DE2632222A1

DE2632222A1 - Halbleiter-lichtquelle

Info

Publication number: DE2632222A1
Application number: DE19762632222
Authority: DE
Inventors: David Henry Newman
Original assignee: Post Office
Current assignee: Post Office
Priority date: 1975-07-16
Filing date: 1976-07-16
Publication date: 1977-03-03
Also published as: FR2318505B1; JPS60149156U; GB1517537A; JPS5214393A; FR2318505A1; NL185251C; CA1076237A; NL7607677A; NL185251B

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiter-Lichtquelle, insbesondere eine Laser-Oszillator/Detektor-Kombination, d.h. eine Einheit, die einen Laser-Oszillator und einen Detektor zum Überwachen des Laserausgangssignals enthält.

Bei optischen oder Licht-Nachrichtenübertragungssystemen ist die ideale Lichtquelle eine kleine kompakte Einheit, die kohärentes Licht als Ausgangssignal erzeugt. Eine diese Forderungen erfüllende Lichtquelle ist der GaAs-Laser. Es ist jedoch wichtig, daß das Licht-Ausgangssignal eines derartigen Lasers (Laser-Oszillators) in ein Licht-Nachrichtenübertragungssystem unabhängig vom Altern des Lasers und von Änderungen der Umgebungstemperatur ist. Deshalb muß das Ausgangssignal des Lasers so überwacht werden, daß der Ansteuer-Strom für den Laser zum Konstanthalten des Licht-Ausgangssignals einstellbar ist.

Herkömmlich wird eine GaAs-Diode zum Überwachen des Ausgangssignals eines GaAs-Lasers verwendet und werden

4l-C874O3)-MaBk

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ORIGINAL INSPECTED

Laser und Diode in einer einheitlichen Vorrichtung verwendet. Bei einer derartigen Vorrichtung müssen jedoch während der Herstellung nachteilig die Diode und der Laser so ausgerichtet werden, daä ein Teil des Laser-Aus gangs signals in die Photodiode eingekoppelt wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Halbleiter-Lichtquelle der eingangs genannten Art so auszubilden, daß bei der Herstellung schwieriges Ausrichten vermieden wird.

Die Aufgabe wird bei einer Halbleiter-Lichtquelle mit einem Halbleiter-Laser und einem Halbleiter-Licht-Detektor erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Halbleiter-Laser und der Halbleiter-Licht-Detektor auf einer einzigen Halbleiter-Scheibe gebildet sind, daß der Halbleiter-Laser einen ersten Licht-Austritt, einen zweiten Licht-Austritt und einen Resonator so angeordnet besitzt, daß im Betrieb simultan durch ersten und zweiten Licht-Austritt emittiert, und daß ein Koppler das Licht-Ausgangssignal des ersten Licht-Austritts in den Detektor koppelt.

Die Erfindung löst die Aufgabe also dadurch, daß ein Laser und ein Dioden-Detektor auf der gleichen Halbleiter-Scheibe bzw. dem gleichen Halbleiterstück gebildet sind. Durch diesen Aufbau kann der Kopplungswirkungsgrad zwischen Laser und Diode vor dem Einbauen in eine Vorrichtung geprüft werden.

Vorteilhaft ist der Laser ein GaAs-Laser und ist die Diode eine GaAs-Diode.

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Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 im Schnitt einen GaAs-Laser mit Doppel-Heteroaufbau,

Fig. 2 den Schnitt A-A in Fig. 1 bei einem streifenförmigen GaAs-Laser,

Fig. 3 im Schnitt einen verdeckten Mesa -GaAs-Laser,

Fig. 4 schematisch den aktiven Bereich eines GaAs-Lasers mit zweifachem Doppel-Heteroaufbau,

Fig. 5 im Schnitt den aktiven Bereich eines GaAs-Lasers mit verteilter Rückkopplung,

Fig. 6 einen Laser (Oszillator-)/Detektor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 7 in Aufsicht das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6,

Fig. 8 im Schnitt einen Laser/Detektor gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 9 in Aufsicht den Laser/Detektor gemäß Fig. 8, Fig.10 die Verwendung von GaAs-Stäben als Maske,

Fig.11 einen Laser/Detektor gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Zuvor sei darauf hingewiesen, daß die Figuren der Zeichnung nicht maßstäblich sind, daß vielmehr zur besseren Darstellung die Abmessungen häufig verzerrt dargestellt sind.

