DE2652870A1

DE2652870A1 - Lasermatrixanordnung in planartechnik

Info

Publication number: DE2652870A1
Application number: DE19762652870
Authority: DE
Inventors: Liam David Comerford; Peter Stephen Zory
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1975-12-31
Filing date: 1976-11-20
Publication date: 1977-07-14
Also published as: FR2337448B1; CA1073997A; US4047124A; JPS5852356B2; JPS5283083A; FR2337448A1; GB1520848A

Description

bu/bm

Anmelderin: International Business Machines ;

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Keuanmeldung j

• - i

Aktenzeichen der Anmelderin: YO 974 084 j

Lasermatrixanordnung in Planartechnik

Die Erfindung betrifft eine Anordnung, wie sie dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu entnehmen ist. Bei üblicherweise elektrisch gepumpten Heteroübergangslasern wird für gewöhnlich die Abstrahlung in Richtung der übergänge ausgenutzt. In einer Anordnung mit nur einem Halbleiterlaser bestehen dabei keinerlei Probleme. Wird jedoch eine größere Anzahl von Lasern in einer Matrixanordnung unter gemeinsamem Substrat verwendet, ist die Abstrahlungsrichtung in ihrer Wahl gewissen Einschränkungen, bedingt durcl anzuwendende Herstellungsverfahren, unterworfen. Gemäß der USA-Patentschrift 3 614 661, die eine Vielzahl von einzelnen Halbleiterlasern auf einem gemeinsamen Substrat beschreibt, ist zur Lösung dieses Problems vorgesehen, daß die jeweilige Ebene der Pump- ;übergänge senkrecht zur Substratebene liegt. Dabei soll hervorgehoben werden, daß die aktiven Schichten in den Halbleiterlasern alle in unterschiedlichen Ebenen liegen und deshalb nicht in einem gemeinsamen Verfahrensschritt auf das Substrat aufgebracht werden

jkönnen.

!Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, alle übergänge Ider Laser in einer Lasermatrix auf gemeinsamem Substrat in 'einer Ebene durch Anwenden gemeinsamer Verfahrensschritte anzubrin· ■gen, so daß damit für alle Laser exakt gleiches Material vorliegt !und eine Massenfertigung rationell durchgeführt werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, wie es im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegeben ist. Die Individualisierung der Halb-

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leiterlaser auf dem Substrat durch das angewendete Ätzverfahren ergibt darüberhinaus auch die jeweils erforderliche optische Resona- ', toreigenschaft. Zur Abstrahlung senkrecht zur Matrixebene befindet
Sich im Oberflächenbereich parallel zur Übergangsfläche eine gelriffelte Fläche mit Dreiecks-Wellenzug-Profil, so daß das Licht von! jedem Laser in Richtung der Normalen abgestrahlt wird.

Weitere vorteilhafte Haßnahmen der Erfindung lassen sich den Unteransprüchen entnehmen. :

Die Erfindung wird anhand einer Ausführungsbeispielsbeschreibung ί piit Hilfe der unten aufgeführten Zeichnungen näher erläutert. ;

i Es zeigen: I

Fig. 1 eine Draufsicht auf die Lasermatrixanordnung,

wobei die Riffelung in der oberen linken Ecke
! angedeutet ist/

jFig. 1A die Kristallachsenorientierung in der Anordnung

nach Fig. 1,

[Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus der Anordnung

nach Fig. 1,

|Fig. 3 einen Querschnittsausschnitt längs der Linie 3-3

in Fig. 2,

Fig, 4 einen Querschnittsausschnitt aus der Fig. 2

längs der Linie 4-4.

