DE2834922A1 - Heterouebergangs-diodenlaser - Google Patents
Heterouebergangs-diodenlaserInfo
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Description
Anmelderin: International Business Machines
Corporation, Armonk N.Y., 10504
bu/zi
Heteroübergangs-Diodenlaser
Heteroübergangs-Diodenlaser
Die Erfindung betrifft eine Anordnung, wie sie dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu entnehmen ist.
Für manche Anwendungszwecke könnte es äußerst nützlich sein,
einen Diodenlaser mit Einzelfleck-Laserstrahl zur Verfügung zu haben. Vorzugsweise sollten dabei Breite und Höhe des
hiermit erzielten Leuchtflecks nahezu möglichst gleiche Abmessungen besitzen. Außerdem sollte die Strahldivergenz so
gering wie möglich sein, um möglichst hohe Strahlleistung zu erreichen. Schließlich sollte die räumliche Lage des Leuchtflecks
weitgehend stabilisiert sein. Es wird also der Idealfall einer Einzelfilament-Laserabstrahlung für alle Injektionspegel
bis hinauf zu einem Wert angestrebt, bei dem der Diodenlaser gerade noch nicht zerstört wird. Während nämlich ,
ein Diodenlaser normalerweise bei Erhöhung des Injektions- '
pegels nach überschreiten eines vorgegebenen Schwellenwertes j mit seiner Laseraktion in Einzelfilament-Mode bei dement- j
sprechender Bereitstellung nur eines Leuchtflecks einsetzt, i
i zeigt sich bei höheren Pumpströmen die Tendenz, daß die j Einzelfilament-Lasermode in Multifilament-Lasermoden auseinanderfällt.
An dieser Stelle wird dabei kein Unterschied zwischen Vielfachmoden-Laserbedingungen und einer Laserbedingung
in einer höheren Einzelmode gemacht, da in beiden Fällen tatsächlich mehr als eine Einzelfilament-Moden-Laserbedingung
beteiligt ist und deshalb ebensogut auch von einem Multifilament-Laserbetriebszustand ausgegangen werden kann.
Der Ausdruck "Einzelfilament", der hier verwendet wird, umfaßt
eine Einzellasermode mit im allgemeinen eliptischer Tranversalintensitätsverteilung, die der Haupttransversalmode
in einer pjwH dim^npi onai <^n di el^ktyi Rnhpn Wellenleitung
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entspricht. Bisher bekannt gewordene Bauelemente für einen Einzelfilamentlaserbetriebszustand haben sich als unbrauchbar
bei hohen Injektionspegeln herausgestellt, wobei noch die mit einem gewissen Erfolg betriebenen Bauelemente größte
Schwierigkeiten zu ihrer Herstellung bereiten, von reproduzierbaren Resultaten ganz abgesehen.
Übliche Doppelheteroübergangsdiodenlaser (DH) besitzen normalerweise
Ladungsträger- und Lichtbegrenzung lediglich in einer Richtung senkrecht zum PN-Übergang, also in Transversalrichtung.
Die Lasermode wird hierbei in dieser Transversalrichtung gesteuert, es liegt also kurz gesagt eine Transversallasermode
vor, so daß in Richtung parallel zum übergang, also in· Lateralrichtung, im wesentlichen keine Wirkung zu
verzeichnen ist. Als Ergebnis zeigt sich, daß dabei im allgemeinen mehr als nur ein Laserfilament auftritt, sobald
der Injektionspegel in nennenswertem Maße oberhalb des Schwellenwertes angehoben wird.
übliche DH-Laserdioden in Streifengeometrieausführung üben
einen gewissen Steuerungseffekt auf die Lasermode in Lateralrichtung,
kurz ausgedrückt Laterallasermode, durch Steuerung der Lateralstromverteilung aus, so daß sich hiermit auch
entsprechend die Lateralgewinnverteilung unter Einwirkung der Streifenelektrode einstellt. Hierbei ist jedoch zu berücksichtigen,
daß eine minimale Breite dieser Streifenelektrode erforderlich ist, um Wärmeproblemen begegnen zu
können. In jedem Falle breitet sich bei dieser Ausführung der Strom über ein noch weiteres Gebiet aus, bevor er die aktive
Schicht des Diodenlasers erreicht, so daß sich eine zu breite Lateralgewinnverteilung für die Ausbildung einer Einzelfilamentlaserbetriebsweise
ergibt, wenn, wie gesagt, die Strompegel nicht hinreichend nahe am Laserschwellenwert
liegen.
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In der US-Patentschrift 3 833 821 ist ein DH-Laser gezeigt,
dessen aktive Schicht unterhalb der Streifenelektrode ver- ! laufend einen Verdickungsbereich aufweist, der zu einem
j Lichtbegrenzungseffekt in lateraler Richtung führt, so daß
!hiermit Einzelfilamentlasermode zu erreichen ist.
!Sowohl Licht-äls auch Ladungsträgerbegrenzungswirkung in
j lateraler Richtung stellt sich bei einem Heteroübergangsj Diodenlaser mit vergrabener aktiver Schicht ein, wie es
von T. Tsukada im "Journal of Applied Physics", Bd. 45, Nr. 11, Nov. 1974 auf den Seiten 4899 - 4906 unter dem Titel
I11GaAs-Ga1- Al As Buried-Heterostructure Injection Laser"
beschrieben ist. Auch in diesem Falle tritt ein Einzelmodellaser
zustand auf, weil Transversal- und Lateralmoden innerhalb eines Bereichs geeignet kleiner Geometrie eingeengt
sind. Die in den obengenannten Druckschriften beschriebenen Diodenlaser bedingen jedoch eine komplizierte Herstellungsweise,
weil zumindest zwei unabhängig voneinander auszuführende Epitaxieverfahrensschritte angewendet werden müssen,
die zumindest durch einen Ätzverfahrensschritt voneinander getrennt sind. Dies führt zu einer Schichtwachstumsunterbrechung, die ohne weitere Vorkehrungen schädliche Auswirkungen
nach sich zieht.
