen an den Grenzflächen zwischen den Schichten 14 und 15 bzw. den Schichten 18 und 19, und zwei weitere Heteroüber-
gange 21 und 23 sind ;ιη den Grenzflächen /wischen den Schichten 15 und 17 bzw. /wischen den Schichten 17 und 19 Mirhiinden. Hin pn-übergang Il befindet sich /wischen den Hctcroiibcrgiingcn 21 und 23. Der Einfachheit halber sind die erforderlichen Anschlüsse des DDII-Lasers nicht dargestellt.
Den HeteroÜbergängen 21 und 23 sind eine Stufe A;\ bzw. d;) im Brechungsindexprofil (F ig. 3) und eine Stufe 2U) bzw. 236 im Lnergiebandabslandsprofil ([rig. 2) zugeordnet. Die [:.nergiestufc erzeugt ein elektrisches leid, das die Elektronen am HeteroÜbergang 23 und die Löcher am HeteroÜbergang 21 reflektiert. Dadurch werden die injizierten Ladungsträger auf die zweite aktive Zone 17 der Dicke cfc eingegrenzt. Den Hetcroübergängen 20 und 22 sind eine Stufe du bzw.zli2 im Brechungsindexprofü (Fig. J) zugeordnet. Diese Stufen bilden einen optischen Wellenleiter und grenzen die optische Strahlung auf die von den Hetcroübergängen 20 und 22 begrenzte erste aktive Zone (der Dicke d,) ein. die von den HeteroÜbergängen 20 und 22 begrenzt wird.
Der Einfachheit halber sind vorliegend die Brechungsindexstufcn /I21 und ^22 als je gleich Δ2 angenommen. Sie können aber auch ungleich sein. In ähnlicher Weise sind vorliegend die Brechungsindexstufcn^ii und Δ\ ? als je gleicht 1 angenommen.
Line qualitative Analyse des vorliegenden DDH-Lasers ergibt folgendes. Die verschiedenen Parameter des DDH-Lasers, du d?, Δ\ und Δ2 sind so gewählt, daß eine hohe Leistung im Transversalgrundmodenbctrieb bei niedrigen Zimmertemperaturschwellenwerten erreicht werden. Im einzelnen wird Δι genügend groß gemacht, um die injizierten Löcher und Elektronen auf die zweite aktive Zone zu begrenzen (Fig. 2). wobei Jj jedoch ausreichend klein ist. um dem optischen Feld das Lindrigen in die erste aktive Zone (Fi g. 4) jenseits der HiMcroübergängc 21 und 23 zu ermöglichen. Diese breitere Verteilung des optischen Feldes vermindert die Leistungsdichte und verringert die Wahrscheinlichkeit bleibender Schaden. Andererseits ist die Dicke c/_· der /weiten aktiven Zone genügend klein, um zu höheren l.adungsträgerkonzcntrctionen in der zweiten aktiven Zone und damit zu höheren Verstärkungen und niedrigeren Schwellenwerten zu führen. So kann J> wenige Prozent des Brechungsindex von GaAs bei einem (JaAs-GaAIAs-DDH sein.
Kntsprechend der Größe von Δι zum Verteilen des optischen Feldes mach man die Dicke d\ der ersten aktiven Zone genügend groß, um die Leistungsdichte innerhalb der Grenzen zu halten, bei denen eine bleibende Beschädigung vermieden wird. Beispielsweise liegt d\ im Bereich von etwa 1 bis ΙΟμηι. der im Vergleich zu den meisten DH-Lasern mit aktiven Zonen von etwa 1.0 um oder geringerer Dicke relativ groß ist. Die Verwendung eines relativ großen d\ kann jedoch das Schwingen von Transversalmoden höherer Ordnung ermöglichen. Um diese Moden zu unterdrücken und die Schwingung auf den Transversalgrundmoden zu beschränken, trifft man zwei Maßnahmen.
