DE3001843A1

DE3001843A1 - Halbleiterlaser

Info

Publication number: DE3001843A1
Application number: DE19803001843
Authority: DE
Inventors: Isamu Sakuma
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1979-01-18
Filing date: 1980-01-18
Publication date: 1980-08-07
Also published as: US4321556A; DE3001843C2; GB2046983A; GB2046983B

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser und insbesondere einen Heterosperrschicht-Halbleiterlaser mit einer Struktur zur Steuerung eines Schwingungsmode.

Um einen Halbleiterlaser bei hoher Temperatur in kontinuierliche Schwingung zu bringen, ist es erforderlich, eine solche Struktur zu verwenden, daß der beste thermische Weg zur Ableitung der Wärme von der Übergangszone im Halbleiterlaser erreicht und die optische Energie und der Injektionsstrom in einem bestimmten Bereich eingeschlossen werden kann, in dem der optische Verlust und die unwirtschaftliche Trägerrekombination gleichzeitig minimisiert werden.

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Um diese Bedingung zu erfüllen, wurde der sogenannte Kontaktstreifen-Halbleiterlaser vorgeschlagen, bei dem die Elektrode des Halbleiterlasers eine Streifenform aufweist, so daß die Breite des in die aktive Schicht fließenden Stromes begrenzt und die optische Energie in die aktive Schicht eingeschlossen bzw« durch diese begrenzt wird.

Obwohl der Halbleiteriasar den Vorteil aufweist, daß eine Schwingung durch einen Gleichstrom bei Raumtemperatur möglich ist, weist er doch beim Betrieb den großen Nachteil dahingehend auf, daß der Mode einer elektromagnetischen Welle, der in Transversalrichtung parallel zur aktiven Schicht steht„ d_o h„ ©in Transversalmode, instabil ist und der Transversalaod® sich in Abhängigkeit von der Änderung des Injektionsstromos äaderto Dies ist darauf zurückzuführen, daß d®r Kontaktstreifesi-Laser nicht die Funktion des Einschließen^ der Ladungsträger und des Lichtes in der aktiven Schicht bezüglich deren Transversalrichtung besitzt„ Insbesondere im Stromber©ich, der etwas oberhalb des Anfangsstromwertes für die Laserschwingung liegt, üb©Fiehreitet die für di© Schwingung erforderliche. Verstärkung den Verlust nur lsi Bereich der aktiven Schicht direkt ust@r dem Streifen und d©r Laser schwingt damit in eine® Transversalsiod© niederer ©der nuHter Ordraango Wenn jedoch der Insektionsstrom erhöht wird, verteilen sich die in die aktive Schicht injizierten Ladungsträger in di© Auß©ab®r©iche₉ so daß sich der Bereich mit hoher Verstärkung verbreitert, uas zur Ausbreitung bzw. Streuung eines Transversalkodes und zur Erzeugung von Moden höherer Ordnung führt. B@i einer Liehtl@it£as@r«-Übertra=

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gung mittels Laserlicht führt die Instabilität und die Abhängigkeit des Injektionsstromes des Transversalmodes zur Modenstreuung und dergleichen im optischen Übertragungsweg und die Informationskapazität des Übertragungsweges wird damit stark vermindert. Wenn ein Halbleiterlaser damit als optische Quelle im Lichtleitfaser-Übertragungssystem verwendet wird, so ist es erforderlich, daß er in einem einzelnen Mode über einen großen Bereich des Injektionsstromes hinweg oszilliert. Um diesen Nachteil zu vermeiden wurden bereits Versuche dahingehend unternommen, daß in das Laserelement Wellenleiter bzw. ein optischer Hohlraum eingebaut wurde. So wurde beispielsweise von W.T. Tsang et al in Applied Physics Letters Band 32, Nr. 5, Seite 311 bis 314 ein Heterostruktur-Laser mit vergrabenem Streifen (SBH) vorgeschlagen. Bei dieser Struktur wird, wie im nachfolgenden mehr im Detail beschrieben wird, eine Wellenleiterschicht bzw. ein optischer Hohlraum zusätzlich zur aktiven Schicht vorgesehen und lediglich die aktive Schicht ist mit einem Material mit niedrigem Brechungsindex umgeben, so daß das Einschließen der injizierten Ladungsträger und das Einschließen der Photonen jeweils in getrennten Bereichen bewirkt und die Lichtausbreitungswirkung durch die Wellenleiterschicht erreicht wird. Damit wird bezweckt, Schwingungen höherer Ordnung zu vermeiden und eine einzelne Modenschwingung über einen großen Strombereich hinweg aufrecht zu erhalten.

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Die Herstellung dieser SBH-Laser weist jedoch den offensichtlichen Nachteil auf, daß sie verschiedene einzelne (epitaktische) Aufwachsverfahren erforderlich macht. Damit wird der Herstellungsprozeß derartiger SBH-Laser so kompliziert, daß die Wiederholbarkeit bei der Herstellung der Laserelemente gering ist und sie nicht wirtschaftlich und in Massenproduktion hergestellt werden können.

Aus der US-PS 3 978 428 ist ein Heterostruktur-Laser mit durch Ätzung vergrabener Schicht (EBH) bekannt, bei dem die Ausgangsstrahlkonfiguration und auch die Stabilität des Transversalmodes dadurch verbessert werden, daß eine Einkerbung im Substrat zur Krümmung der aktiven Schicht vorgesehen wird. Da bei dieser Struktur jedoch die aktive Schicht in Sandwichform zwischen Oberzugsschichten mit niedrigem Brechungsindex angeordnet ist, wird der Unterschied im Brechungsindex an diesen Grenzflächen groß. Wenn damit die Breite des gekrümmten Abschnittes der aktiven Schicht groß gewählt wird, so treten leicht Transversalmoden höherer Ordnung auf. Bezüglich des Gesichtspuraktes dor Leichtig= keit des Kristallwachstumes, ist bei ©in©r bis zu ©in©m gewissen Grad großen Breite der Einkerbung im Substrat di@ Herstellung einfacher, als wenn die Breite der Einkerbung klein ist. Bei ein©r Einkerbungsbreite, die zur Schwingung in ©in@m Grund-Transversal= mode erforderlich ist, hat jedoch eine solch® Laserstruktur den Nachteil, daß die Steuerbarkeit und Wiederholbarkeit gering sind»

Demgegenüber besteht eine wesentliche Aufgab© der Erfindung darin, einen Hochleistungs-Halbleit@rlas©r zu schaff©^ der leicht herzustellen ist und dessen Grund-Transversalmode steuerbar ist„

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Eine weitere wesentliche Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Hochleistungs-Halbleiterlaser zu schaffen, der einen guten Insektionswirkungsgrad besitzt und dessen Grund-Transversalmode steuerbar ist. Außerdem soll der erfindungsgemäße Halbleiterlaser, der mit hoher Ausgangsleistung in einem gesteuerten Grundmode arbeitet, eine schmale Strahlungsdivergenz aufweisen, leicht herstellbar und bei hoher Ausbeute für die Massenproduktion geeignet sein.

Beim erfindungsgemäßen Halbleiterlaser läßt man vier Halbleiterschichten kontinuierlich auf dem Halbleitersubstrat durch das herkömmliche epitaktische Aufwachsverfahren aufwachsen. Eine erste Halbleiterschicht ist eine erste Überzugsschicht mit einem optischen Einschließeffekt und eine zweite Halbleiterschicht ist eine Wellenleiterschicht oder Hohlleiterschicht, die sowohl einen optischen Ausbreitungseffekt als auch einen Trägereinschließungseffekt aufweist. Eine dritte Halbleiterschicht ist eine aktive Schicht zur Erzeugung des Lichts und eine vierte Halbleiterschicht ist eine zweite Überzugsschicht, die sowohl einen optischen Einschließeffekt als auch einen Trägereinschließeffekt aufweist. Die aktive Schicht ist derart dotiert, daß sie mit der zweiten Überzugsschicht oder der Wellenleiterschicht eine Gleichrichter-Übergangszone bildet. Die Wellenleiterschicht weist einen streifenförmigen Bereich auf, der örtlich dicker ist als der umgebende Bereich, so daß eine optische Ausgangsleistung von diesem Streifenbereich erhalten werden kann.

