DE2556850A1

DE2556850A1 - Heterouebergang-diodenlaser

Info

Publication number: DE2556850A1
Application number: DE19752556850
Authority: DE
Inventors: Robert D Burnham; Donald R Scifres; William Streifer
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1975-03-26
Filing date: 1975-12-17
Publication date: 1976-10-07
Also published as: US3969686A; JPS5856991B2; GB1521726A; DE2556850C2; FR2305869A1; FR2305869B1; JPS51114888A; NL7515233A; CA1057839A

Description

Heteroübergang-Diodenlaser
Die Erfindung betrifft einen Heteroübargang-Diodenlaser.

In der am 15. Oktober 1974 eingereichten US-Patentanmeldung Nr. 515 12ö wird ein elektrisch gepumpter, mit verteilter Rückkopplung bzw. distributed feedback arbeitender Heteroübergang-Diodenlaser beschrieben, der einen
hochkollimierten bzv/» parallelen, polarisierten Ausgangslichtstrahl erzeugt, der renkrecht zu der Ebene des PN-Übergang s des Lase'3 und nicht durch öie gespaltenen

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TELEX Ot,-OO 3OO TELEISRAMME MONAF=A I

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Endflächen in der Ebene des PN-Übergangs emiliiert wird. Der Diodenlaser enthält eine periodische Struktur, die an der HeteroÜbergang-Grenzfläche eingearbeitet ist; die periodische Struktur erzeugt die Rückkopplung, die für die Laserwirkung erforderlich ist; wenn der Abstand der Zähne der periodischen Struktur gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlängen der Lichtphotonen in dem Lasermedium ist, erzeugt die periodische Struktur einen Ausgangs strahl senkrecht zu der Ebene des PN-Übergangs«. Um die Intensität dieses Ausgangsstrahls durch Begrenzung des aus den Seiten des Lasers austretenden Lichtes zu erhöhen, werden die äußeren Oberflächen des Lasers gespalten und mit Filmen beschichtet, die dcis Licht mit hohem Wirkungsgrad reflektieren. Andere Lasereinrichtungen, wie beispielsweise die in den US-Patentschriften Nr. 3 3oS 395 und 3 248 671 beschriebenen optisch gepumpten Laser, begrenzen den Austritt des Laserlichtes, indem der geometrische Aufbau des aktiven Lasermediums in der Weise eingestellt wird, αειβ die von dem Laser erzeugten Lichtphotonen innen reflektiert werden, wenn sie nacheinander auf Flächen des Lasermediums in einem Winkel treffen, c3er größer als der kritische Winkel dos Materials des Lasermediums ist; sie v/erden so lange reflektiert, bis sie an eine"m Ausgangsbereich an einer vorherbestimmten Stelle auf der Oberfläche eines Randes des Lasermediums ankommen.

Bei herkömmlichen Festkörper-Diodenlasern, wie beispielsweise dem Laser nach der US-PS 3 3o8 3 95, tritt eine große Divergenz des Ausgangsstrahls auf; in einem typischen Fall beträgt die Strahldivergenz in einer Richtung lo°, während sie in der anderen Richtung 3o bis 4o beträgt. Der elektrisch gepumpte, mit verteilter Rückkopplung arbeitende Festkörper-Laser nach der oben erwähnten schwebenden US-Patentanmeldung erzeugt einen Ausgangs strahl mit einer Winkeldivergen;.!; von nur näherungsv/eise o,35 in der Richtung längs der Längs der Zähne der periodischen Struktur und von näherungsv/eise

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lo° in der Richtung quer zu den Zähnen der periodischen Struktur. Wenn die zuletzt erwähnte Divergenz weiter verringert werden könnte, würde der Ausgangs strahl des e3.ektrisch gepumpten, mit verteilter Rückkopplung arbeitenden Festkörper-Lasers nahezu die sehr kleine Wirikeldivergenz des Ausgangsstrahls eines Gaslasers erreichen, so daß er auf vielen Anwendungsgebieten eingesetzt werden könnte, wo zur Zeit ausschließlich Gaslaser verwendet werden.

Der Erfindung liegt deshalb unter anderem die Aufgabe zugrunde, einen elektrisch gepumpten, mit verteilter Rückkopplung arbeitenden Festkörper-Laser zu schaffen, dessen Ausgangsstrahl eine verringerte Divergenz hat.