Halbleiterbauelemente, die unter Anwenden eines im wesentlichen kontinuierlichen Epitaxieniederschlags herstellbar
sind, besitzen einen klaren Fabrikationsvorteil, indem
sie abträgliche Epitaxieverfahrensunterbrechungsprobleme umgehen. Ein Heteroübergangs-Diodenlaser mit Einzelmodenlaserbetriebsweise
läßt sich gemäß dem Artikel "Single Mode Operation of GaAs-GaAlAs TJS-Laser Diodes" von H. Namizaki
fn "Transactions of the IECE of Japan", Bd. E59, Nr. 5,
Mai 1976 auf den Seiten 8 - 15 herstellen. Die dort beschriebene Anordnung krankt jedoch daran, daß eine nachteilige Zinkdiffusion erforderlich ist, die in der Praxis
schwierig zu handhaben ist, weil der gewünschte Diffusions-
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grad nur schwer einstellbar ist. Zinkdiffundiertes Gallium- j
arsenid ist außerdem für seine Tendenz bekannt, Kristallfehler zu begünstigen.
In der US-Patentschrift 3 978 428 wird ein kontinuierlich angewendetes Epitaxieverfahren beschrieben, um Aktiv- und
Begrenzungsschichten über eine eingeätzte Substratgrube zur Bereitstellung einer Heteroübergangs-Diodenlaserstruktur ''
aufzutragen. Die Streifenelektrode und die an den Grubenrändern diffundierte Schicht wirken zusammen zur Steuerung
der Lateralstrom- und damit der Gewinnverteilung. In der Praxis jedoch zeigt sich das Bestreben, daß die an den Gruben- ,
ränder diffundierte Schicht die aktive Schicht kurzschließt, . da die untere Begrenzungsschicht an den Grubenrändern häufig
zu dünn ausfällt. Ist die untere Begrenzungsschicht an den Grubenrändern zu dick, dann stellt sich andererseits die
Neigung ein, daß sich die Grube mit diesem Schichtmaterial mehr oder weniger ausfüllt und damit andere nachteilige
Wirkungen des Diodenlasers unvermeidlich sind. '
Im Artikel "Improved Light-output Linearity in Stripe-Geometry; Double Heterostructure (Al,Ga)As Lasers", aus "Applied Physics j
Letters", Bd. 29, Nr. 6, Sept. 1976, auf den Seiten 372 - |
374 ist eine Elektrodenstreifenstruktur reduzierter Breite j beschrieben. Das Gebiet außerhalb des erwünschten aktiven j
Bereichs wird außerdem durch Protonenbombardement hergerichtet; (Protoneneinzeichnungs-Streifenzone), so daß der Strom, der !
sich lateral in diesem bombardierten Bereich ausbreitet, keine! wirksamen Minoritatsträger hervorbringen kann, um hierdurch
die Gewinnverteilung in Lateralrichtung zu steuern. Wie aus diesem Artikel hervorgeht, ergibt sich Einzelfilamentlaserbetriebsweise
über einen gegenüber sonst zwar etwas erweiterten Strombereich, jedoch führt eine Hochstrombetriebsweise
zur Ladungsträgerinjektion nach wie vor zu Multifilament-Lasermoden.
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: In der Veröffentlichung unter dem Titel "Channeled-Substrate
j Planar Structure (AlGa)As Injection Lasers" in "Applied ! Physics Letter", Bd. 30, Nr. 12, Juni 1977, beschreiben Aiki
u. a. eine Struktur, bei der laterale aktive Schichtbereiche ' verlustreicher ausgestaltet werden, um eine wirksame Herab-
! setzung der Brechzahl in den lateralen Richtungen herbeizu-
! führen. Die sich hierdurch ergebende effektive Lichtbegren- \ zung steuert die Laterallasermode jedoch ebenfalls nur bei
. mäßigen Injektionspegeln.
i Allen oben beschriebenen Ausführungen ist darüberhinaus ge-I
meinsam, daß reproduzierbare Bauelemente für die erwünschten j Betriebsweisen kaum zu realisieren sind.
■ Die Aufgabe der Erfindung besteht bei dieser Sachlage darin,
: einen leicht herstellbaren Heteroübergangs-Diodenlaser mit
räumlich stabiler Einzelfilament-Lasermode unter Anwenden : eines sehr großen Ladungsträgerinjektionspegelbereichs bereit-
] zustellen, und zwar derart, daß bei Herstellung von Bauelei
menten mit reproduzierbaren Ergebnissen ein ununterbrochener ! Epitaxieniederschlagsvorgang Anwendung finden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, wie es dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 zu entnehmen ist.
Gemäß einem Äusführungsbeispiel der Erfindung in Form eines Doppelheteroübergangs-Diodenlasers, nachstehend abgekürzt
j DH-Laser, besteht ein Halbleiterkörper aus einer länglichen j aktiven Schicht mit einem sich in Längsrichtung erstreckenden
Einengungsbereich sowie zwei Begrenzungsschichten, die die gegenüberliegenden Längsflächen der aktiven Schicht flankieren
indem sie hiermit in Kontakt stehen. Die beiden Begrenzungs-
S schichten besitzen dabei einen größeren Bandabstand als die i aktive Schicht, so daß die Minoritatsladungsträger in Rich-
! tung auf die aktive Schicht gedrängt werden, die einen PN-
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Übergang aufweist, der im wesentlichen parallel mit und eng benachbart zu einer aktiven Schicht verläuft, um Minoritätsladungsträger in die aktive Schicht injizieren zu können,
wenn eine Vorwärtsvorspannung an den PN-Übergang angelegt wird. Dies soll sich zumindest über den Einengungsbereich
erstrecken, wobei die Abmessungen des Einengungsbereichs hinreichend wirksam sind, um Einzelfilamentlasermode herbeiführen
zu können.
