DE2747371A1

DE2747371A1 - Halbleiterlaser

Info

Publication number: DE2747371A1
Application number: DE19772747371
Authority: DE
Inventors: Tokio Hachioji; Takashi Kajimura; Masayoshi Kobayashi; Michiharu Nakamura; Kazutoshi Saito; Noriyuki Shige; Junichi Umeda
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1976-10-22
Filing date: 1977-10-21
Publication date: 1978-04-27
Also published as: US4176325A; GB1545194A; NL7711664A; DE2747371C3; DE2747371B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterlaser, insbesondere einen in Leckweise arbeitenden Laser mit begrabener HeteroStruktur (engl. leaky-mode buried-heterostructure laser).

Bislang wurde bei einem Halbleiterlaser, bei welchem in einem pn-übergang erzeugtes und zur Ausbreitung gebrachtes Licht durch einen Resonatoraufbau einer Laseroszillation unterworfen wird, oft die doppelte HeteroStruktur verwendet, die eine gute optische Eingrenzung im Übergangsbereich zeigt. Die doppelte HeteroStruktur ist so aufgebaut, daß an eine Halbleiterschicht (beispielsweise eine GaAlAs-Schicht) mit niedrigem Brechungsindex und hoher Bandabstandsenergie auf beiden Seiten ein Halbleiterbereich (beispielsweise eine GaAs-Schicht)

15 anschließt, der als aktive Schicht dient, in der die Laseroszillation durchgeführt wird.

Die doppelte HeteroStruktur weist Unterschiede im Brechungsindex in einer Richtung senkrecht zum HeteroÜbergang auf, jedoch keine solchen Unterschiede im Brechungsindex in einer Richtung parallel zum Herto-Ubergang. Es war die doppelte HeteroStruktur des Mesastreifen-Typs, die ersonnen wurde, um eine Brechungsindexvariation in seitlicher Richtung zu erzielen. Diesen Aufbau erhält man, indem parallel zu den Hetero-Ubergängen der doppelten HeteroStruktur verlaufende Kristallflächen zur Ausbildung einer streifenförmigen Mesa und um die aktive Schicht streifenförmig zu machen, einer Mesaätzung unterworfen werden. Deshalb schließt der Außenraum oder eine andere Substanz direkt an die beiden Seitenflächen der aktiven Schicht an, und es zeigen sich auch in seit-

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licher Richtung Unterschiede im Brechungsindex. Diese Struktur wird ferner unter den Hochnesa-Typ oder den Niedrigmesa-Typ eingeordnet, abhängig von der Tiefe der Mesaätzung, und hat, verglichen mit früheren Doppelheterostruktur-Lasern den Vorteil, daß eine wirksame optische Eingrenzung vorhanden ist und daß ein Ausbreiten des Stroms in die seitliche Richtung nicht auftritt. Diese Tatsachen wurden beispielsweise in Appl. Phys. Letters, Band 20, Seiten 344 bis 345, 1972 oder IEEE J. Quantum Electronics, Band QE-9, Nr. 2, Feb. 1973 publiziert.

Wenn ferner nochmals eine Halbleiterschicht mit niedrigem Brechungsindex erneut um das der Mesaätzung unterworfene gestreifte Gebiet umgebend gezogen wird, erhält man eine Struktur, bei welcher das gestreifte aktive Gebiet mit hohem Brechungsindex durch den Halbleiter mit niedrigem Brechungsindex umgeben ist. Bei einer solchen Struktur ist das aktive Gebiet von Halbleiter eingeschlossen, welcher einen ähnlichen Brechungsindex hat, weshalb die optisehen Eigenschaften verbessert sind. Einzelheiten dieser Struktur sind beispielsweise in den offengelegten japanischen Patentanmeldungen 50-10985 und 50-10986 beschrieben. Ein Halbleiterlaser, bei welchem Streifen zur Verhinderung einer Stromausbreitung über und unter der aktiven Schicht angeordnet sind, ist in der US-Patentschrift 3 849 790 beschrieben.

In den so weit beschriebenen Halbleiterlasern mit Wellenleiterstrukturen entsteht jedoch das Lichtbrechungsphänomen als Folge der Eingrenzung von Licht, und es werden Laserstrahlen mit erheblichen Divergenzwinkeln emittiert. Die Strahldivergenz beträgt ungefähr 8 bis 30°, obwohl sie natürlich, abhängig vom Aufbau des besonderen Halbleiterlasers, schwankt.

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Die Intensitätsverteilung eines Laserstrahls, der von einem Halbleiterlaser emittiert wird, hat die Beziehung einer Fouriertransformierten mit der Lichtintensitätsverteilung innerhalb des Lasers. Dementsprechend ist eine Verminderung der Strahldivergenz grundsätzlich durch eine Vergrößerung des optischen Eingrenzungsbereichs möglich. Mit einer Ausdehnung des optischen Eingrenzungsbereichs wird jedoch eine Entwicklung von Laseroszillationen in seitlichen Moden höherer Ordnung wahrscheinlich. Die Entwicklung von Laseroszillationen in Moden höherer Ordnung führt zu einer Ausbreitung des Divergenzwinkels des Laserstrahls als ganzen. Aus diesem Grund ist es sehr schwierig, bei Halbleiterlasern bekannten Aufbaus die Strahldivergenz

15 unter 8° zu drücken.

