DE3322264A1

DE3322264A1 - Halbleiterlaser

Info

Publication number: DE3322264A1
Application number: DE19833322264
Authority: DE
Inventors: Hideyo Higuchi; Ryoichi Hirano; Hirofumi Namizaki; Etsuji Oomura; Yasushi Sakakibara; Wataru Itami Hyogo Susaki
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1982-06-21
Filing date: 1983-06-21
Publication date: 1983-12-29
Also published as: JPS58223395A; JPS6349919B2; DE3322264C2; US4561096A

Description

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Halbleiterlaser

ρ- Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser, der speziell einen niedrigen Schwellwert und ausgezeichnete Temperaturcharateristik hat.

Unter den zahlreichen bekannten Halbleiterlasern sind _ speziell BC-Halbleiterlaser und BH-Halbleiterlaser bekannt für ihre Schwingungsstabilität und den niedrigen Schwellwert. In Fig. 1 ist eine Schnittdarstellung eines herkömmlichen BC-Halbleiterlasers wiedergegeben. Ein n-InP-Halbleitersubstrat 1 ist auf seiner zweiten Hauptfläche mit einer ersten Elektrode 2 ausgestattet

und weist eine Ladungsträgerdichte von etwa 7 χ 10 /cm³ auf. Eine erste Halbleiterschicht 3 aus p-InP, die auf der ersten Hauptfläche des Halbleitersubstrates durch epitaxiales Aufwachsen aus der flüssigen Phase for-

_on miert ist und eine Li a d.ungsträgerdichte von etwa

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1x10 /cm³ hat, wird von einer zweiten Halbleiterschicht 4 aus n-InP überdeckt, die durch epitaxiales Aufwachsen aus der flüssigen Phase auf der ersten Halbleiterschicht 3 formiert ist. Von der Oberfläche

„Ρ- der zweiten Halbleiterschicht her ist bis in das Halbleitersubstrat 1 hinein eine bandförmige Nut eingeätzt. Eine fünfte Halbleiterschicht 6 aus n-InP ist auf dem Grund der Nut 5, d.h. auf der Hauptfläche des Substrates, durch epitaxiales Wachsen aus der flüssigen Phase

QQ -so formiert, daß ein Teil mit dem Boden der Nut 5, ein weiterer mit dem unteren Abschnitt der Seitenfläche 3a der ersten Halbleiterschicht 3 Kontakt hat. Eine Halbleiterschicht 6, die mit der fünften Halbleiterschicht übereinstimmt, ist auf einem Teil der zweiten HaIb-

gg leiterschicht 4 in der dargestellten Weise formiert.

Ferner ist in Fig. 1 eine aktive Schicht 7 aus n-InGaAsP mit sammeliinsenförmigem Querschnitt auf der fünften Halbleiterschicht C ^Ί"η der Nut 5 durch expitaxiales Aufwachsen aus der flüssigen Phase derart formiert, daß sie an beiden Seiten mit den Seitenwänden 3a der ersten Halbleiterschicht 3 in Berührung ist. Die aktive Schicht 7 hat einen geringeren Bandabstand als InP und

"LQ bildet einen sog. doppelten HeteroÜbergang. Gleichzeitig mit der Formierung der aktiven Schicht 7 ist auf den übrigen Teilen des fünften Halbleiters 6 eine InGaAsP-Schicht 8 formiert. Die aktive Schicht 7 kann aus p-InGaAsP bestehen. Mit 9 ist eine dritte Halblei-

"L5 terschicht aus p-InP bezeichnet, die auf der zweiten Halbleiterschicht 7 und der InGaAsP-Schicht 8 sowie auf der aktiven Schicht 7 derart formiert ist, daß sie an die oberen Bereiche der Seitenflächen 3a der ersten Halbleiterschicht 3 und die Seitenwände 4a der zweiten Halbleiterschicht 4 anschließt. Auf der Hauptfläche der dritten Halbleiterschicht 9 ist schließlich eine zweite Elektrode 10 ausgebildet.