Speziell wird dank der Erfindung eine räumlich stabile Einzelfilament-Lasermode in einem weiten Bereich der Injektionspegel
bei einem DH-Diodenlaser mit Streifenmetallisierung ;
herbeigeführt, indem Lateralmodebetriebsweise parallel zum j PN-Übergang erzwungen wird, wobei die Einengung in der i
aktiven Schicht unterhalb der Streifenelektrode vorliegt. ■■
Das Ausmaß dieser Einengung wird, wie gesagt, so gewählt, daß sich eine Einzelfilament-Lasermode herbeiführen läßt.
Das Bauelement selbst läßt sich dank der Erfindung durch ein unterbrechungslos angewendetes Flüssigphasenepitaxieherstellungsverfahren
auf einem entsprechend gefurchten Substrat bereitstellen. Dabei zeigt sich, daß die erfindungsgemäßen
Bauelemente in vorteilhafter Weise reproduzierbare Ergebnisse aufweisen.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen und der Beschreibung.,
Die Erfindung wird anschließend anhand einer Ausführungsbeispielsbeschreibung
mit Hilfe der unten aufgeführten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines HeteroÜbergangs Diodenlasers
in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Fig. 2 die Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels
der Erfindung, anhand dessen sich die Wirkungsund Betriebsweise der Erfindung relativ leicht
erklären läßt.
Fig. 3 eine erste graphische Darstellung, bei der der Transversalmodegewinn in Abhängigkeit von der Dicke
der aktiven Schicht aufgetragen ist, und zwar mit der Brechzahl als Parameter.
Fig. 4 eine zweite graphische Darstellung, bei der der
Lateralmodegewinn in Abhängigkeit von der Breite der aktiven Schicht aufgetragen ist, und zwar für
den Grundwellentyp und den Wellentyp erster Ordnung.
Die Anordnung nach Fig. 1 zeigt einen Doppelheteroübergangs-Diodenlaser
10 in nicht maßstäblicher Darstellung. Der DH-Diodenlaser 10 enthält ein Substrat 12, fakultativ eine stromkontrollierende
Schicht 14, eine erste Ladungsträger-Begrenzungs- sowie Lichtwellenführungsschicht 16, eine aktive Schich
18 mit einem eingeengten aktiven Bereich 20 sowie hierzu benachbarten dickeren aktiven Bereichen 22, eine zweite Ladungsträgerbegrenzungsund
Lichtwellenführungsschicht 24 und fakultativ eine Elektrodenkontaktierungsschicht 26.
Die Grenzflächen zwischen den Schichten 18 und 16 sowie 24 entsprechen den HeteroÜbergängen 28 bzw. 30, die zur Einengung
der Ladungsträger innerhalb der aktiven Schicht 18 dienen»
IM überhaupt Minoritätsladungsträger auf ein Gebiet einzuengen
, muß der Bandabstand des für die aktive Schicht 18
vorgesehenen Materials niedriger sein als die Bandabstände des für die Begrenzungsschichten 16 und 24 verwendeten Materials. Wie sich weiter unten im einzelnen zeigen wird, hat
die Ladungsträgereinengung selbst eine Gewinndiskontinuität zur Folge, die ihrerseits zur Führung von Lichtwellen ausge-
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nutzt werden kann. Die aktive Schicht 18 besitzt vorzugsweise
eine höhere Brechzahl als die der Materialien der Begrenzungsschichten 16 und 24, um so ebenfalls das Auftreten
von Lichtwellen unmittelbar innerhalb der aktiven Schicht einzuzwängen. Eine derartige, durch Brechzahlendifferenzen
hervorgerufene Lichtwellenführung läßt sich alternativ auch an einer besonderen Grenzfläche zweier Teilschichten unterschiedlichen
Materials innerhalb der Begrenzungsschicht 16 und/oder Begrenzungsschicht 24 anstatt an den HeteroÜbergängen
selbst herbeiführen, wie sich leicht einsehen läßt. Die Begrenzungsschichten 16 und 24 sind von einem anderen
Leitfähigkeitstyp als die aktive Schicht 18, die selbst vom N- oder vom P-Typ sein kann, und zwar je nachdem kompensiert
oder undotiert in beiden Fällen«, Ein hier nicht gezeigter PN-Übergang befindet sich entweder innerhalb der aktiven
Schicht 18 oder hinreichend nahe einem der HeteroÜbergänge 28 oder 30, um bei Vorwärtsvorspannung Minoritätsladungsträger
in die aktive Schicht 18 zu injizieren. Der PN-Übergang liegt im allgemeinen im wesentlichen parallel zu
einem der HeteroÜbergänge 28 oder 30 und fällt normalerweise mit einem dieser HeteroÜbergänge zusammen.
Der PN-Übergang wird mittels einer Spannungsquelle in Vorwärtsrichtung
vorgespannt, indem diese Spannungsquelle 32 an eine Gegenelektrode 34 des Substrats 12 und an eine Streifenelektrode
36 der Elektrodenkontaktierungsschicht 26 angeschlossen ist. Die Streifenelektrode 36 läßt sich andererseits
auch unter Weglassen der Elektrodenkontaktierungsschicht
26 direkt auf die Begrenzungsschicht 24 aufbringen, wenn die Materialien der Streifenelektrode 36 und der Begrenzungsschicht 24 sich fest miteinander verbinden lassen, um so
einen möglichst geringen übergangswiderstand zu gewährleisten. Der Injektionsstrom wird vorzugsweise auf den Einengungsbereich
20 der aktiven Schicht 18 begrenzt, um so zu erreichen,
daß relativ viele Minoritätsladungsträger in den Einengungs-
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j bereich 20 und möglichst keine in die benachbarten Bereiche
j 22 der aktiven Schicht 18 injiziert werden. Eine derartige Stromkonzentration führt zwar zu verbesserten Betriebsweise
eine DH-Diodenlasers, ist jedoch bei geeignet gestalteter
Einengung nicht erforderlich, da tatsächlich nur die Notwendigkeit für einen Ladungsträgerdichtegradienten bzw. eines
j entsprechenden Profils in lateraler Richtung besteht, was ] sich durch Einengung allein herbeiführen läßt, ohne außerdem
! noch einen Stromdichtegradienten bzw. ein entsprechendes ι Profil in lateraler Richtung zu überlagern, wie sich weiter
j unten noch im einzelnen zeigen wird.
