DE2537093A1 - Halbleiterlaser und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Halbleiterlaser und verfahren zu seiner herstellung

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DE2537093A1 DE19752537093 DE2537093A DE2537093A1 DE 2537093 A1 DE2537093 A1 DE 2537093A1 DE 19752537093 DE19752537093 DE 19752537093 DE 2537093 A DE2537093 A DE 2537093A DE 2537093 A1 DE2537093 A1 DE 2537093A1
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Description

Halbleiterlaser und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser aus einem Halbleiterkörper eines ersten Leitungstyps mit einer Hauptoberfläche und auf dieser einem optischen Einschlussbereich sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Lasers.
Ein Laser der genannten Art eignet sich zur Integration mit anderen Halbleiterbauelementen auf ein und demselben Substrat.
Bekannte Halbleiterlaser enthalten ein Lasermedium, das die Verstärkungs- und Resonatorstruktur bildet. Dieses Lasermedium bewirkt die zum Aufbau der Laserschwingung erforderliche Rückkopplung. Die Resonatorstruktur besteht aus mindestens zwei zueinander planparallelen Oberflächen, die gebräuchlicherweise durch Spalten des Lasermediums hergestellt werden. Als Lasermedium werden GaAs und GaP verwendet.
Die solcherart aufgebauten und hergestellten Halbleiterlaser lassen sich jedoch nicht mit anderen Halbleiterbauelementen, beispielsweise mit Transistoren, Dioden oder optischen Wellenleitern, in einem Halbleiterkörper oder Substrat integrieren,
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da zur Herstellung der Resonatorreflektoren gespalten werden muss. Ausserdem lassen sich die Laserwellenlängen der solcherart hergestellten Halbleiterlaser nur sehr ungenau einstellen, da die Laserwellenlängen durch die Länge des Resonators bestimmt sind, die ihrerseits jedoch durch die Lage der Spaltflächen festgelegt ist. Es ist jedoch sehr schwierig, diese Spaltflächen in einem genau vorgegebenen Abstand voneinander zu erzeugen.
Diese Nachteile werden bei einem ebenfalls bekannten neuen Halbleiter lasertyp vermieden, der in der englisch sprachigen Fachliteratur als "distributed feed back laser" bezeichnet wird und für den sich im deutschen Sprachgebrauch die Bezeichnung "Laser mit verteilter Rückkopplung" durchzusetzen beginnt (Appl.Phys.Letters J_8 (1971), 152-154; Appl.Phys. Letters 2_2 (1973), 515-516; Appl.Phys.Letters 23 (1973), 224-225).
Der Laser mit verteilter Rückkopplung ist durch eine periodisch gewellte Oberfläche der laseraktiven Schicht gekennzeichnet. Die Periode der Wellung ist durch die Soll-Wellenlänge der zu emittierenden Laserstrahlung bestimmt. Die Laserwellenlänge lambda des Lasers ist
lambda = 2 S*n/m
wobei S die räumliche Periode derjWellung, η der effektive Brechungsindex der laseraktiven Schicht und m eine ganze Zahl ist.
Bei der Herstellung der Oberflächenwellung werden jedoch in der Oberfläche der laseraktiven Schicht zahlreiche strahlungsfreie Rekombinationszentren erzeugt. Das führt dazu, dass der bekannte Laser mit verteilter Rückkopplung einen recht hohen Schwellenwert für die Laserstrahlung
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besitzt.
Dieser Nachteil wird bei einem bekannten Halbleiterlaser vermieden, der einen Ladungstragereinschlussbereich und einen optischen Einschlussbereich und eine Grenzflächenwellung besitzt, die zwischen dem optischen Einschlussbereich und einer Halbleiterschicht ausgebildet ist, deren Brechungsindex kleiner als der Brechungsindex des Werkstoffs für den optischen Einschlussbereich ist. Durch diese Massnahme wird ein wirksamer Einschluss des Lichtes im optischen Einschlussbereich erzielt. Ein bekannter Halbleiterlaser dieser Art ist auf einem GaAs-Substrat eines ersten Leitungstyps aufgebaut. Auf der Hauptoberfläche dieses Halbleiterkörper s ist ein laseraktiver Bereich aufgebracht. Auf diesem liegt ein GaAlAs-Halbleiterbereich eines dem ersten Leitungstyp entgegengesetzten zweiten Leitungstyps mit einem Bandabstand, der grosser als der Bandabstand des laseraktiven Bereichs ist. Die dem laseraktiven Bereich abgekehrte Oberfläche des GaAlAs-Bereichs ist gewellt. Auf der gewellten Oberfläche ist eine GaAlAs-Halbleiterschicht des zweiten Leitungstyps angeordnet, die einen Brechungsindex aufweist, der kleiner als der Brechungsindex der GaAlAs-Halbleit er schicht mit der gewellten Oberfläche ist. In diesem Laser wirkt der laseraktive Bereich als Ladungsträgereinschlussbereich. Der laseraktive Bereich und der GaAlAs-Halbleiterbereich auf diesem laseraktiven Bereich bilden gemeinsam den optischen Einschlussbereich. Dieser Halbleiterlaser und ein Verfahren zu seiner Herstellung sind Gegenstand der US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 512 969.