In Fig. 2 gilt folgendes für die einzelnen Bezugszeichen: ein Halbleitersubstrat aus n-InP ist mit 1 bezeichnet; eine aktive Schicht aus n- oder p-InGaAsP, die auf der ersten Hauptfläche des Halbleitersubstrats 1 gebildet ist, trägt die Bezeichnung 7; eine dritte Halbleiterschicht aus p-InP, die auf der aktiven "Schicht 7 durch epitaxiales Aufwachsen aus der flüssigen Phase formiert ist, ist mit 9 bezeichnet. Der obere Teil des Substrats 1, die aktive Schicht 7 und die dritte Halbleiterschicht 9 sind so auf zwei Seiten geätzt, daß sie einen streifenförmigen Vorsprung bilden; erste Halbleiterschichten 3 aus p-InP, die durch epitaxiales Aufwachsen aus der flüssigen Phase zu beiden Seiten des streifenförmigen Vorsprungs formiert

sind, berühren mit ihren Innenseiten 3a die Seitenflächen der aktiven Schicht 7. Zweite Halbleiterschichten 4 aus n-InP sind auf den ersten Halbleiterschichten 3 formiert, sechste Halbleiterschichten 11 aus p-InP sind auf den zweiten Halbleiterschichten formiert und auf der dritten Halbleiterschicht bzw. den sechsten Halbleiterschichten 9 bzw. 11 ist eine zweite Elektrode 1Q angeordnet.

Sowohl beim BC-Halbleiterlaser als auch beim BH-HaIb= leiterlaser fließt der Strom, wie nachfolgend beschrieben. Fig. 3 zeigt die Laservorrichtungen aus den Fig. ^5 oder 2 in Form eines Modells. Der Stromfluß wird in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben.

Der Aufbau der Vorrichtung ist so gewählt, daß zur . Erhöhung des Laserschwingungswirkungsgrades der Stromfluß durch den aktiven Bereich 7 geführt wird, der allgemein betrachtet eine geringe Breite, etwa 2 μπι, hat mit Hinblick auf die Schwingungssteuerung. Mit anderen Worten, der Laser hat einen Aufbau, daß die zweiten Halbleiterschichten 4 der ersten Leitfähigkeitstype mit einer Schicht einer zweiten Leitfähigkeitstype versehen sind, die aus der ersten und dritten Halbleiterschicht 3 und 9, oder der ersten, dritten und sechsten Halbleiterschicht 3, 9 und 11 in Fig. 2 bestehen, wodurch ein sog. Schlitz gebildet wird. Aufgrund dieser "Struktur dienen die zweiten Halbleiterschichten in den Schichten der zweiten Leitfähigkeitstype als Energiesperre gegenüber Löchern, die in den Schichten der zweiten Leitfähigkeitstype Ladungsträger sind. Deshalb kann unter normalen Bedingungen kein Strom über die Schichten der zweiten Leitfähigkeitstype fließen, die Schichten 4 der zweiten Leitfähigkeitstype dienen somit als Schlitz, wodurch die Größe des Stroms vermin-

dert wird, so daß der Strom zusammengefaßt in der aktiven Schicht 7 von geringer Breite fließen muß.

In einem derart aufgebauten Laser ist ein p-n-Übergang 12 von InP zwischen dem Halbleitersubstrat 11 und der fünften Halbleiterschicht 6 und der ersten Halbleiterschicht 3 unvermeidbar. Damit ergibt sich für diesen

,Q Aufbau eine p-n-p-n-Beschichtung, bestehend aus der dritten Halbleiterschicht 9 (oder den sechsten Halbleiterschichten 11) der zweiten Leitfähigkeitstype, der zweiten Halbleiterschicht 4 der ersten Leitfähigkeitstype, der ersten Halbleiterschicht 3 der zweiten Leit-

,c fähigkeitstype und dem Halbleitersubstrat 1 der ersten Leitfähigkeitstype in der aufgeführten Reihenfolge von oben gesehen nahe der aktiven Schicht 7. Dies entspricht praktisch einem Thyristor. Im Halbleitersubstrat 1 ist die Anzahl der zusätzlichen Störstellen

2Q relativ groß, um seine Fehlstellendichte herabzusetzen, und allgemein ist die Ladungsträgerdichte etwa 7 χ

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10 /cm³. In der ersten Halbleiterschicht 3 ist die Ladungsträgerdichte gewöhnlich klein und nicht höher als 2 χ 10¹⁸/cm³ (1 χ 10¹⁸/cm² beim Stand der Technik), da die Schicht 3 durch epitaxiales Wachsen aus der flüssigen Phase formiert ist. Dadurch wird die Vorrichtung sehr leicht als Thyristor aufgrund eines Leckstroms Ig eingeschaltet, wie in Fig. 3 dargestellt.