j In der Darstellung nach Fig. 1 wird der Injektionsstrom
j durch die kombinierte Wirkung der begrenzten Breite der j Streifenelektrode 36 und dank der Diskontinuität in der
stromkontrollierenden Schicht 14 kontrolliert. Die wirksame j Breite der Streifenelektrode 36 tendiert dahin, die laterale
; Stromausbreitung zu reduzieren und so das Gebiet des in • Vorwärtsrichtung vorgespannten PN-Übergangs einzuengen. Die
stromkontrollierende Schicht 14 und die Begrenzungsschicht 16 sind für den gleichen Zweck vom entgegengesetzten Leitungstyp.
Ist der PN-Übergang an der aktiven Schicht 18 in Vorwärtsrichtung vorgespannt, dann ist die Grenzfläche zwischen
der stomkontrollierenden Schicht 14 und der Begrenzungsschicht 16, die ja auch einen PN-Übergang darstellt, in
Rückwärtsrichtung vorgespannt. Dies führt dank Tunneleffekt zu Stromleitung in Richtung auf die Zentralregion, wo die
stromkontrollierende Schicht 14 praktisch unwirksam ist und dementsprechend auch kein in Rückwärtsrichtung vorgespannter
PN-Übergang vorliegt. Diese Zentralregion, in de.r also keine stromkontrollierende Schicht 14 vorhanden ist, deckt sich
von der Geometrie her gesehen ebenso wie die Streifenelektrode 36 mit dem Einengungsbereich 20 in der aktiven Schicht
18, so daß sich hierauf also der Injektionsstromfluß konzentriert.
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Die aktive Schicht 18 läßt also unter Einwirkung eines bei
Vorspannung in Vorwärtsrichtung über den PN-Übergang injizierten Mxnoritatstragerladungsstrom in Folge Rekombination
mit den Majoritätsladungsträgern die Laserstrahlung entstehen,
was zur Aussendung entsprechender Lichtwellen führt. Die Rekombination konzentriert sich im Einengungsbereich 20
aufgrund der Einengungswirkung selbst und gegebenenfalls dank der' Stromkonzentration. Die Endflächen 38 und 40 sind reflektierend
ausgebildet, so daß sich ein optischer Resonator zur Beibehaltung des in der aktiven Schicht erzeugten Lichtes
ergibt. Zumindest eine der Endflächen ist teildurchläßig, so daß ein gewisser Anteil des Lichtes aus dem DH-Diodenlaser
ausgekoppelt werden kann. Die Endflächen 38 und 40 werden im allgemeinen durch Spaltflächen, die parallel zueinander
liegen, gebildet, wobei sie senkrecht zur Axialrichtung des Einengungsbereichs 20 ausgerichtet sind.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ergibt sich aus der Darstellung nach Fig. 2, wobei festzuhalten ist,
daß die Herstellung eines entsprechenden Bauelementes sehr viel schwieriger ist als die eines Bauelements nach Fig. 1.
Dies hauptsächlich deswegen, weil dann kein unterbrechungsloses Epitaxieniederschlagsverfahren Anwendung finden kann.
Ein wenn auch durch Hinzunahme eines weiteren Verfahrensganges zur Materialabtragung komplizierteres Herstellungsverfahren
läßt sich, wie in der US-Patentschrift 3 859 178 angegeben, heranziehen. Allerdings ist festzuhalten, daß das
in Fig. 2 gezeigte Bauelement vom Betriebsstandpunkt aus gesehen bessere Eigenschaften aufweist als das Bauelement nach
Fig. 1, da hier die Einengung im aktiven Bereich sehr viel
klarer hervortritt. Bei beiden Bauelementen lassen sich aber reproduzierbare Ergebnisse erzielen. Auf jeden Fall läßt
sich dank der rechteckigen Geometrie in der aktiven Schicht die Betriebsweise der erfindungsgemäßen Anordnung sehr viel
leichter erklären als es für andere Strukturen der Fall ist.
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2534922
In dieser Hinsicht läßt sich die Anordnung nach Fig. 2 als
schematisierte Darstellung der Struktur nach Fig. 1 ansehen,
wobei jedoch die stromkontrollierende Schicht 14 fehlt. Die
Streifenelektrode 36 entspricht jedenfalls der der Fig. 1. Die Betriebsweise ist hier insofern verbessert, als. der
Stromfluß sich nicht in für die Erfindung bedeutungslose Gebiete außerhalb des eigentlichen Einengungsbereichs verläuft.
Eine Stromkonzentration ist zudem hier nicht erforderlich,
um eine Modeneinengung herbeizuführen, so daß dies bei den nachfolgenden Betrachtungen außer Acht gelassen werden
kann.
