DE2425363A1

DE2425363A1 - Halbleiterinjektionslaser

Info

Publication number: DE2425363A1
Application number: DE19742425363
Authority: DE
Inventors: Frank Zygmunt Hawrylo; Henry Kressel; Harry Francis Lockwood
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1973-05-29
Filing date: 1974-05-25
Publication date: 1975-01-02
Also published as: US3855607A; FR2232108A1; JPS5022589A; CA1013456A; GB1458426A; NL7407116A

Description

Dipl.-lng. H. Sauerland · Dr.-lng. R. König · Dipl.-lng. K. Bergen Patentanwälte · 4odo Düsseldorf 30 · Cecilienallee 7B · Telefon 433732

24o Mai 1974 29 373 B

RCA Corporation, 30 Rockefeiler Plaza, New York, N.Y. 10020 (V.St.A.)

"Hal"bleiterin.jektionslaser"

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterinjektionslaser mit einem Körper aus einkristallinem Halbleitermaterial, der eine erste Zone eines ersten·Leitungstyps, eine zweite Zone eines dem ersten entgegengesetzten Leitungstyps und eine zwischen der ersten und der zweiten Zone gelegene dritte Zone aufweist, wobei wenigstens ein Teil der dritten Zone einen bei Anliegen einer Spannung am Körper zur Lichterzeugung geeigneten Leitungstyp besitzt.

Halbleiterinjektionslaser weisen allgemein Körper aus einkistallinem Halbleitermaterial auf, die bei Anliegen einer Vorspannung Licht entweder im sichtbaren oder infraroten Bereich aufgrund der Rekombination von Paaren von entgegengesetzt geladenen Ladungsträgern emittieren. Solche Bauelemente weisen generell Zonen entgegengesetzten Leitungstyps auf, zwischen denen ein PN-Übergang gebildet ist. Wenn der Übergang unter geeigneter Vorspannung steht, werden Ladungsträger des einen Typs aus einer der Zonen in die andere injiziert, wo sich vorherrschend die Ladungsträger des entgegengesetzten Typs

4 09881/0824

befinden, so daß Licht durch Rekombination erzeugt wird.

Zur Emission angeregter Strahlung bei Zimmertemperatur wurden verschiedene Ausführungen von Halbleiterinjektionslasern angegeben, die einen optisch beschränkenden Hohlraum-Resonator zwischen Zonen entgegengesetzten Leitungstyps aufweisen, in welchen die Strahlung durch Rekombination der Ladungsträger auftritt. Als Resonator dient generell ein schmales Gebiet, das sich über den Halbleiterkörper zwischen den Enden und den Seitenrändern des Körpers erstreckt. Eine optische Begrenzung wird gewöhnlich dadurch erreicht, daß die Körperzonen auf jeder Seite des Resonators aus einem Material hergestellt werden, das einen niedrigeren Brechungsindex als das Material des Resonators hat. Wenigstens eine Endfläche des Körpers ist teildurchlässig und bildet einen Fabry-Perot-Resonator. Die in dem optisch begrenzenden Resonator erzeugte Strahlung wird daher durch die teil— durchlässige Endfläche des Körpers in Form eines kohärenten Strahlenbündels emittiert.

Ein Problem bei solchen, einen optisch begrenzenden Resonator verwendenden Halbleiterinjektionslaser liegt in der Divergenz des aus den Lasern emittierten Strahlungsbündels. Unter "Divergenz" des Strahlenbündels wird verstanden, daß das Strahlenbündel nach seinem Austritt und mit zunehmender Entfernung von der Emissionsfläche des Lasers in zunehmendem Maße streut. Generell emittieren diese Halbleiterinjektionslaser zwei Lichtkeulen, welche voneinander divergieren. Daher nimmt die gesamte Querschnittsfläche des Strahlenbündels in einer Ebene rechtwinklig zum PN-Übergang des Lasers längs der Strahlenachse mit zunehmendem Abstand vom Laser zu.

