DE2501344A1 - Halbleiterkoerper - Google Patents

Description

BLUMBACH ■ WESER ■ BERGEN & KRAMER

PATENTANWÄLTE IN WIESBADEN UND MÜNCHEN DIPL-ING. P. G. BLUMBACH ■ DIPL-PHYS. DR. W. WESER ■ DIPl.-ING. DR. JUR. P. BERGEN DIPL-ING. R. KRAMER

62 WIESBADEN · SONNENBERGER STRASSE 43 . TEL. (06121) 5629 43,561998 MÖNCHEN

Western Electric Company, Incorporated

New York, N. Y., U. S. A. S. E. Miller 66

Halbleiterkörper

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterkörper mit einer ersten und einer zweiten Schicht großen Energiebandabstandes, einer zwischen den beiden Schichten angeordneten und an diese angrenzenden dritten Zone vergleichsweise niedrigeren Energiebandabstandes, und einem in der dritten Zone angeordneten pn-übergang,

In einem Doppelheterostruktur-Übergangslaser enthält die Ausgangsstrahlung Transversalmoden, die sowohl parallel als auch senkrecht zur Ebene des pn-Übergangs schwingen. Aus bekannten Gründen ist es erwünscht, die Laserschwingung auf lediglich den

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transversalen Grundmoden zu beschränken. In dieser Hinsicht sind zahlreiche Vorschläge gemacht worden, um einen transversalen Grundmodenbetrieb senkrecht zur Übergangsebene zu erzeugen. Es ist jedoch ein wohlbekanntes Problem, daß eine Wellenleitung in der Ebene des Übergangs relativ schlecht ist, und folglich ist der Erhalt eines transversalen Grundmodenbetriebes parallel zur Übergangsebene relativ schwer zu erzielen. Die gebräuchlichste Methode zur Steuerung parallel zur Übergangsebene verlaufender Moden besteht in der Verwendung eines streifenförmigen elektrischen Kontaktes, der üblicherweise etwa 12 Mikrometer breit ist. Solche Kontakte bewirken jedoch die Erzeugung des erwünschten Grundmodenbetriebes lediglich bei relativ niedrigen Anregungsstromwerten. Wenn der Anregungsstrom merklich über einen Schwellenwert erhöht wird, besteht keine Garantie, daß parallel zur Übergangsebene verlaufende Moden höherer Ordnung unterdrückt werden.

Dieses Problem wird, erfindungsgemäß mit einem Halbleiterkörper der eingangs genannten Art gelöst, der sich dadurch auszeichnet, daß die dritte Zone eine aktive Zone aufweist, deren Dicke größer als die des Rests dieser dritten Zone ist, und die derart bemessen ist, daß die Strahlung bei Vorspannung des pn-Übergangs in Durchlaßrichtung im wesentlichen auf einen einzigen transversalen Moden begrenzt ist.

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In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels eines Doppelheterostruktur-Übergangslasers;

Fig. 2 eine grafische Darstellung der maximalen Breite w der rechtwinkeligen Stufe in Abhängigkeit von der Stufenhöhe h für den Aufbau der Fig. 1;

Fig. 3 eine grafische Darstellung der transversalen Wellenzahl B₁ (des parallel zur Ubergangsebene und innerhalb der mittleren Stufenzone der Breite w verlaufenden transversalen Grundmoden) in Abhängigkeit von der Stufenhöhe h; und

Fig. 4 eine grafische Darstellung der transversalen Wellenzahl β_χ1_ (des transversalen Grundmoden, der parallel zur Ubergangsebene und außerhalb der mittleren Stufenzone der Fig. 1 verläuft) in Abhängigkeit von der Stufenhöhe h.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird ein transversaler Grundmodenbetrieb parallel zur Übergangsebene eines streifenförmigen Doppelheterostrukturlasers durch eine rechtwinkelige Stufe in der aktiven Zone erreicht, die zum Streifenkontakt ausgerichtet ist. Breite und Dicke der rechtwinkeligen Stufe sind zueinander in geeigneter Weise derart gewählt, daß der gewünschte Grundmodenbetrieb parallel zur Übergangsebene erzeugt wird. Für

kann Transversalmoden senkrecht zur Übergangsebene/irgendeine der

zahlreichen bekannten Methoden, verwendet werden.