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Vor der Erläuterung der Erfindung werden kurz einige der verschiedenen Arten der GaAs-Laser (-Oszillatoren) erläutert.

Fig. 1 zeigt einen üblichen GaAs-Laser mit Doppel-Heteroaufbau (Mehrschichtaufbau), der im Grundsatz aus fünf Werkstoffschichten besteht. Eine Substratschicht 5 besteht aus GaAs und ist ca. 100 /um dick. Darauf ist eine Schicht 4 aus GaAlAs mit ca. 1 /um Dicke angeordnet. Auf der Schicht 4 ist eine Schicht 3 aus GaAlAs mit etwa 0,3 /um Dicke aufgebracht. Diese Schicht 3 ist der aktive Bereich des Lasers, d.h. der Bereich, in dem Licht erzeugt wird.

Auf der Schicht 3 ist eine Schicht 2 aus GaAlAs mit etwa 1 /um Dicke aufgebracht. Auf der Schicht 2 ist eine Schicht' 1 aus GaAs mit etwa 1 Aim Dicke aufgebracht. Einzelheiten typischer Schicht-Zusammensetzungen und Dotierungswerte, usw. sind in der Tabelle 1 wiedergegeben.

Tabelle 1

Schicht	Dotier stoff	Dotierung	Art	Dicke	Zusammen setzung
1 2 3 4 5	Ge Ge Si Sn Si	2-10^l8.cm"³ 8-1O¹⁷ cm"³ 4-10¹⁷ cm"⁵ 4·10¹⁷ cm"⁵ 1-10¹⁸ cm"³	P P P N N	1 /um 1 /um 0,3 /um 1 /um 100 ,um	GaAs ^A10,3^Ga0,7^As ^A1O,O5^GaO,95^As ^A10,3^Ga0,7^As GaAs

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Ein Laser der in Pig. 1 gezeigten Art hat üblicherweise eine Breitstrahl-Streuung in der Größenordnung von 40° in Querrichtung zur aktiven Schicht wegen der infolge der Dünnheit der aktiven Schicht hervorgerufenen Beugungseffekte. Die Streuung in der Ebene der aktiven Schicht ist wesentlich geringer und üblicherweise in der Größenordnung von 5°. Die Gesatntbreite des aktiven Bereichs kann 100 /um betragen. Ein solcher Laser zeigt im Betrieb eine Paser- oder Fadenbildung, wobei die laserstrahlenabgebende Wirkung auf lange Fäden im aktiven Bereich beschränkt ist. Zwischen dem von verschiedenen Fäden emittierten Licht besteht keine Kohärenz. Für viele Zwecke ist dieser Zustand unbefriedigend. Um dies zu vermeiden, wird die Breite des aktiven Bereichs häufig wie in Fig. 2 herabgesetzt. Protonen- oder Sauerstoffionen-Beschuß wird zur Begrenzung der Flächenausdehnung des aktiven Bereichs so verwendet, daß der Bereich 3,in dem Lichtemission auftreten kann, die Form eines vergleichsweise schmalen Streifens 6 besitzt, der beiderseits von einem nicht aktiven Bereich 7 umgeben ist. Laser mit diesem Aufbau werden als streifenförmige oder als solche mit Streifenabmessung bezeichnet.