"Der"in Fig. 3 gezeigte Aufbau läßt sich durch das elektrische Ersatzschaltbild nach Fig. 4 wiedergeben. Wenn der Strom I_ durch die aktive Schicht 7 klein ist, ist auch der Leckstrom Ig klein, so daß der Thyristor nicht eingeschaltet oder aktiviert ist, und der zugeführte Strom trägt damit wirksam zur Schwingung bei. Steigt die Temperatur, dann ist der für die Schwingung erforderliche Strombedarf höher, so daß mehr Strom züge-

* a o

führt werden muß. In diesem Fall steigt aber auch der Leckstrom Ig mit der Folge, daß der Thyristor eingeschaltet wird und ein großer inaktiver Strom I„ fließt. Damit wird der Strom I_ß in der aktiven Schicht 7 so klein, daß die Schwingung uneffektiv und instabil wird.

Fig. 5 zeigt eine Graphik der Beziehungen zwischen dem ig zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 2 und fließenden Strom und der Ausgangsleistung des Lasers bei wechselnder Umgebungstemperatur. Bei niedriger Temperatur trägt der Strom wirksam zur Laserausgangsleistung bei; bei höheren Temperaturen erreicht die 5 Charakteristik von Strom zu Laserausgangsleistung die Sättigung, so daß der Strom nicht mehr zur Leistungsabgabe des Lasers beiträgt, und im schlimmsten Fall schaltet der Laser ab.

Im Hinblick auf die vorstehenden Betrachtungen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterlaser mit schmalem Aktivbereich zu schaffen, der einen niedrigen Schwellwert hat und mit vierten Halbleiterschichten der ersten Leitfähigkeitstype ausgestattet ist, deren Ladungsträgerdichte niedriger als die der ersten Halbleiterschicht der zweiten Leitfähigkeitstype ist und die zwischen dem Halbleitersubstrat der ersten Leitfähigkeitstype und den ersten Halbleiterschichten angeordnet sind, welche mit der aktiven "Schicht in Berührung ist, wodurch die Schwingung selbst bei hohen Temperaturen stabil wird.

In der- Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 einen Schnitt durch den Aufbau eines herkömmlichen BC-Halbleiterlasers;

Fig. 2 einen Schnitt durch einen herkömmlichen BH-iialbleiterlaser;

Fig. 3 eine ErLäuterungszeichnung zu den Fig. 1 und

2;

Fig. 4 das elektrische Ersatzschaltbild zur Erläute-,Q rungsdarstellung der Fig. 3;

Fig. 5 die Abhängigkeit zwischen Strom und Laserausgangsleistung der Halbleiterlaser nach den Fig. 1 oder 2 mit der Temperatur als Parameter;

Fig. 6 die Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers ;

Fig. 7 die Schnittdarstellung eines zweiten Ausfü-

rungsbeispiels des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers.

Ein spezielles Merkmal des in Fig. 6 gezeigten erfindungsgemäßen Halbleiterlasers besteht in den vierten Halbleiterschichten 13 der ersten Leitfähigkeitstype, die zwischen dem Halbleitersubstrat 1 der ersten Leitfähigkeitstype und einer ersten Halbleiterschicht der zweiten Leitfähigkeitstype formiert sind. Diese vier- * ten Halbleiterschichten 13 haben eine geringere Ladungsträgerdichte als die erste Halbleiterschicht 3 und bestehen aus n-InP. Der Thyristoraufbau der p-n-pn-Schichtung aus der dritten Halbleiterschicht 9, den zweiten Halbleiterschichten 4, den ersten Halbleiterschichten 3, den vierten Halbleiterschichten 13 und dem Halbleitersubstrat 1 nahe der aktiven Schicht 7 läßt sich deshalb weder bei tiefen noch bei hohen

