DE2447536C2

DE2447536C2 - Halbleiterlaser

Info

Publication number: DE2447536C2
Application number: DE2447536A
Authority: DE
Inventors: Michiharu Tokyo Nakamura; Junichi Hachioji Tokyo Umeda
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1973-10-05
Filing date: 1974-10-04
Publication date: 1983-09-15
Also published as: DE2447536A1; JPS5062783A; NL7413156A; GB1461869A; NL163911C; JPS5329479B2

Description

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Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser, wie er im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher angegeben ist.

Aus der DE-OS 21 65 006 ist ein Halbleiterlaser dieser Art bekannt, bei dem zu beiden Seiten der laseraktiven Schicht jeweils zwei weitere Halbleiterschichten angeordnet sind, von denen die erste, auf die laseraktive Schicht einen kleineren Brechungsindex als die laseraktive Schicht und die zweite wiederum einen kleineren Brechungsindex als die erste aufweist. Bei Halbleiterlasern besteht der Resonatoraufbau für die Rückkoppelung, die für die Ausbildung der Laseroszillation erforderlich ist, aus wenigstens zwei ebenen Flächen, die parallel zueinander sind. Diese ebenen Flächen werden gewöhnlich von Spaltflächen des Lasermediums gebildet, das z. B. aus GaAs, GaP usw. besteht.

Diese Art von Halbleiter-Lasern hat jedoch, den Nachteil, daß eine Integrierung mit anderen Halbleiterelementen wie Transistoren, Dioden usw, in einem Halbleiterkörper sehr schwierig wird, da die Spaltungstechnik zur Bildung des Hohlraumresonators angewendet werden müßte. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß eine Einstellung einer dadurrh erzeugten Wellenlänge schwierig wird, da die Wellenlänge durch die Länge des Resonators bestimmt wird, der durch die gespaltenen Flächen des Lasermediums begrenzt ist und es sehr schwierig ist zwischen den Spaltflächen einen genauen Abstand einzuhalten.

Man braucht deshalb Halbleiter-Laservorrichtungen, die eine Integrierung mit anderen Halbleiterelementen ermöglichen und deren Wellenlänge leicht steuerbar ist

Es wurde bereits eine Halbleiter-Laservorrichtung unter der Bezeichnung »Laser mit verteilter Rückkoppelung« (distributed feedback laser) vorgeschlagen, der den vorstehenden Anforderungen genügt (Applied Physics Letters, Band 18, Nr. 4, Febr. 1971, Seiten 152 bis 154). Ober die praktische Erprobung dieser Halbleiter-Laservorrichtung wurde bereits berichtet (Applied Physics Letters, Band 22, Nr. 10, Mai 1973, Seiten 515, 516 und Applied Physics Letters, Band 23, Nr. 5, Sept 1973, Seiten 224,225).

Der Laser mit verteilter Rückkoppelung hat einen Aufbau, bei dem eine Fläche einer laseraktiven Schicht periodisch gewellt <st.

An der gewellten Oberfläche gibt es jedoch eine Vielzahl von nicht-strahlenden Rekombinationszentren, die während der Herstellung der Wellungen an der Oberfläche der laseraktiven Schicht gebildet werden. Die Bearbeitung der Oberfläche der laseraktiven Schicht erzeugt an ihr Oberflächenschäden, die Zentren für eine strahlungslose Rekombination bilden; sie führt folglich zu optischen Verlusten. Der Laser mit verteilter Rückkoppelung bzw. verteiltem Feedback hat deshalb den Nachteil, daß der Schwellenwert für die Laseroszillation hoch ist

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, einen Laser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, dessen Schwellstromdichte niedrig ist

Diese Aufgabe wird mit einem Halbleiter-Laser nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 gelöst, der erfindungsgemäß nach der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Weise ausgestaltet ist.

Weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung hat den Vorteil, daß die Schwellenstromdichte des Halbleiter-Lasers niedrig ist.

