DE2413493B2 - SEMICONDUCTOR INJECTION LASER WITH DOUBLE HETEROGENIC LAYER STRUCTURE AND METHOD FOR ITS MANUFACTURING - Google Patents

SEMICONDUCTOR INJECTION LASER WITH DOUBLE HETEROGENIC LAYER STRUCTURE AND METHOD FOR ITS MANUFACTURING

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DE2413493B2 DE19742413493 DE2413493A DE2413493B2 DE 2413493 B2 DE2413493 B2 DE 2413493B2 DE 19742413493 DE19742413493 DE 19742413493 DE 2413493 A DE2413493 A DE 2413493A DE 2413493 B2 DE2413493 B2 DE 2413493B2
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Description

Tabelle ITable I.

Bohrung Halbleiteriösungen Aufwachsschichten Konzentration der LadungsträgerDrilling semiconductor solutions growth layers concentration of charge carriers

in den Schichtkomponenten der laseraktiven Schicht 13 (Atome/cm*) in the layer components of the laser-active layer 13 (Atoms / cm *)

2121 Sn-doticrtes Ga1-IAIiAsSn-doticrtes Ga 1 -IAIiAs laserlaser 12 ...12 ... n-Gaj-iAlxAsn-Gaj-iAlxAs unterunder 101·10 1 2222nd Zn-dotiertes GaAsZn-doped GaAs aktiveactive 31 ...31 ... GaAsGaAs 101β-10 1β - -10"-10 " 2323 Zn-dotiertes GaAsZn-doped GaAs Schicht 13Layer 13 32 ...32 ... GaAsGaAs 10"-10 "- -1018 -10 18 2424 Zn-dotiertes GaAsZn-doped GaAs 33 ...33 ... GaAsGaAs 1018-10 18 - -101»-10 1 » 2525th Zn-dotiertes GaAsZn-doped GaAs 34 ...34 ... GaAsGaAs 10"-10 "- -10»-10 » 2626th Zn-dotiertes GaAsZn-doped GaAs 35...35 ... GaAsGaAs 10"-10 "- -10"-10 " 2727 Zn-dotiertes GaAsZn-doped GaAs 36 ...36 ... GaAsGaAs unterunder ΙΟ1«ΙΟ 1 « 2828 Zn-dotiertes GaAsZn-doped GaAs 37...37 ... GaAsGaAs 2929 Zn-dütiertcs Gr>:-TA':.t\s Zn-coated size : - T A ':. t \ s 14 ...14 ... P-Ga5-! Al1AsP-Ga 5 -! Al 1 As 3030th Zn-dotimes üiiAsZn-dotimes üiiAs 15 ...15 ... D^-GaAsD ^ -GaAs

Aus der vorstehenden Tabelle geht hervor, daß die Halbleiterlösuag in der mittleren Bohrung 25 die höchste Dotierung aufweist und daß die Lösungen in den anderen Bohrungen eine um so geringere Dotierung aufweisen, je weiter sie von der mittleren Bohrung 25 entfernt sind. It can be seen from the table above that the semiconductor solution in the central bore 25 has the highest doping and that the solutions in the other bores have a lower doping the further they are away from the central bore 25.

Die Auiwachssehichten auf dtui η-leitenden GaAs-Keim 19 werden nacheinander hergestellt, indem man bei der ersten Schicht 12 von 850° C ausgeht, mit einer Geschwindigkeit von 1°C je Minute abkühlt und dabei den in F i g. 2 gezeigten Graphitgleiter 18 nach redits verschiebt. Die Abkühlzeit für die erste epitaktische n-leitendeGaj-jjAlxAs-Aufwachsschicht 12 beträgt 20 Minuten, die Abkühlzeit für jede Schichtkomponente Sl bis 37 der laseraktiven Ga As-Schicht 13 beträgt je 8 Sekunden, die Abkühlzeit für die dritte p-leitende Gaj-xAlxAs-Schicht 14 beträgt 1 Minute, und die Abkühlzeit für die vierte p+-leitende GaAs-Schicht 15 beträgt 3 Minuten.The wax layers on the η-conductive GaAs seed 19 are produced one after the other by starting from 850 ° C. for the first layer 12 , cooling at a rate of 1 ° C. per minute and thereby applying the values shown in FIG. 2 graphite slider 18 shown after redits moves. The cooling time for the first epitaxial n-conducting Gaj-jjAlxAs growth layer 12 is 20 minutes, the cooling time for each layer component Sl to 37 of the laser-active Ga As layer 13 is 8 seconds each, the cooling time for the third p-conducting Gaj-xAlxAs Layer 14 is 1 minute and the cooling time for the fourth p + -type GaAs layer 15 is 3 minutes.