Als erstes wird darauf geachtet, daß die Leistung des Grundmoden im Zentrum der ersten aktiven Zone in der in F i g. 5 dargestellten Weise konzentriert wird, während die Leistung der Moden ungerader Ordnung im Zentrum klein ist und in Richtung der Hctcroübergänge 20 und 22 groß ist. Dazu wird die die Ladungsträger begrenzende zweite aktive Zone zentral in der die Photonen begrenzenden ersten aktiven Zone angeordnet. Demgemäß isi die Ladungsträger-Photonen-Kupplung für ilen Grundmodell großer als für «.lic Moden ungerader Ordnung. Die Verringerung der Kopplung für solche Moden höherer Ordnung bedeutet, daß diese Moden eine geringere Verstärkung erfahren und daher im stärkerem Maße als der Giundmodc unterdrückt weiden können.
Als /weites können die Moden höherer Ordnung, und /war sowohl diejenigen ungerader Ordnung als auch diejenigen gerader Ordnung, dadurch slärker unterdrückt werden, daß die Brechungsindexstufe Δ, (ür ein vorgegebenes d\ klein gemacht wird; d.h. so. daß angenähert A\d\2 = 0,1 \im} gilt. Wie zuvor erwähnt, ist diese Bedingung auf die Größe der Ausläufer der Modenfelder bezogen, welche sich über die HeteroÜbergänge 20 und 22 in die Zonen 14 und 16, die die höheren optischen Absorptionsveriuste haben, hinein erstrecken. Außerdem bezieht sich diese Bedingung auf die Tatsache, daß ein kleineres Δ\ erforderlich ist, um den Grundmoden stärker als die Moden höherer Ordnung einzugrenzen. Daher wird nach einer zur Erzeugung zulässiger Leistungsdichten getroffenen Wahl von d\ die Größe Δι aus der zuvor erwähnten Gleichung bestimmt, um die Moden höherer Ordnung zu unierdrücken.
Fig. 6 zeigt den mehrschichtigen DDH-Laser der Fig. 1 auf einem Kühlkörper bzw. einer Wärmesenke montiert. Der Laser kann gepulst oder im Dauerstrichbetrieb bei Zimmertemperatur betrieben werden. Mater-ilicn und Abmessungen dieses Lasers sind z. B. die folgenden:
Der DDH-Laser besitzt ein n-lcitcndcs etwa 0.076 bis 0,102 mm dickes GaAs-Substrat 12, auf dem die folgenden epitaktischen Schichten bzw. Zonen aufgebaut sind: eine etwa 3 μηι dicke AI,Gai ,As-Schicht 14. eine etwa 3 [im dicke erste aktive Zone aus den Schichten 15,17,19 zwischen den Hetcroübcrgängen 20 und 22. eine typischerweise 0.2 (im dicke Schicht 17 als die zweite aktive Zone zwischen den Hcieroübcrgängen 21 und 23 und eine I μπι dicke p-leitendc AI1Ga, ,As-Schicht 18. Im Regelfall sind die Schicht 15 η-leitend, die Schicht 19 p-lcitend und die Schicht 17 p-leitcnd. η-leitend oder kompensiert.
Vor dem Niederschlagen eines metallischen Kontaktes 25 auf dem n-lcitcndcn Substrat 12 läßt man eine weitere p-lcitende GaAs-Schicht (nicht dargestellt) auf die p-lcilcndcn AI,G:ii ,As-Schicht 18 aufwachsen und danach einen Akzeptor (/. B. Zink) in diese weitere Schicht cindiffundicrcn. um eine schmale (z. B. 0,2 μηι starke) ρ · -Schicht (nicht dargestellt) zur Herstellung eines guten ohmschen Kontaktes zu bilden. Auf der p-lcitcnden Schicht 18 ist eine Oxidschicht 27 niedergeschlagen, in die man einen langgestreckten Kanal nach photoliihographischen Methoden einätzt, um einen streifenförmigen elektrischen Kontakt nach dem Niederschlagen einer Metallschicht 29 zu erhalten.
Die Stirnflächen 31 und 33 des Bauelementes sind Spaltflächen oder optisch planpoliert und verlaufen rechtwinklig zum pn-Übergang (nicht gezeigt), um den Resonator des lasers zu bilden. Die Diode ist beispielsweise etwa 400 μπι lang und 80 μπι breit. Line der Stirnflächen ist praktisch totalrcflcktiercndiz. B. die Stirnfläche 33). während die andere teildurchlässig ist. um die kohärente Strahlung auskoppeln zu können.
Die Lascrdiode wird in bekannter Weise mit Gleichstrom oberhalb der Schwcllenwcrtstromdichtc für stimulierte Emission in Durchlaßrichtung betrieben. Für gepulsten oder Dauerstrichbclrieb bei Raumtemperatur oder darüber kann, wie dargestellt, der Kontakt 29 an einem metallisierten {/. B. verzinkten) Diamanten 35