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In Fig. 1 ist ein Doppelheterostruktur-Übergangslaser dargestellt, der grundsätzlich von der in der US-PS J> 758 875 beschriebenen Art ist. Zur Vereinfachung und leichteren Erläuterung ist Fig. 1 nicht maßstabsgerecht gezeichnet. Ein Laser 10 umfaßt ein Substrat 12, auf welchem folgende Schichten in der Reihenfolge ihrer Aufzählung gezüchtet sind: eine erste Schicht 14 großen Bandabstandes, eine zweite Zone l6 kleineren Bandabstandes (die mehr als eine Schicht umfassen kann), eine dritte Schicht l8 größerer Bandbreite und eine Kontaktierungsschicht 20.

Die Schichten 14 und l8 weisen generell entgegengesetzte Leitfähigkeit auf, während die Zone l6 η-leitend, p-leitend, beides oder kompensiert sein kann. Die Grenzflächen zwischen Schichten l4 und 16 und zwischen den Schichten l6 und l8 bilden Hetero-Obergänge, die zur Begrenzung der Strahlung in der z-Richtung, d. h. senkrecht zur Übergangsebene, dienen. Die Zone l6 enthält einen pn-übergang (nicht dargestellt), der irgendwo zwischen den Hetero-Übergängen angeordnet sein kann oder mit einem von diesen zusammenfallend. Die Zone l6 bildet somit die aktive Zone des Lasers, in welcher die Rekombination von Löchern und Elektronen eine Laserstrahlung erzeugt, wenn der pn-übergang in Durchlaßrichtung mit mehr als dem Laserschwellenwert vorgespannt ist, und zwar mittels einer Quelle J>0, die zwischen einen auf dem Substrat gebildeten breitflächigen Kontakt 22 und einem auf der Kontaktierungsschicht 20 gebildeten streifenförmigen Kontakt 24 angeschlossen ist. Die Schicht 20 kann

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wahlweise vorgesehen sein, was von der Schwierigkeit abhängt, einen haftenden Kontakt direkt auf Schicht 18 zu bilden (wenn es sich bei der Schicht beispielsweise um AlGaAs handelt, haften bekannte Metallkontakte üblicherweise schlecht). Der streifenförmige Kontakt 24 kann durch Maskieren und Ätzen einer SiOp-Schicht (nicht dargestellt) in bekannter Weise gebildet werden oder durch ein Protonenbeschießungsverfahren, das auf die an die Seite des Kontaktes 24 angrenzenden Seitenzonen 25 angewendet wird.

Gegenüberliegende Stirnflächen 26 und 28, typischerweise Spaltflächen, sind parallel zueinander gebildet und bestimmen dadurch einen optischen Resonator zur Aufrechterhaltung der in der aktiven Zone erzeugten Strahlung. Solche Spaltflächen sind teilweise durchlässig und erlauben somit den Austritt eines Teils der Strahlung vom Resonator zu Gebrauchszwecken.

Um eine Wärmeabfuhr vom Bauelement entweder während eines Dauerstrich- oder^ines Impulsbetriebes zu ermöglichen, kann eine Wärmeableitung thermisch mit der oberen Fläche des Lasers, d. h. über Kontakt 24, verbunden werden.

Der Laser 10 kann aus einer AlGaAs-Struktur hergestellt sein, wobei der Aufbau beispielsweise folgende Schichten umfaßt: ein η-leitendes GaAs-Substrat 12, eine η-leitende Al Ga₁ As-Schicht 14, eine Zone 16 mit einer einzigen p-leitenden GaAs-Schicht, eine p-leitende Al Ga, As-Schicht l8(mit üblicherweise y = x)

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und eine p-leitende GaAs-Schicht 20. Nicht dargestellt ist eine dünne p-leitende GaAs-Schicht hoher Leitfähigkeit, die auf der oberen Fläche der Schicht 20 mittels der wohlbekannten Methode des Eindiffundierens von Zinkatomen gebildet ist.

