DE2727793A1

DE2727793A1 - Injektionslaser

Info

Publication number: DE2727793A1
Application number: DE19772727793
Authority: DE
Inventors: Peter Jan De Waard
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1976-07-02
Filing date: 1977-06-21
Publication date: 1978-01-05
Also published as: DE2727793C2; AT380131B; BR7704233A; US4323856A; FR2357088A1; CA1082341A; IT1081121B; SE7707538L; NL7607299A; CH617540A5; JPS5753997B2; JPS535984A; AU511164B2; GB1588019A; ATA462277A; FR2357088B1; AU2663977A; SE420551B

Description

Dr. ΗΕΠΙΜΊΠ' ·ί>':ΐΙΟί.Ζ . ^ΡΗΝ*

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Anmelde- N.V. PM',-.,· PMüinptnlabriel»« /. 1 7 · 2 . 1 977 ·

Akten Nr.: ' 7

VA/EVH.

Injektionslaser

Die Erfindung betrifft einen Injektionslaser mit einem Halbleiterkörper mit zwei praktisch parallelen Seitenflächen, die die Spiegel des Lasers bilden, mit einem pn-Uebergang, der sich quer zu den Spiegelseitenflächen in dem Halbleiterkörper erstrecken, und mit einer in der Nähe dieses pn-Uebergangs liegenden aktiven Laserschicht, wobei auf beiden Seiten des pn-Uebergangs ein Kontaktglied vorhanden ist, das den Abstand zwischen den Spiegelseitenflächen praktisch völlig überbrückt, wobei ein erstes dieser Kontaktglieder in einer geringeren

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Entfernung von dem pn-Uebergang als das zweite Kontaktglied liegt, und wobei der Teil des pn-Uebergangs, an dem bei einem von einem Kontaktglied zum anderen durch den Halbleiterkörper fliessenden Strom mit einem Wert etwa gleich dem Schwellwertstrom, der für das Auftreten stimulierter Emission erforderlich ist, spontane Lumineszenz auftritt, eine sich von einer Spiegelseitenfläche zu der anderen erstreckende Streifenform aufweist.

Derartige Injektionslaser sind z.B. aus der am

17. September 1973 offengelegten niederländischen Patentanmeldung Nr. 73 03 M»9 bekannt. Diese Streifenlaser ("stripe") * enthalten in der Regel ein streifenförmiges Kontaktglied (meist das Kontaktglied, das dem pn-Uebergang und der aktiven Laserschicht am nächsten liegt), das mitbestimmt, in welchem Teil der aktiven Laserschicht Laserwirkung auftreten kann. Dieses streifenförmige Kontaktglied kann als ein sogenannter Oxidstreifen ("oxide stripe") oder z.B. als ein Mesa-Streifen ("mesa stripe"), ein vergrabener Mesa-Streifen ("buried mesa stripe"), ein mit Protonen beschossener Streifen ("proton-bombardment stripe") oder als ein durch Implantation von Sauerstoffionen begrenzter Streifen gebildet werden. Diese und andere bekannte streifenförmige Kontaktglieder haben das gemeinsame Merkmal, dass damit parallel zu dem pn-Uebergang und der aktiven Schicht ein Kleinstquerschnitt für Durchgang elektrischen

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Stromes festgelegt ist, der wenigstens die Grosse des Teiles des pn-Uebergangs mitbeeinflusst, über den im Betriebszustand Strom fliesst. Dieser Querschnitt kann gleich dem stromführenden Teil des pn-Uebergangs und der aktiven Schicht, z.B. bei Mesa-Ausführungen, oder kleiner sein, wie bei dem Oxidstreifen, wobei das Kontaktglied durch eine Metallelektrode gebildet wird, die in einer streifenförmigen Oeffnung in einer auf dem Halbleiterkörper vorhandenen Isolierschicht mit dem Halbleiterkörper in Verbindung steht. Bei diesem Oxidstreifen tritt von der Oeffnung zu dem pn-Uebergang Stromstreuung auf, wodurch der stromführende Teil des pn-Uebergangs grosser als der strombegrenzende Querschnitt des Kontaktgliedes ist, der in diesem Falle mit der Oeffnung in der Isolierschicht zusammenfällt.

Für verschiedene Anwendungen ist es von Bedeutung, den stromführenden Teil der aktiven Laserschicht klein zu halten und in der Richtung parallel zu der aktiven Schicht und den Spiegelseitenflächen zu begrenzen. Dabei handelt es sich um seitliche Begrenzung des Teiles der aktiven Schicht, in dem Laserwirkung auftreten kann, oder mit anderen Worten um die Breite des Streifens der aktiven Schicht, in dem die benötigte Inversion erhalten wird. Die Breite des lasernden Gebietes der aktiven Schicht ist übrigens oft grosser als die des stromführenden Teiles

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der aktiven Schicht. Auch dadurch, dass die in die aktive Schicht injizierten Ladungsträger oft in der aktiven Schicht eingeschlossen sind, tritt Diffusion von Ladungsträgern in der Schichtrichtung infolge des Konzentrationsgradienten an den Rändern des stromführenden Teiles auf. Ausserhalb des stromführenden Teiles wird also bis über einen Abstand in der Grössenordnung der Diffusionslänge der injizierten Ladungsträger noch Inversion in der aktiven Schicht auf treten können.

