DE2409016C3 - Double heterostructure laser - Google Patents
Double heterostructure laserInfo
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Description
3535
Die Erfindung betrifft einen Doppel-Heterostruktur-Laser mit einem Substrat, auf dem übereinander eine Gaj-jAljAs (I >y>0)-Zone, eine aktive Zone und eine Gai-j-AIjAs (1 ä/'>0)-Zone angeordnet sind.The invention relates to a double heterostructure laser with a substrate on which a Gaj-jAljAs (I. > y> 0) zone, an active zone and a Gai-j-AIjAs (1 ä / '> 0) zone are arranged.
Doppel-Heterostruktur-Laser dieser Art sind bekannt(AppIied Physics Letters 17 (1970) 3, Seiten 109 bis 111. Applied Physics Letters 16 (1970) 8, Seiten 326 bis 327, und US-PS 36 91 476). Die aktive Zone besteht hierbei meist aus GaAs, das Substrat ebenfalls aus GaAs vom N-Typ. Die Gitterkonstanten der epitaktisch 4$ aufeinander erzeugten Schichten sind in geringem Maße voneinander abweichend, und diese bekannten Laser besitzen bei Raumtemperatur relativ große Schwellenströme. Double heterostructure lasers of this type are known (Appied Physics Letters 17 (1970) 3, pages 109 to 111. Applied Physics Letters 16 (1970) 8, pp. 326 bis 327, and U.S. Patent 3,691,476). The active zone consists mostly of GaAs, the substrate also of GaAs of the N-type. The lattice constants of the layers epitaxially generated on top of one another are small differ from one another, and these known lasers have relatively large threshold currents at room temperature.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Doppel- jo Heterostruktur-Laser der eingangs genannten Art zu schaffen, der bei Raumtemperatur einen geringeren Schwellenstrom als die bisherigen Laser dieser Art besitzt.It is therefore the object of the invention to provide a double jo To create a heterostructure laser of the type mentioned at the beginning, which is less at room temperature Threshold current than previous lasers of this type.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung entweder durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Ausbildung des Substrats oder durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 2 angegebene Ausbildung der aktiven Zone gelöst. Besonders vorteilhaft ist es, wenn hierbei die einzelnen Zonen laut den Unteransprüchen 3 bis 6 gewählt werden.This object is achieved according to the invention either by what is stated in the characterizing part of claim 1 specified formation of the substrate or by the specified in the characterizing part of claim 2 Formation of the active zone solved. It is particularly advantageous if the individual zones are loud the dependent claims 3 to 6 can be selected.
Durch die beiden Lösungen der Aufgabe wird jeweils ein Doppel-Heterostruktur-Laser geschaffen, der bei Raumtemperatur einen sehr kleinen Schwellenstrom besitzt, der etwa nur halb so groß ist wie derjenige bei üblichen bekannten Lasern dieser Art.Each of the two solutions to the problem creates a double heterostructure laser that works with Room temperature has a very small threshold current, which is only about half as large as that at common known lasers of this type.
Nachstehend wird je ein Ausführungsbeispiel der beiden Lösungen nach der Erfindung an HandOne embodiment of each of the two solutions according to the invention is given below
schematischer Zeichnungen erläutert,schematic drawings explained,
F i g, 1 zeigt perspektivisch den Aufbau eines Doppel-Heterostruktur-Lasers nach Anspruch 1;Fig. 1 shows in perspective the construction of a double heterostructure laser according to claim 1;
F ί g, 2 zeigt den Aufbau eines Lasers nach AnspruchF ί g, 2 shows the structure of a laser according to claim
F i g. 3 und 4 zeigen die Schwellenstromdiagramme für unterschiedliche Werte von ζ des Lasers nach Fig. 2;F i g. 3 and 4 show the threshold current diagrams for different values of ζ of the laser of FIG. 2;
F i g. 5 zeigt schematisch die Verteilung der Gitterkonstanten der einzelnen Zonen der Laser n&ch den F i g. 1 und 2.F i g. 5 shows schematically the distribution of the lattice constants of the individual zones of the lasers F i g. 1 and 2.
In dem ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird als Substrat 11 ein Ga]-Jn1As (x=0,01)-Plättchen vom /j-Typ vorbestimnuer Dicke verwendet, wobei die Oberfläche W die Ohmsche Kontaktfläche für eine Elektrode und 11" die abgespaltene Oberfläche darstellt.In the first exemplary embodiment according to FIG. 1, a Ga] -Jn 1 As (x = 0.01) plate of the / j-type with a predetermined thickness is used as the substrate 11, the surface W being the ohmic contact surface for an electrode and 11 ″ represents the split-off surface.