Die aktive Schicht 18 bei der Anordnung nach Fig. 2 enthält
einen Einengungsbereich 20 mit gleichförmiger Breite w und gleichförmiger Dicke tQ, welche sich zwischen die beiden
reflektierenden Endflächen 38 und 40 erstreckt. Benachbart zum Einengungsbereich 20 sind wie vorhin dickere Bereiche
gleichförmiger Dicke t^. Die Stufe in der aktiven Schicht
zwischen, diesen beiden Bereichen beträgt demnach At = t.. - t
Unter Anwenden bekannter Verfahren zur Lösung von Grenzwertproblemen
in Anwendung auf diese Struktur ist es möglich, die Abmessungen t_, w und At zu bestimmen, welche zu einer Einzelfilamentbetriebsweise
über einen weiten Injektionsstrombereich führen. Grundsätzlich werden Abmessungsparameter gewählt,
die sicherstellen, daß Transversal- und Lateralmodegewinn für die Grundmode beträchtlich größer sind als für
die Moden höherer Ordnung. Es ist von grundlegender Bedeutung, daß diese Gewinnarten für die Grundmode beträchtlich größer
sind als für die Moden höherer Ordnung, weil sich nämlich im
letzteren Falle ein Verzerrungseffekt der Lasermode auf die räumliche Gewinnverteilung einstellt.
Was sich allerdings bei Anheben des Injektionspegels abzuzeichnen scheint, ist, daß der Gewinn in aktiven Bereichen
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283492
außerhalb des Laserfilaments anwächst, wohingegen der integrierte
Gewinn innerhalb des aktiven Bereiches danach strebt, den gleichen Wert beizubehalten, und zwar aufgrund der beim
Laservorgang ausgelösten Umsetzung von Überschußminoritätsladungsträgern in Lichtenergie. Damit ändert sich die Gewinnverteilung
in solcher Richtung, daß für gewöhnlich Multifilamentlasermodenausbildung
bevorzugt wird. Jedoch führt eine Änderung zu einer neuen Lasermodenkonfiguration zu hierdurch
bedingter Änderung der Gewinnverteilung in einer Richtung, wie es scheint, die die neue Lasermodenkonfiguration hinwiederum
nachteilig beeinflußt. Somit ergibt sich, daß der übergang zu einer neuen Lasermodenkonfiguration allmählich
über einem Injektionspegelbereich auftritt, bei welchem die
Modenkonfiguration unstabil ist. Um diesen Instabilitätsbereich zu vermeiden, bei dem zusammen mit durch ein Einzelfilament
verursachte Gewinnverzerrungen gleichzeitig Lasermoden höherer Ordnung induziert werden, müssen die Transversal-
und Lateralmodengewinne der Grundmode beträchtlich größer sein als die für Moden höherer Ordnung. Das Ausmaß
der Gewinndifferenz legt bis zu einem gewissen Grade den Injektionspegelbereich fest, über welchem sich die Einzelfilamentmode
zur Laserwirkung herbeiführen läßt.
Zur Berechnung der Modegewinne kann die in Fig. 2 gezeigte Struktur als Wellenleiter mit den rechteckigen Abmessungen
w und tQ angesehen werden. In Transversalrichtung, also in
Richtung senkrecht zu den Schichten, ergibt sich eine Wellenleitung
aufgrund der Brechzahldifferenz zwischen aktiver Schicht 18 und den Begrenzungsschichten 16 und 24. In lateraler
Richtung, also der Richtung parallel zu den Schichten, ergibt sich Wellenleitung aufgrund der Gewinndifferenz
(Minoritätsladungsträgerkonzentration) zwischen dem Einengungsbereich 20 und den dickeren Bereichen 22 der aktiven
Schicht 18. Es stellt sich eine Gewinndifferenz zwischen dem Einengungsbereich 20 und den dickeren Bereichen 22 selbst
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283.492:>
dann ein, wenn keine Konzentration des Injektionsstroms vorliegt, da, auch wenn Minoritätsladungsträger gleichmäßig
in die aktive Schicht 18 bei gleichförmiger Stromverteilung injiziert werden, die Minoritätsladungsträgerkonzentration
aufgrund der geringeren Dicke der aktiven Schicht in diesem Bereich relativ hoch ist. Ein Antiwellenleitungseffekt zeigt
sich außerdem in Lateralrichtung, und zwar aufgrund der tatsächlichen Brechzahlerhöhung infolge Dickenänderung.
Diese Wellenleitungseffekte, nämlich Brechzahl-Wellenleitungsoder -Antiwellenleitungseffekt und Gewinn-Wellenleitungseffekt,
lassen sich als Real- und Imaginärteile einer komplexen Brechzahl ansehen. Der mathematische Apparat zur
Berechnung von Wellenleitunggrenzwertproblemen unter Einschluß komplexer Brechzahlen läßt sich z. B. der Veröffentlichung
von Reisinger, "Characteristics of Optical Guided Modes in Lossy Waveguides" in "Applied Optics", Bd. 12,
Seiten 1015 - 1025, (1973), entnehmen, worauf hier ausdrücklich Bezug genommen wird.
Für den vorliegenden Fall sei angenommen, daß die aktive Schicht 18 aus Galliumarsenid mit einem Realteil der Brechzahl
von 3,59 besteht und daß die Begrenzungsschichten 16 und 24 aus Al Ga., As gebildet sind, die einen Realteil der
X I ^X
Brechzahl von 3,45; 3,38 oder 3,32 entsprechend den Werten für χ von 0,2; 0,3 und 0,4 aufweisen. Es sei weiterhin
angenommen, daß der durch das Bauelement nach Fig. 2 in Vorwärtsrichtung geleitete Strom gleichförmig über den Einengungsbereich
20 und den benachbarten dickeren Bereichen fließt. Der Gewinn in der aktiven Schicht 18 läßt sich dann
wie folgt ausdrücken:
n.j
g(t) = B ( -|-) - A.
g(t) = B ( -|-) - A.
