DE2701102B2

DE2701102B2 - Halbleiter-Injektionslaser

Info

Publication number: DE2701102B2
Application number: DE2701102A
Authority: DE
Inventors: Naoki Kokubunji Chinone; Toshihiro Hachioji Kawano; Hisao Tokorozawa Saitama Nakashima
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1976-01-12
Filing date: 1977-01-12
Publication date: 1979-04-05
Also published as: US4121179A; NL7700283A; GB1526631A; JPS5286093A; DE2701102A1; DE2701102C3

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiter-Injektionslaser nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie er aus der deutschen Offenlegungsschrift 21 37 892, insbesondere deren Fig.8 und 9, bekannt ist. Bei dem bekannten Aufbau hat der Vorsprung der an die laseraktive Schicht angrenzenden, eine streifenförmige Mesa-Struktur aufweisenden Schicht eine Breite, die in der Größenordnung Mikrometer liegt. Da, wie der Offenlegungsschrift zu entnehmen, die stromführenden Teile des Halbleitermaterials sich auf den Mesa-Vorsprung beschränken, ist der Dicke der an den Mesateil seitlich anschließenden Seitenteile der an die laseraktive Schicht angrenzenden Schicht keine Beachtung geschenkt.

Der Erfindung licgi die Aufgabe zugrunde, den Halbleiter-Injektionslaser des bekannten Typs derart auszubilden, daß ein geringerer Schwellenstrom und eine gute Unterdrückung unerwünschter Schwingungsmoden höherer Ordnung erreicht werden. Die Lösung dieser Aufgabe ist im kennzeichnendem Teil des Patentanspruchs 1 angegeben. Es ist nämlich herausgefunden worden, daß sich die gewünschten Eigenschaften (geringer Schwellenstrom und Unterdrückung unerwünschter Schwingungsmoden höherer ίο Ordnung) überraschenderweise in dem Dickenbereich der genannten Seitenteile zwischen 0,8 und 1,5 μπι ergeben.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht des Aufbaus eines Halbleiter-Injektionslasers,

Fig.2 in einem Diagramm den Zusammenhang zwischen der Dicke tfrder Seitenteile der Mesa-förmigen Schicht und der Schwellenstromdichte bei dem Aufbau nach F i g. 1, und

F i g. 3 bis 6 Diagramme der Nahfeldverteilungen in denjenigen Fällen, daß die Dicke dr der genannten Seitenteile 0,8 μπι, 1,5 μπι, 0,6 μπι bzw. 0,7 μπι beträgt

In F i g. 1 bezeichnet die Zahl 1 eine n-seitige Elektrode, die Zahl 2 ein n-GaAs-Substrat, die Zahl 3 eine Sn-dotierte n-Gai -,AUAs-Schicht (0,2 <: x< 0,6), die Zahl 4 eine laseraktive GaAs-Schicht, die Zahl! eine Ge-dotierte p-Gai__xAl,As-Schicht; die Zahl 6 eine Ge-dotierte p-GaAs-Schicht die Zahl 7 einen Strominjektionsbereich, die Zahl 8 einen SiOrFiIm, die Zahl 9 eine p-seitige Elektrode, die Zahl 10 eine geätzte Oberfläche der p-Ga^ALAs-Schicht 5 (0,2 <, χ £ 0,6) und die Zahl 11 eine Reflexionsoberfläche. Ein derartiger Aufbau kann durch bekannte Halbleiter-Herstellungsverfahren hergestellt werden. Zum Beispiel können die Schichten 3,4,5 und 6 durch kontinuierliches to Flüssigphasen-Epitaxialwachstum auf dem n-GaAs-Substrat 2 gebildet werden. Danach werden beide Seiten des streifenförmigen Strominjektionsbereichs 7 vorzugsweise so weit abgeätzt, daß die laseraktive Schicht 4 nicht erreicht wird und die p-Gai-,AUAs-Schicht 5 abgeflacht wird. Im folgenden soll drdie Dicke der Seitenteile der p-Ga_t-»AUAs-Schicht 5 bezeichnen, d.h. mit anderen Worten, die Dicke zwischen der laseraktiven Schicht 4 und der Oberfläche 10 des bevorzugt abgeätzten Teils. Die Änderung der Schwellenstromdichte in Abhängigkeit von der Dicke dr wurde für eine Streifenbreite von 20 μπι gemessen; das Ergebnis ist in Fig. 2 dargestellt. Die Abhängigkeit der Schwellenstromdichte von der Dicke dr ändert sich mit der Streifenbreite. Für Dicken dr gleich oder größer als 1,5 μπι nimmt die Schwellenstromdichte jedoch unabhängig von der Streifenbreite rasch zu, da der Strom sich über beide Seiten des Streifenteils verteilt. Die Schwellenstromdichte wird in diesem Fall größer, da die Streifenbreite, verglichen mit einem identischen Wert der Dicke «//relativ schmäler wird. Die in die laseraktive Schicht 4 injizierten Ladungsträger breiten sich innerhalb der lageraktiven Schicht auf beide Seiten des Streifenteils aus.