Bei Verwendung von Halbleiterlasern wird das emittierte

4 0 9 8 8 1 /0824

Lichtstrahlenbündel auf ein Target gerichtet, und es ist erwünscht, daß -das Strahlenbündel als Punkt mit steuerbarer Querschnittsfläche auf das Target trifft. Es ist daher auch erwünscht, daß das emittierte Strahlenbündel eine Zylinderform, d.h. eine gleichmäßige Querschnittsfläche längs der Strahlenachse hat oder wenigstens nur in minimalem. Umfang divergiert, so daß bei dem im optischen System zwischen dem Halbleiterlaser und dem Target vorzusehenden Linsensystem zur Erzielung des gewünschten Lichtpunkts auf dem Target kein großer Aufwand getrieben werden muß.

Ausgehend von einem Halbleiterinjektionslaser der eingangs angegebenen Art, schlägt die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe vor, daß die zwischen der dritten Zone und jeder der ersten und zweiten Zonen liegenden Übergänge HeteroÜbergänge sind, die sich bis zum Rand des Körpers erstrecken, und daß die dritte Zone eine geringere Bandabstandsenergie als jede der ersten und zweiten Zonen hat, wobei die Abstandsenergiedifferenz zwischen der dritten Zone und der ersten Zone geringer als diejenige zwischen der dritten Zone und der zweiten Zone ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.¹ Es zeigen:

Jl eine Schnittansicht auf ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterinjektionslasers;

_2 eine graphische Darstellung der Bandabstandsenergien der Zonen des Halbleiterinjektionslasers gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Schnittansicht auf ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterinjektionslasers; und

409881/0824

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Bandabstandsenergie der Zonen des in Fig. 3 dargestellten Halbleiterinjektionslasers.

In Figo 1 ist ein Ausführungsbeispiel des neuen Halbleiterinjektionslasers insgesamt mit 10 bezeichnet. Der Halbleiterinjektionslaser 10 weist ein flaches Substrat 12 aus einem einkristallinen, hochleitenden N-Typ-Halbleitermaterial, z.B. aus Galliumarsenid auf. Auf einer Oberfläche des Substrats 12 ist eine erste Zone 14 aus einkristallinem N-leitendem Halbleitermaterial angeordnet. Eine zweite Zone 16 aus einkristallinem, hochleitendem P-Halbleitermaterial ist über der ersten Zone 14 angeordnet, und eine dritte Zone 18 aus einkristallinem Halbleitermaterial liegt zwischen der ersten Zone 14 und der zweiten Zone 16. Die dritte Zone 18 hat einen Leitungstyp, der zur Erzeugung von Licht entweder im sichtbaren oder infraroten Bereich geeignet ist, wenn der Injektionslaser 10 mit einer geeigneten Spannung vorgespannt wird. Vorzugsweise ist die dritte Zone 18 P-leitend, da durch Elektroneninjektion eine wirksamere Lichterzeugung erreicht werden kann. Jedoch kann die dritte Zone 18 auch N-leitend sein, um die Lichterzeugung durch Löcherinjektion hervorzurufen. Es gibt daher einen PN-Übergang zwischen der dritten Zone 18 und entweder der zweiten Zone 16 oder der ersten Zone 14, wobei die Lage des PN-Übergangs von dem Leitungstyp der dritten Zone 18 abhängig ist.

Die Übergänge 20 und 22 zwischen der dritten Zone 18 und jeder der ersten und zweiten Zonen 14 und 16 sind HeteroÜbergänge und erstrecken sich im wesentlichen parallel zueinander bis zu wenigstens einem Rand des Halbleiterinjektionslasers 10. Es ist besonders wichtig, daß die dritte Zone 18 aus einem Halbleitermaterial besteht, das

409881/0824

gemäß Pig. 2 eine niedrigere Bandabstandsenergie. als diejenige des Halbleitermaterials jeder der ersten und zweiten Zonen 14 und 16 hat. Die Bandabstandsenergiedifferenz zwischen der dritten Zone 18 und der ersten Zone 14 muß auch geringer als die Bandabstandsenergiedifferenz zwischen der dritten Zone 18 und der zweiten Zone 16 sein. Die Bandabstandsenergiedifferenz zwischen der dritten Zone 18 und jeder der ersten und zweiten Zonen 14 und 16 führt zu einem Unterschied im Brechungsindex dsr Zonen. Vorzugsweise sollten die Bandabstandsenergiedifferenzen eine solche Größe haben, daß das Verhältnis des Brechungsindexunterschiedes der dritten Zone 18 und der zweiten Zone 16 zum Brechungsindexunterschied der dritten Zone 18 und der ersten Zone 14 in der Größenordnung von 5 zu 1 liegt.