Eine andere Möglichkeit zur Begrenzung der Breite des aktiven Bereichs ist das Abätzen eines Teils des Bereiches zur Bildung eines Mesa-Aufbaus. Bei derartigen Vorrichtungen werden nachteilig wegen der großen Differenz zwischen den Brechzahlen von GaAs und Luft durch den Laser viele Moden erzeugt. Dieser Nachteil kann durch Verwendung eines verdeckten Heteroaufbaus überwunden werden (vgl. T. Tsukada, GaAs - ^Gai__x ^A1 _x ^As buried hetrostructure injection lasers, J. Appl. Phys. (1974) S. 4899). Ein derartiger Aufbau ist in Fig. 3 dargestellt, wobei Schichten J, 4 und 5 eines Lasers

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mit Doppel-Heteroaufbau in herkömmlicher Weise gebildet sind und dann zur Bildung eines Mesa-Aufbaus abgeätzt sind. Danach werden Schichten 2 und 1 an der Oberseite des Mesa-Aufbaus aufgebracht oder niedergeschlagen, so daß der Mesa-Aufbau vollständig'begraben"oder überdeckt ist. Bei einer derartigen Anordnung ist der aktive Bereich von GaAlAs umgeben und ist die Brechzahlen-Differenz zwischen diesem und dem aktiven Bereich vergleichsweise gering, was bedeutet, daß lediglich wenige Moden durch die aktive Schicht übertragen werden können.

Ein anderer Aufbau,der häufig verwendet wird, ist der Laser mit doppeltem oder zweifachem Doppel-Heteroaufbau (vgl. M.B. Panish et al, Reduction of threshold current density in GaAs - Al„Ga, As hetrostructure lasers by separate optical and carrier confinement, Appl. Phys. Lett. 22 (1973), S. 590) von dem ein Schnitt durch den aktiven Bereich in Fig. 4 dargestellt ist.Der Aufbau ist wieder dem ähnlich, der bei einem Laser mit Doppel-Heteroaufbau verwendet wird, jedoch mit der Ausnahme, daß die aktive Schicht J5 der Schicht mit Doppel-Heteroaufbau durch eine zusammengesetzte Schicht ersetzt ist, die drei voneinander getrennte Schichten 8, 9, 10 aufweist. Die zentrale oder mittlere Schicht 8 ist ein aktiver Bereich aus GaAs, in der das Licht wirksam erzeugt wird. Sie ist an einer Seite von einem'Bereich aus nGaAlAs und an der anderen Seite von einem Bereich aus pGaAlAs umgeben. Das durch den Laser erzeugte Licht wird nur im Bereich 8 erzeugt. Jedoch kann es sich frei durch die Bereiche 9 und 10 ausbreiten, so daß der Bereich, in dem Licht sich ausbreiten kann, vergleichsweise dick ist gegenüber einem Laser mit Doppel-Hetero-Aufbau. Ebenso

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kann der Minimalstrom, bei dem Laserbetrieb aufrechterhalten werden kann, im Vergleich zu einem Laser mit Doppel-Heteroaufbau herabgesetzt werden. Die optische oder Licht-Begrenzung erfolgt an der Grenze zwischen den Bereichen 9 und 4 bzw. 10 und 2.

Ein weiterer manchmal verwendeter Laser ist der Laser mit verteilter Rückkopplung (vgl. M. Nakamura et al, GaAs-Ga_1-35Al-As double hetrostructure distributed feedback lasers, Appln. Phys. Lett. 25 (1974), S. 487). Bei einem derartigen Laser ist eine Wellung oder Rippung 11 in der Schicht 3 gebildet, die den aktiven Bereich enthält. Diese Rippung 11 hat üblicherweise eine Tiefe von 800 bis 900 S und eine Schrittweite oder Periode von 1100 bis 3300 8. Sie soll als Beugungsgitter wirken. Nachdem die aktive Schicht 3 gewachsen ist, wird die Rippung Il gebildet durch:

1. Beschichten des aktiven Bereichs mit einem Photoresist,

2. Belichten des Photoresists mit einem durch Laser erzeugten Holographie-Muster,

3. Entfernen des belichteten Photoresists, und

4. Ionenstrahl-Bearbeitung oder -Zerstäubung, um Werkstoff aus dem aktiven Bereich dort zu entfernen, wo der Photoresist belichtet wurde.

