DE2312162B2

DE2312162B2 - Halbleiterlaserplaettchen und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2312162B2
Application number: DE19732312162
Authority: DE
Inventors: Toshihisa Musashino; Chinone Naoki Kokubunji; Nakamura Satoshi; Ito Ryoichi; Hachioji; Tsukada (Japan)
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1972-03-13
Filing date: 1973-03-12
Publication date: 1977-07-14
Also published as: JPS5321275B2; GB1419695A; NL7303449A; DE2312162A1; JPS4894378A; NL159536B; DE2312162C3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterlaserplältchen aus einem mehrlagigen Halbleiterkristall mit einer laseraktiven Schicht, einer mesageätzten Kristalloberfläche, die die aktive Schicht unter Bildung eines Mesastreifens über der aktiven Schicht ungeätzt bestehen läßt, wobei der Mesaslreifen senkrecht zu den parallelen Endflächen des Kristalls liegt und jede dieser Endflächen eine Reflexionsfläche für einen in der aktiven Schicht erzeugten Laserstrahl aufweist, ferner mit einer ersten, auf die Oberfläche des Mesastreifens

ίο aufgebrachten leitenden Schicht und einer zweiten, auf die dem Mesastreifen entgegengesetzte Oberfläche des Kristalls aufgebrachten leitenden Schicht, Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Halbleiterlaserplättchens.

Ein Halbleiterpiättchen der genannten Art ist aus der CH-PS 4 35 478 bekannt. Bei diesem Halbleiterpiättchen läßt sich der Anregungsstrom durch zwei Hilfselektrode!!, die an einem geeigneten Potential liegen, auf einen schmalen Streifen begrenzen. Da aber

keine Maßnahmen vorgesehen sind, welche die Rekombinationszone für die Ladungsträger und die Ausbreitungszone für das Licht in einer Richtung senkrecht zum PN-Übergang begrenzen, ist der Schwellenstrom dieser Halbleiterlaser sehr hoch.

Es ist allgemein bekannt, daß das Aufkommen von Doppelheterostruktur-Lasern es ermöglichte, die Schwellenstromdichte merklich zu reduzieren, die für den Laserbetrieb erforderlich ist, und einen kontinuierlichen Betrieb bei Raumtemperatur zu verwirklichen. Der Begriff »Doppelheterostruktur« bezieht sich auf einen solchen Aufbau, bei dem eine Aktivschicht in der Form z. B. einer Schicht von P-GaAs laminatartig zwischen einer N-GaAlAs-Schicht und einer P-GaAlAs-Schicht angeordnet ist, um ein Paar von HeteroÜbergängen dazwischen zu bilden (Bell Lab. Rcc. 49 [1971] 10, S. 398 bis 403). Ein Aufbau, bei dem eine aktive Schicht in der Form einer Schicht aus Ga, _jALAs zwischen Schichten aus Gai-,Al_lAs(y<x_/) liegt, enthält ebenfalls ein Paar von HeteroÜbergängen.

Ein Laseraufbeu, bei dem Elektroden lediglich an den gegenüberliegenden Endflächen eines Doppelheterostruktur Kristalls niedergeschlagen sind, gibt einen Laserstrahl ab, der hinsichtlich seiner monochromatischen Eigenschaft und Kohärenz infolge des Vorliegens einer geringen Ungleichmäßigkeit des Kristallgefüges nicht befriedigend ist. Günstiger ist hier ein Streifenlaser (Bell Lab. Rec. 49 [1971] 10, S. 298 bis 304). Dieser Laser hat folgenden Aufbau: Eine elektrische Isolierschicht wird auf eine Oberfläche eines Doppelheterostruktur-Kristalls aufgebracht, ein schmaler Streifenteil dieser Isolierschicht wird durch Ätzen in seiner Richtung senkrecht zur Spaltebene des Kristalls entfernt, und eine Metallschicht wird auf die Isolierschicht zwecks Kontaktierung der Kristalloberfläche in dem genannten schmalen Streifenteil aufgedampft. Bei einem solchen Aufbau fließt während des Laserbetriebs Strom in Streifenform durch die aktive Schicht und führt zu einer Verringerung der Laserfläche. So strahlt dieser Laser einen Laserstrahl von besseren optischen Eigenschaften aus, als wenn der Strom durch die gesamte aktive Schicht fließt. Andererseits führt ein Versuch, die Breite der Streifenelektrode im Kontakt mit der Kristalloberfläche bei diesem Laseraufbau zu verengen, zu einem erheblichen Anstieg der Schwellenstromdichte, die für den Laservorgang benötigt wird. Dies ist folgenden Umständen zuzuschreiben: Der durch die aktive Schicht in Streifenform fließende Strom hat eine derartige Intensitätsverteilung in der Querrichtung, daß die

Stromdichte in den entgegengesetzten Enden in der Querrichtung des Streifens benachbarten Teilen am niedrigsten ist. So trägt der Strom in diesen Teilen zum Laservorgang nicht bei und ist zur Erzeugung eines Laserstrahls wegen der hier niedrigen Stromdichte unwirksam. Je schmaler die Breite der St:eifenelektrode gemacht wird, um so größer ist der Grad der Divergenz des Stromes in der aktiven Schicht, und ein um so stärkerer Strom ist infolge des Anstiegs der nutzlos verschwendeten Stromanteile für den Laservorgang erforderlich.