Die Breite des Streifens, in dem Inversion auftritt, beeinflusst z.B. den Modus oder die Modi, in dem oder in denen der Laser wirken wird. Wenn man die Laserwirkung auf einen einzigen Strahl zu beschränken wünscht, wie z.B. für optische Kommunikation und für Video- und Audiolangspielsysteme erwünscht ist, wird die genannte Breite derart klein sein müssen, dass nur der Grundmodus auftritt. Wenn man die Breite dieses einzigen Laserstrahls parallel zu der aktiven Schicht noch weiter zu beschränken wünscht, wird der Streifen, in dem Inversion auftritt, noch schmäler sein müssen. In praktischen Fällen liegen die genannten Breiten an der technologisch noch erzielbaren Grenze oder sogar unter dieser Grenze. Dies führt zu verwickelten Herstellungsvorgängen, die dadurch eine verhältnismässig niedrige Ausbeute ergeben. So ist in der vorgenannten niederländischen Patentanmeldung 73 03

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die Anwendung eines streifenförmigen Kontaktgliedes beschrieben, das ausser einer in einer Oeffnung einer Isolierschicht liegenden Metallelektrode noch zwei Halbleiterschichten enthält, die sich zwischen der Metallelektrode und der aktiven Schicht befinden, wobei der strombegrenzende Querschnitt für das Kontaktglied durch selektive Aetzung dieser beiden Halbleiterschichten erhalten wird. Namentlich wird die Unterätzung der zweiten Halb— leiterschicht unter der ersten Schicht benutzt, die bei der Aetzbearbeitung einen schmalen Streifen der zweiten Schicht abschirmt, um die gewünschte geringe Breite zu erzielen.

Die Erfindung bezweckt, einen streifenförmigen Injektionslaser anzugeben, der mit einem einzigen Strahl, also in dem Grundmodus, wirkt und verhaltnismässig leicht und mit verhaltnismässig hohen Ausbeuten hergestellt werden kann. Ihr liegt u.a. die Erkenntnis zugrunde, dass durch passende Wahl der Form des Kontaktgliedes und durch passende Anordnung desselben in bezug auf die Spiegel-Seitenflächen mit einem verhaltnismässig breiten stromführenden Streifen des pn-Uebergangs und der aktiven Laserschicht die Laserwirkung dennoch auf einen verhaltnismässig schmalen Streifen zwischen den Spiegelseitenflächen beschränkt werden kann.
Ein Injektionslaser der eingangs erwähnten Art

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ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie des ersten Kontaktgliedes derart ist, dass in den Streifen des pn-Uebergangs, dessen lange Seiten in einem parallel zu den Spiegelseitenflächen gemessenen Abstand b voneinander liegen, wobei dieser Abstand b derart gewählt let, dass die örtliche Intensität der genannten spontanen Emission innerhalb des Streifens mindestens etwa 0,3 des Höchstwertes der örtlichen Intensität, die in dem Streifen auftritt, ist, nur ein einziger rechteckiger, sich von einer Spiegelseitenfläche zu der anderen erstreckender, möglichst breiter Streifen passt, dessen Breite höchstens gleich dem Abstand b abzüglich I/60 des Abstandes zwischen den Spiegelseitenflächen und ausserdem derart gering ist, dass beim Betrieb ein einziger Laserstrahl erhalten wird.

Die Anwendung der Erfindung erleichtert die Herstellung im Grundtransversalmodus wirkender Laser wesentlich. Durch eine besonders praktische Lösung wird vermieden, dass bei der Herstellung die angewandte Technologie bis an die äusserst erzielbaren Grenzen benutzt werden muss. Insbesondere braucht bei photolithographischen Bearbeitungen und bei Aetzbehandlungen nicht mehr mit den möglichst kleinen Details gearbeitet zu werden, sondern kann dagegen z.B. für die Breite des Kontaktgliedes ein verhältnismässig grosser und praktisch gut verwirklichbarer Wert gewählt werden.

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Vorzugsweise ist die Breite des rechteckigen Streifens höchstens gleich 6 /um. In praktischen Fällen besteht dann eine genügend grosse Sicherheit, dass nur ein einziger Strahl auftritt, wobei der Laser im Grundtransversalmodus wirkt.

Eine bedeutende bevorzugte Ausführungsform des Injektionslasers nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper ein Halblextersubtrat enthält, das sich zwischen dem pn-Uebergang und dem zweiten Kontaktglied erstreckt, wobei der pn-Uebergang und die aktive Schicht sich in einer Richtung parallel zu den · Spiegelseitenflächen über die ganze Breite des Halbleitersubstrats erstrecken.

Bei dieser Ausführungsform sind der pn-Uebergang und die aktive Schicht also breiter als der stromführende Teil derselben. Der Teil, in dem die genannte spontane Emission erhalten wird, erstreckt sich nicht bis zu einem Rand des pn-Uebergangs oder der aktiven Schicht, wie in gewissen Mesa- und vergrabenen Mesa-Streifenlasern.

Dies hat wichtige technologische Vorteile. Häufig sind für die seitliche Begrenzung des pn-Uebergangs und der aktiven Schicht auf einen schmalen Streifen, in dem Laserwirkung auftreten kann, zusätzliche Bearbeitungen während der Herstellung, wie Aetzen oder ein Beschuss mit z.B.

Protonen oder Sauerstoffionen, erforderlich. Wichtiger

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1st es aber, dass am Rande des pn-Uebergangs und der aktiven Schicht leicht strahlungslose Rekombination von Ladungsträgern auftreten kann und ausserdem oft ein verhältnismässig grosser Unterschied in Brechungszahl zwischen den Materialien auf beiden Seiten des begrenzenden Randes vorhanden ist. Beide Effekte machen die Ränder des pn-Uebergangs und der aktiven Schicht vom Gesichtspunkt der Herstellung kritisch, wobei an diesen Rändern leicht Verluste entstehen können, die eine gute Laserwirkung behindern. Die Ausbeute der Herstellung derartiger Laser wird dadurch niedriger als die Ausbeute von Lasern mit einer ununterbrochenen aktiven Schicht sein. Die Anwendung der Erfindung ermöglicht es, diese kritische Begrenzung der aktiven Schicht zu vermeiden und trotzdem Laser herzu- stellen, die nur einen einzigen Laserstrahl liefern.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Injektionslasers nach der Erfindung ist dadurch gekenn zeichnet, dass das erste Kontaktglied eine Elektrode aus leitendem Material enthält, die durch eine Sperrschicht von dem Halbleiterlaserkörper getrennt ist und in einer streifenförmiges Oeffnung in der Sperrschicht mit dem Laserkörper in elektrischer Verbindung steht, wobei die Breite der streifenförmigen Oeffnung mindestens etwa 5/um beträgt.

