DE3006949A1

DE3006949A1 - Halbleiterlaseranordnung

Info

Publication number: DE3006949A1
Application number: DE19803006949
Authority: DE
Inventors: Takashi Kajimura; Yoshifumi Katayama; Michiharu Nakamura; Toshikazu Shimada; Jun-Ichi Umeda; Shigeo Yamashita
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-02-26
Filing date: 1980-02-25
Publication date: 1980-09-04
Also published as: US4337443A; JPS5722426B2; GB2043989A; NL8001104A; DE3006949C2; CA1141457A; NL185186C; NL185186B; JPS55115386A; GB2043989B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterlasereleraent mit einer auf einer optischen Ausgangsfläche vorgesehenen Passivierschicht aus einer neuen Zusammensetzung.

Bisher war es bekannt, eine Passivieischicht aus einem transparenten Isoliermaterial, wie z. B. SiO₂, Al-O-, od. dgl. an der optischen Ausgangsfläche eines Halblexterlaserelements auszubilden. Eine solche Passivierschicht wird für den Zweck des Schutzes der entsprechenden Kristalloberfläche gegen Oxidation durch Isolation der Fläche von der ümgebungsatmosphäre vorgesehen. Mit den bisher bekannten Materialien oder Zusammensetzungen für die Passivierschicht wird die Reflexionskraft an der Fläche in Abhängigkeit von der Dicke der Passivierschicht merklich verschieden, was eine merkliche Änderung des Schwellenstroms als Begleiteffekt liefert.

Weiter ist es mit der herkömmlichen Passivierschicht unmöglich, einen genügenden Schutz gegen eine Flächenerosion vorzusehen, die einer katastrophalen Degradation und einem

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photochemischen Prozeß zuzuschreiben ist, und gleichzeitig einen Anstieg des Schwellenstromes zu verhindern. Die maximale optische Ausgangsleistung des Halbleiterlaserelements ist einer Beschränkung aufgrund einer sogenannten Flächenschädigung unterworfen. Allgemein können zwei Gründe für eine solche Schädigung aufgezählt werden. Einer von ihnen ist eine sog. katastrophale Degradation, die plötzlich bei der Ausgangsleistung von etwa 5 bis 10 mW für eine Laserbreite von 1 .um möglicherweise aufgrund der Tatsache auftritt, daß die elektrische Feldstärke des Lichts an der entsprechenden Kristalloberfläche eine bestimmte Grenze überschreitet. Der andere der Gründe für die Schädigung ist, was man photochemische Reaktion nennt, die nach und nach als Funktion der Oxidation der Kristalloberfläche fortschreitet und bei einer optischen Ausgangsleistung von mehr als etwa 1 mW für die Laserbreite von 1 ,um merklich wird.

Es wurden bisher Versuche unternommen, um die vorstehend erläuterte Oxidation durch Bilden einer Passivierschicht aus SiO₂, Al₂O- od. dgl. an der optischen Ausgangsfläche des Halbleiterlaserelements zu vermeiden, wodurch die Fläche von der ümgebungsatmosphäre isoliert wird. Dabei wird, wenn man die Schichtdicke gleich ( A /4) χ m wählt, worin A die Wellenlänge des Lichts in der Passivierschicht und m eine 1, 3, 5, ..., gleiche,ungerade ganze Zahl bedeuten, die Lichtstärke an der Kristalloberfläche verringert, wodurch die katastrophale Degradation verbessert werden muß. Jedoch zeigt die Passivierschicht aus dem oben erwähnten Material einen niedrigen Brechungsindex (z. B. ist der Brechungsindex von SiO- etwa 1,45, und derjenige von Al₃O₃ ist etwa 1,75, wogegen der Brechungsindex von GaAs in der Größenordnung von 3,6 liegt), was eine Annäherung an den Zustand

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der Antireflexion darstellt. Als Ergebnis wird die Reflexionskraft der Fläche äußerst niedrig, was zu einer er heblichen Erhöhung des Schwellenstroms führt. Unter diesen Umständen wird die Dicke der Passivierschicht in der Praxis gleich (^/2) χ m¹ (m¹ = 1, 2, 3...) gewählt. Dabei ist, obwohl der erhöhte Schwellenstrom nicht beobachtet wird, die Lichtstärke an der Fläche im wesentlichen gleich derjenigen, die in Abwesenheit der Passivierschicht erhältlich ist. So dient die Passivierschicht lediglich als Verstärkungsglied an der Kristallfläche und eine Isolierschicht zur Isolation der Fläche gegenüber der Atmosphäre.

Einige bekannte Halbleiterlaserelemente werden z. B. in den folgenden Druckschriften beschrieben:

(1) "Applied Physics Letters", Vol. 30, S. 87, 1977 (I. Landany

et aL) ;

(2) "Applied Physics Letters", Vol. 31, S. 625, 1977

(Y. Shima et al.); und

(3) "Japanese Journal of The Applied Physics", VoI 18,

No. 3, S. 693, 1979 (T. Kajimura et al.)

