DE2834922C2

DE2834922C2 - Wellenleitungs-Halbleiter-Diodenlaser

Info

Publication number: DE2834922C2
Application number: DE2834922A
Authority: DE
Inventors: Martin Braidwood Mohegan Lake N.Y. Small; Peter Stephen Ossining N.Y. Zory jr.
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1977-08-15
Filing date: 1978-08-09
Publication date: 1984-07-19
Also published as: JPS5711516B2; GB1587008A; FR2400784A1; JPS5432284A; IT7826105A0; CA1096962A; IT1112289B; DE2834922A1; US4166253A; FR2400784B1

Description

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1. Wellenleitung-Halbleiter-Diodenlaser in Doppelheterostruktur, bei der über einem Substrat eine Folge von Halbleiterschichten aufgewachsen ist, zu denen eine aktive Schicht mit einer einzigen, parallel zur Laserachse verlaufenden Einengung und zwei der aktiven Schicht in Schichtenfolge zu beiden Seiten unmittelbar benachbarte Begrenzungs- und Lichtwellenführungsschichten mit relativ zur aktiven Schicht größerem Bandabstand und niedrigerer

Brechzahl gehören, wobei die Schichtenfolge ober- Die Erfindung betrifft einen Diodenlaser, wie er dem

halb der Verengung eine in Richtung der Laserachse Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu entnehmen ist; verlaufende Streifenelektrode trägt dadurch 15 vgl.US-PS3859 178.

gekennzeich-rrtTt', Für manche Anwendungszwecke konnte es äußerst

nützlich sein, einen Diodenlaser mit Einzelfleck-Laser-

— daß die Dicke (to), d. h. Abmessung in Transver- strahl zur Verfügung zu haben. Vorzugsweise sollten salrichtung oder senkrecht zur Schichtebene, dabei Breite und Höhe des hiermit erziehen Leuchtder Einengung (20) in der aktiven Schicht (18) 20 flecks nahezu möglichst gleiche Abmessungen besitzen, inngibalb des Dickenbereichs liegt, bei dem der Außerdem sollte die Strahldivergenz so gering wie Wert des Gewinnkoeffizienien für den Grund- möglich sein, urn möglichst hohe Strahüeistung zu erreityp der Transversalwelle einen Maximalbereich chcn. Schließlich sollte die räumliche Lage des Leuchtaufweist, flecks weitgehend stabilisiert sein. Es wird also der Ide-

— daß die Breite (W), d. h. Abmessung in Lateral- 25 alfall einer Einzelfilament-Laserabstrahlung für alle Inrichtung oder senkrecht sowohl zur Transver- jektionspegel bis hinauf zu einem Wert angestrebt, bei

dem der Diodenlaser gerade noch nicht zerstört wird. Während nämlidi- ein Diodenlaser normalerweise bei Erhöhung des Injektionspegels nach Oberschreiten eines vorgegebenen Schwellenwertes mit seiner Laseraktion in EinzelfHament-Mode bei dementsprechender Bereitstellung nur eines Leuchtflecks einsetzt, zeigt sich bei höheren Pumpströmen die Tendenz, daß die Einzelfilament-Lasermode in Multifilament-Lasermoden aus-

() der aktiven Schieb.» (18) in Bereichen (22) 35 einanderfällt. An dieser Stelle wird dabei kein Unteraußerhalb der Einengung (20) und der Einen- schied zwischen Vielfachmoden-Laserbedingungen und

einer Laserbedingung in einer höheren Einzelmode gemacht, da in beiden Fällen tatsächlich mehr als eine Einzelfiiament-Moden-Laserbedingung beteiligt ist und deshalb ebensogut auch >;on ei.xm Multifilament-Laserbetriebszustand ausgegangen werden kann. Der Ausdruck »Einzelfilament«, der hier verwendet wird, umfaßt eine Einzellasermode mit im allgemeinen elliptischer Transversalintensitätsverteilung, die der Haupttransversalmode in einer zweidimensionalen dielektrischen Wellenleitung entspricht. Bisher bekanntgewordene Bauelemente für einen Einzelfilamentlaserbetriebszustand haben sich als unbrauchbar bei hohen Injektionspegeln berausgestellt, 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 Lichtbe-