Diese Aufgabe wird bei einem Heteroübergang-Laser gelöst durch eine als Lichtwellenleiter dienende Schicht aus einem Halbleiterraator ial, die zwischen ersten v.nä zweiten benachbarten Schichten aus einem anderen Material als die Wellenleiterschicht liegt., und wobei eine der benachbarten Schichten einen anderen Leitfähicrkeitstyp "als die Wellenleiter schicht hat, so daß zwischen ihnen ein PN-Übergang entsteht, weiterhin durch eine Anordnung, um wenigstens zwei im Abstand angeordnete, parallele Bereiche der Wellenleiterschicht elektrisch zu pumpen, so daß Lichtphotonen in der Wellenleiterschicht erzeugt werden und sich durch sie fortpflanzen, durch eine Einrichtung, um im wesentlichen eine innere Totalreflexion der Lichtphotonen herbeizuführen, so daß wenigstens ein Teil der Lichtphotonen in der Wellenleiterschicht einer Bahn folgt, die mit den im Abstand angeordneten, parallelen Bereichen der Wellenleiterschicht ausgerichtete Abschnitte hat, und durch eine periodische Struktur in dem Diodenlaser, die mehrere, so orientierte parallele Zähne aufweist, daß ihre Vorsprünge senkrecht zu den im Abstand angeordneten parallelen Bereichen sind, damit der Teil der Lichtphotonen auf kohärente Weise verstärkt wird, um die für die Erzeugung von zwei parallelen AusgangsIicTitstrahlen erforderliche Rückkopplung zu liefern.

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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere darin, daß ein elektrisch gepumpter, mit verteilter Rückkopplung arbeitender Festkörper-Laser geschaffen wird, dessen Ausgangsstrahl senkrecht zu dem aktiven Bereich des Lasers verläuft und der eine verringerte Divergenz hat.

Schließlich wird ein Festkörper-Laser geschaffen, bei dem eine Ausgangskopplung in einer Lasergeometrie mit innerer Totalreflexion auftritt.

Bei dem elektrisch gepumpten, mit verteilter Rückkopplung arbeitenden Festkörper-Laser nach der Erfindung werden alle vier Seiten des Lasers gespalten, um in dem aktiven Lasermedium eine Bahn mit hoher Verstärkung und geringem Verlust auszubilden· die periodische Struktur wird im rechten Winkel zu zwei Laserfäden des aktiven Lasermediums angeordnet. Um einen senkrecht zu dem aktiven Läsermedium verlaufenden Ausgangsstrahl zu erhalten, wird der Abstand der Zähne der periodischen Struktur gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlängen der Lichtphotonen in dem aktiven Lasermedium gemacht. Mit diesem Aufbau beträgt die Divergenz längs der Zähne der periodischen Struktur näherungsweise o,35 , während die Divergenz in der anderen Richtung, d.h., quer zu den Zähnen der periodischen Struktur, näheruncfsweise 5 beträgt, da zwei Fäden statt einem Laserwirkung haben. Um die Bereiche des aktiven Lasermediums einstellen zu können, die I^tserwirkung haben, damit die Bahn gesteuert werden kann, die der totalreflektierte Strahl durchläuft, kann ein Aufbau mit streifenförmiger Geometrie verwendet v/erden; dazu gehört beispielsweise ein streifenförmiges Substrat, eine durch Protonenimplantation hergestellte Geometrie, eine durch Ionenimplantation hergestellte Geometrie, ebene Streifen, unter der Oberfläche angebrachte oder beerdigte ,Streifen, oder Mesa-

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Streifengeometrien. Diese Geometrien haben den zusätzlichen Vorteil, den Schwellstrom zu verringern, so daß der Laser bei Raumtemperatur kontinuierlich betrieben werden kann, also eine kontinuierliche Welle abstrahlt.

Mit der vorliegenden Erfindung wird also ein elektrisch gepumpter, mit verteilter Rückkopplung arbeitender Laser geschaffen, bei dem alle Seitenoberflächen des aktiven Lasermediums gespalten sind; weiterhin ist eine, periodische struktur vorgesehen, die in einem Winkel von 45° zu allen gespaltenen Oberflächen liegt. Den Stromverlauf begrenzende Kanäle beschränken den Pumpstrom auf ausgewählte Bereiche des aktiven Lasermediums, so daß eine ausreichende Rückkopplung in der Ueise erreicht wird, daß zwei parallele fadenförmige Bereiche des aktiven Mediums Laserwirkung haben. Werden viele B'äden mit Laserwirkung eingesetzt, so wird die ' Divergenz des Ausgangs str aliüs in der Richtung der Breite der Fäden um einen Faktor reduziert, der proportional zu der Zahl der fadenförmigen Bereiche bzw. Flächen mit Lasej wirkung ist.

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

Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise weggeschnittene, perspektivische Ansicht eines Lasers nach der Erfindung;

Fig. 2 eine Vorderansicht des Lasers nach Fig.

Fig. 3 eine Draufsicht des Lasers nach Fig. 2 längs Linie 3-3;

Fig. 4 eine Vorderansicht zur Darstellung der Herstelluiigrjochritte dec J.:Z\üo::v nach Fig. 1.