hoher Wärmeleitfähigkeit angebracht sein, wobei letzterer auf einem verzinkten Kupfer-Kühlkörper 37 befestigt ist. Wegen der mit der vollständigen Verzinnung des gesamten Diamanten 35 verbundenen Schwierigkeit können Golddrähte 39 (Durchmesser etwa 25 μπι) verwendet werden, um die verzinkte Oberseite 41 des Diamanten mit dem Kühlkörper bzw. der Wärmesenke 37 zu verbinden. Bei niedrigen Schwellenwertstromdichten (z. B. 3000 A/cm2) kann der Diamant fortgelassen und die Diode direkt auf dem Kupfer-Kühlkörper befestigt werden. Außerdem kann eine verbesserte Wärmeabfuhr dadurch erreicht werden, daß die Diode zwischen zwei Kühlkörpern eingebaut wird.
Bei der Herstellung des DDH-Lasers können entweder das Fiüssigphasen-Epitaxieverfahren oder das
Molekularstrahl-Epitaxieverfahren angewandt werden.
Die aktiven Zonen können symmetrisch ausgeführt worden; d. h. die Energiestufen 206 und 22b sind dann (unter Bildung eines symmetrischen Wellenleiters) gleich groß, ebenso auch die Energeistufen 21 b und 23b. Dieses bedeutet für die Materialzusammensetzung, daß y == q < χ a ζ einzuhalten ist.
Außerdem sollte darauf geachtet werden, daß /32i und An genügend groß gemacht werden, damit die Frequenz der Laserstrahlung nicht zu nahe bei der Absorptionskante der benachbarten inaktiven Zonen liegt. Anderenfalls könnten die Absorptionsverluste unerwünscht groß werden.
Auch andere Halbleitermaterialien, z. B. In^Gai-xAs, GaAsi_,P» oder GaAs,-,Sb». können anstelle von GaAs-AIGaAs verwendet werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentansprüche:
    I. \ lalbleiter-lnjektionslaser mit
    einem mehrschichtigen Halbleiterkörper, der aneinander angrenzende Epitaxieschichten in der angegebenen Reihenfolge aufweist:
    — eine erste, η-leitende Sicht (14) breiten Bandabstandes.
    — eine zweite Schicht (15), deren Bandabstand schmaler als der der ersten ist,
    — eine dritte Schicht (17), deren Bandabstand schmaler als der der zweiten ist,
    — eine vierte Schicht (19), deren Bandabstand breiter als der der dritten ist, und
    — eine fünfte Schicht (18). deren Bandabstand breiter als der der vierten ist,
    einem an der Grenzfläche zwischen erster und /weiter Schicht (14, 15) gebildeten ersten HeteroÜbergang (20) und
    einem an der Grenzfläche zwischen vierter und fünfter Schicht (19, 18) gebildeten zweiten HeteroÜbergang (22),
    wobei
    — der erste und der zweite HeteroÜbergang um den Abstand d; auseinanderliegen und
    — an diesen beiden HeteroÜbergängen (20, 22) je eine Brechungsindexstufe Δ·\ bzw. Δ\2 vorhanden ist,
    einem an der Grenzfläche zwischen zweiter und dritter Schicht (15, 17) gebildeten dritten HeteroÜbergang (21) und
    einem an der Grenzfläche zwischen dritter und vierter Schicht (17, 19) gebildeten vierten I leteroübergang (23),
    wobei
    — der dritte und vierte HeteroÜbergang um den Abstand di auseinanderliegen und
    — an diesen beiden HeteroÜbergängen je eine Brechungsindexstufe A~\ bzw. An vorhanden ist, und
    einem zwischen dem dritten und vierten HeteroÜbergang (21, 2.3) gelegenen pn-Über-
DE2236410A 1971-07-27 1972-07-25 Halbleiter-Injektionslaser Withdrawn DE2236410B2 (de)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16637071A 1971-07-27 1971-07-27