Aufgabe der Erfindung ist daher, einen Halbleiterlaser zu schaffen, welcher hochkollimierte Strahlen enger Strahldivergenz emittiert. Ferner soll der erfindungsgemäße Halbleiterlaser auch vorteilhaft hinsichtlieh eines Qualitätsverlusts infolge von Beschädigungen der Endfacetten des Halbleiterlasers sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß die im folgenden beschriebene Struktur vorgeschlagen. Ein optischer Eingrenzungsbereich wird auf einem vorgegebenen Halbleitersubstrat vorgesehen. Der optische Eingrenzungsbereich ist so aufgebaut, daß auf beiden Seiten einer ersten Halbleiterschicht, deren Dicke gleich oder kleiner als die Schwingungswellenlänge des Halbleiterlasers ist, eine zweite Halbleiterschicht und eine dritte Halbleiterschicht vorgesehen sind, deren Brechungsindizes kleiner als derjenige der ersten Halbleiterschicht sind und deren Leitungstypen einander entgegengesetzt sind. Die Mehr-

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fachschicht/ welche aus der ersten Halbleiterschicht, der zweiten und der dritten Halbleiterschicht besteht, wird zwischen Abschnitten einer vierten Halbleiterschicht so eingeschlossen, daß die Abschnitte an die betreffenden Halbleiterschichten angrenzen können. Die vierte Halbleiterschicht wird so vorgesehen, daß sie einen Bandabstand hat, der größer ist als derjenige der ersten Halbleiterschicht und einen Brechungsindex, der höher ist als diejenigen der zweiten und dritten Halbleiterschicht. Auf diese V7eise wird der äquivalente Brechungsindex der ersten Halbleiterschicht niedriger als der Brechungsindex der vierten Halbleiterschicht gemacht, wodurch ein leckend arbeitender Laser mit begrabener HeteroStruktur verwirklicht wird. Für die Praxis wird die Dicke der ersten Halbleiterschicht zu ungefähr 0,05 um bis 0,22μπι gemacht.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung

besteht die erste Halbleiterschicht aus Ga₁ „ Al As,

1-x-, X₁

die zweite Halbleiterschicht aus Ga₁ Al As, die dritte

^1-X2 ^X2

Halbleiterschicht aus Ga₁ Al As und die vierte HaIb-

1-X₃ X₃

leiterschicht aus Ga₁ Al As, wobei 0 ^ X₁ < x,< x~_f Xo<0,7

ι-χ. χ. ι t δ ο χ

25 ist.

Die Erfindung wird nun im einzelnen anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben. Auf dieser zeigt Fig. 1 eine Schnittansicht eines optischen Eingrenzungsbereichs in einem erfindungsgemäßen Halbleiterlaser, wobei die Ansicht senkrecht zum Laser

strahl genommen ist,

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Fig. 2 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen

Halbleiterlasers,
Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Beziehung

zwischen Bedingungen zur Herstellung von

5 n_leq=n4 und Differenzen zwischen den Bre

chungsindizes entsprechender Halbleiterschichten im erfindungsgemäßen Halbleiterlaser, Fig. 4 die Fernfeld-Intensitätsverteilungen eines

Laserstrahls in einer Richtung parallel zum

pn-übergang des erfindungsgemäßen Halbleiter

lasers,

Fig. 5 die berechneten Differenzen der Brechungsindizes Δη-jgq (ausgezogene Linien), ^ⁿ1eq ^{= n}1eq~ⁿ4' ^un(^ Leckwinkel θ (gestrichelte Linien) über verschiedenen AlAs-Molenbrüchen

in senkrechten Schichten,

Fig. 6 ein Diagramm zur Erläuterung der Beziehung zwischen Bedingungen zur Herstellung von n^_e<_ = n4 und Differenzen der Brechungsindizes von entsprechenden Halbleiterschichten in einem Halb

leiterlaser, welcher GaAlAs als Halbleitermaterial verwendet, und

Fig. 7 ein Diagramm, welches die Änderungen der Lichtausgabe eines Halbleiterlasers in Abhängigkeit von der Betriebszeit wiedergibt.

Die Erfindung schafft einen Halbleiterlaser mit begrabener HeteroStruktur, welcher in der Lage ist, einen hochkollimierten Strahl mit enger Strahldivergenz zu emittieren, und welcher den Vorteil hat, gegen eine Eigen-Schaftsverschlechterung durch Beschädigungen an den Endfacetten des Halbleiterlasers widerstandsfähig zu sein.

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Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch den erfindungsgemäßen Halbleiterlaser senkrecht zum Laserstrahl. Sie veranschaulicht den Hauptabschnitt zur Ausführung einer Laseroszillation, nämlich einen optischen Eingrenzungsbereich. Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht, welche den grundlegenden Aufbau des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers zeigt. Eine erste Halbleiterschicht 1, die als aktive Schicht dient, liegt zwischen einer zweiten Halbleiterschicht 2 und.einer dritten Halbleiterschicht 3, deren Brechungsindex niedriger als derjenige der aktiven Schicht ist, und deren Leitungstypen einander entgegengesetzt sind. Auf diese Weise wird eine HeteroStruktur aufgebaut. Dieser Bereich erstreckt sich in Form eines Streifens in Richtung der z-Achse in Fig. 1. Ferner sind Abschnitte einer vierten Halbleiterschicht 4 so vorgesehen, daß sie den streifenförmigen Bereich zwischen sich einschließen. Hier ist die vierte Halbleiterschicht auf den Oberflächen des streifenförmigen Bereichs angeordnet, die senkrecht zu den Oberflächen liegen, aus denen Licht emittiert wird, so daß sowohl die erste, als auch die zweite, als auch die dritte Halbleiterschicht in Berühung mit der vierten durch diese begraben sein kann.

