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Halbleiter-Injektionslaservorrichtung
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Die Erfindung betrifft eine Halbleiter-Injektionslaservorrichtung
mit niedrigem Schwellenwertstrom (Stromschwelle) und kleiner änderung der Stromschwelle
infolge von Temperaturänderung.
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Es sind bereits verschiedene Konstruktionen von Halbleiter-Injektionslaservorrichtungen
bekannt, bei denen der Schwellenwertstrom bzw. die Stromschwelle verringert ist.
Von diesen Vorrichtungen erweist sich ein sog. TJS- bzw. Querübergangsstreifen-Laser
(transverse-junction strip laser) als besonders vorteilhaft. Diese Laservorrichtung,
die in einer einzigen Schwingungsart arbeitet,.ist bezüglich ihrer Eigenschaften
z.B. von H. Namizaki in dem Artikel Transverse-Junction-Stripe Lasers with a GaAs
p-n Homojunction", IEEE Journal of Quantum Electronics, QE-11, Nr. 7, 1975, S. 427
- 431, im einzelnen beschrieben. Dieser TJS-Laser ist jedoch insofern unvorteilhaft,
als der nicht zur Laserschwingung beitragende Streustrom mit zunehmender Stromdichte
ansteigt und daher ein Temperaturanstieg von einem schnellen Anstieg der Stromschwelle
begleitet ist, bis die Laserschwingung schließlich aufgrund der in der Vorrichtung
entwickelten Wärme aufhört.
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Außerdem beschreibt die US-PS 3 961 996 einen Halbleiter-Injektionslaser
mit zweidimensionaler Heterostruktur mit einem Doppelheteroübergang in einer Richtung
parallel zu dem die Laserschwingung leitenden pn-HomoUbergang und einem einzigen
oder Einfach-Heteroübergang in einer Richtung senkrecht zum gleichen pn-Ubergang,
wobei durch die Heteroübergänge ein äußerst kleiner Bereich gebildet wird, welcher
die Ladungsträger und Licht einschließt bzw. beschränkt, so daß die Laservorrichtung
mit niedriger Stromschwelle betrieben werden kann. Beim Halbleiter-Injektionslaser
gemäß dieser US-PS ergeben sich jedoch Probleme dahingehend, daß eine Temperaturerhöhung
einen plötzlichen Anstieg der Stromschwelle bzw. des Schwellenwertstroms aufgrund
eines über eine große Fläche der Übergänge fließenden Streustroms hervorruft.
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Aufgabe der Erfindung ist damit allgemein die Verbesserung der bisherigen
Halbleiter-Injektionslaservorrichtungen und speziell die Schaffung einer verbesserten
und zweckmäßigen Halbleiter-Injektionslaservorrichtung mit außerordentlich kleinem
Streustrom.
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Diese Vorrichtung soll dabei auch bezüglich der Temperaturabhängigkeit
des Streustroms verbessert sein.
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Weiterhin soll bei dieser Vorrichtung die Stromschwelle verringert
und dabei ihre Änderungsgröße aufgrund von Temperatureinfluß herabgesetzt sein.
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Diese Aufgabe wird bei einer Halbleiter-Injektionslaservorrichtung
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sie ein elektrisch quasiisolierendes Halbleitersubstrat
mit hohem spezifischen Widerstand und mit einer Hauptfläche, drei
aufeinanderfolgend
auf einem vorbestimmten Abschnitt der Hauptfläche des Halbleitersubstrats ausgebildete
Halbleiterschichten und eine vierte Halbleiterschicht umfaßt, die sich über die
drei genannten Halbleiterschichten erstreckt und in das Substrat hineinreicht, daß
die vierte Halbleiterschicht von einem ersten Leit(fähigkeits)typ ist, daß zumindest
die zweite der drei genannten Halbleiterschichten aus zwei Halbleiterbereichen des
ersten Leittyps und eines zweiten Leittyps gebildet ist, die zwischen sich einen
als Lichtemissionsbereich dienenden pn-Ubergang festlegen, daß der Halbleiterbereich
des ersten Leittyps die vierte Halbleiterschicht berührt und daß die zweite Halbleiterschicht
eine schmälere bzw. engere verbotene Bandbreite besitzt als diejenigen von erster,
dritter und vierter Halbleiterschicht.