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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht sines bekannten Halbleiter« lasers, der eine Struktur mit Wellenleiterschicht aufweist;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines weiteren bekannten Halb= leiterlasers mit einer Struktur₅ b©i d©r das Substrat ©ine Einkerbung aufweist;

Fig. 3 eine Querschnittsansicht @in©s Halbleiterlasers gemäß einer ersten bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung?

Fig. 4A bis 4D Querschnittsansichten zur Erläuterung der Her= Stellungsschritte des erfindungsgsmäßen Halbleiterlasers nach Fig. 3;

Fig. 4E ein Kurvenschaubild d®s wirksamen Brschungsindexes bezüglich der Dicke der ¥©ll®nl©itsrsehicht nach Figo 35

Fig. 5 eine Querschnittsansicht ©inos Halblaitorlasers gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung»

Fig. 6a bis 6D Querschnittsansichten zur Erläuterung d@r Her= Stellungsschritte des Halbleiterlasers nach Fig. 51

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Fig. 7 eine Querschnittsansicht eines Halbleiterlasers gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 8 eine Querschnittsansicht eines Halbleiterlasers gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Anhand von Fig. 1 werden nun die mit der Erfindung zu lösenden Probleme erläutert, die in Verbindung mit dem Herstellungsverfahren und der Struktur des oben erwähnten SBH-Lasers von W. T. Tsang auftreten. Ein typisches Herstellungsverfahren des SBH-Lasers besteht aus vier grundsätzlichen Verfahrensschritten. Beim ersten Schritt wird durch das epitaktische Aufwachsverfahren in flüssiger Phase auf einem n-GaAs-Halbleitersubstrat 11 eine als Überzugsschicht dienende n-Al« *Ga_Q ^As-Schicht 12, eine als Wellenleiterschicht dienende n-Al_Q -^Ga₀ ^As-Schicht 13, eine als aktive Schicht dienende p-GaAs-Schicht 14 und eine als zweite Überzugsschicht dienende P-Al« *Ga_Q yAs-Sdi icht ausgebildet. Der zweite Verfahrensschritt ist der Mesa-Ätzverfahrensschritt zur Entfernung eines Teils der zweiten Überzugsschicht 15 und eines Teils der aktiven Schicht 14 zur Ausbildung eines Mesas (flacher Hügel). Im dritten Verfahrensschritt wird wiederum die zweite Überzugsschicht 15 um den Mesa herum und darauf eine p-GaAs-Schicht 16 ausgebildet, die als Kontakterleichterungsschicht dient, wodurch der streifenförmige aktive Bereich vollständig durch ein Material umgeben ist, das einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als der streifenförmige aktive Bereich. Wenn insbesondere das Material des aktiven Bereiche GaAs ist, so wird der Verfahrensschritt zur Durchführung des zwei-

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ten Aufwachsverfahrens in flüssiger Phase so bewirkt ₉ daß d©r Streifenbereich in d©m auf den Außenseiten des Streif©nbereichs aufgebrachten AlGaAs vergraben od©r von AlGaAs umgeben ist_o Beim vierten Verfahrensschritt wird ein mit einer Öffnung versehener Siliziumdioxid (SiO₂)-Film 17 auf der kontaktfördernden Schicht 16 ausgebildet, um einen Strom so zu regeIn₉ daß er durch die öffnung in den streif©nförmigen aktiven Bereich 14 injiziert wird, wobei eine positiv© Elektrodenschicht 18 auf dem SiO₂-FiIm 17 auf dem Teil d©r kontaktfördernden Schicht 16, der durch di® Öffnung freiliegt, und ©ine negativ© Elektrodenschicht 19 auf der Unterseite des Substrats 11 ausgebildet wird«

Wenn an den nach dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren hergestellten SBH-Laser ein© Durchlaßvorspannung angelegt xfird, so tritt in der aktiven Schicht 14 ein© Laserschwingung auf» Das in der aktiven Schicht 14 erzeugt© taserlicht dringt weitgehend in die n-Al_Q 2^Gan gAs-Wellenl@iterschicht 13 ein₀ Damit wird di© Verteilung des wirksamen Brechungsindex der Wellenleiterschicht 13 entlang ihrer seitlichen Richtung innerhalb der Querschnittsansicht so ausgebildet, daß d©r ι*irksame Brechungsindex an der Stelle direkt unterhalb des aktiven Bereichs 14 größer ist als an den Stellen, wo der aktive Bereich 14 nicht vorhanden ist, d„ h» an den Stellen außerhalb des aktiven Bereichs» Dies führt zu ©iner etreifenbelasteten Wellenleiterstruktur mit ©in©r geeigneten Breite, Mit dem in der Beschreibung verwendeten Ausdruck "wirksamer Brechungsindex" ist der scheinbare Brechungsindex gemeint₉ der sich aufgrund der Grenzbedingung der laminierten Schichten ändern kann, wenn sich das Laserlicht entlang der Verbindungseben© davon aus= breitet.

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Da darüberhinaus die Einschließung der Ladungsträger auch in senkrechter und seitlicher Richtung bewirkt wird, wird der Transversalmode auch nicht abhängig von einer Verstärkungsverteilung und es kann damit eine stabile Grund-Transversalmodenschwingung über einen großen Injektionsstrombereich hinweg erhalten werden. Damit wurden die Nachteile des kontaktierten Streifenleiter-Lasers sehr verbessert. In dieser Hinsicht war der SBH-Laser ein Epoche machender Vorschlag.

Dieser SBH-Laser hat jedoch den Nachteil, daß er die beiden oben beschriebenen getrennten epitaktischen Aufwachsverfahren erfordert. Ein weiterer Nachteil besteht darin daß eine Vielzahl von Schichten mit verschiedenen Zusammensetzungen und Dicken geätzt oder entfernt werden muß. Aufgrund des Unterschiedes in der Zusammensetzung und Dicke, ist Jedoch eine Steuerung der Ätzung bzw. des Entfernens sehr schwierig. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß dann, wenn die mit Aluminium gemischte Schicht der Außentemperatur ausgesetzt wird, auf der Oberfläche der Schicht ein Oxidfilm ausgebildet wird und dieser Oxidfilm das zweite Aufwachsverfahren stört. Außerdem besteht die Möglichkeit, daß das zweite Aufwachsverfahren den durch das erste Aufwachsverfahren ausgebildeten Bereich auflöst und damit Fehler im aktiven Bereich erzeugt werden können. Da die in Fig. 1 dargestellte Struktur damit wesentliche Nachteile bei der Herstellung aufweist und hinsichtlich Steuerbarkeit, Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit gewisse Mangel aufweist, ist diese bekannte Struktur nicht geeignet, wirtschaftlich und in Massenproduktion hergestellt zu werden.