·' Die Sperrschicht kann eine Halbleiterschicht sein,

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die mit dem Halbleiterlaserkörper einen gleichrichtenden Uebergang bildet, der im Betriebszustand in der Sperrrichtung vorgespannt ist, aber wird meist durch eine Schicht aus Isoliermaterial', z.B. eine Oxidschicht, gebildet. Bei einer einfachen bevorzugten Ausführungsform weist die streifenförmige Oeffnung zwei praktisch parallele gerade Seiten auf, die sich praktisch von einer Spiegelseitenfläche zu der anderen erstrecken und einen Winkel von mindestens 1 und vorzugsweise 2 oder mehr Grad mit der Normalen auf den beiden Spiegelseitenflächen einschliessen. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass, nachdem ein Halbleiterkristall mit einem oder mehreren streifenförmigen Kontaktgliedern versehen ist, daraus ein oder mehrere Laser erhalten werden können, wobei die Breite des rechteckigen Streifens und damit die Breite des Laserstrahls dadurch auf den gewünschten Wert gebracht werden kann, dass die Länge des Lasers grosser oder kleiner gewählt wird. Diese Länge wird festgelegt, nachdem die Kontaktglieder angebracht sind, wenn der Halbleiterkörper gemäss vorher bestimmter Kristallflächen zum Erhalten der Spigelseitenflachen gespaltet wird.

Vorzugsweise ist die streif enförmige Oeffnung.. derart schräg angeordnet, dass die senkrechten Projektionen der beiden in der Nähe der Spiegelseitenflächen liegenden Enden der streifenförmigen Oeffnung auf eine Ebene parallel

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zu den Spiegelseitenflächen einander in einer Richtung parallel zu dem pn-Uebergang nicht überlappen, sondern vollständig nebeneinander liegen und einander höchstens berühren.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform,

Fig. 2 schematisch eine Draufsicht auf die erste Ausführungsform,

Fig. 3 schematisch wahrgenommene Strahlungsintensitäten,

Fig. h schematisch einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform,

Fig. 5 schematisch an der zweiten Ausführungsform wahrgenommene Strahlungsintensitäten,

Fig. 6, 7a, 8a und 9a in Draufsicht andere mögliche Formen des streifenförmigen Leuchtstoffgebietes von Lasern nach der Erfindung,

Fig. 7b, 8b, 9b und 9c in Draufsicht schematische Formen des strombegrenzenden Querschnittes der streifenförmigen Kontaktglieder, mit denen ein streifenförmiges Leuchtstoffgebiet nach Fig. 7a, Fig. 8a bzw. nach Fig. 9a erhalten werden kann, und

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Fig. 10 schematisch eine Draufsicht auf einen grösseren Halbleiterkristall, aus dem mehrere Laser hergestellt werden können.

Die erste" Ausführungsform betrifft einen Injektionslaser mit einem doppelten HeteroÜbergang. Der Laser enthält einen Halbleiterkörper 1 (Fig. 1) mit zwei praktisch parallelen Seitenflächen 2 und 3 (Fig. 2), die die Spiegel des Lasers bilden. Quer zu den Spiegelseitenflächen 2 und 3 erstreckt sich ein pn-Uebergang h in dem Halbleiterkörper 1 in der Nähe einer aktiven Laserschicht 5« Auf beiden Seiten des pn-Uebergangs h ist ein Kontaktglied bzw. 7 angeordnet, das den Abstand zwischen den Spiegelseitenflächen 2 und 3 praktisch völlig überbrückt, wobei das erste Kontaktglied 6 in einer geringeren Entfernung von dem pn-Uebergang k als das zweite Kontaktglied 7 liegt.

Das zweite Kontaktglied 7 ist eine leitende Schicht von 0,15/um, die sich über die ganze Unterseite des Halbleiterkörpers 1 erstreckt. Auf der gegenüberliegenden Seite ist der Halbleiterkörper 1 mit einer Isolierschicht aus z.B. Siliciumdioxid mit einer Dicke von etwa 0,2 ,um tiberzogen. In der Isolierschicht 8 ist eine streifenförmige Oeffnung 9 vorgesehen, die sich von einer Spiegelseitenfläche zu der anderen erstreckt. Auf der Isolierschicht 8 und in der Oeffnung 9 erstreckt sich eine leitende Schicht 6, die im vorliegenden Beispiel aus

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ο einer Schicht 10 aus Chrom mit einer Dicke von etwa 500 A

und einer Schicht 11 aus Gold mit einer Dicke von etwa

ο
2000 A aufgebaut ist.

Die leitende Schicht 6 bildet in der Oeffnung 9 einen streifenförmigen leitenden Kontakt mit dem Halbleiterkörper 1, wodurch bei Stromdurchgang von der leitenden Schicht 6 zu der leitenden Schicht 7 auch der stromführende Teil der aktiven Schicht 5 und des pn-Uebergangs h eine entsprechende Streifenform aufweisen wird. Die mit Hilfe des elektrischen Stromes und der damit gepaarten Injektion von Ladungsträgern über dem pn-Uebergang k erzeugte spontane und/oder stimulierte Emission wird also auch auf einen entsprechenden streifenförmigen Teil des pn-Uebergangs h und der aktiven Schicht 5 beschrankt sein. Dieser streifenförmige Teil, in dem Emission erzeugt werden kann, erstreckt sich, wie die Oeffnung 9· von einer Spiegelseitenfläche 2 zu der anderen Spiegelseitenfläche 3«

Der Halbleiterkörper 1 des Lasers weist weiter einen an sich bekannten Aufbau auf. Er enthält z.B. ein Substrat 12 aus η-leitendem GaAs, das mit Si in einer