Im folgenden werden Ausführungsbeispieie der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

F i g. 1 zeigt schematisch in einer perspektivischen Ansicht eine Ausführungsform der Erfindung.

F i g. 2 bis 4 zeigen schematisch Schnittansichten weiterer Ausführungsformen der Erfindung.

Bei der in F i g. 1 schematisch gezeigten Ausführungsform eines Lasers mit verteilter Rückkoppelung ist auf einer Hauptfläche eines η-leitenden GaAs-Körpers 1 mit einer Verunreinij;ungskonzentration von etwa I ■ 10^l8cm-³ eine laseraktive Schicht 2, bestehend aus p-leitendem GaAs mit einer Verunreinigungskonzentration von etwa 5· 10'" cm-³ angeordnet. Auf dieser laserkativen Schicht 2 ist eine erste Halbleiterschicht 3 aus p-leitendem Gao.9Alo.1As angeordnet, deren von der laseraktiven Schicht 2 abgewandte Oberfläche eine periodisch gewellte Oberfläche ist. Auf der periodisch

gewellten Oberfläche 4 ist eine zweite Halbleiterschicht 5 vorgesehen, die aus p-leitendem GaotAla^As besteht. Auf der zweiten Halbleiterschicht 5 und auf der anderen, der Hauptfläche des GaAs- Körpers 1 gegenüberliegenden Fläche ist eine Metallschicht 6 aus Chrom und Gold bzw. eine Metallschicht 7, bestehend aus Germanium und Nickel enthaltendem Gold angeordnet

Die Stärken der laseraktiven Schicht 2, der ersten Halbleiterschicht 3 und der zweiten Halbleiterschicht 5 betragen 0,1 μπι, 03 μ«η bzw. 2 μπι. Die Periode und die to Tiefe der Wellung auf der Oberfläche 4 der ersten Halbleiterschicht 3 beträgt 0,123 μπι bzw. 50 nm.

Ein solcher Laser mit verteilter Rückkoppelung emittiert einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 875 nm, wenn eine elektrische Stromdichte von mehr als ts 2000 A/cm² an der laseraktiven Schicht 2 über die Elektroden 6 und 7 anliegt Dieser Schwellenwert von 2000 A/cm² ist sehr niedrig, verglichen mit einem Laser mit verteilter Rückkoppelung, bei welchem die Wellung direkt auf einer Oberfläche der laseraktiven Schicht ausgebildet ist welche die gleichen Abmessungen wie der Laser mit verteilter Rückkoppelung gemäß Fi f. ί hat und dessen Schwellenwert wie Versuche ergaben, bei etwa 6000 A/cm² liegt

Der Laser mit verteilter Rückkoppelung, der den vorstehend beschriebenen Aufbau hat wird auf die nachstehend beschriebene Weise hergestellt

Auf einer Hauptfläche eines η-leitenden GaAs-Körpers mit einer Stärke von etwa 400 μπι werden nacheinander mittels eines bekannten Flüssigphasen-Epitaxial-Verfahrens eine p-leitende GaAs-Schicht von 0,1 μπι Stärke dotiert mit Si und eine p-leitende GaosAlojAs-Schicht von 035 μπι dotiert mit Si gezogen. Dann wird auf die Oberfläche der p-leitenden Gao^AIaiAs-Schicht ein Photoresist ausgebildet Auf die Photoresistschicht wird ultraviolettes Licht gerichtet, so daß sich auf der Oberfläche der Photoresistschicht Interferenzstreifen bilden. Wenn die Photoresistschicht .entwickelt ist, erhält man ein Photoresist mit einer periodisch gewellten Oberfläche. Danach wird der -to erhaltene Kristall in einen Ionenfräser eingebracht und von den Ionen geätzt, wodurch man einen Kristall erhält, der eine periodisch gewellte Oberfläche auf der p-leitenden GaoaAlo.i As-Schicht hat. Auf der periodisch gewellten Oberfläche wird mit einem bekannten FIüssigphasen-Epitaxial-Verfahren eine p-leitende GaoiAlo.4As-Schicht von 2 μπι Stärke dotiert mit Si gezogen. Schließlich werden Chrom und Gold unter Vakuum auf die Oberfläche der p-leitenden GaoiAlo^As-Schicht und Germanium und Nickel enthal- w tendes Gold auf der Oberfläche des GaAs-Körpers zur Erzeugung von Elektroden von etwa 1 μΐη Stärke aufgedampft.