Die vierte Halbleiterschicht 4 besteht aus einem Halbleiter, dessen Brechungsindex (n₄) höher ist als die Brechungsindizes (n2 und n₃) der zweiten Halbleiterschicht und der dritten Halbleiterschicht 3 und dessen Bandabstand (Eg₄) größer als der Bandabstand (Eg-|) der aktiven Schicht ist. Wenn die Dicke (d) der aktiven Schicht gering ist, dringt Licht in die zweite Halbleiterschicht 2 und in die dritte Halbleiterschicht 3 ein. Aus diesem Grund wird der äquivalente Brechungsindex (n-j_eq) der aktiven Schicht 1, welcher die Ausbreitungskonstante von Licht in der aktiven

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Schicht bestimmt, ausreichend niedriger als der durch die Substanz bestimmte Brechungsindex (n-). Im allgemeinen wird die Dicke der aktiven Schicht so eingestellt, daß sie gleich oder kleiner als die Wellenlänge (A) einer Laserstrahlung ist, welche innerhalb der aktiven Schicht durch Strominjektion erzeugt wird. Wenn die aktive Schicht dünn wird und der äquivalente Brechungsindex (n-|_eq) der aktiven Schicht kleiner als der Brechungsindex (n₄) der vierten Halbleiterschicht 4 wird, leckt Licht unter einem Winkel θ in Bezug auf die Ausbreitungsrichtung des Lichts nach außen in die vierte Halbleiterschicht 4. Der Leckwinkel θ ist gegeben durch:

sin θ = (n₄ ² - n_1eq ²)^1/2/n₄ (1) 15

Ferner ist, wie oben beschrieben, der Bandabstand der vierten Halbleiterschicht 4 größer als derjenige der aktiven Schicht. Deshalb ist das Licht, das nach außen geleckt hat, im wesentlichen keinen Absorptions-Verlusten unterworfen, und die Laservorrichtung oszilliert in diesem Zustand (d.h. in der Leckbetriebsweise).

Die erfindungsgemäße Halbleiterlaservorrichtung wird also zusammenfassend nach den folgenden Bedingungen eingestellt: d<A ; n₂, n₃ < n₄ < n₁; und Eg₁ < Eg₄, und hat den äquivalenten Brechungsindex (n^_e ) der aktiven Schicht niedriger als den Brechungsindex (n₄) der vierten Halbleiterschicht (d.h. es gilt n-|_eq < n₄) .

Der äquivalente Brechungsindex (n-j_eg) der aktiven Schicht 1 läßt sich für ein optisches Wellenleitermodell unter Verwendung der Maxwell-Gleichungen berechnet. Das allgemeine Näherungsverfahren ist beispielsweise in

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Introduction to Optical Electronics, Amnon Yaviv, Holt. Rinehart und Winston Inc., 1971, Seiten 40 bis 47. beschriebenen. Es wird im folgenden kurz erläutert.

Wie in Fig. 1 gezeigt, hat der optische Eingrenzungsbereich des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers eine zweidimensionale optische Wellenleiterstruktur, in welcher die erste Halbleiterschicht in vertikaler Richtung durch den zweiten und den dritten Halbleiterbereich mit niedrigeren Brechungsindizes als der erste Halbleiterbereich und in seitlicher Richtung durch den vierten Halbleiterbereich umgeben ist. Im Falle des Halbleiterlasers ist jedoch die Dicke der aktiven Schicht ausreichend geringer als ihre Breite, und die Wellenverteilung in vertikaler Richtung wird durch den Einqrenzungseffekt in seitlicher Richtung kaum berührt. Der vorgenannte äquivalente Brechungsindex (n^_e ) der aktiven Schicht 1 läßt sich daher für in einem eindimensionalen Wellenleiter fortschreitende Wellen berechnen, in welchem der Bereich der aktiven Schicht 1 die Dicke d und eine unendliche Ausdehnung

20 in seitliche Richtung hat.

Dementsprechend lassen sich, wenn die erste in Fig. 1 gezeigte Halbleiterschicht durcn einen Bereich I und die zweite und dritte Halbleiterschicht durch einen Bereich II dargestellt sind, die Wellen der jeweiligen Bereiche folgendermaßen ansetzen. Selbst in einem Falle, wo die Brechungsindizes der zweiten und dritten Halbleiterschicht nicht gleich sind, läßt sich die Berechnung auf der Basis der im folgenden gegebenen Betrachtung machen.

E⁷ = E_rt cos(K y + O) exp(-i K ζ + i (J t)

• · · · »Bereich I (2)

E⁷ = E_n exp(- K₂ y) exp(-i K₂, ζ + i d t)

Bereich II (3)

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wobei K und K₂ ^die Ausbreitungskonstanten der Wellen in y-Richtung im Bereich I bzw. II, K_z die Ausbreitungskonstante in z-Richtung, ψ den Phasenfaktor und üO die Kreisfrequenz bezeichnen. Durch Einsetzen der Gleichungen (2) und (3) in die Maxwell-Gleichung erhält man die folgende Gleichung: P P ? ?

