DE2747371C3 - Halbleiterlaser - Google Patents

Description

"li« =

gegeben ist, in der

30

Ky - Ausbreitungikonstai; .e von Wellen in der die Hetero-Obergtngre des Halbleiterlasers bildenden ersten Halblei ^schicht in Richtung senkrecht zur Ebene dieser Hetero- Übergänge.

2. Halbleiterlaser nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Halbleiterschicht (1) aus Gai-X₁AIi₁As, die zweite Halbleiterschicht (2) aus GaIr₂AI^₂As, die dritte Halbleiterschicht (3) aus Gai -I₃AIqAs und die vierte Halbleiterschicht (4) -»us GaI-I₄AI₁₄As mit 0_5*t <Xa <xt, xjS0,7 besteht.

3. Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der ersten Halbleiterschicht (1) zwischen 0,02 μπι und 0,5 μπι liegt.

4. Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der ersten Halbleiterschicht (1) zwischen 0,02 μπι und der Wellenlänge X_n des Lichts innerhalb der ersten Halbleiterschicht (1) liegt.

5. Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der ersten Halbleiterschicht (1) zwischen 0,05 μπι und 0,22 μπι liegt.

6. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen dem Brechungsindex n\ der ersten Halbleiterschicht (I) und denjenigen nj, n₃ der zweiten und dritten Halbleiterschicht (2,3) zwischen 0,16 und 0,476 liegt, eo

Ein Halbleiterlaser der im Oberbegriff des Patentanspruchs I angegebenen Gattung ist aus »IEEE Journal of Quantum Electronics« Bd. QE-11 (1975) Nr. 7, Seiten

65 494 bis 498 bekannt. Ähnliche Halbleiterlaser sind in den japanischen Patentveröffentlichungen 50-10985 und 50-10986 beschrieben. Bei den bekannten Halbleiterlasern tritt jedoch infolge der Eingrenzung des Lichts ein Lichtbrechungs-Phänomen auf, und es werden Laserstrahlen mit erheblichen Divergenzwinkeln emittiert. Je nach dem Aufbau des Halbleiterlasers treten Divergenzwinkel von 8° bis hinauf zu 30° auf.

Die Intensitätsverteilung eines Laserstrahl, 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 ganzem. Aus diesem Grund ist es sehr schwierig, bei Halbleiterlasern bekannten Aufbaus die Strahldivergenz unter 8° zudrücken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterlaser der eingangs erwähnten Gattung derart auszugestalten, daß er hochkollimierfe Strahlen enger Strahldivergenz emittiert

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegeben. Durch den danach bestimmten Brechungsindex der vierten Halbleiterschicht werden deren Abschnitte in den optischen Eingrenzungsbereich einbezogen, wodurch die Divergenz des emittierten Laserstrahls verringert wird. Gleichzeitig werden Qualitätsverluste infolge von Beschädigungen der Endfacetten des Halbleiterlasers verringert.

Aus »Applied Physics Letters« Bd. 29 (1976) Nr. 1, Seiten 23 bis 25 ist zwar ein Halbleiterlaser bekannt, bei dem zur Erzielung eines hochkvilimierten Ausgangslichtbündels der optische Eingrenzungsbereich neben der aktiven Schicht und einer daran angrenzenden Zwischenzone auch das Halbleitersubstrat umfaßt. Eine Schicht, die der im Patentanspruch 1 genannten vierten Schicht entspricht, ist dort jedoch nicht vorgesehen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine Schnittansicht des optischen Eingrenzungsbereichs eines Halbleiterlasers, wobei der Schnitt senkrecht zum Laserstrahl gelegt ist,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Halbleiterlasers,

F i g. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Beziehung zwischen Bedingungen zur Herstellung von n\_et)= n* und Differenzen zwischen den Brechungsindizes entsprechender Halbleiterschichten im Halbleiterlaser.