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In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung kann das Halbleitersubstrat
aus mit Chrom (Cr) dotiertem Galliumarsenid (GaAs) mit hohem spezifischen Widerstand
hergestellt sein.
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Die erste, zweite, dritte und vierte Halbleiterschicht können aus
n-Typ-Galliumaluminiumarsenid (GaAlAs), n-Galliumarsenid (GaAs), n-Galliumaluminiumarsenid
(GaAlAs) bzw.
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p-Galliumaluminiumarsenid (GaAlAs) bestehen.
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Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich
zum Stand der Technik anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung eiher Halbleiter-Injektionslaservorrichtung
nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch
eine Halbleiter-Injektionslaservorrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung und
Fig. 3 eine Fig. 2 ähnelnde Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform der
Erfindung.
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In den Figuren sind gleiche Teile mit jeweils gleichen Bezugsziffern
bezeichnet.
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Fig. 1 veranschaulicht eine TJS-Laservorrichtung der vorher beschriebenen
Art. Die dargestellte Anordnung umfaßt ein n-Typ-Galliumarsenid-Substrat 10 sowie
eine n-Galliumaluminiumarsenid-Schicht 12, eine n-Schicht 14 und eine n-Galliumaluminiumarsenid-Schicht
16, die nach dem (epitaxialen) Flüssig-Aufwachsverfahren nacheinander auf der einen
Hauptfläche des n-Halbleitersubstrats ausgebildet worden sind.
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Bei der Fertigung dieser Vorrichtung werden anschließend vorbestimmte
Abschnitte, nämlich die gemäß Fig. 1 linken Bereiche der n-Schichten 12, 14 und
16 beispielsweise durch Ätzen abgetragen, während der an das Substrat 10 angrenzende
Bereich der untersten Schicht 12 bestehen bleibt. Sodann wird nach dem Flüssig-Aufwachsverfahren
eine p-Galliumaluminiumarsenid-Schicht 18 auf dem abgetragenen Abschnitt der n-Schichten
12, 14 und 16 gezüchtet, um die ursprüngliche Form vor der teilweisen Abtragung
dieser Schichten wiederherzustellen.
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Danach wird die so hergestellte Anordnung bei erhöhter Temperatur
thermisch behandelt, um ein in der p-Schicht 18
enthaltenes p-Fremdatom
in die angrenzenden Abschnitte der n-Schichten 12, 14 und 16 eindiffundieren zu
lassen und die Leitfähigkeit dieser angrenzenden Abschnitte auf den p-Leittyp umzukehren.
Dies bedeutet, daß ein p-GaAlAs-Bereich 20, ein p-GaAs-Bereich 22 und p-GaAlAs-Bereich
24 auf den angrenzenden bzw. benachbarten Abschnitten der n-Schichten 12, 14 bzw.
16 ausgebildet werden, wobei diese p-Schichten leicht mit dem p-Fremdatom dotiert
sind.
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Infolgedessen werden ein pp-Homoübergang 26, ein pp-Heteroübergang
28 und pp-Homoübergang 30 zwischen der p-GaAlAs-Schicht 18 und dem p-GaAlAs-Bereich
20, zwischen der p-GaAlAs-Schicht 18 und dem p-GaAs-Bereich 22 bzw. zwischen der
p-GaAlAs-Schicht 18 und dem p-GaAlAs-Bereich 24 geformt während pn-Ubergänge 32,
34 und 36 zwischen dem p-Bereich 20 und der n-Schicht 12, zwischen dem p-Bereich
22 und der n-Schicht 14 bzw. zwischen dem p-Bereich 24 und der n-Schicht 16 entstehen.
Gemäß Fig. 1 gehen die Übergänge 26, 28 und 30 ineinander über, während die zu den
genannten Übergängen 26, 28 und 30 parallel verlaufenden Übergänge 32, 34 und 36
ebenfalls aneinander angrenzen bzw. ineinander übergehen.
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Anschließend wird eine erste Elektrode 38 in ohmschem Kontakt mit
der p-Schicht 18 angeordnet, während eine zweite Elektrode 40 in ohmschem Kontakt
mit der Gesamtoberfläche der anderen Hauptfläche des Substrats 10 vorgesehen wird.