Der Hauptteil des mittels des vorgenannten Verfahrens hergestellten Lasers ist in F i g. 3 als vereinfachter Schnitt durch die Aufwachsschichten dargestellt. Wie aus dieser Figur hervorgeht, besteht die laseraktive Schicht 13 aus 7 Schichtkomponenten 31 bis 37. Jede Schichtkomponente weist eine Dicke von ungefähr 0,15 μηι auf, was einer Dicke der laseraktiven Schicht 13 von etwa 1,05 μΐη entspricht. Die erste und die dritte Aufwachsschicht weisen eine Dicke von ungefähr 2,5 bzw. 1 μπι auf.The main part of the laser produced by the aforementioned method is shown in FIG. 3 shown as a simplified section through the growth layers. As can be seen from this figure, the laser-active layer 13 consists of 7 layer components 31 to 37. Each layer component has a thickness of approximately 0.15 μm, which corresponds to a thickness of the laser-active layer 13 of approximately 1.05 μm. The first and third growth layers have a thickness of approximately 2.5 and 1 μm, respectively.

Der Laser gemäß diesem ersten Ausführungsbeispiel ermöglicht im niedrigsten Zustard einen Schwellenwert der Stromdichte von nur 100 A/cm2, der mit herkömmlichen Lasern bisher nicht erreichbar war. Das Verhältnis zwischen der Dicke »rf« der laseraktiven Schicht 13 und dem Schwellenwert der Stromdichte /»cn ist in F i g. 6 dargestellt, in der die ausgezogene Kurve die Charakteristik des Lasers gemäß dieser ersten Ausführungsform darstellt, während die gestrichelte Linie die Charakteristik eines.herkömmlichen Lasers zeigt. Mittels des erfindungsgemäßenIn the lowest state, the laser according to this first exemplary embodiment enables a threshold value for the current density of only 100 A / cm 2 , which was previously not achievable with conventional lasers. The ratio between the thickness "rf" of the laser-active layer 13 and the threshold value of the current density / "cn is shown in FIG. 6, in which the solid curve shows the characteristic of the laser according to this first embodiment, while the broken line shows the characteristic of a conventional laser. By means of the invention

Lasers wird ein Laser-Licht mit einer Wellenlänge von 9000 A erzeugt.Laser light with a wavelength of 9000 A is generated.

Es wird angenommen, daß der Grand für die vorbeschriebene Herabsetzung des Schwellenwertes der Stromdichte darauf zurückgeht, daß gegebenenfallsIt is assumed that the grand for the above-described lowering of the threshold value of Current density is due to the fact that, if applicable

ίο in den äußeren Schichtkompon.2nten 31 bis 33 und 35 bis 37 durch Rekombination der Ladungsträger in diesen Schichtkomponentcn abgestrahltes Licht in der mittleren Schichtkomponente 34 absorbiert, diese Schichtkomponente 34 angeregt und das Laserlicht aus ihr abgestrahlt wird. Diese Annahme wird durchIn the outer layer components 31 to 33 and 35 to 37, light emitted by recombination of the charge carriers in these layer components is absorbed in the middle layer component 34 , this layer component 34 is excited and the laser light is emitted from it. This assumption is made by

die Beobachtung des »nahen Feldes« bestätigt, dasthe observation of the "near field" confirms that

die Verteilung des elektromagnetischen Feldes amthe distribution of the electromagnetic field on