Aus der GB-PS 12 58 360 ist ein Halbleiterlaserplättchen mit wenigstens einem HeteroÜbergang und einer daran angrenzenden laseraktiven Schicht bekannt, bei dem durch Nuten im Halbleiterkörper eine seitliche Strombegrenzung auf einen Streifen bewirkt wird. An den Grenzflächen zu den Nuten treten unerwünschte Reflexionen des erzeugten Lichts auf, die zu einer Vielzahl angeregter Schwingungsformen führen. Deshalb ist der Schwellenstrom dieses Halbleiterlasers verhältnismäßig hoch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein HalbleiterlaserpläUchen der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß es eine niedrigere Schwellenstromdichte als die bekannten HalbleiterlaserpläUchen aufweist und einen Laserstrahl mit einer einzigen Schwingungsart und mit einem hohen Polarisationsgrad innerhalb eines weiten Strombereichs ermöglicht. Daneben liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleiterlaserplättchens anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der mehrlagige Halbleiterkristall wenigstens einen HeteroÜbergang enthält, an den die laseraktive Schicht angrenzt, und daß der Boden des Mesas parallel zur laseraktiven Schicht und in einem Abstand von weniger als 0,5 μίτι von dieser angeordnet ist.

Vorteilhafte Verfahren zum Herstellen solcher HalbleiterlaserpläUchen sind in den Ansprüchen 2 und 3 angegeben.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß wesentlich für die Erfindung die Talsache ist, daß nur die Kristallschichten, die über der aktiven Schicht liegen, dem Mesaätzen unterworfen werden und daß auf die aktive Schicht kein Mesaätzen angewandt wird. Gemäß diesem Aufbau fließt von dem darüber gebildeten Mesa injizierter Strom in die aktive Schicht in einer divergierenden Weise, jedoch ist das Ausmaß der Stromdivergenz weit geringer als im Fall des bekannten Streifengeometrielasers, da das Mesa in direkter Berührung mit der aktiven Schicht ist. Die Stromdiverganz ist sehr gering, auch wenn das auf der aktiven Schicht gebildete Mesa eine geringe Breite in der Größenordnung von 10 μιη hat. So kann der Laser gemäß der Erfindung einen Laserstrahl mit einer geringen Schwellenstromdichte im Vergleich mit der des bekannten Mesageometrielasers erzeugen. Weiter gibt es gemäß dem Aufbau nach der Erfindung, wonach kein Mesaätzen auf die aktive Schicht angewandt wird, nur einen sehr geringen Unterschied zwischen dem 6ü Brechungsindex des aktiven Schichueils, in dem Strom zur Erzeugung des Laserstrahls fließt, und dem Brechungsindex des aktiven Schichueils, in dem kein Strom fließt. Dagegen gibt es beim bekannten Mesageometrielaser, bei dem die aktive Schicht seitlich ft.s durch Nuten begrenzt wird, einen großen Unterschied zwischen den Brechungsindizes aufgrund der Tatsache, daß die Seitenflächen der aktiven Schicht, die den Laserstrahl erzeugt, in Berührung mit Luft oder hinein Isolierfilm sind. Wie an Hand der im folgenden beschriebenen Versuchsergebnisse zeigt, übt der geringe Unterschied zwischen den Brechungsindizes beim Aufbau gemäß der Erfindung einen guten Einfluß auf die optischen Eigenschaften des Lasers aus und erleichtert die Abgabe des Laserstrahls einer einzigen .Schwingungsart und mit hohem Polarisationsgrad.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der Zeichnung näher erläutert; darin zeigt

F i g. I eine schematische Perspektivansicht eines Ausführungsbeispiels des Laserplättchens gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen schematischen Vertikalschnitt eines beim Ausfühlungsbeispiel nach Fig. 1 verwendeten Doppelheterostrukturkristalls,

F i g. 3a bis 3f schematische Schnittansichten zur Erläuterung aufeinanderfolgender Schritte zur Herstellung des in F i g. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels,

Fig.4 eine schematische Perspektivansicht eines anderen Ausführungsbeispiels des Laserplättchens gemäß der Erfindung,