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In Fig. 1 ist ein elektrisch gepumpter Festkörper-Di oclenlaser 2 gemäß der Erfindung dargestellt, der mit verteilter Rückkopplung bsv/. distributed feedback arbeitet und einen einzigen HeteroÜbergang aufweist. Im wesentlichen besteht der in Fig. 1 gezeigte Laser aus einer p-leitenden Galliumarsenid-Schicht 4, einer p-leitenden Galliumaluminiumarsenid-Scliicht 6, einer p-leitenden Galliumarsenid-Schicht 8 und einer η-leitenden Galliumarsenidsubstrat-Schicht lo. Da die Schichten S und Io verschiedene Leitfähigkeitstypen haben, tritt an der Grenzfläche der Schichten 8 und Io ein PN-Übergang 12 auf. An der Grenzfläche der Schichten 6 und 8 ist eine gezahnte bzw. zerklüftete periodische Struktur 14 vorgesehen, bei v/elcher der Abstand zwischen den Zähnen ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge der Lichtphotonen ist, die in dem aktiven Lasermedium 8 geführt werden. Um die Laserdiode 2 elektrisch pumpen zu können, sind metallische Kontakte 7 und 9 an den Schichten 4 bzw. Io angebracht und stehen so in Berührung mit ihr, daß keine Gleichrichterwirkung auftritt. Der Kontakt 9 lcann streifenförmig sein, so daß der abgegebene Strahl (der in Fig. 2 schematisch als Strahlen 11 und 11' gezeigt ist) durch die Schicht Io aus dem Laser austreten kann.

Wie in Fig. 3 dargestellt ist, sind die einander gegenüberliegenden Oberflächen 18 und 2o und die einander gegenüberliegenden Flächen 22 und 24 der Schicht 8 der Laserdiode 2 optisch eben bzw. planparallel sowie parallel zueinander und senkrecht zu jeder benachbarten Fläche ausgelegt; zur Ausbildung dieser Flächen können die üblichen Spalttechniken eingesetzt werden. Mit diesen Spalttechniken lassen sich mit sehr hoher Genauigkeit kristalline Formen mit optisch flachen bzw. planparallelen Flächen erhalten; dazu wird der Kristall auf einer Kristallfläche mit großem Flächeninhalt gehaltert, die senkrecht zu einer Kristallebene mit minimaler Bindung ist; dann wird

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eine Spaltkraft längs der Kristallebene mit minimaler Bindung auf den Kristall ausgeübt. Wenn ein rechtwinkliger guaderförmiger Kristaukörper aus Galliumarsenid (dem Material der Schicht 8) hergestellt v/erden soll, wird der Galliumarsenid-Kristallkörper parallel zu seiner (loo) Kristallebene gehaltert; dann wird eine Kraft senkrecht zu der (loo) Kristallebene längs der (llo) Kristallebene des Galliumarsenid-Kristalls ausgeübt.

Beim Betrieb der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung wird der PN-Übergang 12 in Vorwärtorichtung bzw. Durchlassrichtung betrieToen bzw. vorgespannt, indem die Elektroden 7 und 9 mit den entsprechenden Klemmen einer Energiequelle (nicht dargestellt) verbunden v/erden; dann werden Lichtphotonen oder Lichtstrahlen in der Schicht 8 erzeugt, da in diese Schicht Minoritätsträger injiziert werden. Die in der aktiven Schicht 8 erzevtgten Striihlen pflanzen sich von ihrem Ausgangspunkt in vielen verschiedenen Richtungen fort. Wenn ein bestimmter Strahl einer solchen Bahn oder Richtung folgt, daß er auf die gespaltenen Enden 18, 2o, 22 und 24 in einem Winkel von 45° trifft, wobei dieser Winkel größer als der kritische Winkel des Materials der aktiven Schicht 8 ist, dann wird dieser Strahl mit geringem oder gar keinem Energieverlust an der Innenwand totalreflektiert. Aus Fig. 3 läßt sich erkennen, daß der Strahl 25 einem solchen Strahlengang folgt. Selbstverständlich folgen auch andere Strahlen, wie beispielsweise der Strahl 26, Strahlengängen, bei denen innere Totalreflexion auftritt.

Wie in der oben erwähnten schwebenden US-Patentanmaldung Nr. 515 12o erläutert wird, koppeln und verstärken die Zähne einer periodischen Struktur, die im rechten Winkel zu einem durch stimulierte Emission erzeugten Lichtstrahl angeordnet ist, die rechts und links verlaufenden, sich durch den aktiven Bereich fortpflanzenden Lichtstrahlen in der Weise, daß eine ausreichende