Neben den obigen Elementen eines Doppelheterostruktur-Übergangslasers weist der Aufbau einen mittleren Teil 32 erhöhter Dicke auf, der die Form einer langgestreckten rechtwinkeligen Stufe haben und sich zwischen den Spiegelflächen 26 und 28 und entlang der dadurch gebildeten Resonatorachse erstrecken' kann. Der mittlere Teil 32, welcher der aktiven Zone des Bauelementes entspricht, hat eine Dicke h, während die dürne^i Seitenteile der Zone 16 eine Dicke h aufweisen. Somit ist die Höhe der recht-

winkeligen Stufe Ah = h-h . Die Breite der rechtwinkeligen Stufe und diejenige des Streifenkontakts sind w bzw. s.

Bei Verwendung von Standardgleichungen zur Lösung des mit dem Aufbau der Fig. 1 verbundenen Grenzwertproblems kann gezeigt werden, daß für jeden Wert von h und h eine maximale Breite w der rechteckigen Stufe existiert, für welche lediglich ein transversaler Grundmode parallel zur Übergangsebene schwingt. Wird beispielsweise angenommen, daß die Zone 16 aus einer einzigen GaAs-Schicht (im folgenden "Schicht 16") mit einem Brechungsindex von 3,6 besteht, und daß die Schichten 14 und 18.AlGaAs mit einem Brechungsindex von 3,^2 aufweisen, und wenn des weiteren angenommen wird, daß die Wellenlänge der Laser-

δ09832706β 1 " ⁷ "

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9 ι- Π 1 '< α Zi

Strahlung im freien Raum etwa 0,9 Mikrometer ist, dann kann eine Kurvenschar berechnet und dargestellt werden, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist. Fig. 2 zeigt die maximale Stufenbreite w in Abhängigkeit vom Verhältnis 0,98 h/h . In gleicher

111 C*·

Weise kann die Form des optischen Feldes innerhalb der rechteckigen Zone der Schicht 16 gekennzeichnet werden durch ihre transversale Wellenzahl ß ., wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Dieser Parameter ist ein Maß für den Grad, mit welchem das optische Feld des transversalen Grundmoden parallel zur Übergangsebene auf die rechteckige Stufenzone begrenzt ist. Die entsprechende transversale Wellenzahl ß„i_ für das Feld außerhalb der rechteckigen Stufenzone ist in Fig. 4 dargestellt.

Es sei ein Ausführungsbeispiel betrachtet, bei welchem die Schicht 16 eine Dicke h = Ο.98 Mikrometer aufweist, einen für Dauerstrichbetrieb bei Raumtemperatur geeigneten Wert. Weiter sei angenommen, daß die Dicke der Schicht 16 im Bereich der rechteckigen Stufe h = 1,1 Mikrometer ist, so daß das Verhältnis O,98h/h , die Abszisse der Fig. 2-4, 1,1 ist. Dann ergibt sich aus Fig. 2 für einen transversalen Grundmodenbetrieb parallel zur Übergangsebene eine maximale Breite w_m der rechteckigen Stufe von 2,95 Mikrometer. Aus Fig. 2 ergibt sich die transversale Wellenzahl ß -, = 0,634 Mikrometer"* , so daß Cosinus (β_χ1 Wjjj/2) = 0,594 ist, was die Form des Feldes innerhalb der rechteckigen Stufe festlegt. Für den Bereich außerhalb der rechteckigen Stufenzone ergibt Fig. 4 β_χ1ο =0,86 Mikrometer" ,

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? t O 1 3

woraus berechnet werden kann, daß das Feld außerhalb der rechteckigen Stufenzone bei 1,16 Mikrometer auf den l/efachen Betrag seines Spitzenwertes abgefallen ist.

Für ein zweites Ausführungsbeispiel sei angenommen, daß h = 3,92 Mikrometer und h = 4,4 Mikrometer ist, was geeignete Werte für Impulsbetrieb hoher Leistung darstellt. Wieder ist das Verhältnis 0,98 h/h = 1,1. Aus den Figuren 2-4 kann be-, stimmt werden, daß w = 9,^6 Mikrometer, ß . = 0,20 Mikrometer,

if1 -Ä. JL

^ßxlc ⁼ °'^{27 Mikrometer}~¹* ^cos (^ß _xl ^wn/²) = °>593 ist und das Feld außerhalb der rechteckigen Stufenzone bei ;5>7 Mikrometer auf den l/efachen Betrag des Spitzenwertes abfällt.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist h = 0,54 Mikrometer

und h = 0,49 Mikrometer, was typische Werte für Dauerstrich^c -j

betrieb bei Raumtemperatur darstellt. Dann ist 0,98h/h = 1,08, w_m = 2,0 Mikrometer, β_χ1 = 0,95 Mikrometer" , β_χ1ο =1,26 Mikrometer" , cos (^_xIW_n/²) = 0,566, und das Feld außerhalb der rechteckigen Stufe fällt bei 0,79 Mikrometer auf den l/e-fachen Betrag seines Spitzenwertes ab.