Mit der Erfindung sollen die Probleme der bisher bekannten, oben erwähnten Halbleiterlaserelemente in dem Sinn überwunden werden, daß die maximale optische Ausgangsleistung eines Halbleiterlaserelements merklich gesteigert wird, während der Anstieg des Schwellenstroms möglichst geringfaehalten wird.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist ein Halbleiterlaserelement mit einer auf wenigstens einer optischen Ausgangsfläche des Laserelements abgeschiedenen

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Schicht aus einem anorganischen Material, mit dem Kennzeichen, daß die Schicht aus amorphem Material ist und Silizium und Wasserstoff als unerläßliche Bestandteile enthält.

Gemäß der Lehre nach der Erfindung kann die Änderung des Schwellenstroms, die der Gegenwart der Passivierschicht zuzuschreiben ist, äußerst gering gehalten werden.

Außerdem ist es bei einem Halbleiterlaserelement gemäß der Erfindung möglich, die maximale optische Ausgangsleistung erheblich zu steigern und dabei gleichzeitig die ansteigende Tendenz des Schwellenstroms sehr gering zu halten.

Typische Beispiele der amorphen Materialien, die zur Verwirklichung der Erfindung verwendet werden können, sind, wie folgt:

(1) Amorphes Material mit einer Zusammensetzung von Si₁ H ,

worin 0,002^x^-0,4.

Wenn der Gehalt oder Anteil χ an Wasserstoff höchstens etwa 0,002 ist, können nicht alle freien, im amorphen Silizium (im folgenden auch mit a-Si abgekürzt) vorhandenen Siliziumbindungen mit Wasserstoff gefüllt werden, als Folge dessen es schwierig ist, eine transparente Isolierschicht zu erzielen. Andererseits wird, wenn der Wasserstoffgehalt χ 0,4 übersteigt, die Schichtqualität zu spröde, um als Passivierschicht zu dienen. Für die praktische Verwendung wird dahar bevorzugt, daß der Wasserstoffgehalt χ 0,05 oder höher ist.

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(2) Amorphes Material mit einer Zusammensetzung von ₁^fGe₈. C_t) ^_x. H_x.

Es wird bevorzugt, daß Ois^i, O* t<cO,3 und 0,002 ^ χ ·£· 0,4. Das Material mit einem großen Anteil s eignet sich für einen Langwellenlaser mit einem hohen wirksamen Brechungsindex, während sich ein Material mit einem hohen Anteil t für einen Kurzwellenlaser mit einem niedrigen wirksamen Brechungsindex eignet.

Ein amorphes Material mit einem C-Anteil t von wenigstens 0,3 zeigt eine Neigung, daß die optische Absorption wächst, während die Isoliereigenschaft der Schicht verschlechtert wird, wenn der Anteil t steigt. Daher wird der oben erwähnte Zusammensetzungsbereich bevorzugt.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann wenigstens eine transparente Isolierschicht auf der Wasserstoff und Silizium als unerläßliche Elemente enthaltenden Passivierschicht angebracht sein, um damit eine zusammengesetzte Passivier^schicht zu bilden.

Weitere ausgestaltende Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen 5, 7 und 9 gekennzeichnet.

Die Erfindung gibt also ein Halbleiterlaserelement an, das eine Schicht aus einem amorphen Material enthält, die auf wenigstens einer optischen Ausgangsfläche des Laserelements angeordnet ist und Silizium und Wasserstoff als die unerläßlichen Bestandteile enthält. Die Dicke der amorphen Schicht wird vorzugsweise nahe (A^/4).m gewählt, worin λ die Wellenlänge des Laserlichts in der amorphen Schicht

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und m eine ungerade ganze Zahl bedeuten. Eine Schicht aus einem transparenten Isoliermaterial kann über der amorphen Schicht abgeschieden werden, um dadurch eine zusammengesetzte Schicht darzustellen. Mit dem offenbarten Aufbau des Halbleiterlaserelements kann eine Erhöhung des Schwellenstroms des Laserelements äußerst gering gehalten werden, während eine maximale optische Ausgangsleistung gesteigert werden kann.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:

Fig. 1 eine Perspektivansicht zur Veranschaulichung eines Halbleiterlaserelements nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig.2 eine Schnittansicht eines Halbleiterlaserelements nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Verteilung der

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Asymmetrifaktoren, die die Verhältnisse der optischen Ausgänge von beiden Flächen eines Halbleiterlaserelements darstellen, als Funktion der Dicke der Passivierschicht.

Das amorphe Material, das Wasserstoff und Silizium als unerläßliche Elemente enthält, zeigt solche Eigenschaften, wie sie im folgenden beschrieben werden, und-~w±rd daher als Passiviermaterialien für Halbleiterlaserelemente äußerst bevorzugt.

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(1) Dine breite Bandlücko in der Orößenordnuna von

1,2 eV bis 2,2 eV kann in Abhänqiqkeit vom Wasserstoffqehalt und von den Herstellunqsbedinqunqen erreicht v/erden. I-'olalich k'Jnnt'n die amorphen Materialien als trnnsnarent für Laserlicht herkömmlicher Halbleiterlaser einschließlich der GaAs-GaAlAs-Laser (die Wellenlänge ist in einen Bereich von 0,7 bis 0,9 axt. mit. einer Bandlücke in einem Bereich von 1,78 eV bis 1,4 oV) und der TnP-InGaAsP-Laser (die Wellenlänge ist in einein Bereich von 1 bis 1,7 ,iin nit einer

Bandlücke in einem Bereich von 1,24 eV bis 0,73 eV) u. dal. betrachtet v/erden,

(2) Die amorphen Material ian haben hohe Widerstand?;-werte und können daher im wesentlichen als Isoliermaterial

betrachtet werden (es ist tatsächii.ch rnöqlich, einen

7
höheren Widerstandswert als IO .f\. . cm zn erreichen) .