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Anhand von Fig. 2 wird nun der in US-PS 3 978 428 beschriebene EBH-Laser erläutert. Bei diesem bekannten Halbleiterlaser läßt man vier Halbleiterschichten epitaktisch in flüssiger Phase auf einem eingekerbten Halbleitersubstrat 21 aufwachsen,, Sie bestehen aus einer dritten Überzugsschicht 22„ di© sowohl einen optischen Einschließeffekt als auch ©inen Ladungsträg©r=Einschli©ß@ff©kt aufweist, einer aktiven Schicht 24, @in©r zweiten Überzugsschicht 25, die sowohl ©inon optischen Einschli©ß©ff©kt als auch ©in<sn Ladungsträger-Einsehließeffekt aufweist, soi^i© ©iner kontaktform dernden Schicht 26. Vor der Ausbildung d©r dritten Überzugsschicht 22 wird eine streifenförmig© Einkerbung 211 im Substrat 21 vorg©=· sehen und danach ein® eindiffundisrt© Schicht 212 darin ausgebildet. Der Mittelbar©ich d@r dritten Ub©rzugsschicht 22 und d©r Mittelbereich 241 d@r aktiven Schicht 24 sind innerhalb d©r Ein= kerbung 211 aag©orda©t und ®rstr©ck©n sich durch di® Diffusionsschicht 212. Di© dritte Überzugsschicht 22 und di© aktiv© Schicht 24 sind von unterschiedlichem L©itfähigk©itstyps, um ©in© Gleich= richter-übergangszon® 201 dazwlsch©n zu bilden» Ein© positiv© Elektrodenschicht 28 und ©in© negativ© Elektrodenschicht 29 sind so ausgebildetρ daß si© j©w©ils di© kontaktfördernd© Schicht 26 TbEWo fias Substrat 21 ksrüforano Das Substrat 21 lasnsL di© dritt©

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Wenn insbesondere das Substrat 21 aus n-GaAs besteht, so kann die Diffusionsschicht 212 aus p-GaAs, die dritte Überzugsschicht 22 aus n-GaAlAs, die aktive Schicht 24 aus p-GaAs, die zweite Überzugsschicht 25 aus p-GaAlAs und die kontaktfördernde Schicht 26 aus p-GaAs gebildet sein.

Der Mittenbereich 241 der aktiven Schicht 24 hat einen schalenartigen Querschnitt, der im Mittenbereich dick und im Bereich in der Nähe der Außenkante der Einkörperung 211 sehr schmal ist. Wenn die Gleichrichter-Übergangszone 201 in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, breitet sich ein infolge der Rekombination von Ladungsträger erzeugtes Licht zur aktiven Schicht 24 hin aus, die einen hohen Brechungsindex aufweist und sandwichartig zwischen der dritten Überzugsschicht 22 und der zweiten Überzugsschicht 25 angeordnet ist. Damit wird der Schwingungsbereich des Halbleiterlasers auf den Mittenbereich 241 der aktiven Schicht 24 begrenzt. Wenn di© Dicke des Mittenbereichs 241 gleich 1 tun und die Breite der schalenartigen aktiven Schicht gleich 1 bis 2 um ist, so nimmt die vom Halbleiterlaser emittierte optische Ausgangsleistung eine Grund-Transversalmode mit allgemein symmetrischem Muster an₀ Aber selbst dann, wenn Iiaj©ktI©Essgtro© erhöht t/irdp Isassa di® Stabilität ä®r

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Schwingungs-Sehwellwertstromes dadurch erreicht i^rerden kann, daß der Mittenbereich 241 der aktiven Schicht 24 dünn gemacht wird, hat dies zur Folge, daß die Div@rg©nz des austretenden Licht·= Strahls in vertikaler Richtung groß und damit die Form des Aus·= trittsstrahles verändert \fird₀ Da darüber hinaus der Schwingungs= bereich der aktiven Schicht 24 vollständig durch dis Überzugs= schichten 22 und 25 mit niedrigem Brechungsindex umgeben ist, tritt eine große Änderung im ΐ/irksamen Brechungsindex an deren Grenzschichten auf. Wenn damit di© Breite des schalenartigen Schwingungsbereichs vergrößert wird, so treten leicht zusätzlich zur Grund-Transversalmode Transversalaoden höherer Ordnung auf„ Hinsichtlich der Leichtigkeit des KristallwachsturneS₉ ist eine Herstellung dann leichter durchzuführen, v/enn die Breite der Einkerbung 211 bis zu einem gewissen Grade groß ist, als v/enn sie klein ist. In anderen Worton, bei den Abmessungen der Einkerbung 211, die für ©inen Halbleiterlaser erforderlich sind, der in der Grund-Transversalmod© schwingt, weist der Halbleiter= laser den Nachteil auf, daß die Steuerbark©it und Wiederholbarkeit schlecht sind.

Im nachfolgenden werden die erfindungsgemäßen Halbleiterlaser beschrieben. Fig. 3 zeigt ein© Ausführungsform der erfindungsgemäßen Halbleiterlaserstruktur, die am leichtesten herzustellen ist. Fünf Halbleiterschichten wachsen nacheinander auf dem Halbleitersubstrat 31 auf, in dem ©in© gtreifenförmige Einkerbung ausgebildet ist. Dies sind ein© erst© Uberzugsschicht 32 Bit einem optischen Einschließeffekt, ©in® iiellenleiterschicht 33 mit eines optischen Fortpflanzuagseffekt und einem Ladungsträger=Einschli©ß-

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effekt, eine aktive Schicht 34, eine zweite Überzugsschicht 35 mit sowohl einem optischen Einschließeffekt als auch einem Ladungsträger-Einschließeffekt und eine kontaktfördernde Schicht 36, die nacheinander aufwachsen. Die Oberfläche der Wellenleiterschicht 33 ist eben, während ihre Unterseite in den entlang der Einkerbung 331 sich erstreckenden Bereich vorspringt. Die aktive Schicht 34 und die Wellenleiterschicht 33 sind von verschiedenem Leitungstyp, um dazwischen eine Gleichrichter-Übergangszone 301 zu bilden. Ein mit einer Öffnung versehener SiO₂-FiIm 37 ist auf der kontaktfördernden Schicht 36 ausgebildet, die über die Öffnung mit einer auf dem SiO₂-FiIm 37 ausgebildeten Elektrodenschicht 38 in Kontakt steht. Auf der Unterseite des Substrats 31 ist eine weitere Elektrodenschicht 39 ausgebildet. Wenn die Gleichrichterübergangszone 301 in Durchlaßrichtung vorgespannt wird, so wird die Breite des in die aktive Schicht 34 injizierten Stromes annähernd durch die Breite der Öffnung im SiO₂-FiIm 37 geregelt und der Injektionsstrom fließt durch den Mittenbereich der aktiven Schicht 34. Die aktive Schicht 34, in die Ladungsträger injiziert und durch Rekombination der Ladungsträger Licht emittiert wird, ist sandwichartig zwischen der zweiten Überzugsschicht 35 und der Wellenleiterschicht 33 angeordnet, wobei diese Schichten einen größeren Bandabstand und einen kleineren Brechungsindex aufweisen als die aktive Schicht 34, um ein Einschließen der Ladungsträger zu bewirken. Während andererseits das emittierte Licht sich in die Wellenleiterschicht 33 ausbreiten kann, die einen etwas kleineren Brechungsindex aufweist, wird durch die erste Überzugsschicht 32 und die zweite Oberzugsschicht 35 ein vollständiges Einschließen

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des Lichtes bewirkt. In anderen Worten, der dargestellte Halbleiterlaser weist eine doppelte HeteroStruktur auf, bei der eine Schicht mit einem optischen Einschließeffekt und eine Schicht mit einem Ladungsträger-Einschließeffekt voneinander getrennt sind.

Im nachfolgenden wird eine genauer© Beschreibung für den Fall gegeben, daß GaAs und GaAlAs zur Ausbildung d©r oben beschriebenen verschiedenen Schichten verwendet werden„ Das Substrat 31 besteht aus n-GaAs, die erst© Überzugsschicht 32 aus n-GaAlAs, die Wellenleiterschicht 33 aus n-GaAlAs₉ die aktive Schicht 34 aus p-GaAs, die zweite Üb@rzugsschicht 35 aus p-AlGaAs und die kontaktfördernde Schicht 36 aus p~GaAs_e Hierbei wird der Al-Anteil in der Zusammens©tzung dor Wellenleiterschicht 33 so bestimmt, daß die Schicht 33 einen geeigneten Brechungsindex und einen derartigen Bandabstand aufweist„ daß di© in die aktive Schicht 34 injizierten Ladungsträger vollstäadlg eingeschlossen werden können, das in di© aktiv© Schicht 34 emittierte Licht jedoch in ausreichendem Maß® str©u©n tozw₀ sich ausbreiten kann.

