DE2536377A1

DE2536377A1 - Halbleiterlaser mit variabler streifenbreite

Info

Publication number: DE2536377A1
Application number: DE19752536377
Authority: DE
Inventors: Frederick David King
Original assignee: Northern Electric Co Ltd
Current assignee: Nortel Networks Ltd
Priority date: 1974-09-17
Filing date: 1975-08-14
Publication date: 1976-03-25
Also published as: CA1006255A; GB1496599A; FR2285733A1; SE414692B; SE7510340L; JPS5154384A; NL7509409A

Description

Halbleiterlaser mit variabler Streifenbreite

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser mit variabler Streifenbreite, und iiBbesondere einen Halbleiterlaser, bei dem sich die Streifenbreite der herkömmlichen Halbleiterlaser variieren läßt.

Bei einem herkömmlichen Streifenkontakt tritt eine Streuung bzw. Verbreiterung des Stroms auf. Dies ist jedoch auf vielen Anwendungsgebieten nachteilig.

Mt der vorliegenden Erfindung soll deshalb ein Halbleiterlaser geschaffen werden, bei dem sich die Stromstreuung steuern und selektiv verringern läßt} außerdem soll eine nur eine niedrige Leistung er-

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DR. G. MANlTZ · DIPL.-ING. M. FINSTERWALD DIP L. - 1 N G. W. GRAMKOW ZENTKALKASSE BAYER. VOLKSBANKEN

fordernde, schnelle Einrichtung geschaffen werden, um einen Laser ein- und auszuschalten, wie es "beispielsweise für die Modulation erforderlich ist; schließlich sollen noch die unerwünschten Eigenschwingungen "bzw. Moden höherer Ordnung vermieden werden.

Dies wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht, daß eine positive Vorspannung an einen dritten Kontakt eines Hätbleiterlasers angelegt wird, durch den ein konstanter Strom geleitet wird; dadurch kann die Stromdichte in dem aktiven Bereich erhöht werden. Eine solche Anordnung kann beispielsweise dazu verwendet werden, einen Laser von einem Zustand unterhalb des Schwellwertes auf einen .Zustand oberhalb des Schwellwertes umzuschalten.

Die Erfindung schafft also einen Halbleiterlaser mit variabler Streifenbreite, bei dem über den Kontaktstreifen und den Bückkontakt hinaus ein dritter Eontakt vorgesehen ist. Durch Anlegen einer positiven Torspannung an den dritten Kontakt läßt sich die Stromverbreiterung bzw. Stromstreuung in der Anordnung verringern, wobei die effektive Stromdichte an der die Laserstrahlung aussendenden Stelle erhöht wird. Wird die angelegte Vorspannung variiert, also impulsweise zugeführt, so läßt sich die Stromdichte so steuern, daß sie sich zwischen Werten über und unter einem Schwellwert ändert; in dieaar Weise läßt sich der Laser ein- und ausschalten. Weiterhin können durch Anlegen einer geeigneten positiven Vorspannung unerwünschte Eigenschwingungen bzw. Moden höherer Ordnung vermieden werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 zur Darstellung der Stromverbreiterung einen Querschnitt durch eine herkömmliche Anordnung;

Fig. 2 einen Fig. 1 ähnlichen Querschnitt zur Dar-

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stellung der Verringerung der Stromverbreiterung durch einen verarmten bzw. Sperrbereich;

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Ausführungsforin einer Anordnung nach der Erfindung;

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Anordnung; und

Fig. 5 einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Anordnung.

In Fig. 1 ist ein herkömmlicher Halbleiterlaser mit Streifenkontakt dargestellt. Es handelt sich um einen AlGaAs-Mehrgrenzschicht- bzw. Hetero junction-Laser, der ein Substrat 10 aufweist, auf dem vier Schichten 11, 12, 13 und 14 gezogen sind. Die Schichten 11 und 13 sind Begrenzungsschichten und bestehen aus H-AlGaAs bzw. P-AlGaAs. Die Schicht 12 ist die aktive Schicht und besteht aus P-GaAs,während die Schicht 14 eine aus P-GaAs bestehende Deckschicht ist. Die Schicht 12 kann unabhängig von den Schichten 11 und 13 oft entweder p- oder η-leitend sein.