(3) Kine dicht*¹ .Schicht mit einer hohen rianuruj zur Verhinderung von Oxidation kann voraesehen werden.

(4) Die amorpiien Materialien haben hohe Brechunqsindizes, nie denen verschiedene!*, di^ HaLbluiterlasereleinente bildender Halbleitermatern. Lon nahekornnen. üemqen-.äß tritt, auch wenn die Filrrtdicke qleich (/1/-I) :■: r. gewählt wird, worin λ, die V/ellenlänqe des ^aeerlichts im nnorphen Material und m eine unqerade Zahl, v;".e z* 3, 1, 3_? 5_as« bedeuten, im wesentlichen keine Verri::-/t.rur_;g des r.e.-?lcXioasv'srniögens oder der Reflexionskraft an -'.:\-.i- Fläche das Lassrelenienta auf.

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Die vierte Eigenschaft ist äußerst wichtig. Insbesondere ermöglicht das amorphe Material, das Wasserstoff und Silizium als unerläßliche Elemente enthält und zur Bedeckung der optischen Ausgangsfläche eines Halbleiterlaserelements in einer Dicke von (A/4) χ m (m = ungerade Zahl) aufgebracht ist, daß das Halbleiterlaserelement mit einem ausreichenden Schutz gegen die sowohl der katasiionhalen Degradation als auch dem photochefiiischen'Prozeß zuzuschreibende Flächenschädigung verwirklicht wird. Außerdem kann der Anstieg des Schwellenstroms im wesentlichen verhindert werden, während gleichzeitig die maximale optische Ausgangsleistung gesteigert werden kann.

Es wird nun die innere Änderung des Reflexionsvermöaens an einer Fläche eines Halbleiterlaserelements erläutert, die sich durch Vorsehen einer Passi'/ierschicht ergibt.

Die Refiexionskraft (R) an der Fläche, wie sie innerhalb des Kalbleiterlaserelements beobachtet wird, ergibt sich durch den folgenden Ausdrucks

- ⁽*ν^η)2(π4·^1}2 + (yn)²fe-l)² * 2Cn_a ²-n²)(n²-l)cos<Mr£

Darin bedeuten η : Brechungsindex der Passivierschicht,

n s wirksamer Brechungsindex einer aktiven ^a Schicht des Halbleiterlaserelements,

A, ° Wellenlänge des Laserlichts in der Passivierschicht und

d s Dicke der Passivierschicht

(Es wurde angenommen,, daß der Brechungsindex von Luft gleich 1 ist)„

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Der Brechungsindex der amorphen Materialien gemäß der Erfindung liegt in einem Bereich von etwa 3,2 bis etwa 3,7 in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Laserlichts und der Herste¹"angsbedingungen. Andererseits liegen die Brechungsindizes η der für die Halbleiterlaserelemente

verwendeten Halbleitermaterialien allgemein in einem Bereich von etwa 3,4 bis etwa 3,8.

Beispielsweise wird ein Halbleiterlaser aus GaAlAs mit einem Brechungsindex η von 3,6 untersucht. Wenn die Dicke der Passivierschicht gleich Λχ/4 bei einem Wert für η von 3,42 gewählt wird, dann ist das Reflexionsvermögen oder die Reflexionskraft R gleich 0,28. Falls keine Passivierschicht vorhanden ist oder die Schichtdicke gleich Λ,/2 gewählt wird, dann ist R gleich 0,32. In dieser Weise weicht das Reflexionsvermögen oder die Reflexionskraft an der Fläche nicht vom Bereich von 0, 28 bis 0,32 ab. Daher kann die Änderung im Reflexionsvermögen für praktische Anwendungsfälle im wesentlichen vernachlässigt werden. Das Gleiche gilt für die Änderung des Schwellenstroms.

Fig. 3 zeigt die Verteilung der Asymmetriefaktoren, deren jeder das verglichene Ergebnis der optischen Ausgänge in entgegengesetzten Richtungen eines Halbleiterlaserelements darstellt. Insbesondere wird eine Schicht aus hydriertem amorphen Silizium auf einer der optischen Ausgangsflächen des Lasers abgeschieden, und beide optischen Ausgänge in entgegengesetzten Richtungen werden miteinander verglichen. Wenn der Asymmetriefaktor gleich 1 ist, bedeutet dies, daß beide optischen Ausgänge untereinander gleich sind. Die Schichtdicke der hydrierten amorphen Siliziumschicht ist längs der Abszisse aufgetragen. Man sieht, daß bei jeder gezeigten Schichtdicke die Ungleichheit der Asymmetriefaktoren in einem für die praktischen Zwecke tolerierbaren Bereich liegt. Demgemäß kann man mit Sicherheit sagen, daß

kein wesentlicher Rückgang des Reflexionsvermögens bei irgendeiner Dicke der Passivierschicht auftritt.