F i g. 5 eine schematische Perspektivansicht eines bekannten Streifengeometrielasers;

Fig.6 eine schematische Perspektivansicht eines

Mesastreifengeometrie-Doppelheterostrukturlasers
(HMS-Lasers, der ähnlich aufgebaut ist wie der aus der GB-PS 12 58 360 bekannte Laser,

F i g. 7 ein Diagramm zur Erläuterung der Schwellenstromdichte in Beziehung zur Bandbreite der bekannten Laser und des Lasers gemäß F i g. 1 oder 4,

Fig.8 ein Spektraldiagramm zur Erläuterung des Emissionsspektrums des Lasers gemäß F i g. 1 oder 4,

Fig.9 ein Spektraldiagramm zur Erläuterung des Emissionsspektrums des in Fig.6 dargestellten HMS-Lasers;

Fig. 10 ein Diagramm zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Polarisation und dem Strom bei dem in F i g. 6 dargestellten HMS-Laser, und

F i g. 11 ein Diagramm zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Polarisation und dem Strom beim Laser gemäß Fig. 1 oder4.

In Fig. 1, die schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, erkennt man eine aufgedampfte Metallschicht 9, die auf einer Oberfläche eines Kristalls niedergeschlagen ist, der aus einer p-GaAs-Schicht 1, einer p-GaAlAs-Schicht 2, einer p-GaAs-Schicht (aktive Schicht) 3, einer n-GaAIAs-Schicht 4 und einer n-GaAs-Unterlage 5 besteht. Eine elektrische Isolierschicht 7, die eine Phospho-Silikatgiasschicht sein kann, ist auf der Kristalloberfläche entgegengesetzt zur Oberfläche niedergeschlagen, auf der die Metallschicht 9 abgeschieden ist, und eine aufgedampfte Metallschicht 6 ist auf der Isolierschicht 7 abgeschieden. Die Schichten 1 und 2 sind mesageätzt, um einen schmalen Mesastreifen übrig zu lassen. Ein Paar von Räumen 8 ist an entgegengesetzten Seiten der Schicht 2 während des selektiven Ätzens an der Schicht 2 gebildet, wie noch beschrieben wird. Weiter ist ein Streifenteil der Isolierschicht 7, der über der Schicht 1 liegt, durch eine Photo-Resist-Ätztechnik entfernt, und die Metallschicht 6 ist in diesem Streifenteil im Kontakt mit der Schicht 1. Die aufgedampften Metallschichten 6 und 9 dienen als Elektrodenschichten. Man erkennt außerdem die als Reflexionsflächen dienenden parallelen Kristallendflächen 10.

Das Halbleiterplättchen mit vorstehendem Aufbau wird in folgender Weise hergestellt: Gemäß F i g. 2, die

in einem schematischen Vertikalschnitt den Aufbau eines Doppelheterostruktur-Kristalls zeigt, wie er für das obige Ausführungsbeispiel verwendet wird, läßt man eine n-Gao,7Alo,3As-Schicht4(worin das Dotiermittel Te ist), eine p-GaAs-Schicht 3 (worin das Dotiermittel Si ist), eine p-Gao,7Alo.3As-Schicht 2 (worin das Dotiermittel Zn ist) und eine p-GaAs-Schicht 1 (worin das Dotiermittel Zn ist) nacheinander auf einer n-GaAs-Unter!age 5 nach einem Flüssigphasen-Epitaxialverfahren aufwachsen. Zink läßt man von einer der Oberflächen des Kristalls in eine Tiefe von etwa 0,7 μιη zur Bildung einer p⁺-Schicht in der Kristalloberfläche eindiffundieren. Eine Phospho-Silikatglasschicht 11 wird dann auf der Oberfläche der Schicht 1 nach einem chemischen Dampfabscheideverfahren niedergeschlagen.

In den Fig.3a bis 3f sind die aufeinanderfolgenden Verfahrensschritte zur Herstellung des Laseraufbaus in schematischem Vertikalschnitt veranschaulicht. Man wendet ein Photoätzen auf die Phospho-Silikatglasschicht 11 an, damit ein Streifenteil übrigbleibt, der eine Breite von z. B. 13 μΐη, 20 μιτι oder 40 μπι hat und sich in einer zur Spallebene des Kristalls senkrechten Richtung erstreckt, wie Fig.3a andeutet. Diese Spaltebene ist in diesem Fall die (1 IO)-Ebene. Die Kristalloberfläche mit dem Streifen aus der Phospho-Silikatglasschicht Il darauf wird dann dem Mesaätzen mit einem ÄtzmittcY-^ unterworfen, das eine 4:1 :1-Mischung von H2SO4, H₂O₂ und H₂O sein kann, bis die freiliegenden Teile der Schicht 1 völlig entfernt und Teile der Schicht 2 etwas entfernt sind. Die zum Ätzen erforderliche Zeitdauer beträgt eine Minute und einen Bruchteil einer Minute, wenn die Dicke der Schicht 1 2 μιτι ist, wobei diese Zeitdauer in Abhängigkeit von der Dicke der Schicht 1 schwankt. Fig.3b zeigt den Zustand des Kristalls nach dem Schritt des Ätzens mit diesem Ätzmittel. Dieser Kristall wird dann in ein Ätzmittel eingetaucht, das eine I : 1-Mischung von HF und H₂O sein kann, so daß die freiliegenden Teile der p-GacuAlo.jAs-Schicht 2 weggeätzt werden.