Es gibt verschiedene Halbleitermaterialien, insbesondere in der Gruppe III-V der Halbleiterverbindungen und deren Legierungen, welche unterschiedliche Bandabstandsenergien haben und als Materialien für die Zonen des Lasers 10 brauchbar sind. So kann die dritte Zone 18 beispielsweise aus Galliumarsenid bestehen, und jede der ersten und zweiten Zonen 14 und 16 kann aus Galliumaluminiumarsenid hergestellt werden, das eine höhere Bandabstandsenergie als Galliumarsenid besitzt. Die Bandabstandsenergie von GaI-liumaluminiumarsenid kann durch Änderungdes Aluminiumanteils in der Verbindung variiert werden. In alternativer Ausführung kann die dritte Zone 18 ebenso wie die ersten und zweiten Zonen 14 und 16 aus Galliumaluminiumarsenid bestehen, wobei der Aluminiumanteil im Material der dritten Zone 18 entsprechend niedriger gewählt ist als der Aluminiumanteil im Material jeder der ersten und zweiten Zonen, so daß die gewünschte Differenz in den Bandabstands energien dieser Zonen erreicht wird. Bei einem Halbleiterinjektionslaser 10 $us Galliumarsenid und Galliumaluminium-

409881 /0824

arsenid oder vollständig aus Galliumaluminiumarsenid kann das bevorzugte Verhältnis der Brechungsindexunterschiede dadurch eingestellt werden, daß die Bandabstandsdifferenz zwischen der dritten Zone 18 und der ersten Zone 14 nicht größer als etwa 0,025 eV und die Bandabstandsenergiedifferenz zwischen der dritten Zone 18 und der zweiten Zone 16 größer als etwa 0,1 eV gehalten werden. Indem die erste Zone 14 aus Galliumaluminiumarsenid mit einem geringen Anteil an Aluminium in der Verbindung, d.h.. Ga^__xAl_xAs mit χ kleiner als etwa 0,03, gemacht wird, kann die gewünschte Bandabstandsenergiedifferenz bei Werten von nicht mehr als 0,025 eV zwischen der dritten Zone und der ersten Zone 14 eingestellt werden. Indem die zweite Zone 16 aus Galliumaluminiumarsenid mit einem größeren Anteil von Aluminium in der Verbindung, d.h. Ga₁ Al As mit y größer als 0,1, gemacht wird, kann die gewünschte Bandabstandsenergiedifferenz auf mehr als 0,1 eV zwischen der dritten Zone 18 und der zw.eiten Zone 16 eingestellt werden.

Die dritte Zone 18 kann vorzugsweise eine Dicke von etwa 2 Mikrometer haben, um eine hohe Spitzenleistung des Lasers 10 zu gewährleisten. Je nach der gewünschten Spitzenleistung kann die dritte Zone 18 auch dünner oder dicker gemacht werden. Der Halbleiterinjektionslaser 10 hat generell die Form eines rechtwinkligen Parallelepipeds. Er wird dadurch in die Form eines Fabry-Perot-Resonators gebracht, daß zwei einander gegenüberliegende Seitenflächen und eine Endfläche reflektierend und die andere Endfläche teildurchlässig gemacht werden. Zum Anschluß des Lasers 10 an eine geeignete Spannungsquelle sind an der zweiten Zone 16 und dem Substrat 12 Anschlüsse vorgesehen.

