DE3231579A1

DE3231579A1 - Halbleiterlaser

Info

Publication number: DE3231579A1
Application number: DE19823231579
Authority: DE
Inventors: Masakazu Sendai Morishita; Junichi Nishizawa; Tadahiro Sendai Miyagi Ohmi
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-08-25
Filing date: 1982-08-25
Publication date: 1983-05-05
Also published as: FR2512286B1; US4534033A; GB2111743B; GB2111743A; FR2512286A1

Description

HOFFMANN · EITLE & PARTNER

PAT E N TAN WALT E

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) . D I PL-I N G. W. EITLE · D R. RER. NAT. K. H O FFMAN N · D I PL.-1 N G. W. LEH N

DIPL.-ING. K.FDCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 (STERNHAUS) · D-8000 MD N C H E N 81 · TELEFON (089) 911087 . TE LEX 05-29619 (PATH E)

37 416

Handotai Kenkyu Shinkokai Miyagi / Japan

Halbleiterlaser

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen dreipoligen Doppel-Heteroübergangs-Injektionslaser und betrifft insbesondere einen Halbleiterlaser in Einheit mit einem bipolar arbeitenden Transistor mit statischer Induktion (bipolar mode static induction transistor) mit einem hohen Steuerwirkungsgrad.

Halbleiterlaser haben eine kleine Baugröße, erzeugen einen Laserstrahl mit hohem Wirkungsgrad und können direkt moduliert werden, so daß sie als Lichtquellen für optische Kommunikationssysteme, optische Informationsverarbeitungssysteme und optische integrierte Schaltkreise (ICs) verwendet werden können. Gewöhnliche Doppel-Heteroübergangs-Injektionslaser erfordern nur eine kleine Schwellwertstromdichte und verwenden einen streifengeometrischen Aufbau zur Stabilisierung der Laserarbeitsweise. Jeder von ihnen ist jedoch elektrisch eine Diode und erfordert einen äußeren Transistor zur Bewirkung der direkten Modulation. Wenn

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die Streifenbreite sehr klein ist, nimmt die Schwellwertstromdichte äußerst stark zu, und die Laserschwingung wird in vielen axialen Weisen statt in einer einzigen Weise bewirkt. Die Größe des Halbleiterlasers ist in optischen ICs kritisch und eine Verminderung der Streifenbreite ist unvermeidbar.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen dreipoligen Halbleiter zu schaffen, der in Einheit mit einem Transistor mit statischer Induktion zur Steuerung der Ladungsträgerinjektion in die aktive Schicht des Lasers so ausgebildet ist, daß eine wirksame Steuerung hoher Geschwindigkeit des Laserausgangs erreicht wird.

Mit der Erfindung soll in vorteilhafter Weise ein dreipoliger Halbleiterlaser geschaffen werden, der eine sehr kleine Streifenbreite aufweist, jedoch einen optischen Ausgang in einer einzigen transversalen Art erzeugt, eine niedrige Schwellwert-Erregerstromdichte aufweist und eine Steuerelektrode mit niedrigem Energieverbrauch verwenden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Ansprüche 1 und 4 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. 30

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Halbleiterlasers mit statischer Induktion;

Fig. 2 ein Potentialverteilungsdiagraram für einen Querschnitt längs der Linie A-A¹ in Fig. 1;

Fig. 3a, Potentialverteilungsdiagramme für einen Quer-^{3b und 3c} schnitt längs der Linie B-B¹ in Fig. 1 ;

Fig. 4 Querschnitte anderer Ausführungsformen des HaIb-

bis 9

leiterlasers mit elektrostatischer Induktion;

Fig. 10 ein Diagramm zur Darstellung der Herstellung des Lasers von Fig. 9;

Fig. 11 ein Diagramm einer Ausführungsform mit einer

p-Zone in dem Kanal;
15

Fig. 12 ein Diagramm zur Darstellung der Wirkung der

p-Zone;

Fig. 13 eine schematische Darstellung eines Halbleiterlasers mit statischer Induktion mit einer p-Zone

in dem Kanal;

Fig. 14 einen Querschnitt eines Halbleiterlasers mit einem Aufbau zur Stabilisierung der transversalen Arbeitsweise;

Fig. 15/ Diagramme zur Darstellung der Stabilisierungswirkung der Arbeitsweise;

Fig. 17 ein Diagramm einer Lichtführungsbahn-Ausführungsform;

Fig. 18 Diagramme zur Darstellung der Lichtführungskenn-

und 19 .

werte;

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Fig. 20a Verschiedene Querschnitte des Lichtführungsab-

schnitts, der die Stabilisierung der Arbeitsweise erreicht;

Fig. 21 Querschnitte von Halbleiterlasern, mit denen eine ^1S Stabilisierung der Arbeitsweise erreicht wird;

Fig. 26 ein Kennwertdiagramm für einen bipolaren GaAs-Transistor mit statischer Induktion, wobei der Strom über die Spannung aufgetragen ist;

Fig. 27 ein Kennwertdiagramm für einen Halbleiterlaser

mit elektrostatischer Induktion, wobei der Strom über die Spannung aufgetragen ist; 15

Fig. 28 Querschnitte zweier Halbleiterlaser mit stati^un scher Induktion der Mehrkanalbauweise;

Fig. 3 0a, Auf- und Schnittansichten zweier Halbleiterlaser -.„ ^Un-,- mit statischer Induktion, die einen Aufbau zur 31a — 31c

Stabilisierung einer axialen Arbeitsweise aufweisen;

Fig. 32 Querschnitte dreier Halbleiterlaser mit elektro-^1S statischer Induktion, einem Mehrkanalaufbau und einem Aufbau zur Stabilisierung der transversalen Arbeitsweise;

Fig. 35 einen Halbleiterlaser mit elektrostatischer Induktion mit einer p-Zone in dem Kanal und einem Aufbau zur Stabilisierung der transversalen und axialen Arbeitsweise, wobei Fig. 35a ein Querschnitt in einer Richtung senkrecht zu dem Streifen und Fig. 35b ein Längsschnitt längs der Mitte des Streifens darstellt; und

Fig. 36 eine weitere Ausführungsform mit einer p-Zone in dem Kanal.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Halbleiterlasers; der in Einheit mit einem bipolaren Transistor mit statischer Induktion (im folgenden als BSIT bezeichnet) ausgebildet ist. Der Transistor besteht aus GaAs und

Ga aX As; er umfaßt ein ρ -GaIAs-Substrat 1, auf dem ι —χ χ

nacheinander eine ρ -GaA^As-Schicht 2, eine aktive n~-GaAs-Schicht 3, eine η -GaA. As-Schicht 4, und eine η -GaAs-Schicht 5 ausgebildet sind. Der Transistor umfaßt weiter zwei ρ -Zonen 6, die mittels der ausgezogenen Linie 12 umgeben sind, und Elektroden 7, 8 und 9, die eine Kathode, eine Anode und ein Gitter darstellen.

Fig. 1 zeigt weiter zwei mittels der gestrichelten Linie umgebenen Verarmungszonen 10. Wie man in Fig. 1 sieht, steht bei einer Null-Gitterspannung, die sich von der ρ Gitterzone auf der einen Seite erstreckende Verarmungsschicht 10 vollständig mit der sich von der ρ -Gitterzone auf der anderen Seite der Kanalzone erstreckende Verarmungsschicht 10 in Berührung, d.h., der Transistor ist so ausgelegt, daß der Kanal bei einer Null-Gittervorspannung "abgeklemmt" ist. Mit anderen Worten: der Transistor ist ein normal-AUS-Transistor mit statischer Induktion, bei dem bei einer Gittervorspannung von Null kein Strom fließt. Wenn der Kanal nicht abgeklemmt ist und die zwei Verarmungsschichten 10 auch bei einer Gittervorspannung von Null in gegenseitiger Berührung stehen, und wenn nur die Breite des Stromkanals geändert wird, ist das sich ergebende Element ein normal-EIN-Transistor mit statischer Induktion, wobei auch bei einer Gittervorspannung von Null ein Strom fließt, wodurch ein nichtnotwendiger Energieverbrauch bewirkt wird. Natürlich kann ein derartiger normal-EIN-

Q

Transistor verwendet werden, wenn eine Hochgeschindigkeitsmodulation dadurch bewirkt wird, daß man die Zuführung eines VorspannungsStroms geringer als den Schwellwertpegel hält.
5

Fig. 2 zeigt die Potentialverteilung des Gitters und des Kanals in Fig. 1 längs des Schnitts der Linie A-A¹ . Wenn der Kanal bei einer Gitterspannung von Null vollständig abgeklemmt ist, und wenn das Gitter aus Ga_n -,Al_n -,As mit ρου, / U , ο

sitiven Spannungen von 0,4 Volt, 0,8 Volt, 1,2 Volt und 1,6 Volt beaufschlagt wird, verändert sich die Potentialverteilung des Kanals wie mittels der Linien 22, 23, 24 und 25 gezeigt. Die gestrichelte Linie 26 zeigt das Kathodenpotential. Wenn die vordere Gitterspannung gesteigert wird, nimmt die Potentialschicht in dem Kanal allmählich zu und die Elektronen in der Kathodenzone 5 werden in den Kanal injiziert, um einen Stromfluß zu bewirken. Da das ρ -Gitter sehr hoch in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, werden von dem Gitter Löcher in den Kanal injiziert, so daß in dem Kanal ungefähr eine gleiche Anzahl von Elektronen und Löchern vorhanden sind.

. · Figuren 3 stellen Potentialdiagramme von Fig. 1 längs der Richtung B-B¹ bei einer Gitterspannung von Null dar. Die Zonen 1 bis 5 zeigen die entsprechenden Zonen in Fig. 1 und das Potential ist auf der Y-Achse aufgetragen. In Fig.3 ist die Zone 27 die Potentialschicht, die in dem Kanal mittels des ρ η Diffusionspotential erzeugt wird und verhindert den Durchgang der Ladungsträger (Elektronen) 31 . In Fig. 3 sind die Löcher mit dem Bezugszeichen 32 versehen. Die Gitterspannung verändert die Höhe der Schicht, wie in Fig. 2 dargestellt, und es werden Elektronen in die η Kanalzone 4 von der kathodischen η -Zone 5 so injiziert, daß sich die Menge der Elektroneninjektion in die aktive Schicht 3 ändert. Fig. 3a zeigt die Potentialverteilung,

wenn die Spannung zwischen der Kathode und der Anode Null ist. Fig. 3b und 3c zeigen die Potentialverteilung zwischen Kathode und Anode, wenn an der Anode eine positive Spannung anliegt. Fig. 3b unterstellt den Fall, bei dem sich die von dem ρ -Gitter erstreckende Verarmungsschicht ungefähr die aktive Schicht erreicht hat, und Fig. 3c unterstellt den Fall, bei dem die aktive Schicht ebenfalls eine im wesentlichen verarmte Schicht ist. Das Teil mit dem Aufbau von Fig. 1 ist elektronisch ein η-Kanal Thyristör mit statischer Induktion, obwohl das Vorhandensein eines HeteroÜbergangs diesen Punkt nicht sehr offenkundig macht. Wenn man in die Richtung B-B¹ in Fig. 1 sieht, ist das Teil eine η np -Diode. Es wird durch das Teil kein Strom fließen, auch wenn eine vorwärts gerichtete Spannung angelegt wird, wie dies im folgenden erläutert wird. Die Elektroneninjektion von der η -Kathodenzone 5 wird mittels der Potentialschicht 27, die in dem Kanal mittels des ρ -Gitters erzeugt wird, gehindert, wohingegen die Löcherinjektion von der ρ -Anodenzone 2 mittels des ρ n-Diffusionspotentials gehindert wird. Nur wenn die aktive Schicht 3 eine vollständige Verarmungszone wird, wie dies in Fig. 3c dargestellt ist, wird die Potentialschicht infolge des ρ n-Diffusionspotentials am vorderen Ende der Anode vermindert, mit dem Ergebnis, daß Löcher in die aktive Schicht von der ρ -Anodenzone zur Bewirkung eines Stromflusses injiziert werden. Es ist nicht notwendig darauf hinzuweisen, daß mit einem Teil mit einem HeteroÜbergang der sich ergebende Strom viel kleiner als bei einem Teil mit einem HomoÜbergang ist, sogar wenn die ak-0 tive Schicht eine vollständige Verarmungsschicht wird. In jedem Fall ist es wesentlich, um ein normal-AüS-Teil zu schaffen, in dem bei einer Gitterspannung von Null kein Strom fließt, auch wenn eine gewisse positive Spannung an die Anode angelegt wird, daß der η -Kanal eine entsprechend, mittels des Diffusionspotentials zwischen dem ρ -Gitter und dem Kanal ausgebildete Potentialschicht hat.