Der Eontakt zu der Deckschicht 14 wird hergestellt, indem zunächst ein Streifen 15 mit der BieLte L in einem Oberflächendiffusionsverfahren aufgebracht wird. Auf dem eindiffundierten Streifen 15 wird dann ein Metallkontaktstreifen 16 ausgebildet. Durch Anlegen einer Spannung entsteht ein bei 17 angedeuteter Bereich, der Laserstrahlung aussendet. Der Strom verbreitert sich auch in die Schichten 12, 13 und 14, so daß die Breite des die Laserstrahlung aussendenden Bereichs 17 größer als die Streifenbreite L ist. Die Stromdichte in dem die Laserstrahlung aussendenden Bereich ist geringer als an dem Kontakt 16.

Gemäß der vorliegenden Erfindung läßt sich die Stromverbreiterung verringern, indem über einen weiteren Kontakt eine Spannung an die Anordnung angelegt wird. Dies ist im einzelnen in Fig. 2 dargestellt;

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dabei soll angenommen werden, daß über einen nicht dargestellten Kontakt eine Spannung angelegt wird; dadurch wird die Breite des die Laserstrahlung aussendenden Bereichs 17 im Vergleich zu Fig. 1 verringert, so daß sie nur etwas breiter als die Streifenbreite L ist. Die Stromdichte in dem die Laserstrahlung aussendenden Bereich 17 wird im Vergleich mit der Dichte in dem Bereich 17 nach Fig. 1 bei gleicher Stromdichte an dem Kontakt 16 erhöht. Die Grenze des Verarmungsbereichs auf einer Seite des die Laserstrahlung aussendenden Gebietes wird durch die Linie 18 angedeutet.

In Fig. 3 ist eine Ausführungsform einer Anordnung nach der Erfindung dargestellt, die einen p-n-übergang aufweist. Die Anordnung enthält ein Substrat 20 und vier aufgebrachte Schichten 21, 22, 2p und 24. Die Schichten 21, 22, 23 und 24 können durch irgendein bekanntes Verfahren und eine bekannte Vorrichtung gezogen werden, wie sie beispielsweise in dem kanadischen Patent Nr. 902 803 vom 13. Juni 1972 beschrieben sind; ein solches Verfahren ist auch in der Veröffentlichung "Preparation of GaAs p-n Junctions»' von B.I. Miller und H.C. Casey jr., Paper 24, I972 Symposium on GaAs, erläutert.

Zweckmäßigerweise wird ein Substrat-Scheibchen bzw.-Plättchen nacheinander unter vier Vorratsbehältern durchgeführt, die Epitaxielösungen enthalten; dabei findet an jedem Vorratsbehälter eine vorher bestimmte Temperaturverringerung statt. Im folgenden sind Beispiele für die Schmelzen in den vier Vorratsbehältern zusammengestllt, wobei die Konzentration des Dotierungsmittels in mg pro 4g Schmelze angegeben ist; die Wachsturnstemperatür liegt im Bereich von 83O⁰C bis 817°C.

Schicht	n-Ga_0>	Typ	35^As	Al	Te	Ge	I	Dicke /am	Trägerkonzen tration
21	p-Ga_Oj	65^A1O,	_cAs 05	6	2	-			^5χ1Ο¹⁷οπΓ⁵
22	^p"^Gao,	95^A1O,	35^As	1	-	-		;i,o	<2x1Oⁱ⁶cm"⁵
23	n-GaAs	65^A1O,		7	-	20	'1,5	<1x10¹⁷cm~⁵
24		-	• 25		1,0	^5XiO¹⁷cm"⁵

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- 5 Ais Alternative hierzu kann für die aktive Schicht verwendet werden?

j 22 j K-Ga₀ C^Al₀ ₀^ ί * f Sn f - £< Ί ,υ κ ά ζ: ι υ cm

Das Substrat 2G ist νοκ. gleichen Syp wie die Schicht 21, d.h., n-leitend. Es ist möglich; den Schichttj-p umzukehren_}el»h« ₅ eis p-leitendes Substrat 20 und eine p-Ieitende Schicht 21 sowie n-ieitende Schichten 2J. und 24 zu verwenden.