I ο ο

Konzentration von etwa 10 Atomen/cm dotiert ist. Auf diesem Substrat 12 befindet sich eine Schicht 13 aus Al_xGa-As, wobei χ etwa 0,25 beträgt. Diese Schicht 13 ist eine mit Sn dotierte η-leitende Schicht mit einer Dicke von etwa 3i2/um, wobei die Sn-Konzentration etwa

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5 . 10 Atome/cm³ ist. Die Schicht 13 grenzt an den pn—Uebergang 4 und an die aktive Laserschicht 5» die aus p-leitendem GaAs besteht, etwa 0,3/um dick ist und mit Ge in einer Konzentration von etwa 5 · 10 Atomen/cm³ dotiert ist. Die aktive Schicht 5 grenzt an eine p-leitende Schicht 14 aus Al Ga, As mit einer Dicke von etwa 2,2 /um,

χ 1-x ' / '

wobei χ etwa 0,25 ist, wobei diese Schicht Ge in einer

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Konzentration von etwa 5 · 10 Atomen/cm³ als Dotierungs— mittel enthält. Die Schicht 15 besteht aus p-leitendem GaAs, das mit Ge bis zu einer Konzentration von etwa 2 . 10 Atomen/cm³ dotiert ist, wobei diese Schicht eine Dicke von etwa 1,4 /Um aufweist. In der Schicht 15 ist über die Oeffnung 9 eine p-leitende Zone 16 durch Diffusion von Zn aus einer ZnASp-Quelle mit etwa 10$ GaAs bei einer Temperatur von etwa 600°C während etwa 10 Minuten angebracht.. Die Eindringtiefe dieser Zone 16 beträgt etwa 1 /um.

Der Halbleiterkörper 1 kann völlig auf übliche Weise hergestellt werden. Die Gesamtdicke beträgt etwa 100/um.

Der Halbleiterkörper 1 des betreffenden Lasers weist weiter Abmessungen von etwa 300 /Um χ 300/Um auf, wobei die Breite der streifenförmigen Oeffnung 9 etwa 10/tun ist. Der Schwellwertstrom, der für das Auftreten stimulierter. Emission erforderlich ist, beträgt, wie gefunden wurde, etwa 200 mA. An einer der Spiegelseitenflächen wurde

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spontane Emission mit einer Intensitätsverteilung wahrgenommen, die schematisch mit der Kurve 31 in Fig. 3 dargestellt ist. Das Maximum liegt praktisch unter der Mitte der Oeffnung 9 und die Halbwertsbreite beträgt etwa 20/Um.

Die wahrgenommene spontane Emission tritt praktisch völlig in unmittelbarer Nähe der betreffenden Spiegelseitenflächen auf.

Es ist klar, dass bei Stromdurchgang durch den Halbleiterkörper unter der streifenförmigen Oeffnung 9 mit einer Breite von etwa 10 /um ein viel breiterer Streifen in der aktiven Schicht erhalten wird, in dem die Anzahl injizierter Ladungsträger genügend gross ist, um wahrnehmbare spontane Emission herbeizuführen. Von der streifenförmigen Oeffnung her wird der elektrische Strom in seitlicher Richtung an den beiden langen Seiten der Oeffnung etwas ausfächern. Weiter werden die in die aktive Schicht injizierten Ladungsträger, die zwischen den beiden Hetero-Uebergängen eingeschlossen sind, durch die auftretenden Konzentrationsunterschiede in seitlicher Richtung diffundieren. Die Breite des Streifens der aktiven Schicht in dem bei dem genannten Strom von etwa 200 mA spontane Emission mit einer Intensität von mindestens 0,3 der maximalen wahrgenommenen Intensität auftritt, ist etwa 25/um. In diesem Streifen ist also eine wesentlich erhöhte Ladungskonzentration vorhanden, so dass weitere Erhöhung

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des Stromes in diesem Streifen die für die Laserwirkung erforderliche Inversion auftreten könnte. Ein genauer Zusammenhang zwischen dem Auftreten von Inversion und der wahrgenommenen Intensität der spontanen Emission bei einem Strom in der Grössenordnung des Schwellwertstroms lässt sich schwer nachweisen. Dabei spielen eine grosse Anzahl von Parametern, wie die Dicke und die Dotierung der aktiven Schicht und der daran grenzenden Schichten, eine Rolle. Wohl kann im allgemeinen angenommen werden, dass in jenen Gebieten, in denen die Intensität der spontanen Emission weniger als 0,3 der maximalen Intensität beträgt, die Ladungsträgerkonzentration stets zu gering für das Auftreten von Laserwirkung sein wird. In vielen Fällen wird die Möglichkeit zum Auftreten von Laserwirküng nur über ein kleineres Gebiet vorhanden sein, in dem die Intensität der spontanen Emission nicht weiter als auf die Hälfte des Höchstwertes herabgesunken ist. Auch dann würde aber im vorliegenden Beispiel noch ein Streifen von etwa 20 /um breit verbleiben, in dem Inversion in genügendem Masse auftreten kann. Die Erfahrung zeigt, dass diese Breite viel zu gross ist, um erwarten zu dürfen, dass der Laser in dem Grundtransversalmodus, mit einem einzigen Fleck, wirken wird. In der Praxis werden bei einer derartigen Streifenbreite ein oder mehr Modi höherer Ordnung auftreten, wobei der Laser zwei oder mehr Flecke aufweisen wird.

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Für das Auftreten des Grundtransversalmodus wird die Streifenbreite auf höchstens 10 /um und vorzugsweise auf höchstens 6 ,um begrenzt werden müssen, wobei bemerkt wird, dass diese Werte praktische Werte sind. Die genaue hochstzulässige Streifenbreite hängt u.a. von den Dotierungen und der Dicke der Schicht ab.

Die Streifenbreite des Teiles der aktiven Schicht in dem spontane Emission auftritt, kann durch Verkleinerung der Breite der Oeffnung 9 verkleinert werden. Diese Oeffnung definiert ja einen kleinsten Querschnitt für Durchgang elektrischen Stromes, der einen wesentlichen Einfluss auf die Grosse des stromführenden Teiles des pn-Uebergangs k ausübt.