Fig.4 die Fernfeld-Intensitätsverteilungen eines Laserstrahls in einer Richtung parallel zum pn-Übergang des Halbleiterlasers,

F i g. 5 die berechneten Differenzen der Brechungsindizes on\eq (ausgezogene Linien), Λπι«,= Πι,,-π₄, und Leckwinkel θ (gestrichelte Linien) über verschiedenen AlAs-Molenbrüchen in senkrechten Schichten,

F i g. 6 ein Diagramm zur Erläuterung der Beziehung zwischen Bedingungen zur Herstellung von m«,- n₄ und Differenzen der Brechungsindizes von entsprechenden

Halbleiterschichten in einem Halbleiterlaser, welcher GaAJAs als Halbleitermaterial verwendet, und

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

Fig. 1 veranschaulicht den Hauptabschnitt eines Halbleiterlasers, nämlich einen optischen Eingrenzungübereich. Fig.2 ist eine perspektivische Ansicht, welche den grundlegenden Aufbau des Halbleiterlasers zeigt Eine erste Halbleiterschicht 1, die als aktive Schicht ι ο 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 Fi g. 1. Ferner sind Abschnitte einer vierten Halbleiterschicht 4 so vorgesehen, daß sie den streifenförmigen Bereich zwischen sich einschließen. Dabei ist die vierte Halbleiterschicht auf den Oberflächen des streifenförmigen Bereichs angeordnet, die senkrecht zu den Oberflächen hegen, aus denen Licht emittiert wird, so daß sowohl die erste, aii auch die zweite, als auch die dritte Halbleiterschicht in Berührung mit der vierten sind.

Die vierte Halbleiterschicht 4 besteht aus einem Halbleitermaterial, dessen Brechungsindex (n*) höher ist als die Brechungsindizes (ni und /33) der zweitem Halbleiterschicht 2 und der dritten Halbleiterschicht 3 und dessen Bandabstand (Eg*) 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 (πια/) der aktiven Schicht 1, welcher die Ausbreitungskonstante von Licht in der aktiven Schicht bestimmt, ausreichend niedriger als der durch die Substanz bestimmte Brechungsindex (ni) Im allgemeinen wird die Dicke der aktiven Schicht so eingestelh, daß sie gleich oder kleiner als die Wellenlänge (A) der Laserstrahlung ist, welche innerhalb der aktiven Schicht durch Strominjektion erzeugt wird. Wenn die aktive Schicht dünn wird und der äquivalente Brechungsindex (nicq) der aktiven Schicht kleiner als der Brechungsindex (nt) der vierten Halbleiterschicht 4 wird, dringt ein Teil des Laserlichts unter einem Winkel θ in bezug auf die Ausbreitungsrichtung des Lichts nach außen in die vierte Halbleiterschicht 4 ein. Der Winkel θ (Leckwinkel) ist gegeben durch:

sin0 = (n₄ ² -Ti₁JV²In* (1) ^M

Ferner ist, wie oben beschrieben, der Bandabstand der vierten Halbleiterschicht 4 größer als derjenige der aktiven Schicht. Deshalb ist das Licht, das in die vierte Halbleiterschicht eingedrungen ist, im wesentlichen keinen Absorptionsverlusten unterworfen, und die Laservorrichtung oszilliert in diesem Zustand (d. h. in der Leckbetriebsweise).

Die Halbleiterlaservorrichtung wird also zusammenfassend nach den folgenden Bedingungen eingestellt: d<k; P₇, /3₃</i4 <ni; und Eg_t<Eg_t, und äquivalenter Brechungsindex (n\cq) der aktiven Schicht niedriger als Brechungsindex (ru) der vierten Halbleitcrschicht (d. h. es gilt n,„,</u).

Der äquivalente Brechungsindex (t)\_tq) der aktiven Schicht 1 läßt sich für ein optisches Wellenleitermodell unter Verwendung der Maxwell-Gleichungen berechnen. Das allgemeine NTrerungsverfahren ist beispielsweise in »Introduction to Optical Electronics«, Amnon Yariv, Holt Rinehart und Winston Ina, 1971, Seiten 40 bis 47 beschrieben. Es wird im folgenden kurz erläutert

Wie in F i g. 1 gezeigt, hat der optische Eingrenzungsbereich des Halbleiterlasers eine zweidimensional 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 Eingrenzungseffekt in seitlicher Richtung kaum berührt Der vorgenannte äquivalente Brechungsindex (n_ieq)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 in seitlicher Richtung hat.