Es sei angenommen, daß bei dem Halbleiterinjektionslaser

409881/0824

die dritte Zone 18 P-leitend ist und der PN-Übergang des Lasers 10 der Übergang 20 zwischen der dritten Zone 18 und der ersten Zone 14 ist. Bei Anliegen einer Spannung in Vorwärtsrichtung am PN-Übergang 20 werden Elektronen von der N-leitenden ersten Zone 14 in die P-leitende dritte Zone 18 und Löcher aus der Zone 16 injiziert. Die injizierten Elektronen erfahren eine strahlende Rekombination in der dritten Zone 18 mit dem Ergebnis, daß Licht in der dritten Zone 18 erzeugt wird. Das Licht in der dritten Zone 18 breitet sich entlang der dritten Zone aus und wird aus der teildurchlässigen Endfläche des Lasers 10 emittiert. Wie oben bemerkt, ergeben die Bandabstandsenergiedifferenzen zwischen den Materialien der dritten Zone 18 und den ersten und zweiten Zonen 14 und 16 einen höheren Brechungsindex der dritten Zone 18 als die Brechungsindices jeder der ersten und zweiten Zone 14 und 16. Dieser Brechungsindexunterschied bewirkt, daß ein beträchtlicher Teil des erzeugten Lichts in der dritten Zone 18 begrenzt wird. Da die Bandabstandsenergiedifferenz zwischen der dritten Zone 18 und der ersten Zone 14 jedoch sehr gering ist, ist der Brechungsindexunterschied ebenfalls sehr klein, so daß ein Teil des Lichts aus der PN-Heteroübergangssperrschicht 20 in die erste Zone 14 streut. Indem man einen Teil des Lichts aus der dritten Zone in die erste Zone 14 austreten läßt, wird die Möglichkeit des Betriebs in Transversalmoden höherer Ordnung reduziert, was zu einer Verringerung der Divergenz der beiden aus dem Laser 10 emittierten Lichtkeulen führt. So beträgt beispielsweise bei einem Halbleiterinjektionslaser ähnlich dem Laser 10 aus Galliumarsenid und GaI-liumaluminiumarsenid bei einer Bandabstandsenergiedifferenz zwischen der dritten Zone 18 und jeder der ersten und zweiten Zonen 14 und 16 von etwa 0,1 eV die Divergenz der beiden emittierten Lichtkeulen etwa 40 bis 50°,

AÜ9881/082A

und eine Erhöhung der Bandabstandsenergiedifferenz zwischen der dritten Zone 18 und jeder der ersten und zweiten Zonen 14 und 16 erhöht diese Divergenz weiter. Bei dem beschriebenen Halbleiterinjektionslaser 10 wurde dagegen eine Strahlenbündeldivergenz von 14 bis 30° erzielt. Daher liefert der beschriebene Halbleiterinjektionslaser 10 ein stärker zylinderförmiges Lichtstrahlenbündel, und er ermöglicht die Verwendung eines einfacheren optischen Systems zwischen dem Laser und einem Target zum Sammeln des Strahlenbündels in einem kleinen Punkt auf dem Target.

Ein Halbleiterinjektionslaser 10 mit einer N-leitenden dritten Zone 18 arbeitet in der zuvor beschriebenen Weise, mit der Ausnahme, daß der PN-Übergang der Übergang 22 .zwischen der dritten Zone 18 und der zweiten Zone 16 ist. Das Licht wird durch Injektion von Elektronen und Löchern aus den ersten und zweiten Zonen 14 bzw. 16 in die dritte Zone 18 erzeugt, in der die Rekombination stattfindet.

In Fig. 3 ist ein anderes Ausführungsbeispiel des neuen Halbleiterinjektionslasers mit 100 bezeichnet. Der Halbleiterinjektionslaser 100 weist ähnlich dem Laser 10 gemäß Fig. 1 ein flaches Substrat 112 aus einem hochleitenden, einkristallinen N-Halbleitermaterial, z.B. aus Ga!-*- liumarsenid, eine auf einer Oberfläche des Substrats 112 aufgebaute erste Zone 114 aus einem einkristallinen, N-leitenden Halbleitermaterial, eine über der ersten Zone 114 liegende zweite Zone 116 aus einem einkristallinen, hochleitenden P—Halbleitermaterial und eine zwischen der ersten Zone 114 und der zweiten Zone 116 liegende dritte Zone 118 aus einkristallinem Halbleitermaterial auf. Die dritte Zone 118 weist jedoch zwei parallele Schichten