Nach Durchführung dieses Verfahrens und Entfernen des verbliebenen Photoresists werden die Schichten 2 und 3 in üblicher Weise zur Vervollständigung des Laser-Aufbaus aufgebracht oder niedergeschlagen.

Herkömmliche GaAs-Laser haben einen Fabry-Perot- ^09809/0997

Resonator, der auf etwa die zweitausendste Schwebung abgestimmt ist. Da das Emissionsspektrum von GaAs etwa 500 S breit ist, bedeutet das, daß das Ausgangssignal eines herkömmlichen GaAs-Lasers verschiedene Strahlungswellenlängen enthalten kann. Durch Hinzufügen des periodischen Aufbaus auf dem aktiven Bereich werden alle Interferenzen bis auf eine im Fabry-Perot-Resonator unterdrückt, d.h. es wird ein Ausgangssignal mit nur einer Wellenlänge erhalten und nur ein Longitudinal-Laser-Mode zugelassen. Darüber hinaus erstreckt sich dieser rost- oder gitterförmige Aufbau über die gesamte Breite des aktiven Bereichs und ruft eine Einphasenbeziehung an der sich in den Fabry-Perot-Resonator ausbreitende Wellenfront hervor. Das zwingt den Laser, einen einzigen Transversalmode abzugeben, d.h. dieser Aufbau trägt zum Unterdrücken einer Fadenbildung im aktiven Bereich bei.

Der Aufbau mit verteilter Rückkopplung kann mit dem Laser mit doppeltem Doppel-Heteroaufbau kombiniert werden. In diesem Fall hat jedoch nicht der aktive Bereich selbst den periodischen Aufbau sondern die Fläche einer der dem aktiven Bereich unmittelbar benachbarten Bereiche, d.h. z.B. die (Ober-)fläche des Bereichs 9 in Fig. 4.

Alle diese an sich bekannten Vorrichtungen können bei der Erfindung verwendet werden.

In den Fig. β und 7 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es besteht aus einem einzigen GaAs-Stück oder einer einzigen GaAs-Scheibe 12, das die anhand Fig. 1 erläuterten Bereiche oder Schichten 1 bis 5 aufweist. Die GaAs-Scheibe 12 ist durch eine

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Vertiefung oder Nut 13 so geschlitzt, daß zwei elektrisch voneinander getrennte Gruppen der Bereiche oder Schichten 1 bis 4 entstehen. Die eine Hälfte 14 der GaAs-Scheibe wirkt als Photodiode und die andere Hälfte 15 wirkt als Laser-Oszillator. Der Laser ist optisch mit der Photodiode über ein Paar rechtwinklig zueinander angeordneter Reflektorflächen 16 und I7 gekoppelt.

Die GaAs-Scheibe 12 oder das Chip ist auf einem Stück 18 aus Diamant vom Typ 2A befestigt, das seinerseits auf einer Kupfer-Wärmesenke befestigt ist. Die Oberfläche des Diamants vom Typ 2A ist metallisiert mit einer Schicht I9 aus Indium, die auf Gold niedergeschlagen ist, das auf Chrom niedergeschlagen ist. Diese Metallisierungs-Schicht weist einen Spalt auf, der mit der Nut 13 in der GaAs-Scheibe 12 korrespondiert. Die Bodenschicht oder die untere Schicht des GaAs-Laser-Oszillators ist mit einer Schicht 20 aus Gold auf Platin auf Titan metallisiert. Der Boden der Nut 13 ist jedoch nicht metallisiert. Die obere Fläche der GaAs-Scheibe 12 ist mit einer Schicht 21 aus einer Germanium-Gold-Legierung metallisiert. Ein elektrischer Anschluß an die GaAs-Scheibe 12 erfolgt über drei Elektroden, deren erste die Laser-Ansteuerelektrode 22, deren zweite die Detektor-Vorspannungs-Elektrode 23 und deren dritte eine Erd- oder Masse-Elektrode 24 ist.