Hierin bedeuten: B und A charakteristische Größen der GaAs-Aktivschicht,
ni die interne Quantenausbeute, j die Strom-
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283492:?
dichte, t die Dicke der Aktivschicht. Ein typischer Wert für
2 n±j für Betrieb bei Raumtemperatur ist mit 1,6 kA/cm
anzusetzen, wie er ebenfalls für vorliegende Berechung vorausgesetzt wird. Es versteht sich jedoch, daß eine Erhöhung
oder Erniedrigung dieses Wertes die sich ergebenden Gewinnkurven allgemein nach oben bzw. nach unten verschiebt. Die
Gewinnfunktion läßt sich in eine Imaginärbrechzahlfunktion entsprechend K(t) = g(t)X/(4ir) umwandeln, worin λ die Lichtwellenlänge
in Vakuum für das durch die Aktivschicht ausgesandte Licht darstellt und mit vorliegendem GaAs-System
bei etwa 882 nm liegt. Dementsprechend ist die komplexe Brechzahl der Aktivschicht der Dicke t durch folgenden
Ausdruck vorgegeben: 3,59 + iK(t) = 3,59 + ig (t) λ/ (4.ir) . Unter
Zugrundelegen dieses Wertes und der oben erwähnten Werte für die Brechzahlrealteile 3,45; 3,38 und 3,32 lassen sich die
Transversalmodengewinne für verschiedene Modenordnungen und verschiedene Dicken unter Verwendung des im oben zitierten
Artikels angeführten mathematischen Apparats berechnen.
Die in Fig. 3 gezeigte graphische Darstellung zeigt die errechneten
Ergebnisse für die elektrische Transversalegrundmode TEn in Abhängigkeit von der Dicke der Aktivschicht· bei einem
(AlGa) As-DH-Diodenlaser. Alle Transversalmoden höherer
Ordnung (TE., TE2 , usw.) treten entweder nicht auf oder zeigen
Modengewinne, die weit geringer sind als die der TE_-Mode,
so daß sie nicht weiter beachtet zu werden brauchen. Sowie t reduziert wird, wächst der Modegewinn zunächst aufgrund des
in der Aktivschicht anwachsenden Gewinn infolge der reduzierten Dicke an, um dann aufgrund der abnehmenden elektrischen
Feldmodeüberlappung mit dem Gewinnbereich wieder abzunehmen. Für Betrieb bei niedriger Stomdichte dürfte sich
hieraus klar ergeben, daß eine Dicke entsprechend dem Gewinnmaximum
oder in unmittelbarer Nachbarschaft hiervon ausgewählt werden sollte. Im allgemeinen jedoch und speziell, wo
eine nur allmähliche Aktivschichtdickenanderung vorgesehen
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283492
ist, wie ζ. B. bei der Anordnung nach Fig. 1, sollte die
minimale Dicke im Einengungsbereich nicht geringer sein als die für das Gewinnmaximum maßgebliche Dicke. Anderenfalls
könnten sich zwei räumlich getrennte Gebiete innerhalb des Einengungsbereichs ergeben, die maximalen Modengewinn zeigen.
Dies könnte dann zur Begünstigung von Multifilament-Lasermodenausbildung
führen. Jedoch sind Strukturkonfigurationen vielleicht vorstellbar, wo ein Doppelmaximum im Gewinnverlauf
nicht zu verzeichnen ist, selbst wenn die Minimaldicke innerhalb des Einengungsbereichs geringer ist als der durch
die graphische Darstellung nach Fig. 3 angedeutete Minimalwert. Dies könnte z. B. bei kaum gleichförmiger Stromverteilung
oder bei übermäßig stark ausgeprägter Einengung eintreten. Aus der graphischen Darstellung nach Fig. 3 jedoch
läßt sich allgemein entnehmen, daß die Einengung in einem (AlGa)As-System eine Minimaldicke innerhalb eines Bereichs
von 0,05 bis 0,40 ym aufweisen sollte, vorzugsweise aber innnerhalb eines Bereichs von 0,10 bis etwa 0,20 ym liegen
sollte. Da Dicken dieser Größenordnung nur sehr schwierig einzuhalten sind, ließe sich bei Auslegung eine minimale
Dicke im Einengungsbereich von etwa 0,15 ym als durchaus geeignet ansehen und wird dementsprechend für ein (AlGa)As-System
gemäß der Erfindung bevorzugt. Berechnungen dieser Art lassen sich auch für andere Lasermaterialsysteme anwenden,
wenn es auch einfacher zu sein scheint, Optimaldicken für diesen Einengungsbereich experimentell zu ermitteln. Bei
oben angewandter Berechnung für den Transversalmodengewinn sind die Modeneigenschaften hauptsächlich durch den Realteil
der Brechzahldifferenz zwischen Aktiv-und Begrenzungsschichten festgelegt. Der Imaginärteil der Brechzahldifferenz
aufgrund der Gewinndiskontinuität zwischen Aktiv- und Begrenzungsschichten ist im Vergleich zum Realteil der Brechzahldifferenz
von untergeordneter Bedeutung <, In Lateralrichtung
werden die Modeneigenschaften hauptsächlich durch den Imaginärteil
der Brechzahldifferen^ zwischen Einengungsbereich
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_18_ 283492
und den dickeren Bereichen 22 der Aktivschicht 18 gemäß der
Beziehung (K(tQ) - K(t.j)] festgelegt. Da die Bereiche jedoch
unterschiedliche Dicken aufweisen, erscheint ein zusätzlicher Brechzahlfaktor in der Rechnung. Im wesentlichen verhält
sich Licht im Einengungsbereich 20 derart, als ob die dickeren Bereiche 22 in der Aktivschicht 18 einen höheren Realteil
der Brechzahl aufweisen als die Einengungschicht 20. Infolgedessen läuft die Lateralmodenberechnung so weiter, als ob
die Einengungsschicht 20 mit der Breite w eine Brechzahl 3,59 + iK(t ) und die dickeren Bereiche 22 eine Brechzahl
von (3,59 + Δη) + iK(t.J besäßen, worin Δη positiv ist und
in bekannter Weise abgeschätzt werden kann.