Bei der Herstellung des bekannten Halbleiter lasers muss jedoch eine hohe Fehlproduktionsrate in Kauf genommen werden. Auf der gewellten Oberfläche des GaAlAs-Bereiches kann die GaAlAs-Halbleiterschicht nur mit geringer Repro-
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duzierbarkeit hergestellt werden. Din bei diesem Verfahrensschritt des Aufbringens der GaAlAs-Halbleiterschicht auf dem GaAlAs-Halbleiterbereich eine höhere Ausbeute an einwandfreien Produkten zu erhalten, muss die Halbleiterschicht durch Aufstrahlen der Moleküle epitaktisch auf der gewellten Oberfläche aufgewachsen werden. Dieses Verfahren des epitaktischen Auf Wachsens, das schwierige Steuerungsprobleme auf wirft, ist im einzelnen in "Journal of Vacuum Science and Technology" 8 (1971),S31-S38 und in "Appl.Phys.Letters" 25 (1974), 288-290 beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mit anderen Halbleiterbauelementen integrierbaren Halbleiterlaser mit verteilter Rückkopplung und niedrigem Schwellenwert zu schaffen, der in hoher Herstellungsausbeute mit leicht und gut und genau reproduzierbarer Emissionswellenlange herstellbar ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäss ein Halbleiterlaser der genannten Art vorgeschlagen, der die im Patentanspruch 1 genannten Merkmale aufweist.
Das Verfahren gemäss der Erfindung zur Herstellung dieses Halbleiterlasers weist die im Patentanspruch 33 genannten Merkmale auf.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird ein Halbleiterlaser geschaffen, der auf einer n-GaAs-Schicht eine n-GaAlAs-Schicht trägt. Der optische Einschlussbereich besteht aus einem laseraktiven GaAs-Bereich auf der n-GaAlAs-Schicht, einem ersten p-GaAlAs-Bereich, dessen Aluminiuragehalt niedriger als der Aluminiuragehalt in der n-GaAlAs-Schicht ist und der auf dem laseraktiven Bereich angeordnet ist. Auf diesem ersten p-GaAlAs-Bereich ist ein zweiter p-GaAlAs-Bereich ausgebildet, dessen Aluminiumgehalt kleiner als der
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Aluminiumgehalt des ersten p-GaAlAs-Bereiches ist. Die dem ersten p-GaAlAs-Bereich abgekehrte Oberfläche des zweiten p-GaAlAs-Bereiches weist eine periodisch gewellte Oberfläche auf. Auf dieser periodisch gewellten Oberfläche des zweiten p-GaAlAs-Bereichs ist eine p-GaAlAs-Schicht angeordnet, deren Aluminiumgehalt grosser als der Aluminiumgehalt des ersten p—GaAlAs-Bereiches ist. Auf dieser p-GaAlAs-Schicht ist wiederum eine p-GaAs-Schicht aufgebracht. Die n-GaAs-Schicht und die p-GaAs-Schicht tragen die Elektroden. Der solcherart aufgebaute Halbleiterlaser kann mit hoher Produktionsausbeute hergestellt werden und zeichnet sich durch einen sehr niedrigen Schwellenwert für die Laseremission aus.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird also durch die Schaffung eines optischen Einschlussbereiches gelöst, der einen laseraktiven Bereich und einen ersten Halbleiterbereich auf diesem laseraktiven; Bereich enthält, wobei der Bandabstand des Materials des ersten Halbleiterbereiches grosser als der Bandabstand des Materials des laseraktiven Bereiches ist, so dass die Ladungsträger im laseraktiven Bereich eingeschlossen sind. Auf diesem ersten Halbleiterbereich ist ein zweiter Halbleiterbereich angeordnet, der die oberste Schicht des optischen Einschlussbereiches bildet, und einen Bandabstand hat, der grosser oder gleich dem Bandabstand des laseraktiven Bereiches ist. Die Oberfläche des zweiten Halbleiterbereiches ist periodisch gewellt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der laseraktive Bereich vorzugsweise 0,1 bis 0,5 ,um dick, der erste Halbleiterbereich 0,05 bis 0,3 ,um dick und der zweite Halbleiterbereich 0,1 bis 0,2 ,um dick.
Nach eine r weiteren Ausbin ung der Erfindung besteht der
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laseraktive Bereich aus Ga1 Al As, der erste Halbleiterbereich aus Ga Al As und der zweite Halbleiter bereich aus Ga1 Al As, wobei O=X = z<y, vorzugsweise 0 = x< z-c y ist.
Die Erfindung ist im folgenden in Verbindung mit den Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1a in schema tischer Darstellung im
Querschnitt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 1b in graphischer Darstellung die Intensität sverteilung eines Lichtstrahls in einer Struktur der in Fig. 1a gezeigten Art und
Figuren 2 bis
4 weitere Ausführungsbeispiele der
Erfindung in schematischer perspektivischer Darstellung.
In der Fig. 1a ist schematisch im Querschnitt ein Ausführungsbeispiel des Halbleiterlasers mit verteilter Rückkopplung gemäss der Erfindung gezeigt. Das n-GaAs-Substrat ist mit Te dotiert. Die Störstellenkonzentration beträgt
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etwa 1 χ 10 cm . Auf der Hauptoberfläche des n-GaAs-Körpers 1 liegt eine erste Halbleiterschicht 2 aus n-GaQ Auf der ersten Halbleiterschicht 2 liegt der optische Einschlussbereich 3. Der optische Einschlussbereich 3 besteht aus einem laseraktiven Bereich 4, einem ersten Halbleiterbereich 5 und einem zweiten Halbleiterbereich mit gewellter Oberfläche 7. Der laseraktive Bereich 4 besteht aus n-GaAs mit einer StorStellenkonzentration von 5 χ 10 cm"" . Der auf diesem laseraktiven Bereich 4 ange-
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ordnete erste Halbleiterbereich 5 besteht aus P-Ga0 Der auf diesem ersten Halbleiterbereich 5 liegende zweite Halbleiterbereich 6 besteht aus p-GaQ 93Al0 07^* Die dem ersten Halbleiterbereich abgekehrte Oberfläche 7 des zweiten Halbleiterbereichs ist periodisch gewellt. Auf dieser periodisch gewellten Oberfläche 7 ist eine zweite Halbleiterschicht 8 ausgebildet, die aus p-GaQ 7Al0 3AS besteht. Auf der zweiten Halbleiterschicht 8 ist eine dritte Halbleiter schicht 9 angeordnet, die aus p-GaAs besteht. Auf dieser dritten Halbleiterschicht 9 ist eine Metallschicht 10 aus mit Germanium und Nickel legiertem Gold aufgebracht. Auf der der Hauptoberfläche des Substrats 1 gegenüberliegenden Oberfläche ist eine Metallschicht 11 aus Chrom und Gold niedergeschlagen.
