DE2710813A1

DE2710813A1 - Heterostruktur-halbleiterlaser

Info

Publication number: DE2710813A1
Application number: DE19772710813
Authority: DE
Inventors: Izuo Hayashi; Roy Lang
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1976-03-11
Filing date: 1977-03-11
Publication date: 1977-09-22
Also published as: JPS5641190B2; NL178467B; US4105955A; NL7702592A; FR2506532B1; DE2710813C2; FR2506532A1; GB1556527A; JPS52109884A; NL178467C

Description

DR.-ING. HERtfEKT FA^¹ZOLi) PATENTANWALT

Mühlthaler Str.102 27 108

8 MÜNCHEN 71

Ii 111""U""⁰""¹ " TKLEFON 089/78 77 25

Nippon Electric Company, Ltd.

33 - Shiba-Gochome, Minato-Ku, Tokio JAPAN

Heterostruktur-Halbleiterlaser

Die Erfindung betrifft einen Heterostruktur-Halbleiterlaser gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Streifenförmig aufgebaute multiple Heterostruktur-Halbleiterlaser der genannten Art sind allgemein geschätzt wegen ihrer niedrigen Schwellwertstromdichte und wegen ihrer Möglichkeit, Laserstrahlen als optische Signale mit hohem Wirkungsgrad sogar bei Raumtemperatur zu erhalten,Es ist daher nicht selten, daß der Laser eine enge Streifenbreite aufweist, um einen Ausgangsstrahl mit einem kleinen Durchmesser zum Beispiel für ein aus optischen Lichtleitern aufgebautes Nachrichtensystem abzugeben. Wie nachfolgend unter Bezugnahme auf verschiedene Figuren noch näher beschrieben wird, haben herkömmliche Laser der im Oberbegriff genannten Art verschiedene Nachteile.

Der Laser muß durch einen relativ hohen elektrischen Strom erregt werden, wobei ein energieschwacher optischer Ausgang mit geringem Wirkungsgrad erzeugt wird. Der optische Ausgang ist

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TELEGHAMMADRESSE/CABLE: PATITIA MÜNCHEN TELEX 0521244 DEUTSCHE BANK AQ KONTO-NH. 58/82 581 POSTSCHECK MÜNCHEN 1459 18-80» ~2~

in Abhängigkeit von der Erregerstromcharakteristik besonders dann nicht linear, wenn der Laser eine enge Streifenbreite aufweist. Der Laser arbeitet nicht genügend zuverlässig, weil er gezwungen ist, einen optischen Ausgang mit Querschwingungen hoher Ordnung abzugeben und weist besonders dann eine instabile Arbeitsweise auf, wenn der Laser eine weite Streifenbreite aufweist. Ein Heterostrukturlaser mit eingebetteten Streifen ist zwar zur Abgabe eines schmalen Lichtstrahles geeignet, ist aber schwer herstellbar. In einem bekannten sogenannten TJS-Laser wird die Laseroszillation zu einem beträchtlichen Teil absorbiert. Ein Laser mit schichtförmigen Aufbau und der TJS-Laser unterliegen relativ hohem Verschleiß und sind damit schon deswegen unzuverlässig. In einigen der herkömmlichen Laser ist eine Beschränkung der Laseroszillation schwer erreichbar.

Aufgabe der Erfindung ist es daher einen Heterostruktur-Halbleiterlaser der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem eine Beschränkung der Laseroszillation nicht nur elektrisch, sondern auch optisch erreicht wird. Dabei soll die Streifenbreite innerhalb eines beträchtlich weiten Bereiches von etwa 1/* bis zu einigen 10 A» frei wählbar sein. Der Ausgang soll stabil und eine einzige Grundschwingung bzw. eine Querschwingung von niedriger Ordnung d.h. einwellig sein. Absorption von Laseroszillation soll verschwindend klein sein. Der Laser soll keiner wesentlichen Abnutzung ausgesetzt sein, so daß er einen einwelligen Ausgang beibehält. Der Laserausgang soll eine Leistung von 10 mW und mehr erreichen können bei kontinuierlicher Arbeitsweise und 30 mW oder mehr bei pulsierender Arbeitsweise, wobei Streifenbreiten von 15/* oder weniger geeignet sein sollen und es soll ein linearer optischer Ausgang in Abhängigkeit von der Erregerstromcharakteristik erhalten werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruchs 1 gelöst.

Weitere Merkmale sowie vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche für

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sich oder in Kombination zu weiteren Ansprüchen und/oder aus der nachfolgenden Beschreibung.

Erfindungsgemäß wird also eine aktive Schicht eines Halbleiterlasers zwischen zwei heterogebundene eingeschlossen, wobei die aktive Schicht eine Streifenregion und anschließende Regionen umfaßt und diese Regionen Unterschiede in der Art und/oder der Konzentrationen aufweisen, damit die Streifenregion eine höhere dielektrische Konstante (vorzugsweise um 0,01 - 1 % höher) als die angrenzenden Regionen aufweist. Dabei wird die Laseroszillation auf die aktive Schicht durch die Keterobindung und weiter auf die Streifenregion in einer Breitenrichtung parallel zu der Heterobindung beschränkt. Die Differenz gibt der Streifenregion einen engeren Bandspalt (z.B. von einigen meV bis zu einigen 10 meV) als die anschließenden Regionen. Pur einen Laser dessen Haxbleitermaterial aus den Elementen der III-V-Gruppe des periodischen Systems ausgesucht ist, wird die Differenz durch Zugabe von N-leitenden und/oder P-leitenden Verunreinigungen eingestellt bzw. gewählt. Die Streifenbreite kann zwischen 1A-« und einigen 10 A* bestehen. Der erfindungsgemäße Laser ist leicht herstellbar bei Verwendung herkömmlicher Verfahren. Der Laser gibt ein optisches Signal in einer einzigen Schwingung von 10 und mehr mW bei kontinuierlichem Ausgang und 30 und mehr mW bei pulsierendem Ausgang ab.

Auf Grund der höheren dielektrischen Konstante der Streifenregion gegenüber denen der angrenzenden Regionen ist die die Oszillation erzeugende Region zu der Streifenregion in einer anderen Richtung parallel zu den Grenzschichten begrenzt. Die erforderlichen Differenzen können durch Wahl der Arten der Verunreinigungen und/oder der Konzentrationen gewählt werden.

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Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und mit Hilfe von schematischen Darstellungen näher beschrieben und erläutert. Zur Verdeutlichung ist der Erfindung ein bekannter Laser gegenübergestellt, der in schemätischen Zeichnungen dargestellt ist. Hierin zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines bekannten Doppelheterostruktur-Halbleiterlasers,

Fig. 2 einen Schnitt nach den Linien 2-2 in Fig. 1

Fig. 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Verteilung der Verunreinigungskonzentrationen in einem Laser nach Fig. 1 und 2,

Fig. 4 eine Darstellung einer üblichen Verteilung der dielektrischen Konstante in einer aktiven Schicht eines Lasers nach Fig. 1 und 2,

Fig. 5 die Charakteristiken für den optimalen Ausgang in Abhängigkeit von dem Erregerstrom bei einem Laser nach Fig. 1 und 2,

Fig. 6 Charakteristiken für herkömmliche Laser und den Laser nach der Erfindung,

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Lasers in einer ersten Ausführung,

Fig. 8 einen Schnitt nach den Linien 8-8 in Fig. 7,

Fig. 9 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Verteilung der Verunreinigungskonzentrationen in dem Laser nach Fig. 7 und 8,

Fig.10 eine Darstellung der Verteilung der dielektrischen Konstante in der aktiven Schicht des Lasers nach Fig. 7 und 8.