GaAIAs wird durch Flußsäurc oder verdünnte Flußsäiirc geätzt, GaAs durch eine solche Säure dagegen nicht. Daher tritt an der p-GuAs-Schicht 3, die die aktive Schicht ist, kein Ätzen auf. so daß die Schicht 3 ungcätzt bleibt. Während des Ätzens mit diesem Ätzmittel wird die Schicht 2 im Strcifcnmcsu einem Scitcnätzcn unterworfen, wobei sich ein Aufbau ergibt, bei dem die Kristallschicht 1 über die darunterliegende Schicht 2 vorragt. Die Schicht U wird ebenfalls durch dasselbe Ätzmittel entfernt. F i g. 3c zeigt den Zustund des Kristalls nach dem Schritt des Ätzens mit dem aus HF und HjO bestehenden Ätzmittel. Der Aufbau, bei dem die Kristallschicht 1 über die darunterliegende Schicht 2 vorragt, bringi den Vorteil, daß die Oberfläche, die sich zum Niederschlagen einer Elektro· de 6 auf der Kristallschicht 1 in einem spateren Schritt selektiver Aufdampfung von Metall ausnutzen läßt, eine größere Breite als die wirksame Breite der aktiven Zone des Streifenmusters aufweist und sich die Herstellung dadurch erleichtern läßt.

Ein elektrischer Isolierstoff 7, der Phospho-Silikatglas sein kann, wird wiederum auf die Mesaseitenoberfläche des Kristalls mit dem vorstehend erläuterten Aufbau aufgebracht, wie FI g. 3d zeigt. Ein Streifenteil dieses Phospho-Silikatglasfilms 7, der die Kristallschicht 1 fts bedeckt, wird selektiv entfernt, wie In Flg.3e angedeutet ist. Die Breite des entfernten Teils des Isolierfilms 7 wurde mit 4 μηι, ΙΟμιη oder 30μηι gewählt, wenn die Breite des Streifenmesateils 13 μΐη bzw. 20 μιη bzw. 40 μΐη war. Der Kristall muß eine erhebliche Dicke (in diesem Ausführungsbeispiel etwa 400 μιτι) haben, damit er den Ätzschritten einschließlich des vorstehend beschriebenen Photoätzschrittes unterworfen werden kann. Nach dem in Fig.3e angedeuteten Schritt wird die Unterseite des Kristalls abgeschliffen, um die Gesamtdicke des Kristalls abgeschliffen, um die Gesamtdicke des Kristalls auf etwa 100 μιη zu reduzieren. Die an der Unterseitenoberfläche des Kristalls durch die Zinkdiffusionsbehandlung gebildete ρ+ -Schicht wird ebenfalls durch das Schleifen entfernt. Dann werden Metallschichten auf die gegenüberliegenden Oberflächen des Kristalls aufgedampft. Und zwar werden eine Metallschicht 6, die aus einer Chromschicht von etwa 0,1 μιη Dicke und einer Goldschicht von etwa 1 μιη Dicke besteht, auf die Mesaseitenkristalloberfläche mit dem Phospho-Silikatglasfilm 7 und eine andere Metallschicht 9 des Gold-Germanium-Nickel-Systems auf die Unterseitenoberfläche des Kristalls aufgedampft, um als Elektroden zu dienen. Der Kristall wird dann in einer Richtung senkrecht zum Streifen so bearbeitet bzw. gespalten, daß man ein Kristallstück erhält, das eine Längsabmessung von etwa 300 μιη hat, und dann wird dieses Kristallstück parallel zum Streifen an gegenüberliegenden Seiten der Mittellinie des Streifens geritzt, um eine Querbreite von etwa 200 bis 250 μιη zu erreichen. In dieser Weise erhält man ein Laserplättchen entsprechend F i g. 3f. Dieses Laserplättchen wird zwecks Schaffung einer Laserdiode auf einem geeigneten Sockel montiert.