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Rückkopplung zur Erzeugung der Laserwirkung auftritt. Gemäß der Erfindung sind die Zähne der periodischen Struktur 14 so orientiert bzw. ausgerichtet, daß sie zwei Bereiche des Strahls 25 in einem Winkel von 9o° schneiden
oder unterbrechen; das heißt also, die Zähne der periodischen Struktur 14 liegen in einem Winkel von 45° zu jeder der gespaltenen Endflächen 18, 2o, 22 und 24. Im einzelnen schneidet der Strahl 25 die Zähne der periodischen Struktur längs der Abschnitte 25a und 25b des Strahlengangs 25 im rechten Winkel, so daß die notwendige Rückkopplung erzeugt wird, um zwei parallele, fadenförmige Laserbereiche 15 und 15' zu bilden. Die Zähne der periodischen Struktur 14 haben einen Abstand, der gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlängen der Lichtphotonen ist, die in der Schicht 8 erzeugt und von dieser geführt werden; das heißt also, daß der Abstand der Zähne A^CL&s*. beträgt; dabei .ist /Lc- die Wellenlänge der Laserstrahlung im freien Raum, η der Brechungsindex des Materials der Schicht 8, und m
ist eine ganze Zahl; dadurch wird das kohärente, von den beiden parallelen,fadenförmigen Laserbereichen 15 und 15' erzeugte Licht im rechten Winkel zu dem PN-Übergang 12 aus dem Laser ausgekoppelt, d.h., aus der Oberseite der Schicht Io des Lasers 2, wie es schematisch durch die Pfeile 11 und II¹ angedeutet ist.

Längs der fadenförmigen Laserbereiche 15 und 15' ist die
Divergenz des abgegebenen Strahls- gleich der des Strahls, die bei der Einrichtung nach der oben erwähnten schwebenden amerikanischen Patentanmeldung erzeugt wird, d.h.,
näherungsweise o,35°. Die Divergenz in der anderen Richtung, d.h., über die Breite der fadenförmigen Laserbereiche 15
und 15', wird jedoch ungefähr um den Faktor 2 verringert, da zwei parallele fadenförmige Bereiche Laserwirkung haben. Dies bedeutet also, daß die Summe der beiden Ausgangsstrahlen 11 und II¹ eine geringere Divergenz hat, als die mit verteilter Rückkopplung arbeitenden Laserstrukturen,

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wie sie in der amerikanischen Patentanmeldung beschrieben sind. Wenn das Ausgangssignal des Lasers eine Frequenz von 848oS haben soll, wäre der Abstand zwischen den Zähnen der periodischen Struktur 4693§ (dies ist gleich c2 /l_c

Da gesteuert werden muß, welche fadenförmigen Bereiche Laserwirkung haben, sollte der Puinpstrom auf diese fadenförmigen Bereiche begrenzt werden; in dem dargestellten Beispiel wären dies die Abschnitte 25a und 25b des Strahlengangs. Diese Strombegrenzung wird durch einen streifenförmigen geometrischen Aufbau erreicht, wobei sich folgende Möglichkeiten ergeben: Ein streifenförmiges Substrat, durch Ionenimplantation sovie durch Protonenimplantation erzeugte streifenförmige Geometrien, ebene Streifen, verborgene bzw. beerdigte Streifen oder Mesastreifen. Wird beispielsweise Protonenimplantation eingesetzt, so werden Bereiche 28 mit hohem Widerstand in der Schicht 4 erzeugt; dadurch kann ein Strom nur in den dazwischenliegenden Bereichen 3o, 32, 33 und 34 fließen, in denen keine Implantation stattgefunden hat. Wie in Pig. 1 gezeigt ist, bilden die Bereiche 28 zwei parallele Kanäle 3o und 32, deren longitudinale Abmessung senkrecht zu den Zähnen der periodischen Struktur 14- verläuft und die vertikal mit den fadenförmigen Bereichen der Schicht ausgerichtet sind, auf die sie den Pumpstrom begrenzen sollen; d.h., in dem angegebenen speziellen Beispiel ist der Kanal 3o vertikal mit dem Abschnitt 25b des Strahlengangs 25 ausgerichtet, während der Kanal 32 vertikal mit dem Abschnitt 25a des Strahlengang?= 25 ausgerichtet ist. Die Strombegrenzung v/ird durch die Kanäle 3o und 32 erreicht, von denen nach einer bevorzugten Ausführungsform jeder in der Größenordnung von Io Mikron breit ist; der Abstand zwischen ihnen sollte größer als Io Mikron sein. Die Kanäle 33 und 34 begrenzen den Strom in der zu den Zähnen der periodischen Struktur 14 parallelen Richtung

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Io -

und bilden einen Stromweg mit geringem Verlust zwischen den Kanälen 3o und 32. Da die Schicht 6 relativ dünn ausgelegt ist, verbreitert sich der Pumpstrom nicht wesentlich ,und nur der Bereich der Schicht 8, der vertikal mit den Kanälen 3o, 32, 33 und 34 ausgerichtet ist, wird gepumpt. Aufgrund dieser Begrenzung ist ein kleinerer

Pumpstrom erforderlich, um die Stromdichte (A/cm ) zu erzeugen, die für die Einleitung der Laserwirkung an den fadenförmigen Bereichen 15 und 15* ausreicht. Dies bedeutet wiederum, daß durch den Pumps tr ojti eine kleinere Wärmemenge erzeugt wird, so daß die von dem Diodenlaser 2 abgegebene Wärme leicht abgeleitet werden kann? der Diodenlaser 2 kann also bei Raumtemperatur kontinuierlich, d.h., mit ständiger Abgabe von Laserwellen, betrieben werden.