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE2236410A1 DE2236410A1 (de) 1973-02-08
DE2236410B2 true DE2236410B2 (de) 1981-06-25

Family

ID=22603003

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE2236410A Withdrawn DE2236410B2 (de) 1971-07-27 1972-07-25 Halbleiter-Injektionslaser

Country Status (8)

Country Link
US (1) US3733561A (de)
BE (1) BE786751A (de)
DE (1) DE2236410B2 (de)
FR (1) FR2147215B1 (de)
GB (1) GB1398635A (de)
IT (1) IT964783B (de)
NL (1) NL7210231A (de)
SE (1) SE378717B (de)

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5411117B2 (de) * 1972-02-23 1979-05-11
US3855607A (en) * 1973-05-29 1974-12-17 Rca Corp Semiconductor injection laser with reduced divergence of emitted beam
US3838359A (en) * 1973-11-23 1974-09-24 Bell Telephone Labor Inc Gain asymmetry in heterostructure junction lasers operating in a fundamental transverse mode
GB1500156A (en) * 1974-09-06 1978-02-08 Rca Corp Semiconductor injection laser
US3975555A (en) * 1975-02-12 1976-08-17 Rca Corporation Method of making electrical contacts having a low optical absorption
JPS51146196A (en) * 1975-06-11 1976-12-15 Hitachi Ltd Diode laser
US4055443A (en) * 1975-06-19 1977-10-25 Jury Stepanovich Akimov Method for producing semiconductor matrix of light-emitting elements utilizing ion implantation and diffusion heating
US4077019A (en) * 1976-01-05 1978-02-28 Xerox Corporation Transverse mode control in double-heterostructure lasers utilizing substrate loss
US4210878A (en) * 1976-01-20 1980-07-01 Nippon Electric Co., Ltd. Semiconductor laser element having a unitary film on a laser crystal and a heat sink thereof
US4065729A (en) * 1976-04-16 1977-12-27 California Institute Of Technology Monolithic PNPN injection laser optical repeater
GB1569369A (en) * 1977-04-01 1980-06-11 Standard Telephones Cables Ltd Injection lasers
US4317085A (en) * 1979-09-12 1982-02-23 Xerox Corporation Channeled mesa laser
US4340967A (en) * 1980-06-02 1982-07-20 Bell Telephone Laboratories, Incorporated Semiconductor lasers with stable higher-order modes parallel to the junction plane
US4736173A (en) * 1983-06-30 1988-04-05 Hughes Aircraft Company Thermally-compensated microwave resonator utilizing current-null segmentation
US4864369A (en) * 1988-07-05 1989-09-05 Hewlett-Packard Company P-side up double heterojunction AlGaAs light-emitting diode
RO102871B1 (en) * 1990-04-20 1993-08-16 Inst De Fizica Si Tehnologia M High power laser diode
US6996150B1 (en) 1994-09-14 2006-02-07 Rohm Co., Ltd. Semiconductor light emitting device and manufacturing method therefor

Also Published As

Publication number Publication date
IT964783B (it) 1974-01-31
SE378717B (de) 1975-09-08
DE2236410A1 (de) 1973-02-08
US3733561A (en) 1973-05-15
FR2147215B1 (de) 1977-04-01
NL7210231A (de) 1973-01-30
FR2147215A1 (de) 1973-03-09
BE786751A (fr) 1972-11-16
GB1398635A (en) 1975-06-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE4135813C2 (de) Oberflächenemittierende Halbleiter-Laservorrichtung
DE2165006C3 (de) Halbleiterlaser
DE2454733C2 (de) Halbleiterlaser
DE4310578C2 (de) Wellenlängenabstimmbarer Halbleiterlaser
DE2236410B2 (de) Halbleiter-Injektionslaser
DE2710813A1 (de) Heterostruktur-halbleiterlaser
DE2643503C3 (de) Verfahren zur Herstellung eines Injektionslasers
DE2120464B2 (de) Heterostruktur-Halbleiterdiode mit pn-übergang zur Verwendung als Injektionslaser
DE2747371C3 (de) Halbleiterlaser
DE2716750A1 (de) Halbleiterlaser
DE2822146C2 (de) Heterostruktur-Halbleiterlaserdiode und Verfahren zur Herstellung einer Heterostruktur-Halbleiterdiode
DE3036431A1 (de) Halbleiterlaser
DE3410793A1 (de) Halbleiter-laservorrichtung
DE2653382A1 (de) Wellungsgekoppelter doppelwellenleiter-laser
DE2526118A1 (de) Halbleiterlaser und verfahren zu seiner herstellung
DE3231579A1 (de) Halbleiterlaser
DE2626775C2 (de) Diodenlaser mit Heteroübergang
DE2808508A1 (de) Halbleiterbauelement
DE3736497A1 (de) Halbleiterlaser und verfahren zu seiner herstellung
DE2925648A1 (de) Anordnung zum erzeugen oder verstaerken kohaerenter elektromagnetischer strahlung und verfahren zur herstellung der anordnung
DE2160005A1 (de) Halbleiter-Injektionslaser
DE4429586A1 (de) DFB-Halbleiterlaser und Verfahren zu seiner Herstellung
DE4116530A1 (de) Laserdiodenaufbau und verfahren zur herstellung desselben
DE2447536C2 (de) Halbleiterlaser
DE3221497A1 (de) Stabilisierter halbleiterlaser

Legal Events

Date Code Title Description
OD Request for examination
8230 Patent withdrawn