DE2816270C3

DE2816270C3 - Injektions-Laserdiode

Info

Publication number: DE2816270C3
Application number: DE19782816270
Authority: DE
Inventors: Hirofumi Kawanishi Hyogo Namizaki
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1978-04-14
Filing date: 1978-04-14
Publication date: 1983-01-13
Also published as: DE2816270A1; DE2816270B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Injektions-Laserdiode mit einem Halbleiterkörper aus einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps, auf dem drei Halbleiterschichten des ersten Leitfähigkeitstyps epitaktisch ausgebildet sind, wobei sich wenigstens ein Teil der Schichtenfolgen nur über einen Teil des Substrats erstreckt und seitlich an einen einheitlichen Halbleiterbereich eines zweiten Leitfähigkeitstyps anschließt, wobei der Halbleiterkörper zwei Zonen mit einander entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp aufweist und wobei die Zone des ersten Leitfähigkeitstyps den Hauptteil der Schichtenfolge und die Zone des zweiten Leitfähigkeitstyps den seitlich an die Schichtenfolge anschließenden einheitlichen Halbleiterbereich und den an diesen Bereich unmittelbar anschließenden Teil der Schichtenfolge umfaßt.

Es sind bereits verschiedene Konstruktionen von Halbleiter-Injektionslaservorrichtungen bekannt, bei denen der Schwellenwert des Laserstroms verringert ist Von diesen Vorrichtungen erweist sich ein sog. TJS- bzw. Querübergangsstreifen-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-Il, 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 des Schwellenwertes des Laserstromes begleitet ist, bis die Laserschwingung schließlich aufgrund der in der Vorrichtung entwickelten Wärme aufhört

Außerdem beschreibt die DE-OS 24 50 162(= US-PS 39 51 996) einen Halbleiter-Injektionslaser der eingangs definierten Art mit zweidimensionaler HeteroStruktur mit einem Doppelheteroübergang in einei Richtung

ίο parallel zu dem die Laserschwingung leitenden pn-Homoübergang und einem einzigen oder Einfach-Heteroübergang in einer Richtung senkrecht zum gleichen pn-Übergang, wobei durch die HeteroÜbergänge ein äußerst kleiner Bereicii gebildet wird, welcher Ladungs-

r- träger und Licht einschließt, so daß die Laservorrichtung mit niedrigem Schwellenwert des Laserstroms betrieben werden kann. Beim Halbleiter-Injektionslaser gemäß dieser DE-OS ergeben sich jedoch Probleme dahingehend, daß eine Temperaturerhöhung einen plötzlichen Anstieg des Schwellenwertes des Laserstroms aufgrund eines über eine große Fläche der Obergänge fließenden Streustroms hervorruft

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, die Injektions-Laserdiode der eingangs definierten Art derart zu verbessern, daß sie einen außerordentlich kleinen Streustrom besitzt, der nicht temperaturabhängig ist und wobei zusätzlich der Schwellenwert des Laserstromes der Injektions-Laserdiode verringert und seine Änderungsgröße aufgrund

JO von Temperatureinfluß herabgesetzt sein soll.

Ausgehend von der Injektions-Laserdiode der eingangs definierten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Substrat aus einem elektrisch quasi-isolierenden Substrat mit hohem spezifischen Widerstand besteht, daß die erste auf dem Substrat ausgebildete Schicht der Schichtenfolge sich nur über einer. Teil des Substrats erstreckt und sich seitlich an den einheitlichen Halbleiterbereich anschließt

Die Erfindung kann dadurch noch eine vorteilhafte Weiterbildung erfahren, daß das Substrat mit Chrom

oder Eisen dotiert ist. wenn der Halbleiterkörper aus einem Ga-As-Substrat besteht.

Bei einer Ausführungsform ist schließlich auch

vorgesehen, daß zwei Elektroden in ohmschem Kontakt über getrennte Galliumarsenid-Schichten auf der obersten letzten Schicht befestigt sind.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische perspektivische Darstellung einer Halbleiter-Injektions-Laservorrichtung nach dem Stand der Technik, F i g. 2 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Injektions-Laserdiode. die eine Ausführungsform der Erfindung darstellt und

F i g. 3 eine der F i g. 2 ähnelnde Darstellung einer abgewandelten Ausfuhrungsform. In den Figuren sind gleiche Feile mit jeweils gleichen

Bezugsziffern bezeichnet.