Im folgenden soll unter Bezugnahme auf Fig. 4 ein Verfahren beschrieben v/erden, mit dem die elektrisch gepumpte, mit verteilter Rückkopplung arbeitende Festkörper-Lasereinrichtung 2 nach Fig. 1 hergestellt werden kann. Die Herstellung beginnt mit einem Substrat Io aus n-leitendem GaAs mit einer Störstellen- bzw. Verunreinigungskon-

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zentration N von ungefähr Io cm , wie in Fig. 4a dargestellt ist. Als Störstellen bzw. Dotierung kann Silizium verwendet werden, obwohl auch andere η-leitende Störstellen eingesetzt v/erden können. Die Gitterorientierung des GaAs Substrates Io ist nicht kritisch; gute Ergebnisse sind unter Verwendung eines (loo) orientierten GaAs Substrates erreicht worden; andere Orientierungen, beispielsweise (llo) oder (111) orientiertes GaAs sollten gute Ergebnisse bringen.

Nach der Reinigung, beispielsweise durch ein organisches Lösungsmittel und/oder durch eine säure, wird die periodische Struktur 14 auf der oberen Oberfläche des Substrates Io ausgebildet. Der Abstand der Zähne der periodischen

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Struktur hängt von der Laserwellenlänge in der das Licht führenden bzw. leitenden GaAs Schicht 8 ab; diese Beziehung ist näherungsv/eise durch die folgende Glochung gegeben: _/\_ str ———

dabei ist_/l der Abstand der periodischen struktur, m ist die Bragg¹sehe Beugungsordnung, die eine kleine ganze Zahl ist, 7l ist die Laserwellenlänge im freien Raum, und η ist gleich dem Brechungsindex der GaAs Schicht 8. Für GaAs ist /L gleich ~ 8,5ooa, und η ist näherungsweise 3,6; d.h., daß ~A näherungsweise gleich 2,4oo8 für m = 1, näherungsweise 4,8ooS für m = 2, und so weiter ist.

Die Gitterabstände müssen also die oben angegebenen sehr kleine!Werte haben; dazu muß entweder eine interferoraeirische Belichtung eines Fotolack- bzw. Fotoresist-Materials oder eine herkömmliche Elektronenwiderstands- bzw. Elektronenresisttechnik eingesetzt werden; als Fotoresist-Material kann Shiply AZ 135o Resist eingesetzt werden, der in einer Tiefe von näherungsweise 3,600$ auf der oberen Oberfläche des Substrates Io auf herkömmliche Weise abgelagert wird. Bei der interferometrisehen Belichtungstechnik werden ein Strahlspalter und zwei Spiegel verwendet, um zwei Laserlichtstrahlen mit gleicher Intensität und gleicher Polarisation mit gleichen Einfallswinkeln auf den Fotoresist zu richten. Die Beziehung zwischen dem Gitterabstand und der inter ferometri sehen Belichtung ist durch die Gleichung gegeben: y\ /t-

_Λ =

2 TZ

dabei bedeuten:

— Gitterabstand /L1 - Laserwellenlänge (die nicht mit der Wellenlänge /L des Diodenlasers verwechselt werden darf)

0 - der Winkel zwischen der Normalen bzw. Senkrechten zu der Substratoberfläche und dem Laserstrahl; und

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η = Brechungsindex des das Substrat umgebenden Mediums (Luft = 1) .

Da im allgemeinen ein Argonlaser für die Erzeugung des interferometrischen Musters verwendet wird und die Wellenlänge der zur Verfugung stehenden Argonlaser näherungsweise 4579°i beträgt, kann der Gitterabstand -/¹L von 48ooH (m = 2) erreicht werden, indem die Laserstrahlen bei einem Winkel von ungefähr 3o° zur Interferenz gebracht werden. Für m = 2 wird das interferometrische Muster so eingestellt, daß dünne Streifen des Fotoresist 37 belichtet werden, die einen Abstand von ungefähr 4,8ooE voneinander, haben; dabei ist jeder belichtete Streifen ungefähr 2,4ooS breit, wie in Fig. 4b dargestellt ist; dabei zeigen die abgedunkelten Bereiche der Resistschicht 37 die belichteten Flächen. Sobald das Gittermuster auf dem Fotoresist 37 ausgebildet ist, wird der Fotoresist entwickelt, so daß nur noch die unbelichteten Bereiche auf der oberen Oberfläche des Substrates Io zurückbleiben, wie in Fig. 4c dargestellt ist.