Es soll angenommen werden, daß der Gitterabstand 2a (cm) , die mittels der Gitter umgebenen Störstellendichte der n-Zone 4 in dem Kanal N_n (cm ) und die mittels der Tiefe jedes ρ -Gitters in vertikaler Richtung bestimmte Kanallänge L (cm) ist. Um einen vollständigen Kontakt zwischen den sich von den ρ -Gitterzonen erstreckenden Verarmungsschichten zu schaffen, so daß der Kanal vollständig abgeklemmt ist, um eine Potentialschicht zu erzeugen, muß zumindest die folgende Beziehung erfüllt werden:

2 7-3

N_D (2a) <4,5 χ 10 (cm ). Wenn 2a 1 μΐη beträgt, kann die Beziehung folgendermaßen geschrieben werden:

15 -3
N_n 4.4,5 χ 10 cm , und wenn 2a 2μπι beträgt, kann die Be-

15-3
Ziehung N ^ 1,1 χ 10 cm lauten. Um statt an die Anode eine gewisse Spannung anzulegen, und um eine Potentialschicht in dem Ladungsträger zu schaffen, muß die Kanallänge L entsprechend größer als 2a sein. Wenn L/2a nicht größer als 0,7 ist, besteht keine Potentialschicht in dem Kanal gegen eine an die Anode angelegte Spannung von 1 bis 2 Volt. Um bessere normal-AUS-Kennwerte zu schaffen, beträgt L/2a vorzugsweise 1,0 oder mehr. Daher lautet zur Schaffung

2 7-3 eines normal-AUS-Teils die Beziehung N (2a) i 4,5 χ 10 (an ),

2 7-3 vorzugsweise N_n (2a) ^ 2 10 (cm ), wobei die Beziehung L/2a>0,7, vorzugsweise L/2a>1,0 gleichzeitig erfüllt sein muß. Diese doppelte Beziehung bedeutet, daß zur konstanten Aufrechterhaltung der Höhe der Potentialschicht in dem Ka-

2 nal der Wert L/2a kleiner werden kann, wenn der Wert N_n(2a) kleiner wird. Im allgemeinen wird zur Schaffung von guten normal-AUS-Kennwerten N_n oder die Störstellendichte der η GaAlAs-Schicht 4 bei einem Wert in der Größenordnung von 10 cm" oder 10 cm" ausgewählt. Sogar wenn die Störstellendichte in dem Kanal so niedrig ist, überschreitet die in den Kanal von der Kathode injizierte Elektronendich-

17 —3 +

te 1.X.10 cm , wenn das ρ -Gitter in Vorwärtsrichtung tief vorgespannt ist. Die von der Kathode injizierten Elektronen fließen in die aktive Schicht 3, wie dies in

Fig. 3b beispielsweise dargestellt ist. Aufgrund der Potentialschicht sind die in die aktive Schicht 3 fließenden Elektronen nicht in der Lage, in die ρ -Zone 2 zu wandern und bauen sich in der Schicht auf. Auf diese Weise wird die aktive Schicht 3 negativ geladen. Wenn die aktive Schicht 3 negativ geladen ist, wird der übergang zwischen der ρ -Zone 2 und der n~-Zone 3 in Vorwärtsrichtung vorgespannt, d.h., Löcher werden in die aktive Schicht 3 von der ρ -Zone 2 injiziert. Aufgrund der Potentialschicht zwischen den Zonen 3 und 4 wandern wenige der Löcher in die η -Zone 4. Somit werden sowohl Elektronen als auch Löcher in der aktiven Schicht 3 angesammelt. Wenn die Dichte der Elektronen und Löcher einen gewissen Pegel erreicht, findet die Laserschwingung statt. Das Teil gemäß Fig. 1 ist somit ein Thyristor mit statischer Induktion, wobei die Laserschwingung in der aktiven Schicht 3, die an die Anode des Thyristors angrenzt, und die ein schmales Sperrband aufweist, stattfindet.

Der Strom kann abgeschaltet und die Laserschwingung durch Rückführung der Vorwärtsspannung am ρ -Gitter auf Null unterbrochen werden. Die Abschaltdauer kann weiter durch Anlegen einiger Volt einer umgekehrten Spannung an das Gitter vermindert werden. Wie bereits erwähnt, ist das Teil von Fig. 1 grundsätzlich ein Thyristor mit statischer Induktion, wobei jedoch der größte Teil der von der Anode injizierten Locher in der aktiven Schicht verbleibt und nicht das ρ -Gitter erreicht. In diesem Sinn arbeitet das Teil als ein Mittelding zwischen einem BSIT und einem Thy-. ristor mit elektrostatischer Induktion, wobei die Abschaltdauer als ein Zustand angesehen werden kann, bei dem die in den Kanal von den ρ -Gittern injizierten Löcher wieder in die ρ -Gitter zurückgezogen werden. Die Abschaltdauer ist sehr kurz, wenn die Kanalbreite klein ist.

Das Teil von Fig. 1 hat folgende Spezifikationen: Das p⁺-

1 9 Substrat 1 hat eine Störstellendichte von 1 bis 2 χ 10 cm ; die ρ Ga_1- Al As-Schicht 2 hat eine Dicke von

18 1 bis 5 μΐη und eine Störstellendichte von 1x10 bis

19 -3
1x10 cm ; die aktive GaAs-Schicht hat eine Dicke von 0,05 bis 1 μια und eine Störstellendichte von 1x10 bis

17 — 3 —
1x10 cm ; die η Ga_1- -Al As-Schicht 4 hat eine Dicke

IXX

von 0,5 bis 3 μΐη und eine Störstellendichte von 1x10

15 —3 +
bis 1x10 cm , die η GaAs-Schicht hat eine Störstellen-

18 19 —3 +

dichte von 1 χ 10 bis 1x10 cm ; und die ρ -Gitter-

1 7 zone 6 hat eine Störstellendichte von 1x10 bis

19 —3 +

5x10 cm .Je höher die Störstellendichte der η -Kathodenzone und der ρ -Gitterzone, um so besser. Der Gitterabstand (Kanalbreite) beträgt 0,3 bis 3 μΐΐι.

In Fig. 1 ist die η -Kathodenzone nur in der GaAs-Schicht 5 ausgebildet, kann sich jedoch bis zur GaAlAs-Schicht 4 erstrecken. Um die Stromverstärkung des Teils, die durch das Verhältnis des Anodenstroms zum Gitterstrom bestimmt wird, zu steigern, wird bevorzugt, daß eine Isolationszone zwischen der Kathodenzone und der Gitterzone ausgebildet wird. Um so mehr Löcher von dem ρ -Gitter zur n-Kanalzone bei einer Vorwärtsspannung des Gitters injiziert werden, um so mehr Elektronen werden von der η -Kathode injiziert, so daß die Kanalbreite vorzugsweise kürzer als die doppelte Löcherdiffusionslänge ist. Alternativ kann die Kanalbreite gesteigert werden, um einen gewissen Stromfluß auch bei einer Gittervorspannung von Null zu gestatten, wobei in diesem Fall eine gewisse Umkehrvorspannung an das Gitter angelegt werden muß, um den Stromfluß zu sperren.

Bekanntermaßen sendet der Halbleiterlaser kein Licht in dem Moment aus, in dem ein Stromfluß bewirkt wird. Es wird kein Licht emittiert, wenn die Ladungsträgerdichte der aktiven Schicht einen Schwellwert überschreitet. Wenn die

Schwellwertstromdichte, die Einheitsladung, die Dicke der aktiven Schicht und die Lebensdauer der Ladungsträger in der aktiven Schicht (die durch die spontane Emission bestimmt wird) als Jth, q, d bzw.τ geschrieben werden, wird die Schwellwertladungsträgerdichte mittels des Ausdrucks tJth/qd dargestellt. Um daher eine Laserlichtemission zu erhalten, die in höchstem Maße zuverlässig dem an das Gitter angelegten Spannungssignal entspricht, muß in dem Teil immer ein dem Schwellwertstrom nahekommender Strom fließen.

Alternativ kann ein normal-EIN-Teil verwendet werden, bei dem ein dem Jth nahekommender Strom sogar bei einer Vorspannung des Gitters von Null fließt; oder es kann ein normal-AUS-Teil verwendet werden, bei dem eine geringe Vorwärtsvorspannung an das Gitter angelegt wird, um einen den Jth nahekommenden Stromfluß zu bewirken.

Das in Fig. 1 dargestellte Teil kann hergestellt werden, indem man die Schichten 2, 3, 4 und 5 aufeinanderfolgend auf dem ρ GaAs-Substrat mittels der Epitaxi-Wachstumstechnik ausbildet, wobei eine ρ -Gitterzone mittels Ionenimplantation von Be bis zu einer Konzentration von 1 bis

19 —3
5x10 cm ausbildet, und die Anordnung in einer AsH-Atmosphäre bei etwa 1 bis 3 Torr und bei 800 bis 900⁰C vergütet wird. In Fig. 1 besteht die Schicht· 5 aus GaAs, die Schicht 4 aus Ga. -,Al_n ..As, und die Zone 6 ist als ρ -Zone ausgebildet, so daß, wenn sich die Gitterspannung dem GaAs-Diffusionspotential nähert, statt in den Ga_n -,Al_n -As-

+ + u,/u,J

Kanal zwischen dem ρ GaAs und dem η -GaAs in der Schicht ein Vorwärtsstrom fließt, wodurch die mittels des Verhältnisses von Anodenstrom zu Gitterstrom definierte Stromverstärkung vermindert wird. Um dies zu verhindern, ist zwischen jeder Gitterzone 6 und der Kathodenzone 51 unter der Kathodenelektrode 7 eine Isolierzone 52 aus Si-N., A.iN, A^₂O₃ oder SiO₂ ausgebildet, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Hierdurch findet keine Ladungsträgerinjektion von der

Gitterzone 6 zur Kathodenzone 51 statt, wodurch man eine größere Stromverstärkung erhält. Wenn ebenfalls auf jeder Seite der Gitterzone eine Isolierzone 53 ausgebildet ist, wird die Gitterkapazität zur gleichzeitigen Vergrößerung der Modulationsfrequenz und der Stromverstärkung vermindert. Vorzugsweise erstreckt sich die kathodische η -Zone 51 bis zu der GaAlAs-Schicht 4. Die Ladungsträgerinjektion von der Gitterzone in die Kathodenzone kann ebenfalls verhindert werden, indem ein Teil der Schicht 5 entfernt wird (siehe Fig. 5), um die Kathode von dem Gitter zu trennen, oder indem man die Schicht 4 vollständig entfernt, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist. Die Zone 51 ist eine η -Zone. Zur Verminderung des Kontaktwiderstandes der Elektroden wird bevorzugt, daß sich die GaAlAs-Zone mit der GaAs-Zone in kontinuierlichem Kontakt befindet. In einem GaAs-GaAlAs-Doppel-Heteroübergangs-Halbleiterlaser wirkt die Schicht nur zur Verminderung des Ohmschen Widerstands und ist für den Lasermechanismus an und für sich nicht wesentlich. Von grundsätzlicher Bedeutung ist in einem InP-InGaPAs-Doppel-Heteroübergangs-Halbleiterlaser der dreischichtige Aufbau, bestehend aus InP, InGaPAs und InP-Schichten, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist.