F i g. 1 veranschaulicht eine TJS-Laservorrichtung derjenigen Art, wie sie im Prinzip aus der DE-OS 24 50 162 bekannt ist. Die dargestellte Anordnung umfaßt ein n-Typ-Galliumarsenid-Substrat 10 sowie eine n-Galliumaluminiumarsenid-Schicht 12. eine n-Galliumarsenidschicht 14 und eine n-Galliumaluminiumarsenid-Schicht 16, die nach dem epitaxialen Flüssig-Aufwachsverfahren nacheinander auf der einen Haupt-

fläche des n-Halbleitersubstrais ausgebildet worden sind.

Bei der Fertigung dieser Vorrichtung werden anschließend vorbestimmte Abschnitte, nämlich die gemäß Fig. 1 linken Bereiche der n-Sehichten 12, 14 und 16 beispielsweise durch Ätzen abgetragen, während ϊ der an das Substrat iO angrenzende Bereich Jcr 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.

Danach wird die so hergestellte Anordnung bei erhöhter Temperatur thermisch behandelt, um ein in der p-Schicht 18 enthaltenes p-Fremdatom in die angren- ιϊ zenden Abschnitte der η 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 Abschnitten der n-Schichten 12, 14 bzw. 16 ausgebildet werden, wobei diese p-Schich'en leiirht mit dem p-Fremdatom dotiert sind.

Infolgedessen werden ein pp-HomoÜbergang 26, ein pp-HeteroÜbergang 28 und pp-Homoübergang 30 >i zwischen der p-GaAIAs-Schicht 18 und dem p-GaAIAs-Bereich 20. zwischen der p-GaAIAs-Schicht 18 und dem p-GaAs- Bereich 22 bzw. zwischen der p-Ga AlAs-Schicht 18 und dem p-GaAIAs-Bereich 24 geformt, während pn-Übergänge 32, 34 und 36 zwischen dem jo p-Bereich 20 und der η-Schicht IZ 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 grenzen die Übergänge 26,28 und 30 aneinander an, ebenso wie die zu den genannten Obergängen 26,28 und 30 parallel verlaufenden Übergänge 32,34 und 36.

Anschließend wird eine erste Elektrode 38 in ohmschen Kontakt mit der p-Schicht 18 angeordnet, während eine zweite Elektrode 40 in ohmschem Kontakt m^;t der Gesamtoberfläche der anderen Hauptfläche des Substrats 10 vorgesehen wird.

Galliumarsenid (GaAs) besitzt eine engere verbotene Bandbreite als Galliumaluminiumarsenid (GaAlAs), so daß einem pn-übergang mit Galliumarsenid eine kleinere Diffusionsspannung erteilt werden kann als einem pn-übergang mit Galliumaluminiumarsenid. Infolgedessen kann bei Anlegung einer Vorwärts- bzw. Durchschaltspannung über die Elektroden 38 und 40 ein großer Teil des entstehenden Stroms im pn-übergang 34 zwischen dem GaAs-Rereich 22 und der Schicht 14 konzentriert werden, wodurch die Laserschwingung in einem Lichtemissionsbereich hervorgerufen wird, der lieh am und neben diesem pn-Übergang 34 befindet und einen Injektionsbereich bildet.

Obgleich gesagt werden kann, daß die Diffusions- « spannung am pn-Übergang mit Galliumaluminiumarsenid hoch ist, fließt ein, wenn auch kleiner. Strom über den pn-Übergang infolge der Diffusionsspannung. Dieser Strom erfährt bei einem Anstieg der Temperatur und der Stromstärke eine plötzliche Erhöhung. Wenn t>o beispielsweise angenommen wird, daß Galliumaluminiumarsenid (Gai-, —,AI.As) Aluminium in einer Konzentration χ 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, vobei sich die Ströme ihren Schwellenv,"?rtgrößen nähern.

Andererseits besitzt der pn-Übergang 34 mit Galliumarsenid typischerweise eine Oberfläche von 0,5 χ 300 μιπ², während die pn-Übergänge 32 und 36 mit Galliumaluminiumarsenid typischerweise eine Gesarrtoberfläche von etwa 50χ300μην^ί besitzen. Da die Stromstärke der Stromdichte, multipliziert mit der Fläche gleich ist, betragen die über die pn-Übergänge 32 und 36 mit Galliumaluminiumarsenid fließenden Ströme nur etwa 10% des Gesamtstroms. Dieser Stromanteil trägt allerdings nicht zur Laserschwingung bei.