Auf der Hauptfläche des Substrates ί 1 wird eine erste Zone 12 vom N-Typ aus Gai-yMjAs (!>y>0) aufgebaut und zwar bis zu einer Dicke von 1 bis 2 μηι und zwar durch epitaxiales Wachstum aus der Flüssigkeitsphase. Beim expitaxialen Wachsen werden die Bedingungen so gewählt, daß y bei Beginn des Wachstums 0,5 ist Wenn das epitaxiale Wachstum fortschreitet, wird dieser Wert y etwas verringert. Die Gitterkonstante der so gebildeten ersten Zone 12 aus N-GaojAlojAs wird damit 0,56575 nm. Wenn daher, wie oben beschrieben, d;e erste Zone 12 aus Gao.5Alo.5As vom N-Typ epitaxial auf dem Substrat 11 aus Gao.99lno.01 As vom N-Typ aufgebaut wird, wird eine ausreichende Gitteranpassung an der Heterogrenze 1112 zwischen den Zonen 11 und 12 erreicht. Da die Gitteranpassung an dieser ersten Heterogrenze 1112 verglichen mit der üblicher Laser mit einer Heterogrenze zwischen GaAs und Ga(-,Al1As sehr gut ist, ist auch die Gitterregelmäßigkeit sehr gut, auch in den darauffolgend wachsenden Zonen, d. h. in der zweiten Zone 13 aus GaAs mit einer Dicke von 0,2 μνη, der dritten Zone 14 aus Gao.5AI0.5As vom P-Typ mit einer Dicke von 2 μπι und der vierten Zocf 15 aus GaAs vom P-Typ von vorbestimmter Dicke. Für eine weitere Anschlußelektrode ist noch eine Ühmsche Kontaktschicht 16 vorgesehen.On the main surface of the substrate ί 1, a first zone 12 of the N-type from Gai-yMjAs (!>Y> 0) is built up to a thickness of 1 to 2 μm, namely by epitaxial growth from the liquid phase. In the case of the expitaxial growth, the conditions are selected so that y at the start of the growth is 0.5. As the epitaxial growth proceeds, this value y is decreased somewhat. The lattice constant of the first zone 12 made of N-GaojAlojAs thus formed becomes 0.56575 nm. Therefore, if, as described above, the first zone 12 made of Gao.5Alo.5As of the N-type epitaxially on the substrate 11 made of Gao. 99lno.01 As is built up of the N-type, a sufficient lattice match at the hetero boundary 1112 between the zones 11 and 12 is achieved. Since the lattice adaptation at this first hetero limit 1112 is very good compared to the usual laser with a hetero limit between GaAs and Ga ( -, Al 1 As, the lattice regularity is also very good, also in the subsequent growing zones, i.e. in the second zone 13 made of GaAs with a thickness of 0.2 μνη, the third zone 14 made of Gao.5AI0.5As of the P-type with a thickness of 2 μm and the fourth zone 15 made of GaAs of the P-type of predetermined thickness a Ühm contact layer 16 is also provided.
Ein Laser nach F i g. 1 besitzt also eine gute Anpassung der Heterogrenzen zwischen Substrat und erster Zone, und die Anzahl der Versetzungen im Kristall werden daher gering gehalten. Darüber hinaus besteht nicht mehr die Notwendigkeit, die einzelnen Zonen beim epitaxialen Wachstum relativ dick zu machen. Die Schwellenstromdichte wird merklich herabgesetzt und auch die Wärmeleitfähigkeit bzw. Wärmeverteilung wird verbessert.A laser according to FIG. 1 therefore has a good match of the hetero boundaries between substrate and first zone, and the number of dislocations in the crystal are therefore kept low. Furthermore there is no longer the need to make the individual zones relatively thick during epitaxial growth do. The threshold current density is noticeably reduced and the thermal conductivity or Heat distribution is improved.