Bei den obenbeschriebenen Ausführungsformen ist die Gitterzone auf der Oberseite des Teils ausgebildet, sie kann jedoch ebenfalls als beerdigte Gitterzone ausgebildet sein, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist. Bei dem beerdigten Gitter werden ebenfalls von dem Gitter 6 in die Kathodenzone Löcher injiziert, so daß, wenn eine größere Stromver-Stärkung gewünscht wird, eine Halbisolationszone 62 auf jeder Seite der Schicht 5 benachbart zur ρ -Gitterzone 6 ausgebildet werden kann, wie dies in Fig. 8 dargestellt ist, wobei eine η -Zone nur in einer Zone 61 ausgebildet wird, in die Elektronen injiziert werden. Ein vollständig beerdigtes Gitter wird ausgebildet, indem man die Schicht 5 mit

GaAlAs ausbildet, welches das gleiche Material ist, das in der Schicht 4 verwendet wird. Es ist nicht notwendig darauf hinzuweisen, daß eine verbesserte Stromverstärkung erreicht werden kann, indem man eine η -Kathodenzone ausbildet, die sich bis zur Schicht 4 erstreckt.

Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform des Halbleiterlasers. Er weist eine Zone 63 auf, die eine Isolierschicht aus Si₃N₄, A XN, Al₂O₃ oder SiO₂ enthält. Die Isolierschicht ist zwischen jedem Gitter und Kathode ausgebildet, und eine GaAs-Schicht 5 ist in einer η -Zone ausgebildet, die sich zu der GaAlAs-Schicht erstreckt. Die Isolierschicht sperrt die Löcherinjektion von dem Gitter in die Kathode. Da die GaAlAs η -Zone der Kathode und die GaAlAs ρ Zone des Gitters dicker sind als die Länge der Löcher-und Elektronendiffusion, findet keine Ladungsträgerinjektion in irgendeine GaAs-Zone statt und man erhält eine höhere Stromverstärkung. Kurz, das Teil von Fig. 9 ist so aufgebaut, daß die Elektrodenzone aus GaAs mit einem schmalen Bandspalt hergestellt ist, um den Ohmschen Kontakt zu vermindern, ohne die Stromverstärkung zu vermindern.

Dieses Teil wird in der in Fig. 10 dargestellten Folge hergestellt: Auf ein ρ GaAs-Substrat 1 werden mittels einer Kristallwachstumstechnik aufeinanderfolgend eine ρ GaAlAs-Schicht 2, eine nichtgedopte GaAs-Schicht 3, eine η GaAlAs-Schicht 4 und eine nichtgedopte GaAs-Schicht 5 ausgebildet; dann werden mittels Diffusion, Ionenimplantation oder an-

+ + deren geeigneten Verfahren ein Streifen von η und ρ -Zonen ausgebildet; dann wird eine gestreifte Grenzflächenzone zwischen der Kathodenzone und der Gitterzone geätzt und eine Isolierschicht ausgebildet. Die Isolierschicht kann bei niedrigen Temperaturen aus SiO„, Si^N., AjfcN oder A/6pO_ mittels Plasma- oder fotoerregter CVD ausgebildet wer-

den, oder kann aus einer Polysilikonschicht ausgebildet

werden, die auf einem dünnen Si₃N₄-FiIm mittels Plasmaoder fotoerregtem CVD ausgebildet wurde. Die ρ -Zone wird durch Implantieren von Elementen, wie z.B. Be und Cd, und die η -Zone mittels Im]
S und Se, ausgebildet.

die η -Zone mittels Implantieren von Elementen, wie z.B.

Zum Verkürzen der Kanallänge und zur Verbesserung der normal-AUS-Kennwerte des in den Figuren 1 und den Figuren 4 bis 9 gezeigten Teils ist es wirkungsvoll, eine dünne p-Schicht mit einer relativ geringen Störstellendichte zwischen der η -Kathodenzone und der aktiven Schicht auszubilden. Wie bereits beschrieben, muß, wenn die Kanalzone nur als η-Zone ausgebildet wird, das Verhältnis der Kanalzonenlänge (L) zum Gitterabstand (2a) größer als 0,7 sein, da sonst keine Potentialschicht in dem Kanal nach dem Anlegen einer Spannung von 1 bis 2 Volt an die Anode ausgebildet wird. Dieser Nachteil kann ausgeschaltet werden, indem man eine p-Zone in dem Kanal ausbildet. Bei dem Vorhandensein einer p-Zone geht die Potentialschicht nicht verloren, auch wenn der Wert von L/2a geringer als 0,7 ist, wodurch dies zur Verkürzung der Kanallänge beiträgt.

Ein dreipoliger Laser mit einer p-Zone wird im einzelnen unter Bezugnahme auf Fig. 11 beschrieben, in der der Gitterabstand, die Kanallänge und die Dicke der p-Zone als 2a, L bzw. d dargestellt sind. Fig. 12 zeigt die Bedingungen zur Erzeugung einer Potentialschicht von 0,6 Volt in dem Kanal, wenn eine Vorwärtsvorspannung von 1,5 Volt zwischen der Anode und Kathode angelegt wird, wobei die Gittervorspannung Null beträgt, unter der Bedingung, daß die η - und ρ -Zone eine Störstellendichte von 5 χ 10 cm

19 —3
bzw. 3x10 cm , die η-Zone eine Störstellendichte von 14 -3

1,3 χ 10 cm aufweist und 2a 1 μπι beträgt. In Fig. 12 ist die Kanallänge L auf der x-Achse und die Ladungsträgerkonzentration der p-Zone auf der y-Achse aufgetragen. Als

Parameter ist das Verhältnis der Dicke (d) der p-Zone zur Kanallänge (L) als a (= — ) verwendet. Wenn a 1 ist, ist

η Jj η

der gesamte Kanal als p-Zone ausgebildet, und je kleiner der Wert von a ist, um so dünner ist die p-Zone. Wenn L 0,8 ρ und a 0,25 beträgt, kann die Potentialzone bei

0,6 Volt gehalten werden, indem man eine Ladungsträgerkonzentration von 2,3 χ 10 cm in der p-Zone verwendet. Offensichtlich kann die Kanallänge beträchtlich vermindert werden, indem man die Ladungsträgerkonzentration steigert. 10

Fig. 13 zeigt eine Ausführungsform des Teils, in dem in dem Kanal eine p-Zone 55 ausgebildet ist.

Zur Stabilisierung der Arbeitsweise der Laserschwingung muß der Brechungsindex des Lichtführungsteils gesteigert werden, wobei jedoch das Teil von Fig. 1 keine Brechungsindexverteilung in einer Richtung parallel zu dem p-n-Übergang aufweist. Es gibt zwei Verfahren zur Steigerung des wirksamen Brechungsindex: eines besteht in der Ausbildung eines 0 Streifens mit einer Zone eines hohen Brechungsindex oder eines großen optischen Übertragungsverlustes, der ausgebildet wird, indem man ein geeignet ausgewähltes Material und einen geeigneten Aufbau verwendet; und das andere Verfahren besteht darin, eine Zone hoher optischer Verstärkung als Lichtführungsbahn zu schaffen. Die Zone hoher optischer Verstärkung kann mittels konzentrierter Strominjektion in bestimmte Zonen des Halbleiters geschaffen werden, um eine Besetzungsumkehr der Ladungsträger in dieser Zone zu schaffen. Das in Fig. 1 gezeigte Teil ist nicht so her-0 gestellt, daß eine Brechungsindexverteilung in der Transversalrichtung geschaffen wird. Ein von der Kathode 7 injizierter Elektronenstrom wird mittels des Gitters 6 fokussiert, divergiert jedoch darauf. Die Anode ist gewöhnlich auf der gesamten Bodenfläche des Teils ausgebildet und das Substrat 1 ist gewöhnlich 100 μΐη dick, so daß der zu-

geführte Strom sich verteilt, wie dies mittels des Pfeils in Fig. 1 angedeutet ist, und nicht in der aktiven Schicht in transversaler Richtung begrenzt werden kann. Dies bewirkt eine Steigerung des Schwellwertstroms. Weiter ist eine derartig unzureichende Konzentration des Stroms für die Stabilisation der transversalen Arbeitsweise schädlich.

Das in Fig. 14 dargestellte Teil hat einen Doppelaufbau, um im Inneren einen praktischen Unterschied des Brechungsindexes zu schaffen. Die Ziffern 1 bis 10 stellen die gleichen Bauteile wie in Fig. 1 dar; Bezugsziffer 21 stellt einen Vorsprung auf der Halbleiterschicht 2 und Bezugsziffer 22 eine sechste Halbleiterschicht, z.B. aus GaAs, dar, deren Leitfähigkeit der des Substrats und der Halbleiterschicht 2 entgegengesetzt ist, und die einen höheren Brechungsindex als die Schicht 2 aufweist. Ein Teil des Doppelaufbaus ist dadurch gekennzeichnet, daß in der der lichtemittierenden Zone (d.h. der optischen Führungszone) entsprechenden Zone eine dicke Zone 21 ausgebildet wird. Daher hat die Halbleiterschicht 2 eine unterschiedliche Dicke an der Grenzfläche zwischen der lichtemittierenden Zone und dem anderen Teil der Schicht und ändert ebenfalls den wirksamen komplexen Brechungsindex des Lichts, das aus der dünnen Zone der Halbleiterschicht 2 austritt. Fig. 15 zeigt die Intensität der Lichtverteilung in Richtung senkrecht zu den Übergangsschichten des Teils, bestehend aus einer GaAs-aktiven Schicht von 0,1 μΐη Dicke, die zwischen Ga_ -,Al_n ,As-Halbleiterschichten eingebettet ist. Die x-Achse zeigt den Abstand in vertikaler Richtung d (μπι) und die y-Achse zeigt die relative Intensität des Lichts R.I. In dieser Figur ist die Dicke der aktiven Schicht 3 als d, =0,1 μΐη bezeichnet. Es ist aus Fig. 15 offensichtlich, daß eine bezeichnende Lichtmenge aus der aktiven Schicht austritt. Wenn die Ga_n ^Al_n -.As-Schichten keine Dicke von