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Fig.11 eine Charakteristik des Lasers nach Fig. 7 und 8,

Fig.12 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Laser gemäß einer zweiten Ausführung,

Fig.13 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Verteilung der Verunreinigungskonzentrationen in dem Laser nach Fig. 12,

Fig.14 eine Darstellung der Verteilung der dielektrischen Konstante in der aktiven Schicht des Lasers nach Fig. 12,

Fig.15 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Lasers in einer dritten Ausführung,

Fig.l6 einen Schnitt nach den Linien l6-l6 in Fig. 15,

Fig.17 eine Darstellung der Verteilung der Verunreinigungskonzentrationen in dem Laser nach Fig. 15 und l6,

Fig.18 eine Darstellung der Verteilung der dielektrischen Konstante in der aktiven Schicht des Lasers nach Fig. 15 und 16,

Fig.19 eine Darstellung der Veränderung der Bandlücke in Abhängigkeit von Verunreinigungskonzentrationen,

Fig.20 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Laser nach einer vierten Ausführungsform,

Fig.21 eine Darstellung der Verteilung der Verunreinigungskonzentrationen in dem Laser nach Fig. 20,

Fig.22 eine Darstellung der Verteilung der dielektrischen Konstante in der aktiven Schicht des Lasers nach Fig. 20, 709833/0829

Fig. 23 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Laser in einer fünften Ausführung,

Fig. 24 eine Darstellung der Verteilung der Verunreinigungskonzentrationen in dem Laser nach Fig.23,

Fig. 25 eine Darstellung der Verteilung der dielektrischen Konstante in der aktiven Schicht des Lasers nach Fig. 23,

Fig. 26 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Laser gemäß einer sechsten Ausführung,

Fig. 27 eine Darstellung der Verteilung der Verunreinigungskonzentrationen in dem Laser nach Fig.26,

Fig. 28 eine Darstellung dsr Verteilung der dielektrischen Konstante in der aktiven Schicht des Lasers nach Fig. 26,

Fig. 29 - 31 weitere Schnitte durch erfindungsgemäße Laser gemäß einer siebenten bis elften Ausführung.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird zunächst anhand der Fig. 1 bis 4 ein herkömmlicher Halbleiterlaser mit Doppelheterobindung bzw. von Doppelheterostruktur beschrieben. Der Laser enthält ein N-leitendes Substrat 40 aus einem Halbleitermaterial, wie GaAs, eine erste Grundschicht 4l aus einem anderen N-leitenden Halbleitermaterial, wie Al G_1- As, eine zweite, aktive Schicht 42 aus einem weiteren N-leitenden Halbleitermaterial, wie GaAs, eine dritte Schicht 43 aus einem P-leitenden Halbleitermaterial, wie Al Ga₁_ As, einer vierten Schicht 44 aus einem N-leitenden Halbleitermaterial, wie GaAs und einem Streifen 45, in den p-leitende Verunreinigungen, wie Zink, eingebracht sind, der sich von der vierten Schicht 44 in die 3· Schicht 43 hineinerstreckt. Die erste bis

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vierte Schicht 41 - 44 sind aufeinanderfolgend auf das Substrat 40 aufgebracht worden und besitzen eine typische Doppelheterostruktur. Der Laser ist im wesentlichen von rechteckiger Gestalt und besitzt eine Resonatorlänge L mit einer bestimmten Gesamtbreite und Höhe. Die Höhe ist in Fig. 1 und 2 in der Vertikalen gezeichnet. Obgleich nicht mit bestimmten Bezugszeichen angezeigt, befindet sich je eine Reflektions- oder Spiegelfläche an den die Länge L begrenzenden Stirnflächen des Doppelheterostrukturlasers mit den Schichten 4l - 44. Es ist auch möglich, die aktive Schicht 42 P-leitend auszubilden und als Halbleitermaterial ein Al Ga, As zu verwenden, wobei

Jr -L Jf

y kleiner χ ist. Der Laser besitzt außerdem zwei Elektroden und 47, die sich in ohmschera Kontakt mit dem Substrat 40 bzw. mit der Schicht 44 befinden. Der Streifen 45 erstreckt sich zwischen den Spiegelflächen und besitzt eine Streifenbreite W und eine hohe Konzentration an P-leitenden oder P -leitenden Verunreinigungen, wie Fig. 2 zeigt, die einen Schnitt durch den Laser in einer Ebene parallel zu den Spiegelflächen darstellt. Die P- und N-Leitfähigkeiten des Doppelheter.ostrukturlasers 41-44 werden durch Verunreinigungen erzeugt, die in die entsprechenden Schichten 41-44 eindiffundiert werden, und zwar in Konzentrationen, wie sie in Fig. 3 angegeben sind, wobei auf der Abszisse die Stärke oder Höhe der einzelnen Schichten und auf der Ordinate die Konzentration der Atome/cm aufgetragen sind, Wie Fig. 3 zu entnehmen ist, ist die Konzentration der Verunreinigung des Streifens 45 zwischen 10 und 10 ° Atomen/cm gewählt. Die dielektrische Konstante der aktiven Schicht 42 ist über der gesamten Breite der aktiven Schicht 42 gleich groß, wie durch Fig. 4 verdeutlicht ist.

Bezugnehmend auf Fig. 1 bis 4 und Fig. 5 und 6 ist zu sagen, daß die meisten streifenförmigen Laser eine Streifenbreite W zwischen 10 und 20/* besitzen. Ein elektrischer Erregerstrom in der Gestalt von Rechteckimpulsen mit einer Impulsweite von 120 ns wurde mit'einer niedrigen Arbeitsleistung von etwa 1 % oder weniger einem Laser mit einer Streifenbauweise nach Fig. 1 bis 4 aufgegeben. Der Laser besaß eine übliche Resonatorlänge L von 250^«. und eine relativ enge Streifenbreite W von 15jc . Die aktive

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Schicht 42 war O,2a stark. Wie Fig. 5 zeigt, in der die Abszisse die Impulshöhe des Erregerstromes in mA und die Ordinate den optischen Ausgang des Lasers in mW angibt, tritt eine Laseroszillation mit einem beachtlichen optischen Ausgang plötzlich auf und zwar in Fig. 5 an der mit 50 bezeichneten Kurvenstelle, bei der der Erregerstrom eine bestimmte Schwellwertstromdichte erreicht hat. Die Kurve besitzt oberhalb der Stelle 50 zwei weitere Knickstellen und zwar eine konvexe Knickstelle bei 51 und eine konkave Knickstelle bei 52. Entsprechende Kurven sind in Fig. 6 mit 56 und 57 wiedergegeben. Der maximale optische Ausgang einer wirksamen nullten oder querlaufenden Grundschwingung der Laseroszillation beträgt nur 5 mW, was aus der konvexen Extremstelle 51 folgt. Vor allem eine Verringerung der Streifenbreite W von etwa 15** oder weniger führt zu einer Reduktion der differentiellen Quantenausbeute und einem beachtlichen Anstieg der Schwellwertstromdichte, wie die Kurve 58 in Fig. 6 für einen Laser mit einer Streifenbreite W von 5/^ oder weniger zeigt.