Bei der in Fig.2 schematisch gezeigten weiteren Ausführungsform der Erfindung sind auf einen n-leitenden GaAs-Körper 1 eine dritte Halbleiterschicht 8, bestehend aus n-leitencfem Gao.zAIojAs mit einer Stärke von etwa 0,2 μπι, eine laseraktive Schicht 2, bestehend aus p-leitendem GaAs mit einer Stärke von etwa 0,4 μιτι. eine erste Halbleiterschicht 3 von etwa 0,2 μιτι Stärke, &o bestehend aus p-leitendem Gao.9Alo.1As, dessen von der laseraktiven Schicht 2 abgewandte Fläche eine periodisch gewellte Fläche 4 ist, und eine zweite Halbleiterschicht 5 mit einer Stärke von etwa 2 μπι nacheinander angeordnet.

Bei dieser Laservorrichtung mit verteilter Rückkoppelung beträgt die Periode und Tiefe der Wellungen 0,123 μπι bzw. 50 nm. Oie Wellenlänge des daraus emittierten Laserstrahls beträgt 875 nm. Die Schwellen wertstromdichte dieser Laservorrichtung beträgt 1000 A/cm², ist also sehr niedrig, verglichen mit einen» Laser mit verteilter Rückkoppelung, bei welchem eine Wellung auf der Oberfläche der laseraktiven Schicht angeordnet ist die die gleichen Abmessungen hat wie der in F i g. 2 gezeigte Laser mit verteilter Rückkoppelung, und der eine durch Versuche festgestellte Schwellenwertstromdichte von etwa 2500 A/cm² hat

Fig.3 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Die gezeigte Laservorrichtung mit verteilter Rückkoppelung umfaßt einen n-leitenden GaAs-Körper 1, eine dritte Halbfeiterschicht fc, bestehend aus n-ieitendem Gaoj&AIo.4As von 2 μηι Stärke, die auf dem Körper 1 angeordnet ist eine vierte Halbleiterschicht 10, bestehend aus n-leitendem Ga0.9AlQ.iAs mit einer Stärke von 0,2 μηι, die auf der Oberfläche der dritten Halbleitersciiicht 8 angeordnet ist eine laseraktive Schicht 2, bestehend aus p-leitendem GaAs mit einer Stärke von 0,07 μητ, die auf der Oberfläche der vierten HalbleiterscK. ht 10 angeordnet ist eine erste Haibleiierschicht 3, hestehend aus p-leitendem Ga0.9AI0.iAs von 0.2 μηι Stärke, die auf der laseraktiven Schicht 2 angeordnet ist und dessen von der laseraktiven Schicht 3 abgewandte Fläche eine periodisch gewellte Räche 4 ist, eine zweite Halbleiterschicht 5, bestehend aus p-leitendem Gao.5Alo.5As von 2 μπι Stärke, die auf der gewellten Oberfläche angeordnet ist, eine fünfte Halbleiterschicht 9, bestehend aus p-leitendem GaAs von 2 μπι S.ärke, die auf der zweiten Halbleiterschicht angeordnet ist sowie Elektroden 6 und 7, die auf der fünften Halbleiterschicht 9 bzw. auf dem Körper 1 angeordnet sind.