υ, / υ, -j

mindestens etwa 0,6 μπι aufweisen, tritt Licht aus, wodurch

der Verlust des optischen Ausgangs vergrößert wird. Bezugnehmend auf den Laser von Fig. 14 ist festzustellen, daß, wenn die Dicke (d„) geringer als 0,6 μπι und die Dicke der· Zone 21 größer als 1 μΐη ist, der optische Verlust in der Zone oberhalb der· Nut (Breite = a) groß und der optische Verlust innerhalb der Nut gering ist, so daß das Laserlicht innerhalb der Nut begrenzt wird. Die Kennwerte der optisch geführten Welle werden durch den Unterschied des komplexen Brechungsindexes (<Sn) zwischen der Nutzone und der festen Zone bestimmt, wobei δη geschrieben werden kann als Δη + i-^Tr~ "c£ , wobei An der effektive Brechungsindex, "oC

^KO

der effektive Absorptionskoeffizient, und Ko die Wellenzahl des Laserlichts im Vakuum ist. Da Δη im wesentlichen Si: proportional ist, und ex durch den Aufbau des Teils bestimmt wird, können diese Parameter verwendet werden, um die Kennwerte der optisch geführten Welle zu beschreiben. Wenn d = 0,1 μπι und d = 0,6 μπι ist, beträgt oC "=" 40 cm~ und Δη = 4 χ 10 . Wenn der Wert von d.. gesteigert wird, tritt weniger Licht aus dem Teil aus, wie dies in Fig. 15 dargestellt ist, so daß, wenn d = 0,15 μπι beträgt, d_o nicht

-4 größer als 0,5 μΐη ist ( Δη = 3x10 ) , und wenn d₁ = 0,2 μπι beträgt, ist d_ nicht größer als 0,45 μπι (Δη = -4

2 χ 10 ). In diesen Beispielen ist der effektive Brechungsindex sehr klein, um ihn gleich oder größer als 1 χ 10~ zu machen, sind die folgenden Kombinationen von d₁ und d₀ notwendig: d₁ = 0,1 μπι und d„ Δ. 0,45 μπι (oc = 200 cm ), d., = 0,15 μπι und d„-4 0,35 μπι (dc = 3 00 cm ), und

__ 1

d = 0,2 μπι, und d £0,25 μΐη (oC= 5 00 cm ). Jedoch wird

¹ α^κ

dann der mittels oC bezeichnete Verlust sehr groß.

Die anderen Teile des Doppelaufbaus dienen zur Ausbildung einer Schicht 22 in Fig. 14, deren Leitfähigkeit der des Substrats 1 und der Halbleiterschicht entgegengesetzt ist, oder einer Schicht 22 mit hohem Widerstand, die einen höheren Brechungsindex als die Schicht 2 aufweist. Diese An-

Ordnung schafft eine weitere Fokussierung der Strombahn auf der Substratseite des Halbleiters und begrenzt die Streuung des Stroms innerhalb der lichtemittierenden Zone des Lasers. Eine Art des Stromflusses ist mittels des Pfeils in Fig. 14 angedeutet; der Stromwirkungsgrad in der aktiven Schicht des Halbleiterlasers ist merklich, ebenso wie die Begrenzung der Schwingung verbessert, so daß eine wesentliche Verminderung des gesamten Schwellwertstroms erreicht wird.

Für einen GaAs-Ga Al As-Doppel-Heteroübergangslaser wird die Beziehung zwischen der in die aktive Schicht injizierte Elektronendichte und die Verstärkung der optischen Wellenführung (Ag) durch die folgende Gleichung dargestellt, die auf einer empirischen Formel für den Schwellwertstrom beruht:

Ag= 2^ ⁿ - ²²⁵ ) ' )

— 9

wobei e = 1,602 χ 10 Coulomb,η die interne Quantenausbeute, ts die Ladungsträgerlebensdauer, Γ der Lichtbegrenzungskoeffizient, und n die Ladungsträgerkonzentration (cm~ ) bedeuten. Wenn X= 0,3, d = 0,1 \im, %s = 1 nsec. n = 1 und Γ= 0,28 (da χ = 0,3 und d = 0,1 μΐΐι) ist, wird

Ag = 2,24 χ 10 ¹⁶ n- 63 (cm ¹) (2)

Der Verlust des optischen Ausgangs (cc total) wird durch folgende Gleichung dargestellt:

11 1

cC total =oCi + -^r- (n _Έ- + n —) , (3)

wobeioCi der Streu- und Absorptionsverlust im Halbleiter, L die Laserlänge, und R- und R« der Spiegelreflexionsinde sind. In dem beschriebenen Fall beginnt man eine Verstär-

17 —3

kung zu erhalten, wenn η 2,8 χ 10 ,cm ist, und die Laserschwingung findet statt, wenn Ag = oCtotal ist. Wenn oCi = 10 cm" , L = 100 μΐη und R=R= 0,31 (GaAs) ist,

-1
ist oOtotal 127 cm und die Laserschwingung findet statt,

wenn nth 8,5 χ 10¹⁷ cm"³ ist (Jth = 1360 A/cm²). In diesem Fall ist die innere Verstärkung (g ) etwa 117 cm

Ilti L·

Fig. 16{a) zeigt die Stromstreuung in transversaler Richtung des Streifens, und Fig. 16(b) zeigt die Nettoverstärkungs (g )-Verteilung in transversaler Richtung des Streifens. In Fig. 16a zeigt die x-Achse die Länge (x in μΐη) in transversaler Richtung des Streifens, wobei die Streifenmitte mit 0 bezeichnet ist, und die y-Achse die Konzentration der indizierten Elektronen (n in cm ). Die Streifenbreite (S) wird als 6 μπι angenommen. In Fig. 16(a) zeigt die Kurve 41 die Stromstreuung in der aktiven Schicht des Halbleiterlasers von Fig. 1, und die Kurve 42 die in dem Teil von Fig. 14 beobachtete Stromstreuung, das einen Aufbau zur Stromfokussierung auf der Substratseite hat. Es ist offensichtlich, daß das Teil von Fig. 14 sehr wirksam die Strombahn fokussiert und den Schwellwertstrom vermindert. Für einen Halbleiterlaser mit einer Streifenbreite von 2 oder 3 μπι oder weniger streut der Strom weiter und die Schwellwertstromdichte nimmt sehr stark zu, wodurch eine größere Strommenge aus der Streifenbreite austritt. Der sich an der Außenseite des Laserstreifens ergebende auftretende Verlust bewirkt eine lokale Erhitzung, die wiederum eine Instabilität der Arbeitsweise herbeiführt. Je schmaler daher der Streifen ist, um so wichtiger ist es, einen Aufbau zu schaffen, der eine Stromstreuung verhindert. In Fig. 16(b) zeigt die x-Achse die Länge (x in μπι) in Richtung der Streifenbreite, wobei die Streifenmitte mit 0 bezeichnet ist, und die y-Achse die Nettoverstärkung (g frei von Absorptions- und Streuverlusten im Halbleiterlaser. In Fig. 16(b) sind die Kurven 43 und 44 die Verstär-

kungen entsprechend der Elektronenkonzentrationsverteilungskurven 41 und 42 in Fig. 16(a). Formel (2) wird zur Berechnung der Verstärkung verwendet. Die Kurven 45 und 46 zeigen die Abweichungen von den Kurven 43 und 44, wenn der Verlust in dem Teil, anders als der Lichtführungsbahn etwa 100 cm beträgt. Es ist offensichtlich, daß der Doppelaufbau des in Fig. 14 gezeigten Teils eine große Steigerung der Lichtverstärkung erleichtert, die nur innerhalb der Streifenbreite auftritt, wodurch der Schwellwerterregerstrom vermindert und die Stabilität der transversalen Arbeitsweise verbessert wird. Der Unterschied des komplexen Brechungsindexes in der transversalen Richtung der Streifenbreite kann durch die Formel <fjn = Δη + i^r^— (cC - g) in Form des oben definierten Verlustes und der Verstärkung ausgedrückt werden. Der reale Teil η und der imaginäre

1 ~<
Teil -jTt- ( cc - g) kann zueinander mittels der Kramers-Kroning-Beziehung in Beziehung gesetzt werden und An kann berechnet werden, wenn (oG- g) bekannt ist. Der Wert von An ist maximal etwa 10

Wenn die Streifenbreite vermindert wird und die Wellenlänge der geführten Welle ein Faktor wird, nimmt die Fortpflanzungsverstärkung ab oder es werden Schwingungsarten höherer Ordnung erzeugt, wenn nicht die Beziehung zwischen der Streifenbreite und der Dicke der aktiven Schicht einen geeigneten Wert hat. Tabelle 1 zeigt die Bedingungen für eine rechtwinklige dielektrische Wellenführung zur Übertragung nur einer einfachen fundamentalen Arbeitsweise, wenn die Wellenführung eine Breite W, eine Dicke d und einen internen Brechungsindex n. und einen Umfangsbrechungsindex n„ hat. In Tabelle 1 bezeichnet λ die Wellenlänge im freien Raum und jeder der dort dargestellten Werte stellt das Maximum für die Fortpflanzung nur der fundamentalen Arbeitsweise dar.

Tabelle

Π2

T) 1 'V?i

^j^e

10 ^»1,001 ^=1,01 ^=1,05 £1=1,5

W = d

15,3

na

4,9

2,25 -A-

0,92

W = 2d

— 6,1 —

Hi ' ηι

2,8 ^₇ 1,21 -ί-

W = 4d 26.8 — 8,5 —

'111 ' Π]

3,8 -£■ 1,37 dV

Wenn diese Werte überschritten werden, werden Arten höherer Ordnung ausgestrahlt, andererseits tritt, wenn die tatsächlichen Abmessungen kleiner als diese Werte sind, ein größerer Fortpflanzungsverlust auf. Diese Beziehung 25 ist in Tabelle 2 für einen GaAs-GaAlAs-Laser (n = 3,6) und einen InP-InGaPAs-Laser (n = 3,3) dargestellt, die jeweils gewöhnlich ein η /n von 1,05 haben.

- 25 Tabelle 2

W=d Tv'=2d Vi=4d

GaAs-GaAi-As Laser W (ym) 0,53 0,66 0,90

λ = 0,85 pm d (um) 0,53 0,33 0,22

InP-InGaPAs Laser W (um) 1,0 1,27 1,73

λ = 1,5 um d (ym) 1,0 0,64 0,43

Wenn die Streifenbreite W etwa 1 μΐη beträgt, kann der Ausbreitungsverlust durch die Verwendung einer aktiven Schicht, deren Dicke in der Nähe des in der Tabelle 2 mittels d angegebenen Wertes liegt, auf ein Minimum gebracht werden. Zusätzlich erfordert der InP-InGaPAs-Laser größere Abmessungen als der GaAs-GaAlAs-Laser und ist daher schwieriger an die Verwendung schmalerer Streifen anzupassen. Für die meisten Halbleiterlaser hat das Äußere der Streifenbreite ein Verhältnis n./n^ von etwa 1,001, wobei die aktive Schicht dünner gemacht werden kann, als es unter Berücksichtigung der in Tabelle 2 aufgezeigten Grenzwerte möglich erscheint. Die Werte in Tabelle 2 beziehen sich jedoch ohne Änderungen auf einen beerdigten Heteroübergangs-DH-Halbleiterlaser (BH-Laser). Im folgenden soll die Verminderung der Streifenbreite weiter diskutiert werden.