Bei dem geschilderten Ausführungsbeispiel unter Verwendung eines Gai_,ln,As-Substrates wird das epitaxiale Wachstum so gesteuert, daß die Gitterkonstanten der beiden Zonen 11 und 12, die der Heterogrenzebene 1112 zugewandt sind, gleich sind. Der Verlauf der Gitterkonstanten in den verschiedenen Zonen ist in Fig. 5(1) dargestelltIn the illustrated embodiment using a Gai_, In, As substrate, the epitaxial growth controlled so that the lattice constants of the two zones 11 and 12, the Facing hetero boundary plane 1112 are equal. The course of the lattice constants in the various Zones is shown in Fig. 5 (1)
Bei dem nachfolgend erläuterten zweiten Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 wird als Substrat 21 GaAs verwendet, und darauf wird eine erste Zone 22 aus Gai_rAlrAs, anschließend eine zweite, d. h. aktive Zone 23 aus Gai-Jn2As und schließlich eine dritte Zone 24 aus Gai_,AI,-As ausgebildet, wobei die Gitterkonstanten dieser so wachsenden drei Zonen in einer ganz speziellen Beziehung zueinander gesteuert werden.In the second exemplary embodiment according to FIG. 2 GaAs is used as substrate 21, and a first zone 22 made of Gai_ r Al r As, then a second, ie active zone 23 made of Gai-Jn 2 As and finally a third zone 24 made of Gai_, Al, -As are formed thereon The lattice constants of these three growing zones are controlled in a very special relationship to one another.
Als Substrat 21 wird ein GaAs-Plättchen vom N-TypAs the substrate 21, an N-type GaAs plate is used
mit einer vorbestimmten Dicke verwendet, wobei auf der Ohmschen Kontaktfläche 21' wieder eine Elektrode aufgebracht wird und 2t" eine abgepaltene Oberfläche darstelltwith a predetermined thickness is used, with an electrode on the ohmic contact surface 21 'again is applied and 2t "represents a peeled-off surface
Auf der Hauptoberfläche des Substrates 21 ist eine erste Zone 22 aus Gao,sAI<v>As vom N-Typ aufgebaut und zwar bis zu einer Dicke zwischen 1 und 5 μπι wiederum durch epjtaxiales Wachsen aus der Flüssigkeitsphase, Auf diese erste Zone wird eine zweite aktive Zone 23 aus Gai -/In^As mit einer Dicke von 0,2 μπι ίο aufgebaut und darauf schließlich eine dritte Zone 24 aus GaojAlojAs vom P-Typ mit einer Dicke von 1 μπι. Schließlich wird noch eine vierte Zone 25 aus GaAs vom P-Typ mit einer Dicke von 2 μΐη aufgebaut. Die Schicht 26 bildet wieder einen Ohmschen Kontakt für eine weitere Elektrode.On the main surface of the substrate 21, a first zone 22 made of Gao, sAI <v> As of the N-type is built up namely up to a thickness between 1 and 5 μπι again by epjtaxial growth out of the liquid phase, on this first zone a second becomes active Zone 23 from Gai - / In ^ As with a thickness of 0.2 μπι ίο and finally a third zone 24 made of GaojAlojAs of the P-type with a thickness of 1 μm. Finally, a fourth zone 25 made of P-type GaAs with a thickness of 2 μm is built up. The layer 26 again forms an ohmic contact for another electrode.
Bei dem so aufgebauten Laser wird die Gitterkonstante der GaAs-Zone 0,56535 nm und diejenige der GaojAlo^As-Zone 0,56575 nm. Der theoretisch berechnete Wert ζ wird zur Herstellung von Gleichheit zwisehen der Gitterkonstante von Gai_zInzAs und von Gao.5Alo.5As mit ζ — 0,01 berechnet. Empirische Versuche haben jedoch ergeben, daß der optimale Wert für ζ hierfür etwa 0,004 beträgt, wie nachfolgend näher erläutert wird.In the case of the laser constructed in this way, the lattice constant of the GaAs zone is 0.56535 nm and that of the GaojAlo ^ As zone is 0.56575 nm. The theoretically calculated value ζ is used to establish equality between the lattice constant of Gai_ z In z As and von Gao.5Alo.5As calculated with ζ - 0.01. However, empirical tests have shown that the optimal value for ζ for this is about 0.004, as will be explained in more detail below.