Bei den oben angegebenen Schichtdicken und

IJ Dotierungen wird eine Herabsetzung der Breite der Oeffnung auf z.B. 1 /um zu einem Streifen mit einer Breite von 11 bis i6/um in der aktiven Schicht führen, in dem stimulierte Emission auftreten könnte. Für den Grundtransversalmodus ist eine derartige Breite noch immer zu gross und ausserdem stellt eine Oeffnung von 1 ,um dem Herstellungsvorgang besonders strenge Anforderungen.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Oeffnung 9 in bezug auf die Spiegelseitenflächen 2 und 3 schräg angeordnet, wie schematisch in Fig. 2 dargestellt ist.

Der Deutlichkeit halber ist in dieser Figur, die nichtmass-

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stäblich gezeichnet ist, die Abweichung übertrieben dargestellt. Tatsächlich war die Breite a der Oeffnung 9 10 ;um und der Winkel «?C zwischen der Normalen auf den Spiegelseitenflächen 2 und 3 und den parallelen langen Rändern der Oeffnung 9 etwa 3_t5°·

Vie bereits erwähnt wurde, ist bei einer Oeffnung mit einer Breite von 10/um im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Streifen, in dem bei dem Schwellwertstrom spontane Emission mit einer Intensität grosser als oder gleich 0,3 der gefundenen maximalen Intensität auftritt, etwa 25/um breit. Dieser Streifen ist in Fig. 2 mit gestrichelten Linien angegeben. Der Abstand b ist etwa 25/Um. Dadurch, dass der Streifen b_ schräg in bezug auf die Spiegelseitenflächen angeordnet ist, ist der grösste rechteckige Streifen, der in diesen Streifen passt, viel schmäler. Dieser möglichst breite rechteckige Streifen, der sich von der Spiegelseitenflächei,2.zu der Spiegelseitenfläehe erstreckt, weist im vorliegenden Beispiel eine Breite c von etwa 7/um auf. Bei einem Winkel oC von etwa 3»5° und einem Abstand zwischen den Spiegelseitenflächen von etwa 300 /um ist der Durchschnitt der Oeffnung 9 und der einen Spiegelseitenfläche 2 etwa 18₇um gegen den Durchschnitt

der Oeffnung 9 und der anderen Spiegelseitenfläche 3 verschoben. Bei Vergrösserung des Stromes auf etwa 320 mA

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wurde Laserwirkung mit einer Intensitätsverteilung gefunden, wie sie schematisch mit der Kurve 32 in Fig. 3 angegeben ist. Die maximale Intensität war etwa sechsmal grosser als die maximale Intensität der Lumineszenz bei dem Schwellwertstrom. Die Halbwertsbreite des Flecks war etwa 4 /um. Der Laserstrahl ist etwa um 9/^um gegen die an der einen Spiegelseitenfläche erzeugte spontane Emission nach der Kurve verschoben.

Die Erfindung schafft also eine besonders einfache und günstige Lösung, durch die, ohne dass die dem Herstellungsvorgang zu stellenden Anforderungen extrem erhöht werden, Laser erhalten werden können, die in dem Grundtransversalmodus wirken und einen einzigen schmalen Fleck aufweisen. Die Ausbeute des Herstellungsvorgangs wird dadurch verhältnismässig hoch sein.

Die Breite des Streifens, in dem stimulierte Emission auftreten kann, und die Breite des Flecks können einfach dadurch beeinflusst werden, dass die Oeffnung 9 in einer schrägeren oder weniger schrägen Lage angeordnet wird, dass die Länge des Lasers passend gewählt wird und/oder dass die Breite der Oeffnung geändert wird. Bei kürzeren Lasern wird der Winkel oO werh'ältnismässig gross, bei längeren Lasern verhältnismässig klein sein können. Vorzugsweise ist der Winkelo6 grosser als oder gleich 2°.

Das zweite Ausführungsbeispiel betrifft einen

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mit Protonen beschossenen Streifenlaser. Der in Fig. 4 dargestellte Halbleiterkörper 40 ist auf gleiche Weise wie im ersten Beispiel aus Schichten 12, 13, 5i 14 und mit denselben Dicken, derselben Zusammensetzung und denselben Dotierungen aufgebaut. Statt einer örtlichen Zone ist in diesem Falle über die ganze Oberfläche der Schicht eine Diffusion von Zn durchgeführt. Die Zn-dotierte Schicht ist mit 41 bezeichnet. Auf der Unterseite des Halbleiterkörpers 4o befindet sich auch hier ein Kontaktglied 7.

Auf der Oberseite werden nacheinander eine Titanschicht 42, eine Platinschicht 43 und eine nicht dargestellte etwa 5/um dicke Goldschicht angebracht. Dann wird die Goldschicht, bis auf einen etwa 4 Aim breiten, sich von der einen Spiegelseitenfläche zu der anderen erstreckenden Streifen, weggeätzt. Dieser 4 /Um breite Goldstreifen wird während eines Beschüsses mit Protonen mit einer Energie von etwa 300 keV als Maske verwendet. Die Dosis betrug etwa 10 /cm². Durch diesen Beschuss wird der nicht von dem Goldstreifen maskierte Teil des Halbleiterkörpers bis zu einer Tiefe von etwa 2/um hochohmig. Die auf beiden Seiten des Goldstreifens liegenden hochohmigen Teile sind in Fig. 4 mit ihren Begrenzungen 44 angegeben. Nach dem Beschuss wird der Goldstreifen entfernt. Nach Spaltung des Halbleiterk^istails zum Erhalten der Spiegelseitenflächen ist der Laserkörper für Fertigmontage bereit.

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Die Fertigmontage kann auf übliche Weise und in einer üblichen Umhüllung erfolgen.

Diese Ausführungsform weist an sich den Vorteil auf, dass der strombegrenzende Querschnitt 45 des dem pn-Uebergang am nächsten liegenden Kontaktgliedes 42, 43 schmäler ist und dass ausserdem durch die Eindringtiefe von 2/um des Protorienbeschusses der Abstand von dem pn-Uebergang 4 kleiner ist, so dass die Ausfächerung oder Streuung des Stromes geringer sein wird.