salrichtung als auch ?ar Laserachsenrichtung, der Einengung (20) in der aktiven Schicht (18) mindestens zu etwa 2,0 μη. gewählt wird und höchstens bei einem Wert liegt, bei dem bei einem entsprechend dem gewünschten Brechzahlu.iterschied zwischen dünnem (20) und dikken Bereichen (22) der aktiven Schicht (18) eingestellten Unterschied (At) zwischen der Dicke

gungsdicke (to) der Gewinnkoeffizient für den Grundtyp einen nennenswerten Unterschied gegenüber dem Gewinnkoeffizienten für Wellentypen höherer Ordnung zeigt.

2. Diodenlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (12) unterhalb der in Flüssigphasen-Epitaxie aufgewachsenen Halbleiter-Schichtenfolge eine parallel zur Laserachse verlaufende, grubenförmige Vertiefung aufweist, so daß an einer deren Schultern eine entsprechende Verengung (20) in der aktiven Schicht (18) zwischen ihren dickeren Bereichen (22) vorliegt.

3. Diodenlaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (12) eine zweite grubenförmige Vertiefung aufweist, so daß eine parallel zur Laserachse verlaufende Doppelgrube entsteht, die

einen parallel zur Laserachse verlaufenden, im Substrat (12) geformten Zentralrücken einschließt, wo- 55 grenzung lediglich in einer Richtung senkrecht zum PN-bei eine auf das Substrat (12) unmittelbar niederge- Übergang, also in Transversalrichtung. Die Lasermode schlagene Halbleiterschicht (14) vom entgegcnge- wird hierbei in dieser Transversalrichtung gesteuert, es setzten Leitungstyp wie die darüber niedergeschla- liegt also kurz gesagt eine Transversallasermode vor, gene erste Begrenzungs- und Lichtwellenführungs- während in Richtung parallel zum Übergang, also in schicht (16) auf der Kuppe des Zentralrückens eine bo Lateralrichtung, im wesentlichen keine Steuerung zu ktih erschwindende Dicke aufweist verzeichnen ist Als Ergebnis zeigt sich daß dabei im

praktisch verschwindende Dicke aufweist.

4. Diodenlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei ebener Substratoberfläche mit unmittelbar darüber angeordneter ebener erster Begrenzungs- und Lichtwellcnführungsschicht (16) die aktive Schicht (18) eine Einengung (20) in Form einer rechteckigen Grube der Tiefe (dt) und der Breite (W) besitzt.

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 Streifengeometricausführung Oben einen gewissen Steuerung.seffekt auf die Lasermode in Lateralrichtung, kurz ausgedrückt Lateralliiscrmodc, durch Steuerung der Lateralstromveriei-

lung aus, so daß sich hiermit auch entsprechend die Lateralgewinnverteiiung unter Einwirkung der Strei-Fenelektrode einstellt. Hierbei ist jedoch zu berücksichtigen, daß eine minimale Breite dieser Streifeneiektrode erforderlich ist, um Wärmeproblemen begegnen zu können. In jedem Falle breitet sich bei dieser Ausführung der Strom über ein noch wtiteres Gebiet aus, bevor er die aktive Schicht aus Diodenlasers erreicht, so daß sich eine zu breite Lateralgewinnverteiiung für die Ausbildung einer Linzelfilamentlaserbetriebsweise ergibt, wenn, wie gesagt, die Strompegel nicht hinreichend nahe am Laserschwellenwert liegen.