Die Reflektorflächen 16 und 17 sind als rechtwinklige V-Nut in einen Metallblock 26 gebildet, was sich deutlich aus Fig. 7 ergibt. Eine derartige Reflektor-Ausbildung beseitigt Ausrichtschwierigkeiten. Eine Bewegung oes Blocks 26 in der Zeichenebene der Fig. 7 beeinflußt nämlich die optische Ausrichtung nicht.

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Der Laser-Abschnitt oder Bereich der GaAs-Scheibe kann streifenförmig wie in Pig. 7 dargestellt ausgebildet sein mit einem Streifen 27. Im Laser-Bereich des Teils der GaAs-Scheibe 12 erzeugtes Licht breitet sich in beiden Richtungen 28 bzw. 29 im Streifen 27 aus. Das Licht-Ausgangssignal in der Richtung 29 kann mit einem dielektrischen Lichtwellenleiter gekoppelt sein und zur Informationsübertragung verwendet werden. Das Licht-Ausgangssignal in der Richtung 28 wird durch den Metallblock 26 zweimal reflektiert und fällt auf den Photodiodenabschnitt oder Teil 14 der GaAs-Scheibe 12 ein.

Wie sich aus der Beschreibung ergibt, kann ein Laser/ Detektor, der aus einem einzigen GaAs-Chip gebildet ist, mittels einfacher üblicher Technik hergestellt werden, wobei optisches oder Lichtkoppeln des Lasers in den Detektor sehr geringe Ausricht-Probleme bietet.

Wenn auch der kombinierte Aufbau zu einem solchen Betrieb vorgesehen ist, bei dem das Photodioden-Ausgangssignal zum Steuern des Laser-Ausgangssignals verwendet wird, so bildet die Schaltungsanordnung, die das bewirkt, nicht einen Teil der Erfindung. Eine übliche Schaltungsanordnung kann dazu verwendet werden und wird nicht näher erläutert.

Bei dem anhand der Fig. 6 und 7 erläuterten Ausführungsbeispiele ist die GaAs-Scheibe 12 mit der p-Seite nach unten auf einem metallisierten Diamanten vom Typ 2A befestigt. Die Metallisierung ist so unterteilt, daß voneinander unabhängige elektrische Kontakte mit dem Laser-Teil und dem Detektor-Teil der Vorrichtung hergestellt

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werden können. Es reicht aus, daß der n-seitige Kontakt auf Erdpotential liegt, wegen der Verwendung von Diamant als Zwischen-Wärmesenke wegen dessen elektrischer Isoliereigenschaften.

Für Laser anderen Aufbaus, wie Lasern mit verdecktem Mesa-Aufbau oder mit doppeltem Doppel-Heteroaufbau, bei denen eine Wärmesenke nicht notwendig ist, wegen der geringen zugeführten Betriebsströme, kann der Laser-Detektor sehr einfach mit der η-Seite nach unten direkt auf eine Kupfer-Wärmesenke aufgeklebt oder sonst wie befestigt werden. Der Kanal oder die Nut 13 kann durch chemisches Ätzen oder durch Hochfrequenz-Zerstäuben unter Verwendung einer geeigneten Maske gebildet werden. In gleicher Weise kann ein Protonen- oder Säuerstoffionen-Beschuß zum elektrischen Isolieren der beiden Teile verwendet werden. Bei Verwendung dieser Technik entsteht keine Nut im räumlichen Sinne im GaAs-Laser, sondern es wird ein Bereich mit einem elektrischen Isolierstoff gebildet. Die beim Laser verwendete Streifenform kann durch Oxid-Isolierung, durch Trennung mittels Protonen-Beschüß, durch lokalisierte Zinkdiffusion oder durch Sauerstoffionenimplantation gebildet werden.

Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Fig. 8 und 9 näher erläutert. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind der Laser-Teil und der Detektor-Teil in Längsrichtung gekoppelt. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 6 und 7 ist die Nut IJ parallel zur Lichtausbreitungsrichtung im Laser gebildet. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 8 und 9 ist eine Nut 30 senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung im Laser gebildet. Bei diesem Aufbau

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sind daher keine Kopplungsspiegel notwendig. Außer der Abwesenheit der Spiegel bzw. Reflektoren und der Verwendung einer senkrechten Nut 30 ist der Aufbau des Ausführungsbeispiels gemäß Pig. 8 und 9 im wesentlichen gleich dem gemäß Fig. β und 7, weshalb gleiche Bauelemente gleiche Bezugszeichen besitzen. Beim Ausführungsbeispiel erzeugt der Laser ebenfalls zwei Licht-Ausgangssignale 31 und 32. Das Licht-Ausgangssignal 31 kann ebenfalls in einen dielektrischen Lichtwellenleiter eingekoppelt werden. Das Licht-Ausgangssignal 32 wird direkt in den Detektor-Teil 15 der GaAs-Scheibe 12 (Chip) geführt, weshalb auch bei diesem Ausführungsbeispiel keine Ausrichtprobleme bestehen, da Detektor und Laser simultan auf dem gleichen Chip gebildet sind. Bei der Herstellung eines Aufbaus gemäß den Fig. 8 und 9 %cstent jedoch die Schwierigkeit, daß die Endfläche 33 Czwisehen Nut 30 und Laser-Teil 15) flach und senkrecht zur Verbindungsebene sein muS. Aus diesem Grund kann zur Bildung der Nut 30 herkömmliches chemisches Ätzen nicht verwendet werden. Über eine verwendbare Technik wurde bereits berichtet (vgl. Suematzu et al bei der Halbleiter-Laser-Konferenz, Atlanta, USA, November 1974). Bei dieser Technik werden die Ränder der Nut durch zwei GaAs-Stäbe 34, 35 (vgl. Fig. 10) maskiert und wird die Nut durch Hochfrequenz-Zerstäubung (englisch:RF back sputtering) in Argonatmosphäre gebildet. Die GaAs-Masken haben eine (110)-Teilung an den Rändern der Masken, so daß der kristallographisehe Aufbau an den Rändern der Maske identisch mit dem kristallographischen Aufbau an der Endfläche 36 des GaAs-Lasers ist. Bei Verwendung dieser Technik ist anzunehmen, daß die Endflächen 33 des Lasers ausreichend flach und senkrecht zur Verbindungsebene ist, um einen laserstrahlenabgebender Betrieb zu ermöglichen.

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Ein weiteres Ausfuhrungsbexspiel ist in Pig. Il dargestellt, bei dem die Notwendigkeit einer genauen flachen und senkrechten Laser-Endfläche im Unterteilungsbereich zwischen dem Laser-Teil 15 und dem Detektor-Teil 14 vermieden ist und das einen Aufbau mit verteilter Rückkopplung, wie anhand Fig. 5 erläutert verwendet. Der Gitter- oder Rostaufbau ist schematisch mit 37 bezeichnet. In der Praxis wird der Laser über eine Längsausdehnung gepumpt, die größer ist als die Längsausdehnung, in der das Beugungsgitter gebildet ist, so daß der Resonator durchlässig wird. Die Längsausdehnung des Gitters gegenüber der gesamten Pump-Längsausdehnung kann so berechnet werden, daß sich die benötigte Vorwärtsleistung in das System und die benötigte Rückwärtsleistung zum Detektor ergibt.

Der Laser-Teil 15 und der Detektor-Teil 14 der Vorrichtung können in diesem Fall entweder durch einen chemisch geätzten Kanal voneinander isoliert werden, oder die Vorrichtung kann auch durch einen durch Sauerstoffionen- oder Protonen-Beschüß erzeugten Isolierbereich 38 isoliert werden. Wegen der die aktive Schicht umgebenden passiven GaAlAs-Schichten kann die Rückwärtsleistung vom Laser-Teil 15 wirksam in den Detektor-Teil 14 geführt werden. Auch hier sind gleiche Bezugszeichen wie in den Fig. 8 und 9 verwendet. Abgesehen vom Aufbau mit verteilter Rückkopplung ist die Vorrichtung gemäß Fig.11 identisch mit der Vorrichtung nach Fig. 8.