Dementsprechend lassen sich, v'«nn die erste in Fig. 1 gezeigte Halbleiterschicht durch einen Bereich I und die zweite und dritte Halbleiterschicht durch einen Bereich II dargestellt sind, die Wellen der jeweiligen Bereiche folgendermaßen ansetzen. Selbst in ainem 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:

E^T = E₀ cos {K_yy + Φ) exp ( — i K₁Z + i «> t)

... Bereich I (2)

E" = E₀ exp(-K_y2y) exp(-/K.z + i<·> t)

...Bereich II (3)

wobei Ky und Ky₂ die Ausbreitungskonstanten der Wellen in y-Richtung im Bereich I bzw. II, K₁ die Ausbreitungskonstante in z-Richtung, Φ den Phasenfaktor und ω die Kreisfrequenz bezeichnen. Durch Einsetzen der Gleichungen (2) und (3) in die Maxwell-Gleichung erhält man die folgende Gleichung:

Ky

y₂ -K₁- K₂'

(K₁ = 2.V(An₁), / = 1,2)

wobei π, den Brechungsindex für jeden d;r Bereiche und λ die Vakuumlichtweiieniänge 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_vd = p.-r -

*opder Modenzahl der Wellen entspricht.

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

Deshalb gilt die folgende Beziehung:

- κ*

Dementsprechend berechnet sich πι«, nach Gleichung (7) mit Ky, welches über die Gleichung (4) und (5) berechnet wird. n\, ni (und nj), tu und d können so ausgewählt werden, daß der Wert von n\^ 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 (ih — rii), die Abszisse (n\ — iu) dar. Einige Kurven der Funktion n\_eq=nt sind mit i/als Parameter dargestellt.

In einem Bereich auf der rechten Seite einer Geraden bei c/=0 in F i g. 3 (Bereich I) wird keine Oszillation in Leckbetriebsweise bewirkt. Dieser Rereich entspricht ι ■> ri2> η,. Wenn dm einen Bereich links von J=A (Bereich II) gelegt wird, ist die aktive Schicht /n dick und daher die Steigerune des Schwellenstromes zu groß, so daß im wesentlichen d ■■ Oszillation in Lei kbetriehsu eise schwierig aufrecht zu erhallen ist. Ferner isl es. was den Schwellenstrom anbelangt, vorteilhafter d<?.„ (die Wellenlänge des Lichts innerhalb der aktiven Schicht) zu machen.

Dementsprechend wird die Dicke der aktiven Schicht bei d=Q bis d—λ, vorzugsweise bei </--=() bis (/=/,.„ :> eingestellt. Gegenwärtig ist ein Wert von 0,02 bis 0.03 μπι für die Dicke der aktiven Schicht die praktische Grenze, wobei ein Wert vm 0,05 bis 0.22 μπι in der Praxis oftmals verwendet u ird.

Die Dicken der zweiten und der dritten Halbleiter- in schicht können das Maß annehmen, daß sie in der Lage sind, die herkömmliche Doppel-l leterostruktur zu bilden, jnd werden jeweils von I |im bis 5 μπι gewählt.

Die Breite der aktiven Schicht kann ebenfalls die üblichen Werte haben und wird ungefähr zu I μπι bis )> 20 lim gemacht

Wie vorher ausgeführt, wird der Leckwinkel θ durch die Beziehung zwischen ii\_Cq und n< bestimm!.

Um die Strahldivergenz tatsächlich unter Γ /u drücken, können die Leckwinkel θ zu mehr als 3", in 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 des Halbleiterlasers auch eine Determinante

ISt. Ii

Zur Aufrechterhaltung eier Laserpszillation muß die Differenz der Brechungsindi/es der ersten Halbleiterschicht und der zweiten und dritten Halbleiterschichten, die die Hetero-Übergänge bilden, praktisch oberhalb ungefähr 0.16'legen. v:

Die obige Darstellung wird nun zusammengefaßt.

Die Dicke dder aktiven Schicht wird zu ^ = 0.02 um bis Λ (Laserwellenlänge) gemacht Die Werte n_u n₂ (n^ und ru der einzelnen Halbleiterschichten werden so eingestellt, daß sie der obigen Bedingung bezüglich ΐ5 η\ — Π2, m — n* und der Dicke do der aktiven Schicht genügen. Zur Veranschaulichung dieser Bedingung zeigt Fig. 3 eine Kurvenschar der Funktion /?]«;= n.» für verschiedene Werte von ei wobei in Fig. 3 (n, — n^über (n\ —/!^aufgetragen ist.