In der US-Patentschrift 38 83 821 ist ein DH-Laser gezeigt, dessen aktive Schicht unterhalb der Streifeneiektrode verlaufend einen Verdickungsbereich aufweist, der zu einem Lichtbegrenzungseffekt in lateraler Richtung führt, so daß hiermit Einzeifilament-Lasermode zu erreichen ist

In der US-PS 38 59 178 wird ein Verfahren zur Herstellung des oben erwähnten Wellenleitungs-Halbleiter-Diodenlasers in Doppelheterostruktur beschrieben. Beiläufig wird hier lediglich noch angeführt, daß die aktive Schicht anstatt mit einer Verdickung mit einer in Richtung der Laserachse verlaufenden Grube rechteckigen Querschnitts versehen werden kann, so daß eine Wirkung hiermit zu verzeichnen ist, die gegenüber der des sonst übiichen Wellenleitungs-Halbleiter-Diodenlasers mit rechteckigem Zentralrücken parallel zur Laserachse unterschiedlich ist. Ohne näher hierauf einzugehen, fehlen weiterhin Angaben zur Bemessung des rechtecKigen Grubenquerschnitts, um mit einem derartigen Laser optimale Ergebnisse herbeiführen zu können.

Sowohl Licht- als auch Ladungsträgerbegrenzungswirkung in lateraler Richtung stellt sich bei einem Heteroübergangs-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 »GaAs-Gai _ ,AI₁As Burieci-Heterostructure Injection Laser« beschrieben ist. Auch in dieserr Falle tritt ein Einzelmodelaserzustand auf, weil Transversal- und Lateralmoden innerhalb eines Bereiches 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 ziehen muß.

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 J. Namizaki in »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 Diffu-' sionsgrad nur schwer einstellbar ist. Zinkdiffundiertes Galliumarsenid ist außerdem für seine Tendenz bekannt, Kristallfehler zu beg j-nstigen.

In der US-Patcntschrifl 39 73 428 wird ein kontinuierlich angewendetes Epitaxie-verfahren beschrieben, um Aktiv- und Begrenzungsschichten über eine eingeätzte Substratgrube zur Bereitstellung einer Htteroöbergangs-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 Grubenrändern 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.

Auch in der DE-OS 26 56 532 wird von der Aufgabe ausgegangen, einen Doppelheteroübergangs-Diodenlaser unter Anwenden eines ununterbrochenen Epitaxieniederschiagsvorgangs herzustellen, indem die Halbleiterschichten auf das mit einer Rille verr>i'.ene Substrat mittels Flüssigphasen-Epitaxie in entsprechender Schichtenfolge aufgebracht werden. Allerdings ergibt sich hierbei, daß der größte Teil der aktiven Schicht in der längs der Laserachse verlaufenden Rille abgelagert wird. Da dk Streifenelektrode oberhalb der Rille, ebenfalls in Laserachsenrichtung verlaufend, angebracht ist, soll dementsprechend auch im verdickten Teil der aktiven Schicht die Laseranregung erfolgen. Auch hier finden sich aber keinerlei Bemessungsangaben, die Rückschlüsse auf optimalen Betrieb eines Wellenleitungs-Halbleiier-Diodenlaser zulassen.

Im Artikel »Improved Light-output Linearity in Stripe-Geometry Double Heterostructure (AI.Ga)As Lasers«, aus »Applied Physics Letters«, Bd. 29, Nr. 6, Sept. 1976. auf den Seiten 372-374 ist eine Elektroden-Streifenstruktur reduzierter Breite beschrieben. Das Gebiet außerhalb des erwünschten aktiven Bereichs wird außerdem durch Proionenbombardement so hcrgerichtet (Protoneneinzeichnungs-Streifenzone), daß der Strom, der sich lateral in diesem bombardierten Bereich ausbreitet, keine wirksamen Minoritätsträger hervorbringen kann, um hierdurch die Gewinnverteilung in Laterairichtung zu steuern. Wie aus diesem Artikel hervorgeht, ergibt sich Einzelfilament-Laserbetriebsweise über einen gegenüber sonst zwar etwas erweiterten Strombereich, jedoch führt eine Hochstrombetriebsweise zur Ladungsträgerinjektion nach wie vor zu MuI-tifilament-Lasermoden.