Diese Laservorrichtung mit verteilter Rückkoppelung hat eine Periode und Tiefe der Wellungen von 0,123 μπι bzw. 50 nm. Diese Laservorrichtung gibt einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 871 nm ab, wenn eine Stromdichte von wenigstens 700 A/cm² an die laseraktive Schicht 2 über die Elektroden 6 und 7 angelegt wird. Dieser Schwellenwert von 700 A/cm² ist sehr niedrig, verglichen mit einem Laser mit verteilter Rüc-koppelung, bei welchem eine Wellung auf der Oberfläche der laseraktiven Schicht angeordnet ist. welche die gleichen Abmessungen wie bei der Laservorrichtung gemäß F i g. 3 hat, und dessen Schwellenwertdichte, wie Versuche zeigten, etwa 2000 A/cm² beträgt.

Diese Laservorrichtung mit verteilter Rückkoppelung läßt sich mit den folgenden Schritten herstellen:

Auf einem η-leitenden GaAs-Körper werden nach einem herkömmlichen Flüssigphasen-Epitaxial-Verfahren eine η-leitende Gdo*Alo.4As-Schicht, dotiert mit Te, eine η-leitende Gao^Alo.: As-Schicht, dotiert mit Te, eine p-leit·· ide Ga-As-Schicht, dotiert mit Si, und eine p-leitende Gao.sAlo.iAs-Schicht, dotiert mit Si, nacheinander ausgebildet. \uf die Oberfläche der n-leitenden Gao.qAIo.i As-Schicht wird eine Photoresist-Schicht ausgebildet, auf die ultraviolettes Laserlicht so gerichtet wird, daß auf der Oberfläche der Photoresistschicht Interferenzstreifen gebildet werden. Wenn die Photoresistschicht tntwickelt ist, erhält man eine Photoresistschicht mit einer periodisch gewellten Oberfläche. Danach wird der erhaltene Kristall in eint lonenfräsmaschine eingebracht und durch Ionen geätzt, wodurch man einen Kristall mit einer periodisch gewellten Oberfläche auf der p-leitenden Gao.qAlo.iAs-Schicht erhält.

Auf der gewellten Oberfläche der p-leitenden

s-Schicht läßt man nacheinander eine p-leitende Gao.bAlo^As-Schicht, dotiert mit Si, und eine p-leitende GaAs-Schicht, dotiert mit Zn, wachsen. Die leitenden Schichten der Elektroden werden auf der p-leitenden GaAs-Schicht bzw. auf dem GaAs-Kcrper ausgebildet.

Die in Fig.4 schematisch gezeigte Ausführungsform einer Laservorrichtung mit verteilter Rückkoppelung umfaßt einen η-leitenden GaAs-Körper 1, eine dritte Halbleiterschicht 8. bestehend aus n-leitendem Ga0.eAI0.4As, die auf dem Körper 1 angeordnet ist, eine vierte Halbleiterschicht 10, bestehend aus n-leitendem Gao.9Alo.1As, die auf der dritten Halbleiterschicht 8 angeordnet ist, eine laseraktive Schicht 2, bestehend aus n-leitendem GaAs, die auf der vierten Halbleiterschicht

10 angeordnet ist, eine erste Halbleiterschicht 3, bestehend aus p-leitendem Gao.9Alo.1As, die auf der laseraktiven Schicht 2 angeordnet ist, eine zweite Halbleiterschicht 5, bestehend aus p-leitendem Gao.6Alo.4As, die auf der ersten Halbleiterschicht 3 angeordnet ist. eine fünfte Halbleiterschicht 9, bestehend aus p-leitendem GaAs, die auf der zweiten Halbleiterschicht 5 angeordnet ist, wobei die Grenzen 4 und 11 zwischen der ersten und zweiten Halbleiterschicht bzw. der dritten und vierten Halbleiterschicht periodisch gewellt sind, sowie Elektroden 6 und 7. die auf der Oberfläche der fünften Halbleiterschicht 9 bzw. desGaAs-Körpers 1 angeordnet sind.

Die Periode und die Tiefe jeder der Wellungen 4 und

11 betragen Ο,123μπι bzw. 50 nm. Die Phase der

Wellungen 4 steht in umgekehrter Beziehung zu der der Wellung 11. Die Schwellenstromdichte dieser Laservorrichtung mit verteilter Rückkoppelung beträgt 600 A/ cm², die Wellenlänge der Laservorrichtung liegt bei 871 nm.