V ^{+ K}y2 ^{= K}i - ^K2

(K₁ = 2V(A H₁), i = 1, 2) (Zf)

wobei n^ den Brechungsindex für jeden der Bereiche und

A die Vakuumlichtwellenlänge bezeichnen.

Aus der Bedingung der Kontinuität des elektrischen Feldes und der ersten Ableitung davon in den Bereichen ,. I und II erhält man die folgende Gleichung:

K_y d = ρ π, - 2 tan-h_y/K_yp

(P = 0, 1, 2, ) (5)

wo ρ der Modenzahl der Weilen entspricht.

_₀ Bei der Laseroszillation werden Moden höherer Ordnung in der Praxis nicht verwendet, weshalb p=0 angenommen werden kann. Auf der anderen Seite ergibt sich der effektive Brechungsindex, verursacht durch die Tatsache, daß die sich ausbreitenden Wellen in vertikaler Richtung eingebe grenzt sind, nach folgender Gleichung:

Deshalb gilt die folgende Beziehung: 30

(^)² - K₁ ² - K/ (7)

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Dementsprechend berechnet sich n-j_e„ nach Gleichung (7) mit Ky, welches über die Gleichungen (4) und (5) berechnet wird, n-j , n2 (und nJ, n, und d können so ausgewählt werden, daß der Wert von n-|_eq kleiner als n^ wird.

Diese Beziehungen werden unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert. Diese Figur stellt die Beziehungen unter den Brechungsindizes der betreffenden Halbleiterschichten und der Dicke (d) der aktiven Schicht dar. Die Ordinate stellt (n-j-n2) , die Abszisse (n^-n^) dar. Einige Beispiele für die Bedingungen zur Herstellung von η-|_β~ = Π4 sind mit d als Parameter dargestellt.

In einem Bereich auf der rechten Seite einer Geraden bei d = 0 in Fig. 3 (Bereich I) wird keine Oszillation in Leckweise bewirkt. Dieser Bereich entspricht η2>Π4· Wenn d in einen Bereich links von d = Λ (Bereich II) gelegt wird, ist die aktive Schicht zu dick und daher die Steigerung des Schwellstromes zu groß, so daß im wesentlichen die Oszillation in Leckweise schwierig aufrecht zu erhalten ist. Ferner ist es, was den Schwellstrom anbelangt, vorteilhafter d < A_n (die Wellenlänge des Lichts innerhalb der aktiven Schicht) zu machen. Wenn eine Dicke dg für eine gewissen aktive Schicht gesetzt wird, dann können n-i und n2 in einen Bereich auf der linken Seite einer Kurve mit n-|_eg = n^ für d = dg ^{in Fi<}?· 3 gesetzt werden. Dementsprechend wird die Dicke der aktiven Schicht bei d = 0 bis d = Λ , vorzugsweise bei d = 0 bis d = A_n, eingestellt. Gegenwärtig ist ein Wert von 0,02 bis 0,03 μπι für die Dicke der aktiven Schicht die Grenze, die den Gebrauch aushält, wobei ein Wert von 0,05 bis 0,22 um in der Praxis oftmals verwendet wird.

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Die Dicken der zweiten und der dritten Halbleiterschicht können das Maß annehmen, daß sie in der Lage sind, die herkömmliche Doppel-Heterostruktur zu bilden, und werden jeweils von 1 um bis 5 μΐη gewählt. Die Breite der aktiven Schicht kann ebenfalls die üblichen Werte haben und wird ungefähr zu 1 um bis 20 μπι gemacht.

Wie vorher ausgeführt, wird der Leckwinkel θ durch die Beziehung zwischen n-j_eq und n^ bestimmt.

Um die Strahldivergenz tatsächlich unter Γ zu drücken, können die Leckwinkel θ zu mehr als 3°, vorzugsweise mehr als 5°, gemacht werden, Im Prinzip gibt es keine obere Grenze für Θ. Tatsächlich wird jedoch ein Wert von 20 bis 30° die Grenze sein, obwohl die Größe

15 des Halbleiterlasers auch eine Determinante ist.

Zur Aufrechterhaltung der Laseroszillation muß die Differenz der Brechungsindizes der ersten Halbleiterschicht und der zweiten und dritten Halbleiterschichten, die die Hetero-Ubergänge bilden, praktisch oberhalb un-

20 gefähr 0,16 liegen.

Die obige Darstellung wird nun zusammengefaßt. Die Dicke do der aktiven Schicht wird zu 0,02 μΐη bis Λ gemacht, die Werte n-j , n^ (n^) und n^ werden in den Bereich gesetzt, der von der x-Achse und der n-j_eq=n4 bei d=dQ ergebenden Kurve umgeben ist. Hier ist (n-j-n2) zu einem Wert oberhalb 0,16 gemacht. Der Maximalwert für (n,-n2> ist durch die Maximalwerte beschränkt, die die Brechungsindizes der betreffenden Halbleitermaterialien annehmen können.

Im folgenden erfolgt nun eine detailliertere Beschreibung der Erfindung anhand eines Beispiels.