Es soll nun die maximale optische Ausgangsleistung erläutert werden. Zunächst sei erwähnt, daß die maximale optische Ausgangsleistung vorherrschend von der Lichtstärke an der Ausgangsfläche des Halbleiterlaserelements abhängt.

Allgemein kann die elektrische Feldstärke des Lichts (I) an der Grenzfläche zwischen der optischen Ausgangsfläche des Halbleiterlaserelements und der amorphen Passivierschicht durch den folgenden Ausdruck angegeben werden:

Barin bedeuten I : elektrische Feldstärke des ausgestrahlten

Laserlichts,

n: Brechungsindex des amorphen Materials, /ι : Wellenlänge des Laserlichts im Vakuum,

Λ : Wellenlänge des Laserlichts im amorphen

Material und d: Dicke der amorphen Schicht.

1 ^Λο Λ.

Demgemäß ist, wenn d = -j . = —j , die elektrische

Feldstärke des Lichts (I) bei einem Minimalwert von 1/n.

In der Praxis können durch Festsetzen der Dicke der Passivierschicht derart, daß d = j (1 HH 0,3) , die mit der Erfindung angestrebten vorteilhaften Wirkungen befriedigend erreicht werden.

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Das zu verwendende amorphe Material kann nach einem reaktiven Zerstäubungsverfahren, durch-Sersetzung von Silan mittels Glimmentladung oder dgl. Verfahren hergestellt werden.

Bei der Durchführung des reaktiven Ze.rstäubungsverfahrens kann eine herkömmliche Zerstäubungsvorrichtung verwendet werden. Die Zerstäubung kann in der Atmosphäre eines Wasserstoff enthaltendem. Edelgases (Argon wird in den meisten Fällen verv/endet) erfolgen, wobei Silizium zur Bildung eines zu zerstäubenden Targets verv/endet wird. Der Gasdruck kann in einem zur Aufrechterhaltung einer Glimmentladung

geeigneten Bereich gewählt werden. Allgemein kann ein

—4 " —2 Gasdruck im Bereich von 1,3 . 10 bis 1,3 . 10 mbar

verv/endet v/erden. Ein Gasdruck von nicht mehr als 1,3 . 10 mbar wird besonders bevorzugt, wenn eine Schicht gebildet v/erden soll, die eine hohe Oxidationsbeständigkeitseigenschaft aufweist. Der Wasserstoffgehalt kann im Bereich von 1 bis 4O % liegen und je nach den praktischen Vorrichtungsmerkmalen gewählt werden. Eine Probe (d. h. ein Halbleiterlaserelement) , worauf das amorphe Material abzuscheiden ist, wird zum Aufstäuben auf einer Temperatur im Bereich von Raumtemperatur bis 400 C gehalten. Wenn die Probe bei Raumtemperatur in der 20 % Wasserstoff enthaltenden Argonatmosphäre (1,3 . 10~ mbar) gehalten wird, kann eine amorphe, etwa 17 % Wasserstoff enthaltende Siliziumschicht erhalten werden.

Im Fall der Zusammensetzung von (Si_1-0-Ge ^c+-)-i__x ^H _x werden dünne Stücke aus den einzelnen Bestandteilselementen Flächen der dünnen Stücke unter entsprechender Variation zugewandt, und anschließend wird das Aufstäuben durchgeführt.

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Weiter kann wenigstens eine transparente Isolierschicht auf der Passivierschicht des Silizium und Wasserstoff als die unerläßlichen Bestandteile enthaltenden amorphen Materials abgeschieden werden, um dadurch die transparente Schicht als Schutzschicht für die Passivierschicht dienen zu lassen.

Typische Beispiele des transparenten Isoliermaterials umfassen SiO₃, Al₃O₃, MgO, ZnO, TiO₂, Si₃N₄ u. dgl., die bisher als die für die Passivierschicht geeigneten Materialien bekannt waren. Besonders zu bevorzugen ist das Isoliermaterial, das hoch oxidationsbeständig ist. Die Schutzschichten können nach herkömmlichen Aufstäubungsverfahren hergestellt werden.

Dank der Aufbringung der vorstehend beschriebenen zweiten Passivierschicht ist es möglich, die eigentliche Passivierschicht aus dem amorphen Material gegenüber jeder Veränderung, wie z. B. Oxidation während einer sehr langen Zeitdauer, zu schützen. Dabei sollte die Dicke d- der zweiten transparenten Isolierschicht so gewählt werden, daß d₂

= ^-o/² wobei ^t₂ die Wellenlänge des Laserlichts in der zweiten transparenten Isolierschicht bedeutet. Dann wird die Passivierwirkung des amorphen Materials nie beeinträchtigt. Für praktische Anwendungen ist es ausreichend, daß d₂ = Λ₂/2 (1 + 0,3).

Fig. 2 zeigt einen beispielsweisen Aufbau eines Halbleiterlaserelements, das mit einer aus einem amorphen Material gebildeten Passivierschicht 6 und einer über der Passivierschicht 6 abgeschiedenen zweiten Isolierschicht 9 versehen ist.

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Der Laseraufbau ist in einer Schnittdarstellung nach einer zu der Richtung, in der das Laserlicht ausgestrahlt wird, parallelen Linie gezeigt. In Fig. 1 und 2 sind gleiche Bezugsziffern zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Teile verwendet.