In Abwandlung vorstehender Ausführungsbeispiele kann anstelle des für die erste und zweite Halbleiterschicht benutzten Gai _ ,AI₁As, wobei χ = 0.1, auch ein Material mit 0.1 < χ < 0,2 eingesetzt werden. Anstelle der für die erste, zweite, dritte und vierte Halbleiterschicht benutzten GaAIAs-Schichten können auch andere Materialien mit Brechzahlen verwendet werden, die niedriger sind als die Brechzahl des für die laseraktive Schicht benutzten Materials, beispielsweise

r, eignet sich Gai _ ,AI.Asi _ _tP_f (0 < .v, y < I), Ini _ ,AI₁As(O < ν < l)oderln, _ ,Ga₁P(O < ν < 1).

Anstelle der Stärke einer jeden ersten und dritten Halbleiterschicht von 0.3 μιη, 0,2 um oder 0.1 μηι kann jede Stärke zwischen 50 nm und 0,5 μιη, vorzugsweise

:o zwischen 0,1 μπι und 0,3 μιη und speziell zwischen 0,2 μιη und 0,25 μπι, verwendet werden.

Die Perioden der Wellungen sind nicht auf die bei den Ausführungsformen angegebenen Werte beschränkt. Die Perioden werden durch die gewünschte Laserwel-

2i lenlänge, die aus der Laservorrichtung emittiert werden soll, festgelegt, da die Laserwellenlänge λ der Laservorrichti-.ng λ - 2 Sn/m. wobei S die Periode der Wellung auf den Oberflächen der ersten und dritten Halbleiterschicht, η die wirksame Brechzahl der laseraktiven

jn Schicht und meine ganze Zahl ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiterlaser mit einem Halbleitersubstrat (1), einer laseraktiven Schicht (2) sowie mindestens zwei Halbleiterschichten (3, 5X die auf der vom Halbleitersubstrat (1) abgewandten Oberfläche der laseraktiven Schicht (2) nacheinander angeordnet sind, und von denen die erste (3) auf die laseraktive Schicht folgende einen kleineren Brechungsindex als die laseraktive Schicht und die zweite (5) wiederum '° einen kleineren Brechungsindex als die erste (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfläche (4) zwischen den beiden Halbleiterschichten (3, 5) mit einer periodischen Wellung versehen ist ^h>

Z Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Halbleitersubstrat (1) und der laseraktiven Schicht (2) zwei weitere Halbleiterschichten (8, 10) angeordnet sind, die den glichen Leitungstyp wie das Halbleitersubstrat (1) sowie bezüglich der laseraktiven Schicht (2) abnehmende Brechungsindizes und steigende Bandabstände aufweisen, und daß die Grenzfläche (11) zwischen den beiden weiteren Halbleiterschichten (8, 10) mit einer periodischen Wellung versehen ist

3. Halbleiterlaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die Phase der Wellung zwischen den beiden auf der vom Halbleitersubstrat (1) abgewand'en Seite der laseraktiven Schicht (2) angeordneten Halbleiterschichten (3,5) mit derjenigen der Wellung zwischen den beiden weiteren, zwischen aer laseraktiven Schicht (2) und dem Halbleitersubstrat (i) ant .ordneten Halbleiterschichten (8,10) überek istimmt

4. Halbleiterlaser nach ! ispruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phase der Wellung zwischen den beiden auf der vom Halbleitersubstrat (1) abgewandten Seite der laseraktiven Schicht (2) angeordneten Halbleiterschichten (3, 5) zu derjenigen der Wellung zwischen den beiden weiteren, zwischen der laseraktiven Schicht (2) und dem Halbleitersubstrat (1) angeordneten Halbleiterschichten (8,10) entgegengesetzt ist.

5. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß die bzw. jede gewellte Grenzfläche (4, 11) von der laseraktiven Schicht (2) einen Abstand von 50 bis 500 nm hat.