Es stellte sich heraus, dass der Schwellwertstrom etwa 120 mA war. Die bei diesem Strom an einer der Spiegel-. Seitenflächen wahrgenommene spontane Emission hatte eine Intensitätsverteilung mit einer Halbwertsbreite von etwa 12,5/Um. Diese Verteilung ist schematisch mit der Kurve 51 in Fig. 5 angegeben.

Auch in diesem Beispiel ist das Kontaktglied absichtlich schräg in bezug auf die SpiegelSeitenflächen angeordnet. Die schematische Draufsicht nach Fig. 2 trifft zu, wenn angenommen wird, dass die Oeffnung 9 in der Isolierschicht 8 nun das streifenförmige Halbleitergebiet darstellt, das im zweiten Beispiel ja den strombegrenzenden Querschnitt des Kontaktgliedes definiert. Im zweiten Beispiel ist der Abstand a etwa 4 /um, der Abstand b etwa 12,5/um und der Abstand c etwa 7»5/um. Der Laser ist etwa 300/um lang und der Durchschnitt des streifenförmigen

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Halbleitergebietes 45 und der einen Spiegelseitenfläche ist etwa um 5/um gegen den Durchschnitt mit der anderen Spiegelseitenfläche verschoben. Der Winkel ⁰^ beträgt gut und der Unterschied zwischen den Abständen b und c ist etwa 1/6O der Laserlänge.

Bei einem Strom von etwa 16O mA wurde die schematisch durch die Kurve 52 dargestellte Laserstrahlung wahrgenommen. Die Halbwertsbreite war gut 5/um und die maximale Intensität war etwa fünfzehnmal grosser als die der spontanen Emission nach der Kurve 51· Die Stelle an der Spiegelseitenfläche, an der diese maximale Intensität auftritt, ist etwa um 2 bis 3/Um gegen die Stelle der maximalen Intensität der wahrgenommenen spontanen Emission verschoben.

In den beiden Beispielen enthält der Halbleiterkörper 1 ; 40 ein Halbleitersubstrat 12, das sich zwischen dem pn-Uebergang 4 und dem zweiten Kontaktglied 7 befindet, wobei der pn-Uebergang k und die aktive Schicht 5 sich in einer Richtung parallel zu den Spiegelseitenflächen 2 und praktisch über die ganze Breite des Halbleitersubstrats erstrecken.

In einer Richtung quer zu dem ersten Kontaktglied sind der pn-Uebergang und die aktive Schicht also wesentlich breiter als die stromführenden Teile derselben.

Mit anderen Worten: ausgenommen den Spie.gelseitenflächen

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fallen die seitlichen Grenzen des lasernden Gebietes nicht mit den seitlichen Grenzen des pn-Uebergangs und der aktiven Schicht zusammen. Die Probleme, die sich beim Zusammenfallen der Begrenzung des pn-Uebergangs und der aktiven Schicht mit der Begrenzung des lasernden Gebietes ergeben können, wie ein zu grosser Unterschied in Brechungszahl am Rande des lasernden Gebietes und/oder eine zu grosse Rekombinationsgeschwindigkeit an diesem Rande oder Verlust durch strahlungslose Rekombination an diesem Rand, werden auf diese Weise vermieden, während das lasernde Gebiet durch Anwendung der Erfindung dennoch verhältnismässig schmal gehalten werden kann.

Im ersten Beispiel enthält das erste Kontaktglied eine Elektrode 6 aus leitendem Material, die durch eine Sperrschicht 8 von dem Halbleiterlaserkörper getrennt ist und in einer streifenförmigen Oeffnung 9 in der Sperrschicht 8 mit dem Laserkörper in elektrischer Verbindung steht. Die Breite der streifenförmigen Oeffnung 9 ist vorzugsweise mindestens etwa 5/um.

In beiden Beispielen ist die Geometrie des ersten Kontaktgliedes derart gewählt, dass die Projektionen der Durchschnitte des strombegrenzenden Querschnittes k$ oder der Oeffnung 9 und der beiden Spiegelseitenflächen 2 bzw. auf eine Ebene parallel zu den beiden Spiegelseitenflächen einander in einer Richtung parallel zu dem pn-Uebergang 4

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nicht überlappen, sondern vollständig nebeneinander liegen. Im ersten Beispiel beträgt der Abstand zwischen den Projektionen etwa 8 /um und im zweiten Beispiel ist dieser Abstand etwa 1 /um.

Vorzugsweise ist der breiteste rechteckige Streifen, der in den Streifen passt, in dem Lumineszenz mit einer Intensität grosser als oder gleich der Hälfte der maximalen Intensität auftritt, nicht breiter als 6 /um, wie im ersten Beispiel, in dem diese Breite etwa 20 - 18 = 2/um beträgt. Eine grössere Sicherheit des Auftretens des Grundtransversalmodus ist vorhanden, wenn auch der breiteste rechteckige Streifen, der in den Leuchtstoffstreifen passt, in dem die Intensität grosser als oder gleich 0,3 der maximalen Intensität ist, höchstens 6 /um breit ist. Wie erwähnt, kann die Breite des rechteckigen Streifens einfach durch Einstellung der Länge des Lasers, der Grosse des WinkelsoC und/oder der Breite des strombegrenzenden Querschnittes des ersten Kontaktgliedes auf den gewünschten Wert gebracht werden. So kann z.B. die Breite der Oeffnung 9 im ersten Beispiel 1 oder 2 /um kleiner gewählt oder kann der Laser etwa 330 /Um statt 300/Um lang gemacht werden.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Es leuchtet ein, dass andere Halbleitermaterialien und/oder andere Schichtdicken,