Reflexionsspiegel des Lasers wiedergibt.Reflecting mirror of the laser reproduces.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel nach F i g. 4In the second embodiment according to FIG. 4th

ao werden auf eine η-leitende GaAs-Grundschicht 111 eine erste η-leitende Ga, ~x Al1 As-Schicht 112, eine zweite laseraktive GaAs-Schicht 113, eine dritte p-leitende Gaj-jAlxAs-Schicht 114 und zur Herstellung eines ohmschen Kontakts eine vierte p+-leitende GaAs-Schicht 115 nacheinander durch das bekannte epitaktische Aufwachsverfahren in flüssiger Phase aufgebracht. Die vorbeschriebene laseraktive Schicht 113 besteht aus einer mittleren Schicht 42 hoher Ladungsträgerkonzentration, die sandwichartig in die äußeren Schichten 41 und 43, die niedrigere und nach außen abfallende Ladungsträgerkonzentrationen aufweisen, eingebettet ist.ao are on an η-conductive GaAs base layer 111, a first η-conductive Ga, ~ x Al 1 As layer 112, a second laser-active GaAs layer 113, a third p-conductive Gaj-jAlxAs layer 114 and to produce a ohmic contact, a fourth p + -conducting GaAs layer 115 is applied in succession by the known epitaxial growth method in the liquid phase. The above-described laser-active layer 113 consists of a middle layer 42 with a high charge carrier concentration, which is embedded in a sandwich-like manner in the outer layers 41 and 43, which have lower charge carrier concentrations that drop outwards.

Ein solcher Laser wird durch aufeinanderfolgende Ausbildung von epitaktischen' Aufwachsschichten unter Verwendung von Halblciterlösungen der nachfolgenden Tabelle II hergestellt.Such a laser is produced by successively forming epitaxial growth layers using half liter solutions of Table II below.

Tabelle II Table II

flnhning Halbleiterlösunnenflnhning semiconductor solutions

AufwachsschichtenGrowth layers 112 ... 112 ... nGa.-xAlxAnGa.-xAlxA Konzentration der LadungsträgerConcentration of the charge carriers SS. 0 bis 1018 0 to 10 18 5LS 5 LS 41 ... 41 ... GaAsGaAs in den Schichtkoinpuuculcii uciin theschichtkoinpuuculcii uci (abfallend)(falling) laseraktiven Schichtlaser-active layer 1018 10 18 42 ...42 ... GaAsGaAs (Atome/cm3)(Atoms / cm 3 ) 1018 bis 010 18 to 0 43...43 ... GaAsGaAs (abfallend)(falling) laserlaser 114114 p-Gaj-χΑΙχ/p-Gaj-χΑΙχ / aktiveactive 115115 D+-GaAsD + -GaAs Schicht 113 Layer 113

11 Sn-dotiertes Ga1-XAl1AsSn-doped Ga 1 -XAl 1 As 22 nicht dotiertes GaAsundoped GaAs 33 Zn-dotiertes GaAsZn-doped GaAs 44th nicht dotiertes GaAsundoped GaAs 55 Zn-dotiertes Ga1-XAIxAsZn-doped Ga 1 -XAlxAs 66th Zn-dotiertes GaAsZn-doped GaAs

Wie aus der vorstehenden Tabelle ersichtlich, weist die Halbleiterlösung in der dritten Bohrung, die zur Herstellung der mittleren Schicht 42 der laseraktiven Schicht 113 verwendet wird, eine hohe Zink-Dotierung auf, während die Halbleiterlösungen in der zweiten und vierten Bohrung nicht dotiert sind.As can be seen from the table above, the semiconductor solution in the third bore, which is used to produce the middle layer 42 of the laser-active layer 113 , has a high level of zinc doping, while the semiconductor solutions in the second and fourth bore are not doped.