Es stehen verschiedene Verfahren zur Verfugung, um die periodische Struktur in dem Substrat Io zu erzeugen, das nun teilweise durch den Fotoresist 37 geschützt ist. Zu diesen Verfahren gehören Ionenimplantation, Xonenfräsen bzw. Ionenabtragung, Diffusion, Ätz- oder Oberflächen-Fräsen bzw. -Abtragung. Es wird angenommen, daß sich mit Ionenabtragung die beste periodische Struktur erzeugen läßt. Bei der Ionenabtragung wird die obere Oberfläche des Substrates Io mit · Argon- oder anderen inerten Ionen beschossen, wobei das Ionenstrahlpotential ungefähr 4,ooo Volt und der Strahlstrom ungefähr loo Mikroampere betragen. Der Fotoresist 37 schützt die bedeckten Bereiche des Substrates Io, so daß der ionenstrahl die Zähne oder Kanäle 14a nur in den ungeschützten Bereichen ausbilden kann. Wesentlich ist, daß die Ionenabtragung beendet wird, wenn der Ionenstrahl im wesentlichen den größten Teil des Fotoresists entfernt hat.

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Wenn die Abtragung zu lange dauert, werden die Gitterzähne schmal und durch die folgenden Verfahrensschritte beeinflußt. Weiterhin muß die Abtragung mit einem flachen Einfallswinkel durchgeführt werden, da sich in der Oberfläche Grübchen bzw. Vertiefungen bilden, wenn der Ar+ Strahl senkrecht zu der Ebene des Substrates Io auftrifft. Nach der Erzeugung des Gitters wird der übrigbleibende Fotoresist durch herkömmliche Mittel entfernt, beispielsweise durch ein Azetonbad. Die für die verteilte Rückkopplung wesentliche Tiefe der Zähne 14a des Gitters beträgt ungefähr 18ooä\· Laserwirkung läßt sich jedoch auch sowohl mit flacheren als auch mit tieferen Zähnen erreichen. Fig. 4d stellt eine Endansicht des Substrates Io mit den Zähnen 14a dar.

Nach einer Reinigung wird das .Substrat in einen Ofen gebracht, in dem eine Schicht in einem Epitaxieverfahren aus der flüssicjen Phase aufgezogen wird; dabei wird eins p-leitende Ga₁ Al As Schicht 6 auf der periodischen oder gerippten bzw. geriffelten Oberfläche gezogen; anschliessend wird eine p-leitende GaAs Schicht 4 gezogen, wie in Fig. 4e dargestellt ist. Nach einor bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dicke der Schicht 4 einige Mikron

IB — "* mit einer Dotierung von ungefähr Io " cm ~. Die Schichten 4 und 6 werden auf herkömmliche TTeise und mit den herkömmlichen Geräten hergestellt. Die Schichten sollten jedoch bei einer niedrigen Temperatur, ungefähr 800 G oder weniger, gezogen werden, da hohe Temperaturen ein Rückschmelzen oder eine Auflösung der periodischen Struktur 14 bewirken. Die Konzentration des Aluminiums (x) in dem Ga₁ Al As v/ird so eingestellt, daß der Brechungsindex der Schicht 6 ungefähr 3,4 und die Bandlücke ungefähr 1,8 Elektronenvolt betragen. Wie oben erläutert wurde, liefern diese Werte sowohl den für die Leitung der Lichtwellen erforderlichen Aufbau als auch die Begrenzung der Elektronen. An der Grenzfläche zwischen dem Substrat Io und der aufge-

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zogenen Schicht 6 beträgt χ ο, 3; es lcann jedoch zwischen nahezu ο und o_f8 variieren. Unter Bezugnahme auf Fig. 4e wird darauf hingewiesen, daß während des Aufziehens der Schicht 6 die p-leitende Dotierung etwas in das GaAs Substrat ίο diffundiert, wie durch die Übergangszone 12a angedeutet ist. Es wird angenommen, daß sich die Diffusion ungefähr o,5 Mikron in das Substrat Io erstreckt.

Nach einer weiteren Reinigung wird die Einrichtung nach Fig. 4e zusammen mit Zinkarsenid in eine evakuierte Diffusionsampulle gebracht; die Diffusion wird ungefähr Io Minuten lang bei näherungsweise 7oo° C durchgeführt. Durch diese Diffusion wird p-leitendes Material weiter in das Substrat Io getrieben, so daß der PN-Übergang 12 ebenfalls weiter in das Substrat Io bewegt wird; dadurch wird die zur Lichtleitung dienende Schicht 8 definiert, wie es in Fig. 4f dargestellt ist. Nach einer bevorzugten Ausführungsforra beträgt die Dicke der Schicht 8 un-gefähr 2 Mikron, obwohl auch größere oder kleinere Dicken in Abhängigkeit'von der Bandlücke und den Brechungsindizes der Schichten 6 und Io möglich sind.