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Dotierungen und Dotierungskonzentrationen und/oder ein anderer Schichtenaufbau verwendet werden können. Z.B. braucht der Laser kein Laser mit doppeltem HeteroÜbergang zu sein. Die Erfindung bezweckt insbesondere, Laser zu schaffen, die ohne dass dem Herstellungsvorgang strenge Anforderungen gestellt werden, hergestellt werden können und dennoch in dem Grundtransversalmodus wirken und die erwünschtenfalls einen sehr schmalen Fleck liefern. Nach der Erfindung wird dies mittels der Geometrie eines der Kontaktglieder erzielt, wobei die Geometrie in diesem Zusammenhang sowohl die besondere Form als auch die Anordnung in bezug auf die Spiegelseitenflächen umfasst. Mit Hilfe dieser Geometrie wird erreicht, dass innerhalb eines verhältnismässig grossen Gebietes, in dem spontane Emission auftritt, nur ein verhältnismässig schmaler rechteckiger Streifen zwischen den Spiegelseitenflächen vorhanden ist, in dem über die ganze Länge des Lasers in genügendem Masse Inversion auftritt, um Laserwirkung erhalten zu können. Dabei können ausser den einfachen Streifen mit zwei geraden langen praktisch parallelen Randern, wie in den beiden beschriebenen Ausführungsbeispielen, auch andere Formen angewandt werden. So zeigt Fig. 6 ein sich windender Streifen 6k, in dem spontane

Emission auftritt, die mit einem entsprechenden sich windenden strombegrenzenden Querschnitt des Kontaktgliedes

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erhalten werden kann. In diesem Falle ist die Amplitude der Windung derart gross, dass nur Laser mit einer die Hälfte der Periode der Windung unterschreitenden Länge erhalten werden können. In Abhängigkeit von der Länge des Lasers kann das lasernde Gebiet schmäler oder breiter sein, wie angegeben ist. Die Spiegelseitenflächen sind schematisch mit gestrichelten Linien 3 und 2 bzw. 2* angegeben. Liegt die Spiegelseitenfläche auf der Höhe der Linie 2, so liegt das lasernde Gebiet innerhalb der strichpunktierten Linien 61 und 62. Ist der Laser länger und liegt die Spiegelseitenfläche auf der Höhe der Linie 2', so liegt das lasernde Gebiet innerhalb der strichpunktierten Linien 61 und 63.

Die Kombination von Streifenbreite 71 und Amplitude der Windung kann auch derart gewählt werden, dass für Laserlängen, die grosser als die halbe Periode der Windung sind, die Breite des lasernden Gebietes von der Laserlänge unabhängig ist. Dies ist in Fig. 7a dargestellt. Der sich windende Leuchtstoffstreifen 72 enthält einen rechteckigen Streifen 73t dessen Breite von der Länge unabhängig ist. Je nach der auftretenden Stromstreuung und der Diffusionslänge der eingeschlossenen Ladungsträger kann der schmälere Streifen 7h (Fig. 7b), der den strombegrenzenden Querschnitt des Kontaktgliedes darstellt, gar keinen ununterbrochenen rechteckigen Streifen enthalten.

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Eine andere Form, bei der die Breite des lasernden Gebietes nicht von der Länge des Lasers abhängig ist, ist in Fig. 8 dargestellt. Fig. 8a zeigt den Leuchtstoffstreifen 81 mit darin dem ununterbrochenen rechteckigen Streifen 82, in dem Laserwirkung auftreten kann. Der Streifen 81, der örtlich in seitlicher Richtung versetzt ist, kann mit einem Kontaktglied erhalten werden, das aus zwei Teilen 83 und 84 besteht, wie in Fig. 8b dargestellt ist. Bei einem Kontaktglied mit voneinander getrennten Teilen werden die Teile vorzugsweise eine Gesamtlänge aufweisen, die grosser als die Länge des Lasers ist, so dass die beiden Teile in der Längsrichtung des Lasers einander etwas überlappen. Eine derartige Variante ist in Fig. 9 dargestellt. Fig. 9a zeigt den Leuchtstoffstreifen 91 und die gerade Begrenzung 82 des lasernden Gebietes und Fig. 9b zeigt die beiden voneinander getrennten Teile 93 und 9^ des Kontaktgliedes. Für den Fall, dass der Unterschied ±n der Breite des LeuchtstoffStreifens 91 und des strombegrenzenden Querschnittes kleiner ist, z.B. infolge der Tatsache, dass die auftretende Stromstreuung geringer ist, kann ein ununterbrochenes Kontaktglied 95 (Fig. 9c) verwendet werden.

Die in den Fig. 8 und 9 gezeigten Formen weisen in bezug auf die nach den Fig. 6 und 7 den Vorteil auf, dass darin nur gerade Linien vorhanden sind. Diese aus

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Rechtecken aufgebauten Formen lassen sich einfacher in Belichtungsmasken herstellen, die für die photolithographischen Schritte in dem Herstellungsvorgang erforderlich sind. Ausserdem lassen sich diese rechteckigen Formen, die praktisch senkrecht auf den Spiegelseitenflächen stehen, leichter in bezug auf die als Spiegelseitenflächen zu verwendenden Kristallflächen ausrichten. Mit einem photochemischen Aetzvorgang können in einer Isolierschicht aus z.B. Siliciumoxid verhältnismässig einfach mehrere Reihen gegeneinander versetzter Oeffnungen 93 und 9k (Fig. 10) vorgesehen werden. Dann kann die ganze freie Oberfläche mit einer leitenden Schicht bedeckt werden. Aus einem auf diese Weise bearbeiteten Halbleiterkörper können eine Anzahl von Lasern durch Spaltung des Körpers quer zu den Oeffnungen und durch die Oeffnungen erhalten werden, in der Weise, dass jeder Laser mindestens zwei Oeffnungen 93 und 9^* aufweist. Z.B. kann längs der gestrichelten Linien gespaltet werden. In einer Richtung parallel zu den Reihen von Oeffnungen kann der Halbleiterkörper z.B. durch Kratzen und Brechen in eine Anzahl gerader Streifen z.B. längs der strichpunktierten Linien 97 unterteilt werden. Dabei ist die Unterteilung in gerade praktisch senkrecht auf den Spiegeln, somit senkrecht auf den Linien 96 stehende Streifen einfacher als die Unterteilung in schräg in bezug auf die Spiegel angeordnete Streifen.