Nimmt man an, daß die Dicke der amorphen Schicht 6 gleich λ./4 ist, während die Dicke der zweiten Isolierschicht 9 gleich /L-/2 ist, so ergibt sich das Reflexionsvermögen oder die Reflexionskraft der Laserenergie, wie sie innerhalb des Halbleiterlasers beobachtet wird, durch

(n_an_o - n²)²

worin η den Brechungsindex von Luft (d. h. gleich 1), η den wirksamen Brechungsindex des aktiven Bereichs 3

des Halbleiterlasers und ή den Brechungsindex der amorphen Schicht 6 bedeuten.

Man stellt fest, daß das Reflexionsvermögen das gleiche wie in dem Fall bleibt, wo die zweite Isolierschicht 9 abwesend ist. Die Lichtstärken an der Grenzfläche zwischen der zweiten Isolierschicht 9 und der amorphen Schicht 6 sowie an der Grenzfläche zwischen der zweiten Isolierschicht 9 und Luft bleiben gleich wie die Lichtstärke an der Grenzfläche zwischen der Passivierschicht und Luft im Fall, wo die zweite Isolierschicht 9 abwesend ist. Mit anderen Worten wird die Passivierwirkung der amorphen Schicht 6 durch die Gegenwart der Schutzschicht 9 nicht ungünstig beeinflußt.

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Im folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit Beispielen beschrieben.

Beispiel 1

Ein Halbleiterlaserelement eines Doppelheteroaufbaus, das aus einem GaAlAs-Kristall gebildet ist, der an sich bekannt ist, wird hergestellt. Fig. 1 ist eine Perspektivansicht, die ein Beispiel eines Halbleiterlaserelements mit einem Doppelheteroaufbau zeigt. In dieser Figur erkennt man eine positive Elektrode 1, eine P-Kristallschicht 2 aus Ga₁ Al As (x = 0,6) mit einer Dicke von 2 ,um und

I —X X /

einer Dotierung mit Zn in einer Konzentration von etwa

17 —3
10 cm , eine undotierte Kristallschicht 3 aus Ga. Al_vAs

(y = 0,15) mit einer Dicke von 0,1 ,um, die als aktive

Schicht dient, eine N-Kristallschicht 4 aus Ga.. Al As

1 —ζ ζ

(z = 0,6) mit einer Dicke von etwa 3 ,um und einer Te-Do-

I 18-3
tierung mit einer Konzentration von etwa 10 cm ,

eine P-Schicht 7 aus GaAs mit einer Dicke von etwa 1 ,um, eine negative Elektrode 5, ein Substrat 8 aus GaAs und eine Isolierschicht 10.

Außerdem ist in Fig. 1 eine hydrierte amorphe Siliziumschicht 6 gemäß der Erfindungjdargestellt. Diese amorphe Siliziumschicht wurde durch Aufstäuben von Silizium gebildet. Eine Vorrichtung eines herkömmlichen Diodentyps wurde zum Aufstäuben verwendet. Als Target wurde ein Siliziumeinkristall mit einer hohen Reinheit (99,9999999 %) verwendet. Das hergestellte Halbleiterlaserelement wurde dicht auf einem wassergekühlten Probenhalter montiert, wobei die zur optischen Achse des Lasers senkrechte Fläche zum Target ausgerichtet war.

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Um eine Abscheidung des amorphen Siliziummaterials auf der Oberfläche außerhalb der sich senkrecht zur optischen Achse des Lasers erstreckenden Fläche zu verhindern, kann ein Paar von Platten aus rostfreiem Stahl, Einkristallplatten aus GaAs od. dgl. jeweils mit einer der Länge des Lasers in dessen Axialrichtung im wesentlichen gleichen Dicke auf dem wassergekühlten Probenhalter angeordnet werden, so daß das Laserelement dicht zwischen den paarweisen Platten in der Dickenrichtung laminiert eingeklemmt werden, kann. Eine Vakuumkammer der Aufstäubungsvorrichtung wurde mit einer Gasmischung aus Argon (80 %) und Wasserstoff (20 %) bei einem Gesamtdruck von 1 Pa (etwa 0,007 Torr) gefüllt. Der Zwischenelektrodenraum wurde mit 40 mm gewählt. Das Zerstäuben wurde mit einer Eingangshochfrequsnzleistung von 250 W mit einer Frequenz von etwa 13,65 MHz durchgeführt.

s IJach einem Zeitverlauf von etwa-, 150 seit Beginn des

Aufstäubens konnte eine hydrierte amorphe Siliziumschicht in einer Dicke von 56 nm auf der Fläche des Halbleiterlaser elements gebildet werden.

Das so hergestallte Halbleiterlaserelement eignet sich zur Aussendung von Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von etwa 770 nm mit einem Strom von nicht weniger als 106 mA. Die Wellenlänge des Laserlichts ist in der amorphen Siliziumschicht 225,1 nm. Demgemäß entspricht die Dicke von 56 nm gerade einem Viertel der Wellenlänge.