Fig. 17 ist ein Querschnitt eines optischen Wellenführungsmodells, in dem eine Lichtführungszone 100 von Zonen 98 und 99 umgeben ist. Die Zone 100 besitzt einen Brechungsindex

n>, die Zone 99 besitzt einen Brechungsindex n„ und die Zo-. ne 98 besitzt einen Brechungsindex η,, wobei n₁ größer als n_ und n^ ist. Die Zone 100 entspricht der aktiven Zone eines Halbleiterlasers, die Lichtführungsbreite a entspricht

der Streifenbreite und die Lichtführungsdicke b entspricht der Dicke der aktiven Schicht. Die schraffierten Zonen werden unter der Annahme vernachlässigt, daß dort kein Licht verläuft. Fig. 18 zeigt die Streukennwerte der optischen Wellenführung von Fig. 17, wobei An₁= —' bei 5 χ 10

ι 4. 4. · 4- ,„λ λ ⁿ1 ~ ⁿ3 , ⁿ1^b der Dicke der optikonstant ist, und An₂= und -^- ^

sehen Wellenführung b entspricht, wobei die freie Raumwellenlänge (X) als die zwei Parameter verwendet wird. Auf

ⁿia
der x-Achse ist —j— aufgetragen, welches der Breite der optischen Wellenführung a mit der freien Raumwellenlänge (X), und auf der y-Achse ist der Wert (K ² - K ²)/(K ² -K₀ ²),

2η., 2η-) wobei K die Anzahl der Wellen und K₁ = -^-S K_ = —=~ und K die Zahl der durch die optische Wellenführung fortge-

pflanzten Wellen ist. Wenn (K ² - K²)/(K² - K ²) sich Null

£l Z· I Z>

nähert, wird K gleich K„, was bedeutet, daß das Licht sich

Ζ» Zi

mit der Zahl von Wellen für die Einhüllung fortpflanzt und in eine breite Zone streut, wodurch ein großer Verlust bewirkt wird. Wenn sich (K ² - K₃ ²)/(K ² - K₃ ²) 1 nähert, wird K gleich K₁, was bedeutet, daß das Licht im wesentlichen innerhalb der optischen Wellenführung begrenzt ist, und die Wellenzahl nur durch den Brechungsindex n₁ bestimmt wird. Je mehr sich der Wert von (K 2 - K₀ ²)/(K ² - K₀ ²)

Z Z, \ Z.

1 nähert, um so besser sind die optischen Wellenführungskennwerte .
25

In Fig. 18, wo n₀ = —L--—3. 1O"³, 10~² und 5 χ 1θ"² be-

z ⁿ1

trägt, werden die Streukennwerte für jeden der Fälle, wo n,b

-sr¹— 0,5 und 1,5 unter der Bedingung beträgt, daß die Ausbreitung in einer fundamentalen Weise (TEoo, TMoo) statt-

n-ib findet, gezeigt. Wenn der Wert von -^- zunimmt, werden die optischen Wellenführungskennwerte besser, wenn der vorgenannte Wert jedoch größer als 1,5 wird, beginnt die Ausbreitung von höheren Ordnungen und der Schwellwertstrom

des Lasers nimmt zu. Um den Schwellwertstrom auf einem Minimum zu halten, wird d gewöhnlich zwischen 0,1 und 0,2 μΐη für einen GaAs-GaAlAs-Laser mit einem kurzen Resonator ausgewählt. Das heißt, daß man gute Ergebnisse erhält, wenn

ⁿik -3

—^— größer als 0,5 und kleiner als 1 ist. Wenn Δη_ 10 beträgt, ist der Wert von (K ² - K 2)/(K₁ ² - K ²) im wesentliehen konstant, unabhängig von der Wellenführungsbreite a, was bedeutet, daß das Licht nicht wirkungsvoll in transversaler Richtung begrenzt wird. Wenn der Wert von A^ auf 10~² oder 5 χ 10~² zunimmt, werden die optischen Wellenführungskennwerte mehr von der optischen Wellenführungsbreite

n.,b

abhängig und sie werden bezeichnend schlechter, wenn —A—

kleiner als 2 oder 3 wird. Um die genaue Grenze der Verminderung der Streifenbreite zu bestimmen, wird eine Berechnung zur Bestimmung des Begrenzungskoeffizienten der optischen Wellenführung durchgeführt.

Fig. 19 zeigt die Beziehung zwischen dem Begrenzungskoef-

n₁a
fizienten (T) und -^- entsprechend der Streifenbreite. Der Begrenzungskoeffizient T zeigt die Intensität des innerhalb der Zone der optischen Wellenführung (a χ b) verglichen mit der gesamten Intensität des in der gesamten Zone des Teils vorhandenen Lichts an, und je mehr sich der Wert von P 1 nähert, um so mehr ist das Licht im Kern oder der aktiven

_o

Schicht konzentriert. Wenn n~ 5x10 beträgt, kann n.,a

—4— kleiner gemacht werden, so daß es zwischen 1 und 2 liegt, wenn jedoch n_ 10 beträgt, liegt die Grenze von

na ⁿ.,a _3

—χ— zwischen 2 und 3, und wenn —J— 10 beträgt, kann der Begrenzungskoeffizient nicht größer gemacht werden, auch wenn —1— zwischen 5 und 6 liegt. Der Wert von Δη« muß größer als ein bestimmter Wert sein, um gute Lichtausbreitungskennwerte zu erhalten und die Schwellwertstromdichte zu verringern. Die Wirkung vonXergibt sich aus der

Formel (1). Wenn T kleiner als 1 ist, wird der innere-Scheinverlust und der Spiegelverlust vergrößert.

In einem Doppel-Heteroübergangsaufbau kann eine zufriedenstellende Begrenzung der Ladungsträger in Richtung senkrecht zum HeteroÜbergang dadurch bewirkt werden, daß man den Bandspalt der aktiven Schicht etwas kleiner als den der Umhüllung macht, wobei dies jedoch nicht der gewöhnliche Fall für die Richtung parallel zum HeteroÜbergang ist. Die einzigen Ausnahmen sind der beerdigte HeteroÜbergang (BH)-Laser oder der TJS-Laser. Mit anderen Worten, die Ladungsträger können parallel zur Streifenbreite durch Ausbildung eines Heteroübergangsaufbaus in transversaler Richtung oder durch Ausbildung einer Potentialschicht entgegengesetzter Leitfähigkeit begrenzt werden.

Das Teil von Fig. 14 hat die folgende Spezifikation: Das anodische ρ GaAs Substrat 1 hat eine Störstellendichte von

18 19 —3

1x10 bis 2 χ 10 cm ; das Substrat weist eine Aussparung 21 auf, die typisch 1 bis 1,5 um tief ist; die

P-Ga₁ AL As-Schicht 2 (x beträgt bis zu 0,3 und ρ beträgt ι-χ χ ₁₇ _₃

bis zu 1 χ 10 cm ) wird auf dem Substrat zur Ausfüllung der Aussparung ausgebildet; die n-GaAs-Schicht 22, deren Leitfähigkeit der des Substrats 1 und der Schicht 2 entgegengesetzt ist, hat eine Dicke von 0,1 bis 1,5 μΐη und eine

1 in 1 fi — "3

Störstellendichte von 1 χ 10 bis 1 χ 10 cm ; die GaAsaktive Schicht 3 hat eine Dicke von 0,05 bis 1 μπι und eine Störstellendichte von 1 χ 10 bis 1 χ 10 cm" ; die

n-Ga. aZ As-Schicht 4 (x beträgt typisch 0,3) hat eine ι χ χ

Dicke von 0,5 bis 3 μπι und eine'Störstellendichte von 1 χ 10 bis 1 χ 10 cm" ; die n-GaAs-Schicht 5 hat eine Dicke von 0,5 bis 2 pm und eine Störstellendichte von 1 χ 10 bis 1 χ 10 cm ; die ρ -Gitterzone 6 hat eine Störstellendichte von 1 χ 10 bis 5x10 cm ; die η -

Kathodenzone 10 hat eine Störstellendichte von 1 χ 10 bis

323T579

19-3
5 χ 10 cm ; und der Gitterspalt (Kanalbreite) beträgt etwa 0,3 bis 3 μΐη. Auch wenn die Schichten 1, 2 und 6 vom η-Typ und die anderen Schichten vom p-Typ sind (die aktive Schicht kann von irgendeinem Typ sein), werden die Zonen 1, 6 und 10 als Anode, Gitter bzw. Kathode bezeichnet. Die η -Kathod
strecken.

η -Kathodenzone 10 kann sich in die GaA As-Schicht 4 er-

Das Teil von Fig. 14 kann auf folgende Weise hergestellt werden: η-Typ Ionen, wie z.B. Te, S, Se und Si-Ionen werden in die Oberfläche des ρ -Substrats bis zu einer Konzentration von etwa 1 χ 10 bis 1 χ 10 cm implantiert; das Substrat wird in einer AsEL -Atmosphäre bei etwa 1 bis

3 Torr und bei 800 bis 900⁰C vergütet; eine streifenförmige Nut wird in das Substrat geätzt und die Schichten 2, 3,

4 und 5 werden nacheinander durch die Epitaxiewachstumstechnik ausgebildet; dann wird eine hohe StörStellenzone in den Zonen 6 und 7 mittels Diffusion oder Ionenimplantation ausgebildet. Wenn man die Ionenimplantation zur Herstellung einer ρ -Zone verwendet, werden beispielsweise Be- und Cd-Ionen verwendet, und wenn man das Diffusionsverfahren verwendet, wird eine Störstelle, z.B. Zn verwendet.

Der in Fig. 14 dargestellte Aufbau ist nur als Beispiel anzusehen, da verschiedene Aufbauarten zur Schaffung einer optischen Wellenführung verwendet werden können. Es ist lediglich notwendig, die Lichtausbreitungszone mit einer Zone zu umgeben, die einen im wesentlichen niedrigeren Brechungsindex als die Ausbreitungszone hat. Zwei grundsätzliehe Aufbauten zur Schaffung dieser Anordnung sind der abgestufte Aufbau, bei dem sich der Brechungsindex stufenweise ändert und sich das Licht ausbreitet, wenn es an der Grenzfläche der zwei Brechungsindices reflektiert wird, und der selbstfokussierende (abgestufter Index) Aufbau, bei dem der Brechungsindex in der Mitte der Lichtführung am

höchsten ist, wie in einer konvexen Linse, und von der Mitte nach außen abnimmt, wodurch eine serpentinenförmige Ausbreitung des Lichts bewirkt wird. Die Nut 21 in Fig. schafft einen abgestuften Aufbau. Verschiedene Formen der optischen Wellenführungszone und der Stromfokussierungszone, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind in Fig. 20 dargestellt, wobei a bis d den abgestuften Aufbau und e bis h den selbstfokussierenden Aufbau darstellt. Andere Formen, beispielsweise ein trapezoidaler, ein dreieckiger und sogar ein vieleckiger Aufbau können als optische Wellenführung verwendet werden, wenn der Brechungsindex hoch genug ist, um eine lichtfokussierende Zone und eine stromkonzentrierende Zone zu schaffen.

In Fig. 14 erstreckt sich die Gitterzone 6 von der

. Schicht 5 in die Schicht 4. Da die zwei Schichten einen HeteroÜbergang bilden und die Schicht 4 einen breiteren Bandspalt als die Schicht 5 hat, werden weniger Löcher durch den p-n-Übergang in die Gitterzone der Schicht 4 als durch den p-n-Übergang in die Schicht 5 injiziert, was für die Stromverstärkung (g = ΔΙ~/ A.I„) schädlich ist. Es wird

ItI U \j

deshalb gewünscht, daß die p-Gitterzone in Schicht 5 von der η -Kathodenzone mittels einer Isolierung getrennt ist.