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Galliumarsenid (GaAs) besitzt eine engere bzw. schmälere verbotene
Bandbreite als Galliumaluminiumarsenid (GaAlAs), so daß einem pn-Ubergang mit Galliumarsenid
eine kleinere Diffusionsspannung erteilt werden kann als einem pn-Ubergang
mit
Galliumaluminiumarsenid. Infolgedessen kann bei Anlegung einer Vorwärts- bzw. Durchschaltspannung
über die Elektroden 38 und 40 ein großer Teil des entstehenden Stroms in pn-Ubergang
34 zwischen dem GaAs-Bereich 22 und der Schicht 14 konzentriert werden, wodurch
die Laserschwingung bzw. -Oszillation in einem Lichtemissionsbereich hervorgerufen
wird, der sich am und neben diesem pn-Ubergang 34 befindet und einen Injektionsbereich
bildet.
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Obgleich gesagt werden kann, daß die Diffusionsspannung am pn-Ubergang
mit Galliumaluminiumarsenid hoch ist, fließt ein, wenn auch kleiner, Strom über
eine Sperre oder Barriere infolge der Diffusionsspannung. Dieser Strom erfährt bei
einem Anstieg der Temperatur und der Stromdichte eine plötzliche Erhöhung. Wenn
beispielsweise angenommen wird, daß Galliumaluminiumarsenid (Gax-xAlxAs) Aluminium
in einer Konzentration x von 0,4 enthält, besitzen die Dichten der über die pn-Übergänge,
mit Galliumarsenid und Galliumaluminiumarsenid fließenden Ströme ein Verhältnis
von etwa 1000:1 bei Raumtemperatur, wobei sich die Ströme ihren Schwellenwertgrößen
nähern.
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Andererseits besitzt.der pn-Ubergang 34 mit Galliumarsenid typischerweise
eine Oberfläche von 0,5 x 300 ßm2, während die pn-Ubergänge 32 und 36 mit Galliumaluminiumarsenid
typischerweise eine Gesamtoberfläche von etwa 50 x 300 ßm2 besitzen. Da der Strom
bzw. die Stromstärke der Stromdichte, multipliziert mit der Fläche gleich ist, betragen
die über die pn-Ubergänge 32 und 36 mit Galliumaluminiumarsenid fließenden Ströme
nur etwa 10 % des Gesamtstroms. Dieser Stromanteil trägt allerdings nicht zur Laserschwingung
bei.
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Ein Temperaturanstieg und eine Erhöhung der Stromdichte sind von einer
weiteren Veränderung des Stromdichtenverhältnisses unter plötzlicher Erhöhung des
Streustroms begleitet. Der Schwellenwertstrom bzw. die Stromschwelle Ith für die
Laserschwingung erfährt daher eine plötzliche Erhöhung praktisch entsprechend IthT
(mit T -th Absoluttemperatur). Schließlich wird dabei die Laserschwingung infolge
der Wärmeerzeugung beendet In diesem Zusammenhang kann die Temperaturabhängigkeit
der Stromschwelle Ith durch ItXh#T3 ausgedrückt werden, vorausgesetzt, daß der Streustrom
vernachlässigbar ist.
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Die Erfindung bezweckt nun die Ausschaltung der Nachteile und Mängel
der vorstehend beschriebenen bisherigen Vorrichung.
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In Fig. 2 ist eine Halbleiter-Injektionslaservorrichtung mit Merkmalen
nach der Erfindung dargestellt. Bei der dargestellten Ausführungsform ist ein elektrisch
quasiisolierendes Substrat 50 aus z.B. mit Chrom (Cr) oder Eisen (Fe) dotiertem
Galliumarsenid (GaAs) mit hohem spezifischen Widerstand vorgesehen. Das Substrat
50 besitzt normalerweise einen (spezifischen) Widerstand in der Größenordnung von
10 bis 106 Ohm/cm und eine Dicke von etwa 70 Am.
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Wie bei der Anordnung nach Fig. 1 wird nach einem Flüssig-Aufwachsverfahren
oder dgl. eine epitaxiale n-Galliumaluminiumarsenid-Schicht 12 auf einer der Hauptflächen
des Substrats 50 in einer Dicke von 3 bis 6 ijm gezüchtet, worauf auf dieser Schicht
12 eine n-Galliumarsenid-Schicht 16 in einer Dicke von etwa 0,3 µm gezüchtet wird.