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Der Grundaufbau des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers ist der in Fig. 2 gezeigte. Auf einem n-GaAs-Substrat 5 mit zu einer Spiegelfläche polierter (1 0 O)-Fläche wurden nacheinander eine n-Ga-|__X2Al_x As-Schicht als zweite Halbleiterschicht (beispielsweise X2=0,4, Sn-dotiert, Np-N,:5.10¹7_cm-3_f wobei N_D die Konzentration der Donatorenverunreinigung und N- die Konzentration der Akzeptorenverunreinigung bezeichnet), eine Ga^__χ Αΐ_χ As-Schicht 1 als erste Halbleiterschicht beispielsweise χ·| = 0,1, undotiert) und eine p-Ga-j__x Al As-Schicht 3 als dritte Halbleiterschicht (beispielsweise X3=0,4, Ge-dotiert, N--N,-.: 5.10 cm" ) nach dem bekannten flüssigen Epitaxialwachstum gezogen. Die Dicke der zweiten Halbleiterschicht 2, der ersten Halbleiterschicht 1 und der dritten Halbleiterschicht 3 betrugen 2 μΐη, 0,14 um bzw. 2 um.

Auf dem sich ergebenden Halbleitersubstrat mit den epitaxial gezogenen Halbleiterschichten wurde ein SiO₂-FiIm mit einer Dicke von 300 bis 400 nm gezogen (der

SiO₂-FiIm kann mit Hilfe einer chemischen Gasphasenabscheidung hergestellt sein). Der S1O₂-FiIm wurde in die Form einer Ätzmaske zur Verwendung beim Ausbilden eines gürteiförmigen Hohlraums, der für die Laseroszillation benötigt wird, photogeätzt, d.h., er wurde zu einem

gürtelartigen Streifen geformt. Der gürtelartige Streifen wurde in die <1 1 0> -Richtung des Halbleitersubstrats erstreckt. Die Streifenbreite betrug 4 um.

Danach wurden die erste und die zweite Halbleiterschicht selektiv so geätzt, daß Teile die ein streifenförmiger Arbeitsbereich werden sollen, stehen blieben. Ein Ätzmittel war eine Lösung, in welcher Phosphorsäure, Wasserstoffsuperoxid und Methanol im Volumenverhältnis

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1:1:3 gemischt waren, wobei die Temperatur der Lösung auf 20 ⁰C gehalten wurde. Bei diesem Beispiel betrug die Breite des Arbeitsbereichs 4 um. Der als Ätzmaske verwendete SiG^-Film wurde mit einer Ammoniumfluorid-Flußsäure-Lösung entfernt.

Auf dem der obigen Behandlung unterworfenen Halbleitersubstrat wurde erneut eine Ga-j__x Al_x As-Schicht 4 als vierte Halbleiterschicht (beispielsweise x^=0,25, Ge-dotiert, N_A-N_D:10 cm"^J) in flüssiger Epitaxie gezogen. Durch das Ziehen der vierten Halbleiterschicht wurde die mesaförmige durch die erste und die zweite Halbleiterschicht gebildete Mehrfachschicht begraben.

Auf die Oberfläche des Halbleitersubstrats mit der nach dem obigen Verfahren gewonnenen begrabenen

Struktur wurden ein A^C^-Film 6 mit einer Dicke von 120 nm und ein Phosphorsilikatglasfilm 7 mit einer Dicke von 200 nm über chemische Gasphasenabscheidung niedergeschlagen. Der A^C^-Film 6 und der Phosphorsilikatglasfilm 7, die über dem Arbeitsbereich liegen, wurden zur Bildung eines Elektrodenlochs durch Photoätzung entfernt. Danach wurden mit Hilfe von Vakuumaufdampf ung eine Au-Ge-Ni-Legierung in einer Dicke von 1,5 μπι als ohmsche Elektrode 9 für das n-Ga-As und eine Cr-Au-Legierung in einer Dicke von 1,5 μπι als ohmsche Elektrode für das p-Ga-j__x Al_x As abgeschieden. Durch Strippen des entstandenen Substrats in der sj 1 0/*· -Richtung, d.h. in der Streifenrichtung, und spalten in der <T 1 0f -Richtung erhielt man einen Halbleiterlaser mit einer Breite von 500 μπι (<T 1 0>-Richtung) und einer Hohlraumlänge von

30 300 μπι (<1 1 0 >-Richtung) .

Beispiele der Fernfeldintensitätsverteilung des nach obigem Verfahren hergestellten Halbleiterlasers sind in Fig. 4 gezeigt. Diese Figur stellt die Intensitätsvertei-

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teilung eines Laserstrahls in einer Richtung parallel zur aktiven Schicht in zu den Endflächen des Lasers parallelen Ebenen dar. Die Abszisse stellt den Strahlwinkel dar. Die Oszillationswellenlänge dieser Laservorrichtung beträgt 810 nm der Schwellenstrom 230 mA. Der Laserstrahl wird geteilt und in zwei Richtungen von ungefähr ± 24 ° geschickt. Der Winkel, bei welchem die Intensität jeder Strahlkomponente 1/2 wird, liegt unter 1 ° und ist damit sehr eng, so daß der Laserstrahl hochgradig kollimiert ist. (Natürlich hängt die Ausbreitung des Strahls in einer zur aktiven Schicht senkrechten Richtung von der Dicke der Schicht ab.) Wie die Figur zeigt, ändert sich selbst, wenn der Injektionsstrom erhöht wird, die Austretrichtung des Laserstrahls nicht und ebensowenig die Halbwertsbreite des Laserstrahls. Bei den bekannten Halbleiterlasern überschreitet die Halbwertsbreite des Laserstrahls 4° selbst in einem Fall, wo der Laser vergleichsweise enge Winkel zeigt. Ferner geschieht es oft, daß sich bei Erhöhung des Injektionsstroms die Richtung des Laserstrahls ändert oder daß der Schwingungsmode instabil wird. Dies sind Nachteile, wenn beispielsweise die Ankopplung an eine optische Faser zu betrachten ist. Beim erfindungsgemäßen Laser sind, wie oben beschrieben, diese Probleme gelöst.