Nach den vorstehend beschriebenen Herstellschritten verwendet man ein Ätzmittel, das eine 4:1 : !-Mischung von H2SO4, H2O2 und H₂O ist, um die GaAs-Schicht 1 und einen Teil der GaAlAs-Schicht 2 zu ätzen, und dann ein weiteres Ätzmittel, das eine

1 : 1-Mischung aus HF und H₂O ist, um selektiv die restlichen Teile der GaAlAs-Schicht 2 zu ätzen. Jedoch kann man statt dessen auch im folgenden beschriebene Al/schritte anwenden. Diese alternativen Schritte umfassen die Entfernung der GaAs-Schicht 1 unter Verwendung eines Ätzmittels, das die Oberflächenschicht 1 aus GaAs wegätzt, jedoch die GaAlAs-Schicht

2 im wesentlichen nicht ätzt, und dann das Wegätzen der GaAlAs-Schicht 2 unter Verwendung eines Ätzmittels wie der schon erwähnten Flußsäure, die GaAIAs ätzt, jedoch GuAs nicht angreift. Ein dem oben beschriebenen ähnliches Plättchen läßt sich bei Anwendung der genannten Hcrstcllschrittc und dieser alternativen Äuschrittc erhalten. Eine 1 :40 :40-Mischung aus HF H₂O] und H]O ist ein Beispiel des Ätzmittels, das GaAs wegätzt, im wesentlichen jedoch GaAIAS nicht ätzt Das Verhältnis zwischen der Ätzgeschwindigkeii V(GaAs) dieses Ätzmittels gegenüber GaAs und der Ätzgeschwindigkeit V(GaAIAs) dieses Ätzmittels gegenüber GaAIAs ist 3:1. Da dieses Ätzmittel die GaAlAs-Schicht 2 im wesentlichen nicht ätzt, auch nachdem es die dnrUberllegende GaAs-Schicht 1 weggeätzt hat, ist dieses Atzmittel vorteilhaft irr Vergleich mit dem H2SO4 enthaltenden Ätzmittel, de das letztere Ätzmittel nach der Entfernung dei GaAs-Schicht 1 und der GaAlAs-Schicht 2 die GaAs-Schicht 3 zusätzlich ätzen kann.

Das Ätzmittel, das die Oberflächenschicht selektiv ätzt, läßt sich zur Herstellung eines Lasers nach einen¹ anderen Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung verwenden In FI g. 4, die schematisch ein weiteres Ausführuiigsbei spiel der Erfindung in Perspektivdarstellung zeigt, Is

angedeutet, daß man eine Schicht 2 in einem Doppelheterostruktur-Kristall während der Bildung der verschiedenen Schichten 4, 3, 2 und 1 auf einer Unterlage 5 durch Flüssigphasenepitaxialwachstum so wuchsen läßt, daß sie eine äußerst geringe Dicke, und zwar eine Dicke unter 0,5 μΐη hat. Diese dünne Schicht 2 wird während des Mesaätzens an der Schicht 1 des Kristalls durch die selektive Ätzlösung zum Entfernen großer Teile der Schicht 1 zwecks Erhaltens eines engen Streifenmesas im wesentlichen nicht geätzt. Eine Phospho-Silikatglasschichl 7 und Mctallschichten 6 und 9 werden dann auf diesem Kristall wie im vorhergehenden Ausfiihrungsbeispiel abgeschieden. Dieser Kristall wird dann zerspalten und geritzt, um ein Laserplättchen zu erhalten. Da die zwischen dem Streifenmesa und der aktiven Schicht 3 liegende Schicht 2 in diesem Ausführungsbeispiel äußerst dünn ist, divergiert der vom Streifenmesa während des Laservorgangs dieses Lasers in die aktive Schicht 3 fließende Strom in geringerem Grad. So kann dieser Laser einen Laserstrahl mit einer geringen Schwellenstromdichtc erzeugen.

In einem Versuch, bei dem nur die Schicht 1 eines üblicherweise verwendeten Doppelheterostrukturkristalls mit der darunterliegenden Schicht 2 einer Dicke in der Größenordnung von I μηι dem Mesaätzen unterworfen war, wurde ein hoher Grad von Stromdivergenz in der aktiven Schicht 3 beobachtet, und man stellte einen Anstieg der Schwellenstromdichtc wie im Fall eines bekannten Streifengeomctrielascrs fest. Fi g. 5 ist eine schematischc Perspektivansicht eines solchen bekannten Streifcngeomctriclasers. Es zeigt sich an Hand der F i g. 5, daß der aus einem Streifenteil einer Metallschicht 6 in Berührung mit einer Halblciterschicht 1 in eine aktive Schicht 3 fließende Strom in der aktiven Schicht 3 sehr divergiert, da die Schichten 1 und 2 dazwischenliegen, und sich ein Anstieg der Schwellenstromdichtc wie oben erwähnt, ergibt. Dagegen tritt beim Ausführungsbeispiel der Erfindung nach F i g. 4 keine merkliche Stromdivergenz in der aktiven Schicht 3 auf, und die Schwcllenslronulichte ii.l auch niedrig wie im Ausfiihrungsbeispiel nach F i g. I, dank der Tatsache, daß die im Pfad des vom Streifenmesa I in die aktive Schicht 3 fließenden Stroms liegende Schicht 2 so dünn ist, daß sie fast vernachlilssigbar ist.