SchlieBlich wird eine epitaxiale n-Galliumaluminiumarsenid-Schicht 16 in einer Dicke
von etwa 2 µm auf der n-Schicht 14g ezüchtet. Die n-
Schichten
12, 14 und 16 besitzen dabei Fremdatomkonzentrationen 17 18 17 von etwa 2 x 10 ,
1,5 x 10 8 bzw. 2 x 10 Atome/cm3.
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Ein auf diese Weise hergestelltes, allgemein mit 100 bezeichnetes
Halbleiterplättchen besitzt die Masse von etwa 300 x 300 ßm.
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Wie bei der Konstruktion nach Fig. 1 wird das Halbleiterplättchen
100 in einem vorbestimmten Bereich, bei der dargestellten Ausführungsform im linken
Bereich der freiliegenden Fläche der obersten n-Schicht 16 selektiv bis zu einer
das Substrat 50 erreichenden Tiefe weggeätzt.
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Sodann wird nach dem (epitaxialen) Flüssig-Aufwachsverfahren auf
dem weggeätzten Abschnitt eine p-Galliumaluminiumarsenid-Schicht 18 gezüchtet, um
die ursprüngliche Form des Plättchens 100 wiederherzustellen. Die Schicht 18 wird
verhältnismäßig stark mit Zink (Zn) dotiert, so daß 18 sie eine Fremdatomkonzentration
von 1 x 1018 bis 1 x 1019 Atome/cm3 besitzt. Die Schicht 18 gemäß Fig. 2 besitzt
eine Querabmessung bzw. Breite praktisch entsprechend der halben Breite des Plättchens
100, doch reicht eine Breite von etwa 50 ßm dieser Schicht aus.
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Anschließend wird das Plättchen 100 bei erhöhter Temperatur thermisch
behandelt, um das Zink, wie bei der Anordnung gemäß Fig. 1, aus der p-Schicht 18
in die diese berührenden Halbleiterbereiche eindiffundieren zu lassen und p-Bereiche
52, 20, 22 und 24 in den Diffusionsabschnitten des Substrats 50 sowie der n-Schichten
12, 14 bzw. 16 zu bilden.
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Ersichtlicherweise werden somit zusätzlich zum pp-Homoübergang 26,
zum pp-Heteroübergang 28, zum pp-Homoübergang 30 sowie zu den pn-Ubergängen 32,
34 und 36, wie sie vorher in
Verbindung mit Fig. 1 beschrieben
wurden, ein pp-Heteroein übergang 54 sowieVpi-Ubergang 56 zwischen der p-GaAlAs-Schicht
18 und dem p-GaAs-Bereich 52 bzw. dem p-GaAs-Bereich 52 und dem Substrat 50 geformt.
Gemäß Fig. 2 besitzen die Übergänge 26 und 32 gleichWroße Fläche, die durch die
Dicke der n-Schichten 12 und 16 bestimmt werden und im Vergleich zur Anordnung nach
Fig. 1 sehr klein sind.
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Anschließend werden eine erste und eine zweite Elektrode 38 bzw. 40
durch Vakuumaufdampfen oder Galvanisieren in ohmschem Kontakt mit den p- und n-Galliumaluminiumarsenid-Schichten
18 bzw. 16 angeordnet, worauf die Halbleiter-Injektionslaservorrichtung fertiggestellt
ist.
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Fig. 3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung, die
sich von derjenigen nach Fig. 2 nur darin unterscheidet, daß eine n- und eine p-Galliumarsenid-Schicht
60 bzw. 62 beispielsweise durch (epitaxiales) Flüssig-Aufwachsen selektiv auf den
nach außen freiliegenden Oberflächen der n- und p-Galliumaluminiumarsenid-Schichten
16 bzw. 18 ausgebildet sind und die Elektroden 38 und 40 in ohmschem Kontakt mit
den p- und n-Galliumarsenid-Schichten 60 bzw. 62 stehen. Diese Anordnung ist deshalb
gewählt, weil bei unmittelbarem Kontakt einerElektrode mit einer Galliumaluminiumarsenid-Schicht
der Kontaktwiderstand zwischen beiden sehr hoch wird. Zur Verhinderung eines Streustroms
sind die n- und p-Schichten 60 und 62 auf Abstand voneinander angeordnet.