Ein Halbleiterlaser erfüllt die obige Bedingung, sofern der sich aus den Brechungsindizes n\, ni (rh) und m ergebende »Arbeiispunkt« in denjenigen Bereich fällt, der in dem Diagramm nach F i g. 3 von der Ordinate und der Kurve n_Xiq=n_t mit d=dc eingeschlossen wird. Hier ist (η; — Π2)7Μ einem Wer! oberhalb 0,16 gemacht. Der Maximalwert für (m — ni) ist durch die Maximalwerte beschränkt, die die Brechungsindizes der betreffenden Halbleitermaterialien annehmen können.

Im folgenden erfolgt nun eine detailliertere Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Der Grundaufbau des Halbleiterlasers ist der in F i g. 2 gezeigte. Auf einem n-GaAs-Substrat 5 mit zu einer Spiegelfläche polierter (lOO)-Fläche wurden nacheinander eine n-Gai-^AIrjAs^As-Schicht 2 als zweite Halbleiterschirht (beispielsweise *j = 0,4, Sn-dotiert, Nd-Na: 5 · 1O¹⁷Cm-³, wobei No die Konzentration der Donatorenverunreinigung und N.\ die Konzentrat!' ί tier Ak/cpti/renverimreinigung bezeichnet), eine G.·. ,,AI,,As-Schicht I als erste Halbleiterschicht (beispielsweise Λι~0Ι. undotiert) und eine p-Cla, ,jAI,,.\s Sc!iicht 3 al·, dritu· Halbleitern.hicht (hf ι · spielsweise \\ = 0,4. Ge-dotiert, N.\ — Nn: > 10'Vm ' nachdem bekannten Epitaxial« achstum aus der flüssig, η Phase pc/ctcn. Die Dickt-ι ler /weiten H a IbIe it er S₁ h κ 'it 2. ιΐιτ »isteti llalbleiw.-rschicht 1 und iler dritten I la Ibici te ι schicht λ bet π igt·^rΓ um. 0. 14 am ^/ν, 2 μπι

Λιί dein sich ergebenden I l.ilhleitersubs!: .·.■ n:ii der; epitaxial gezogenen Halbleiter schichten wurde ein SiOj-FiIm mit einer Dicke von j.H) bis -too tun gezogen (der SiOj-Mm kan'i mit Hilfe einer chemischen Gasphasenabscheidung hergestellt sein). Der SiC). } ihn wurde in die Form einer Ätzmaske zur Verwendung biim Ausbilden eines gürte,förmigen Hohlraums, der fu iie Laseroszillation benötigt wird, ptviogealz;. d. h . er würde zu einem gürtelartigen Streifen geformt. Der gürtelartige Streifen wurde in die < 1 10> -Richtung des Halbleitersuhstrais erstreckt. Die Streifenbreite betrug 4 μπι.

Danach wurden die zweite und die dritte Halbleiterschicht selektiv so geatzt, daß Teile die cm streifenförmigcr Arbeitsbereich werden sollen, stehen blieben. Ein Ätzmittel war eine Lösung, in welcher Phosphorsäure. Wasserstoffsuperoxid und Brom enthaltendes Methan,>l im Volumenverhältnis 1:1:3 gemischt waren, wobei die Temperatur der Lösung auf 20 C gehalten wurde. Bei diesem Beispiel betrug die Bre te des Arbeitsbereichs 4 pm. Der als Ätzmaske ve; wendete SiO:-Film wurde mit eirer Ammoniumfluorid-Flußsäure-Lösi.ig entfernt.

Auf dem der obigen Behandlung unterworfenen Halbleitersubstrat wurde erneut eine Ga _t4Al_uAs-Schicht 4 als vierte Halbleiterschicht (beispielsweise v.^0.25, Ge-dotiert. N, - Sr-. lO^cnv') in flüssiger Epitaxie gezogen. Durch das Ziehen der vierten Halbleiterschicht wurde ehe mesafönnige durch die erste und die zweite Halbleiterschicht gebildete Mehrfachschicht vergraben.

Auf die Oberfläche des Halbleirersubstrats mt; der nach dem obigen Verfahren gewonnenen vergrabenen Struktur wurden ein A^Oj-FiIm 6 mit einer Dicke von 120 nm und ein Phosphorsilikatglasfilm 7 mit einer Dicke von 200 ηm über chemische Gasphasenabscheidung niedergeschlagen. Der AbOj-Film 6 und der Phosphorsilikatgusfiim 7. die über dem Arbeitsbereich liegen, wurden zur Bildung eines Elektrodenlochs durch Photoätzung entfernt. Danach wurden mit Hilfe von Vakuumaufdampfung eine Au-Ge-Ni-Legierung in einer Dicke von 1,5 μπη als ohmsche Elektrode 9 für das n-Ga-As und eine Cr-Au-Legierung in einer Dicke von 1,5 μΓπ als ohmsche Elektrode 8 für das p-Gat.I₃AI_nAs abgeschieden. Durch Abstreifen des entstandenen Substrats in der < I !0>-Richtung,_ d. h. in der Streifenrichtung. und Spalten in der < 110>-Richtung erhielt rnaneinen Halbleiterlaser mit einer Breite von μπι (<110>-Richtung) und einer Hohlraumlänge

von 300 pm (< 110>-Richtung).