Temperaturen zur Führung des inaktiven Stromes I_c einschalten. Damit wird eine wirksame und stabile Laserleistungsabgabe aufgrund des zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 2 und 10 fließenden Stroms erzielt. Der Grund dafür besteht in folgendem: da die Ladungsträgerdichte der vierten Halbleiterschichten 13 niedriger als die der ersten Halbleiterschichten 3 ist, denen die vierten gegenüberstehen, ist die Zahl der in die ersten Halbleiterschichten 3 durch einen Leckstrom I„ injizierten Elektronen klein. Da außerdem die injizierten Elektronen sich mit Löchern der ersten Halbleiterschichten 3 kombinieren, kommt praktisch kein 5 Elektronenfluß zu den zweiten Halbleiterschichten 4 zustande, so daß die Energiebarriere der zweiten Halbleiterschichten 4 nicht geschwächt wird»

Es wird nun ein spezielles Beispiel der erfindungsgemäßen Laservorrichtung beschrieben. In diesem Beispiel hat das Halbleitersubstrat eine Ladungsträgerdichte von

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7 χ 10 /cm³, die vierten Halbleiterschichten 13 eine

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Ladungsträgerdichte von 2x10 /cm³, die ersten Halbleiterschichten 3 eine Ladungsträgerdichte von

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1 χ 10 /cm³ und eine Dicke von 1,8 μπι, die zweiten Halbleiterschichten 4 eine Ladungsträgerdichte von

1 R
2 x 10 /cm³ und eine Dicke von 0,7 μΐη, die dritte Halbleiterschicht 9 eine Ladungsträgerdichte von

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8 χ 10 /cm³ und die aktive Schicht 7 eine Dicke von

2 umV Es wurde die Abhängigkeit des Stroms gegenüber der Laserabgabeleistung bei wechselnden Umgebungstemperaturen (der Wärmesenkentemperatur) gemessen. Bei dieser Messung ließ sich keine Sättigung feststellen, bis die Temperatur 80⁰C erreicht hatte. Die Laser-Oszillation erwies sich als stabil. Eine Berechnung nach dem elektrischen Ersatzschaltbild der Fig. 4 bei den oben beschriebenen Bedingungen hat ergeben, daß,

wenn im aktiven Bereich ein Strom I von 100 mA fließt, der Leckstrom Ig etwa 10 mA beträgt und dieser die Oszillationseigensk,haft kaum beeinflußt. Dies stimmt mit den Versuchsergebnissen überein.

Es wurden eingehende Versuche angestellt, wobei auch zahlreiche Halbleiterlaser mit einem Aufbau nach Fig.6 2Q hergestellt wurden. Wenn, wie bei herkömmlichen Lasern, die zweiten Halbleiterschichten 4 eine Dicke von 0,5 μΐη, die ersten Halbleiterschichten 3 eine Dicke von 1,5 μπι, die zweiten Halbleiterschichten 4 eine Ladungsträger-

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dichte von 2x10 /cm³ und die dritte Halbleiter-

1 7 !5 schicht 9 eine Ladungsträgerdichte von 8 χ 10 /cm³ aufwies und wenn die Ladungsträgerdichte der ersten

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Halbleiterschichten 3 5x10 /cm³ oder mehr und zusätzlich die Ladungsträgerdichte der vierten Halblei-

1 7 terschichten 13 weniger als 5 χ 10 /cm³ betrugt, stellte sich kein großer Leckstrom ein, und Sättigung in der Charakteristik von Strom zu Laserausgangsleistung war nicht feststellbar.

Fig. 7 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Laservorrichtung. Diese wurde durch Abwandlung des BH-Halbleiterlasers nach Fig. 2 in folgender Weise gewonnen: zwischen dem Halbleitersubstrat 1 und den ersten Halbleiterschichten 3 wurden vierte Halbleiterschichten der ersten Leitfähigkeits-"typ·² eingefügt, deren Ladungsträgerdichte geringer als die der ersten Halbleiterschichten 3 war. Der so aufgebaute Laser wies eine stabile Laser-Oszillation auch bei hohen Temperaturen auf, wie es sich beim ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 gezeigt hat.