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Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß sich die erfindungsgemäße
Halbleiter-Injektionslaservorrichtung von der bisherigen Vorrichtung dadurch unterscheidet,
daß bei ihr das bisher verwendete n-Galliumarsenid-Substrat
durch
ein elektrisch quasiisolierendes Substrat aus mit Chrom (Cr) dotiertem Galliumarsenid
mit hohem spezifischen Widerstand ersetzt und nach einem (epitaxialen) Flüssig-Aufwachsverfahren
selektiv eine p-Galliumaluminiumarsenid-Schicht auf dem Substrat so gezüchtet ist,
daß sie dieses Substrat berührt. Die entstehenden pn-Ubergänge 32 und 36 besitzen
daher eine Gesamtfläche, die durch die Dicke der n-Galliumaluminiumarsenid-Schichten
12 und 6 bestimmt wird. Da diese Dicke ohne weiteres auf eine Größe von etwa 1 ßm
verringert werden kann, kann bei der Erfindung die Gesamtfläche der pn-Ubergänge
32 und 36 typischerweise ein Fünfzigstel oder weniger der Gesamtfläche bei der bisherigen
Vorrichtung betragen. Außerdem fließt über den pp-Heteroübergang 54 kein Strom,
weil der pi-Ubergang 56 im anschließenden elektrisch quasiisolierenden Substrat
50 ausgebildet ist. Infolgedessen kann sich der Strom auf den pn-Ubergang 34 konzentrieren,
so daß der Streustrom auf einen praktisch vernachlässigbar niedrigen Wert verringert
werden kann. Auf diese Weise kann die Stromschwelle verkleinert werden, und ihre
Temperaturabhängigkeit kann im Vergleich zur bisherigen Vorrichtung gering sein.
Weiterhin kann der Streustrom typischerweise auf etwa ein Hundertstel des bei der
bisherigen Vorrichtung fließenden Streustroms reduziert werden. Darüber hinaus besitzt
die erfindungsgemäße Vorrichtung die vorteilhafte Eigenschaft, daß die Stromschwelle
Ith für die Laserschwingung bei einer Temperatur T von bis zu etwa 800C entsprechend
ItxhT th variiert.
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Außerdem dient die beschriebene, leicht dotierte p-Galliumarsenid-Schicht
22 dazu, dem die eine Seite des pn-Ubergangs
34 bildenden Bereich
einen Fremdatomkon-zentrationsunterschied zu erteilen, so daß in diesem p-Bereich
ein Unterschied im Brechungsindex eingeführt wird, der eine weitere Verbesserung
der Schwingungsbetriebsart gewährleistet.
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Obgleich die Erfindung vorstehend nur in einigen wenigen Ausführungsformen
dargestellt und beschrieben ist, sind dem Fachmann selbstverständlich-verschiedene
änderungen und Abwandlungen möglich, ohne daß vom Rahmen und Grundgedanken der Erfindung
abgewichen wird. Obgleich die Erfindung beispielsweise in Verbindung mit zwei Halbleitermaterialien
beschrieben worden ist, nämlich Galliumarsenid und Galliumaluminiumarsenid, ist
sie gleichermaßen auf drei oder mehr Halbleitermaterialien mit unterschiedlichen
verbotenen Bandbreiten anwendbar. Ebenso ist die Erfindung gleichermaßen auf den
gegenüber dem beschriebenen Leittyp entgegengesetzten Leittyp anwendbar.
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Zusammenfassend wird mit der Erfindung also eine Halbleiter-Injektionslaservorrichtung
geschaffen, bei welcher GaAlAs-, GaAs- und GaAlAs-Schichten unter Bildung eines
Halbleiterplättchens nacheinander auf einem quasiisolierenden, mit Chrom dotierten
GaAs-Substrat gezüchtet sind. Dabei werden vorbestimmte Bereiche dieser Schichten
selektiv bis zu einer zum Substrat reichenden Tiefe weggeätzt. Anschließend wird
eine epitaxiale p-GaAlAs-Schicht auf dem weggeätzten Bereich gezüchtet, um die ursprüngliche
Form des Plättchens wiederherzustellen. Das Plättchen wird sodann erwärmt, um zumindest
in der GaAs-Schicht einen als Lichtemissionsbereich wirkenden pn-Ubergang auszubilden.