Fig. 21 zeigt eine Ausführungsform, in der die Stromverstärkung gesteigert wird, indem die Gitterzone 6 innerhalb der Schicht 5 dicker als die Schicht 4 ausgebildet ist. Die Schicht 5 ist für den Lasermechanismus nicht wesentlich, da sie gewöhnlich keine Wirkung auf den Schwellwertstrom hat und nur zur Verminderung des Widerstandes infolge des Ohmschen Kontakts der Elektroden 7 und 9 verwendet wird. Fig. 22 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Schicht 5 weggelassen ist und die Gitterzone in einer dickeren Schicht 4 beerdigt ist. Ein GaAs-GaAJtAs-Doppel-Heteroübergangs-Halbleiterlaser verwendet die Schicht 5 zur Vermin-

derung des Ohmschen Widerstandes. Ein InP-InGaPAs-Doppel-Heteroübergangslaser verwendet jedoch allgemein den Aufbau von Fig. 22, der typisch ein ρ InP-Substrat 1, eine η InGaAsP-Schicht 22, eine ρ InP-Schicht 2, eine InGaPAsaktive Schicht 3, eine n-InP-Schicht 4 und eine ρ InP-Schicht 6 verwendet. Aufgrund des Vorhandenseins der In. Ga P As._ -aktiven Schicht können verschiedene Zusammensetzungen in dem Teil von Fig. 22 verwirklicht werden, indem man eine Gitterübereinstimmung mit dem Kristallgitter des InP bewirkt, und die charakteristische Wellenlänge (J^) für die Lichtemission kann zwischen 1,0 und 1,7 μΐη eingestellt werden, abhängig von der speziellen Zusammensetzung. Wenn jedoch λ 1,4 μπι oder mehr beträgt, ist es manchmal notwendig, eine Pufferschicht zwischen der aktiven Schicht 3 und der Umhüllung 4 auszubilden, um die Wirkung des Nachschmelzens während des Flüssigphasenwachstums der InGaPAs-Schicht so klein wie möglich zu halten. Wie in anderen Ausführungsformen hat das Teil von Fig. 22 eine Zone 53 hohen Widerstands, die beispielsweise mittels Protonenstrahlung ausgebildet wird, die wirksam die Ladungsträgerinjektion in eine ungewünschte Zone begrenzt, so daß die Stromverstärkung gesteigert wird und gleichzeitig zu einer Abnahme der Kapazität der Gitterzone und daher der Modulationsfrequenz führt. Wenn der Halbleiter einen sehr schmalen Bandspalt aufweist, kann die Zone hohen Widerstands nicht mittels Protonenstrahlung ausgebildet werden. In diesem Fall erreicht man jedoch das gleiche Ziel, indem man eine Isolation aus Si.N., SiO„, AiN oder Al~O~ ausbildet.

Der Aufbau zur Schaffung einer wirksamen Brechungsindexverteilung in Richtung parallel zu dem p-n-übergang und zur Erreichung einer Stromfokussierung ist nicht nur für einen dreipoligen Halbleiterlaser, sondern ebenfalls für einen gewöhnlichen zweipoligen Halbleiterlaser geeignet. Fig. 23

und Fig. 24 zeigen Ausführungsformen von zweipoligen Halbleiterlasern. Wie bereits erwähnt, ist der Aufbau der vorliegenden Erfindung zur Schaffung eines schmalen Streifens wirksam. Insbesondere erhält man gute Ergebnisse, wenn die Streifenbreite (W) kleiner als 5 um beträgt. Wenn W gleich oder kleiner als 2 oder 3 μΐη ist, zeigt der gewöhnliche Halbleiterlaser eine bezeichnende Instabilität der Arbeitsweise und eine Steigerung der scheinbaren Schwellwerts tromdichte, wobei jedoch diese Probleme zufriedenstellend mit der vorliegenden Erfindung gelöst sind.

Das Teil von Fig. 23 umfaßt eine Zone 81, die typisch eine η-Typ GaAs-Schicht ist. Bezugszeichen 82 bezeichnet eine mittels Diffusion oder Ionenimplantation ausgebildete ρ Zone. Aufgrund einer umgekehrten Vorspannung fließt kein Strom längs der Grenzfläche der Schichten 81 und 82. Stattdessen fließt der Strom nur in der Grenzfläche zwischen den Schichten 82 und 4. Daher ist die V-Nut in der Schicht 82 in der einfachen Ausbildung eines schmalen Streifens höchst wirkungsvoll. In dem Teil von Fig. 24 ist die Zone 80 ebenfalls von dem η-Typ, beispielsweise durch Verwendung von GaA£As. In der Zone 82 ist eine tiefe V-Nut ausgebildet, so daß sie sich durch die aktive Schicht 3 bis zu der Schicht erstreckt. Aufgrund des HeteroÜbergangs ist daher die stromführende Zone in dem Übergang der Zone 82 und der Schicht 3 angeordnet, was wiederum sehr wirksam bei der Ausbildung eines schmalen Streifens ist.

Fig. 25 zeigt eine Ausführungsform, bei der eine p-Zone in der Kanalzone ausgebildet ist, wobei die anderen Abschnitte des Teils im wesentichen denen der obenbeschriebenen entsprechen und mittels gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet sind.

Fig. 26 zeigt Stromüberspannungskennlinien eines BSIT GaAs. Das Teil hat die folgende Spezifikation: Der Gitterspalt beträgt 1,5 μπι; die Tiefe des ρ -Gitters beträgt 2 μΐη; der Abstand zwischen der η -Quellzone und der η -Senkenzone beträgt 2,5 μΐη; die Länge des Kanalstreifens beträgt 200 μΐη;

13 —3

und die Störstellendichte des Kanals beträgt 5 χ 10 cm Der Drainstrom ist auf der y-Achse und die Drainspannung auf der x-Achse aufgetragen. Das Zeichen Vg bezeichnet die Gitterspannung. Entsprechend Fig. 26 erkennt man, daß, wenn die Gitterspannung in Vorwärtsrichtung gesteigert wird, der Stromfluß zunimmt. Der BSIT hat einen Kanal, der aus einer Zone mit einer sehr geringen Störstellendichte besteht. Da jedoch die Ladungsträger direkt in den Kanal von der Quellzone injiziert werden, werden leicht Elektronen mit

17 -3

einer Dichte von 1 χ 10 cm oder mehr in den Kanal injiziert. Weiter liegt die Elektronenmobilität bei 8000 bis 9000 cm/Vsec, so daß es sehr einfach ist, eine Stromdichte

4 2

von 1 χ 10 A/m zu erhalten.

Fig. 27 zeigt Strom-über-Spännungs-Kennlinien des Teils von Fig. 1. Der Anodenstrom ist auf der y-Achse und die Anodenspannung auf der x-Achse aufgetragen. Das Zeichen Ig bezeichnet den Anodenstrom, wenn das Gitter vorwärts vorgespannt ist. Offensichtlich unterscheiden sich die Kennwerte des Teils im leitenden Zustand von jenen in Fig. 26. Das Teil von Fig. 1 ist ein GaAs-Ga„ ₇aX_q .,As-Laser, dessen Spezifikation dem Teil entspricht, das verwendet wurde, um die Daten von Fig. 26 zu erhalten. Seine aktive Schicht hat eine Dicke von etwa 0,5 μπι und die Laserschwingung findet bei einem Schwellwertstrom von 20 bis 30 mA statt.

Die vorgehenden Ausführungsformen betreffen einen Halbleiterlaser vom Thyristortyp mit statischer Induktion, der in Einheit mit einem einzigen Kanal BSIT ausgebildet ist. Die vorliegende Erfindung kann jedoch ebenfalls bei einem Vielkanal-Halbleiterlaser ohne Schwierigkeit verwendet werden.

Fig. 28 zeigt einen Querschnitt eines Vielkanal-Halbleiterlasers in Richtung senkrecht zum Laserresonator. In einem einfachen Vielkanallaser haben die von den Zonen 101 emittierten Laserlichtwellen vollständig unterschiedliche Phasen. Wenn ein GaAlAs-GaAs-Laser jedoch so hergestellt ist, daß die Dicke der Schicht 4, die Streifenbreite und der Mitte-zu-Mitte-Abstand der zwei Streifen 2 μΐη, 3 μΐη bzw. 10 μΐη beträgt, sind die einzelnen Streifen teilweise miteinander verbunden und die Zonen 101 senden ein kohärentes Laserlicht mit synchronisierten Punkten aus. Die kohärenten Punkte erzeugen eine schärfere Emissionsrichtdämpfung als ein einziger Punkt. Das Intervall der lichtemittierenden Zonen 101 hängt von der Ladungsträgerdiffusionslänge und dem von dem ausgetretenen Laserlicht ,zurückgelegten Abstand ab, so daß es sich mit dem verwendeten Material und Aufbau ändert. Wenn jede lichtemittierende Zone 101 kohärentes Licht aussendet, kann eine Hochenergielichtquelle für einen Halbleiterlaser verwirklicht werden. Wenn die einzelnen lichtemittierenden Zonen 101 unabhängig voneinander mit der Gitterspannung gesteuert werden müssen, kann zwischen den benachbarten Gittern eine Zone hohen Widerstands oder eine Isolierungszone 111 ausgebildet werden, so daß jede Zone 101 unabhängig von den anderen mittels der jeder Zone zugeführten Gitterspannung gesteuert werden kann. Alternativ können die Zonen 101 mittels Ätzen der Zone 111 getrennt werden. Es bleibt jedoch das Problem in Verbindung mit dem Intervall jeder lichtemittierenden Zone 101. Wenn das Intervall sehr klein ist, beeinflussen sich die Zonen 101 und können nicht unabhängig voneinander betrieben werden.

Die Spezifikation eines typischen Vielkanals Ga -,ΑΛ. _As-

U , / U , ο

GaAs-Lasers für einen unabhängigen Betrieb der lichtemittierenden Zonen 101 ist wie folgt: die Dicke der Schicht 2 beträgt 2 μΐη; die Dicke der Schicht 3 beträgt 0,1 bis 0, 3 μπι;

die Dicke der Schicht 4 beträgt 2 μπί; die Streifenbreite beträgt 3 μΐη; und das Streifenintervall beträgt 20 μπι. Eine Vielzahl von Thyristor-Halbleiterlasern mit statischer Induktion, die auf einem Substrat ausgebildet sind (siehe Fig. 29), kann in einem optischen Kommunikationssystem zur Erzielung einer gleichzeitigen übertragung von Informationen über Vielkanälen verwendet werden. Mit anderen Worten, es kann ein Hochgeschwindigkeits- und Hochvolumeninformationsverfahren verwirklicht werden. Ein Gerät, das eine Vielzahl von Lasern umfaßt, in dem die einzelnen lichtemittierenden Zonen voneinander in einem Intervall von weniger als 10 μΐη beabstandet sind, kann als Laserradar für elektrisches Abtasten mittels aufeinanderfolgendes Schalten des Lasers verwendet werden, um die Riehtdämpfung des Laserlichts zu ändern. Die optische Richtdämpfung und der Ausgang können ebenfalls durch unabhängige Bedienung jedes anderen Lasers gesteuert werden, d.h., der nächstbenachbarteste Nachbarlaser in eine Reihe mit einem Streifenspalt von etwa 10 μπι oder durch Anlegen eines Stroms durch alle Laser durch Aussendung kohärenten Lichts. Es ist verständlich, daß der Aufbau zur Schaffung einer wirksamen Brechungsindexverteilung in einer Richtung parallel zu dem p-n-Übergang und zur Schaffung einer Stromfokussierung, der unter Bezugnahme auf die Figuren 5 bis 25 beschrieben wurde, ebenfalls auf einen Vielkanal-Halbleiterlaser gemäß der Figuren 28 und 29 Anwendung finden kann. Es ist ebenfalls verstädlich, daß der Laser von Fig. 28 und 29 aus anderen Materialien als GaAs-GaAXAs und InP-InGaPAs hergestellt werden kann.