Bei der aufeinanderfolgenden Herstellung der Aurwachsschichten auf der Grundschicht 111 geht man für die erste Schicht 112 von einer Temperatur von 8500C aus und kühlt mit einer Geschwindigkeit von 1°C je Minute ab. Die Abkühlperiode zur Herstellung der ersten epitaktischen n-leitendcn Ga1-XAIjAs-AUiwachsschicht 112 betragt 20 Minuten, die Abkühlperiode für jede der äußeren Schichtkomponenten 4] und 43 der laseraktiven Schicht aus nichtdotierterr GaAs beträgt jeweils 24 Sekunden, und die Abkühl· Periode für die mittlere Schichtkomponente 42 dei laseraktiven Schicht aus hochdotiertem GaAs betrag 8 Sekunden, die Abkühlperiode für die dritte Auf wachsschicht 114 aus p-Ieitendem Ga1-XAIxAs be trägt 1 Minute, und die Abkühlperiode für di( vierte Aufwachsschicht 115 aus ρ'-leitendem GaA: beträgt 3 Minuten. Anschließend wird das hergestellt Element einer 30minütigen Hitzebehandlung be 8000C unterworfen. Die Hitzebehandlung führt dazu daß die Zn-Dotierung aus der mittleren SchichtkompoIn the successive preparation of the Aurwachsschichten on the base layer 111 is one for the first layer 112 of a temperature of 850 0 C and cooled at a rate of 1 ° C per minute. The cooling period for producing the first epitaxial n-type Ga 1 -XAljAs wax layer 112 is 20 minutes, the cooling period for each of the outer layer components 4] and 43 of the laser-active layer made of undoped GaAs is 24 seconds each, and the cooling period for the middle layer component 42 of the laser-active layer made of highly doped GaAs amounts to 8 seconds, the cooling period for the third growth layer 114 made of p-conductive Ga 1 -XAlxAs amounts to 1 minute, and the cooling period for di (fourth growth layer 115 made of ρ'-conductive GaA: is 3 then minutes., the element produced a 30-minute heat treatment be 800 0 C subjected. the heat treatment results in that the Zn dopant from the middle Schichtkompo

:42 der laseraktiven Schicht in die äußeren :htkomponenten 41 und 43 dieser Schicht difiert und dadurch eine glockenförmige Verteilung Konzentration der Ladungsträger in der laseren Schicht 113, wie in Fig. 5(b) gezeigt, hergewird. : 42 of the laser-active layer differs into the outer components 41 and 43 of this layer and thereby a bell-shaped distribution concentration of the charge carriers in the lasers Layer 113 as shown in Fig. 5 (b) is made.

Der vorbeschriebene Laser gemäß der zweiten Ausführungsform ermöglicht im niedrigsten Zustand einen Schwellenwert der Strondichtevonnur 100A/cma, ein Schwellenwert, der mit herkömmlichen Lasern nicht erreichbar ist. Dieser Laser erzeugt ein Licht mit einer Wellenlänge von 9000 A.The above-described laser according to the second embodiment enables a threshold value for the current density of only 100A / cm a in the lowest state, a threshold value which cannot be achieved with conventional lasers. This laser generates light with a wavelength of 9000 A.

Hierzu 4 Blatt ZeichnungenFor this purpose 4 sheets of drawings

l.xnast*earl.xnast * ear

22

Claims (3)