ITaeh dem Aufwachsen der Schichten 21, 22, 23 und 24 und der anschließenden Reinigung der Plättchen werden darauf mehrere Anordnungen ausgebildet ·

Im folgenden wird ein typisches Verfahren zur Hersteilung von einer
Zahl von Anordnungen bzw. Schichten auf einem Plättchen angegebens

(Bj näherunssweise 15Q0".a mit SiO^ dotierter Phosphor
werden durch Abscheidung aus der Gasphase auf der
Schicht 24 abgelagert - Schicht 25;

(b) auf o,5 aim Zentren in der Oxidschicht 25 werden

Byjix Streifen unter Verwendung einer herkömmlichen photolithographischen Ätztechnik mit gepufferter Flußsäure geöffnet, so daß Fenster 26 entstehen;

(c) Zink wird in die Fenster 26 diffundiert, bis die Diffusionsfront in die Schicht 23 reicht; dadurch entstehen Diffusionszonen 27; die Diffusion erfolgt 30 Minuten lang in einer Kapsel mit einer ZnAs_? Quelle bei YOO⁰C;

(d) in der Oxidschicht 25 werden unter Verwendung einer herkömmlichen photolithographischen Ätztechnik mit gepufferter Flußsäure 50 ja Streifen auf 0,5 am (20 mil) Zentren geöffnet, wobei die Streifen parallel su und in der Kitte zwischen den ursprünglichen 8 μ Streifen
liegen;

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(e) 200 2. Au/Ge werden aufgedampft und anschließend A κ£ Au aufgebrecht, so daß die Schicht 28 entsteht ι

(f) das Substrat 20 wird auf eine näiaerungsveise Dicke von 0.0: se {L Eiil) bis 0,125 ram (5 mil) ieingese/ilifien, wonach ein weiterer 3-C25 (i Mil) abgeätzt wird;

(g) nanerungswexse 2,25 K& Au/Ge werden auf die geätzte Oberfläche aufgedampft, wodurch die Schicht 29 entsteht;

(h) lip wird 1 Minute bei näherungsweise 600 c einlegiert;

(i) unter Verwendung eines herkömmlichen Photolack-Kaskenverfahrens und eines KI-Ip Ätzmittels werden 0,025 mm Streifen auf 0,133 mm. (7,5 mil) Zentren in der Schicht 28 geöffnet, so daß Öffnungen 30 in der Mitte zwischen den Penstern 26 und den bei dem Schritt (d) geöffneten 50 ja. Streifen entstehen, wodurch Kontakte 28a und 28b gebildet verden;

Q) das Plättchen wird l'ängu der 50 ρ Streifen in Chips aufgespalten und angebracht.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Anordnung wird eine Schottky-Barriere bzw. -Sperrschicht verwendet. Sie weist wieder ein Substrat 20 und vier in einer Epitaxietechnik aufgezogene Schichten 21, 22, 25 unä 24 auf. Die Schichten 21, 22, 25 und 24 werden nach dem gleichen Verfahren aufgezogen, wie es für die in Fig. 5 dargestellte Anordnung beschrieben wurde, wobei der einzige Unterschied darin liegt, da3 die Schicht 24 die folgenden Eigenschaften hat:

Schicht Ity-pe Al Te Ge Dicke Trägerkonzentration 24 p-GaAs - - 20 1 /1 — 1 χ 10¹⁷CnT^ .

ITach der Aufzucht der Schichten 21 bis 24 und einer Reinigung werden mehrere Anordnungen bzw. Schichten auf einem einzigen Plättchen ausge bildet, wie im folgenden angegeben wird:

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(a) die Schicht 24 wird bei 60O⁰C 15 Kimrien lang einem Oberflächendiffusionsverfahrsn in einer r.r.lbabgeaichteten Kapsel mit einer ZnASp-Q,ueiie unterworfen;

(b) das Substrat wird auf eine üäkerungsweise Dicke von 0,88 mm (3,5 QiIj feingeschliffen;

(c) 2,25 K fs. Au/Ge viird auf das Substrat 20 aufgedampft, so daß die Schicht 29 entsteht;

(ά) bei 65O⁰C wird 3 Minuten in einer !„-Atmosphäre eine Legierungs"oildung durchgeführt;