Eine andere Ausführungsform des Thyristor-Halbleiterlasers mit statischer Induktion ist in Fig. 30 dargestellt. Diese Ausführungsform erzeugt einen großen optischen Ausgang bei einer einzigen Wellenlänge. Fig. 30a ist eine Aufsicht auf das Teil und Fig. 30b ist ein Querschnitt von Fig. 30a

längs der Linie D-D¹. Das Teil, das typischerweise aus InP-InGaAsP besteht, umfaßt ein ρ InP-Substrat 201, eine ρ Inp-Wachstumsschicht 202, eine n-InGaAsP-aktive Schicht 203, eine η InP-Wachstumsschicht 204, eine η Kathodenzone 205, eine ρ -Gitterzone 206, eine Kathodenelektrode 207, eine Isolierschicht 208 aus Si₃N₄, SiO₂ oder AXN, eine Spiegelfläche 209 und eine Anodenelektrode 210. Die Periode des ρ -Gitters 206 in Richtung der Laseremission ist bei m λ/2η eingestellt (λ.: Strahlungswellenlänge n: ungefährer Brechungsindex der aktiven Schicht, m: eine ganze Zahl) , und, wenn X= 1,5 μΐη und η = 3,3 μΐη = ist, beträgt die Periode des Gitters 0,23 μΐη. Wenn die Länge des Gitters in Richtung der Laseremission 0,13 μΐη beträgt, beträgt der Gitterabstand 0,1 um. Die Störstellendichte der η -Zone 204 und die Tiefe des ρ -Gitters (Kanallänge) haben die gleiche Spezifikation wie bei den vorigen Ausführungsformen. Da der Gitterspalt relativ schmal ist, hat das Teil zufriedenstellende normal-AUS-Kennwerte,

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auch wenn die Störstellen der η -Zone bei 1x10 cm liegt. Ein zufriedenstellendes normal-AUS-Teil wird ebenfalls geschaffen, wenn die Kanallänge mindestens 0,1 oder 0,2 μπι beträgt. In dem Halbleiterlaser von Fig. 30 fließt der Strom periodisch nur in der Nähe der Zone, in der die Intensität des elektrischen Feldes der axial stehenden WeI-Ie der Laseremission maximal ist. Auf diese Weise schwingt der Laser einfach in einer axialen Weise. Dies ist auch dann so, wenn der tatsächlich fließende Strom bezeichnend größer als der Schwellwertpegel ist. Der Halbleiterlaser von Fig. 30 ist so ausgelegt, daß.die stehende Welle der Laseremission mit der Verstärkungsverteilung synchronisiert ist. Er ist in der Lage, so zu arbeiten, daß ein sehr grosser Ausgang einer einzigen axialen Weise erreicht wird. Die Arbeitsweise bei einer vollständig einzigen Wellenlänge und Frequenz wird verwirklicht, indem eine einzige transversale und vertikale Arbeitsweise verwendet wird.

Eine einzige transversale Arbeitsweise kann erreicht werden, indem man die Länge einer Streifenbreite, die mittels der umgebenden ρ -Gitterzone 206 auf wenige μΐΐι begrenzt ist, vermindert, und eine einzige vertikale Arbeitsweise kann man erhalten, indem man die Dicke der aktiven Schicht auf weniger als 0,5 μπ\ vermindert. Die exakten Werte dieser Parameter verändern sich mit dem Unterschied des Brechungsindexes zwischen der aktiven Schicht und der umgebenden Schicht. Es ist ebenfalls wirkungsvoll, die Länge des Resonators zu verkürzen, um eine einzige axiale Arbeitsweise zu erhalten. Ein Halbleiterlaser, der in einer vollständigen einzigen Arbeitsweise für die axiale, vertikale und transversale Richtung arbeitet, arbeitet bei einer einzigen Wellenlänge, auch wenn er einer direkten Modulation des Stroms unterworfen wird, der in den Laser injiziert wird, so daß er für die Kommunikation mit einer hohen Systemstabilität verwendet werden kann.

Wenn der Gitterspalt in Richtung des Laserresonators in Fig. 30 vermindert wird, fließt der Strom nur in der Nähe der Zone, in der die Intensität des elektrischen Feldes der stehenden Welle des Laserlichts maximal ist, was in hohem Maße zur Erzielung einer einzigen axialen Arbeitsweise beiträgt. Ein Grund, der eine Schwingung in mehr als einer einzigen axialen Arbeitsweise bewirkt, ist, daß in die aktive Schicht injizierte Ladungsträger in transversaler Richtung streuen. Um eine derartige Streuung zu verhindern, wird die aktive Schicht wünschenswert so dünn wie möglich gemacht. Das heißt, daß die aktive Schicht dünner als die Periode der stehenden Welle des Laserlichts ( λ/2η) ist. Für einen Halbleiterlaser, der in einer einzigen axialen Weise schwingt, haben die aktive Schicht und die umgebende Schicht vorzugsweise einen ausreichend grossen unterschiedlichen Brechungsindex, um das Laserlicht in der aktiven Schicht zu begrenzen, auch wenn sie relativ dünn ist.

Es ist nicht notwendig darauf hinzuweisen, daß die Streuung der Ladungsträger in transversaler Richtung wirksam mittels der Ausbildung einer ρ -Zone 206 begrenzt werden kann, die tief genug ist, um sich zu einem Punkt kurz vor der Berührung der aktiven Schicht 203 zu erstrecken. Zur Steigerung der Stromverstärkung können die Zonai 204 auf jeder Seite der ρ -Gitterzone 206 in eine halbisolierende Zone mittels Protonenbestrahlung umgewandelt werden. Alternativ können die gleichen Zonen weggeätzt und durch eine Isolierschicht ersetzt werden.

Die in den Figuren 28 bis 30 gezeigten Teile haben eine schmale Streifengeometrie, sind jedoch nicht für eine stabile transversale Schwingung ausgelegt. Die in Fig. 31 gezeigte Ausführungsform hat einen Aufbau zur Durchführung einer stabilen transversalen, als auch axialen Schwingung. Fig. 31a ist eine Aufsicht auf die Ausführungsform, Fig. 31b ist ein Querschnitt von Fig. 31a längs der Linie A-A¹, und Fig. 31c ist ein Querschnitt von Fig. 31a längs der Linie B-B". Unter der Annahme einer InP-InGaAsP-Konstruktion umfaßt das Teil ein ρ InP-Substrat 201, eine ρ -InP-gewachsene Schicht 202, eine InGaPAs-aktive Schicht 203, eine η -InP-Schicht 204, eine η -InP-Schicht 205, eine ρ -InP-Schicht 206, eine Kathodenelektrode 207, eine Gitterelektrode 209, eine Anodenelektrode 210, eine Isolierschicht 208 aus Si N., AX₂O₃, AiN oder SiO₂, und eine N InGaPAs-Schicht 211. Die Periode des p⁺-Gitters in Richtung der Laseremission ist auf m · ·=— ( X : Wellenlänge im freien Raum, n: Brechungsindex der aktiven Schicht, m: eine ganze Zahl 1, 2 ...) eingestellt. Um so mehr der Wert von m über 1 liegt, um so geringer ist der Wirkungsgrad bei der Auswahl der Arbeitsweise. Beispielsweise ist, wenn X = 1,5 μΐη, η = 3,3 und m = 1 ist, die Periode 0,23 μΐη, und wenn m = 3 ist, beträgt die Periode 0,69 μΐη. Bei dem in Fig. 31 gezeigten Halbleiterlaser fließt der Strom periodisch nur

in der Nähe der Zone, in der die Intensität des elektrischen Feldes der axial stehenden Welle der Laseremission maximal ist. Auf diese Weise schwingt der Laser leicht in einer einzigen axialen Weise, und dies trifft sogar dann zu, wenn der tatsächlich fließende Strom bezeichnend grosser als der Schwellwertpegel ist. Der Aufbau von Fig. 31 ist ebenfalls für einen DFB (distributed feedback = verteilte Rückkopplung) DH-Halbleiterlaser verwendbar. Ein Halbleiterlaser, der in einer vollständigen einzigen Arbeitsweise für axiale, vertikale und transversale Richtungen arbeitet, arbeitet weiter auf einer einzigen Wellenlänge, sogar dann, wenn er einer direkten Modulation des in den Laser injizierten Stroms unterworfen wird, so daß er mit einer hohen Systemstabilität für die Kommunikation verwendet werden kann.

Ein Vielkanal-Halbleiterlaser mit stabiler Oszillation in transversaler Weise kann ebenfalls gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden. Drei Ausführungsformen dieser Art Laser sind in den Figuren 32, 33 und 34 im Querschnitt senkrecht zur Richtung des Laserresonators dargestellt. Das in Fig. 32 gezeigte Teil ist ein dreipoliger Vielkanal-Halbleiterlaser, bei dem die Gitterzone in der Halbleiterzone 4 beerdigt ist; das in Fig. 33 gezeigte Teil ist ein Oberflächengittertyp-Vielkanal-Dreipol-Halblaser, der mittels Oberflächendiffusion oder Ionenimplantation hergestellt ist. Das in Fig. 32 gezeigte Teil kann möglicherweise als ein Hochleistungs-Halbleiterlaser verwendet werden, der Laserlicht von allen Punkten gleichzeitig aussendet.

Wenn das Gitter, wie in Fig. 32 gezeigt, beerdigt ist, ist ein größerer Gitterstrom notwendig, um den gleichen Stromfluß zwischen der Kathode und Anode zu bewirken, was zu einer geringeren Stromverstärkung führt. Der Halbleiterlaser von Fig. 34 ist so ausgelegt, daß das Licht von allen Punkten oder wahlweise von gesteuerten Punkten emittiert

werden kann. Wenn alle lichtemittierenden Zonen gleichzeitig eingeschaltet sind, ist die Kohärenz des Lichtes ebenfalls ein wichtiger Faktor. Wenn das in Fig. 34 gezeigte Teil ein GaA-CAs -GaAs-Laser ist, und wenn die Dicke der Schicht 4 3 μπ\, die Kathodenstreifenbreite 3 pm, die Diffusionstiefe 2 μ und der Mitte-zu-Mitte-Abstand zweier Streifen weniger als 10 μΐη beträgt, können die einzelnen lichtemittierenden Punkte kohärentes Laserlicht erzeugen, indem ein Wellenleiterkupplungsaufbau verwendet wird. Der Abstand zwischen jeder lichtemittierenden Zone hängt von der Ladungsträgerdiffusionslänge in transversaler Richtung, dem von austretendem Laserlicht zurückgelegten Abstand und dem spezifischen Aufbau der Wellenführungskupplung, und daher von dem spezifischen verwendeten Material und Aufbau ab. Wenn die einzelnen lichtemittierenden Zonen unabhängig voneinander gesteuert werden müssen, kann eine Zone 53 hohen Widerstands zwischen den benachbarten Gittern mittels Protonen-oder Heliumbestrahlung, oder stattdessen eine Isolierzone in der Zone ausgebildet werden. Dies ermöglicht eine unabhängige Steuerung der entsprechenden lichtemittierenden Zonen durch Änderung der Gitterspannung. Alternativ können die lichtemittierenden Zonen durch Ätzen der Zone 53 getrennt ausgebildet werden. Natürlich können die geätzten Zonen mittels fotoerregtem CVD mit einer Schicht von Si_N.

oder a£n beschichtet werden. Der Abstand zwischen jeder lichtemittierenden Zone sollte nicht zu klein sein. Das Gitter kann ebenfalls einen anderen Aufbau aufweisen, beispielsweise kann es als Kerbe oder Nut ausgebildet sein.