Wenn z. B. t = t.. - tQ = 0,15 ρ - 0,10 ym = 0,05 ym gilt,
dann ergibt sich für Δη angenähert 0,027. Unter Einsetzen dieses Wertes in obige Brechzahlformel, für K-Werte bei
tQ = 0,10 ]xm und t.. = 0,15 μπι sowie für χ = 0,3 entsprechend
der graphischen Darstellung nach Fig. 3 werden magnetische Transversalmodengewinne für den Grundtyp und den Typ erster
Ordnung wiederum unter Zuhilfenahme des mathematischen Apparates im oben angeführten Artikel berechnet. Hierbei ist
angenommen, daß der magnetische Vektor der Lateralmode senkrecht zu den HeteroÜbergängen in der Struktur nach Fig.
2 gerichtet ist, um mit der bei der Transversalmodenberechnung
getroffenen Wahl des elektrischen Vektors parallel zu den HeteroÜbergängen konsistent zu sein. In der graphischen
Darstellung nach Fig. 4 sind die Berechnungsergebnisse für die magnetische Transversalgrundmode TM- und für die Mode
nächsthöherer Ordnung TM1 aufgetragen. Am interessantesten
dürfte dabei der schnelle Anstieg in der Differenz beider Kurven mit Absinken der Breite w unterhalb des Wertes 5 ym
sein. Wie oben dargelegt, muß der Grundmodengewinn beträchtlich größer sein als der Modengewinn für Moden höherer
Ordnung,, um Einselfilamentlasermoden über einen weiten Be=
reich von Injektionspegeln herbeiführen zu können» Aus der
Ί0 977 043
graphischen Darstellung nach Fig. 4 geht weiterhin hervor,
daß sich sehr weite Lateralmodegewinndifferenzen erzielen lassen, wenn die Abmessung w hinreichend klein gehalten
wird. Wie aus der graphischen Darstellung nach Fig. 4 außerdem ersichtlich, fällt der Gewinn für die Mode erster Ordnung
bei dem gewählten Injektionspegel für effektive Einengungsbreiten unterhalb von 3,2 ym auf 0 ab. Der tatsächlich für
die Abmessung w gewählte Wert kann nicht beliebig klein gehalten werden, da die mit kleinen Werten für w einhergehenden
niedrigen Grundmodengewinne höhere Schwellenwertstromdichten bedingen. Für ein (AlGa)As-Systern legt die graphische Darstellung
nach Fig. 4 nahe, den effektiven Wert für die Breite w größer als etwa 2,0 ym zu wählen und vielleicht sogar
innerhalb eines Bereichs von etwa 2,5 bis 5,0 ym. Eine effektive Breite von etwa 3,5 ym scheint für ein System dieser
Art, also für eine Anordnung gemäß der Erfindung, als bevorzugt angesehen werden zu können.
Die Betriebscharakteristiken der sich verengenden Aktivschicht
in der Anordnung nach Fig. 1 lassen sich in gleicher Weise berechnen, wobei jedoch zu bedenken gilt, daß eine
Einzelberechnung äußerst kompliziert wird. Experimentelle Bestimmung optimaler geometrischer Parameter wird für gewöhnlich
praktischer sein und dürfte auch leichter durchzuführen sein.
Der DH-Diodenlaser nach Fig. 1 besteht vorzugsweise aus
einem (AlGa)As-Systern, bei dem z. B. die Schichten wie
folgt aufeinander folgen: N-leitendes GaAs-Substrat, P-leitende
(AlGa)As-Schicht 14, N-leitende (AlGa)As-Begrenzungsschicht
16, P-leitende (AlGa)As-Aktivschicht 18, P-leitenäe
(AlGa) As-Begrenzungsschicht 24, P-leitende GaAs-Kontaktierungs
schicht 26. Hierbei gilt, daß die Aluminiumkonzentration in der Aktivschicht 18 geringer ist als die Aluminiumkonzentra-
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283492^
tion in den Begrenzungsschichten 16 und 24, die aber unter sich keine gleiche derartige Konzentration aufweisen brauchen.
Eine erfindungsgemäße Struktur läßt sich durch ein Herstellungsverfahren
bereitstellen, das nur einen einzigen ununterbrochenen Epitaxieniederschlagsverfahrensschritt enthält,
beispielsweise Flüssigphasenepitaxie. Das Substrat 12 wird
vor Schichtniederschlag mit einer in Längsrichtung verlaufenden grubenförmigen Vertiefung versehen, so daß ein
konvexer Oberflächenbereich entsteht. Bei der Anordnung nach Fig. 3 zeigt das Substrat zwei benachbarte parallel
zueinander verlaufende grubenförmige Vertiefungen, um auf diese Weise einen scharf ausgeprägten konvexen Zentralrücken
hierzwischen auszubilden. Im übrigen wäre es prinzipiell allerdings möglich, nur eine der Schultern einer
einzelnen grubenförmigen Vertiefung für den erfindungsgemäßen Zweck heranzuziehen, wobei dann deren konvexe Ausbildung
analog für den erfindungsgemäßen Zweck ausgenutzt wird. Der Nachteil im letzteren Falle ist der, daß die sich ergebende
Schichtstruktur oberhalb des Einengungsbereichs in der aktiven Schicht eine gewisse Neigung gegenüber der Elektrodenkontaktflache
zeigt. Wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 2 angedeutet, lassen sich die Schichten auch auf ein abgestuftes
Substrat, allerdings unter Inkaufnahme der aufgezeigten Nachteile, auftragen.