409881/0824

118a und 118b auf, die entgegengesetzte Leitungstypen haben und daher zwischen sich einen PN-Übergang 121 bilden. Wie bei dem in Fig. 1 dargestellten Halbleiterinjektionslaser 10 sind die Übergänge 120 und 122 zwischen der dritten Zone 118 und jeder der ersten und zweiten Zonen 114 bzw. 116 HeteroÜbergänge. Wie in Fig. 4 dargestellt ist, besteht die dritte Zone 118 aus einem Material, dessen Bandabstandsenergie niedriger als die Bandabstandsenergie des Halbleitermaterials jedes der ersten und zweiten Zonen 114 und 116 ist, wobei die Bandabstandsenergiedifferenz zwischen der dritten Zone 118 und der ersten Zone 114 kleiner als die Bandabstandsenergiedifferenz zwischen der dritten Zone 118 und der zweiten Zone 116 ist. Vorzugsweise sollte die Bandabstandsenergiedifferenz eine solche Größe haben, daß das Verhältnis des Unterschieds der Brechungsindices der dritten Zone 118 und der zweiten Zone 116 zum Unterschied der Brechungsindices der dritten Zone 118 und der ersten Zone 114 in der Größenordnung von 5 zu 1 liegt. Wenn die dritte Zone 118 aus Galliumarsenid hergestellt wird, ist zur Erzielung einer optimalen Betriebsweise vorzugsweise vorgesehen, daß die P-leitende Schicht der dritten Zone 118 an die hohe Heteroübergangssperrschicht angrenzt. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Elektroneninjektion vom N-leitenden Material zum P-leitendem Material gegenüber der Löcherinjektion vom P-leitenden Material in N-leitendes Material in Galliumarsenid bevorzugt, ist. Wenn daher die dritte Zone 118 aus Galliumarsenid besteht, so sollte die Schicht 118b P-leitßnd und die Schicht 118a N-leitend sein. Wenn der Halbleiterinjektionslaser 100 jedoch aus einem Material besteht, bei der die vorgenannte Bedingung nicht gilt, so kann die Lage der P-leitenden und N-leitenden Schichten der dritten Zone 118 umgekehrt werden. Der Halbleiterinjektionslaser 100 arbeitet in derselben Weise wie der zuvor beschriebene

40988 17Q82A

Halbleiterinjektionslaser 10 und emittiert ein Lichtstrahlbündel mit relativ geringer Divergenz.

Die Herstellung des beschriebenen Halbleiterinjektionslasers kann durch epitaktisches Niederschlagen der Zonen auf dem Substrat erfolgen, wobei die erste Zone zuerst, danach die dritte Zone auf der ersten Zone und schließlich die zweite Zone auf der dritten Zone niedergeschlagen werden. Bei dem Halbleiterinjektionslaser 100 gemäß Fig. 3 werden die beiden Schichten der dritten Zone nacheinander epitaktisch niedergeschlagen. Die Zonen werden vorzugsweise durch Epitaxie aus der Flüssigphase niedergeschlagen. Dabei kann jede der Zonen aus einer erhitzten Lösung aus dem Halbleitermaterial und einem geeigneten Dotierstoff in einem metallischen Lösungsmittel epitaktis ch niedergeschlagen werden. So kann beispielsweise Galliumarsenid aus einer Lösung aus Galliumarsenid in Gallium und Galliumaluminiumarsenid aus einer Lösung aus Galliumarsenid und Aluminium in Gallium niedergeschlagen werden. Tellur kann zu der Lösung als N-Dotierstoff und Zink zu einer Lösung als P-Dotierstoff zugesetzt werden. Eine epitaktische Schicht kann aus einer Lösung durch Abkühlen der Lösung niedergeschlagen werden.

409881 /0824

Claims

- 1t -

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York, N.Y. 10020 (V.St.A.)