VntontanenritM». Dicke der laseraktwen Schicht verringert wird. EineVntontanenritM ». Thickness of the laser active layer is reduced. One i-atemansprucjje. ^Verringerung der Schichtdicke auf weniger als 0,3 pmi-atemansprucjje. ^ Reduction of the layer thickness to less than 0.3 pm , w L Ilalbleher-Injektionslaser mit zweifach-hetero- führt jedoch zu keiner weiteren Verbesserung und, w L Ilalbleher injection laser with double hetero- but leads to no further improvement and genem Schichtaufbau, bei dem die laseraktive Herabsetzung des Schwellenwertes der Stromdichte,a similar layer structure in which the laser-active lowering of the threshold value of the current density, GaAfrSchichit aus mehreren Einzelschichten unter- 5 weil das Licht durch Leckstellen in die benachbartenGaAfrSchichit from several individual layers under- 5 because the light leaks into the neighboring ones schiedlicher Dotierungskonzentration besteht, d a- Schichten gelangt.There is a different doping concentration, d a-layers arrives. durch gekennzeichn et, daß die mitt- Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Halblere Einzelschicht (34, 42) die höchste Ladungs- leiter-Injektionslaser der eingangs erwähnten Art so trägerkonzentration und die anderen Einzel- weiterzubilden und zu verbessern, daß der Schwellenschichten (31 bis 33, 35 bis 37; 41, 43) eine um so xo strom weiter herabgesetzt wird,
niedrigere Ladungsträgerkonzentration aufweisen, Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem Laser je weiter sie von der. mittleren Einzelschicht (34; 42) der eingangs erwähnten Art, erfindungsgemäß daentfernt sind. durch gelöst, daß die mittlere Einzelschicht dieIt is therefore the object of the invention to further develop and improve a semicircular single layer (34, 42), the highest charge conductor injection laser of the type mentioned at the beginning, and the other single layers so that the threshold layers ( 31 to 33, 35 to 37; 41, 43) one is further reduced by the xo current,
Having lower carrier concentration, this task becomes starting from a laser the further it is from the. middle individual layer (34; 42) of the type mentioned at the beginning, are removed therefrom according to the invention. solved by that the middle single layer the 2. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter- höchste Ladungsträgerkonzentration und die anderen Injektionslasers nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 15 Einzelschichten eine um so niedrigere Ladungszeichnet, daß die Einzelschichten (31 bis 37) der trägerkonzentration aufweisen, je weiter sie von der laseraktiven Schicht aus Lösungen abgeschieden mittleren Einzelschicht entfernt sind.2. Method of manufacturing a semiconductor- highest carrier concentration and the other Injection laser according to claim 1, characterized in that 15 individual layers show a charge which is all the lower, that the individual layers (31 to 37) have the carrier concentration the further they are from the laser-active layer deposited from solutions middle single layer are removed. werden, deren Dotierstoffgehalt jeweils der Do- Eine erfindungsgemäße Laseranordnung ermöglichtthe dopant content of which enables the Do- A laser arrangement according to the invention tierungskonzentration dieser Schichten im fer- extrem niedrigen Schwellenstrom.concentration of these layers in the extremely low threshold current. tigen Laser entspricht. 20 Vorteilhafte Verfahren zur Herstellung des erfin-term laser corresponds. 20 Advantageous methods for producing the invented 3. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter- dungsgemäßen Halbleiter-Injektionslasers sind in den Injektionslastürs nach Anspruch 1, dadurch ge- Unteransprüchen beschrieben.3. Process for the production of a semiconductor injection laser according to the invention are in the Injection door according to Claim 1, characterized in that the dependent claims are described. kennzeichnet, daß für die laseraktive Schicht eine Die Erfindung wird im folgenden an Hand scheundotierte (41), eine hochdotierte (42) und eine matischer Zeichnungen an zwei Ausführungsbeiweitere undotierte Schicht (43) übereinander epi- 45 spielen näher erläutert.indicates that the laser-active layer is doped by hand (41), a heavily endowed (42) and a matic drawings on two additional designs undoped layer (43) on top of one another epi- 45 play explained in more detail. taktisch abgeschieden werden und daß der Halb- F i g. 1 zeigt einen Halbleiter-Injektionslaser, beibe tactically deposited and that the half-F i g. 1 shows a semiconductor injection laser at leiterkörper nach dem Abscheiden aller Schichten dem auf einer η-leitenden GaAs-Grundschicht 11 einer 30minütigen Hitzebehandlung bei 800° C eine erste η-leitende Gai-iAlzAs-Schicht 