In der Veröffentlichung unter dem Titel »Channeled-Substrate Planar Structure (AIGa)As Injection Lasers« in »Applied Physics Letters«, Bd. 30. Nr. 12, Juni 1977, Seiten 649—651 beschreibt Aiki u.a. eine Struktur, bei der laterale aktive Schichtbereiche verlustreicher ausgestaltet werden, um eine wirksame Herabsetzung deBrechzahl in den lateralen Richtungen herbeizuführen. Die sich hierdurch ergebende effektive Lichtbegrenzung steuert die Laterallasermode jedoch ebenfalls nur bei mäßigen Injektioirpegeln.

bo Oben beschriebenen Ausführungen ist darüber hinaus generell gemeinsam, daß entweder reproduzierbare Bauelemente für die erwünschten Betriebsweisen ohne weiteres kaum zu realisieren sind oder Bemessungsangaben bzw. -richtlinien für optimal wirkende Ausführungen von Wellenleituigs-Halbleiter-Diodenlaser feh-•en.

Die Aufgabe der Erfindung besteht bei dieser Sachlage darin, einen Wellenleitiings-Halbleiter-Diodenlaser

in Doppelheterostruktur mit räumlich stabiler Ein/clfilament-Lasermode bei Unterdrücken der Wellentypen höherer Ordnung unter Anwenden eines sehr großen Ladungsträger-Injektionspegelbereichs zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, wie es dem Kennzeichen des Patentanspruchs I zu entnehmen ist.

Dank der Erfindung ergibt sich räumlich stabile Einzelfilament-Lasermode unter Vorherrschen des Grundwellentyps für einen weiten Bereich der Injektionspcgel eines DH-Diodenlasers mit Streifenmetallisierung. Der Wellenleitungs-Halbleiter-Diodenlaser gemäß der Erfindung zeigt unter Hochleistungsbedingungen stabile Betriebsweise bei Erzeugen nur eines einzigen Leuchtpunktes an seiner Strahlaustrittsfläche, r,

Vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung lassen sich den Unteransprüchen entnehmen. Die gemäß den Patentansprüchen 4 und 5 ausgestatteten OiodeniHser ^aesta!ten bei ihrer Her^tellün¹* di** Anwendung ununterbrochener Flüssigphasen-Epitaxie für den Niederschlag der betreffenden Halbleiterschichten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anschließend anhand der unten aufgeführten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines DoppelheteroÜbergangs-Diodenlasers in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig.2 die Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung, anhand dessen sich die Wirkungs- und Betriebsweise der Erfindung relativ leicht erklären läßt,

F i g. 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,

F i g. 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 Schicht 18 mit einem eingeengten aktiven Bereich 20 sowie hierzu benachbarten dickeren aktiven Bereichen 22. eine zweite Ladungsträgerbegrenzungs- und 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. Um 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 Gewinndiskon- bO tinuität zur Folge, die ihrerseits zur Führung von Lichtwellen ausgenutzt werden kann. Die aktive Schicht 18 besitzt vorzugsweise eine höhere Brechzahl als die der Malenalien der Begrenzungsschichten 16 und 24. um so ebenfalls das Auftreten von Uchtweüen unmittelbar in- es nerhalb der aktiven Schicht 18 einzuzwängen. Eine derartige, durch Brechzahiendifferenzen 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 Leilfähigkeitstyp 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 Spannungsquel-