Die erste Halbleiterschicht 2 ist 2 ,um dick, der laseraktive Bereich 4 ist 0,3 ,um dick, der erste Halbleiterbereich 5 ist 0,1 ,um dick, der zweite Halbleiterbereich 6 ist 0,2 ,um dick, die zweite Halbleiterschicht 8 ist 2 ,um dick und die dritte Halbleiterschicht 9 ist 1 ,um dick. Die Periode der Wellung der Oberfläche 7 des zweiten Halbleiterbereiches beträgt 0,12 ,um. Die Tiefe (Amplitude) der Wellung beträgt 80 mn. Die einzelnen Schichten und Bereiche haben folgende Brechungsindizes: n(^A = 3,6;nGaQ -7Al0 3As =3,4; nGa Al -As" 3'48 WCid nGa _A1 _As= 3'55'
Die einzelnen Bandabstände der Schichten und Bereiche sind wie folgt: E » 1,44; E . = 1,80;
1·62 ^1* EGa Al Aa = 1·52· ^O ,93T10,8
In der in Fig. 1a gezeigten Struktur des Halbleiterlasers mit verteilter Rückkopplung ist der laseraktive Bereich 4 zwischen der ersten Halbleiterschicht 2, die einen breiteren
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Bandabstand als der laseraktive Bereich 4 aufweist, und dem ersten Halbleiterbereich 5, dessen Bandabstand ebenfalls breiter als der Bandabstand des lasexaktiven Bereiches 4-ist, eingeschlossen. Dadurch werden <iie Ladungsträger! und zwar sowohl die Defektelektronen als auch die Elektronen mit hohem Wirkungsgrad, in der laseraktiven Schicht 4 eingeschlossen, was zu einem hohen Wirkungsgrad der Ladungsträgerrekombination führt. Dies wiederum drückt sich in einer spürbaren Senkung der erforderlichen Schwellenstromdichte aus.
Der optische Einschlussbereich 3 besteht aus dem lasera]?t iven Bereich 4, dem ersten Halbleaterbereich 5. und dem zweiten Halbleiterbereich 6. Der Brechungsindex des optischen Einschlussbereichs 3 ist durrch den Mittelwert der Brechungsindizes des laseraktiven Bereichs 4, des ersten Halbleiterbereichs 5 und des zweiten Halbleiterbereichs bestimmt. Der optische Einschlussberreich 3 ist zwischen der ersten Halbleiterschicht 2 und d.er zweiten Halbleiterschicht 8 eingeschlossen. Der Brechungsindex beider dieser Halbleiterschichten ist kleiner als der Brechungsindex des optischen Einschlussbereiches» also kleiner als der Mittelwert der Brechungsindizes der drei Bereiche, die den optischen Einschlussbereich bilden. Dies führt dazu, dass der durch die Ladungsträgerrekoxmbination erzeugte Lichtstrahl mit hohem Wirkungsgrad in dem optischen Einschlussbereich 3 eingefangen bleibt. Der eingeschlossene Lichtstrahl wird unter den Bedingungen der BRAGGschen Gleichung an der periodisch gewellten Oberfläche 7 gebeugt. Dadurch wird die für die Laseremissxon erforderliche Rückkopplung bewirkt.
In der Fig. 1b ist die Intensitätsverteilung des im Halbleiterlaser der Fig. 1a eingeschlossenen Lichtes dargestellt. Der hohe Wirkungsgrad des optischen Einschlusses im optischen
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Einschlussbereich 3 ist aus der Figur deutlich ablesbar.
Die in Fig. 1a gezeigte Struktur wird wie folgt hergestellt:
Auf einer Hauptoberfläche eines n-GaAs-Halbleiterkörpers 1 mit einer Dicke von etwa 400 /um werden eine 2 ,um dicke mit Sn dotierte n-Ga. 7Al0 ^As-Schicht, auf diese eine 3 ,um dicke und mit Ge dotierte p-GaAs-Schicht, auf diese eine 0,1 ,um dicke und rait Ge dotierte p-GaQ 93Α\» 1 Schicht und auf diese schliesslich eine 0,2 ,um dicke und mit Ge dotierte p-GaQ Q3Al0 ,.-As-Schicht aus flüssiger Phase epitaktisch aufgewachsen. Die Oberfläche der p-GaQ 93^0 Schicht wird mit einem Photolack überzogen. Ein von einer gemeinsamen Quelle stammendes UV-Strahlenpaar wird so auf die Photolackschicht gerichtet, dass sich Interferenzmuster ausbilden. Beim Entwickeln des so belichteten Photolacks wird eine periodisch gewellte Oberfläche der Photolackschicht erhalten. Dieses Verfahren ist im einzelnen in Applied Optics J_2 (1973), 455 beschrieben.
Die erhaltene Struktur wird der Ionenätzung unterzogen, wobei ein Kristall mit einer periodisch gewellten Oberfläche des p-GaQ 93Aso Q7As-Bereiches erhalten wird.
Auf die periodisch gewellte Oberfläche wird eine 2 ,um dicke und mit Ge dotierte p-Ga_ -Al-. ,As-Schicht und auf diese eine 1 /Um dicke und mit Ge dotierte p-GaAs-Schicht in an sich bekannter Weise aus flüssiger Phase epitaktisch aufgewachsen. Auf diese Schicht wird eine Germanium und Nickel enthaltende Goldschicht aufgedampft. Eine aus Chrom und Gold bestehende Metallschicht wird auf die Rückseite des GaAs-Substrats aufgedampft. Die beiden so hergestellten Dünnschichtelektroden sind jeweils etwa 1 ,um dick.