(e) die Schicht 24 wird mit einem Photolack maskiert, um Muster

von 0 ja. Streifen zu bilden;

(f) die Schicht 24 wird 15 Sekunden lang mit 30H₀ O₂/1UH. OH geätzt, um die Oberflächendiffusion von den Bereichen zwischen den Streifen zu entfernen; dadurch entstehen Bereiche 31 j

(g) der Photolack wird entfernt;

(h) auf die Schicht 24 wird 2 K % aufgedampft, so daß die Schicht 32 entsteht;

(i) in der Schicht 32 werden 5 P- Streifen 32 längs der Sander der Bereiche 51 geöffnet, so daß Kontakte 32a und 32b gebildet werden;

(j) das Plättchen wird gespalten und angebracht.

In Fig.5 ist eine Anordnung dargestellt, die einen Metallisolator-Halbleiter-Auf bau hat. Dabei werden wieder auf einem Substrat 20 in einem Epitaxieverfahren die vier Schichten 21,22, 23 und 24 in der gleichen Form aufgezogen, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Die Schicht 24 wird maskiert und dann einem Diffusionsverfahren unterworfen, so

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daß ein Bereich 35 entsteht. Dann wird eine Oxidschicht 36 ausgebildet, maskiert und geätzt, um Bereiche 37 zu bilden; anschließend .wird auf dem diffundierten Bereich 35 eine p-Kontaktschicht 38 hergestellt. Auf den Oxidbereiten 37 v/erden Feldkontakte 59 ausgebildet; dann wird das Plättchen gespalten und angebracht.

Jede Anordnung hat wenigstens drei Kontakte. Beispielsweise hat die in Fig. 3 dargestellte Anordnung die Kontakte 28a, 28b und 29. Die Kontakte 28a und 29 entsprechen im Vergleich mit Fig. 1 dem Kontakt 16 und einem nicht gezeigten Rückkontakt; es handelt sich dabei um die Kontakte, durch die ein Strom an die Anordnung angelegt wird. Üblicherweise tritt beim Anlegen des Stroms eine Verbreiterung in den Schichten 23 und 24 auf, wie es bei der Anordnung nach Fig. 1 der Fall ist. Durch Anlegen einer Spannung an die Kontakte 28b wird die Stromverbreiterung reduziert, wie es anhand von Fig. 2 eiäutert wurde. Die über die Kontakte 28a und 29 angelegte Spannung kann so ausgelegt sein, daß an der aktiven Schicht 22 aufgrund der Verbreiterungswirkung die Stromdichte unter dem für die Erzeugung der Laserstrahlung notwendigen Wert liegen kann, obwohl die Stromdichte an dem Kontakt 28a zur Erzeugung der Laserwirkung ausreicht. Wird nun eine Spannung an die Kontakte 28b angelegt, so verringert diese die Stromverbreiterung und erhöht die Stromdichte auf einen Wert, der über dem Schwellenwert liegt. Dann setzt also die Laserwirkung ein. Auf diese Weise kann die Laserwirkung rasch ein- und ausgeschaltet oder moduliert werden, indem Spannungen- oder Signale - an die Kontakte 28b angelegt werden. Wird die Spannung über einen Übergang mit hohem Widerstand angelegt, so ist die für eine solche Umschaltung erforderliche Leistung klein und kann beispielsweise weniger als

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10 mw betragen.

Eine ähnliche Funktionsweise ergibt sich bei den in den Figuren 4 und 5 gezeigten Anordnungen. In Fig. 4 sind die normalen Kontakte für die Vorrichtung, die zur Erzeugung der Laserwirkung erforderlich sind, die Kontakte 32a und 29. Die Kontakte 32b sind die "Steuer"-Kontakte, an die eine Spannung angelegt wird, um die Stromverbreiterung zu steuern. In ähnlicher Weise sind bei der Ausführungsform nach Fig. 5

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ixe Kontakte 38 und 29 die normalen Schichtkontakte, während die Kontakte 39 die "Steuer"-Kontakte sind.