Von der aktiven Schicht 3 ausgestrahltes Laserlicht interferiert mit von der Grenzfläche zwischen der amorphen Schicht 6 und Luft reflektiertem Licht, wodurch ein Schwingungsknoten einer stehende VJelle an der Grenzfläche zwischen der aktiven Schicht 3 und der Schicht 6 unter merklicher Verringerung der Lichtstärke gebildet wird. In

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diesem Fall beträgt bei Annahme, daß der Brechungsindex der Schihht durch η dargestellt wird, die elektrische Feldstärke des Lichts an dieser Grenzfläche 1/n im Vergleich mit dem Fall, wo keine Schicht vorgesehen ist odar die Schichtdicke gleich Λ/2 ist. Da η « 3,4 im Fall des amorphen Siliziums ist, ist die elektrische Feldstärke des Lichts gleich 1/3,4. Demgemäß ist die Lichtstärke gleich (1/3,4) . Natürlich bleibt die Stärke des ausgestrahlten Lichts unveränderlich. In dieser Weise wird die Schädigung aufgrund der an dieser Grenzfläche propotional zur Lichtstärke ablaufenden photochemischen Reaktion merklich verringert. Andererseits wird die Grenze der maximalen optischen Ausgangsleistung aufgrund der durch die elektrische Feldstärke des Lichts bestimmten katastrophalen Degradation merklich erhöht.

Vorteilhafte Merkmale des vorstehend beschriebenen Halbleiterlaserelements gemäß der Erfindung lassen sich folgendermaßen zusammenfassen:

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CD CO

CD CjO OD

co

	Erfindung	Stand der.Technik	^: Z/4 (1i0nm)	^/2 (220 nm)
Arten der Schichten	amorphes Silizium (enthaltend 17 % H)	Al₂O₃	0,0065	0,32
Schichtdicke	Λ/4 (56 nm)	keine Laserstrahlung (angenommen 267 mA)	100 ir.A
Brechungsvermögen an der Fläche	0,28	keine Laserstrahlung'	80 mW
Schwellenstrom	106 TrA	keine Laserstrahlung	30 mW
Maximale optische Ausgangs leistung (Durchbruchsgrenze der Fläche) . " .. .	270 mV/
Lichtstärke an der Fläche (pro portional zur Verschlechterurigs- rate aufgrund photochemischer Reaktion) bei optischer Ausgangsleistung von 30 mW	2,6 mW

te»

CO CD CD CO CD

CO

Die Dicke der amorphen Siliziumschicht, die es ermöglicht, daß die maximale optische Ausgangsleistung des erfindungsgemäßen Lasers doppelt so hoch wie die des bisher bekannten Laserelements ist, ergibt sich durch A/4 (1 + 0,28), d. h. im Bereich von 72 bis 40,6 nm, während die Dicke, die fes ermöglicht, daß die Ausgangsleistung dreimal so hoch wie oder viel höher als die des bisher bekannten Lasers ist,

sich durch A-/4 (1 + 0,10), d. h. im Bereich von 62 bis 50,6 nm ergibt.

Mit dem Wasserstoffgehalt χ von 0,01, 0,03, 0,05, 0,2 usw. in der amorphen Siliziumschicht konnten gleichartige Ergebnisse erhalten werden.

Beispiel 2

Im Fall des Beispiels 1 wurde angenommen, daß nur die hydrierte amorphe Schicht verwendet wird. Jedoch können ähnliche oder gleichwertige Wirkungen auch mit einem Vielschichtaufbau erzielt werden, wosron ein Beispiel im folgendenbeschrieben wird. Nach den gleichen Verfahrensschritten, wie sie im vorstehenden Beispiel durchgeführt wurden, wurde eine hydrierte amorphe Siliziumschicht mit einem Wasserstoffgehalt χ von 0,17 und einer Dicke von 56,nm auf der Fläche des hergestellten Halbleiterlaserelements abgeschieden. Anschließend wurde ein Al₂O--Schicht von 220 nm Dicke auf der hydrierten amorphen Schicht nach einem Auf s täubungsver fahren abgeschieden. Zur Abscheidung der Al₂O-,-Schicht wurde die im vorigen Beispiel durch Einkristallsilizium gebildete Targetelektrode durch eine Elektrodenplatte aus Al₅O₃ ersetzt, während kein Wasserstoff enthaltendes Argongas als Gasatmosphäre verwendet wurde.

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Da die Dicke der A^O-^-Schicht gerade λ/2 im Maß der Wellenlänge des Laserlichts entspricht, sind das Reflexions vermögen oder die Reflexionskraft, die innerhalb des Laserelements beobachtet werden, sowie die elektrische Feldstärke des Lichts an der Grenzfläche zwischen dem Laserelement und der hydrierten amorphen Siliziumschicht völlig die gleichen wie im Fall, wo keine Al-CK-Schicht vorhanden ist. So sind die erreichten verschiedenen Eigenschaften des Laserelements gleich denen, die in der bereits angegebenen Tabelle zusammengefaßt sind. Der Laser mit dem Zweischichtaufbau, wie er nach diesem Beispiel verwirklicht wurde, kann eine hohe Stabilität über eine lange Zeitdauer aufweisen, da die Oberfläche der hydrierten amorphen Siliziumschicht aufgrund der Gegenwart der A1„O,-Schicht gegen Oxydation geschützt ist.