If in Vnru/ärisrirhtiinir vnrpcsnnnnt indem diese Snan-._ ... ......................_σ -. _σ. -_r .. ., .. ,

nungsquelle 32 an eine Gegenelektrode 34 des Substrats 12 und an eine Streifenelektrode 36 der Elektrodenkonlaktierungsschicht 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 Streifenclektrode 36 und der Begrenzungsschicht 24 sich fest miteinander verbinden lassen, um so einen "nöglichst 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 Einengungsbereich 20 und möglichst keine in die benachbarten Bereiche 22 der aktiven Schicht 18 injiziert werden. Eine derartige Stromkonzentration führt zwar zu verbesserter Betriebsweise eine DH-Diodenlasers, ist jedoch bei geeignet gestalteter Einengung nicht erforderlich, da tatsächlich nur die Notwendigkeit für einen Ladungsträgerdichtegradienten bzw. eines entsprechenden Profils in lateraler Richtung besteht, was sich durch Einengung allein herbeiführen läßt, ohne außerdem noch einen Stromdichtegradienten bzw. ein entsprechendes Profil in lateraler Richtung zu überlagern, wie sich weiter unten noch im einzelnen /eigen wird.

In der Darstellung nach F i g. 1 wird der Injektionsstrom durch die kombinierte Wirkung der begrenzten Breite der Streifenelektrode 36 und dank der Diskontinuität in der stromkontrollierenden Schicht 14 kontrolliert. Die wirksame Breite der Streifenelektrode 36 tendiert dahin, die laterale Stromausbreitung zu reduzieren und so das Gebiet des in Vorwärtsrichtung vorgespannten PN-Übergangs einzuengen. Die stromkontrollierendc 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 stromkontrollierenden Schicht 14 und der Begrenzungsschirm 16, die ja auch einen PN-Übergang darstellt, in Rückwärtsrichtung vorgespannt. Dies führt dank Tunneleffekt zu Stromleitung in Richtung auf die Zentralregion, wo die siromkontrollierende Schicht 14 praktisch unwirksam ist und dementsprechend auch kein in Rückwärtsrichtung vorgespannter PN-Übergang vorliegt. Diese Zc-ntralregion. in der also keine stromkontroHierende 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 In-

JL'ktionsslromfliili konzentriert.

Die aktive Schicht 18 läßt also unter Einwirkung eines bei Vorspannung in Vorwärtsrichtung über den PN-Übergang injizierten Minoritätsträgerladungsstiomes in Folge Rekombination mit den Majoritätsladungsträgern die Laserstrahlung entstehen, was zur Aussendung entsprechender Lichtwellen führt. Die Rekombination konzentriert sich im Einengungsbereich 20 aufgrund der Einengung wirkung 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 Austührungsbeispiel der Erfindung ergibt sich aus der Darstellung nach F i g. 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 kompliziertes Herstellungsverfahren läßt sich, wie in der US-Patentschrift 38 59 178 angegeben, heranziehen. Allerdings ist festzuhalten, daß das in F i g. 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 erimuungsgemäßcn Anordnung sehr viel leichter erklären als es für andere Strukturen der Fall ist.

In dieser Hinsicht läßt sich die Anordnung nach F i g. 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 F i g. 2 enthält einen Einengungsbereich 20 mit gleichförmiger Breite w und gleichförmiger Dicke to, welcher sich zwischen den beiden reflektierenden Endflächen 38 und 40 erstreckt Benachbart zum Einengungsbereich 20 sind wie vorhin dickere Bereiche 22 gleichförmige Dicke t_t. Die Stufe in der aktiven Schicht 18 zwischen diesen beiden Bereichen beträgt demnach At = U — to.