Der der Einkerbung 311 entsprechend© Mitt©nb©r@ich 331 der ¥©1= lenleiterschicht 33 ist der ersten Überzugsschicht 32 benachbart„ die der Einkerbung in dem Substrat 31 gsnau nachgebildet ist und die eine konvexe Unterseite und ©ia© flach© Ob©rs©it© aufweist₉ d. h. der Mittenbereich 331 if©ist im Querschnitt ©ine plankon= vexe Form auf. Die aktive Schicht 34 ist auf der Wellenleiter=

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schicht 33 flach ausgebildet und weist eine gleichmäßige Schichtdicke auf. Die Schichtdicke ist so dünn ausgebildet, daß das Laserlicht in ausreichendem Maße in die Wellenleiterschicht 33 streuen kann.

Wenn die oben beschriebene Struktur verwendet wird, so ist die Gleichrichter-Übergangszone 301 in Durchlaßrichtung vorgespannt, die Ladungsträger werden in den aktiven Bereich 34 injiziert und rekombinieren dort, wodurch Licht emittiert wird. Das Licht breitet sich in die Wellenleiterschicht 33 aus. Da die Wellenleiterschicht 33 für das in der aktiven Schicht 34 emittierte Licht in ausreichendem Maße durchlässig ist, tritt kein Lichtverlust in der Wellenleiterschicht 33 auf. Damit pflanzt sich das Licht durch Streuung durch die Wellenleiterßchicht 33 und die aktive Schicht 34 fort. Da darüberhinaus die Wellenleiterschicht 33 und die aktive Schicht 34 sandwichartig zwischen der ersten Überzugsschicht 32 und der zweiten Überzugsschicht 35 angeordnet sind, die beide einen niedrigen Brechungsindex aufweisen, wird schließlich das Licht auf den Mittenbereich 331 der Wellenleiterschicht 33 konzentriert. Da durch das Vorsehen der Schicht 32 ein Austreten des Lichtes unterhalb der Schicht 33 verhindert wird, kann ein Laserausgangsstrahl mit guter Symmetrie erhalten werden, ohne daß der Schwingungs-Schwellwertstrom erhöht wird.

Ein praktisches Beispiel für das Herstellungsverfahren des oben beschriebenen Halbleiterlasers gemäß der Erfindung wird nun anhand der Fig. 4A bis 4D näher erläutert.

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Ein in Fig. 4A dargestelltes n-GaAs-Halbleitersubstrat 31 weist eine Oberfläche aus einer £,100$ -Ebene auf und eine Photolackschicht 41 ist auf der Substratoberfläche ausgebildet, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Danach wird eine streifenförmige Einkerbung 311 in(110)-Richtung durch chemisches Ätzen (Fig. 4C) auf dem Substrat 31 ausgebildet. Die Abmessungen der Einkerbung 311 betragen 1^0 um Tiefe und 2,0 yum Breite. Sie wird durch herkömmliches chemisches Ätzen unter Verwendung der Photolackschicht 41 als selektive Ätzmaske ausgebildet. So wird insbesondere der Ätzvorgang während einer Zeitdauer von 90 Sekunden unter Umrühren in einer Ätzlösung bewirkt, die ein Teil Phosphorsäure, ein Teil Wasserstoffperoxid und fünf Teile Methanol aufweist. Nach der Ausbildung der Einkerbung 311 wird die restliche Photolackschicht 41 von der Oberfläch© des Substrats 31 entfernt und es wachsen danach nacheinander mittels epitaktischsm Aufwachsverfahren in flüssiger Phase di© entsprechenden Schichten auf„

Das Aufwachsen einer η-Al« sqG&q g2^^s=^^c^^cn^ (©^st© Überzugs schicht) 32 wird in einem Zustand g©stoppt _s in d©m di© Schicht eine Querschnittskonfiguration aufweist_p di© in gekrümmter Form in den Bereich der Einkerbung 311 eintritt₉ und man läßt danach eine n-Al_Q -^Ga₀ «As-Schicht (Well©nl@it©rschicht) 33 auf d©r Schicht 32 aufwachsen. Dieser Aufwachsvorgang wird solang© fortgesetzt, bis der Mittenbereich vollständig aufgefüllt trad di® gesamte Oberfläche im wesentlichen flach ist„ Danach läßt man eine als aktive Schicht dienende p-GaAs-Schicht 34 _g ein® P-AIq 33Ga₀ ^As-Schicht (zweite Überzugsschicht) 35 und ©ine

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p-GaAs-Schicht (kontaktfördernde Schicht) 36 aufwachsen und der Aufwachsvorgang wird dann beendet (Fig. 4D). Wenn die Aufwachstemperatur und die Kühlgeschwindigkeit konstant gehalten werden, kann die Konfiguration der Oberfläche der ersten Überzugsschicht 32 so gestaltet werden, daß sie durch geeignete Steuerung der Aufwachszeit eine gewünschte Form besitzt. Wenn beispielsweise die Aufwachszeit klein gewählt wird, wird die Oberfläche der als erste Überzugsschicht dienenden n-Al« ^gGa« g?^⁵"Schicht ^2 leicht nach innen zum Substrat 31 hin gekrümmt.

Typische Dicken der entsprechenden Schichten im Mittenbereich der Einkerbung 311 sind 0,8 yum für die n-Al_Q 3ß^Ga0 62^As~^Scnicirt 32, 0,3 um für die n-Al_Q .,Ga_{0 g}As-Schicht 33, 0,1 jm für die P-GaAs aktive Schicht 34, 1,2 um für die P-AIq 33Ga₀ g₂ ^As"^Scnicht 35 und 1,2 um für die p-GaAs-Schicht 36. In den Außenbereichen ist die Schicht 32 typischerweise 0,1 jum und die Wellenleiterschicht 33 0,15 pm dick. Die Dotierungskonzentrationen der entsprechenden Schichten 32, 33» 34, 35 bzw. 36 betragen typischerweise 3 x 10¹⁷/cm³ (n), 3 x 10¹⁷/cm³ (n), 5 x 10¹⁷/cm³ (p), 3 x 10¹⁷/cm³ (p) bzw. i0¹⁸/cm⁵ (p). Die Elektrode 38 wird dadurch ausgebildet, daß der SiO₂-FiIm 37 mit einem streifenförmigen Fenster auf der Oberfläche der p-GaAs-Schicht 36 und danach durch Vakuumverdampfen ein Metall darauf ausgebildet wird. Das streifenförmige Fenster ist so vorgesehen, daß es direkt über der streifenförmigen, auf dem n-GaAs-Substrat 31 ausgebildeten Einkerbung 311 angeordnet ist. Die Elektrode 39 ist auf der Unterseite des n-GaAs-Substrats 31 ausgebildet.

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Die kontaktfördernde Schicht 36 kann weggelassen werden, wenn ein ohmscher Kontaktbereich in der zweiten Überzugsschicht 36 durch Eindiffundieren von p-Störstellen, wie etwa Zink (Zn) ausgebildet wird. Die Diffusion des Zinks kann durch die Öffnung des SiOp-Films in einer Tiefe von etwa O₉5 um durchgeführt werden.