Eg.. ^ 1,55 eV und Eg₄ ^ 1,76 eV, so daß der Laserstrahl praktisch keinen Absorptionsverlusten unterworfen ist.

Im Beispiel beträgt n-j * 3,58; n₂, n3 ^ 3,35; n₄ « 3,49; und n_leq ^ 3,47. Dabei beträgt der Leckwinkel θ ungefähr 6°. Figur 5 zeigt hinsichtlich dieses Halbleiterlasers, wie sich die Größe Δη-ι_βσ (⁼ⁿieq~ⁿ4^ ^un<* ^der Leckwinkel θ in Abhängigkeit von dem begrabenden Material ändern. Die

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Abszisse stellt die AlAs-Molenbrüche X4 in der vierten Halbleiterschicht und die Ordinate ^n_1eq (ausgezogene Linien) und θ (gestrichelte Linien) dar. Die jeweiligen Beziehungen sind mit der Dicke d als Parameter dargestellt.

Im folgenden wird nun die Beziehung unter den Brechungsindizes der einzelnen Halbleiter in Bezug auf den beschriebenen Halbleiterlaser des Ga_1-V_-Al,, As-

Systems erläutert. Fig. 6 zeigt die Beziehungen der Bre-"" chungsindizes der einzelnen Halbleiterschichten und der Dicke der aktiven Schicht im Falle der Verwendung einer

Gai ν Al,, As-Schicht als erste Halbleiterschicht (aktive ι X₁ x-j

Schicht) , von Ga₁__χ_Α1_χ As-Schichten als zweite und

„_c dritte Halbleiterschicht und einer Ga_1-,. .Al As-Schicht 1s ■ ^X4 ^X4

als vierte Halbleiterschicht (wobei 0 ^ X₁ < X4 < X₂ -ζ 0/7) . Ga_1-J₃AIj₃As (wobei 0^b<0,7) kann als das Halbleitersubstrat verwendet werden. Wie in Fig. 3 stellt die Ordinate (n<-n,) und die Abszisse (n^-n^) dar. Es sind die Beziehungen dargestellt, bei welchen bei Einstellung der Dicke dg für die aktive Schicht n-|_eq=n4 für d=dQ hergestellt ist.

In dem Material des Al_x .Ga-]__x. As-Systems nimmt

theoretisch die Differenz der AlAs-Molenbrüche die maxi-

mal realisierbaren Werte an, und der Wert für (η·|-η2) ist dabei 0,586. Ferner wird bei X2=0,7 etwa,das Ziehen der zweiten Halbleiterschicht schwierig. Dementsprechend ist ein Wert für (n-|-n2) hier (bei X₁=O, X₂=O,7) von 0,476 der Maximalwert im praktischen Gebrauch. Wenn der Wert von (n-j-n2) kleiner als 0,16 ist (wenn beispielsweise X₁ = COS und X₂=O,18), wird die Zunahme des Schwellenstroms groß, so daß solch kleine Werte unpraktisch sind.

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Aus diesen Ergebnissen ist einzusehen, daß der erfindungsgemäße Halbleiterlaser durch die folgende Einstellung der verschiedenen Größen realisiert werden kann.
Die Dicke der aktiven Schicht wird zu 0,02 μΐη bis 0,5 μπι gemacht. Bei Einstellen der Dicke dg der gewünschten aktiven Schicht können die zweite (und dritte) und vierte Halbleiterschicht so gewählt werden, daß die Beziehung von n-j , Π2 und n4 in einem Bereich auf der linken Seite der Kurve ⁿi_ea ⁼ⁿ4 f^ur d=dg in Fig. 6 existiert. In diesem Fall wird (n-|-n2) so gewählt, daß es in einen Bereich zwischen 0,16 und 0,476 fällt.

Ferner sollte, wie oben ausgeführt, d vorzugsweise kleiner als Λ _n sein, um einen niedrigen Schwellenstrom zu realisieren. Es ist praktischer und günstiger, d zwischen 0,05 μπι und 0,22 μπι zu wählen.

Es wurden Halbleiterlaser hergestellt, bei denen im Einklang mit den oben Gesagten, die Auslegungen für die Dicke der aktiven Schicht und der Brechungsindizes der einzelnen Halbleiterschichten in der in Tabelle I angegebenen Weise variiert wurden. Es hat sich bestätigt, daß sich mit dem erfindungsgemäßen Halbleiterlaser hochgradig kollimierte Laserstrahlen erzielen lassen.

In gleicher Weise wie beim vorstehenden Beispiel war der Grundaufbau so, daß das Halbleitersubstrat eine n-GaAs-Substrat war, daß die erste Halbleiterschicht eine undotierte Ga-J__X1A1_X As-Schicht war, daß die zweite und die

dritte Halbleiterschicht n,p-Ga^__x Al As-Schichten waren 2Q und daß die vierte Halbleiterschicht eine Ga^__x Al_x As-Schicht war. Die Spezifikationen der einzelnen Schichten sind in Tabelle I angegeben. Die zweite und die dritte

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Halbleiterschicht schlossen die erste Halbleiterschicht zwischen sich ein und waren jeweils 2 um dick.