Beispiele der Fernfeldintensitätsverteilung des nach obigem Verfahren hergestellten Halbleiterlasers sind in Fig.4 gezeigt. Diese Figur stellt die Intensitätsverteilung eines Laserstrahls in einer Richtung parallel zur aktiven Schicht in zu den Endflächen des Lasers parallelen Ebenen dar. Die Abszisse stellt den Strahiwinkel dar. Die Oszillationswellenlänge dieser Laservorrichtung beträgt 810 nm der Schwellenstrom 230 inA. Der Laserstrahl wird geteilt und in zwei Richtungen von ungefähr ±24" geschickt Der Winkel, bei welchem die Intensität jeder Strahlkompor.ente '■'/ winl. heg! unter I" und ist damit sehr eng. so daß der I a s ο r -v: r ι;:! hochgradig kollimiet ist. (Natürlich hangt die Aj'-bi eitiing des Strahls in eiiu" zur aktive'! Schiel:; senk' e; h'.en RhIu¹UIg von der Dicke der .Schuht ab; Wv lie Figur zeigt, ändert sich selbst, v. ·:·;:[. «.!;■;■ l;.;ci- -π- .tr- ■·■' erhöh! wird, d¹ · Λ■ js11 etnchti:¹ g d-.-s i .ι !.TV¹LiIIs ; .':t und oN"-iis,· -w ι _:ig .he I l.tlbw · : :sbre> tr des I a-eru; .inls Be: der! ek,ir:nten Halbi-jite: l.^e; :■ ul'ersctireitet die Halbwertsi'-eiie des Laserstrahls 4 selbst in einem I all. wo der Laser vergleichsweise engr Winkel zeigt ^l erner geschieht es oft. daß sich bei I rhohung d-.'S Injektiopssiroms (he Richtung des Lasersu.ihls ändert oder daU der Schwingungsiiiode instabil wird. Dies sind Nachteile, wenn beispielsweise die Ankopplung an eine optische Faser zu betrachten i ■·. Bei der: hit beschriebenen Laser sind, wie ober beschrieben, u;e Probleme gelost.

i~l,76cV. so daß der Laserjr ρ tion s Verlusten unterworfen ist.

Im Beispiel beträgt n- ~ 3.58; ni. /7, = 3.35; Λι = 3.49; und n,_r._;=v3,4 7 Dabc: beträgt der Leckwinkel Θ ungefähr b . F ι g. 5 zeigt hinsichtlich dieses Halbleiteriascrs. wie sich die Größe Ati\_eq ( = n-,_cq— n*) und der Leckwinkel θ in Abhängigkeit von dem Material der vierten Schicht ändern. Die Abszisse stellt den Parameter x_t der vierten H^lbleiterschicht Ga, _MAI_MAs und die Ordinate an\_rq (ausgezogene Linien) und θ (l -strichelte Linien) dar. Die jeweiligen Beziehungen sind mit der Dicke dals Parameter dargestellt.

Im folgenden vvird nun die Beziehung unter den Brechungsindizes der einzelnen Halbleiterschichten in bezug auf den beschriebenen Halbleiterlaser des (j3i _> Al₁ As-Systems erläutert. F i g. 6 zeigt die Beziehungen der Brechungsindizes der einzelnen Halbleiterschichten und der Dicke der aktiven Schicht im Falle der Verwendung einer Ga, _ .,Al,,As-Schicht als erste Halbleiterschicht (aktive Schicht), von Gai_,,Al₁,As-Schichten als zweite und dritte Halbleiterschichi und einer Ga_; - _MA1,,As-Schicht als vierte Halbleiterschicht (wobei 0<.v, <x4<*2<0,7). Ga,.6AI₆As (wobei 0<ö<0,7) kann als das Halbleitersubstrat verwendet werden. Wie in F i g. 3 stellt die Ordinate (ti\ — Π2) und die

Tabelle !