Durch Anlegen eines positiven Potentials an die Elektrode 38 und eines negativen Potentials an die Elektrode 39 wird beim Betrieb die Übergangszone 301 in Durchlaßrichtung vorgespannt„ wodurch Ladungsträger in die p»GaAs aktive Schicht 34 Injiziert werden. Die aktive Schicht 34 ist sandwichartig zwischen der P-Al₀ 38^Gao 62^As-^Scniclrfc 35 und der n=Al_{0 1}Ga_Q gAs-Schicht 32 angeordnet, die beide einen großen Bandabstand aufweisen«, Ins= besondere ist im Kontrast zum Bandabstand der GaAs=Schicht 34 von 1,4 eV,der Bandabstand der A1_Q >jGa₀ gAs=Schicht 33 gleich 1,55 eV und der Bandabstand d@r A1_Q 3gGa_Q g2^As°^ScJlic^ 35 gleich 1,95 eV. Aufgrund dieser Hetero-Sperrschlchten können dia in die aktive Schicht 34 injizierten Ladungsträger innerhalb der aktiven Schicht 34 eingeschlossen werden^ ohne daß si© diffundieren. Auf diese Weise wird Licht durch Rekombination d©r Ladungsträger innerhalb der aktiven Schicht 34 emittiert und wenn die Verstärkung aufgrund ©ines ausr©ieh©nd©n Injektionsstromes den Verlust übertrifft, so wird ©In Las©rlicht von der aktiven Schicht 34 emittiert«, Dieses Licht streut aus In dl© n=Al₀ ^ Ga_{0 g}As-SchIcht (WallenleiterscMelit) 33° Da die Wellenleiterschicht 33 einen größeren Bandabstanö aufweist als di© aktiv©

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Schicht 34, kann das Laserlicht nicht innerhalb der Wellenleiter schicht 33 gedämpft werden. Daher pflanzt sich das Laserlicht durch die aktive Schicht 34 und Wellenleiterschicht 33 fort.

Bei dieser Lichtfortpflanzung beträgt der Brechungsindex n-, der p-GaAs aktiven Schicht 34 n, = 3,590, während der Brechungsindex n₂ der n-Al_Q .,Ga_n «As-Schicht 33 n₂ = 3.52 beträgt. Aufgrund der geringen Differenz im Brechungsindex zwischen diesen entsprechenden Schichten ist der optische Einschließeffekt an der Grenzfläche zwischen der p-GaAs-Schicht 34 und der n-Al_n -j Ga_{n Q}As-Schicht 33 sehr schwach. Da jedoch der Brechungsindex η der Al_n 3ß^Ga0 62^As""^^berzugsscn*^c*^rfcen ^^{2 un<i} ^ ^mi* ^{n =} 3 »34 gering ist im Vergleich zu den Brechungsindizes der Schichten 33 und 34, wird ein starker optischer Einschließeffekt bewirkt. So wird insbesondere der Lichtstrahl durch die Schichten 32 und 35 mit den geringeren Brechungsindizes geführt und damit das Licht innerhalb der Schichten 33 und 34 eingeschlossen.

Bezüglich der Lichtausbreitung in Transversalrichtung parallel zur Übergangszone bzw. Sperrschicht 301 nimmt der wirksame Brechungsindex in Transversalrichtung der Wellenleiterschicht 33 mit abnehmender Schichtdicke ab, da die Wellenleiterschicht 33 der ersten Überzugsschicht 33 mit niedrigerem Index benachbart und so ausgebildet ist, daß sie ihre maximale Dicke im Mittenbereich 331 im eingekerbten Bereich 311 aufweist und ihre Dicke zu den Außenbereichen der Einkerbung 311 hin abnimmt. Damit ist die oben beschriebene Wellenleiterstruktur ähnlich zur optischen Wellenleiterstruktur mit Rippenführung, wie sie von T.P. Lee in

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IEEE Journal of Quantum Electronics, Band QE-11, Nr. 7, Seite 432 bis 435 beschrieben wird.

Bei der obigen Ausführungsform betragen die berechneten Werte der wirksamen Brechungsindizes der vier laminierten Schichten 32, 33t 34 und 35 im Mittenbereich typischerweise 3,469, während sie im Außenbereich 3,440 betragen. Der wirksame Brechungsindex kann durch die Grenzbedingungen verändert werden, wie etwa die

und
Dicke I die Zusammensetzung von jeder laminierten Schicht. Wenn die Dicke der Wellenleiterschicht 33 zunimmt, nimmt der wirksame Brechungsindex η entlang der Sperrschichtsebene zu, wie es in Fig. 4E dargestellt ist, wobei die Dicke der aktiven Schicht 34 als Parameter verändert wird.

Wenn das anhand von Fig. 4 beschriebene Herstellungsverfahren für die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung verwendet wird₉ so kann ein Halbleiterlaser mit ein©m streifenförmigen optischen Wellenleiter bzw. Hohlraum durch einen einzigen ©pitaktischen Aufwachsverfahrensschritt in flüssiger Phase erhalten werden. Darüberhinaus wird natürlich aufgrund der Vereinfachung des Herstellungsverfahrens auch die Gefahr für ©ine Ausbildung von Schäden oder Mängeln vermindert. Damit erhält man eine höher® Lebensdauer und eine Verbesserung der Zuverlässigkeit sowie ein® hohe Qualität.

Ein weiterer Vorteil der oben beschriebenen Struktur besteht darin, daß der Mesa-Ätzverfahrensschritt für die aufgewachsenen Schichten nicht erforderlich ist₉ der schwierig zu steuern und nach dem Stand der Technik erforderlich ist_G Aufgrund dieses Vor-

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teils wird ein Herstellungsverfahren geschaffen, das zur Realisierung von Wiederholbarkeit, Massenhersteilbarkeit und hoher Ausbeute geeignet ist.

Ein weiterer Vorteil der oben beschriebenen Struktur besteht darin, daß ein optischer Wellenleiter mit einem solch speziellen optischen Kondensoreffekt, daß ein im streifenförmigen optischen Wellenleiter des Halbleiterlasers gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform eingeschlossenes Licht im Mittenbereich des Wellenleiters verdichtet wird, auf einfache Weise hergestellt werden kann. Dieser optische Kondensoreffekt ist darauf zurückzuführen, daß die Struktur so beschaffen ist, daß der wirksame Brechungsindex am plankonvexen Mittenbereich 331 der n-Al_Q 38^Gao 62^As~ Schicht (optische Wellenleiterschicht) 33 am höchsten ist.

Wenn bei der oben beschriebenen Ausführungsform die streifenförmige Einkerbung in Γθ11 J -Richtung auf einer £i00$ -Ebene des Substrats 32 ausgebildet wird, so treten £111 j Α-Ebenen an den Innenseiten der Einkerbung auf und bilden eine mesaförmige Einkerbung. Wenn das Kristallaufwachsen unter Verwendung eines Halbleiter-Substrat-Kristalls durchgeführt wird, der in eine solche Gestalt gebracht wurde, daß seine begrenzenden Ebenen spezielle ebene Ausrichtungen aufweisen, so nimmt, da das Aufwachsen in lateraler Richtung der Innenwände der aus [i1ij Α-Ebenen bestehenden mesaförmigen Einkerbung schneller verläuft als das Aufwachsen an der Unterseite der aus einer £ 100? -Ebene bestehenden Einkerbung, zu Beginn des Aufwachsens der ersten Uber-

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zugsschicht 32 innerhalb der Einkerbung 311 eine gekrümmte Form an, wobei der Mittenbereich nach innen zum Substrat 31 hin heruntergedrückt ist. Wenn das Aufwachsen fortschreitet und die Schicht 32 dicker wird, wird die Niveaudifferenz der Depression allmählich vermindert, während die Breite der Depression allmählich kleiner wird. Wenn schließlich das Aufwachsen eine bestimmte Dicke erreicht hat, ist die Depression vollstän= dig aufgefüllt und die Oberfläche wird flach.