Weiter bezugnehmend auf die Fig. 1 bis 4 und 6 rührt die hohe Schwellwertstromdichte und die niedrige Leistung daher, daß die aktive Schicht 42, die quer zu dem Streifen 45 homogen ist, nicht in der Lage ist, die quer verlaufende Laseroszillation auf eine Streifenregion, d.h. eine Laseroszillation erzeugende Region unmittelbar unterhalb des Streifens 45 zu beschränken, und daß die Beschränkung durch optische Lichtführung erreicht wird, die abhängig ist vom optischen Verstärkungsgrad der eingebrachten Verunreinigungen, die hauptsächlich in der Streifenregion konzentriert sind, obgleich die Beschränkung durch zwei heterogebundene Grenzschichten, die die aktive Schicht begrenzen, in einer Richtung senkrecht zu den Grenzschichten nicht erwünscht ist. Die querschwingende Laseroszillation breitet sich damit in dem Maße über die dem Streifen unmittelbar gegenüberliegende Streifenregion in der aktiven Schicht in angrenzende Regionen hinaus aus, wie die Verteilung der eingebrachten Verunreinigungen z.B. bei einer Streifenbreite von 5^. und weniger auch darüber hinaus auch mit geringem Verunreinigungskonzentrationen vorhanden ist und folglich Lichtabsorption

erfolgt. 709838/0829 _₉_

Außerdem weisen die eingebrachten Verunreinigungen eine nicht gleichförmige Verteilung in der Streifenregion selbst auf, was zu negativen optischen Licht führungen (Lichtstreuungen) führt, wodurch die querverlaufende Oszillation aufgeweitet wird. Der Erregerstrom ist nicht auf die Streifenbreite beschränkt, sondern breitet sich in der dritten und zweiten Schicht 43, 42 quer zu dem Streifen 45 aus, wobei er außerhalb der Streifenbreite W gelangt, was zu einem unnötigen Stromverbrauch führt. Die mangelnde Einengung des Erregerstromes spielt eine Rolle für den schlechten Wirkungsgrad des optischen Ausganges gegenüber dem Erregerstrom.

Bezugnehmend auf die Fig. 1 bis 4 und 6 ist bei einem herkömmlichen Laser der beschriebenen Art eine kleiner als 10/t gewählte Streifenbreite ungünstig wegen der hohen Schwellwertstromdichte, dem niedrigen Wirkungsgrad und den ungünstigen optischen Ausgangscharakteristiken gegenüber den zugehörigen Erregerstromcharakteristiken, wie anschließend noch beschrieben wird. Wenn die Streifenbreite W weiter als einige 1O^ ist, weisen die eingebrachten Verunreinigungen eine flache Konzentrationsverteilung in der Streifenregion auf. Die Laseroszillation erfolgt im mittleren Teil der flachen Verteilung. Bestrahlung, induziert durch das Laserlicht, reduziert die eingebrachten Verunreinigungen, so daß eine Einbuchtung in die flache Verteilung erfolgt, was manchmal auch schon vor einer Bestrahlung auftritt. Hieraus folgt eine positive optische Lichtführung (Lichtbündelung), wobei die querschwingende Laseroszillation auf das Zentrum der Streifenregion mit einem hohen optischen Verstärkungsgrad beschränkt ist, ohne nachteilig von angrenzenden Regionen beeinflußt zu sein, wo die Verstärkung (hoher Verlust) auf Grund der geringen Verunreinigungskonzentrationen niedrig ist. Hierdurch ist die Schwellwertstromdichte verringert und der Wirkungsgrad ist erhöht, wie die Kurve 59 in Fig. 6 zeigt, Querschwingende Laseroszillation höherer Ordnung treten bei einer weiten Streifenbreite W auf, wobei die querschwingende Oszillation instabil ist. Die vorstehenden Schwierigkeiten sind auch mit herkömmlichen multiplen Heterostrukturhalbleiterlasers mit Streifengeometrie vom Elektrodentyp und vom niedrigen

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- /if -

Mesa-Typ nicht vermeidbar. Bei einem planaren Laser weist der Streifen 45 eine hohe Konzentration an Verunreinigungen auf, wie er hier als Beispiel herangezogen ist. Die Verunreinigungen reichen etwa 1 bis 2a. tief von der Heterostrukturflache aus. Aufgrund großer Belastungen (etwa 10 dyn/cnr) der die Streifenregion ausgesetzt ist, treten in ihr Kristalldefekte auf, es sei denn, die Einbringung der P⁺-Verunreinigungen wird mit großer Sorgfalt vorgenommen.

Bei einem weiteren herkömmlichen streifenförmigen multiplen Heterostrukturlaser, der einem Protonenbeschuß ausgesetzt wurde, wobei der Protonenbeschuß in die aktive Schicht erfolgte, ist der Weg des Erregerstromes im wesentlichen auf die Streifenbreite W beschränkt, und zwar auf Grund der hohen Widerstandsbereiche, die durch den Protonenbeschuß als angrenzende Regionen in der aktiven Schicht gebildet wurden. Die Bereiche mit hohem Widerstand gestatten eine Rekombination der eingebrachten Verunreinigungen ohne Lichtbestrahlung. Das bedeutet ainen Verlust an eingebrachten Verunreinigungen. Zusätzlich haben diese Domänen eine höhere dielektrische Konstante und einen entsprechend höheren Brechungsindex als die Streifenregion. Das Brechungsindexprofil über der gesamten Laserbreite neigt dazu, die Laseroszillation von der Streifenregion wegzuziehen. Hierdurch wird der Wirkungsgrad verringert. Auf Grund dieser Tatsache ist eine Streifenbreite W, die schmäler als etwa 10/eist, ebenfalls ungeeignet.

Bei einem herkömmlichen multiplen Heterostrukturhalbleiterlaser mit eingebettetem Streifen ist die Streifenregion durch relativ weite Spalten an beiden horizontalen Längsseiten von den angrenzenden Regionen wie auch an beiden vertikalen Seiten durch angrenzende Schichten (z.B. ein Bandspalt von 1,8 eV für die angrenzenden Regionen und nebeneinanderliegenden Flächen von Al -zGa_ ₇As im Gegensatz zu einem Bandspalt von 1,4 eV für die Streifenregion von GaAs) begrenzt. Der Erregerstrom ist daher auf die Streifenregion beschränkt. Die Trägerrekombination tritt nur innerhalb der Streifenbreite W auf. Die dielektrische Konstante ist innerhalb der Streifenregion höher (bei

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etwa 3 %) als in den angrenzenden Regionen und nebeneinanderliegenden Schichten. Die Laseroszillation ist daher vollständig auf die Streifenregion beschränkt. Im Ergebnis ist es möglich, die Streifenbreite auf 1/*. zu reduzieren ohne nachteilige Auswirkungen auf die Schwellwertstromdichte und den Wirkungsgrad. Das Herstellungsverfahren für einen solchen Laser ist jedoch aufwendig. So ist es unerläßlich, epitaxiale Wachstumstechniken zweimal auszuführen und Mesa-Ätzungen zwischen zwei epitaxialen Wachstumsschritten vorzunehmen, um die Streifenregion zu bilden. Außerdem wird die Umgebung der Streifenregion der Atmosphäre ausgesetzt, wenn die Mesa-Ätzung vorgenommen wird. Das führt zu Schwierigkeiten, einen Laserkristall zu erhalten, der keine Defekte aufweist, der hohe Ausbeuten bei seiner Herstellung sicherstellt, geringe Verschleißanfälligkeit besitzt und über eine hohe Lebensdauer verfügt. Die beträchtlich höhere Dielektrizitätskonstante der Streifenregion führt dazu, daß die Laseroszillation eine Vielzahl von quer verlaufenden Schwingungen aufweist, sogar wenn die Streifenbreite W breiter ist als etwa 1/*,. Bei einer Streifenbreite W kleiner als \ju. ist die kontinuierliche Ausgangsschwingung auf einige Milliwatt oder weniger beschränkt, und zwar auf Grund von Beschädigungen der Endflächen durch den optischen Ausgang.