Im Fall der Laserwellenlänge von 770 nm sind die geeigneten Dicken verschiedener transparenter Isolierschichten folgende:

₂ : etwa 260 nm MgO : etwa 220 nm TiO₂ : etwa 154 nm

Vorstehend wurde das GaAlAs-Halbleiterlaserelement mit einer Laserwellenlänge von etwa 770 nm beschrieben. Jedoch können selbstverständlich ähnliche Wirkungen für die Laserelemente mit unterschiedlichen Laserwellenlängen erhalten werden, indem man die Schichtdicke an die Laserwellenlängen entsprechend anpaßt.

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Beispiel 3

Im Fall des Halbleiterlaserelements unter Verwendung anderer Materialien als denen der GaAlAs-Gruppe sind die Brechungsindizes der Halbleiterkristalle im wesentlichen im Bereich von 3,4 bis 3,6, der mit dem Bereich der
Brechungsindizes des hydrierten amorphen Siliziums
übereinstimmt. So können den oben beschriebenen gleichwertige Wirkungen erhalten werden. Beispiele der Erfindung in Anwendung auf InGaAsP-, InGaP- und PbSnTe-Halbleiterlaser sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

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GD Ui O CD CO CD "^. σ co ο

Material	^In0,73^Ga0,27^As0,63^P0_r37	^In0_;Ü8^Ga0,n2^P	i" PbSnTe	!
Brechungsindex		3>^	3>8
Laserwellenlänge	1,3 VB! -	0,7 μη	β μη
* Dicke der wasserstoffhaltigen amorphen Siliziumachicht (n = 3,42, /t/4)	95 nm	51,2 nm	439 nm
Verbesserungsfaktor des Schwelle Stroms, der der amorphen Schicht zuzuschreiben ist	ⁿ" 1,06 (Male)	I₁O (unverändert)	1,15
Verbesserungsfaktor der maxi malen optischen Ausgangs leistung	(Male)	3,¹J	3,4
t Verringerungsfaktor der , Fläch'endegradationsrate r	11 (Male)	11	11 ,

OJ

co O O cn CD

CO

Wie man der vorstehenden Beschreibung entnimmt, ermöglicht die Verwendung der hydrierten amorphen Schicht als Schutzschicht an der optischen Ausgangsfläche der Halbleiterlaserelemente eine erhebliche Unterdrückung des Anstiegs des Schwellenstroms. Außerdem lassen sich durch Auswählen der Schichtdicke gleich A /4 oder m . A. /4, worin η eine ungerade ganze Zahl darstellt, überraschende Verbesserungen bezüglich der maximalen optischen Ausnangsleistuna sowie dor Verschlechterungsneigung der Fläche erzielen. Die Erfindung kann vorteilhaft auf Halbleiterlaser allgemein, wie z. B. Vierelementlaser einschließlich der GaAlAs-Laser, InGaAsP-Laser und GaAlAsP-Laser, Dreielemantlaser einschließlich der InGaP-Laser und GaAsP-Laser, PbSnTe-Laser u. dgl. anwenden.

Beispiel 4

Es wird ein Halbleiterlaserelement eines Doppelheteroaufbaus mit einer an sich bekannten, aus In Ga₁ As P₁ -Kristall (x = 0,73 und y = 0,63) bestehenden aktiven Schicht hergestellt. Der Aufbau dieses Laserelements ist im wesentlichen der gleiche wie der in Fig. 1 dargestellte. Das Lasareloment gibt Laserstrahlung bei einer Wellenlänge von etwa 1,3 ,um ab. Für die in Fig. 1 gezeigte Passivierschicht 6 wird eine hydrierte amorphe Schicht aus Silizium-Germanium verwendet. Dabei wurde eine p'olykristalline, 10 at. % Ge enthaltende Si-Ge-Legierung als Aufstaubungstarget verwendet. Selbstverständlich kann auch eine feine Gruppierung von Si-und Ge-Kristallen, die auf dem Taraet in einem Flächenverhältnis von z.B. 9 : 1 angeordnet ist, anstelle der vorstehend beschriebenen Legierung verwendet v/erden. Die

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/uif stu'iübungsbedi ngungen entsprechen denen "-riier ir "usnr^on han-' >ait Beispiel 1 baschriebenon. Eine hydrierte anornhe Schicht, aus Si-Ge könnt3 auf der FLäche das HalbleiterLaseroLercents in einer Dicke von 90 nm gebildet werden. In dieser. Beispiel sind die Gehalte von Si und Ge in der amorphen Schicht im Verhältnis von 7:3, wahrem-:! d^r Gehalt χ an V'asserstoff C,i ist. Die Dicke, von 9O rin entspricht -.ierade. öLne.r Viertel eier "ellenl'lnge des Laserlichts in dar ar.or:ilion Schicht, Dar von der arorohen Schicht -iv ze. irrte Rrechangsinde:-; von 3,6 ist höher als det der kein Cei'maniur; tüitEial.te.ndea S.-lticht und kommt d?-;n wirksamen Prechun^sinde.x dos Laserelonerits nahe. So kann eint, /'nderuna ir-Ri-f lexioiisvernügen an eier Flächo in Abhän-tiakeit i'on ^<-r Schichtdicke vorteilhaft verrinaort werden.