Ein solches Phänomen ist eine charakteristische Eigenschaft₉ die oft beim epitaktischen Aufwachsverfahren in flüssiger Phase festgestellt wird. Die oben beschriebene erfindungsgemäße Ausführungsform hat damit das Problem der bekannten Ausführungsformen dadurch gelöst, daß dieses Phänomen wirkungsvoll und geschickt verwendet wird. Insbesondere wird das Aufx»/achsen der ersten Über·= zugsschicht 32 zu einem Zeitpunkt abgestoppt„ wenn die durch die anfänglich im Substrat 31 ausgebildete Einkerbung 311 bewirkt© gekrümmte Form noch besteht, und danach wird das Aufwachsen der Wellenleiterschicht 33 solange bewirkt, bis die Oberfläch© eben wird. Dann hat die Wellenleiterschicht 33 einen plankonvexen Querschnitt, bei dem die Schichtdicke im Bereich 331, direkt oberhalb der Einkerbung 311, etwas dicker ist und an den Außenabschnitten des Bereichs 331 dünner wird. Die oben beschriebenen Konfigurationen werden in den auf dem Substrat aufgewachsenen Schichten selbst dann nicht besonders verändert„ wenn di© An= fangsgestalt der Einkerbung ©twas verändert wird₀ Damit kann ©in mit einem plankonvexen Wellenleiter versehener Halbleiterlaser mit guter Steuerbarkeit sehr einfach erhalten werden,,

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Wie bereits oben beschrieben wurde, hat der erfindungsgemäße Halbleiterlaser einen niedrigen Schwingungs-Schwellwertstrom und kann in einer Grund-Transversalmode oszillieren. Da die aktive Schicht auf einer flachen oder ebenen Oberfläche aufwächst, kann selbst eine Schicht von 0,1 um oder weniger Dicke auf einfache Weise bei guter Wiederholbarkeit aufwachsen. Da auch der Mittenbereich 331 der Wellenleiterschicht 33 sich im eingebetteten Zustand befindet und der wirksame Brechungsindex der Wellenleiterschicht 33 sich mit abnehmender Schichtdicke vermindert, wird ein wesentlicher Teil des erzeugten Lichts innerhalb des plankonvexen Bereichs eingeschlossen, d. h. dem Mittenabschnitt 331 der Wellenleiterschicht 33» Darüberhinaus ist die Schichtdicke im plankonvexen Bereich 331 im Mittenbereich am größten und insbesondere ist auch der wirksame Brechungsindex im mittleren Teil am größten. Damit wird das im plankonvexen Bereich 331 eingeschlossene Licht einem zusätzlichen Kondensoreffekt ausgesetzt, so daß es im mittleren Teil verdichtet wird. Es ist damit durch Einstellung der Dicke der aktiven Schicht und des effektiven Brechungsindex des plankonvexen Bereichs 331 möglich, einen Dauerstrich (CW)-Schwingungslaser bei Raumtemperatur zu schaffen, der Longitudinal- und Transversalmoden im niedrigsten Zustand in beiden Richtungen sowie einen sehr niedrigen Schwingungs-Schwellwertstrom aufweist. Darüberhinaus kann eine relativ schmale Ausgangsstrahldivergenz und eine hohe optische Schadensschwelle im Katastrophenfall (COD) erwartet werden, da ein großer Teil des Lichts sich eher in der Wellenleiterschicht fortpflanzt als in der aktiven Schicht.

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Wenn bei der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsform die Breite des schalenförmigen Bereichs gleich dem der bekannten Struktur nach Fig. 2 ist, so wird die wirksame Brechungsindex-Änderung in Transversalrichtung klein, was auf die Anwesenheit der Wellenleiterschicht 33 zurückzuführen ist. Selbst wenn daher die Breite der Einkerbung vergrößert wird, treten keine Schwingungen in Transversalmoden höherer Ordnung auf. Damit kann die Wiederholbarkeit, Massenherstellbarkeit und die Ausbeute verbessert werden, ohne daß die Steuerbarkeit für die Schichtdicke im Kristallwachstum vermindert wird.

Wenn außerdem die Vorrichtung zur Injizierung von Ladungsträgern in die aktive Schicht so ausgebildet wird, daß der Strom wirksam in den Bereich der aktiven Schicht direkt unterhalb der streifenförmigen Einkerbung injiziert wird, kann der Schwingungs-

chwellwertsstrom im erfindungsgemäßen Halbleiterlaser weiter vermindert werden und die externe differentielle Quantenausbeute wird auch hoch. Daher weist die über dem SiC^-Film der oben beschriebenen Ausführungsform ausgebildete str@ifenförmige Elektrode allgemein einen niedrigen Injektionsstrom-Wirkungsgrad auf. Wenn auf den Injektionsstrom-Wirkungsgrad Wert gelegt wird₉ so ist eine Struktur wünschenswert, bei der ©ine Schicht zur Steuerung des Injektionsstromes im Halbleitersubstrat vorgesehen ist, um den durch den Einkerbungsbereich hindurchgehenden Weg zu verfolgen, d. h. Mittel zur Ausbildung einer in Sperrichtung vorgespannten Sperrschicht innerhalb des HalbleiterSubstrats zu verwenden. Zu die= sem Zweck ist es lediglich erforderlich, zu Beginn eine p-Schicht

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im Oberflächenbereich des n-GaAs-Substrätes durch Diffusion von Zink (Zn) auszubilden, also vor der Ausbildung der streifenförmigen Einkerbung auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats.

Es wird nun eine veränderte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers beschrieben, die die oben erwähnte in Sperrichtung vorgespannte Sperrschicht aufweist. Wie aus Fig. 5 zu ersehen ist,ist auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats eine streifenförmige Einkerbung 511 ausgebildet und auf den beiden Seiten der Einkerbung 511 ist eine Diffusionsschicht 512 vorgesehen. Danach läßt man ähnliche Schichten wie in Fig. 3 in ähnlicher Weise nacheinander auf der Diffusionsschicht 512 aufwachsen. So wachsen eine erste Überzugsschicht 52, eine Wellenleiterschicht 53, eine aktive Schicht 54, eine zweite Überzugsschicht 55 und eine kontaktfördernde Schicht 56 auf. Der Mittenbereich der ersten Überzugsschicht 52 ist in einer niedergedrückten Schalenform ausgebildet, was auf die im Substrat 51 ausgebildete Einkerbung 511 zurückzuführen ist. Die aktive Schicht 54 und die Wellenleiterschicht 53 sind von verschiedenem Leitfähigkeitstyp und die Gleichrichter-Sperrschicht 501 ist dazwischen ausgebildet. Elektroden 58 und 59 sind so vorgesehen, daß sie jeweils das Substrat 51 bzw. die kontaktfördernde Schicht 56 kontaktieren und eine in Durchlaßrichtung vorgespannte Gleichrichter-Sperrschicht 501 ist an der Grenzfläche zwischen der aktiven Schicht 54 und der Wellenleiterschicht 53 ausgebildet.

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Das Substrat 51 und die erste Überzugsschicht 52 sind bezüglich der Diffusionsschicht 512 von verschiedenem Leitfähigkeitstyp und die Gleichrichter-Sperrschichten 502 und 503 sind an den Grenzflächen zwischen dem Halbleitersubstrat 51 und der Diffusionsschicht 512 bzw. zwischen der Diffusionsschicht 512 und der ersten Überzugsschicht 52 ausgebildet. Wenn die Gleichrichter-Sperrschicht 501 in Durchlaßrichtung vorgespannt wird, so ist die Gleichrichter-Sperrschicht 503 in Sperrichtung vorgespsnnt, so daß der in die aktive Schicht 54 injizierte Strom auf den Teil beschränkt wird, der dem Mittenbereich 531 der Wellenleiterschicht 53 gegenüberliegt.

Anhand von Fig. 6 wird im folgenden ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zur Herstellung der Diffusionsschicht 512 beschrieben. Zuerst wird in einem Oberflächenbereich eines Halblstersub- strats 51 aus n-GaAs und mit einer Störstellenkonz©ntration von 18 ^

1 bis 3 x 10 /cm , wie es in Fig. 6A dargestellt ist, ©in© Zink (Zn)-Diffusionsschicht 512 mit einer Tiefe von etwa ο,7 /im (Fig. 6b) ausgebildet. Die Zn-Konzentration kann etwas größer gewählt werden als die Störstellenkonzentration des Substrats 51. Im nächsten Schritt wird eine Einkerbung 511 in im wesentlichen gleicher Weise wie in den Fig. 4B bis 4D im Substrat 51 ausgebildet. So wird eine Photolackschicht auf dem Substrat aufgebracht, danach durch Belichtung mit Licht ein längliches Fenster mit 2 pn Breite und denn ein© streifenförmige Einkerbung 511 unter Verwendung der mit einem Fenster vers©h©n©n Photolaakschicht als Maske durch selektives Ätzen (Fig. 6C) auf der Oberfläche des

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Substrats 51 ausgebildet. Die Tiefe der Einkerbung 511 überschreitet die Tiefe der Zn-Diffusionsschicht 512 und im dargestellten Ausführungsbeispiel hat die Einkerbung 511 eine Tiefe von etwa 1,0 um. Zui^Ausbildung der Einkerbung 511 wird die gleiche Ätzlösung wie im ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendet und der Ätzvorgang wird über eine Zeitdauer von 90 Sekunden bei Raumtemperatur unter Umrühren durchgeführt, so daß man die Einkerbung mit gewünschter Tiefe erhält. Nach der Ausbildung der Einkerbung 511 wird die restliche Photolackschicht von der Oberfläche des Halbleitersubstrats 51 entfernt, wonach die Jeweiligen Halbleiterschichten nacheinander nach dem epitaktischen Aufwachsverfahren in flüssiger Phase aufwachsen, so daß das in Fig. 6D dargestellte Scheibchen oder Wafer ausgebildet wird.