Nach der Entnahme aus der Diffusionsampulle wird die untere Oberfläche des Substrates Io (der Teil des Substrates Io unter dem Übergang 12) poliert, um etwa eindiffundierte Zinkteilchen zu entfernen und wieder n~leitendes GaAs Material freizulegen. In einigen Fällen kann es zweckmäßig sein, dieses Scheibchen zu tempern, um den !Wirkungsgrad der Einrichtung nach der Diffusion optimal zu machen. ^y

Nun kann auf die p-Seite der Einrichtung ein Aufbau mit Streifengeometrie aufgebracht v/erden. Dazu kann beispielsweise Protonenimplantation eingesetzt werden. Eine Drahtmaske (*vl2 ρ m Drahtdurchmesser) mit einem Aufbau, der identisch mit den Streifen 3o, 32, 33 und 34 ist, wird sehr nahe zu der p~Seite (Schicht 4) der Diode so angeordnet,

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daß die Drähte Winkel von 45 mit den (llo) Spaltebenen 18, 22, 2o und 24 bilden. Protonen werden durch die Schicht 4 (<-~ 2 μ m tief) in die Bereiche 20 eingebaut bzw. implantiert, die nicht durch die Drahtmaske geschützt sind. Dadurch entstehen eine Schicht 28 mit hohem Widerstand sowie leitende Kanäle 3o, 32, 33 und 34, die an den Stellen ausgebildet sind, wo die Drahtmaske das Scheibchen gegen die Implantation schützt. Diese leitenden Bereiche 3o, 32, 33 und 34 definieren also die Bahn des Stromflusses in der Einrichtung«,

Metallisierte Kontakte 7 und 9 werden dann mit den herkömiiäichen Techniken an der Einrichtung angebracht. Wird als Kontakt 9 ein transparenter Kontakt verwendet, dann kann der Kontakt 9 die gesamte obere Oberfläche der Einrichtung bedecken. Die vier Seitenflächen 18, 2o, 22 und 24 werden dann zu einem quadratisehen oder rechteckigen Aufbau gespalten, so daß bei der Einrichtung in der Ebene des PN-Übergangs 12 innere Totalreftexion auftritt. Dabei wird jedoch Licht durch das Gitter 14 in kollimierter Weise bzw. parallel aus der Diode ausgekoppelt, wobei die Kollimation des Lichtes zunimmt, wenn weitere fadenförmige Bereiche (wie die Bereiche 3o und 32) hinzugefügt v/erden, die senkrecht zu dem Gitter 14 verlaufen.

Bisher ist ein Laser beschrieben worden, bei dem zwei parallele fadenförmige Bereiche verwendet werden, die zu einer verringerten Strahldivergenz führen. Selbstver- . ständlich läßt sich jedoch eine v/eitere Strahldivergenz erreichen, wenn mehr fadenförmige Bereiche bei dem Laser ausgebildet werden. Obwohl die " Erfindung unter Bezugnahme auf einen mit verteilter Rückkopplung arbeitenden Diodenlaser mit einem einzigen HeteroÜbergang beschrieben worden ist, läßt sie sich in gleicher Weise auch bei anderen Arten von elektrisch gepumpten, mit verteilter Rückkopplung arbeitenden Diodenlasern einsetzen, wie beispiels-

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weise Diodenlasern rait einem doppelten HeteroÜbergang.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

1. Heteroübergang"Diodenlaser, gekennzeichnet durch eine als Lichtwellenleiter dienende • Schicht (8) aus einen Halbleitermaterial, die zwischen ersten und zweiten benachbarten Schichten (^,10) aus einem Halbleitermaterial angeordnet ist, v/obei wenigstens eine der benachbarten Schichten aus einem anderen Material als die Wellenleiterschicht (8) besteht, und wobei eine der benachbarten Schichten (K)) einen anderen Leitfähigkeitstyp als die Wellenleiter schicht (8) hat, so daß zwischen ihnen ein PN-Übergang entsteht, weiterhin durch eine Anordnung (7, 9), um wenigstens zwei im Abstand angeordnete, parallele Bereiche der Wellenleiterschicht (&) elektrisch zu pumpen, so daß Lichtphotonen in der Wilenleiterschicht (8) erzeugt v/erden und sich durch sie fortpflanzen, durch eine Einrichtung, um im wesentlichen eine innere Totalreflexion der Lichtphotonen herbeizuführen, so daß wenigstens ein Teil der Lichtphotonen in der WelJ-enleiterschicht (8) einer Bahn folgt, die mit den im Abstand angeordneten, parallelen Bereichen der Wellenleiterschicht ausgerichtete Abschnitte hat, und durch eine periodische Struktur (14) in dem Diodenlaser (2), die mehrere, so orientierte parallele Zähne (14a) aufweist, daß ihre Vorspränge senkrecht zu den im Abstand angeordneten parallelen Bereichen sind, damit der Teil der Lichtphotonen auf kohärente weise verstärkt wird, um die für die Erzeugung von zwei parallelen AusgangsIichtstrahlen erforderliche Rückkopplung zu liefern.

2. HeteroÜbergang-Diodenlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,- daß die Lichtleitungsschicht (8) aus GaAs und wenigstens eine (6) der benachbarten Schichten aus GaAlAs bestehen«,

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3. Heteroübergang-Diodenlaser nach einem der AnsprachG 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, um die Lichtphotonen im wesentlichen total innen zu reflektieren, die gespaltenen Oberflächen der Lichtwellen--■ leitungsschicht (8) ist.