In dieser Weise ist die hydrierte, anorr.be Schicht aus Silizium und Germanium als Passivierschicht insbesondere für ein .Laserelerent se.hr wirksam, das einen hohen wirksamen Brechungsindex bei einer verhältnismäßic aroßen "e.llanlänff-3

Beispiel 5

Ein Flalbleiterlaserel:2Riünt .mit einem ijor.po.lheteroauf.bau und einer aus einem Ga₁ _ /.l^.As-Kristall (x = O, 3) .rebildeten aktiven Schicht wird her-iestellt. Der /ufbau ist in wesentlichen der gleiche v/ic; der in Fiq. 1 ^azeiifte. I'aa Laserelert'nt gibt. Laserstrahlung bei etwa 72Ο nn ab. Die in rig. 1 ctexe Passivierschicht fc vmrde aus einer h'/irierten nrnort hen S LIi ζiuFi-Kohlenatof f-SchicLt aabilnet. I'iorbei best.and das Auf stäubungiitarcjst aus si "J. i^iuirkrist.r.ii'jlät^c^en und Gra -■■-■lättcheri r.it Breiten '^n 1 C> b?v/. -■ :-;r in ahvo^iiSi- l^de·", >5 tre i "^HiV¹;:- ?^r, .iinht. -uf einan-lor f· 1'"- ". -c-r ' .i'^rOi-^ri·-'. '

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BAD ORIGINAL

Flächenverhältnis von Silizium und Graphit in der Targetebene ist 4:1. Durch die gleichen Aufstäubunasverfahren, wie sie? im Beispiel 1 erwähnt wurden, konnte das in der Schicht enthaltene Verhältnis von Si zu C in der Größenordnung von 10 : 1 erhalten werden. Durch dieses Verfahren ließ sich eine hydrierte amorphe Schicht aus Silizium-Kohlenstoff auf der Fläche des Halbleiterlaserelements in einer Dicke von 60 nm bilden. Der Wasserstoffgehalt χ war 0,1. Die Dicke von 60 nm entspricht einem Viertel der Wellenlänge des Laserlichts in der amorphen Schicht. Der Brechungsindex der amorphen Schicht ist niedriger als der der kein Kohlenstoff enthaltenden hydrierten amorphen Siliziumschicht. Der Verbesserungsfaktor der maximalen optischen Ausgangsleistung ist im wesentlichen dem in dem im Beispiel 1 beschriebenen Laserelement erzielten gleichwertig. Die einen Kohlenstoffzusatz enthaltende amorphe Zusammensetzung kann vorteilhaft die Rate der Degradation der Eigenschaften, die allmählich über eine lange Zeitdauer fortschreitet, verringern. Dieses Merkmal läßt sich um einen Faktor von etwa 1,3 oder mehr im Vergleich mit dem Fall verbessern, irtdem kein Kohlenstoff zugesetzt wird.

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Claims

Ansprüche

Halbleiterlaserelement mit einer auf wenigstens einer optischen Ausgangsfläche des Laserelements abgeschiedenen Schicht aus einem anorganischen Material, dadurch gekennzeich.net, daß die Schicht (6) aus amorphem Material ist und Silizium und Wasserstoff als unerläßliche Bestandteile enthält.
2. Halbleiterlaserelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des im amorphen Material enthaltenen Siliziums durch Germanium und/oder Kohlenstoff ersetzt ist.
3. Halbleiterlaserelement nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß das amorphe Material eine Zusammensetzung Si₁ H aufweist, worin 0,002 ± χ ^ 0,4 ist.
4. Halbleiterlaserelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das amorphe Material eine Zusammensetzung (Si« Ge CJ_1- H aufweist, worin 0,002 £ χ ^ 0,4, O^ S^ 0,5

S t I ~~X X

und O ^ t <£ 0,3 sind.
5. Halbleiterlaserelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (6) aus dem amorphen Material eine Dicke nahe -=τ=- ■ . m hat, worin A die Wellenlänge des Laserlichts im amorphen Material und m eine ungerade ganze Zahl bedeuten.

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6. Halblaiterlaserelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem eine Schicht (9) aus einem transparenten Isoliermaterial aufweist, die auf der Schicht (6) aus dem amorphen Material abgeschieden ist, die ihrerseits auf wenigstens einer optischen Ausgangsfläche (3) des Laserelements abgeschieden ist und Silizium und Wasserstoff als unerläßliche Bestandteile enthält.
7. Halbleiterlaserelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (9) aus dem transparenten Isolier-

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material eine Dicke nahe -^- m¹ hat, worin ■*■ _ die Wellenlänge des Laserlichts in der Schicht (9) auatransparentem Isoliermaterial und m¹ eine ganze Zahl bedeuten.
8. Halbleiterlaserelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht (9) aus einem transparenten Isoliermaterial auf der Schicht (6) aus dem amorphen Material abgeschieden ist, die ihrerseits auf der v/enigstens einen optischen Außenfläche (3) des Laserelements abgeschieden ist und Silizium und Wasserstoff als unerläßliche Bestandteile enthält.
9. Ilalbleiterlaserelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (6) aus dem amorphen Material eine Dicke nahe —7— . m- und die Schicht (9) aus dem trans-

^/^"2 parenten Isoliermaterial eine Dicke nahe —5— . in- haben, worin Λ. die Wellenlänge des Laserlichts im amorphen Material, m₁ eine ungerade ganze Zahl, A, „ die Wellenlänge des Laserlichts in der Schicht (9) aus dem transparenten Isoliermaterial und m„ eine ganze Zahl bedeuten.

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