Andererseits nimmt die Schwellenstromdichte auch dann rasch zu, wenn die Dicke dr gleich oder kleiner 0,8 μπι ist Die Zunahmetendenz der Schwellenstromdichte ist insbesondere dann auffällig, wenn die Sireifenbreite gering ist. Die Gründe hierfür liegen in

der Zunahme der lichtverluste infolge des untenstehend näher erläuterten Prozesses. Sofern die Streifenbreite klein ist, dringt das Laserlicht durch den Streifenteil nach außen. Wenn die Dicke dr groß ist, werden beide Seiten aufgrund des Stromausbreitungseffekts ebenfalls erregt und die Durchdringungsverluste des Laserlichts sind niedrig. Ist die Dicke dr im Gegensatz hierzu klein, so liegt ein Bereich mit geringem Brechungsindex (üblicherweise der Oxidfilm 8) extrem nahe an der laserkativen Schicht 4, womit das auf beiden Seiten des Streifenteils 7 durchdringende Licht in Wellenleitern mit asymmetrischen Brechungsindizes auftritt und weitgehend zum GaAs-Substrat 2 durchdringt Der Absorptionskoeffizient des GaAs-Substrats 2 ist sehr groß (2 χ 10⁴Cm-¹), so daß die Verluste selbst dann sehr stark und nicht mehr vernachlässigbar ansteigen, wenn das licht nur geringfügig durchtritt Ist die Streifenbreite groß, so bleibt der Durchtritt des Lichts zu jedem anderen Teil als dem Streifenteil relativ klein, womit auch die obenstehend erläuterten Verluste nur sehr schwer auftreten bzw. ansteigen können.

Die Nahfeldverteilung (Schwingungstyp-Verteilung auf der reflektierenden Oberfläche des Laser-Schwingraums) des Halbleiter-Injektionslasers mit der obenstehend erläuterten Streifen-Mesastruktur ist in F i g. 3 für dr= 0,8 μπι und in F i g. 4 für dr= 1,5 μπι dargestellt Wie die Figuren zeigen, wird in beiden Fällen ein Einzelmode erreicht Für dr=0,7 um und dr =0,6 μΐη, wie es in den Fig.5 bzw. 6 dargestellt ist treten jedoch scharfe Lichtintensitätsspitzen auf; es werden Moden höherer Ordnung erzeugt und es erfolgt ein Multimode-Betrieb, wobei in jedem Fall der Betriebsstrom des Lasers 120 tnA beträgt Die Gründe hierfür sind folgende: Die Stromausbreitung ist gering; die Ladungsträgerverteilung innerhalb der aktiven Schicht wird nahezu rechteckförmig; die Verstärkung der Moden höherer Ordnung wird grcß und die Verstärkungsdifferenzen zwischen den Moden werden Null.