Der Betrieb wurde mit einem Impulstreiber unter Verwendung von Impulsen einer Frequenz von 10 kHz und einer Breite von 2 usec durchgeführt.

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TABELLE

O (O OO

O (O O

Probe

Aufbau

j (jum)

Probe 1 j

Streifenjbreite j

^wl

X₂ l x_z Eigenschaften j
(Schwellen-l

'breite j ο !strom
i(Grad) j (A) j

] UnA).

Zf : 0.07 j 0.65 0.096

,1

Probe

: o.i

! j

—i-

"5 ¹0.07 o~.65

Probe

i 0.5 '

j 0.05 ! 0.18

0.05

"OJ

0.065 kleiner 8300 !~300
als i !

0.5° ^: I

ι I

^,1° "; "8300""' ™

0.05 ί 0.18 0.17 ^;:~3

j n₁₌3.626Zf in₂=n₃=3.l85 . η,=3.586

—eq=-^·⁰^

n₂=n₃=3.l85 n₄=3.3OO

1.012

!^300

η_χ=3.665

i=n₃=3.505

η₄=3.β35

: -200

^=3.665 n_?=n,=3.505

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Es wurden Qualitätsverschlecherungen zwischen einem erfindungsgemäßen Halbleiterlaser und einem bekannten Halbleiterlaser mit Mesastreifenstruktur verglichen.

Der Halbleiterlaser mit Mesastreifenstruktur hatte die im folgenden angegebenen Spezifikationen. Ein Substrat bestand aus einem n-GaAs mit zu einer Spiegelfläche polierten (1 0 0)-Fläche. Ein Hetero-Ubergangsabschnitt wurde dadurch hergestellt, daß eine n-Ga-j-yAlyAs-

Schicht (y=0,4, Sn-dotiert, Nd~N_a:5.1O¹⁷cm"³) mit einer Dicke von 2 μΐη, eine undotierte Gai__xAl As-Schicht (x=0,07) mit einer Dicke von 0,14 μκι als aktive Schicht und eine p-Gai__vAlyAs-Schicht (y=0,4, Ge-dotiert, Na~ⁿD^: 5· 10i8cnT"3) mit einer Dicke von 2 μΐη nacheinander

15 in bekannter flüssiger Epitaxie gezogen wurden.

Der so hergestellte Halbleiterlaser wurde kontinuierlich bei einem konstanten Strom etwa 1000 Stunden lang bei einer anfänglichen Lichtabgabe von 2 mW für eine Breite von 1 μπι der aktiven Schicht betrieben.

Bei dem Halbleiterlaser dieses Aufbaus ging die Lichtleistung auf ungefähr 60% des Anfangswerts zurück. Demgegenüber wurde bei dem oben beschriebenen, erfindungsgemäßen in Leckweise arbeitenden Halbleiterlaser mit begrabener HeteroStruktur praktisch keine Änderung bemerkt. Die Endfacetten der Laser wurden mit einem Differentialinterferenzmikroskop beobachtet. Dabei wurden bei dem herkömmlichen Laser nennenswerte Endflächenbeschädigungen auf der aktiven Schicht beobachtet. Im Gegensatz dazu wurde bei dem Halbleiterlaser gemäß der Er-

30 findung so gut wie keine Beschädigung bemerkt.

Fig. 7 zeigt typische Beispiele der Änderung der Lichtabgaben beider Halbleiterlaser in Abhängigkeit von

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der Betriebszeit. Kurve 71 entspricht dem erfindungsgemäßen Halbleiterlaser, während Kurve 72 dem Mesastreifen-Halbleiterlaser entspricht. Der erfindungsgemäße Halbleiterlaser hat also auch ausgezeichnete Εις genschaften, was die Zuverlässigkeit anbelangt.

Im oben beschriebenen konkreten Beispiel wurde zwar GaAlAs verwendet, es können jedoch auch andere Halbleitermaterialien verwendet werden. Ein weiteres Beispiel wird nun erläutert.

Hetero-Übergänge wurden in einer Weise hergestellt, daß In_O/78Ga_O/22Po,53^AsO,47 (E₁=I,033 eV) als erste Halbleiterschicht, n-InP als zweite Halbleiterschicht und p-InP als dritten Halbleiterschicht auf einem n-InP-Substrat mit Hilfe flüssiger Epitaxie abgeschieden wurden. Die erste Halbleiterschicht war 0,2 μη dick, die zweite und die dritte Halbleiterschicht hatten eine Dicke von 3 μΐη. Ein Streifenbereich als Arbeitsbereich wurde in einer Weise hergestellt, daß ein selektives Ätzen unter Verwendung von SiO₂ als Ätzmaske mit Brommethanol durchgeführt wurde. Die vierte Halbleiterschicht wurde aus Ing 88^^a0 12^p0 77^As0 23 (E^=1,127 eV) hergestellt. Der grundlegende Aufbau ist in Fig. 2 gezeigt, wobei die Breite des den Hetero-Ubergang bildenden Streifens zu 4 μΐη gemacht wurde. Durch Aufdampfen

je wurde eine Au-Sn-Elektrode auf dem InP-Substrat und eine Au-Zn-Elektrode auf der p-InP-Schicht ausgebildet. Die Hohlraumlänge wurde zu 300 um gemacht.