Mit einem herkömmlichen multiplen Heterostruktur-Halbleiterlaser in Streifenform, bekannt als TJS-(transverse junktion stripe)-Laser, in den P -leitende Verunreinigungen entlang heterogebundener Grenzschichten eindiffundiert sind, werden die Lasercharakteristiken verbessert, indem ein dielektrisch konstantes Profil in der aktiven Schicht gebildet wird. Die aktive Schicht besitzt jedoch eine assymmetrische P⁺-P-N-Struktur als unvermeidbares Ergebnis der Verunreinigungen, die von einer Seite aus in einer Richtung eindiffundiert worden sind. Die Streifenregion wird daher mehr durch das Profil der Verunreinigungskonzentration als durch optische Auswahl nach der Phasenreinheit bestimmt. Die Streifenregion ist in Wirklichkeit etwa 2jjuweit. Es ist daher unmöglich, einen hohen optischen Ausgang zu erhalten. Die Region mit hoher Verunreinigungskon-

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zentration entlang einer Seite der Streifenregion führt zur Absorption von Laseroszillation, wodurch der Wirkungsgrad erniedrigt und eine Assymmetrie des Nah- und Fernfeldprofils erfolgt. Die hohe Konzentration von Verunreinigungen ist unerwünschtermaßen der eigentliche Faktor der Verschlechterung des Lasers.

Fig. 7 bis 10 zeigt einen ebenen streifenförmigen Doppelheterostruktur-Halbleiterlaser nach einer ersten erfindungsgemäßen Ausführung, wobei entsprechende Teile der Fig. 1 und 2 mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Es ist jedoch hervorzuheben, daß der Streifen 45 die erste oder Basisschicht Il unterhalb der zweiten oder aktiven Schicht 42 erreicht, so daß eine Streifenregion 60 in der aktiven Schicht sich von angrenzenden Regionen eindeutig abhebt und daß die

1 fi Konzentration der Verunreinigungen von allgemein etwa 10 Atomen/ cm wesentlich niedriger als die Konzentration in einem herkömmlichen Streifen 45 (Fig. 1, 2) ist.

Wie Fig. 8 und 9 zeigt, ist die Konzentration von N-leitenden Verunreinigungen in der ersten Schicht 41 nicht so hoch, so daß die relativ niedrige Konzentration von Verunreinigungen in dem Streifen 45 eine P-leitende Domäne 61 in ihr bilden kann. Nach der Herstellung des Streifens 45 wird eine P -leitende Verunreinigung, wie z.B. Zink, in einer Konzentration von 10 " -10 ° Atomen/cnr in die vierte Schicht 44 in flacher Tiefe, wie z.B. 0,2/*. eindiffundiert, um eine P⁺-leitende Schicht 64 zu bilden, um den ohmschen Widerstand zwischen der Elektrode 47 und dem Laserelement zu verringern. Es ist herauszustellen, daß die dielektrische Konstante in der Streifenregion 60 etwas höher ist als in den angrenzenden Regionen, wie Fig. 10 anzeigt. Abhängig von dem Anwendungsbereich der Laser werden die Unterschiede in der dielektrischen Konstanten hauptsächlich zwischen 0,01 und 1 % gewählt. Diese Unterschiede sind beträchtlich kleiner als die herkömmliche Differenz von etwa 3 % bei einem herkömmlichen, streifenförmigen Heterostrukturlaser.

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Zurückkommend auf Fig. 7 bis 10 und Fig. 11 führt der Untersc hied in der dielektrischen Konstanten entlang der aktiven Schicht zu einer positiven optimalen Lichtführung. Die Beschränkung der Laseroszillation auf die Streifenregion 60 in einer Richtung quer zum Streifen 45 hängt von der positiven optischen Lichtführung ab und weniger von der Konzentrationsverteilung der Verunreinigungen, die in die aktive Schicht hineingebracht worden sind. Es ist daher erfindungsgemäß sogar eine enge Streifenbreite W von 10^ bis herab zu etwa 1/^ möglich, anders als bei den beschriebenen herkömmlichen Lasern. Dabei wird erfindungsgemäß ein Laser angegeben, der einen linearen optischen Ausgang mit einer einzigen stabilen querverlaufenden Grundschwingung niedriger Ordnung aufweist, eine niedrige Schwellwertstromdichte und einen hohen Wirkungsgrad besitzt. Die Kurve für den optischen Ausgang in Abhängigkeit von dem Erregerstrom, die mit einem Laser nach Fig. 7 bis 10 erhalten wird und der Laser die gleichen Abmessungen wie der herkömmliche Laser besitzt, dessen Ausgangscharakteristik in Fig. 5 dargestellt ist, ist in Fig.11 mit 65 bezeichnet und entspricht der Kurve 59 in Fig. 6 für einen herkömmlichen Laser von der gleichen Struktuv aber mit einer Streifenbreite W von einigen 10/*-. Es wurde anhand der Kurve 65 in Fig. 11 beobachtet, daß der optische Ausgang die Grundschwingung aufweist sogar bei einer Leistung von 30 mW. Die Leistung, die mit einem erfindungsgemäßen Laser erzielbar ist, ist damit höher als mit einem herkömmlichen streifenförmigen Heterostrukturhalbleiterlaser.

Bezugnehmend auf Fig. 7 bis 10 verringert die Verteilung der Verunreinigung durch welche die dielektrische Konstante in der Streifenregion 60 erhöht ist, allgemein den Bandspalt der Streifenregion 60, verglichen mit dem inden angrenzenden Regionen der aktiven Schicht 42 durch eine Differenz gleich einem Tausenstel von einigen Elektronenvolts zu einigen zehn ELektronenvolts..Die Bandspaltdifferenz neigt dazu, die in die aktive Schicht 42 injizierten Verunreinigungen einzuengen, so daß sie hauptsächlich in der Streifenregion 60 rekombinieren und eine geringe Diffusion

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erfolgt. Die Beschränkung der Laseroszillation auf eine Querschwingung und die eingebrachten Verunreinigungen sind der Grund für die niedrige Schwellwertstromdichte und dem hohen Wirkungsgrad. Wenn Diffusionstiefe der Verunreinigungen etwa 5/* beträgt, ist die Verunreinigungskonzentration in der Streifenregion 60 von der Weite W enger als die zweifache Diffusionslänge. Bei einer Streifenbreite W weiter als etwa 10/<. und sogar bei einigen lOio , wurde bestätigt, daß ein erfindungsgemäß ausgebildeter Laser einen optischen Ausgang mit einer einzigen Querschwingung niedriger Ordnung aufweist. Die relativ niedrige Verunreinigungskonzentratioh in dem Streifen 45 und die sehr geringe Stärke der Schicht 64 mit hoher Verunreinigungskonzentration und ihre Ausbreitung über die gesamte Laserbreite führen zu einer geringen Beanspruchung in der Streifenregion 60. Die Absorption von Laseroszillation wird vermieden, weil die P⁺-leitende Schicht 69 in bzw. auf der dritten oder vierten Schicht 43, 44 mit hoher Bandlücke gebildet wird.

Bezugnehmend auf Fig. 12 bis 14 ist ein erfindungsgemäßer Laser in einer zweiten Ausführung dargestellt, wobei entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 7 und 8 versehen sind.