Unter Anwenden bekannter Verfahren zur Lösung von Grenzwertproblemen in Anwendung auf diese Struktur ist es möglich, die Abmessungen to, w und At zu bestimmen, weiche zu einer Einzelfilamentbetriebsweise über einen weiten Injektionsstrombereich führen. Grundsätzlich werden Abmessungsparameter gewählt, die sichersteilen, daß Transversal- und Lateralmodegewinn für die Grundmode beträchtlich größer sind als für die Moden höherer Ordnung, l-.s ist von grundlegender Bedeutung, daß diese Gcwinnarien fiir 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 außerhalb des Laserfilaments anwächst, wo-ίο hingegen der integrierte Gewinn innerhalb des aktiven Bereiches danach strebt, den gleichen Wert beizubehalicn, und zwar aufgrund der beim Laservorgang ausgelösten Umsetzung von Überschußminoritätsladungsträgern in Lichtenergie. Damit ändert sich die Gewinnverteilung in solcher Richtung, daß für gewöhnlich Multifilamcntlasermodcnausbildung 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 Mondenkonfiguration 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 jo 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 F i g. 2 J5 gezeigte Struktur als Wellenleiter mit den rechteckigen Abmessungen w und fo angesehen werden. In Transversalrichtung, also in Richtung senkrecht zu den Schichten, ergibt sich eine Weiiienieitung 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 dann ein, wenn keine Konzentration des Injektionsstroms vorliegt, da, auch wenn Minoritätsladungsträger gleichmäßig in die aktive Schicht 18 bei so 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-Wellenleitungs- oder -Antiwellenleitungseffekt und Gewinn-Wellenleitungseffekt lassen sich als Real- und Imaginärteile einer Komplexen Brechzahl ansehen. Der mathematische Apparat zur Berechnung von Wellenleitungsgrenzwertproblemen 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, Nr. 5, b5 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 AI₁Ga, _ ,As gebildet sind, die einen Realteil der 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 F i g. 2 in Vorwärtsrichtung geleitete Strom gleichförmig über den Einengungsbereich 20 und den benachbarten dickeren Bereichen 22 fließt. Der Gewinn in oer aktiven Schicht 18 läßt sich dann wie folgt ausdrucken:

g{t) - B (S!pj- A.

Hierin bedeuten: B und A charakteristische Größen der GaAs-Aktivschicht, n, die interne Quantenausbeute, j die Stromdichte, / die Dicke der Aktivschicht. Ein typischer Wert für nj für Betrieb bei Raumtemperatur ist mit 1,6 kA/cnV anzusetzen, wie er ebenfalls für vorliegende Berechnung vorausgesetzt wird. Es vci'&ieai sicii 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)AI(4 .τ) 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 +

π).

Unter Zugrundelegen dieses Wertes und der oben erwähnten Werte für die Brechzahlrealteile 3,45; 3,38 und 3^2 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 Transvcrsalgrundmode TEa in Abhängigkeit von der Dicke der Aktivschicht bei einem (AIGa)As-DH-Diodenlaser. Alle Transversalmoden höherer Ordnung (TE\. TE₂, usw.) treten entweder nicht auf oder zeigen Modengewinne, die weit geringer sind als die der Tfo-Mode, so daß sie nicht weiter beachtet zu werden brauchen. Sowie / 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 Stromdichte 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 Aktivschichtdickenänderung vorgesehen ist, wie z. B. bei der Anordnung nach Fi g. 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 Strukturkonfiguraiionen vielleicht vorsielibar, wo ein Doppelmaximum im Gewinnverlauf nicht zu verzeichnen ist, selbst wenn die Minimaldicke innerhalb des Einengungsbcrcichs geringer ist als der durch die graphische Darstellung nach F i g. 3 angedeutete Minimalwert. Dies könnte /. B. bei kaum gleichförmiger Stromverteilung oder bei übermäßig stark ausgeprägter Einengung eintreten. Aus der graphischen Darstellung nach Fig. 3, jedoch Iiißt sich allgemein entnehmen, daß die Einengung in einem (AIGa)As-System eine Minimaldicke innerhalb eines Bereichs von 0,05 bis 0,40 μπι aufweisen sollte, vorzugsweise aber innerhalb eines Bereichs von