Um den Halbleiterlaser bei niedrigem Strom betreiben zu können bzw. um die Modencharakteristik zu stabilisieren, wird die Streifenbreite bevorzugt höchstens 20 μπι breit gemacht Wie F i g. 2 zeigt, wird die Zunahme der Schwellenstromdichte minimal, wenn die Dicke dr zwischen 0,8 μπι und 1,5 μπι liegt Liegt die Streifenbreite z. B. bei 20 μπι, so kann die Schwellenstromdichte auf etwa das l,8fache verglichen mit einem Halbleiterlaser mit breiten Elektroden verringert werden. Wie bereits erwähnt treten bei Laserlicht, das in andere Teile als zum Streifenteil durchgedrungen ist, beträchtliche Verluste auf, so daß Schwingungen mit dem Mode niedrigster Ordnung leicht erreicht werden.

Im folgenden soll das Herstellungsverfahren der Mesa-Streifenstruktur des Halbleiter-Injektionslasers gemäß F i g. 1 erläutert werden.

Durch kontinuierliches Flüssigphasen-Epitaxialaufwachsen kann auf dem n-GaAs-Substrat 2 der Reihe nach die Sn-dotierte n-Gai-jAUAs-Schicht 3 (mit z. B. x=3), die nicht dotierte laseraktive GaAs-Schicht 4, die Ge-dotierte p-Gai __zAl_xAs-Schicht 5 und die Ge-dotierte p-GaAs-Schicht 6 gebildet werden.

Für den Teil des Strominjektionsbereichs wird auf der Oberfläche der p-GaAs-Schicht 6 mittels eines Fotoabdeckverfahrens ein SiOrFiIm in Form eines Streifens durch chemische Aufdampfung aufgebracht Der SiOr Film dient als Maske, mit deren Hilfe die beiden äußeren Seiten des Strominjektionsbereichs durch ein chemisches Ätzverfahren bis auf eine vorbestimmte Tiefe abgetragen wird, bzw. mit deren Hilfe die p-Gai-jAljAs-Schicht 5 bis auf eine vorbestimmte Dicke abgeflacht wird. Als Ätzmittel hierfür sind geeignet HF, HCl, H₂SOt, H3PO4 oder dergleichen bzw. Mischungen mit diesen Säuren. Wird beispielsweise ein Ätzmittel benutzt das H₃PO₄, H₂O₂ und CH₃OH im Verhältnis 1:1:3 enthält, wird eine vergleichsweise flach geätzte Fläche erhalten. Danach wird der streifenförmige SiOi-FUm entfernt Mit Hilfe eines Fotoabdeckverfahrens wird der SiO₂-FUm 8 erneut mit Ausnahme auf den Strominjektionsbereich aufgebracht und dann wird der Metallkontakt 9 auf die gesamte Oberfläche des Kristalls aufgedampft Schließlich wird das Substrat 2 von der Rückseite her bis auf eine Dicke von etwa 100 μπι chemisch abgeätzt und es wird der substratseitige Metallkontakt 1 auf die Rückseite des verbliebenden Substrats aufgedampft Danach wird durch Spalten die reflektierende Fläche 11 hergestellt und die verbliebene Struktur wird durch Anritzen in Einzelelemente zerteilt

Nach den obigen Angaben werden Laser mit guten Eigenschaften erzielt die Laser, welche lediglich eine zu einem Streifen geformte Elektrode aufweisen, bzw. deren Mesastreifen bis in die laseraktive Schicht eingeätzt ist nicht erreichen. Der Betrieb mit niedrigem Strom un die Laserstrahlung im Grundmode wird dadurch möglich, daß der Abstand dr von der laseraktiven Schicht zur Oberfläche der bevorzugt abgätzten Teile zu beiden Seiten des mesaartigen Strominjektionsbereichs in der Größenordnung von 0,8 μπι bis 1,5 μπι beträgt Bei Ausführungsformen mit einer Streifenbreite von 20 μίτι konnten bei guter Ausbeute Elemente hergestellt werden, deren Schwellenstrom für die Laserstrahlung im Grundmode bei höchstens 80 mA lag. Der Schwellenstrom eines Elements, dessen Dicke dr 2 μπι war, lag in diesem Fall bei 140 mA.