Wie Fig. 12 und 13 zeigt, weist die erste Schicht 4l mit größen-

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ordnungsgemäß 2 χ 10 Atomen(cm eine höhere Konzentration an N-leitenden Verunreinigungen als an P-leitenden Verunreinigungen auf, so daß die N-Leitfähigkeit über die gesamte Fläche anhalten bleibt. Mit anderen Worten werden keine P-leitenden Regionen 6l in der Schicht 41 gebildet, obgleich eine entsprechende Region 61' eingezeichnet ist. Hierdurch soll nur der Bereich gezeigt werden, in dem in der ersten Schicht P-leitende Verunreinigungen eingebracht werden. Jede der zweiten oder aktiven Schicht 42 und der dritten Schicht 43 besitzt eine N-Leitfähigkeit mit einer Verunreinigungskonzentration, die niedriger als die des Streifens 45 ist. Die Schicht 43 besitzt eine Verunreinigungskonzentration von

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etwa 0,5 χ 10 Atomen/cm . Es ist möglich, die dritte Schicht 43 mit einer P-Leitfähigkeit zu versehen, entsprechend den Lasern nach Fig. 1 bis 5 und 7 bis 11. Wie Fig. 14 zeigt, ist die Verteilung der Dielektrizitätskonstante über die gesamte Breite der aktiven Schicht 42 gleich bzw. ähnlich der nach Fig. 10.

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^λ : -is-

Bezugnehmend auf Pig. 15 bis l8 ist ein drittes Ausführungsbeispiel nach der Erfindung aufgezeigt, wobei entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 7, 8 und 12 versehen sind. Dabei sind die erste bis dritte Schicht 4l - 43 N-leitend. Da die dritte Schicht N-leitend ist, erübrigt sich eine vierte Schicht ¹J¹I. Entsprechend ist eine P-leitende Schicht 64 mit hoher Verunreinigungskonzentration in der dritten Schicht 43 gebildet. Abgesehen von dem ohmschen Kontakt der Elektrode 47 mit der dritten Schicht 43 mit einer N-Leitfähigkeit, bewirkt eine Vorwärtssteuerung des Lasers, daß der Erregerstrom in der dritten Schicht 43 außerhalb des Streifens 45 fließt, der in der Schicht gebildet ist, weil das Diffusionspotential des P-N-Überganges zwischen der P -leitenden Schicht 64 und dem verbleibenden Teil der dritten Schicht 43 mit großer Bandlücke (z.B. 1,8 eV für eine dritte Schicht 43 aus Al_n ^Ga_{n 7}As) höher ist, als das Diffusionspotential des P-N-Überganges für die aktive Schicht 42 (z.B. 1,4 eV für eine aktive Schicht 42 aus GaAs) wie es bei bekannten streifenförmigen Heterostrukturhalbleiterlasern bekannt ist.

Weiter auf Fig. 15 bis 18 bezugnehmend, werden die erste bis dritte Schicht 4l - 43 auf dem Substrat 40 aufeinanderfolgend durch epitaxiales Aufwachsen gebildet. Es ist daher möglich, die HeteroStruktur in einem einzigen kontinuierlichen epitaxialen Wachstumsschritt zu bilden. Ein herkömmliches Verfahren zur Zinkdiffusion unter Verwendung einer Zinkmetallquelle und eines geschlossenen Rohres kann zur Herstellung des Streifens durch die Einbringung von Zink geeignet sein. Die herkömmliche Diffusion wird besser bei einer niedrigeren Temperatur, wie in dem Bereich zwischen 500 und 600°C über eine längere Zeit zwischen einigen Stunden und einigen hundert Stunden ausgeführt. Ein zweistufiges Zinkdiffusionsverfahren, wie es in der japanischen Patentanmeldung No.137*477/1974 angegeben ist, in der ein Oxid eingebracht wird, ist vorteilhaft zur Bildung des Streifens 45 mit einer niedrigen Verunreinigungskonzentration, wie vorstehend beschrieben, und einer Tiefe von einigen^ bis 1O_x**-. Alternativ kann das Zink als erstes in einer herkömmlichen Konzentrationshöhe und in einer geringen Tiefe eingebracht werden. Anschließender Protonenbeschuß

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bei einer Temperatur zwischen 400 und 500 C auf das herkömmlich eindiffundierte Zink führt zu einer hochkonzentrierten Zinkdiffusion entlang Kristalldefekten, die von den Protonen herrühren. Die Tiefe ist durch den Elektronenbereich (etwa 3 bei einer Protonenenergie von 300 KeV) bestimmt. Die P -leitende Schicht 64 kann als dünne Schicht 64 durch epitaxiale Wachstumstechnik vorbereitet werden, in die Verunreinigungen, wie z.B. Germanium, eingebracht werden, das einen niedrigen Diffusionskoeffizienten aufweist. Es ist auch möglich, das Einduffundieren gleichzeitig mit dem epitaxialen Wachstum der HeteroStruktur vorzunehmen. Zur Bildung des Streifens 45 ist es möglich, eine gewünschte Art von P-leitenden Verunreinigungen zu verwenden, von denen Berüll, Magnesium, Cadmium und Silizium bevorzugt werden.

Rückschauend auf die Fig. 7 bis 10 und 12 bis 14 ist es nicht leicht, die Diffusion derart durchzuführen, daß die Grenzschicht mit HeteroÜbergang zwischen der Basisschicht 4l und der aktiven Schicht 42 von der Diffusions front gerade erreicht wird. Es ist daher zulässig, wenn die Diffusionsfront in die Schicht 41 eindringt. Bei einem erfindungsgemäßen Laser nach den Fig. 12 bis wird der ersten Schicht 41 eine hohe Konzentration einer N-leitenden Verunreinigung zugeführt, während sie durch epitaxiales Wachstum gebildet wird.

Um in einer Al_n -,Ga_{n 7}As-Schicht eine hohe Verunreinigungskonzentration zu erhalten, ist es notwendig, Schwefel und Tellur zu verwenden, weil es schwierig ist, die hohe Konzentration mit Silizium oder Zinn zu erreichen. Schwefel und Tellur sind jedoch geeignet, in dem Kristall unerwünschte Ausscheidungen zu erzeugen, die abhängig sind von den Bedingungen, unter denen eine Diffusion erfolgt. Zur Herstellung eines Lasers nach Fig. 7 bis 10 ist es jedoch möglich, das günstigere Zinn zu verwenden und eine niedrige Wachstumstemperatur zu wählen, wobei die Schichtstärken gut kontrolliert werden können und eine hohe Wachstumsqualität erzielbar ist. Wenn die Verunreinigungskonzentration der ersten Schicht für einen Laser nach Fig. 15 bis 18 niedrig gewählt wird, wie bei dem Laser nach Fig. 7 bis 10, ist das Einbringen eirn· spezifischen N-leitenden Verunreinigung nicht notwendig. In jedem Fall wird die Diffusion erfolgreich ausgeführt, sogar wenn die Stärken der dritten und vierten Schichten 42-44 uneben

^sind· 709838/0829 _«-_

Bezugnehmend auf Fig. 19, in der auf die Abszisse die Verunreinigungskonzentration in Atomen/cm und die Bandlückenänderung in meV auf die Ordinate aufgetragen sind. Ein Symbol Eg₀ zeigt, daß die Bandlückenveränderung Null ist in einer Schicht, in die keine Verunreinigungen eindiffundiert worden sind, während die Kurvennummern 66, 67 und 68 Abwandlungen von der Verunreinigungskonzentration in Schichten von Halbleitermaterialien aus der III., IV. und V. Gruppe des periodischen Systems für eine N-leitende bzw. P-leitende bzw. einen gleichen oder gleichwertigen Betrag einer N- und P-leitenden Verunreinigung. Die Änderung in der Dielektrizitätskonstante ist näherungsweise umgekehrt proportional der Änderung der Bandlücke. Eine Änderung der Bandlücke in 100 meV entspricht einer Änderung des Brechungsindexes von etwa 1 % der proportional der Quadratwurzel der dielektrischen Konstante ist. Es folgt damit, daß verschiedene Kombinationen von Arten und/oder Konzentrationen von Verunreinigungen möglich sind, um die Differenz in der Verunreinigung zu erhalten, damit die Streifenregion 60 eine höhere dielektrische Konstante und eine kleinere Bandlücke als die angrenzende Region oder Regionen aufweist.