ίο 0,10 bis etwa 0,20 μηι liegen sollte. Da Dicken dieser Größenordnung nur sehr schwierig einzuhalten sind, ließe sich bei Auslegung eine minimale Dicke im Einengungsbercich von etwa 0,15 μιτί als durchaus geeignet ansehen und wird dementsprechend für ein (AlGa)As-System gemäß der Erfindung bevorzugt. Berechnungen dieser Art lassen sich auch für andere Lasermaterialsystemc anwenden, wenn es auch einfacher zu sein scheint, Optimaldicken für diesen Einengungsbereich experimentell zu ermitteln. Bei oben angewandter Berech-

w nuiig für den Traiisversaimüdeiigewinii sind die fvioueticigenschaften 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 Brechzahldifferenz zwischen Einengungsbereich 20 und

M den dickeren Bereichen 22 der Aktivschicht 18 gemäß der Beziehung [K(I₀) — K(t\)] festgelegt. Da die Bereiche jedoch unterschiedliche Dicken aufweisen, erscheint ein zusätzlicher Brechzahlfaktor in der Rechnung. Im wesentlichen verhält sich Licht im Einengungsbereich

J5 20 derart, als ob die dickeren Bereiche 22 in der Aktivschichi 18 einen höheren Realteil der Brechzahl aufweisen als die Einengungsschicht 20. infolgedessen läuft die Latcra'modcnbercchnüng so weiter, als ob die Einengungsschicht 20 mit der Breite w eine Brechzahl 3,59 + iK(tu) und die dickeren Bereiche 22 eine Brechzahl von

(3.59 + An) + iK(t\)

besäßen, worin An positiv ist und in bekannter Weise abgeschätzt werden kann.
Wenn z. B.

Al = t\ — to = 0,15 um — 0,10 μπι = 0,05 μ m

gilt, dann ergibt sich für An angenähert 0,027. Unter Einsetzen dieses Wertes in obige Brechzahlformel, für /C-Werte bei t₀ = 0,10 μιτι und /ι = 0,15 μπι sowie für χ = 0.3 entsprechend der graphischen Darstellung nach F i g. 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 Lateraimode senkrecht zu den HeteroÜbergängen in der Struktur nach F i g. 2 gerichtet ist. um mit der bei der Transversalmodenbereehnung getroffenen Wahl des elektrischen Vektors parallel zu den HeteroÜbergängen konsistent zu sein. In der graphischen Darstellung nach

Ί5 F i g. 4 sind die Berechnungsergebnisse für die magnetische Transversaigrundmode 77Wo und für die Mode nächsthöherer Ordnung TMi aufgetragen. Am interessantesten dürfte dabei der schnelle Anstieg in der Diffc-

rcn/ beidf!!' Kurven mil Absinken der Breite w unterhalb des Wertes 5 μπι sein. Wie oben dargelegt, muli der Grundmodengewinn beträchtlich größer sein als der Widengewinn U'ir Moden höherer Ordnung, um fiin/elfiuimentlasermoden über einen weiten Bereich von Injektionspegeln herbeiführen zu können. Aus der graphischen Darstellung nach Fig.4 geht weiterhin hervor, daß sich sehr weite Lateralmodegewinndifferen/cn 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 μπι auf 0 ab. Der tatsächlich für die Abmessung w gewählte Wert kann nicht beliebig klein gehalten werden, da die mit kleinen Werten für w cinhergehenden niedrigen Grundmodengewinne höhere Schwellenwertstromdichten bedingen. Für ein (AIGa)As-System legt die graphische Darstellung nach Fig.4 nahe, den effektiven Wert für die Breite w größer als etwa 2,0 μ in zu wählen und vielleicht sogar innerhalb eines Bereichs von etwa 2,5 bis 5,0 μπι. Eine effektive Breite von etwa 3,5 μιη 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 F i g. 1 lassen sich in gleicher Weise berechnen, wobei jedoch zu bedenken gilt, daß eine Einzelberechnung äußerst kompliziert wird. Experimentelle Bestimmung optimaler geomtrische*· Parameter wird für gewöhnlich praktischer sein und dürfte auch leichter durchzuführen sein.