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Für mit Protonen beschossene Laser können auf ähnliche Weise gegeneinander versetzte Streifen aus einem maskierenden Material ausgeätzt werden.

Im allgemeinen ist diese wichtige Ausführungs-

form dadurch gekennzeichnet, dass der zu dem ersten Kontaktglied gehörende strombegrenzende Querschnitt mindestens zwei praktisch rechteckige, praktisch senkrecht auf den Spiegelseitenflächen stehende Teile aufweist, die je eine Länge haben, die kleiner als der Abstand zwischen den Spiegelseitenflächen ist, wobei die praktisch zueinander parallelen Mittellinien 98 bzw. 99 dieser beiden rechteckigen Teile nicht miteinander zusammenfallen, sondern in einiger Entfernung voneinander liegen. Vorzugsweise ist die Summe der Längen der rechteckigen Teile mindestens gleich dem Abstand zwischen den Spiegelseitenflächen, wobei diese Summe vorteilhafterweise grosser als der genannte Abstand gewählt wird. Der Abstand zwischen den Mittellinien 98 und 99 liegt in der Grössenordnung der quer zu den Mittellinien gemessenen Breite der recht eckigen Teile des strombegrenzenden Querschnittes des Kontaktgliedes und wird, je nach der auftretenden Strometreuung und der seitlichen Diffusion injizierter Ladungsträger, etwas grosser als die Breite sein, wie in den Fig. 8b und 9b, oder gleich dieser Breite sein, wie in

Fig. 9c» oder etwas kleiner als diese Breite sein.In beiden letzteren Fällen werden die rechteckigen Teile einander örtlich überlappen oder wenigstens aneinander grenzen.

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Claims

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PATENTANSPRUECHE:

\.J Injektionslaser mit einem Halbleiterkörper mit zwei praktisch parallelen Seitenflächen, die die Spiegel des Lasers bilden, mit einem pn-Uebergang, der sich quer zu den Spiegelseitenflächen in dem Halbleiterkörper erstreckt, und mit einer in der Nähe dieses pn-Ueberganges liegenden aktiven Laserschicht, wobei auf beiden Seiten des pn—Uebergangs ein Kontaktglied vorhanden ist, das den Abstand zwischen den Spiegelseitenflächen praktisch völlig überbrückt, wobei ein erstes dieser Kontaktglieder in einer geringeren Entfernung von dem pn-Uebergang als das zweite Kontaktglied liegt, und wobei der Teil des pn-Uebergangs, an dem bei einem von einem Kontaktglied zu dem anderen durch den Halbleiterkörper fliessenden Strom mit einem Wert etwa gleich dem Schwellwertstrom, der für das Auftreten stimulierter Emission erforderlich ist, spontane Lumineszenz auftritt, eine sich von einer Spiegelseitenfläche zu der anderen erstreckende Streifenform aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie des ersten Kontaktgliedes derart ist, dass in den Streifen des pn-Uebergangs, dessen lange Seiten sich in einem parallel zu den Spiegelseitenflächen gemessenen Abstand b voneinander befinden, wobei dieser Abstand b derart gewählt ist, dass die örtliche Intensität der genannten spontanen Emission innerhalb des Streifens mindestens etwa 0,3

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Höchstwertes der örtlichen Intensität, die im Streifen auftritt, ist, nur ein einziger rechteckiger sich von einer Spiegelseitenfläche zu der anderen erstreckender möglichst breiter Streifen passt, dessen Breite höchstens gleich dem Abstand b abzüglich 1/6O des Abstandes zwischen den Spiegelseitenflächen und weiter derart gering ist, dass beim Betrieb ein einziger Laserstrahl erhalten wird.
2. Injektionslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des rechteckigen Streifens höchstens' gleich 6/um ist.
3· Injektionslaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper ein Halbleitersubstrat enthält, das sich zwischen dem pn-Uebergang und dem zweiten Kontaktglied erstreckt, wobei der pn-Uebergang und die aktive Schicht sich in einer Richtung parallel zu den Spiegelseitenflächen praktisch über die ganze Breite des Halbleitersubstrats erstrecken.
4. Injektionslaser nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kontaktglied eine Elektrode aus leitendem Material enthält, die durch eine Sperrschicht von dem Halbleiterlaserkörper getrennt ist und in einer streifenförmigen Oeffnung in der Sperrschicht mit dem Laserkörper in elektrischer Verbindung steht, wobei die Breite dieser streifenförmigen Oeffnung mindestens etwa 5/Uni beträgt.

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- yr -3
5. Injektionslaser nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, dass die streifenförmige Oeffnung zwei praktisch parallele gerade Seiten aufweist, die sich praktisch von einer Spiegelseitenfläche zu der anderen erstrecken und einen Winkel von mindestens 1° mit der Normalen auf den beiden Spiegelseitenflächen einschliessen.
6. Injektionslaser nach Anspruch k oder 5> dadurch gekennzeichnet,.dass die senkrechten Projektionen der beiden in der Nähe des Spiegelseitenflächen liegenden Enden der streifenförmigen Oeffnung auf eine Ebene parallel zu den Spiegelseitenflächen in einer Richtung parallel zu dem pn-Uebergang einander: nicht überlappen, sondern völlig nebeneinander liegen.
7. Injektionslaser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zu dem ersten Kontaktglied gehörige strombegrenzende Querschnitt mindestens zwei rechteckige, praktisch senkrecht auf den Spiegelflächen stehende Teile enthält, die je eine Länge aufweisen, die kleiner als der Abstand zwischen den Spiegelseitenflächen ist, wobei die praktisch zueinander parallelen Mittellinien dieser beiden rechteckigen Teile in einiger Entfernung voneinander liegen.

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