Patentansprüche:

T1.1 Halbleiterinjektionslaser mit einem Körper aus einkristallinem Halbleitermaterial, der eine erste Zone eines ersten Leitungstyps, eine zweite Zone eines dem ersten entgegengesetzten Leitungstyps und eine zwischen der ersten und der zweiten Zone gelegene dritte Zone aufweist, wobei wenigstens ein Teil der dritten Zone einen bei Anliegen einer Spannung am Körper zur Lichterzeugung geeigneten Leitungstyp besitzt, daurch gekennzeichnet , daß die zwischen der dritten Zone (18; 118) und jeder der ersten (14; 114) und zweiten (16;. 116) Zonen liegenden Übergänge (20, 22; 120, 122) HeteroÜbergänge sind, die sich bis zum Rand des Körpers (10, 100) erstrecken, und daß die dritte Zone eine geringere Bandabstandsenergie als jede der ersten und zweiten Zonen hat, wobei die Bandabstandsenergiedifferenz zwischen der dritten Zone (18; 118) und der ersten Zone (14; 114) geringer als diejenige zwischen der dritten Zone (18; 118) und der zweiten Zone (16; 116) ist.
2. Halbleiterinjektionslaser nach Anspruch 1, d a d u r ch gekennzeichnet , daß die Bandabstandsenergiedifferenzen zwischen der ersten Zone (18; 118) und der ersten (14; 114) und zweiten (16; 116) Zonen so gewählt sind, daß das Verhältnis des Unterschiedes der Brechungsindices der dritten und zweiten Zonen zum Unterschied der Brechungsindices der dritten und ersten Zonen in der Größenordnung von 5 zu 1 liegt.

409881/0824
3. Halbleiterinjektionslaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Zone (18) einen PN-Übergang (20 oder 22) mit einer der ersten und zweiten Zonen (14, 16) bildet.
4. Halbleiterinjektionslaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zone (14) N-leitend, die zweite Zone (16) P-leitend und die dritte Zone (18) P-leitend sind.
5. Halbleiterinjektionslaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Zone (118) Schichten (118a, 118b) entgegengesetzten Leitungstyps aufweist, zwischen denen ein PN-Übergang (121) gebildet ist, wobei die Schichten im wesentlichen parallel zu den HeteroÜbergängen (120, 122) zwischen der dritten Zone (118) und den ersten und zweiten Zonen (114, 116) verlaufen.
6. Halbleiterinjektionslaser nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die P-leitende Schicht (I18b) der dritten Zone (118) entlang dem HeteroÜbergang (122) zwischen der dritten Zone und der zweiten Zone (116) verläuft.
7. Halbleiterinjektionslaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Zone (18; 118) aus Galliumarsenid besteht und jede der ersten (14; 114) und zweiten (16; 116) Zonen aus Galliumaluminiumarsenid besteht, wobei der Aluminiumanteil in der ersten Zone geringer als der Aluminiumanteil in der zweiten Zone ist.

409881 /0824
8. Halbleiterinjektionslaser nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Bandabstandsenergiedifferenz zwischen der dritten Zone (18; 118) und der ersten Zone (14; 114) nicht größer als etwa 0,o25 eV und die Bandabstandsenergiedifferenz zwischen der dritten Zone (18; 118) und der zweiten Zone (16; 116) größer als etwa 0,1 eV ist.
9. Halbleiterinjektionslaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Zonen (14, 16, 18; 114, 116, 118) aus Galliumaluminiumarsenid besteht, wobei der Aluminiumanteil in der dritten Zone (18; 118) kleiner als derjenige in jeder der ersten (14; 114) und zweiten (16; 116) Zonen und der Aluminiumanteil in der ersten Zone kleiner als derjenige in der zweiten Zone ist.
10. Halbleiterinjektionslaser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandabstandsenergiedifferenz zwischen der dritten Zone (18; 118) und der ersten Zone (14; 114) nicht grosser als etwa 0,o25 eV und die Bandabstandsenergiedifferenz zwischen der dritten Zone (18; 118) und der zweiten Zone (16; 116) größer als etwa 0,1 eV ist.

409881/0824

Leerseite