Der DH-Diodenlaser nach Fig. 1 besteht vorzugsweise aus einem (AlGa)As-System, bei dem z. B. die Schichten wie folgt aufeinander folgen: N-Ieitendes GaAs-Substrat, P-Ieitende (AlGa)As-Schicht 14, N-Ieitende (AIGaJAs-Begrenzungsschicht 16, P-Ieitende (Al-Gä)As-Aktivschicht 18, P-ieitende (AiGa)As-Begrenzupgsschicht 24, P-leitende GaAs-Kontaktierungsschicht 26. Hierbei gilt, daß die Aluminiumkonzentration in der Aktivschicht 18 geringer ist als die Aluminiumkonzentration in den Begrenzungsschichten 16 und 24, die aber unter sich keine gleiche derartige Konzentration aufweisen brauchen.

Eine Struktur gemäß Fig. 1 läßt sich durch ein Herstellungsverfahren bereitstellen, das nur einen einzigen ununterbrochenen Epitaxieniederschlagsverfa h rensschritt 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 F i g. 1 zeigt das Substrat zwei benachbarte parallel zueinander verlaufende grubenförmige Vertiefur.gen, 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 zur Erzeugung einer aktiven Schicht mit einer Einengung heranzuziehen, wobei dann deren konvexe Ausbildung analog 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 Elektrodenkontaktfläche zeigt. Wie bereits im Zusammenhang mit Fig.2 angedeutet, lassen sich die Schichten auch auf ein abgestuftes Substrat, allerdings unter Inkaufnahme der aufgezeigten Nachteile, Die Ausbildung des Kinengungsbereichs 20 wird zum Teil durch die Formung der ersten Begrenzungsschicht 16 bestimmt. Die Gestaltung der Begrenzungsschicht 16 ist aber ihrerseits /.um 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

ίο Festkörpcroberfläche und Lösung, aus der der Aufwachsvorgang gespeist wird, ergibt sich eine Minimalenergie, wenn die Oberfläche eben ist. Schichtwachsium entspricht aber einem Nichtgleichgewichtsprozeß. 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 Zentralrückens der Effekt eintreten, daß sich Auflösung anstatt Anlagerung auf dem Zentralrükkenlirst einstellt. Hierdurch bedingt entsteht dann eine stromkontrollierende Schicht 14, die an dieser Stelle unterbrochen ist. Ist die Wachstumsrate dann während des nachfolgenden Wachstums der Begrenzungsschicht 16 relativ groß, dann läßt sich der Grad der konvexen Krümmung der darunterliegenden Oberfläche im wesentlichen beibehalten. Ein Reduzieren in der Wachstumsrate 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 diese Weise läßt sich somit also der Einengungsbereich 20 ausbilden.

Ins einzelne gehende Ausführungen zum epitaktischen Aufwachsen eingeengter Bereich in Aktivschich-

J5 ten lassen sich folgenden Druckschriften entnehmen: US-Patent 39 78 428; »Growth Characteristics of GaAs-Gai - _tAl»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 Heterostructure GaAs-(GaAl)As Injection Lasers« in »Journal of Applied Physics«, Bd.47, Nr. 10,(Okt. 1976), auf den Seiten 4578-4589.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

5. Diodenlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einer aus GaAs bestehenden aktiven Schicht und aus AI .Ga_t _ ,As gebildeten Begrenzungs- und Lichtwellenführungsschichten (16, 24), dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (to) der Einengung (20) der aktiven Schicht (18) innerhalb eines Bereichs zwischen 0,05 und 0,40 μη. und die Breite (W) der Einengung (20) zwischen 2,5 und 5 μΐη liegen.