Bei Herstellung der Oberflächenwellung auf dem zweiten HaIb-
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leiterbereich in der beschriebenen Weise kann die Halbleiterschicht wie beschrieben in einfachster Weise nach gebräuchlichen und lang erprobten Verfahren aus flüssiger Phase epitaktisch aufgewachsen werden, ohne dass dadurch Rekombinationszentren oder andere Störstellen eingeschleppt werden. Die Herstellung des Halbleiterlasers kann dadurch mit hohem Wirkungsgrad der Produktion erfolgen.
In der Fig. 2 ist in schematischer perspektivischer Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Auf einer Hauptoberfläche eines n-GaAs-Substrates 1 ist ein optischer Einschlussbereich 3 angeordnet, der aus einem laseraktiven Bereich 4, einem ersten Halbleiterbereich 5 und einem zweiten Halbleiterbereich 6 besteht. Der laseraktive Bereich 4 ist etwa 0,2 ,um dick und besteht aus n-GaÄs. Der erste Halb leiterbereich 5 ist etwa 0,06 Aim dick und besteht aus p-Ga_ ΟΑ1Λ -As. Der zweite Halbleiterbereich ist 0,1 /um dick und besteht aus p-GaQ .,Al .-As. Die dem ersten Halbleiterbereich 5 abgekehrte Oberfläche 7 des zweiten Halbleiterbereichs 6 ist periodisch gewellt. Auf dem optischen Einschlussbereich 3 liegt eine zweite Halbleiterschicht 8, die etwa 2 ,um dick ist und aus p-GaQ gAlß 4As besteht. Auf dieser Schicht liegt eine Metallschicht 10, die aus Gold, das Germanium und Nickel enthält, besteht. Auf der der Haupt ober fläche des GaAs-Sübstrats 1 gegenüberliegenden Substratoberfläche ist eine Metallschicht 11 aus Gold und Chrom niedergeschlagen.
Die Periode der Wellung der Oberfläche 7 des in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbexspiels beträgt 0,127 ,um. Die Tiefe der Wellung beträgt 50 nm. Die Wellenlänge des emittierten Laserstrahls beträgt 891,2 nm. Die Struktur weist eine
2 Schwellenstromdichte von 2,5 kA/cm auf. Die beiden Halbleiterbereiche Ga_ qAIq 2As vnd Gan
leiterschicht GaQ gAlQ 4As haben die Brechungsindizes
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3,46, 3,56 bzw. 3,32 und die Bandabstände 1,66, 1,49 bzw. 1,95. Auch in diesem Halbleiterlaser mit verteilter Rückkopplung besteht der optische Einschlussbereich aus dem laseraktiven Bereich 4, dem ersten Halbleiterbereich 5 und dem zweiten Halbleiterbereich 6, jedoch kann der Lichtstrahl durch die Grenzfläche zwischen dem Halbleiterkörper 1 und dem laseraktiven Bereich 4 hindurchbrechen, da beide Bereiche aus dem gleichen Material bestehen. Sie weisen lediglich durch die unterschiedliche Störstellenkonzentration bedingte geringfügige Unterschiede in den Brechungsindizes auf.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in perspektivischer Darstellung in der Fig. 3 dargestellt.
Auf einem n-GaAs-Substrat 1 ist eine erste Halbleiterschicht mit einer Dicke von 2 ,um aus n-GaQ gAl0 4 As ausgebildet. Der optische Einschlussbereich 3 besteht aus einem zweiten Halbleiterbereich 6, einem ersten Halbleiterbereich 5 und einem laseraktiven Bereich 4. Der zweite Halbleiterbereich 6 ist 0,15 ,um dick und besteht aus n-GaQ g3AlQ Q7As* Die der ersten Halbleiterschicht 2 gegenüberliegende Oberfläche des zweiten Halbleiterbereichs 6 ist periodisch gewellt. Auf dieser periodisch gewellten Oberfläche des zweiten Halbleiterbereichs 6 liegt der erste Halbleiterbereich 5, der 0,3 ,um dick ist und aus n-GaQ g5AlQ -\^3 besteht. Auf der Oberfläche des ersten Halbleiterbereichs ist in einer Dicke von 0,3 ,um der aus p-GaAs bestehende laseraktive Bereich 4 ausgebildet. Auf dem optischen Einschlussbereich 3 liegt eine zweite Halbleiterschicht 8, die 2 ,um dick ist und aus p-GaQ gAlQ /s besteht. Eine dritte Halbleiterschicht 9 aus p-GaAs ist in einer Dicke von 1 /um auf der zweiten Halbleiterschicht 8 angeordnet. Auf dieser dritten Halbleiter schicht ist eine aus mit Germanium und Nickel legierte Goldschicht 10 aufgedampft. Auf der Rückseite des GaAs-Substrats 1 ist eine aus Gold
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und Chrom bestehende Metallschicht 11 aufgebracht.
Die Periode der Grenzschichtwellung der in Fig. 3 gezeigten Struktur beträgt 0,127 /tun, die Tiefe der Wellung 50 nra. Der emittierte Laserstrahl hat eine Wellenlänge von 889,6 nm. Dazu muss über die Elektroden 10 und 11 an der laseraktiven Schicht 4 eine Stromdichte von mindestens 2 kA/cm herrschen.