Das Streifenmesa in den beiden vorstehend beschriebenen Ausfühfimgsbeispielen lilßt sich auch durch Plasmaätzen bilden, obwohl sich die vorstehende Beschreibung auf die Bildung eines solchen Strcifcnmcsus durch Mesaätzcn mit Chemikalien bezog. Und zwar 5» lilßt sich ein scharf begrenztes Streifenmesa durch Abscheiden eines Photoresistfilms in schmaler Streifenform auf einer Oberfläche eines Doppelheterostruktur- kristall» und durch Abwenden des Plasmatltzens auf diese Oberfltlchc entsprechend der Beschreibung in der Veröffentlichung »Journal of Electrochemical Society« 116(1969) I, S. 100-103, erzeugen. Weiter läßt sich ein Ätzen auf die gewünschte Halblciterschicht durch Extraktion von Qasbestandtcilcn aus dem Entladeraum während des Plasma-Ätzens anwenden, wobei die Oaskomponenten analysiert werden, um das Auftreten oder Verschwinden eines bestimmten Bestandteils, wie z. B. Aluminium, zu erfassen und dementsprechend die Entladung zu beenden. Jedoch erfordert dieses Verfahren eine umfangreiche Ausrüstung, und der Wirkungs- fts grad Ist nicht so hoch.

In den FI g. 1 und 4, die die Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellen. Ist das Streifenmesa, das die Emission eines Laserstrahls hervorruft, unterschiedslos in der Form eines geraden Streifens. Jedoch kann auch ein Laseraufbau mit einem Mesa von etwas gekrümmter Kontur einen ähnlich wirksamen Laserstrahl erzeugen. Dies ist auf die im folgenden beschriebene Tatsache zurückzuführen. Gemäß der Erfindung werden ein zum Führen von Strom wirksamer Teil und ein dazu nicht wirksamer Teil außerhalb des wirksamen Teils in der aktiven Schicht, wie beschrieben, gebildet. Die Brechungsindizes der wirksamen und unwirksamen Teile der aktiven Schicht unterscheiden sich etwas voneinander aufgrund des Unterschiedes der Ladungsträgerdichten. Eine Begrenzung von Licht läßt sich durch diesen Unterschied zwischen den Brechungsindizes erreichen. Ein gekrümmtes Mesa ergibt einen gekrümmten Strompfad in der aktiven Schicht, und infolge des Lichtbegrenzungseffekts pflanzt sich das durch die Strahlungsrekombination von Ladungsträgern erzeugte Licht längs der gekrümmten Teile der aktiven Schicht fort, so daß es zwischen den Reflexionsflächen hin- und herpendelt. Es ist festzustellen, daß die gegenüberliegenden Enden des gekrümmten Mesas senkrecht zu den Reflexionsfläciiien oder zur Spaltfläche liegen müssen.

Die Eigenschaften des Lasers gemäß F i g. 1 oder 4 sollen nun im einzelnen unter Vergleich mit denen anderer Laser beschrieben werden. Ein Mesastreifengeometriclascr entsprechend der Perspektivansicht in Fig. 6, der ähnlich wie der aus der GB-PS 12 58 360 bekannte Laser aufgebaut ist, soll im folgenden als HMS-(Hochmesastreifcn)-Laser bezeichnet werden, da er ein aus Schichten 1, 2, 3 und 4 bestehendes Streifenmesa umfaßt. Der Laser gemäß Fig. 1 oder 4 soll als LMS-(Nicdrigmcsastrcifen)-Laser bezeichnet werden, da er ein aus Schichten 1 und 2 oder einer einzelnen Schicht 1 entsprechend F i g. 1 oder 4 bestehendes Streifenmesa umfaßt.