Fig. 35 zeigt eine Ausführungsform für eine stabile Schwingung sowohl in transversaler und axialer Richtung, und umfaßt eine p-Zone in dem Kanal. Das Teil umfaßt eine GaAs-Schicht 220 und eine Kathoden η -Zone 205, die sich bis hinunter zu einer GaAXAs-Schicht erstreckt, und eine in der Kanalzone unterhalb der GaAfcAs-Schicht ausgebildete

p-Zone. In anderen Abschnitten des Teils kann wie bei den vorangegangenen Ausführungsformen ein p-Kanal ausgebildet sein.

Fig. 36 zeigt eine weitere Ausführungsform des Teils mit einer p-Zone in dem Kanal. Das Teil umfaßt eine p-Typ-Schicht 360, die aus einem Material hergestellt ist, das einen kleineren Bandspalt als die Schichten 4 und 361 aufweist. Wenn das Teil ein GaAs-GaAAAs-Halbleiterlaser ist, besteht die Schicht 360 aus GaAs oder Ga₁ AE As, die Schicht aus η Ga, A£ As und die Schicht 361 aus Ga_1- A-B As (χ > y) . Der Aufbau ist für die Steigerung der Stromverstärkung wirksam, da positive, von dem Gitter injizierte Löcher mittels der Heteroübergangsschicht gesperrt werden und nicht in die Kathode eintreten können.

Die Abschaltzeit wird mittels der Abzugsgeschwindigkeit der Elektronen und Löcher aus dem Kanal bestimmt. Das Teil von Fig. 36 hat eine sehr schnelle Ansprechzeit, da die p-Zone aus einem direkten Übergangsmaterial hergestellt ist und die Ladungsträgerlebensdauer sehr kurz ist. Mit anderen Worten, die Leistung des Teils kann entscheidend verbessert werden, indem die p-Zone aus einem Material besteht, das einen kleineren Bandspalt als das in den anderen Zonen verwendete Material aufweist, und das ein direktes Halbleitermaterial ist. Es ist verständlich, daß der Aufbau von Fig. 36 auch bei anderen Ausführungsformen verwendet werden kann, die eine p-Zone in dem Kanal umfassen. Es ist ebenfalls verständlich, daß der Halbleiterlaser gemäß der Erfindung auf verschiedenste Weise abgeändert werden kann, und nicht auf die vorgehenden Ausführungsformen begrenzt ist. Die gezeigten Ausführungsformen verwenden ein ρ Substrat. Sie können jedoch ebenfalls ein η -Substrat und andere Halbleiterzonen verwenden, deren Leitfähigkeit der in den Ausführungsformen verwendeten entgegengesetzt ist.

Die in der vorliegenden Erfindung verwendeten lichtemittie-

renden Zonen sind nicht auf jene der beschriebenen Ausführungsformen begrenzt. Es kann ebenfalls ein beerdigter Heteroübergangs- (BH) Aufbau, ein Plan-Konvex-Wellenführungs-(PCW) Aufbau und ein beerdigter Sichel- (BC) Aufbau verwendet werden. Die verwendbaren Halbleitermaterialien sind ebenfalls nicht auf GaAs-GaAXAs und InP-InGaPAs beschränkt. Halbleiter aus anderen Bestandteilen der Gruppen III-V, II-VI und IV-VI, als auch ein Heteroübergangsaufbau aus Mischkristallen dieser Materialien kann ebenfalls verwendet werden. Es ist nicht notwendig darauf hinzuweisen, daß diese Halbleitermaterialien unterschiedliche Brechungsindices und Ladungsträgerdiffusionslängen aufweisen und verschiedene Auslegungsänderungen erfordern, um optimale Teile herzustellen.

Wie oben beschrieben, wird mit der vorliegenden Erfindung ein dreipoliger Halbleiterlaser mit statischer Induktion geschaffen, dessen optischer Ausgang leicht mittels der Gitterspannung gesteuert werden kann, und der für eine Hochgeschwindigkeitsmodulation geeignet ist. Das Teil ist für einen Vielkanalaufbau geeignet, der immer mehr Verwendung findet. Das Teil kann ebenfalls einer direkten Modulation unterworfen werden, während es einen optischen Ausgang bei einer einzigen Wellenlänge und Frequenz erzeugt, so daß es sehr wirkungsvoll in einem Kommunikationssystem verwendet werden kann. Der Lichtführungsteil (die Innenseite der Streifenbreite) des Teils kann mit einer im wesentlichen unterschiedlichen optischen Verstärkung, Verlust und Brechungsindex als die umgebene Zone ausgestattet sein, und gleichzeitig kann die transversale Streuung des Stroms so klein wie möglich gehalten werden, indem das Substrat mit einer Zone entgegengesetzter Leitfähigkeit oder einer Zone mit hohem Widerstand versehen wird. Hierdurch wird ein Halbleiterlaser mit einem schmalen Streifen geschaffen, der sowohl in transversaler als auch axialer Arbeitsweise eine

stabile Schwingung erzeugt. Kurz, es wird eine Gitterzone verwendet, die eine hohe Störstellendichte aufweist, um den Arbeitsstrom zwischen den Gitterzonen zu begrenzen, was einem Wellenführungsaufbau in einer Richtung parallel zur Übergangsfläche in der aktiven Zone, wo die tatsächliche Emission des Lasers stattfindet, gleich ist. Der Gitterspalt kann im wesentlichen gleich oder ein wenig kleiner als die Breite der Lichtführungszone sein. Hierdurch fließt der Strom nur in der Zone, die eine hohe Laserlichtintensität hat, und das Teil hat einen sehr hohen Laserwirkungsgrad. Durch Ausbildung einer dünnen p-Schicht mit einer relativ geringen Störstellendichte zwischen der η -Kathodenzone und der aktiven Schicht können die Kanallänge verkürzt und bessere normal-AUS-Kennwerte erhalten werden. Das Teil gemäß der vorliegenden Erfindung kann ebenfalls mit mehreren Gittern in einem bestimmten Abstand in Richtung der LaserführungswelIe versehen sein. Ein derartiges Teil ist für eine stabile Schwingung bei einer einzigen Wellenlänge und bei einer einzigen Arbeitsweise sowohl für transversale und vertikale Richtungen über einen weiten Bereich des Betriebsstroms geeignet, und strahlt gleichzeitig stabile Wellenlängen während der optischen Modulation aus. Die Verwendung des Teils kann weiter durch Einbau eines Vielkanalaufbaus erweitert werden. Die vorliegende Erfindung stellt somit einen Halbleiterlaser dar, der eine große Verwendbarkeit in der Industrie findet.

Leerseite

Claims

HOFFMANN · EITIJE & PARTNER

PAT E N TAN WALT E

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) · D I PL.-I N G. W. EITLE · D R. R E R. N AT. K. H O FFMAN N · D I PL.-I NG. W. LEH N

DIPL.-ING. K. FDCHSLE - DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 (STERNHAUS) . D-8000 MD N CH EN 81 . TELEFON (089) 9Π087 ■ TELEX 05-29619 (PATH E)

37 416

Handotai Kenkyu Shinkokai Miyagi / Japan

Halbleiterlaser

Pa tentansprüche

1 . ' Halbleiterlaser, gekennzeichnet durch eine Anodenzone einer ersten Leitfähigkeit aus einer sehr hoch gedopten Zone, eine aktive, benachbart zur Anodenzone angeordnete Schicht, eine Kanalzone aus einer Zone mit hohem Widerstand, benachbart zur aktiven Schicht, eine Kathodenzone einer zweiten Leitfähigkeit an einem Ende der Kanalzone aus einer sehr hoch gedopten Zone, und eine Gitterzone, die zumindest einen Teil der Kanalzone umgibt und aus einer sehr hoch gedopten Zone einer ersten Leitfähigkeit besteht, wobei die Anodenzone und die Kanalzone einen breiteren Bandspalt als die aktive Schicht aufweisen.
2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß mehrere der Gitterzonen in einem bestimmten Intervall in axialer Richtung der Laseremission ausgebildet sind.
3. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß mehrere Gitterzonen in einer Richtung senkrecht zur Richtung der Laseremission zur Schaffung eines Mehrkanalaufbaus mit zwei oder mehreren laserlichtaussendenden Punkten ausgebildet sind.
4 . Heteroübergangs-Halbleiterlaser, gekennzeichnet

durch eine Anodenzone einer ersten Leitfähigkeit aus einer sehr hoch gedopten Zone, eine benachbart zur Anodenzone ausgebildete aktive Schicht mit einem größeren Brechungsindex, und einem schmaleren Bandspalt als die umgebende Zone, eine Kanalzone aus einer Zone hohen Widerstands, benachbart zur aktiven Schicht, eine Kathodenzone einer zweiten Leitfähigkeit aus einer sehr hoch gedopten Zone und eine zumindest einen Teil der Kanalzone umgebenden Gitterzone aus einer sehr hoch gedopten Zone der ersten Leitfähigkeit, wobei der Laser weiter in einer Richtung parallel zum HeteroÜbergang einen Aufbau zur Steigerung des wirksamen Brechungsindex und der wirksamen Verstärkung in einer Laserlichtemissionszone und eine Zone der zweiten Leitfähigkeit zur Konzentration des Stroms zwischen der Anodenzone und der rings um die Laserlichtemissionszone ausgebildeten aktiven Zone umfaßt.
5. Halbleiterlaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Gitterabstand im wesentlichen der Breite der Stromkonzentrationszone der Zone der zweiten Leitfähigkeit entspricht.
6. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Gitterzone eine beerdigte Zone ist.
7. Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennz eichnet , daß zwischen jeder Gitter- und Kathodenzone eine Isolierschicht ausgebildet ist.
8. Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennz eichnet , daß zwischen der Kathodenzone und der aktiven Schicht eine p-Schicht ausgebildet ist.
9. Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalzone eine p-Zone umfaßt.
10. Halbleiterlaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung zum Fokus- sieren der Strombahn auf der Substratseite eine Schicht mit höherem Brechungsindex als die umgebende Zone aufweist.
11. Halbleiterlaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Aufbau abgestuft ausge- bildet ist, wobei der wirksame Brechungsindex sich stufenweise ändert.
12. Halbleiterlaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Aufbau eine selbstfokus- sierende Form mit dem höchsten Brechungsindex in ihrer Mitte hat.
13. Halbleiterlaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kanalstreifenzone mit- tels einer V-Nut in zumindest einer darüberliegenden Schicht ausgebildet ist.