Im speziellen Fall wird das Aufwachsen der n-Al« ^gGa« 62^^s~ Schicht 52 in einem Zustand abgestoppt, in dem die Schicht 52 im Bereich oberhalb der Einkerbung 511 einen bogenförmig absinkenden Querschnitt aufweist, und die n-Al_n ^Ga_{n Q}As-Schicht 53

Ujt u,y

wächst darauf auf. Das Aufwachsen der Schicht 53 wird solange fortgesetzt, bis die Depression des mittleren Bereichs vollständig aufgefüllt ist und die gesamte Oberfläche im wesentlichen eben wird. Danach wachsen die als aktive Schicht dienende p-GaAs-Schicht 54, die P-A1_Q 33Ga₀ g₂ ^As-^Scnicirfc 55 und die p-GaAs-Schicht 56 nacheinander auf und das Aufwachsverfahren ist dann beendet.

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Die Dicke und Dotierungskonzentration der entsprechenden Schichten können im wesentlichen gleich wie bei der bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 3 gewählt werden. Schließlich werden die Elektroden 58 und 59 auf der p-GaAs-Schicht 56 bzw. dem Substrat 51 nach dem herkömmlichen Verfahren aufgebracht und der Halbleiterlaser ist damit fertig.

Die Betriebsweise dieses erfindungsgemäßen Halbleiterlasers ist ähnlich wie bei der ersten bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 3. Es kann daher auf eine weitere Beschreibung verzichtet werden.

Es soll jedoch angemerkt werden, daß die Betriebsweise des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Halbleiterlasers sich von der der der ersten bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 3 in dsm folgenden Punkt unterscheidet.

Wenn die Gleichrichter-Sperrschicht 501 in Durchlaßrichtung vorgespannt wird, so wird der Injektionsstrom aufgrund der Vorspannung in Sperrichtung an der Gleichrichter-Sperrschicht 503 auf einen Weg begrenzt, der durch die Einkerbung 511 führt. Damit wird di© Ausbildung des SiOp-Films, wie er in der ersten bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 3 verwendet wird, unnötig und diese veränderte Ausführungsform hat dennoch einen charakteristischen Vorteil darin, daß der Injektionsstrom-Wirkungsgrad verbessert wird.

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Bei den oben beschriebenen beiden Ausführungsformen ist die Oberfläche der Wellenleiterschicht, d. h. die Grenzfläche zwischen der Wellenleiterschicht und der aktiven Schicht eben und die aktive Schicht ist in ebener Form ausgebildet. Das Wesen der Erfindung kann Jedoch auch ohne Einschränkung durch die Bedingung, daß die Oberfläche der Wellenleiterschicht eben gemacht wird, realisiert werden. In anderen Wort, es ist lediglich erforderlich, daß die Dicke der Wellenleiterschicht im mittleren Streifenbereich dicker ist als in den Außenabschnitten des Streifenbereichs. Im nachfolgenden werden weitere veränderte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, die die oben erwähnte Forderung erfüllen.

In ähnlicher Weise wie bei der Ausführungsform nach Fig. 5 läßt man, wie aus Fig. 7 zu entnehmen ist, eine erste Überzugsschicht 72, eine Wellenleiterschicht 73, eine aktive Schicht 74, eine zweite Überzugsschicht 75 und eine kontaktfördernde Schicht 76 nacheinander auf einem Substrat 71 mit einer Einkerbung 711 und einer Diffusionsschicht 712 aufwachsen und die Elektroden 78 und 79 haben direkten Kontakt mit der kontaktfördernden Schicht 76 bzw. dem Substrat 71. Die Bezugszeichen 701, 702 und 703 kennzeichnen jeweils Gleichrichter-Sperrschichten.

Bei dieser dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat die Oberfläche der Wellenleiterschicht 73 eine nach unten gekrümmte bzw. niedergedrückte Form, in dem das Aufwachsen abgestoppt wird, bevor die Oberfläche eben wird. Die Dicke der Schicht 73 ist. jedoch im Mittelabschnitt 731 größer als in den Außenabschnitten der Schicht. Darüberhinaus ist auch die auf der Wellenleiterschicht

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73 aufgewachsene aktive Schicht 74 in ihrem mittleren Abschnitt nach unten gekrümmt und die Dicke des mittleren Bereichs 741 dieser Schicht 74 ist größer als in den Außenbereichen.

Um nur die Unterschiede zwischen dieser dritten bevorzugten Ausführungsform und der Ausführungsform nach Figo 5 zu beschreiben, ist die Tiefe der Einkerbung 711 etwas tiefer als die der Einkerbung 511 in Fig. 5 und etwa gleich 1,5 pm. Zu diesem Zweck wird der Ätzvorgang während einer Zeitdauer von etwa 130 Sekungen bei Raumtemperatur unter Aufrühren durchgeführt, wobei die gleiche Ätzlösung wie bereits oben beschrieben verwendet

Typische Dicken für die entsprechenden Schichten im mittleren Bereich sind 0,8 pn für die n-Al_Q 33Ga₀ g₂ ^As~^Scnicnt ?² ₉ O₉ 5 jum für die n-Al_n ,,Ga_{n Q}As-Schicht 73, o₉2 um für die p=-GaAs=Schicht 74, 1,2 pm für die P-Al_n 33Ga₀ g₂As-Schicht 75 und 1„2 ρ für die p-GaAs-Schicht 76. Die Dotierungskonzentration der entsprechenden Schichten werden im wesentlichen gleich ausgewählt wie bei der bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 5»

Die Betriebsweise der Ausführungsform ist im wesentlichen gleich wie die der bevorzugten Ausführungsform nach Fig„ 5₉ so daß auf eine weitere Beschreibung verzichtet werden kann«, Da bei dieser veränderten Konstruktion der Schwingungs^Schwellwertstrom im Vergleich zur zweiten bevorzugten Ausführungsform angehoben wird₉ hat diese den Vorteil, daß, da die Summe der Dicken der aktiven Schicht und der Wellenleiterschicht im mittleren Bereich größer wird, eine hohe Ausgangsleistung erhalten werden kann«,

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Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Diese vierte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist gleich der oben beschriebenen dritten bevorzugten Ausführungsform, mit der Ausnahme, daß, wie aus Fig. 8 zu ersehen ist, die Oberfläche der aktiven Schicht 84, d. h. die die zweite Überzugsschicht 85 berührende Oberfläche eben ist und daß der Querschnitt der aktiven Schicht 84 im Bereich oberhalb der im Substrat 81 ausgebildeten Einkerbung 811 eine plankonvexe Form hat. Da bei dieser weiteren veränderten Konstruktion der Schwingungs-Schwellwertstrom im Vergleich zur dritten bevorzugten Ausführungsform angehoben wird, wird der Vorteil erreicht« daß eine höhere Ausgangsleistung erhalten wird. In Fig. 8 ist mit dem Bezugszeichen 82 eine erste Überzugsschicht, mit dem Bezugszeichen 86 eine kontaktfördernde Schicht, mit dem Bezugszeichen 88 und 89 Elektroden, mit dem Bezugszeichen 801, 802 und 803 entsprechende Gleichrichter-Sperrschichten und mit dem Bezugszeichen 831 ein gekrümmter Abschnitt im Mittenbereich der Wellenleiterschicht 83 bezeichnet.