Bezugnehmend auf Fig. 7 bis 19 hängt die Differenz ^fc der dielektrischen Konstante £ zwischen der Streifenregion 60 und den angrenzenden Region oder Regionen von der Art und/oder der Konzentration der Verunreinigungen ab, die in die aktive Schicht eingebracht wurde. Am einfachsten läßt sich der erfindungsgemäße Streifen 45 durch Diffusion ausführen. Wie Fig. 19 mit der Kurve 67 zeigt, ist die DifferenzA£ größer, wenn die gesamte aktive Schicht 42 eine geringere Konzentration einer P-leitenden Verunreinigung besitzt. Gemäß Kurve 68 ist die Differenz/^ größer, wenn die aktive Schicht 42 eine höhere Konzentration einer N-leitenden Verunreinigung insofern besitzt, als die Konzentration niedriger ist als die eindiffundierte P-leitende Verunreinigung. Wenn die aktive Schicht 42 mit einer N-leitenden Verunreinigung von relativ hoher Konzentration, wie 10 Atomen/cm oder mehr vorbereitet ist, führt die Diffusion von einer P-leitenden Verunreinigung in einer annähernd gleichen Konzentration zu einem Bandendeffekt und einer Reduktion in der Bandlücke auf Grund

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der Verunreinigungskompensation, wobei es möglich ist, in der Streifenregion 60 eine Differenz von 30 meV oder mehr in der Bandlücke und von 0,3 % oder mehr von der dielektrischen Konstante zu erhalten, verglichen mit den angrenzenden Regionen. Bevorzugte N-leitende Verunreinigungen sind Schwefel, Selen, Tellur, Silizium und Zinn.

Es wurde nun gefunden, daß eine Laseroszillation mit einer Querschwingung niederer Ordnung in einem erfindungsgemäßen Laser als Ergebnis eines sogenannten Abschneidphänomens für Querschwingungen höherer Ordnung erhalten wird, das unter anderem von der Streifenbreite W und der Differenz^ in der dielektrischen Konstange abhängt. Mehr im einzelnen wurde eine bestimmte Größe A£* in der dielektrischen Konstante gefunden für eine gegebene Streifenbreite W bei der die querverlaufende Grundschwingung stabil ist, während Querschwingungen höherer Ordnung abgesperrt sind. Die GrößeÄ£*, wie sie hier bezeichnet wird, ist nicht die Differenz Ai der dielektrischen Konstante als solche, sondern die Differenz4£ korrigiert durch die positive optische Lichtleitung, die von der Verstärkung abhängt und durch die Verteilung der eingebrachten Verunreinigungen bestimmt ist und die Weiterhin von der negativen optischen Lichtleitung abhängt, welche durch die Verteilung des Brechungsindex und anderer Faktoren bestimmt ist. Wenn die Differenz4£ geringer als die Größe Δ£* ist, ist es möglich, eine Laseroszillation von einer einzigen Grundschwingungsart zu erhalten. Wenn die Differenz ΔΕ- größer als die Größen* in einem streifenförmigen Heterostrukturhalbleiterlaser ist, dann können Querschwingungen höherer Ordnung gleichzeitig auftreten. Die Größe 4£* wird kleiner mit dem umgekehrten Quadrat der Streifenbreite W. Eine kleinere und relativ größere Differenz Af der dielektrischen Konstante ist daher günstig, wenn die Streifenbreite W breit bzw. eng ist. In der Praxis legen die injizierten Verunreinigungen den Effekt der negativen dielektrischen Konstante fest, um das Absperrphänomen zu erschweren. In jedem Falle sollte die Differenz der Verunreinigung für die beste Arbeitsweise eines Lasers gemäß der Erfindung gewählt werden, so daß die DifferenzΔΕ der dielektrischen Konstanten einen

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genügenden Wert erhalten kann und eine günstige Verteilung erzielt wird, um eine positive optische Lichtführung zu bekommen, die vom Wirkungsgrad abhängt, der durch die Verunreinigungskonzentration bestimmt ist. Während die negative optische Lichtführung von der Brechungsindexverteilung abhängt, ist die positive optische Lichtführung durch die Differenz Δ6 der dielektrischen Konstante als solche bestimmt, wobei unter diesen und anderen Bedingungen erfindungsgemäß ein gewünschtes Signal mit einer Querschwingung erhalten wird.

Die Fig. 20 bis 22 zeigen einen weiteren erfindungsgemäßen Laser gemäß einer vierten Ausführung, wobei wiederum entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeiehen aus den Fig. 7j 8 und 12 versehen sind. Die vierte Schicht 44 besitzt eine konkave Vertiefung 70.Die Leitfähigkeit der zweiten und dritten Schichten 42 und 43 sind angegeben, weil sie optimal sind. Die Vertiefung 70 ist durch eine selektive Ätzung nach einem bekannten Ätzverfahren hergestellt, wobei vorher eine lichtempfindliche Maske (nicht dargestellt) auf der Oberfläche der Schicht 44 aufgetragen worden ist. Alternativ ist es möglich, zur Herstellung der Vertiefung ein Fräsen mit Ionen oder dergleichen sowie andere Techniken anzuwenden.

Die Zinkdiffusion zeigt nach Fig. 21 eine konvexe Verteilung der Verunreinigungskonzentration. Die dielektrische Konstante ist in Fig. 22 dargestellt. Die horizontale gestrichelte Linie 71 in Fig. 21 deutet die Verunreinigungskonzentration in der aktiven Schicht 42 an, die epitaxial aus der Flüssigphase gewachsen ist. Hierdurch ist eine gleichmäßige Verteilung der eingebrachten Verunreinigungen durch die Streifenregion 60 hindurch ermöglicht, wodurch ein gleichförmiger optischer Verstärkungsgrad möglich ist. Das Laserlicht ist wirksam auf das Zentrum des höchsten Brechungsindex beschränkt. Mit einer zwischen 5 und 10«- gewählten Streifenbreite W wurde eine Ausgangsleistung der querschwingenden Grundschwingung von über 10 mW im Dauerbetrieb erreicht.

Fig. 23 bis 25 zeigen einen weiteren Laser nach der Erfindung gemäß einer fünften Ausführung, wobei auch hier entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeiehen wie in Fig. 20 versehen sind.

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Die Zinkdiffusion wird dabei in zwei Schritten ausgeführt, um einen äußeren manteiförmigen Streifenabschnitt und einen inneren von dem manteiförmigen Abschnitt umfaßten Streifenabschnitt mit höherer Zinkkonzentration zu erhalten. Bei einer Streifenbreite von 15u für den äußeren Streifenabschnitt und einer Streifenbreite von 8u für den eingeschlossenen inneren Streifenabschnitt war es möglich, einen kontinuierlichen optischen Ausgang mit einer Leistung von über 10 mW zu erzielen, wie es auch mit der Ausführung nach den Fig. 20 bis 22 erreicht wurde.