Die planare Matrixanordnung gemäß Fig. 1 zeigt die hierin enthaltenen einzelnen Laser 10-1 bis 10-12, die gewissermaßen als einzel
ne Inseln auf dem gemeinsamen Substrat oder Chip aufragen.
Das Lasermaterial wird in Form der benötigten aufeinanderfolgenden
Schichtlagen auf dem Substrat niedergeschlagen, wobei die Materi-

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I alien, die Niederschlagsmethode und die Schichtlagendicken im wejsentlichen die gleichen sind als diejenigen, wie sie bei Doppeljheterostrukturlasern für Dauerbetrieb unter Raumtemperatur Anwen-

jdung finden. Die Laser sind als solche definiert und optisch sowie | !elektrisch mit Hilfe eines Nutenmusters isoliert. Dabei isolieren jnicht nur diese Nuten die einzelnen Laserinseln, sondern bedingt !durch die Wahl der Kristallorientierung, können auch die Reflek-

itionsflächen durch Ausätzen längs bevorzugter kristallographischer jAchsen in jeder Laserinsel bereitgestellt sein, so daß jeweils to-,tale innere Reflektion gewährleistet ist, um die optische Resonatorwirkung zur Laserwirkung jeweils zu gewährleisten.

Die oberen und unteren Schichtlagen der Matrixanordnung bestehen ! aus Elektroden, an die die zur Herbeiführung der Laserwirkung erforderliche Spannung, wie es beim Doppelsturkturlaser üblich ist, angelegt wird. Die elektrische Isolation der oberen Schichtlage gestattet es, daß jeder Laser einzeln erregt werden kann. Normalerweise wird beim Doppelheterostrukturlaser die Strahlung aus dem Laser in einer Richtung parallel zur Übergangsfläche ausgekoppelt. In einer planaren Matrixanordnung wie die in Fig. 1 liegen die einzelnen Schichtlagen und Halbleiterübergänge alle in Ebenen, die parallel zur Papierebene ausgerichtet sind. Aus diesem Grunde sind zusätzliche Strukturmaßnahmen erforderlich, um die Laserstrahlung aus jedem Laser in Richtung der Normalen zu diesen Ebenen aussenden zu können. Dies wird dadurch erreicht, daß ein Brechungsgitter auf die Oberfläche der abschließenden dielektrischen Schichtlage jedoch noch vor Aufbringen der oberen Elektrode angebracht wird. Dieses Brechungsgitter im oberen Oberflächenbereich und eine Austrittsöffnung im unteren Oberflächenbereich lassen die Laserstrahlung aus der planaren Matrixanordnung in Richtung der Normalen, und zwar von der Papierebene gesehen nach unten, austreten. In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, eine öffnung in der oberen Elektrode freizulassen, entweder um die Laseranordnung besser kontrollieren zu können oder um so eine Austrittsöffnung für die Laserstrahlung bereitzustellen,

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Als Ausgangsmaterial zur Herstellung der erfindungsgemäßen Anordnung dient Galliumarsenid in Form handelsüblicher Kristalle. Bei den hieraus erstellten Halbleiterscheiben ist die Kristallorientierung derart gewählt, daß die (10O)- und (Too)-Ebenen parallel zu den Hauptflächen des Halbleiterchips ausgerichtet sind, nämlich als Scheitel- und Bodenfläche. Auf ein derartiges Substrat werden nacheinander mittels Epitaxieverfahren, die Al Ga₁ As-untere-Pufferschichtlage 31, die Al Ga₁ As Aktivschichtlage 32 und die

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Al Ga., As-Pufferschichtlage 33 niedergeschlagen. Die hieraus sich ergebende Struktur entspricht im wesentlichen der eines Doppelheterostruktur-Halbleiterlasers aus AlGaAs. Ein Brechungs-,gitter 35 wird dann in Form einer Riffelung mit einem DreiecksjWellenzug-Profil in die obere Oberfläche der AlGaAs-Schichtlage 33 eingeätzt, in dem Verfahren Anwendung finden, wie sie von den Erfindern in der Zeitschrift "Applied Physics Letters' vom August 1974 beschrieben sind. Auf die Scheitelfläche dieser Schichtlage

lund an der Bodenfläche des Chips werden dann die Metallelektroden ,34 und 36 aufgebracht, an die die elektrischen Anschlüsse 34-1 jbis 34-12 und 36a (Fig. 3) angebracht sind, um die einzelnen Laser !wahlweise elektrisch pumpen zu können.