Die in Fig. 3 gezeigte Halbleiteriaserstruktur mit verteilter Rückkopplung wird wie folgt hergestellt:
Durch gebräuchliches epitaktisches Aufwachsen aus flüssiger Phase werden auf der Oberfläche eines n-GaAs-Substrates zunächst eine mit Te dotierte n-Gart ^Al« „As-Schicht und
0,o 0,4
dann eine ebenfalls mit Te dotierte n-GaQ 93Al0 07As-Schicht aufgewachsen. Auf die Oberfläche der n-GaQ 93Al0 0_As-Schicht wird eine Photolackschicht aufgebracht und mit einem einer gemeinsamen Quelle entstammenden UV-Strahlenpaar so belichtet, dass auf der Oberfläche des Photolacks Interferenzfiguren entstehen. Nach dem Entwickeln weist die Photolackschicht eine periodisch gewellte Oberfläche auf. Die erhaltene Struktur wird in einer Ionenfräse durch beschleunigte Ionen geätzt. Dabei wird eine Kristallstruktur mit periodisch gewellter n-GaQ 93Al0 Q7As-0berflache erhalten. Auf diese Oberfläche wird zunächst eine mit Te dotierte n-Ga0 Q5AIq HcAs-Schicht, dann eine mit Zn dotierte p-GaAs-Schicht, eine mit Si dotierte p-GaQ gAlQ ^As-Schicht und schliesslich eine mit Zn dotierte p-GaAs-Schicht aufgebracht. Auf der p-GaAs-Schicht und auf dem GaAs-Substrat werden elektrisch leitende Elektrodenschichten aufgebracht.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist schliesslich in schematischer perspektivischer Darstellung in der Fig. 4 gezeigt.
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Dieses Ausführungsbeispiel eines Halbleiterlasers mit verteilter Rückkopplung weist auf der Oberfläche aines n-GaAs-Substrates 1 eine aus n-Gan ^Aln -,As bestehende erste Halbleiterschicht 2 und auf dieser einen optischen Einschlussbereich auf, der aus einem dritten Halbleiterbereich 12, einem vierten Halbleiterbereich 13, einem laseraktiven Bereich 14, einem fünften Halbleiterbereich 15 und einem sechsten Halbleiterbereich 16 besteht. Der auf der ersten Halbleiterschicht 2 liegende dritte Halbleiterbereich 12 besteht aus n-GaQ q3A1q qj^s un(^ we:*-st eine erste periodisch gewellte Oberfläche 17 auf. Auf dieser ersten gewellten Oberfläche 17 des dritten Halbleiterbereiches 12 liegt der aus n-Ga_ 05Al0 -j5As bestehende vierte Halbleiterbereich 13. Auf diesem wiederum liegt der aus n-GaAs bestehende laseraktive Bereich 14. Auf dem laseraktiven Bereich 14 ist der aus P-GaQ ooAIq -j·^3 bestehende fünfte Halbleiterbereich 15 und auf diesem wiederum der aus p-Ga_ Q bestehende sechste Halbleiterbereich 16 angeordnet. Die dem fünften Halbleiterbereich 15 abgekehrte Oberfläche des sechsten Halbleiterbereichs 16 ist als zweite periodisch gewellte Oberfläche 18 ausgebildet. Auf dieser zweiten gewellten Oberfläche 18 des sechsten Halbleiterbereichs 16 liegt die zweite Halbleiter schicht 8, die aus P-Ga0 .7Al0 3As besteht. Die zweite Halbleiterschicht 8 ist mit einer aus p-GaAs bestehendendritten Halbleiterschicht 9 bedeckt. Die dritte Halbleiterschicht 9 ist mit der Metallelektrode und die Rückseite des GaAs-Substrates 1 mit der Metallelektrode 11 überzogen.
Sowohl die erste periodisch gewellte Oberfläche 17 als auch die zweite periodisch gewellte Oberfläche 18 weisen eine nach Periode und Amplitude gleiche Wellung auf, und zwar mit einer Periode von 0,127 /um und einer Tiefe (Amplitude) von 50,0 nm. Dabei ist die Phase der Wellung der gewellten Oberfläche 17 gegenläufig zur Phase der Wellung der ge-
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wellten Oberfläche 18 ausgebildet. Bei einer Schwellen-
stromdichte von 2,5 kA/cm liefert dieser verteilt rückgekoppelte Halbleiterlaser eine Laseremission bei 892,0 hm.
In dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die beiden gewellten Oberflächen so zueinander ausgerichtet, dass ihre Phasen gegenläufig sind. Zwischen den beiden Phasen können jedoch prinzipiell auch beliebige andere Phasenbeziehungen bestehen. Bei unterschiedlichen Perioden in den Wellungen beider Oberflächen werden zwei Laserstrahlen mit voneinander verschiedenen Wellenlängen vom Halbleiterlaser emittiert.
Auch brauchen die Halbleiterlaser der Erfindung nicht wie in den zuvor beschriebenen Beispielen unbedingt aus GaAlAs zu bestehen. Vielmehr können auch andere Halbleitersubstanzen verwendet werden.
Ein Halbleiterlaser mit besonders langer Betriebsstandzeit wird erhalten, wenn in der in Fig. 1a gezeigten Anordnung die erste Halbleiterschicht 2 aus n-Ga 7Al0 3Asq 951O (statt n-GaQ 7Al0 3As), <äer erste Halbleiterbereich 5 aus
,03 (statt P-^O,83^0,17^>' der zweite Halbleiterbereich 6 aus p-GaQ 93Al0 07^0 99P0 01 (statt P-Ga0 03Al0 QyAs) u11^ die zweite Halbleiterschicht
aus P-Ga0^^±Oi 3As^95P0105 (statt P-Ga0^ ^I0^3As) bestehen Der Grund für die verlängerte Lebensdauer liegt darin, dass die Gitterkonstanten der GaAlAsP-Kristallschichten besser der Gitterkonstante des GaAs entsprechen, das als laseraktive Substanz verwendet wird. Dadurch kann die in den Strukturen auftretende Kristallbaufehlerkonzentration gesenkt werden.