Die Fig. 26 bis 28 zeigen einen erfindungsgemäßen Laser gemäß einer sechsten Ausfuhrungsform, wobei entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen aus Fig. 15 bis 16 versehen sind. Die erste und dritte Schicht ¹Il und 43 sind P-leitend. Die zweite oder aktive Schicht 42 kann eine P-Leitfähigkeit mit niedriger Verunreinigungskonzentration oder eine N-Leitfähigkeit besitzen. Die Streifenregion 60 ist durch zwei Bereiche 76 und 77 bestimmt, die N-leitende Verunreinigungen aufweisen, welche sich bis in die erste Schicht 4l hinein durch die aktive Schicht k2 hindurch erstrecken. Die N-leitenden Verunreinigungen sind vorteilhafterweise aus der Gruppe IVb des periodischen Systems der Elemente ausgewählt, wie Schwefel, Selen und Tellur. Der Bandspalt der Streifenregion 60 ist enger gehalten als der der angrenzenden Regionen der aktiven Schicht, welche durch die N-leitenden Verunreinigungen der Bereiche 76 und 77 bestimmt sind. Es ist möglich, einen engeren Bandspalt und eine entsprechende höhere dielektrische Konstante zu erhalten, indem der Streifenregion eine N-leitende oder P-leitende Verunreinigungskonzen-

17 ~*i tration von weniger als etwa 10 ' Atome/cnr zugeführt wird und den angrenzenden Regionen eine N-leitende Verunreinigungskon-

A Q "Z

zentration von 10 Atomen /cnr oder mehr zugegeben werden. Wenn die Streifenregion 60 nur P-leitende Verunreinigungen enthält, dann folgt daraus, daß N-leitende Verunreinigungen Null ist.

Fig. 29 zeigt einen erfindungsgemäßen Laser in einer siebenten Ausführung, wobei entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern der Fig. 15 bis 16 versehen sind.

709838/0829 _.,-,_

Die Streifenregion 60 wird gebildet durch selektives Einbringen der Verunreinigung in den Streifenbereich während des epitaxialen Wachstumsprozesses der aktiven Zone. Die Verunreinigungskonzentration in der ersten und dritten Schicht 41 und 43 ist daher einheitlich. Der Laser kann one vierte Schicht aufweisen, wie sie im Beispiel nach Fig. 7 bis 8 mit 44 bezeichnet ist. In einem solchen Falle ist es möglich, die dritte und vierte Schicht 43 - 44 als eine einzige Schicht zu betrachten, die auf der aktiven Schicht 42 aufliegt und an die die Elektrode 47 angrenzt. Die aufliegende Schicht besitzt also eine einheitliche Verteilung an Verunreinigungen in Richtung parallel zur aktiven Schicht 42. Andererseits ist die Streifenregion 60 von angrenzenden Regionen 8l und 82 begrenzt, der selektiv eine N-leitende Verunreinigung mit einer höheren Konzentration als der Streifenregion 60 zugeführt worden ist, wie in dem Laser nach den Fig. 26 bis 28. Die P⁺-leitende Schicht 64 ist hier nicht dargestellt.

Fig. 30 zeigt einen erfindungsgemäßen Laser gemäß einer achten Ausführungsform, wobei entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen nach Fig. 23 und 29 bezeichnet sind. Die Streifenregion 60 umfaßt einen ersten Abschnitt 83» die einer angrenzenden Region näher ist und einen zweiten Abschnitt 84 der von der angrenzenden Region weiter entfernt ist. In den ersten Abschnitt 83 ist selektiv eine P-leitende Verunreinigung mit einer geringeren Konzentration als in den zweiten Abschnitt 84 eingebracht entsprechend wie in dem Laser nach den Fig. 20 bis 23 oder 23 bis 25-

Fig. 31 zeigt einen Laser nach der Erfindung ge·»"' einer neunten Uisführungsform, wobei entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen aus Fig. 23 und 30 versehen sind, Abgesehen von den ersten und zweiten Abschnitten 83 - 84 der itreifenregion 60 enthält der Laser eine aufliegende Schicht 43 oder 43, 44, erste und zweite Teilbereiche 8G und 87, die sich hauptsächlich vertikal zur aktiven Schicht 42 zwischen den ersten und zweiten Abschnitten R3 - 84 und der Oberfläche der auf der aktiven Schicht 42 aufliegenden Schicht 43 erstrecken, die im Kontakt

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nit der Elektrode 47 (hier nicht gezeigt) ist. Die ersten und zvcitcn .'»bschnitte 86 - 87 v.enien v/ährend der Diffusion der I·—leitenden Verunrei nir;ung in die Streifenregion 60 gebildet, v.ie es für den Laser nach Fi^,·. ^O - 2? o'fer f?3 - 25 sozeist ist. Die Oiffusionsfrunt ist so bestimmt, da. sie nicht in die erste Schicht 41 hineingeht. Andererseits ist die erste Schicht 11 mit einer relativ hohen N-leitenden Verunreinigungskonzentration versehen, so da2 die N-Leitfähigkeit erhalten bleibt, sogar wenn die Diffusionsfront in die erste Schicht hineinragt. Es ist auch möglich, die Teilbereiche 8G - 37 durch selektives Einbringen von Verunreinigungen «röhrend der epitaxialen 'Vachstumsphase vorzunehmen.

Fig. 32 zeigt einen weiteren Laser nach der Erfindung, wobei entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen der Fi-. 7 8 und 23 bezeichnet sind. Der höhere Streifen 45 und die niedrigeren Streifen 75 werden durch Diffusion von Verunreinigungen gebildet, die die dritte Schicht 43 erreichen bzw. in diese hineingehen. Die Diffusion wird ausgeführt, indem ausreichende Mengen der Verunreinigung für die Streifenregion 60, die sich bis auf und/oder in das Substrat 40 hineinerstreckt, vorgelegt werden und die Diffusion der Verunreinigungen entweder während der epitaxialen V/achstumsphase oder später vorgenommen wird. Der Bereich der ersten Schicht 41, durch welche die Verunreinigungen hindurchdiffundiert sind, besitzt einen weiteren Bandspalt als die Streifenregion 60.

SchliePlich zeigt Fi^. 33 einen erfindungsgemäßen Laser nach einer elften Ausführungsform der Erfindung, wobei entsprechende Teile mit gleichen 3ezugszeichen wie in Fig. 15 - 16 und 26 versehen sind. Die N-leitenden Bereiche 76 - 77 werden durch Einbringen einer ausreichenden !"enge an N-leitenden Verunreinigungen bis auf und/oder in das Substrat 40 hinein gebildet. Die Diffusion der Verunreinigungen erfolgt wnhrend oder nach der epitaxialen Vachstumsphase.

In Verbindung mit der Verwendung des Lasers in optischen Nachrichtenübertrasungssystemen ist herauszustellen, daß ein

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Ausgangsstrahl rait einem kleinen Durchmesser und einer iuerschwingung niedriger Ordnung wesentlich ist, um (abgesehen von lens schmalen Strahldurchmesser) die Güte der iaipplung riss ο .tischen I.aserausganges an ein optisches Kabel bzw. eine Lichtleitfaser zu erhöhen. Eine höhere Ausgangsleistung ist ebenfalls wünschenswert.

Bildschejben wurden kürz,lieh vorgeschlagen, die in Heliuaneon-Gaslasern benutzt werden. Es hat den Anschein, daß die Gaslaser durch halbleiterlaser ersetzt werden, weil die letzteren kompakt sind und mit hohen Wirkungsgrad arbeiten. Scharfe Fokussierung in der Größenordnung νυη IM wird gefordert. Fs erwies sich als schwierig, die Fokussierung mit einem herkömmlichen streifengeometrischen Laser vorzunehmen, der eine lineare (z.B. 1 * 1Oy*) Lichtquelle benötigt. Obgleich es möglich ist, eine Fokussierung durch eine einzige konvexe Linse vorzunehmen, ist ein sogenannter eingebetteter Heterostrukturlaser ungünstig, weil es schwierig ist, die eingebetteten Heterostrukturlaser in großen Stückzahlen herzustellen. Außerdem ist ein eingebetteter Heterostrukturlaser besonders teuer. Im Gegensatz hierzu sind Laser nach der Erfindung auch für Bildscheiben geeignet.