Bei den beschriebenen Beispielen diente als Material für das Halbleitersubstrat 1 und die erste bis sechste Halbleiterschicht 2, 4, 9, 13, 6 und 11 InP, während die aktive Schicht 7 durch InGaAsP gebildet wurde, doch ist die Erfindung auf diese Materialwahl nicht beschränkt. Halbleiterlaser, in denen Verbindungen von Elementen der dritten bis fünften Gruppe des periodisehen Systems verwendet werden, können dieselben Ergebnisse erbringen.

Bei einem Halbleiterlaser mit schmalem aktivem Bereich werden demnach vierte Halbleiterschichten der ersten Leitfähigkeitstype mit einer Ladungsträgerdichte, die geringer als die der benachbarten ersten Halbleiterschichten der zweiten Leitfähigkeitstype sind, zwischen dem Halbleitersubstrat der ersten Leitfähigkeitstype und den ersten Halbleiterschichten, denen der

aktive Bereich benachbart ist, gebildet. Damit läßt
sich auch bei hohen Temperaturen eine stabile Laseroszillation erzielen.

Claims

38 852 MITSUBISHI DENKI KABUSHIKI KAISHA Tokyo / Japan 5 Halbleiterlaser 10 Patentansprüche

1. Halbleiterlaser, bestehend aus einem Halbleitersubstrat einer ersten Leitfähigkeitstype, wenigstens einer ersten Halbleiterschicht einer zweiten Leitfähigkeitstype, die oberhalb des Halbleitersubstrats formiert ist, einer aktiven Schicht der ersten oder zweiten Leitfähigkeitstype, die derart formiert ist, daß sie mit Teilen von Seitenflächen der ersten Halbleiterschicht in Berührung ist,
wobei die aktive Schicht ein relativ enges Leitungsband hat, wenigstens einer zweiten Halbleiterschicht der ersten Leitfähigkeitstype, die auf der ersten Halbleiterschicht formiert ist, einer dritten Halbleiterschicht, die wenigstens auf der aktiven Schicht derart formiert ist, daß
sie mit Teilen der Seitenflächen der ersten Halbleiterschicht und mit Seitenflächen der zweiten Halbleiterschicht in Berührung ist, gekennzeichnet durch wenigstens eine vierte Halbleiterschicht (13) der ersten Leitfähigkeitstype, deren Ladungsträgerdichte niedriger als die

der ersten Halbleiterschicht (3) ist und die zwischen dem Halbleitersubstrat (1) und der ersten Halbleiterschicht (3) formiert ist.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht (7) in einer Nut ausgebildet ist, die in die erste und die zweite Halbleiterschicht (3, 4) eindringt und diese in zwei Teile zertrennt.

3. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Halbleiterschicht (3, 4) zu bei-

-^q den Seiten der aktiven Schicht (7) auf dem Halbleitersubstrat formiert sind.

4. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (1) aus n-InP, die zweite und die

-L 5 vierte Halbleiter schicht (3) aus n-InP, die erste und die dritte Halbleiterschicht (3,9) aus p-InP und die
aktive Schicht (7) aus n-InGaAsP oder p-InGaAsP bestehen.

5. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Halbleiterschicht (3) eine Ladungsträgerdichte

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von mindestens 5x10 /cm³ und die vierte Halbleiterschicht eine Ladungsträgerdichte von wenigstens
5 χ 10¹⁷/cm³ haben.

6. Halbleiterlaser mit einem Substrat einer ersten Leitfähigkeitstype, einer ersten und einer zweiten Halbleiterschicht einer zweiten bzw. ersten Leitfähigkeitstype, die auf dem Substrat abgelagert sind, einerakti- "venSchicht, die die erste und die zweite Schicht wenigstens teilweise zerteilt und mit ihren Innenseiten mit der ersten Schicht in Berührung ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Halbleiterschicht (13) zwischen das Substrat (1) und die erste Halbleiterschicht

(3) eingelagert ist, die eine Ladungsträgerdichte hat, die geringer als diejenige der ersten Halbleiterschicht (3) ist.