JDie Scheitelelektrode erhä-lt dann einen Maskenüberzug mit einem kuster, das die Ätzung der Nuten 11b bis 20b (Fig. 1) als b-Nuten und der Nuten 23a bis 32a als der a-Nuten gestattet. Die das Brechungsgitter 35 darstellende Riffelung besteht in vereinfachter Ausdrucksweise aus den c-Nuten. Alle vorgenannten Nutenarten stehen in vorgegebener Beziehung zu den Kristallographieebenen, so daß die fitzung längs einer Vorzugsätzrichtung erfolgt, um so exakt j angeordnete Ebenen anzubringen. Oben ist bereits festgestellt, daß \ die (100)-Ebene oben und die (TOO)-Ebene mit Bezug auf die Chip-· j orientierung unten anzutreffen sind. Die b-Nuten sind mit Bezug I auf die Kristallachsen wie in Fig. 1a orientiert, also in Richtung [010] und [OK)], so daß die sich ergebenden Ätzwandungen die Reflek tionsoberflächen für die Laserstrahlung in einem geschlossenen Weg darstellen, der durch die Kristallebenen (010), (OOT), (oTo),

(001) definiert ist. Diese Ebenen sind alle senkrecht zur

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(100)-Ebene ausgerichtet. Der in Fig. 4 gezeigte Querschnittsausschnitt läßt erkennen, daß die a-Nuten 25a und 26a schwalbenschwanz förmig unterschnitten sind. Dies stellt das Ergebnis der den (TlT)-Ebenen und (T11)-Ebenen folgenden Ätzung dar; wobei die Ätzunterschneidung ungefähr einen Winkel von 35° mit Bezug auf die Normalenrichtung der (100)-Ebene darstellt. Dank dieser Winkel wird jede Schwingung unter Ausnutzung dieser Ebenen als Reflektionsflachen unterdrückt. Sowohl die a- als auch die b-Nuten werden bis zu einer Tiefe geätzt, die mindestens die Grenzfläche zwischen Substrat 30 und Schichtlage 31 erreicht.

Wegen der Schwierigkeit, die verschiedenen Schichtlagen maßstäblich darzustellen, scheint es so, als ob die Schwalbenschwanznuten in Fig. 4 die vorhin genannten Inseln vollständig unterschneiden würden. Wird jedoch berücksichtigt, daß die Nutentiefe lediglich 2 pm beträgt, dann ergibt sich von selbst, daß das Unterschneiden einer unter 35 ° geneigten Wandung nur minimal sein kann.

Die normale Laserwirkung für einen Doppel-Heterostrukturlaser itritt in der aktiven Schichtlage 32 auf, wobei dann die AbStrahlungen einer Richtung parallel zur Schichtlagenebene erfolgt. Bei der ιAnordnung gemäß vorliegender Erfindung tritt die Laserwirkung in !der gleichen Schichtlage mit den Oberflächenbereichen 37, 38, 39,

j 40 auf, so daß dank der im rechten Winkel zueinander angeordneten !Oberflächenbereiche eine totale innere Reflektion erfolgt, die

■ ihrerseits eine Laserschwingung unter geringsten Verlusten ermöglicht. Das Brechungsgitter 35 ist dabei derart gestaltet, daß eine Brechung zweiter Ordnung ausgenutzt wird, und zwar sowohl für Rückkopplung als auch für Schmalbandwellenlängenselektion. Die Brechung erster Ordnung dient zur Abgabe eines Ausgangsstrahls 42 in Riehtu ig der Normalen zum optischen Oszillator, und zwar bei großer öffnung|, wie es aus den Fign. 3 und 4 hervorgeht. Um die Strahldämpfung zu reduzieren, werden in das Substrat 30 eine größere Anzahl von Öffnungen 43 durch die gemeinsame Elektrode 36 hindurch bis zur Freilegungstiefe der Schichtlage 31 eingeätzt. Dabei halten selektive ÄtzVerfahrensgänge durch unterschiedliches Ansprechen auf Substrat und_jGaAlA^"^Schichtlag_e_deiL Ätzvpr^ang^an der Grenzf:läche_

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Als typisches Beispiel für eine Struktur gemäß der Erfindung ergeben sich folgende Parameter:

Dicke des Substrats 30: ^100 pm

Dicke der unteren Pufferschichtlage 31: 1 um

Dicke der aktiven Laserschicht 32: 0,2 pm

Dicke der oberen Pufferschichtlage 33: 0,3 um

Riffelungsperiode des Brechungsgitters: 0,25 pm

Riffelungstiefe: 0,15 um

Breite der b-Nuten: 25 pm

Tiefe der b-Nuten im dielektrischen

Material: 2 pm

Breite der a-Nuten an der Oberfläche : 25 pn Wirksame Länge des in sich geschlossenen Laserpfades in einer Laserinsel:500 bis 1000 pm

Eine Anordnung mit den durch diese Tabelle charakterisierten Werte stellt lediglich ein typisches Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Andere Kombinationen von Parametern und räumlichen Gestaltungen lassen sich ebenfalls anwenden einschließlich der BiI-idung einer Fresnel - oder Holographielinse auf der Oberfläche jder die Ausgangsstrahlung abgebenden Schichtlage, um die Strahlung: in den wirksamsten Ausgangspfad lenken zu können. Die untere Fläche der unteren Pufferschichtlage läßt sich nach Freilegen durch JÄtzen eines Loches durch das Substrat hindurch elektrisch oxidieren, jum eine Antireflexionsschicht 44 auf die Strahlaustrittsoberfläche aufzubringen. Die Einfügung einer Fadenlinse 45 im Ausgangsschlitz (Fig. 4) kann dazu dienen, eine Licht-Streuung der Abstrahlung aufgrund sich bildender "Leuchtfäden" einzuschränken.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Halbleiterlasermatrixanordnung dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Halbleitersubstrat Halbleiterschichtlagen aufgebracht sind, die als Pufferschichtlagen eine als

j aktives Lasermedium dienende Schichtlage mit Übergang einschließen,

; daß zu beiden Seiten der Halbleiterstruktur parallel zu den Schichtlagen je eine Elektrode niedergeschlagen

wird, ^!

! daß in die Schichtlagenoberfläche Nuten mindestens bis j zur unteren Pufferschichtlage derart eingebracht sind, i daß eine erste Nutenschar mit einem der vorgesehenen j

Dioden-Laserlänge entsprechenden Abstand angeordnet ! ist, wozu in einem Winkel von 90° liegend eine zweite | ι Nutenschar gleichen Abstandes eingebracht ist und im Winkel von 45° hierzu zu beiden Seiten der hierbei gebildeten Eckpunkte eine dritte und vierte Nutenschar eingebracht ist, so daß in durch die erste und zweite Nutenschar gebildeten Quadraten jeweils sechseckige Inseln, gebildet aus den Schichtlagen, vorliegen, die als Diodenlaser mit innerer Totalreflektipn betreibbar sind,

und daß ein Brechungsgitter in Form einer als Riffelung mit Dreiecks-Wellenzugs-Profil ausgebildeten Schichtlage oberhalb der als Lasermedium dienenden Schichtlage vorgesehen ist, so daß die Abstrahlung der Diodenlaser senkrecht zur Schichtlagenebene erfolgt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitermaterialien aus Al_xGa₁^_xAs bestehen, worin χ für jede Schichtlage optimal gewählt ist..
3. Anordnung nach Anspruch 1_f dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtlagen und die Übergänge in den Diodenlasern parallel zur (100)-Kristallographieebene liegen.

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4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Diodenlaserinsel mit einem besonderen Elektrodenanschluß ausgestattet ist.
5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten bis in die (100)-Kristalloberfläche des Halbleitersubstrats reichen.
6. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Diodenlaserinseln durch den dritten

! und vierten Nutensatz mit den (ITT) und den (Ti 1)-Kristallebenen begrenzt sind.
7. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten des ersten und zweiten Nutensatzes

ι Diodenlasergrenzflachen mit den Kristallebenen (010),

; (OOT), (oTo), (001) zur totalen inneren Reflektion bilden.
8. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die im Brechungsgitter enthaltenen
V-förmigen Nuten durch die (11T) und 1T1)-Ebenen gebildet sind.

Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Liehtabstrahlung in das Substrat unterhalb der Diodenlaser in ihrer Form den Diodenlasern angepasste, insbesondere in ihrer Längsrichtung Lichtleiter kreisförmigen Querschnitts enthaltende, Öffnungen zur Laseif· abstrahlung angebracht sind.

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