F i g. 7 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Breite des Streifens und der Schwellenstromdichtc, die zum Laservorgang erforderlich ist, und dieses Diagramm basiert auf Ergebnissen von Versuchen der Erfinder. Die Kurven A, B und C in Fig. 8 stellen die Schwellenstromdichtc für den LMS-Laser gemäß Fig. 1 oder 4, die für den HMS-Laser mit einem Aufbau entsprechend I" i g. b und die für den bekannten Strcifengeometrielaser mit einem Aufbau entsprechend Fig.¹) dar. Man sieht in Fig. 7, daß die Schwellenstromdichte für den LMS-Laser gemäß F i g. 1 oder 4 mit dem Sinken der Breite des Streifens nur etwas wuchst. Obwohl die Anslicgsrutc der Schwellenstromdichte für den LMS-Laser sich nicht merklich von der des HMS-Lusers nach Fig.fa unterscheidet, ist sie weit geringer als die des bekannten Strcifcngeometrlelasers nach Fig.5. Es ist so zu erkennen, daß der Laser gcmüß der Erfindung zum Laservorgang mit einer im Vergleich mit der des MMS-Lasers niedrigen Schwellenstromdichte geeignet ist, obwohl die Breite des Strelfcnmcsas ziemlich gering ist. Die Vertiknlachsc in Fig.7 stellt das Verhältnis zwischen der Schwellenstromdichtc ltb(W), die eine Funktion der Breite W des Streifenmesas ist, und der Schwellenstromdichte ld<*>) dar, die erforderlich Ist, wenn die Strcifenbrelte erheblich groß ist.

Fig.8 Ist ein Spektraldiagramm zur Erläuterung eines Beispiels des Spektrums des von dem Laser gemäß Flg. I oder 4 abgegebenen Laserstrahls. Fig.8 stellt den Fall dar, in dem ein Strom, dessen Dichte gleich der l,38fachen Schwellenstromdichte Aa 1st, dem Laser zugeführt wird. Es ergibt sich aus FI g. 8, daß der Laser

70S 628/242

tarn

im Ansprechen auf das Zuführen eines solchen Stroms einen Laserstrahl mit im wesentlichen einer einzigen Schwingungsart abgibt und das Emissionsspektrum nur eine kleine Nebenspitze an der Kurzwellenseite zeigt. Fig.9 ist ein Spektraldiagramm zur Erläuterung eines s Beispiels des Spektrums des vom bekannten HMS-Laser abgegebenen Laserstrahls und zeigt den Fall, bei dem ein Strom, dessen Dichte gleich der !,4fachen Schwellenstromdichte ist, dem Laser zugeführt wird. Man sieht an Hand von Fig.9, daß das Spektrum des Laserstrahls, der von diesem Laser abgegeben wird, ziemlich komplex ist und offensichtlich eine Vielfachschwingungsemmission auftritt. Allgemein arbeitet der HMS-Laser nur dann mit einer einzelnen Schwingungsart, wenn ihm ein Strom zugeführt wird, dessen Dichte sehr nahe an der Schwellenstromdichte liegt, jedoch führt ein geringer Anstieg des Siromdichtewcrtes zum Auftreten einer Mehrfachschwingungsemission. Einige der Laser gemäß F i g. 1 oder 4 können mit einer einzigen Schwingungsart auch dann arbeiten, wenn zo ihnen ein Strom zugeführt wird, dessen Dichte das Doppelte der Schwellenstromdichte beträgt. Man versteht so, daß der Laser gemäß Fig. I oder 4 einen Laserstrahl einer einzigen Schwingungsart innerhalb eines Strombereiches abgeben kann, der weit größer als der Betriebsstrombereich des HMS-Lasers ist. Es wurde ein Versuch von den Frfindcrn durchgeführt, um die Polarisation des Laserstrahls zu erforschen. Es wurde nachgewiesen, daß der vom Laser gemäß Fig.' oder 4 abgegebene Laserstrahl eine ausgezeichnete Polarisa· tion zeigte. Allgemein wird bei einem aus einem Doppelhcterostrukturkristall hergestellten Laser der elektrische Fcldyektordes Laserstrahls im wesentlichen parallel zur Übergangsoberfläche polarisiert. Ein Versuch wurde durchgeführt, um die Polarisation im Maß von /Γιι² —£j_ -' zu messen, wo £'n und Cj_-die zur Übergangsoberfläche parallele Fcldkomponcnic bzw. die zur Übergangsoberfläche senkrechte Feldkomponente bedeuten. Die Ergebnisse dieses Versuches sind in den Fig. 10 und 11 dargestellt. Fig. 10 zeigt die Beziehung zwischen der Polarisation und dem elektrischen Strom bei einem HMS-Laser. Man erkennt aus Fig. 10, daß die Polarisation mit dem Anstieg des dem Laser zugeführten elektrischen Stroms plötzlich verringert wird. Fig. 11 ist ein entsprechendes Diagramm im Fall eines LMS-Lasers gemäß Fig. 1 oder 4. Fig. 11 zeigt deutlich, daß die Polarisation des Laserstrahls, der vom LMS-Laser gemäß Fig. 1 oder 4 abgegeben wird, auch bei einem Anstieg des elektrischen Stroms, der ihm zugeführt wird, praktisch frei von irgendeiner Verringerung bleibt.