Ersetzt man die erste Halbleiterschicht 2 aus n-GaQ
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den ersten Halbleiterbereich 5 aus p-Ga 33Al0 17^' zweiten Halbleiterbereich 6 aus P~GaQ Q3Al0 qtAs un<^ zweite Halbleiterschicht 8 aus P~Ga_ 7Al0 ,As in der in Fig. la gezeigten Struktur durch n-GaAsQ gPQ ^, p-GaAsQ _PQ _, P-GaAs^ CP» c bzw. P-GaAs1-. cVn ., so wird dn Halbleiterlaser
U , D U,D U,O U/4
mit verteilter Rückkopplung erhalten, der oberhalb einer
2
S chwel len stromdichte von 3 kA/cm bei Raumtemperatur eine Laseremission bei 886,0 nm zeigt.
Bildet man die in der Fig. 1a gezeigte Halbleiterlaserstruktur in der V7eise aus, dass die erste .Halbleiterschicht aus n-GaQ 7Al0 3As0 oSbQ ^, der erste Halbleiterbereich aus p-Ga^ OOA1_. ,Jis. oSb-. -, der zweite Halbleiterbereich
U(oJ U, I / U,ο U,<i
aus P-Ga0 93Al0 oT^O 8Sb0 2 und die 2weite Halbleiter schicht aus p-Gan ^Aln -5As0 QSb_ - bestehen, so erhält man ebenfalls
Kj 1 / U , -3 U,ο U,^
einen Halbleiterlaser mit verteilter Rückkopplung und geringer Schwellenstromdxchte.
Der Halbleiterlaser der Erfindung zeichnet sich also vor allem dadurch aus, dass der im laseraktiven Bereich erzeugte Lichtstrahl mit hohem Wirkungsgrad im optischen Einschlussbereich eingefangen gehalten wird. Der optische Einschlussbereich ist auf zumindest einer Seite mit einer Substanz bedeckt, deren Brechungsindex kleiner als der Brechungsindex des optischen Einschlussbereiches ist. Der Brechungsindex des optischen Einschlussbereiches ist dabei der Mittelwert der optischen Brechungsindizes der einzelnen Substanzen, die gemeinsam den optischen Einschlussbereich bilden. Der optische Einschlussbereich besteht zumindest aus drei Halbleiterbereichen, nämlich einem laseraktiven Bereich, in dem der Lichtstrahl durch Ladungstragerrekorabinatxon erzeugt wird, aus einem ersten Halbleiterbereich, dessen Bandabstand grosser als der Bandabstand im laseraktiven Bereich ist, und einem zweiten Halbleiterbereich, der eine periodisch gewellte Oberfläche oder Grenzfläche aufweist,
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und dessen Bandabstand grosser oder gleich dem Bandabstand des laseraktiven Bereiches ist.
Als Werkstoff für den zweiten Ha Ib le it erber eich wird eine Substanz ausgewählt, auf der selbst dann leicht eine Halbleiterkristallschicht aufgewachsen werden kann, wenn die Oberfläche dieser Substanz gewellt ausgebildet ist. In dieser Hinsicht wird der zweite Halbleiterbereich vorzugsweise aus GaAs oder einem GaAlAs mit einem Aluminiumgehalt von kleiner als 10 % hergestellt.
Vorzugsweise ist der Bandabstand des zweiten Halbleiterbereichs grosser als der Bandabstand des laseraktiven Bereiches. Wenn andere Parameter dies erfordern, kann der Bandabstand für den Werkstoff des zweiten Halbleiterbereichs jedoch gleich gross wie der Bandabstand im Werkstoff für den laseraktiven Bereich gewählt werden. Dabei wird jedoch der Wirkungsgrad der optischen Emission erniedrigt, da der vom laseraktiven Bereich emittierte Lichtstrahl im zweiten Halbleiterbereich merklich absorbiert wird.
Die zuvor beschriebenen allgemein gültigen Grenzbedingungen seien am Beispiel einer GaAlAs-Struktur beschrieben. Der optische Einschlussbereich weise einen laseraktiven Bereich aus Ga1- Al As auf. Der erste Halbleiterbereich bestehe aus Ga, Al As und der zweite Halbleiterbereich aus Ga, Al As. Dann ist 0 - χ = z<y, vorzugsweise jedoch 0 = x<-z<y. Vorzugsweise ist 0,1 = y = 0,2 und 0< z< 0,1. Wenn die Halbleiter schicht en zum Aufbau des optischen Einschlussbereiches
aus Ga, Al As bestehen, (erste Halbleiterschicht 2 und i—w w
zweite Halbleiterschicht 8 in der in Fig. 1a gezeigten Struktur) ist der Aluminiumgehalt vorzugsweise so gewählt, dass der Brechungsindex der Ga, Al As-Schichten kleiner als der
i—w w
Brechungsindex im optischen Einschlussbereich ist. Wenn y und ζ innerhalb der vorstehend angegebenen Bereiche gehalten
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sind, ist vorzugsweise 0,25 = w = 0,5,
Der laseraktive Bereich kann weiterhin beispielsweise aus
oder InGaP bestehen.
Der laseraktive Bereich ist vorzugsweise 0,1 bis 0,5 /um dick, der erste Halbleiterbereich, der vierte Halbleiterbereich
und der fünfte Halbleiterbereich sind jeweils vorzugsweise 0,05 bis 0,3 /um dick und der zweite, der dritte und der
vierte Halbleiterbereich sind jeweils vorzugsweise 0,1 bis 0,2 /um dick.
In der zuvor beschriebenen Weise sind die Periode, die
Amplitude und gegebenenfalls die Phase der gewellten Oberflächen oder Grenzflächen des Halbleiterlasers der Erfindung ausschliesslich durch die gewünschte Art der Laseremission bestimmt. Durch die Einstellung dieser Parameter können die Daten der Laseremission in weiten Bereichen frei gewählt und eingestellt werden.
Alle Halbleiterlaser der Erfindung zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine sehr niedrige Schwellenstromdichte erfordern und bei Raumtemperatur kontinuierlich betrieben werden
können. Sie sind ausserdem in hoher Produktionsausbeute
mit relativ geringer Ausschussrate herstellbar.
