DE2834922A1

DE2834922A1 - Heterouebergangs-diodenlaser

Info

Publication number: DE2834922A1
Application number: DE19782834922
Authority: DE
Inventors: Martin Braidwood Small; Jun Peter Stephen Zory
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1977-08-15
Filing date: 1978-08-09
Publication date: 1979-03-01
Also published as: DE2834922C2; CA1096962A; JPS5432284A; FR2400784B1; IT7826105A0; FR2400784A1; GB1587008A; JPS5711516B2; IT1112289B; US4166253A

Description

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk N.Y., 10504

bu/zi
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

-4- 283492

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.

YO 977 043

293492-:

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-Ga_1- 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-

977 043 90Ö8Q9/Ö824

283492?

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.

977 043 98S8Q9/08!

2334922

^: 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-

YO 977 043

-8- 283492:?

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.

YO 977 043

283Λ922

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-

YO 977 043 900809/0824

_₁₀_ 283492B

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-

YO 977 043

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.

977 043 909809/0824

_ ₁₂ _ 283492

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.

977 043 903 809/0824

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 t_Q, 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

YO 977 043 *^ϋ5ίο

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 t_Q 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

YO 977 043

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.

Hierin bedeuten: B und A charakteristische Größen der GaAs-Aktivschicht, n_i die interne Quantenausbeute, j die Strom-

YO 977 043 909809/0824

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 TE_n 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

90S8O9/O824

YO 977 043

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

YO 977 043

_₁₈_ 283492

und den dickeren Bereichen 22 der Aktivschicht 18 gemäß der Beziehung (K(t_Q) - 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.. - t_Q = 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 t_Q = 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-

_{Y0 977 O43} 909809/0824

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

YO 977 043 909809/082*

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.

YO 977 043

909809/0824

Leerseite

Claims

-X-

PATENTANSPRÜCHE

HeteroÜbergangslaser, 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 909809/0824

ORIGINAL 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 in

Parallelrichtung längs erstreckenden Doppelgraben verj sehenen Substrat aufgebracht sind, wobei der Doppelgraben einen Zentralrücken konvexen Querschnitts einschließt»

^{Y0 977 O43} 909809/0824