· ~ L55 eV und
strahl praktisch keinen Ai.

Abszisse /πι —n₄) dar. Es sind die Üeziehungen dargestellt, bei welchen bei Einstellung der Dicke ck für die aktive Schicht n\_eq=nt für d=do hergestellt ist.

In dem Material des Alr.Gai.r.As-Systems nimmt theoretisch die Differenz der AIAs-Molenbrüche die maximal realisierbaren Werte an, und der Wert für (n\ — th) ist dabei 0,586. Ferner wird bei *j = 0,7 etwa das Ziehen der zweiten Halbleiterschicht schwierig. Dementsprechend ist ein Wert für (n\ — /J₃) hier (bei λϊ=0, V₂ = 0,7) von 0,476 der Maximalwert im praktischen Gebrauch. Wenn der Wert von (n, — n₂) kleiner als 0.16 ist (wenn beispielsweise Vi =0,0^Γ> und at2 = 0,18), wird die Zunahme des Schwcllenstroms groß, so daß solch kleine Werte unpraktisch sind.

Aus diesen Ergebnissen ist einzusehen, daß der hier beschriebene Halbleiterlaser durch die folgende l'.instel lung der \ erschiedenen C 'troßen realisiert werden kann.

Die Di; ke d, der aktiven Schicht wird zu 0.02 bis " ϊ μπι geiiiachi. Die Brechungsmcn/cs cic-i /.wi-iien (und i.l'itte;:) sowie vierten Halbleiterschicht werden gemäß der oben genannten Bedingungen gewählt. Der sich aus cien Brechungsindizes n_u »2 (ηϊ) und n_t ergebende »Arbeitspunkt« wird in dem Diagramm nach F i g. 6 in deri Bereich links der Kurve von n\_rq= tu für d=dn gelegt, wob-i in F^; i g. 6 ähnlich wie in Fig. 3 (n> — tii) über (ri\ — rii) aufgetragen ist.

In diesem Fall vird (η, — η^) so gewählt, daß es in einen Bereich zwischen 0,16 und 0,476 fällt.

Ferner sollte, wie oben ausgeführt, d vorzugsweise kleiner als X_n sein, urn einen niedrigen Schwellenstrom zu realisieren Es ist praktischer und günstiger, d zwischen 0,05 μηι und 0,22 pm zu wählen.

Es wurden Halbleiterlaser hergestellt, bei denen im Einklang mit dem 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 hier beschriebenen Halbleiterlaser hochgradig kollimierte Laserstrahlen erzielen lassen.

In gleicher Weise wie beim vorstehenden Beispiel war der Grundaufbau so, daß das Halbleitersubstrat ein n-GaAs-Substrat war, daß die erste Halbleiterschicht eine undotierte Ga,.,.Al,,As-Schicht war, daß die zweite und die dritte Halbleiterschichi n.p-Gai r.nAl.iAs-Schichten waren und daß die vierte Halbleiterschicht eine Gai.₁₄AI,₄As-Schicht war. Die Spezifikationen der einzelnen Schichten sind in Tabelle I angegeben. Die zweite und die dritte Halbleiterschichi schlossen die erste Halbleiterschicht zwischen sich ein urd 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 μ5βο durchgeführt.

Aufbau
d

(um)

Streifen- ν breite

(um)

Eigenschaften

Halbwerts- /. Schwellenbreite strom

(Grad) (nm) (mA)

0'.5

η m

kleiner
als 0.5°

830

~300

Πι = Π\ =

3,6264 3.185

Fortsetzung

Aufbau
d

Streifenbreite

(μηι) (um)

Eigenschaften	(nm)	Schwellen strom	"I "2 «4 A/	= /I3	= 3,6264 = 3,185 = 3,300 = -0,012
Halbwerü- λ breite	830	(mA)	"I "2 "4 Ai	= ")	= 3.665 = 3.505 = 3.635 = -0,012
(Grad)	850	~ 70	nx Ai	= n}	= 3,665 = 3,505 = 3,514 = -0.007
-1°	850	-300
-1°		-200
-3°