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Claims (33)

  1. Patentansprüche
    (1. Halbleiterlaser aus einem Halbleiterkörper eines ersten Leitungstyps mit einer Hauptoberfläche und auf dieser einem optischen Einschlussbereich, gekennzeichnet durch einen auf der Hauptoberfläche angeordneten laseraktiven Bereich mit einem Bandabstand E1, einem ersten Halbleiterbereich auf dem laseraktiven Bereich, dessen Bandabstand grosser als der Bandabstand E1 des laser aktiven Bereiches ist und der einen dem ersten Leitungstyp entgegengesetzten zweiten Leitungstyp aufweist, durch einen zweiten Halbleiterbereich des zweiten Leitungstyps auf dem ersten Halbleiterbereich mit einem Bandabstand E~# wobei E2 = E1 und die dem ersten Halbleiterbereich abgekehrte Oberfläche des zweiten Halbleiterbereiches periodisch gewellt ist, wobei diese drei Bereiche den optischen Einschlussbereich bilden, und durch eine Halbleiterschicht, die ebenfalls den zweiten Leitungstyp besitzt, auf der gewellten Oberfläche des zweiten Halbleiterbereiches angeordnet ist und einen Brechungsindex besitzt, der kleiner als der Mittelwert der Brechungsindizes des laseraktiven Bereiches, des ersten Halblexterberexches und des zweiten Halbleiterbereiches ist.
  2. 2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ ei c Ii η e t , dass der Bandabstand E2 des zweiten Halbleiterbereiches grosser als der Bandabstand E1 des
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    laseraktiven Bereiches ist.
  3. 3. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass der erste Halbleiterbereich 0,05 bis 0,3 /xm. dick ist und der zweite Halbleiterbereich 0,1 bis 0,2 ,um dick ist.
  4. 4. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , dass der laseraktive Bereich 0,1 bis 0,5 /um dick ist.
  5. 5. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , dass der laseraktive Bereich aus Ga1 Al As besteht, der erste Halbleiterbereich aus Ga1 Al As besteht und der zweite Halbleiterbereich aus
    Ga1 Al As besteht, wobei 0 - xiziy ist. ι—ζ ζ — ■*
  6. 6. Halbleiterlaser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , dass 0 = xdz<y ist.
  7. 7. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , dass 0,1 = y = 0,2 und 0< ζ< 0,1 ist.
  8. 8. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , dass die Halbleiterschicht aus Ga1- Al As besteht, wobei 0,25 = w = 0,5 ist.
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  9. 9. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, g e kennzeichnet durch eine weitere Halbleiterschicht des ersten Leitungstyps mit einem Brechungsindex, der kleiner ist als der Mittelwert der Brechungsindizes der Komponenten des optischen Einschlussbereiches, wobei diese weitere Halbleiterschicht zwischen dem Halbleiterkörper und dem optischen Einschlussbereich eingeschoben ist.
  10. 10. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , dass der Halbleiterkörper (Halbleitersubstrat) aus GaAs besteht.
  11. 11. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine Halbleiterschicht des zweiten Leitungstyps, die auf der auf dem optischen Einschlussbereich angeordneten Halbleiterschicht liegt.
  12. 12. Halbleiterlaser nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , dass diejzusätzliche Ha Ib le it er schicht aus GaAs besteht.
  13. 13. Halbleiterlaser aus einem Halbleiterkörper eines ersten Leitungstyps mit einer Hauptoberfläche und auf dieser mit einem optischen Einschlussbereich, gekennzeichnet durch einen ersten Halbleiterbereich des ersten Leitiingstyps auf der Oberfläche des Halbleiterkörper s, wobei die dem Halbleiterkörper abgewandte
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    Oberfläche des ersten HaIbIexterbereiches periodisch gewellt ist, durch einen zweiten HalbleiterBereich des ersten Leitungstyps auf der gewellten Oberfläche des ersten Halbleiterbereichs und durch einen laseraktiven Bereich auf dem zweiten Halbleiterbereich, wobei der Bandabstand des laseraktiven Bereichs kleiner als der Bandabstand des zweiten Halbleiterbereichs ist und diese drei Bereiche gemeinsam den optischen Einschlussbereich bilden, und durch eine erste Halbleiterschicht eines zweiten, dem ersten entgegengesetzten Leitungstyps, deren Brechungsindex kleiner als der Mittelwert der Brechungsindizes des laseraktiven Bereichs, des ersten Halbleiterbereichs und des zweiten Halbleiterbereichs ist und die auf dem optischen Einschlussbereich angeordnet ist.
  14. 14. Halbleiterlaser nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine zweite Halbleiterschicht des ersten Leitungstyps mit einem Brechungsindex, der kleiner als der Mittelwert der Brechungsindizes der den optischen Einschlussbereich bildenden Bereiche ist, wobei die zweite Halbleiterschicht zwischen dem Halbleiterkörper und dem optischen Einschlussbereich eingeschoben ist.
  15. 15. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet , dass der laseraktive Bereich aus Ga., Al As besteht, dass der erste
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    Halbleiterbereich aus Ga4 Al As besteht und dass der
    ι —ζ ζ
    zweite Ha Ib le it erber eich aus Ga1- Al As besteht, wobei 0 = χ = z< y ist.
  16. 16. Halbleiterlaser nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , dass 0 = x<£z-<Y ist.
  17. 17. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet , f 0,1 =y = 0,2 und 0<z<0,1 ist.
  18. 18. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet , dass die erste Halbleiterschicht und die zweite Halbleiterschicht aus Ga., Al As bestehen, wobei 0,25 = w = 0,5 ist.
  19. 19. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 13 bis 18, gekennzeichnet durch eine weitere Halbleiterschicht des zweiten Leitungstyps auf der ersten Halbleiterschicht.