Die Ausbildung des Einengungsbereichs 20 wird zum Teil durch die Formung der ersten Begrenzungsschicht 16 bestimmt. Die
Gestaltung der Begrenzungsschicht 16 ist aber ihrerseits zum Teil durch die Struktur, auf der sie niedergeschlagen wird,
festgelegt. Die jeweilige Schichtbildung wird außerdem durch die Tendenz der Atome bestimmt, sich bevorzugt an solchen
Oberflächenbereichen anzulagern, wo die Konvexkrümmung weniger ausgeprägt ist. Beim Gleichgewicht zwischen Festkörperoberfläche
und Lösung, aus der der Aufwachsvorgang gespeist
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283492
i wird, ergibt sich eine Minimalenergie, wenn die Oberfläche j eben ist. Schichtwachstum entspricht aber einem Nichtgleich-[
gewichtsprozeß. Durch Modulation der Wachstumsrate ist es : möglich, den Krümmungsradius aufwachsender Oberflächen zu
• steuern. Während des Wachstums der stromkontrollierenden ] Schicht 14 kann durch überstarke konvexe Ausbildung des
j Zentralrückens der Effekt eintreten, daß sich Auflösung j anstatt Anlagerung auf dem Zentralrückenfirst einstellt.
j Hierdurch bedingt.entsteht dann eine stromkontrollierende
j Schicht 14, die an dieser Stelle unterbrochen ist. Ist die i Wachstumsrate dann während des nachfolgenden Wachstums der
Begrenzungsschicht 16 relativ groß, dann läßt sich der Grad
j der konvexen Krümmung der darunterliegenden Oberfläche im ! wesentlichen beibehalten. Ein Reduzieren in der Wachstums-
! rate beim Aufwachsen der Aktivschicht 18 hat zur Folge, daß
; der Grad der konvexen Krümmung der aufwachsenden Oberfläche
entsprechend reduziert wird, weil sich dann nämlich ein
; Zustand näher dem Gleichgewicht einzustellen vermag. Auf
i diese Weise läßt sich somit also der Einengungsbereich 20
j ausbilden.
! Ins einzelne gehende Ausführungen zum epitaktischen Aufwachsen eingeengter Bereich in Aktivschichten lassen sich folgenden
Druckschriften entnehmen: US-Patent 3 978 428; "Growth
Characteristics of GaAs-Ga1 Al As Structures Fabricated by
Liquid-Phase Epitaxy Over Preferentially Etched Channels" in
"Applied Physics Letters", Bd. 28, Nr. 4, (Febr. 1976), auf den Seiten 234 - 237; und "Channeled Substrate Buried Heterostructures
GaAs-(GaAl)As Injection Lasers" in "Journal of Applied Physics", Bd. 47, Nr. 10, (Okt. 1976), auf den Seiten
4578 - 4589.
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909809/0824
Leerseite
Claims (10)
- -X-PATENTANSPRÜCHEHeteroÜbergangslaser, bei dem eine aktive Schicht von zumindest einer Begrenzungsschicht hiermit in Kontakt stehend flankiert ist, welche einen größeren Bandabstand und einen niedrigeren Brechungsindex als die aktive Schicht aufweist, indem über den der aktiven Schicht weiterhin zugeordneten PN-Übergang Minoritätsladungsträger in diese aktive Schicht bei Vorwärtsvorspannung injizierbar sind und ein rechteckförmiger Laserquerschnitt in der Ebene des PN-Übergangs vorgegeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß in Längserstreckung des Heteroübergangs-Diodenlasers verlaufend die aktive Schicht einen Verengungsbereich besitzt, der in der gesamten Längserstreckung des Bauelements oberhalb der Begrenzungsschicht liegend zur Vorspannung des PN-übergangs in Vorwärtsrichtung mit einer Elektrode zumindest teilweise überdeckt ist, wobei der Verengungsbereich der aktiven Schicht so bemessen ist, daß die Laseraktion unter Einwirkung einer Vorwärtsvorspannung ° am PN-Übergang auf eine Einzelfilament-Mode eingeschränkt ist.
- 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ■ ein Doppelheteroubergangslaser vorgesehen ist. j
- 3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den zwei gegenüberliegenden Enden des Diodenlasers reflektierende, parallel zueinander liegende, sich senkrecht zur PN-übergangsfläche erstreckende Endflächen bei den Verengungsbereichen der aktiven Zone angebracht sind.
- 4. Anordnung nach Anspruch 1 und/oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der PN-Übergang im wesentlichen mit der Grenzfläche zwischen aktiver Schicht und einer der Begrenzungsschichten zusammenfällt.043 909809/0824ORIGINAL INSPECTED_2_ 1834922
- 5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die längliche Elektrode in Streifengeoinetrieausführung mit den Abmessungen des Einengungsbereichs der aktiven Schicht zusammenfällt.
- 6. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsschicht bzw. -schichten sowie die aktive Schicht aus (AlGa)As bestehen, wobei der Aluminiumanteil in der aktiven Schicht geringer ist als der Aluminiumanteil in einer der Begrenzungsschichten, und daß die Gegenelektrode zur Bedeckung der gesamten Rechteckfläche des Bauelements ausgebildet ist.
- 7. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Einengungsbereich in der aktiven Schicht eine minimale Dicke zwischen 0,05 und 0,40 pm aufweist.
- 8. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Einengungsbereich eine effektive Breite zwischen 2,5 \im und 5,0 ym aufweist.
- 9. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten unter Anwenden eines Flüssigphasen-Epitaxieniederschlags in einem ununterbrochenen Vorgang aufgewachsen sind.
- 10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß j die aufgewachsenen Schichten auf einen mit sich inParallelrichtung längs erstreckenden Doppelgraben verj sehenen Substrat aufgebracht sind, wobei der Doppelgraben einen Zentralrücken konvexen Querschnitts einschließt»Y0 977 O43 909809/0824
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DE2834922C2 (de) | 1984-07-19 |
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
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