Ein Temperaturanstieg und eine Erhöhung der Stromdichte sind von einer weiteren Veränderung des Stromdichtenverhältnisses unter plötzlicher Erhöhung des Streustroms begleitet. Der Schwellwertstrom Jm für die Laserschwingung erfährt daher eine plötzliche Erhöhung praktisch entsprechend Uh-T¹ (mit T = Absoluttemperatur). Schließlich wird dabei die Laserschwingung infolge der Wärmeerzeugung beendet. In diesem Zusammenhang kann die Temperaturabhängigkeit des Schwellenwertes des Laserstroms l,_h durch /,_Λ - T' ausgedrückt werden, vorausgesetzt, daß der Streustrom vernachlässigbar ist.

In Fig.2 is· eine Halbleiter-lnjekticaslaservornchtung, die eine Ausfühpjngsform der Erfindung darstellt, abgebildet. Bei der dargestellten AusführungsfTir ist ein elektrisch quasi isolierendes Substrat 50 aus z. B. mit Chrom (Cr) oder Eisen (Fe) dotiertem Galliumarsenid (GaAs) mit hohem spezifischen Widerstand vorgesehen. Das Substrat 50 bes'tzt normalerweise einen (spezifischen) Widerstand in der Größenordnung von 10' bis 10⁶ Ohm · cm und eine Dicke von etwa /0 μπι.

Wie bei der Anordnung nach F i g. 1 wird nach einem Flüssig-Aufwachsverfahren eine epitaxiale n-Galliumaluminiumarsenid-Schicht 12 auf einer der Hauptflächen des Substrats 50 in einer Dicke von 3 bis 6 μπι gezüchtet, worauf auf dieser Schicht 12 eine n-Galliumarsenid-Schicht 14 in eir.er Dicke von etwa 0.3 μπι gezüchtet wird. Schließlich wird eine epitaxiale n-Galliumaluminiumarsenid-Schicht 16 in einer Dicke von etwa 2 μπι auf der n-Schicht 14 gezüchtet. Die n-Schichten 12, 14 und 16 besitzen dabei Fremdatomkonzentrationen von etwa2x 10".13x 10^lsbzw.7x 10¹⁷ Atome/cm^J.

hin auf diese Weise hergestelltes, allgemein mit 100 bezeichnetes Halbleiterplättchen besitzt eine Abmessung von etwa 300 χ 300 μην.

Wie bei der Konstruktion nach F · g. 1 w=rd 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. Sodann wird nach dem (epitaxialen) Flüssig-Aufwachsvtrfahren auf dem weggeätzten Abschnitt eine p-Galiiumaluminiumarsenid-Schicht !8 gezüchtet, um die urspi üngliche Form des Plättchens 100 v» leJerherzustellen. Die Schicht 18 wird verhältnismäßig stark mit Zink (Zn) dotiert, so daß sie eine Fremdatomkonzeniration von 1 χ 10" b.s 1 χ 1U^!* Atome/cm³ besitzt. Die Schicht 18 gemäß F i g. 2 besitzt eine Querabmessung bzw. Breite praktisch entsprechend der halben ⁿreite des Pläitchens 100, doch reicht eine Breite von etwa 50 μπι dieser Schicht aus.

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 lawen und ρ Rereiche 52, 20, 22 und 24 in den Diffusionsabschnitten des Substrats 50 sowie der n-Schichten 12,14 bzw. 16 zu bilden.

Ersichtlicherweise werden somit zusätzlich zum

pp-Homoübergang 26, zum pp-Heteroübergang 28, zum pp-Hornoübergang 30 sowie zu den pn-Übergängen 32, 34 und 36, wie sie vorher in Verbindung mit F i g. I beschrieben wurden, ein pp-Heteroübergang 54 sowie ein pi-Übergang 56 zwischen der p-GaAIAs-Schicht 18 und dem p-GaAs-Bereich 52 bzw. dem p-GaAs-Bereich 52 und dem Substrat 50 geformt. Gemäß F i g. 2 besitzen die Übergänge 32 und 36 gleich große Fläche, die durch die Dicke der n-Schichten 12 und 16 bestimmt werden und im Vergleich zur Anordnung nach F i g. I sehr klein sind.

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.