  20. 20. Halbleiterlaser nach Anspruch 19, dadurch g e k e η η zeichnet , dass die weitere Halbleiterschicht aus GaAs besteht.
  21. 21. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennz eichnet, dass der erste
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    Halbleiterbereich 0,1 bis 0,2 yum dick ist und dass der zweite Halbleiterbereich 0,05 bis 0,3 ,um dick ist.
  22. 22. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet , dass der laseraktive Bereich 0,1 bis 0,5 /um dick ist.
  23. 23. Halbleiterlaser aus einem Halbleiterkörper eines ersten Leitungstyps mit einer Hauptoberfläche und auf dieser einem optischen Einschlussbereich, gekennzeichnet durch einen ersten Halbleiterbereich des ersten Leitungstyps auf der Substratoberfläche, wobei die der Substratoberfläche abgekehrte Oberfläche des ersten Halbleiterbereichs periodisch gewellt ist, durch einen zweiten Halbleiterbereich des ersten Leitungstyps auf der periodisch gewellten Oberfläche, durch einen laseraktiven Bereich mit einem Bandabstand E1, der kleiner als der Bandabstand des zweiten Halbleiterbereichs ist, auf der Oberfläche des zweiten Halbleiterbereichs, durch einen dritten Halbleiterbereich eines zweiten, dem ersten entgegengesetzten Leitungstyps mit einem Bandabstand, der grosser als der Bandabstand des laseraktiven Bereichs ist und auf dem laseraktiven Bereich angeordnet ist, durch einen vierten Halbleiterbereich des zweiten Leitungstyps auf dem dritten Halbleiterbereich, wobei der vierte Halbleiterbereich einen Bandabstand E2 hat, der grosser oder gleiche dem Bandabstand E1 des laseraktiven Bereichs ist, wobei die dem dritten Halbleiterbereich abgekehrte Ober-
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    fläche des vierten Halbleiterbereichs periodisch gewellt ist und diese fünf Bereiche geraeinsam den optischen Einschlussbereich bilden, und durch eine erste Halbleiterschicht, die auf der gewellten Oberfläche des vierten Halbleiterbereichs liegt, den zweiten Leitungstyp besitzt und einen Brechungsindex hat, der kleiner als der Mittelwert der Brechungsindizes der fünf Bereiche ist, die den optischen Einschlussbereich bilden.
  24. 24. Halbleiterlaser nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch eine zweite Halbleiterschicht des ersten Leitungstyps mit einem Brechungsindex, der kleiner als der Mittelwert der Brechungsindizes der fünf den optischen Einschlussbereich bildenden Bereiche ist, und die zwischen dem Halbleiterkörper und dem optischen Einschlussbereich angeordnet ist.
  25. 25. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet , dass der laseraktive Bereich aus Ga1 Al As, der erste und der vierte Halbleiter bereich aus Ga1 Al As und der zweite und
    ι—ζ ζ
    der dritte Halbleiterbereich aus' Ga., Al As bestehen, wobei 0 - χ - z-<y ist.
  26. 26. Halbleiterlaser nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet , dass 0 = x<z<;y ist.
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  27. 27. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet , dass 0,1 = y = 0,2 und 0<Tz<0,1 ist.
  28. 28. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet , dass die erste Halbleiterschicht und die zweite Halblexterschxcht aus Ga, Al As bestehen, wobei 0,25 = w - o,5 ist.
  29. 29. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 23 bis 28, gekennzeichnet durch eine weitere Halblexterschxcht des zweiten Leitungstyps auf der ersten Halblexterschxcht.
  30. 30. Halbleiterlaser nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet , dass die weitere Halblexterschxcht aus GaAs besteht.
  31. 31. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 23 bis 30, dadurch gekennzeichnet , dass der erste und der vierte Halbleiterbereich jeweils 0,1 bis 0,2 ,um dick sind und der zweite und der dritte Halbleiterberexch jeweils 0,05 bis 0,3 ,um dick sind.
  32. 32. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 23 bis 31, dadurch gekennzeichnet , dass der laseraktive Bereich 0#1 bis 0,5 /um dick ist.
  33. 33. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter lasers; dadurch gekennzeichnet , dass man auf der Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrats eines ersten Leitungstyps einen laseraktiven Bereich mit einem Bandabstand E1 bildet, dass man auf diesem Bereich einen ersten Halbleiterbereich eines zweiten, dem ersten entgegengesetzten Leitungstyps mit einem Bandabstand aufbringt, der grosser als der Bandabstand E1 des laseraktiven Bereiches ist, dass man auf diesem ersten Halbleiterbereich einen zweiten Halbleiterbereich des zweiten Leitungstyps mit einem Bandabstand E2 aufbringt, wobei Έ>^ - E1 ist und man die einzelnen Bereiche epitaktisch aus flüssiger Phase aufwächst, dass man auf den zweiten Halbleiterbereich eine Photolackschicht aufträgt, dass man von einer geraeinsamen Quelle ein UV-Strahlenpaar unter Bildung eines Interferenzmusters auf die Oberfläche der Photolackschicht richtet, dass man die so mit dem Interferenzmuster belichtete Photolackschicht entwickelt, dass man anschlies- send die so entwickelte Photolackschicht und die Oberfläche des zweiten Halbleiterbereiches durch beschleunigte Ionen ätzt und so die Oberfläche des zweiten Halbleiterbereiches wellt, und dass man auf der so hergestellten gewellten Oberfläche des zweiten Halbleiterbereiches durch epitaktisches Aufwachsen aus flüssiger Phase eine Halbleiterschicht des zweiten Leitungstyps aufwächst, die einen Brechungsindex hat, der kleiner als der Mittelwert der Brechungsindizes des laseraktiven Bereiches, des ersten Halbleiterbereiches und des zweiten Halbleiterbereiches ist.
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