Fig.3 zeigt die Beziehung zwischen der Schwellenstromdichte Jih, aufgetragen auf der Ordinate und dem Wert z, aufgetragen auf der Abszisse und zwar für y = y' = 0,5 für einen Aufbau nach F i g. 2. Aus F i g. 3 ist ersichtlich, daß der Schwellenstrom für ζ — 0.01 nahezu gleich groß ist wie für ζ = 0. Der geringste Schwellenstrom wird für ζ — 0,004 erreicht, obwohl, wie oben dargelegt, der theoretische Wert für ζ für Gleichheit der Gitterkonstanten ζ = 0,01 ist.3 shows the relationship between the threshold current density Jih, plotted on the ordinate and the value z, plotted on the abscissa, specifically for y = y ' = 0.5 for a structure according to FIG. 2. From FIG. 3 it can be seen that the threshold current for ζ - 0.01 is almost the same as for ζ = 0. The lowest threshold current is reached for ζ - 0.004, although, as explained above, the theoretical value for ζ for equality of the lattice constants ζ = 0, 01 is.
Eine Doppel-Heterostruktur-Laserdiode mit einer aktiven Zone 23 aus Ga059elno.oo4As zwischen der zweiten Zone 22 und der dritten Zone 24 aus GaojAlojAs vom N-Typ bzw, P-Typ besitzt also den geringsten Schwellenstrom. Der Verlauf der Gitterkonstanten in den verschiedenen Zonen ist in Fig.5 (2) dargestellt.A double heterostructure laser diode with an active zone 23 made of Ga 0 59elno.oo4As between the second zone 22 and the third zone 24 made of GaojAlojAs of the N-type or P-type therefore has the lowest threshold current. The course of the lattice constants in the different zones is shown in Fig. 5 (2).
In dem Diagramm nach Fig.4 ist für einen Aufbau nach F i g, 2 y = y' = 0,7 gewählt. In diesem Fall ist die Gitterkonstante der GaojAlojAs-Zonen 22 und 24, 0,56590 nm.In the diagram according to FIG. 4, y = y '= 0.7 is selected for a structure according to FIG. 2. In this case the lattice constant of the GaojAlojAs zones 22 and 24 is 0.56590 nm.
Der theoretisch errechnete Wert ζ für Gleichheit der Gitterkonstanten von Gai-Jn7As und von GaojAlojAs ist ζ = 0,013. Die Kurve nach Fig.4 zeigt jedoch, daß der geringste Schwellenstrom für ζ = 0,006 erreicht wird, also für einen Wert, der kleiner ist als der theoretisch errechnete Wert ζ = 0,013.The theoretically calculated value ζ for equality of the lattice constants of Gai-Jn 7 As and of GaojAlojAs is ζ = 0.013. The curve according to FIG. 4, however, shows that the lowest threshold current is reached for ζ = 0.006, that is to say for a value which is smaller than the theoretically calculated value ζ = 0.013.
Der geringste Schwellenstrom wird also für einen Wert zerreicht, bei dem die Gitterkonstante der aktiven Zone kleiner ist als die der benachbarten Zonen Gai-jAljAs. Die Erklärung dafür wird im folgenden gesehen:The lowest threshold current is thus divided for a value at which the lattice constant is the active Zone is smaller than that of the neighboring zones of Gai-jAljAs. The explanation for this is given below seen:
Wenn die Gitterkonstanten der ersten, zweiten und dritten Zonen 22, 23 und 24 Ääher benachbart aneinander gewählt werden, wird die Dichte der Fangstellen an den Heterogrenzen 2223 und 2324 kleiner, die aktive Zone wird jedoch ein Mischkristall und die Gitterperfektion in der aktiven Zone 23 wird daher ^ringer. Wegen dieser Unvollkommenheit des Gitters nehmen die Fangstellen bei Gleichheit der Gitterkonstanten zu. Der optimale Wert für ζ zur Erreichung des geringsten Schwellenstroms ist daher niedriger als der Wert zum Erreichen von Gleichheit zwischen den Gitterkonstanten.When the lattice constants of the first, second and third zones 22, 23 and 24 are closer together are chosen together, the density of the traps at the hetero boundaries becomes 2223 and 2324 smaller, but the active zone becomes a mixed crystal and the lattice perfection in the active zone 23 becomes hence ^ ringer. Because of this imperfection of the lattice, the trapping points take place when the Lattice constants too. The optimal value for ζ to achieve the lowest threshold current is therefore lower than the value to achieve equality between the lattice constants.
Für einen Wert ζ größer als 0,015 wird der Schwellenstrom zu groß, und es wird deshalb im allgemeinen ein Wert von 0,015 >z>0 gewählt, um den Schwellenstrom herabzusetzen.For a value ζ greater than 0.015, the threshold current becomes too large and it is therefore im generally a value of 0.015> z> 0 is chosen in order to reduce the threshold current.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
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Legal Events
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