Bei der vorstehend erläuterten Ausführungsform wurde, was die Materialien betrifft eine doppelte HeteroStruktur benutzt bei der die laseraktive Schicht aus GaAs und sowohl die Streifen-Mesaschicht als auch die Schichten, die die laseraktive Schicht auf gegenüberliegenden Seiten zwischen sich halten, aus Gai -^Al₁As (mit 0<λ·<1) bestehen. Gleichermaßen kann jedoch auch eine doppelte HeteroStruktur benutzt werden, bei der die laseraktive Schicht aus Gai-JrAl_xAs und die beiden Schichten oberhalb und unterhalb der laseraktiven Schicht aus Gai-jAiyAs und Gai__zAI_zAs (mit 0<x<l, 0<y<l, 0<z<l und x<ygz) bestehen. Gleichermaßen verwendbar ist eine Einzel-Heterostruktur, bei der die laseraktive Schicht aus GaAs und die beiden oberen bzw. unteren Schichten aus Gai -jAUAs (0 < x< 1) und GaAs bestehen.

Obwohl vorstehend als Beispiel Meterostrukturen mit GaAs-Gai_*AUAs oder Gai _jALAs-Gai __xAUAs-System erläutert wurden, können auch andere Materialien wie z.B. Gai-χΙη,Ρ—Gai__xAUAs-Systeme benutzt werder. Auch Multi-Heterostrukturen können eingesetzt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiter-Injektionslaser, an dessen laseraktive Schicht (4) auf gegenüberliegenden Flächen sich eine p-Schicht (5) bzw. eine n-Schicht (3) anschließen, von denen wenigstens eine aus einem Halbleitermaterial besteht, dessen Energieabstand größer ist als derjenige der laseraktiven Schicht, und von denen eine (5) eine streifenförmige Mesa-Stmktur mit einem mittleren Vorsprung und dünneren Seitenteilen aufweist, wobei auf der Seite der p-Schicht (5) und auf der Seite der n-Schicht (3) Elektroden (1,9) angebracht sind, die entweder unmittelbar an die p- oder n-Schicht oder an eine daran anschließende weitere Halbleiterschicht (2, 6) angrenzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (dr) der Seitenteile zwischen 0,8 und 1,5 (im liegt und daß an den beiden Seitenteilen je ein isolierender Bereich (8) anliegt

2. Injektionslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die laseraktive Schicht (4) aus GaAs und die daran angrenzenden n- und p-Schichten (3, 5) aus Gai_,AUAs (mit 0<jr<l) bestehen, daß die p-seitige Elektrode (9) als Metallelektrode ausgebildet und über eine p-GaAs-Schicht (6) angeschlossen ist, und daß die n-seitige Elektrode (1) als Metallelektrode ausgebildet und über eine n-GaAs-Schicht (2) angeschlossen ist

3. Injektionslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die laseraktive Schicht (4) aus Ga₁-^Al_xAs (mit 0<*<l), die daran angrenzende p-Schicht (5) aus Gai-jAUAs und die n-Schicht (3) aus Gai-zAl_zAs (mit 0<y<l, 0<z<l und χ <y%,z) bestehen, daß die p-seitige Elektrode (9) als Metallelektrode ausgebildet und über eine p-GaAs-Schicht (6) angeschlossen ist, und daß die n-seitige Elektrode (1) als Metallelektrode ausgebildet und über eine n-GaAs-Schicht (2) angeschlossen ist

4. Injektionslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die laseraktive Schicht (4) aus GaAs, die daran angrenzende p-Schicht (5) aus Gai-jrAUAs (mit 0<x< 1) und die n-Schicht (3) aus GaAs bestehen, daß die p-seitige Elektrode (9) als Metallelektrode ausgebildet und direkt an die p-Schicht (5) angeschlossen ist, und daß die n-seitige Elektrode (1) als Metallelektrode ausgebildet und über eine n-GaAs-Schicht (2) angeschlossen ist.