Soweit Vorrichtungen mit geradem Doppel-Heteroaufbau betrachtet werden, zeigt die Kombination oder Integration eines Photodetektors mit einem Laseroszillator nur geringe Grenzen für den Dotierungspegel und die Dicken der verschiedenen Epitaxialschichten«, Die in der

Tabelle 1 aufgeführten Werte können verwendet werden. Notwendig ist lediglich, daß der Raumladungsbereich des Photodetektors sich über den aktiven Bereich erstreckt, und daß der Absorptionskoeffizient des Laser-Lichts im ungepumpten Material hoch genug ist, um Absorption des einfallenden Lichts zu erreichen. Die erste Bedingung ist leicht erfüllbar, da die Raumladungsbreite bei einer Dotierung mit 4 · 10 ' cm~^ 0,3 /um bei -14 V beträgt. Zur Minimisierung des Spannungsabfalls im η - GaAlAs sollte sein Dotierpegel etwas größer als der der aktiven Schicht sein. Auch die zweite Bedingung ist leicht erfüllbar, da sich aus Untersuchungen über lokalisierte Dunkellinien-Verluste (vgl. z.B. B.W. Hakki, T.L. Paoli, CW. Degradation at 300 K of GaAs double-heterostruetüre junction lasers, II. Electronic Gain, Journal of Appl. Phys. 44 (1973), S. 4113) ergibt, daß typische Absorptionskoeffizienten ungepumpter Bereiche eines aktiven Lasers mit Doppel-Heteroaufbau 100 - 200 cms" betragen. Polglich wird einfallende Strahlung über einen Längenbereich von mehreren 100 /um absorbiert, was ein sehr bequem verwendbarer Längenbereich ist.

Bei Aufbauten mit Kopplung in Längsrichtung kann Protonen- oder Sauerstoffionen-Beschuß verwendet werden zur Begrenzung der Ausdehnung der Fläche des rückwärts vorgespannten Detektorelements und folglich des Einflusses von Leckströmen auf die Nachweisbarkeit. Rand-Leckeffekte können auf ähnliche Weise beseitigt werden.

Claims

Anspr-üche

ί IJ Halbleiter-Lichtquelle mit einem Halbleiter-Laser und einem Halbleiter-Lichtdetektor,

dadurch gekennzeichnet.,

daß Halbleiter-Laser und Halbleiter-Lichtdetektor auf einer einzigen Scheibe eines Halbleiterwerkstoffs ausgebildet sind,

daß der Halbleiter-Laser (15) aufweist einen ersten Licht-Austritt (28), einen zweiten Licht-Austritt (29) und einen Resonator (16, 17, 26), die so angeordnet sind, daß im Betrieb Licht simultan durch den ersten Lichtaustritt (28) und den zweiten Lichtaustritt (29) abstrahlt, und

daß ein Koppler (l6, YJ , 26) ein Lieht-Ausgangssignal des ersten Lichtaustritts (28) in den Halbleiter-Detektor Cl4) koppelt.
2. Halbleiter-Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter-Scheibe (12) mehrere Halbleiterschichten (1, 2, 3, 4, 5j 6, 7ί 8, 9, 10) aufweist, deren jede chemisch von benachbarten Schichten getrennt ist, und daß die mehreaen Schichten dem Halbleiter-Laser (15) und dem Licht-Detektor (14) gemeinsam sind.
3. Halbleiter-Lichtquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Halbleiter-Scheibe übereinander jeweils aufeinander angeordnet sind