Es ergibt sich aus den Ergebnissen der verschiedenen vorstehend beschriebenen Versuche, daß der Laser gemäß F i g. 1 oder 4 trotz einer schmalen Breite des Streifenmesas zur Abgabe eines Laserstrahls mit einer niedrigen, mit der für den HMS-Laser vergleichbaren Schwellenstromdichte geeignet ist und daß von ihm ein Laserstrahl einer einzigen Schwingungsart und mit einem befriedigenden Grad linearer Polarisation auch dann abgegeben werden kann, wenn der ihm zugeführte Strom auf ein höheres Niveau als die Schwellenstromstärke gesteigert wird, um die Laserstrahlausgangsleistung zu steigern. Der zur kontinuierlichen Emission eines starken Laserstrahls geeignete Laser mit verbesserten optischen Eigenschaften bei Raumtemperatur isi für Lichtnachrichtenverbindungen und dergleichen unerläßlich.

Die Ausfiihrungsbeispiele der Erfindung wurden ar Hand eines Typs beschrieben und dargestellt, bei dem ein Doppclhetcrostruktur-Kristall verwendet wird. Ei ist jedoch offenbar, daß der gleiche Betrieb und die gleichen Merkmale, wie vorstehend beschrieben, auch erhältlich sind, wenn die Erfindung auf einen Einfach heterostruktur-Kristall angewendet wird.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

I. Halbleiterlaserplättchen aus einem mehrlagigen Halbleiterkristall mit einer laseraktiven Schicht, einer mesageätzten Kristalloberfläche, die die aktive Schicht unter Bildung eines Mesastreifens über der aktiven Schicht ungeätzt bestehen läßt, wobei der Mesastreifen senkrecht zu den parallelen Endflächen eine Reflexionsfläche für einen in der aktiven Schicht erzeugten Laserstrahl aufweist, ferner mit einer ersten, auf die Oberfläche des Mesastreifens aufgebrachten leitenden Schicht und einer zweiten, auf die dem Mesastreifen entgegengesetzte Oberfläche des Kristalls aufgebrachten leitenden Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß der mehrlagige Halbleiterkristall wenigstens einen HeteroÜbergang enthält, an den die laseraktive Schicht (3) angrenzt, und daß der Boden de:. Mesas parallel zur laseraktiven Schicht und in einem Abstand von weniger als 0,5 μιη von dieser angeordnet ist.
2. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterplättchens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem N-(P-)-GaAs-Substrat (5) nacheinander

eine N-(P-JGa₁ _ ,AI₁As(CX x< 1)-Schicht (4),

eine P- oder

N-Ga, _ _>AI_>As(0<y< x)-Schicht (3),

eine P-(N-)Ga, - ,AI₍As-Schicht (2)

und eine P-(N-)GaAs-Schicht (1)
abgeschieden werden, daß auf die P-(N-JGaAs-Schicht (1) eine Ätzmaske (11) aufgebracht wird, die den Mesastreifen bedeckt, daß die freiliegenden Teile der P-(N-)GaAs-Schicht (1) völlig abgeätzt werden und ein Teil der P-(N-)Gai-_vAI,As-Schicht (2) geätzt wird, daß die Oberfläche mit dem in den obigen Schritten gebildeten Mesa mit einer Isolierschicht (7) überzogen wird, in dieser Isolierschicht (7) über dem Mesa ein Streifen für die Kontaktierung freigeätzt wird und daß das Halbleiterpiättchen auf dem Mesa und auf der gegenüberliegenden Seite mit je einem ohmschen Kontakt (6 und 9) versehen wird.
3. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterplättchens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem N-(P-)GaAs-Substrat (5) nacheinander

eine N-(P-)Ga, _ ,Al_xAs(O < x< 1 )-Schicht (4),

eine P-oder

N-Gai-_yAI_>As(0<y<x)-Schicht(3),

eine P-(N-JGa, _,AI,As-Schicht (2)

und eine P-(N-)GaAs-Schicht (1)
abgeschieden werden, wobei die P-(N-JGa,-,As-Schicht (2) eine Dicke von weniger als 0,5 μιη aufweist, daß auf die P-iN-JGaAs-Schicht (1) eine Ätzmaske (11) aufgebracht wird, die den Mesastreifen bedeckt, daß die freiliegenden Teile der P-(N-)GaAs-Schicht (1) völlig abgeätzt werden, daß die Oberfläche mit dem Mesa mit der Isolierschicht (7) überzogen wird, in dieser Isolierschicht (7) über dem Mesa ein Streifen für die Kontaktierung freigeätzt wird und daß das Halbleiterpiättchen auf dem Mesa und auf der gegenüberliegenden Seite mit je einem ohmschen Kontakt (6 und 9) versehen wird.