12, eine unterworfen wird. zweite laseraktive GaAs-Schicht 13, eine dritte p-lei-conductor body after the deposition of all layers on an η-conductive GaAs base layer 11 a 30-minute heat treatment at 800 ° C a first η-conductive Gai-iAlzAs layer 12, a is subjected. second laser-active GaAs layer 13, a third p-line 30 tende Gai-aAliAs-Schicht 14 und zur Herstellung30 tende Gai-aAliAs layer 14 and for production eines ohmschen Kontaktes eine vKte p+-leitendeof an ohmic contact a vKte p + -conducting Die Erfindung betrifft einen Halbleiter-Injektions- GaAs-Schicht 15 nacheinander mittels des bekannten laser mit zweifach-heterogenem Schichtauf bau, bei dem epitaktischen Aufwachsverfahrens in flüssiger Phase die laseraktive GaAs-Schicht aus mehreren Einzel- aufgebracht werden. Die laseraktive Schicht 13 beschichten unterschiedlicher Dotierungskonzentration 35 steht aus vielen Einzelschichten, von denen die mittlere besteht. Schichtkomponente die höchste Ladungsträgerkon-The invention relates to a semiconductor injection GaAs layer 15 in succession by means of the known Laser with a double-heterogeneous layer structure, with the epitaxial growth process in the liquid phase the laser-active GaAs layer can be applied from several individual layers. Coat the laser-active layer 13 different doping concentration 35 is composed of many individual layers, of which the middle consists. Layer component has the highest charge carrier con- Laser dieser Art sind bekannt (GB-PS 12 63 835). zentration aufweist und die anderen Einzelschichten Es ist hierbei auch schon bekannt, den Brechungs- eine um so niedrigere Ladungsträgerkonzentration index in der aktiven GaAs-Schicht von der Mitte aus aufweisen, je weiter sie von der mittleren Einzelnach beiden Seiten abnehmend auszubilden oder die 40 schicht entfernt sind, nie T-adnngsträgerknnzentramittlere Einzelschicht dieser aktiven GaAs-Schicht tionen lassen sich durch verschiedene Dotierungszumit der geringsten Ladungsträgerkonzentration aus- sätze zu den verschiedenen Einzelschichten verändern, zustatten und die daran nach beiden Seiten anschlie- Die Herstellung der einzelnen Schichten erfolgtLasers of this type are known (GB-PS 12 63 835). has centering and the other individual layers It is also already known that the refractive factor is a charge carrier concentration that is all the lower index in the GaAs active layer from the center, the further they go from the central individual on both sides to decrease or if the 40 layer has been removed, never middle-sized ones Single layer of this active GaAs layer can be doped with various the lowest charge carrier concentration changes to the various individual layers, and the subsequent production of the individual layers takes place on both sides ßenden anderen Einzelschichten mit entsprechender mit einer in F i g. 2 gezeigten Vorrichtung, bei der höherer Ladungsträgerkonzentration auszustatten (An- 45 in den Bohrungen 21 bis 30 eines Behälters 17 zehn sprach 2 der USi-PS 34 56 209). Ein Nachteil dieser Halbleiterlösungen enthalten sind. Dieser Behälter 17 bekannten Laseranordnung ist der immer noch rela- ist über einen Graphitgleiter 18 gleitend angeordnet, tiv hohe Schwellenstrom, der bei kontinuierlichem in welchem ein η-leitender GaAs-Halbleiterkeim 19 Betrieb bei Raumtemperatur stört. Es ist an sich be- eingelegt ist. Die zehn Bohrungen 21 bis 30 enthalten kannt, daß dieser Schwellenstrom abnimmt, wenn die 5° Lösungen der nachfolgenden Tabelle I.ßenden other individual layers with corresponding with one shown in FIG. 2 shown device in which to equip higher load carrier concentration (an 45 in the bores 21 to 30 of a container 17 ten spoke 2 of USi-PS 34 56 209). A disadvantage of these semiconductor solutions are included. This container 17 known laser arrangement which is still rela- is slidably arranged over a graphite slider 18, tively high threshold current, which in the case of continuous in which an η-conducting GaAs semiconductor seed 19 Operation at room temperature interferes. It is lodged in itself. The ten holes 21 through 30 contain knows that this threshold current decreases when the 5 ° solutions of Table I.
DE19742413493 1973-03-20 1974-03-20 Semiconductor injection laser with a double heterogeneous layer structure and process for its production Expired DE2413493C3 (en)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2933035A1 (en) * 1979-08-16 1981-03-26 Licentia Patent-Verwaltungs-Gmbh, 60596 Frankfurt SEMICONDUCTOR LASER
DE3704424A1 (en) * 1986-02-13 1987-08-20 Sharp Kk SEMICONDUCTOR LASER
DE10026734A1 (en) * 2000-05-30 2001-12-13 Osram Opto Semiconductors Gmbh Optically pumped surface emitting semiconductor laser device and method of manufacturing the same

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