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ein Substrat aus n- GaAs,
eine Schicht aus n- GaAlAs,
eine erste Schicht aus p- GaAlAs, eine zweite Schicht aus P- GaAlAs, eine Schicht aus p- GaAs.
4. Halbleiter-Lichtquelle nach Anspruch 3* dadurch ge kennzeichnet, daß das n- GaAs als Dotierstoff Si enthält, daß das n- GaAlAs mit Sn dotiertes Al_n -^Ga_n „As

V J ^j (

enthält, daß die erste Schicht aus p-GaAlAs mit Si dotiertes Al_n ^r-Ga_{n or}As enthält, daß die zweite Schicht aus p- GaAlAs mit Ge dotiertes Al_n -^Ga_{n v}As enthält, und daß die Schicht aus p- GaAs als Dotierstoff Ge enthält.
5. Halbleiter-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtdetektor Ί4) und der Laser (15) parallele Lichtwege haben, die in Querrichtung voneinander beabstandet sind, und daß der Koppler ein Paar reflektierender Flächen (16, 17) enthält, die rechtwinklig zueinander sind.
6. Halbleiter-Lichtquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (15) streifenförmigen Aufbau besitzt (Fig. 7, Fig. 2).
7. Halbleiter-Lichtquelle nach Anspruch 5 oder 6 und Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus p- GaAs auf einer Diamant-Wärmesenke (18) befestigt ist.

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8. Halbleiter-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (15) und der Lichtdetektor (l4) durch eine Nut (13) in der Halbleiter-Scheibe (12) voneinander getrennt sind, die im wesentlichen parallel zu den optischen Wegen ist (Fig. 6, 7).
9. Halbleiter-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (15) und der Lichtdetektor (14) elektrisch voneinander getrennt sind durch einen Bereich aus elektrischem Isolierstoff, der in der Halbleiter-Scheibe (12) gebildet ist und im wesentlichen parallel zu den optischen Wegen liegt.
10. Halbleiter-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Lichtdetektor (i4) und Laser (15) colineare optische Wege besitzen (Fig. 9, Pig. H).
11. Halbleiter-Lichtquelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser '15) und der Lichtdetektor (lh) elektrisch voneinander getrennt sind durch eine lichtdurchlässige Nut (30) in der Halbleiter-Scheibe (12), die quer zu den optischen Wegen ist, wobei die Nut (JO) den Koppler bildet (Fig. 8, Fig. 9).
12. Halbleiter-Lichtquelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (15) ein Laser-Oszillator mit verteilter Rückkopplung ist, der einen auf einen Teil der Grenzfläche zwischen erster Schicht aus ρ - GaAlAs und zweiter Schicht aus P- GaAlAs aufgebrach-

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ten Gitteraufbau (11) besitzt (Fig. 5, Fig. 11).
13. Halbleiter-Lichtquelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (15) und der Lichtdetektor (Ί4) elektrisch voneinander getrennt sind durch einen Bereich aus lichtdurchlässigem elektrisch isolierendem Werkstoff (38), der in der Halbleiter-Scheibe quer zum Lichtweg gebildet ist, wobei der lichtdurchlässige, elektrisch isolierende Werkstoff den Koppler bildet (Fig. 11).
14. Halbleiter-Lichtquelle nach einem der Ansprüche bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (5) ohne Zwischenschicht aus elektrischem Isolierstoff auf einer metallischen Wärmesenke befestigt ist.
15. Halbleiter-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Halbleiterschichten (1, 2, 3, 4, 5), die in der Tabelle 1 wiedergegebenen Kennwerte im wesentlichen erfüllen.

Tabelle 1

Schicht Dotier
stoff Dotierung Art Dicke Zusammen
setzung 1
2
3
4
5 Ge
Ge
Si
Sn
Si 2-10¹⁸ cm"³
8-10¹⁷ cm"³
4-10¹⁷ cm"³
4-1O¹⁷ cm"³
ΙΊΟ¹⁸ cm"³ P
P
P
N
N 1 /um
1 /um
0,3 /um
1 ,um
100 ,u_m GaAs
^A1O,3^GaO,7^As
^A1O,O5^GaO,95^As
^A10,3^GaO,7^As
GaAs

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