Indem einige bevorzugte Ausführungen der Erfindung und verschiedene Varianten hiervon vorstehend beschrieben sind, ist zusammenzufassen, dal. herkömmliche streifengeometrische Laser mit großer Ausbeute und einer Lebensdauer von zehn Stunden oder mehr erhalten werden können, wenn die Schichtdicken und die Zinkdiffusion sorgfältig überwacht werden. Ein Laser nach der Erfindung ist dagegen leichter herstellbar mit guter Reproduzierbarkeit und guten Ausgangscharakteristiken, wie vorstehend beschrieben. Die Erfindung ist gleich gut anwendbar z.B. auf einen multiplen Heterostrukturlaser der allgemeinen Formel ^Inx ^Gal-x ^Asy ^Pl-y ^{und In}p ^Gal-p ^Asq ^Pl-q ^und ^Pby ^Snl-y ^Te und Pb Sn₁ Te oder dergleichen Systeme und auf einen Laser mit einer vierfachen HeteroStruktur (getrennte, beschränkte Heterostruktur) mit einem großen optischen Hohlraum, einen Laser mit einfacher Heterostruktur oder in jeder anderen Struktur.

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Es ist möglich,einen erfindungsgemäßen Laser anzugeben, der entweder eine Streifenregion entlang einem breitseitigen Ende einer aktiven Schicht oder mehreren Streifenregionen in einer einzigen aktiven Schicht aufweist. Es ist erfindungsgemäß auch möglich, die Leitfähigkeiten und die Konzentrationen der Verunreinigungen in der Streifenregion und/oder den anschließenden Regionen der aktiven Schicht allein oder zusätzlich in darüber liegenden und/oder darunter liegenden Schichten besonders zu wählen.

Patentansprüche

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Claims

271081

al entanspriiche

,/ iotivo.-= t ruk tiir-il.i 1 V) I pi t t>rl riser mil einer π η ν · ei hot ΡΓΟΤί^ΐΊΓ'Ιοη^η Grογζsehi ''hto" nn;>;esfhl η·-: ^ cmc· 11 al.tivon Schicht i;ii t einer 't rei feure^ion urvi an .,ic

trei Γ'-nrov i on anschließenden 'iep-ionon, ".'ohoi die ¹-tro i r^nrr ; i un innerhalb ^rlor -!ίο Ια,-'τηί/ίΠτΙ ί';η or ■ zcu;i;c'iiien .lotion lie^t, .ii'ureb gekennzeichnet, »la'.' zur ;Uischr"in!:nn,'r der 'ie I.nseros7i 11 n< i on ργ/οιγρπ 'en ■*e ion nur Me ^tre i fenre^-ion (^fi0) 'lioso eiu.n rii_o<:refi iAtnrl.-^alt unn eint.¹ höhere -ii elektrische Konstante auf-

o i.st als .!ie an die Stre i fonro^i on andren/ ή ^!on Jo^i o-Or n';' i \όπ ^ch-c'it.

Γ. Laver inch ns.r^uh I, dadurch gekennzeichnet, ial' i.er ongcre 3am?s alt und die höhere dielektrische Konstante ■'arch dio rt iinfl/c'or Konzentrat i on nn Verunroin i^ungen in :\or ti'ei fenreri ;>n utni/Ό ler den angrenzen !en ίο^ϊοηοη eingestellt ist, v.ohei sich die Art ond/o-clor i.onzentrati on rr */; cur rc i ri ^unj r'er "troifonre ion vj.i ''^;r .rt nnd/'oe'er ..'onzctitratiuti der Verunrein icrun^en der an^ren/onäen -iegio— nen tcr aktiven Jchicht unterscheiden.

^. laser n;:rh .ns men 1 oder ?, dadurch gekennzeichnet, da. ^:ie diolel:trische Konstante der Streifenregion (GO) um et i'a 0,0I₇J bis eti.-a 1/j grö er ist als die dielektrischen Konstanten der angrenzenden Hegionen.

1. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, rial der gegenüber den Bandspalten der angrenzenden Legionen engere Bands^alt der Streifenregion (60) etra in dem Bereich von 5 me V bis 60 me V liegt.

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~>. Layer nach einem der Ansprüche 1 bis 1, vohoi das ünlb-1 extermaterial aus den Elementen eier III - V - Gruppe ^r!es periodischen Systems ausgen-^hl t ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Bands, alternie<(ri_oun~ unl/oder die Erhöhung eier dielektrischen Konstanten der £trei fenregion ('-O) r*urch Einbringen von N- und/oder Γ-Ieitenden Verunreinigungen in :Iio Streifenregion ge· -ViIt ir:¹.

G. Laser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dai. aie Streifenregion (60) eine P-leitemle Verunreinigung in einer höheren Konzentration als in !en an renzen 'en Legionen der aktiven Schicht enthält.

7. Laser nach einem der \ns,;riiche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der die aktive Schicht begrenzenden Grenzschicht einen weiteren Abstand von der einen Elektrode aufweist als die andere Schicht und daß die beiden an die aktive Schicht angrenzenden Schichten eine gleichförmige Verteilung der Verunreinigungen über ihrer ganzen Breite aufweisen können.

R. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht (42) mit ihrer einen Seite an eine innere Schicht (41) bestimmter Leitfähigkeit anschließt und daß die Streifenregion (60) in der aktiven Schicht an eine Region (61') in der inneren Schicht anschließt, wobei die Region in der inneren Schicht 1-leitende Verunreinigungen wie die Streifenregion besitzt und einen größeren Bandspalt aufweist als die Strei fenregion.

9. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Region (61*) der inneren Schicht (41) eine vorbestimmte Leitfähigkeit aufweist.

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10. Laser nach einem der Ansprüche 1 his 9, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht (42) mit ihrer anderen Seite an eine aufliegende Schicht hestimmter Leitfähigkeit anschließt, an die eine Elektrode (47) angrenzt, und da. zn^risehen der Elektrode und der Streifenregion (GO) der aktiven .schicht eine -lesrion in der aufliegenden Schicht mit !-leitenden Verunreinigungen -.--ic in der Strei feiire^ion vorhanden ist.

11. Laser nach einem der .-'.ns.jriiche 1 his 10, dadurch gekennzeichnet, da',¹ die Strei fcnregi on (CO) der aktiven Schicht (1?) au? oinen mittleren un·.¹ zu ei angrenzenden bschnitten (8G, 84) besteht.

1?.. Laser nach einem der -ns^rüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß 7V.-1 sehen der aktiven Schicht (42) und der einen Elektrode (47) mindestens eine Schicht (45) vorhanilcn ist und dal:, innerhalb der Schicht (43) ζ ischen der Til^ktro^e und den "bschnitten (83, 84) der Streifenregion (GO) entsprechende Abschnitte (SG, 87) vorhanden sind.

1". Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dar'urch gekennzsichnet, da." «iuf der Schicht (43) eine weitere Schicht (11} aufliegt, die eine Einbuchtung aufweist.

ti. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Streifenregion (GO) der aktiven 7-chiciit (42) beidseitig anschließenden Regionen jeweils eine höhere Verunreinigungskonzentration aufweisen als die otrei fenregion.

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