Probe 2 0,1 4

Probe 3 0,5 4

Probe 4 0,05 4

0,07 0,65 0,48

0.05 0,18 0,065

0,05 0,18 0,17

Es wurden Qualitätsverschlechterungen zwischen einem hier beschriebenen 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 (lOO)-Fläche. Ein Hetero-Übergangsabschnitt wurde dadurch hergestellt, daß eine n-Gai-^AI^As-Schicht 0=0,4, Sn-dotiert. Nd-Na: 5 · 10¹⁷ cm-³) mit einer Dicke von 2 μτπ, eine undotierte Gai.jAUAs-Schicht (χ=0,07) mit einer Dicke von 0,1.4 μίτι als aktive Schicht und eine p-Gai.^Al^As-Schicht O=0,4, Ge-dotiert, N_A-N_D: 5 · 10¹⁸ cm-³) mit einer Dicke von 2 μηι nacheinander 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 μηι der aktiven Schicht betrieben. Bei dem Halbleiterlaser dieses Aufbaus ging die Lichtleistung auf ungefähr 60% des Anfangswerts zurück. Demgegenüber wurde bei dem oben beschriebenen in Leckbetriebsweise arbeitenden Halbleiterlaser mit vergrabener HeteroStruktur praktisch keine Änderung bemerkt. Die Endtacetten 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 hier beschriebenen Halbleiterlaser so gut wie keine Beschädigung bemerkt

Fig.7 zeigt typische Beispiele der Änderung der Lichtabgaben beider Halbleiterlaser in Abhängigkeit von der Betriebszeit. Kurve 71 entspricht dem hier beschriebenen Halbleiterlaser, während Kurve 72 dem Mesastreifen-Halbleiterlaser entspricht. Der erstere hat also auch ausgezeichnete Eigenschaften, was die Zuverlässigkeit anbelangt.

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

Hetero-Übergänge wurden in einer Weise hergestellt, daß Ino.7iGaoj2Poj3Aso.47 (E_x = 1,033 eV) als erste Halbleiterschicht, n-lnP als zweite Halbleiterschicht und p-InP als dritte Halbleiterschicht auf einem n-InP-Substrat mit Hilfe flüssiger Epitaxie abgeschieden wurden. Die erste Halbleiterschicht war 0,2 μιη dick, die zweite und die dritte Halbleiterschicht hatten eine Dicke von 3 μην Ein Streifenbereich als Arbeitsbereich wurde in einer Weise hergestellt, daß ein selektives Ätzen unter Verwendung von SiCh als Ätzmaske mit Brommethanol durchgeführt wurde. Die vierte Halbleiterschicht wurde aus Ino.8sGao.12Po.77Aso.23 Cf₄-1.127 eV) hergestellt. Der grundlegende Aufbau ist in F i g. 2 gezeigt, wobei die Breite des den Hetero-Übergang bildenden Streifens zu 4 μπι gemacht wurde. Durch Aufdampfen 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 μηι gemacht.

Der so aufgebaute Halbleiter arbeitete bei einer Schwingungswellenlänge von ungefähr 1,2 μπι, einem Schwellenstrom von ungefähr 200 mA und einer Strahlhalbwertsbreite von ungefähr 1°.

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-AI-As-P, Ga-As-P, In-Ga-As-P und anderen Halbleitern aus III-V-Verbindungen und II-V-Verbindungen anwendbar.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche;

1. Halbleiterlaser, dessen optischer Eingrenzungsbereich auf einem vorgegebenen Halbleitersubstrat vorgesehen ist und der eine erste Halbleiterschicht (1), deren Dicke nicht größer ist als die Laserwellenlinge λ, eine zweite Halbleiterschicht (2) und eine dritte Halbleiterschicht (3), die die erste Halbleiterschicht zwischen sich einschließen, deren Brechungs- indizes niedriger sind als der Brechungsindex /)i der ersten Halbleiterschicht und die einander entgegengesetzte Leitungstypen haben, sowie eine vierte Halbleiterschicht (4) enthält, deren Abschnitte einen die erste, die zweite und die dritte Halbleiterschicht enthaltenden bandförmigen Bereich zwischen sich einschließen und mit den einzelnen Halbleiterschich ten in Berührung stehen, und die einen größeren Bandabstand hat als die erste Halbleiterschicht, dadurr.ή gekennzeichnet, daß der Bre- M chungsindex ru der vierten Halbleitcrschicht (4) größer ist als die Brechungsindizes m, ih der zweiten und der dritten Halbleiterschicht (2,3) und größer als der äquivalente Brechungsindex /Ji_n, der ersten Halbleiterschicht (1), der durch die Formel