Ein weiteres Merkmal beruht auf der Erkenntnis, daß es zur Begrenzung praktisch des gesamten optischen Feldes auf einen Bereich innerhalb einer Zone, in welcher elektronische Verstärkung auftritt, wünschenswert ist, einen streifenförmigen Kontakt mit einer Breite s zu verwenden, der näherungsweise die Beziehung

50 9 8.3 2/068 Γ * " ⁹ "

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erfüllt. In den oben beschriebenen drei "Ausführungsformen errechnet sich die Streifenbreite gemäß Gleichung (1) zu S = 5,3 Mikrometer, S = 16,7 Mikrometer, bzw. S = 3,6 Mikrometer. Diese Anordnungen, bei welchen die Breite des Streifenkontaktes größer als diejenige der rechtwinkeligen Stufenzone 32 ist, stellt geringe Verluste oder sogar Gewinn in den Zonen der Schicht l6 sicher, die außerhalb der rechteckigen Stufenzone 32 und an diese angrenzend liegen.

Ein Vorteil der obigen Ausführungsformen besteht darin, daß jede gekennzeichnet ist durch die Eigenschaft positiver passiver Leitung unabhängig vom Anregungsstromwert oberhalb eines Schwellenwertes. Außerdem ist zu erwarten, daß die Strukturen Laserschwellenwerte bei niedrigeren Stromdichten als bekannte Anordnungen ergeben können.

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Claims (7)

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1. Halbleiterkörper mit einer ersten und einer zweiten Schicht großen Energiebandabstandes, einer zwischen den beiden Schichten angeordneten und. an diese angrenzenden dritten Zone vergleichsweise niedrigeren Energiebandabstandes, und einem in der dritten Zone angeordneten pn-übergang, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Zone (16) eine aktive Zone (32) aufweist, deren Dicke größer als die des Rests dieser dritten Zone ist, und die derart bemessen ist, daß die Strahlung bei Vorspannung des pn-Übergangs in Durchlaßrichtung im wesentlichen auf einen einzigen transversalen Moden begrenzt ist.

2. Halbleiterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Zone (32) die Form einer langgestreckten rechtwinkeligen Stufe aufweist, deren Breite und Dicke derart aufeinander abgestimmt sind, daß die Strahlung auf einen einzigen Transversalmoden beschränkt ist.

3. Halbleiterkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper einen langgestreckten, zur aktiven Zone im

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wesentlichen ausgerichteten, streifenförmigen elektrischen Kontakt (24) aufweist.

4. Halbleiterkörper nach Anspruch ~$, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite s des Kontaktes (24) näherungsweise die Beziehung

^{m ß}xlc

erfüllt, -wobei bedeuten:

w die maximale Breite der aktiven Zone, für welche die Strahlung bei gegebener Dicke von dritter Zone und aktiver Zone auf einen einzigen Transversalmoden beschränkt ist, und

ß die transversale Wellenzahl des parallel zur Ebene des xlc

Übergangs verlaufenden transversalen Grundmoden für das optische Feld, außerhalb der aktiven Zone.

5. Halbleiterkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper ein Paar parallel im Abstand voneinander angeordneter, einen optischen Resonator bildender Stirnflächen aufweist, und. daß sich die langgestreckte rechtwinkelige Stufe längs der Achse des optischen Resonators erstreckt.

6. Halbleiterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (14) η-leitendes Al Ga₁ As, die zweite Schicht (18) p-leitendes Al Ga₁ As und die dritte Zone (l6) sowie die aktive Zone (32) Al Ga, As aufweist, wobei O £^- y < χ und ζ ist.

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- ik - 2 b 01 3 4

7. Halbleiterkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß die dritte Zone (16) sowie die aktive Zone (j52) pleitend.es GaAs aufweisen.

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