Bei der vierten bevorzugten Ausführungsform können die Mittel zur Begrenzung des Weges des Injektionsstroms durch andere Mittel realisiert werden. Selbst wenn beispielsweise eine durch Protonenbeschuß ausgebildete Schicht oder eine Isolierschicht anstelle der Diffusionsschicht vorgesehen ist oder selbst wenn der Injektionsstromweg durch Diffusion von p-Störstellen, wie etwa Zink, in einer Streifenform beschränkt wird, nämlich von der Seite der kontaktfördernden Schicht bis zu der aktiven Schicht, so wird die Wirkung und der Vorteil dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform nicht vei»-

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schlechtert. Selbstverständlich können die Begrenzungsmittel des Injektionsstromweges, die in der dritten und vierten bevorzugten Ausführungsform verwendet werden, durch äquivalente Mittel ersetzt werden, wie sie in der ersten bevorzugten Ausführungsform verwendet werden. Während die Halbleiterstruktur mit begrenztem Injektionsstromweg in den oben beschriebenen Ausführungsformen zum Zwecke der Erhöhung des Wirkungsgrades verwendet wird, so verhält sich, selbst wenn die Struktur zur Begrenzung des Injektionsstromweges nicht verwendet wird, die Halbleiterlaserstruktur nicht entgegengesetzt zum Wesen der Erfindung.

Da die Halbleiterlaser in den oben beschriebenen Ausführungsformen GaAs-Al_xGaZ-^_x)As (O £ χ ^ 1) -Reihenschaltungen von Halbleiterlaser darstellen, ist es selbstverständliche daß der erfindungsgemäße Halbleiterlaser auch unter Verwendung von InP für das Halbleitersubstrat und eines Quarternärsystem^KristallSj, wie etwa In_xGa/-!_x)^As _v ^P(L-v) ^{für den Licn}^^{emissionstl@reicil} gebildet werden kann.

Da bei dieser veränderten Ausführungsform das InP-Substrat einen größeren Bandabstand und einen kleineren Brechungsindex aufweist als der Kristall des Lichtemissionsbereichs, hat das InP-Substrat selbst die gleiche Funktion wie die erste Uberzugsschicht in dem GaAs-AlGaAs-Reihenschaltungs-Halbleiterlaser. Bei einem ein InP-Substrat verwendenden Halbleiterlaser ist daher eine Einkerbung im InP-Substrat ausgebildet und eine Wellenleiterschicht wächst direkt auf dem InP-Substrat auf. In anderen Worten, mit

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einer Schichtstruktur, die durch Entfernen der ersten Überzugsschicht von den oben beschriebenen Ausführungsformen gebildet wird, können die gleichen Funktionen und Wirkungen der Erfindung wie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen erreicht werden.

Darüberhinaus wird bei einer Einkerbung im Halbleitersubstrat und bei Ausnutzung der unterschiedlichen Geschwindigkeit des Kristallwachstums zwischen dem eingekerbten Bereich außerhalb der Einkerbung eine Einbuchtung in einer ersten Überzugsschicht und ein Konvektorbereich im Mittelbereich einer Wellenleiterschicht ausgebildet, die auf der ersten Überzugsschicht in den oben beschriebenen Ausführungsformen aufgewachsen ist. Der konvexe Bereich kann Jedoch selbst dann in dem Wellenleiterbereich ausgebildet werden, wenn die Halbleitersubstrat-Struktur keine Einkerbung aufweist. Insbesondere wird dabei eine erste Überzugsschicht auf dem ebenen Halbleitersubstrat und danach durch Ätzung des mittleren Bereichs der ersten Überzugsschicht eine Einbuchtung und auf der ersten Überzugsschicht eine Wellenleiterschicht ausgebildet, so daß ein Halbleiterlaser mit den gleichen Funktionen und Wirkungen wie die oben beschriebenen Ausführungsformen erhalten werden kann.

Änderungen und Ausgestaltungen der beschriebenen Ausführungsformen sind für den Fachmann ohne weiteres möglich und fallen in den Rahmen der Erfindung. So können anstelle des epitaktischen Aufwachsverfahrens in flüssiger Phase genau die gleichen Wirkungen erzielt werden bei einem chemischen Verdampfungs-Aufwachsverfahren oder einem epitaktischem Aufwachsverfahren mit Molekularstrahl.

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Außerdem kann die Dicke der Wellenleiterschicht größer als die der ersten Uberzugsschicht im Mittenbereich der Einkerbung gemacht werden.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

1. Halbleiterlaser, gekennzeichnet durch eine aktive Schicht, in der durch Rekombination von injizierten Ladungsträgern Licht erzeugt wird₉ eine Wellenleiterschicht, die sich in Kontakt mit einer Oberfläche der aktiven Schicht befindet und die für die Ladungsträger eine Einschließwirkung hat, wobei die Dicke der Wellenleiterschicht im Querschnitt senkrecht zur Austrittsrichtung des Lichts im inneren Bereich größer ist als im Außenbereich, eine erste Überzugsschicht ₉ die mit der Oberfläche der Wellenleiterschicht kontaktiert, die aktive Schicht nicht kontaktiert und die eine Einschließwirkung für das Licht innerhalb der Wellenleiterschicht hat_s sowie durch eine zweite Überzugsschicht„ die die andere Ober= fläche der aktiven Schicht kontaktiert und eine Einschließwir= kung für die Ladungsträger und das Licht innerhalb der aktiven

Schicht hat.

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2. Halbleiterlaser, gekennzeichnet durch eine erste Halbleiterschicht, deren eine Oberfläche eine längliche Einkerbung aufweist, eine auf der ersten Halbleiterschicht ausgebildete zweite Halbleiterschicht mit einem größeren Brechungsindex als die erste Halbleiterschicht, wobei die Dicke des der Einkerbung gegenüberliegenden Teils der zweiten Halbleiterschicht größer ist als die Dicke des der Außenseite der Einkerbung gegenüberliegenden Teils der zweiten Halbleiterschicht, eine auf der zweiten Halbleiterschicht ausgebildete dritte Halbleiterschicht mit einem größeren Brechungsindex als die zweite Halbleiterschicht und eine auf der dritten Halbleiterschicht ausgebildete vierte Halbleiterschicht mit einem kleineren Brechungsindex als die dritte Halbleiterschicht, wobei die dritte Halbleiterschicht entweder gegenüber der zweiten Halbleiterschicht oder gegenüber

einen

der vierten Halbleiterschicht | unterschiedlichen Leitfähigkeitstyp aufweist, so daß eine Gleichrichter-Sperrschicht an der Grenzfläche zwischen der dritten Halbleiterschicht und der zweiten Halbleiterschicht oder zwischen der dritten Halbleiterschicht und der vierten Halbleiterschicht gebildet wird.

3. Halbleiterlaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er weiterhin Mittel zur Begrenzung eines Injektionsstromes auf einen Weg aufweist, der durch den der Einkerbung gegenüberliegenden Teil der dritten Halbleiterschicht führt, wenn die Gleichrichter-Sperrschicht in Durchlaßrichtung vorgespannt wird, wobei das Licht durch Strahlungsrekombination von Ladungsträgern innerhalb des der Einkerbung gegenüberliegenden

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Teils der dritten Halbleiterschicht erzeugt wird,und daß die Populationsinversion in dem der Einkerbung gegenüberliegenden Teil der dritten Halbleiterschicht bewirkt wird, wobei das Licht durch die erste Halbleiterschicht und die vierte Halbleiterschicht dadurch geführt werden, daß die Brechungsindizes der ersten Halbleiterschicht und der vierten Halbleiterschicht kleiner sind als die der zweiten Halbleiterschicht und der dritten Halbleiterschicht.

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