4,- Heteroübergang-Diodenlaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne (3.4a) einen Winkel von 45 mit allen gespaltenen Oberflächen bilden.

5. HeteroÜbergang-Laser, gekennzeichnet durch eine zur Leitung der Lichtwellen dienende Schicht (S) aus einem Halbleitermaterial, die zwischen ersten und zweiten benachbarten Schichten (6,10) aus Halbleitermaterial angeordnet sind, wobei wenigstens eine der benachbarten Schichten aus einem anderen Material als die Wellenleitungsschicht besteht, und wobei eine der benachbarten Schichten einen anderen Leitfähigkeitstyp als die Wellenlei^- tungsschicht hat, so daß ein PN-Übergang (12) zwischen diesen Schichten ausgebildet ist, durch eine Anordnung, um wenigstens zwei im Abstand angeordnete, parallele Bereiche der Wellenleitungsschicht elektrisch zu pumpen, so daß Lichtphotonen in der Wellenle.itungsschicht ( 8 ) erzeugt werden und sich durch sie fortpflanzen, durch eine Einrichtung, um die Lichtphotonen im wesentlichen total innen zu reflektieren, so daß wenigstens ein Teil der Lichtphotonen in der Wellenleitungsschicht ( 8 ) einer Bahn folgen, die mit den im Abstand zueinander angeordneten, parallelen Bereichen der Wellenleitungsschicht ( 8 ) ausgerichtete Abschnitte aufweist, und durch eine periodische Struktur (14) in dem Laser (2) , die mehrere parallele, so orientierte Rillen aufweist, daß ihre Vorsprünge senkrecht zu den im Abstand angeordneten, parallelen Bereichen verlaufen, wobei der Abstand zwischen den Rillen gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlängen der Lichtphotonen ist, so daß der Teil der Licht-

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photonen auf kohärente Weise verstärkt wird, um die zur Erzeugung von zwei parallelen, senkrecht zu der Ebene des PN-Übergangs (12) verlaufenden Auscjangslichtstrahlon erforderliche Rückkopplung zu liefern.

6. Heteroübergang-Laser.nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, um die Lichtphotonen im wesentlichen total innen zu reflektieren, die gespaltenen Oberflächen der I.ichtwellenleiterschicht ( 8 ) sind.

7. HeteroÜbergang-Laser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung, um wenigstens die beiden im Abstand angeordneten parallelen Bereiche der Wellenleiterschicht elektrisch zu pumpen, langgestreckte Abschnitte einer der benachbarten Schichten sind, wobei die langgestreckten Bereiche von Abschnitten mit hohem elektrischem Widerstand einer der benachbarten Schichten umgeben sind.

8. HeteroÜbergang-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung, um wenigstens die beiden im Abstand angeordneten, parallelen Bereiche der Wellenleitungsschicht ( 8 ) elektrisch zu pumpen, langgestreckte Abschnitte einer der benachbarten Schichten sind, wobei die langgestreckten Abschnitte von Bereichen mit hohem elektrischem Widerstand einer der benachbarten Schichten umgeben sind.

9. HeteroÜbergang-Diodenlaser, gekennzeichnet durch eine· zur Lichtwelbnleitung dienende Schicht (8 ) aus einem Halbleitermaterial, wobei die seitlichen Oberflächen der Wellenleiterschicht (-8 ) gespalten sind und diese Schicht ( 8 ) zwischen ersten und zweiten benachbarten Schichten aus einem Halbleitermaterial angeordnet ist , wobei wenigstens eine der benachbarten Schichten aus einem anderen Material als die Wellenleiterschicht besteht und eine der benachbarten Schichten einen anderen Leit-

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fähigkeitstyp hat als die Wellenleiterschicht, so daß zwischen diesen Schichten ein PN-Übergang (12) entsteht, durch eine Anordnung, um wenigstens die beiden im Abstand angeordneten parallelen Bereiche der Wellenleitungsschicht (8 ), die in einem Winkel von 45 zu den Oberflächen der Wellenleitungsschicht angeordnet sind, elektrisch zu pumpen, so daß Lichtphotonen in der Wellenleitungsschicht erzeugt werden und sich durch sie fortpflanzen, wobei die Anordnung eine Einrichtung enthält, um den Pumpstromfluß nur auf diese im Abstand angeordnet»Bereiche, von denen wenigstens zwei vorgesehen sind, zu begrenzen, und durch eine periodische Struktur (14) in dem Diodenlaser (2), die mehrere parallele, so orientierte Zähne (14a) aufweist, daß ihre Vorsprünge senkrecht zu der longitudinalen Abmessung der im Abstand angeordneten, parallelen Bereiche sind, wobei der Abstand zwischen den Zähnen (14a) gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge der Lichtphotonen ist, so daß die Lichtphotonen auf kohärente Weise verstärkt werden, um senkrecht zu der Ebene des PN-Übergangs (12) zwei parallele Ausgangslichtstrahlen zu erzeugen.

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