F i g. 3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der

prfinHuncT Hio cmh wnn HorionicrAn γϊογΉ P t σ 0 nur Harin " — — "C· — ·- ■"- — -' j-*"e*-·* ·· — -·· - · o- — ·-— - — — · ·-·

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 einer Elektrode 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.

Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß sich die Halbleiter-Injektionslaservorrichtung gemäß F i g. 2 und 3 von der bisherigen Vorrichtung gemäß F i g. 1 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-Übergänge 32 und 36 besitzen daher eine Gesamtfläche, die durch die Dicke der n-Galliumalfminiumarsenid-Schichten 12 und 16 bestimmt wird. Da diese Dicke ". ohne weiteres auf eine Größe von etwa 1 μαι verringert werden kann, kann bei der Erfindung die Gesamtfläche der pn-Übergänge 32 und 36 typischerweise ein Fünfzigstel oder weniger der Gesamtfläche bei der bisherigen Vorrichtung betragen. Außerdem fließt über

in den pp-Heteroübergang 54 kein Strom, weil der pi-Übergang 56 im anschließenden elektrisch quasiisolierenden Substrat 50 ausgebildet ist. infolgedessen kann sich der Strom auf den pn-llbergang 34 konzentrieren, so daß der Streustrom auf einen

π praktisch vernachlässigbar niedrigen Wert verringert werden kann. Auf diese Weise kann der Schwellenwert des Laserstromes verkleinert werden, und seine Temperaturabhängigkeit kann im Vergleich zur bisherigen Vorrichtung vprringprl wprripn. Wrilprhin k:inn t|pr

:<> Streustrom typischerweise auf etwa ein Hundertstel des bei der bisherigen Vorrichtung fließenden Streustroms reduziert werden. Darüber hinaus besitzt die Laserdiode gemäß F i g. 2 und 3 die vorteilhafte Eigenschaft, daß der Schwellenwert des Laserstromes Λλ für die Laser-

>> schwingung bei einer Temperatur T von bis zu etwa 80"C entsprechend l,h— Tⁱ variiert.

Außerdem dient die beschriebene, leicht dotierte p-GaÜK rnarsenid-Schicht 22 dazu, dem die eine Seite des pn-Übergangs 34 bildenden p-Bereich einen

ü) Fremdatomkonzentrationsunterschied zu erteilen, so daß ir diesem p-Bereich ein Unterschied im Brechungsindex eingeführt wird, der eine weitere Verbesserung der Schwingungsbetriebsart gewährleistet.
Obgleich die Ausführungsformen der Erfindung

j) gemäß Fig.2 und 3 in Verbindung mit zwei Halbleitermaterialien beschrieben worden sind, nämlich Galliumarsenid und Galliumaluminiumarsenid, sind gleichermaßen auch solche mit drei oder mehr Halbleitermaterialien mit unterschiedlichen verbotenen

jn Bandbreiten anwendbar. Ebenso kann anstelle des beschriebenen Leitungstyps der entgegengesetzte Leitungstyp gewählt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. iBjektions-Laserdiode mit einem Halbleiterkörper aus einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps, auf dem drei Halbleiterschichten des ersten Leitfähigkeitstyps epitaktisch ausgebildet sind, wobei sich wenigstens ein Teil der Schichtenfolge nur über einen Teil des Substrats erstreckt und seitlich an einen einheitlichen Halbleiterbereich eines zweiten Leitfähigkeitstyps anschließt, wobei der Halbleiterkörper zwei Zonen mit einander entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp aufweist und wobei die Zone des ersten Leitfähigkeitstyps den Hauptteil der Schichtenfolge und die Zone des zweiten Leitfähigkeitstyps den seitlich an die Schichtenfolge anschließenden einheitlichen Halbleiterbereich und den an diesen Bereich unmittelbar anschließenden Teil der Schichtenfolge umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus einem elektrisch quasi-isolierenden Substrat (50) mit hohem spezifischen Widerstand besteht, daß die erste auf dem Substrat (50) ausgebildete Schicht (12) der Schichtenfolge (12, 14, 16) sich nur über einen Teil des Substrats (50) erstreckt und sich seitlich an den einheitlichen Halbleiterbereich (18) anschließt

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, mit einem aus einem Ga-As-Substrat bestehenden Halbleiterkörper, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (50) mit Chrom oder Eisen dotiert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Elektroden (38,40) in ohmschem Kontakt über getrennte Galliumarsenid-Schichten (62, 60) auf der obersten letzten Schicht (16, 18) befestigt sind.