Der so aufgebaute Halbleiter arbeitete bei einer Schwingungswellenlänge von ungefähr 1,2 μπι, einem

₃q Schwellenstrom von ungefähr 200 mA und einer Strahlhalbwertsbreite von ungefähr 1°.

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27 4 7 3 ■

Auf diese Weise ist die Erfindung in einem weiten Bereich von Halbleiterlasern aus nicht nur Ga-Al-As, sondern auch aus Ga-Al-As-Sb, Ga-Al-As-P, Ga-As-P, In-Ga-As-P und anderen Halbleitern aus III-V-Verbindüngen und II-V-Verbindungen usw. anwendbar.

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Claims

PATENTANWÄLTE SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAU5 FINCK

MARIAHILFPLATZ 2 & 3. MÖNCHEN ΘΟ - , ■-, _r- -

POSTADRESSE: POSTFACH 9SOI6O. D-SOOO MÖNCHEN 95 C /*♦ ¹^

HITACHI, LTD. 21. Oktober 1977

DA-5526

Halbleiterlaser PATENTANSPRÜCHE

Halbleiterlaser, dadurch gekennzeichnet , daß auf einem vorgegebenen Halbleitersubstrat (5) ein optischer Eingrenzungsbereich vorgesehen ist, daß der optische Eingrenzungsbereich eine erste Halbleiterschicht (1), deren Dicke nicht größer als die Schwingungswellenlänge des Halbleiter-

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lasers ist, eine zweite Halbleiterschicht (2) und eine dritte Halbleiterschicht (3), die die erste Halbleiterschicht zwischen sich einschließen und deren Brechungsindizes niedriger als derjenige der ersten Halbleiterschicht sind und die einander gegengesetzte Leitungstypen haben, und vierte Halbleiterschichten (4), deren Abschnitte einen bandförmigen Bereich zwischen sich einschließen, wobei der bandförmige Bereich aus der ersten, der zweiten und der dritten Halbleiterschicht besteht, und die mit den einzelnen Halbleiterschichten in Berührung stehen, enthält, daß die vierte Halbleiterschicht einen Bandabstand, der größer als derjenige der ersten Halbleiterschicht ist, und einen Brechungs-

15 index, der größer als diejenigen der zweiten und

dritten Halbleiterschicht ist, hat und daß die erste Halbleiterschicht begraben ist, so daß ein äquivalenter Brechungsindex der ersten Halbleiterschicht kleiner als der Brechungsindex der vierten Halbleiterschicht

20 gemacht werden kann.
2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Dicke der ersten Halbleiterschicht (1) zwischen 0,02 μπι und 0,5 um liegt.

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274737 ί
3. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet , daß die Dicke der ersten Halbleiterschicht (1) zwischen 0,02 μπι und ^_n liegt.
4. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet , daß die Dicke der ersten Halbleiterschicht (1) zwischen 0,05 μπι und 0,22 μΐη liegt.
5. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, daß die Dicke (d) der ersten Halbleiterschicht (1) zwischen 0,02 μπι und 0,5 μπι gewählt wird, und daß die vierte Halbleiterschicht (4) einen Brechungsindex (n4) hat, der durch die Formel gegeben ist:

15 n-| eq K ⁿ4 /

wobei der äquivalente Brechungsindex (n_leg) der ersteh Halbleiterschicht nach der folgenden Gleichung

_ 2ΤΓ 1

ⁿ1eq - "T 2

berechnet wird, wobei K eine Ausbreitungskonstante in einer Richtung senkrecht zu einer Hetero-Ubergangsebene von Wellen im ersten Halbleiterschichtbereich, der die Hetero-Ubergänge des Halbleiterlasers bildet,

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bezeichnet und die Beziehung zwischen K-) und dem Brechungsindex (n-|) der Halbleiterschicht durch K₁=2Tf/(An_l) .
6. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Halbleiterschicht (1) des optischen Eingrenzungsbereichs aus Ga_{1 v<}Al_v As, die zweite Halbleiterschicht (2) aus Ga-J-X₂Al As, die dritte Halbleiterschicht (3) aus Ga-]__x Αΐ_χ As und die vierte Halbleiterschicht (4) aus Ga-|__x Α1_χ As besteht, wobei O^ x-j < x, < x_, X₃ ^ 0,7 ist.
7. Halbleiterlaser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten Halbleiterschicht (1) des optischen Eingrenzungsbereichs aus Ga_1-V Al_v As, die zweite Halbleiterschicht (2) ι ^₁ x^

aus Ga-j__x Al_x As, die dritte Halbleiterschicht (3)

aus Gai_Y Al_v As und die vierte Halbleiterschicht (4) 3 ^X3

aus Ga_1-X Αΐ_χ As besteht, wobei 0.£ X₁ < χ 4 < X2# X₃^ 0,7 ist.
8. Halbleiterlaser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Dicke der ersten

Halbleiterschicht (1) zwischen 0,02 um und 0,5 um liegt.
9. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der ersten Halbleiterschicht (1) zwischen 0,02 um

und h η liegt.

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10. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 5

bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der ersten Halbleiterschicht (1) zwischen 0,05 um und 0,22 μπι liegt.
11. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 6 bis

10, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen dem Brechungsindex der ersten Halbleiterschicht (1) und denjenigen der zweiten und dritten Halbleiterschicht (2, 3) zwischen 0,16 und 0,476 liegt.

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