An den "Steuer"-Kontakt kann also eine Spannung angelegt werden, um die Laserwirkung ein- und auszuschalten; darüberhinaus können Spannungen angelegt werden, um die unerwünschten Eigenschwingungen "bzw. Moden höherer Ordnung zu eliminieren, indem die Stromverbreiterung über des die Laserstrahlung abgebenden Schwellenbereich verringert v/ird. Bei herkömmlichen Anordnungen muß die Breite des Kontaktes ein sehr schmaler Streifen sein, um sicherzustellen, daß die Moden niedrigster Ordnung erzeugt werden. Bei dem Halbleiterlaser nach der Erfindung stellt die Streifenbreite eine sehr viel weniger kritische Größe dar.

Um einen Laser ein- und auszuschalten, ist eins bestimmte Leistung erforderlich; diese Leistung kann im allgemeinen dadurch verringert werden, daß der Laser mittels der zusätzlichen, an die "Steuer"-Kontakte angelegten Spannung ein- und ausgeschaltet wird. Ein solcher Halbleiterlaser ist deshalb besonders für ein ImpulsmoduMionssystem geeignet.

- Patentansprüche -

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Claims

-10-Patentansprüche

^f 1.!Halbleiterlaser mit variabler Streifenbreite mit einem Substrat, mit einem Hehrschichtaufbau auf dem Substrat und mit einem Kontaktstreifen auf dem Mehrschichtaufbau für das Anlegen eines Potentials an den Mehrschichtaufbau, gekennzei cn η et d u r ο ii wenigstens einen weiteren Kontakt (28b, 32b, 39) ^au£" dem Mehrschichtaufbau (21, 22, 23, 24) für das Anlegen eines weiteren Potentials in der Weise, daß die Stromverbreiterung von dem Kontaktstreifen (28a, 32a, 38) in dem Mehrschichtaufbau verringert ist.
2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mehrschichtaufbau p-n-Übergänge an vier durch ein Epitaxieverfahren gezogenen Schichten (21, 22, 2'j>, 24), eine sich durch die äußere Schicht (24) und in die Schicht (23) unter der äußeren Schicht (24) erstreckende Diffusionszone (27, 35) ^unc^ einen Kontaktstreifen (28a, 38) auf der Diffusionszone (27, 35) ^un<i einen weiteren Kontakt (28b, 39) auf jeder Seite des Kontaktstreifens (28a, 38) aufweist.
3. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mehrschichtaufbau eine Schottky-Barriere mit vier durch ein Epitaxieverfahren gezogenen Schichten (21, 22, 23, 24), einen oberflächendiffundierten Bereich (31) auf der äußeren Schicht (24)» einen Kontaktstreifen (32a) auf dem oberflächendiffundierten Bereich (31)> ^un<3· einen weiteren Kontakt (32b) auf jeder Seite des Kontaktstreifens (32a) aufweist.
4. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mehrschichtaufbau eine Metall-Isolator-Halbleiter-Anordmmg mit vier durch ein Epitaxieverfahren gezogenen Schichten (21, 22, 23, 24), einen diffundierten Bereich (35) i& eier äußeren Schicht (24), einen Kontaktstreifen (38) auf dem diffundierten Bereich (35) 1 ^un(i einen weiteren Kontakt (39) auf jeder Seite des Kontaktstreifens (38) aufweist.

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5. Halbleiterlaser mit variabler Streifenbreite mit einer Anordnung, ura äen Laser rasch aus dem Ruhezustand in den Betriebszustand zu bringen, bei dem Laserstrahlen ausgesandt werden, weiterhin mit eineia Substrat und einem eine aktive Schicht enthaltenden Hehrschichta uf bau auf dem Substrat, gekennzeichnet durch einen Kontaktstreifen (28a, 52a, 38) auf dem Mehrschichtaufbau für das Anlegen eines Potentials an den Hehrschichtaufbau, um in der aktiven S_chicht (22) eine Stromdichte zu erzeugen, die kleiner als der Schwellwert ist, und durch wenigstens einen weiteren Kontakt (28b, 32b, 39) auf dem Hehrschichtaufbau für das Anlegen eines weiteren Potentials an den Mehrschichtaufbau, um die Stromverbreiterung von dem Kontaktstreifen (28a, 32a» po) zu verriigsrn und die Stromdichte in der aktiven Schicht (22) über den Schwellwert hinaus zu erhöhen.

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