DE3415576A1 - Halbleiterduennschichtlinse - Google Patents

Halbleiterduennschichtlinse

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DE3415576A1 DE19843415576 DE3415576A DE3415576A1 DE 3415576 A1 DE3415576 A1 DE 3415576A1 DE 19843415576 DE19843415576 DE 19843415576 DE 3415576 A DE3415576 A DE 3415576A DE 3415576 A1 DE3415576 A1 DE 3415576A1
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Description

Die Erfindung betrifft eine aus Halbleitern gebildete Dünnschichtlinse und insbesondere eine Dünnschichtlinse, die zum Verdichten bzw. Sammeln eines Laserlichts geeignet ist, das von einem Halbleiterlaser emittiert wird.
Im allgemeinen ist das von einem Halbleiterlaser emittierte Licht ein asymmetrisches elliptisches Strahlenbündel mit einem großen Ausbreitungswinkel von 30° bis 60 in einer Richtung senkrecht zur Verbindungsfläche und von 4 bis 10 in einer Richtung parallel zur Verbindungsfläche. Wenn daher das Lichtstrahlenbündel aus einem Halbleiterlaser beispielsweise direkt an einen Lichtwellenleiter oder einen Lichtleiter angeschlossen wird/ist der Ankopplungswirkungsgrad beträchtlich vermindert. Daher wurde bisher ein Ankopplungssystem verwendet, wie es in den Fig. IA und IB der beiliegenden Zeichnung gezeigt ist. Fig. 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Ankopplungssystems und Fig. IB
VII/13
Dresdner Bank (München) KIo. 3939 844 Bayer Voreinsbank (München) Kto. 508 941
Postscheck (München) Kto 6?f' -'3 Φ'·
- 5 - DE 3898
zeigt eine Grundrißansicht des Ankopplungssysterris. Das von einem Halbleiterlaser 1 emittierte asymmetrische Strahlenbündel 4 wird zu einem symmetrischen Strahlenbündel 4' durch eine Zylinderlinse 2 mit sehr kleiner Abmessung gemacht und zu dem Lichtleiter 3 geleitet. Die Bezugsziffer 5 bedeutet einen Kühlkörper und die Bezugsziffer 6 bezeichnet einen Träger. Um einen ausreichenden Ankopplungswirkungsgrad in einem solchen Ankopplungssystem zu erreichen , müssen die optischen Achsen der Linse und des Lichtleiters genau mit dem Lichtstrahlenbündel zusammenfallen.
Jedoch ist der Durchmesser der Zylinderlinse mit sehr kleinem .Durchmesser nur etwa 0,2 bis 0,3 mm und der Ankopplungswirkungsgrad wird durch eine Abweichung der' optischen Achsen erheblich vermindert und dies führt zu dem Nachteil, daß die Lageeinstellung der Linse sehr schwierig ist.
Wenn eine Linse in e-ine integrierte optische Schaltung unter Einschluß eines Halbleiterlasers oder dergleichen eingebaut werden soll, ist die Justierung bzw. Einstellung seiner optischen Achse und die Befestigung der Linsen schwierig, was dazu geführt hat, daß die Integration behindert ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Halbleiterdünnschichtlinse in der Weise zu verbessern, daß sie kompakt aufgebaut ist und die Lageeinstellung bezüglich des einfallenden Lichtes einfach ist.' Ferner.soll eine Halblßiterdünnschichtlinse geschaffen werden, die mit einem Halbleiterelement integriert werden kann.
Die Aufgabe wird mit der im kennzeichnenden Teil vom Patentanspruch 1 spezifizierten Halbleiterdünnsehichtlinse gelöst.
Die erfindungsgemäße Halbloiterdünnschichtlinse besteht aus einem Halbleiter A und einem Halbleiter B, die alternierend mit Dicken aufgeschichtet sind, die ausreichend kleiner als die der Breite des verbotenen Bandes des Halbleiters A entsprechenden Wellenlänge sind, wobei die Halbleiter A und B die folgenden Bedingungen erfüllen:
A ^ B' gA gB'
worin E . die Breite des verbotenen Bandes des Halbleiters A, n. der Brechungsindex des Halbleiters A, E die Breite des verbotenen Bandes des Halbleiters B und n„
der Brechungsindex des Halbleiters B ist.
15
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Die Fig. IA und IB zeigen schematisch ein optisches System unter Verwendung einer herkömmlichen Zylinderlinse mit sehr kleinem Durchmesser.
Die Fig. 2A und 2B zeigen den Aufbau einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Halbleiterdünnschichtlinse.
Die Fig. 3A und'3B zeigen die Verunreinigungs-Dotierungsmenge und den Brechungsindexgradienten bei der ersten Ausführungsform.
30
Fig. 4 ist eine schematische Ansicht eines Anwendungsfalls der ersten Ausführungsform für die Strahlenbündelformung des Laserlichtes aus einem Halbleiterlaser.
Fig. 5 zeigt den Aufbau einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgernäßen Halble iterdünnschi chtl inse .
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Fig. 6 zeigt eine schematiche Ansicht eines AnwcndungK-falls, bei der die erfindungsgemäße Halbleiterdünnschichtlinse auf dem gleichen Substrat wie der Halbleiterlaser ausgebildet ist.
5
Fig. 2A und 2B zeigen schematise!! den Aufbau der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform, wobei die Fig. 2A eine Seitenansicht und die Fig. 2B eine Vorderansicht ist. Eine Schicht 12 aus GaAs mit einer Dicke von 10 nm wird auf einem Substrat 11 aus GaAs gebildet und eine Schicht 13 aus Gan yAln „As mit einer Dicke von 3 nm wird hierauf ausgebildet. Ferner werden die Schichten 12 aus GaAs mit der gleichen Dicke wie die vorstehend erwähnte Schicht und die Schichten 13 aus Gan yAln „As mit der gleichen Dicke wie die vorstehend erwähnte-Schicht alternierend darauf ausgebildet, so daß insgesamt ein Schichtteil bzw. Schichtelernent mit einer Dicke von einigen pm bis zu 10 um und einigen jum darüber gebildet wird. Ferner wird Si in jede der Schichten 12 aus GaAs und der Sch.ichten 13 aus Gan Aln „As des
Schichtteils dotiert, wobei dessen Dotierungsmenge allmählieh, variiert wird, wodurch eine Halbleiterdünnschichtlinse 10 aufgebaut wird.
Bevor die Funktionsweise der Halbleiterdünnschichtlinse 10 beschrieben wird / wird das Verhalten des Halbleiterschichtelementes für den Fall beschrieben, bei der keine Dotierung erfolgt ist. Die nachstehende Tabelle 1 zeigt die Breite des verbotenen Bandes, den Brechungsindex und die Dicke der vorstehend beschriebenen Hallilei terschicht.
Brechungsindex
Breite des verbotenen Bandes (eV)
Dicke (nm)
Tabelle 1
GaAs-Schicht
3,655
1,428
10,0
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Al As-Schicht
Jj/ UjO
3,38
1,79
3,0
Falls die Breite des verbotenen Bandes, der 'Brechungsindex und die Dicke der Schicht 12 aus GaAs als E ., n. bzw.
Brechungsindex und
d. und 'die Breite des verbotenen Bandes, der
die
Dicke der Schicht 13 aus „ bezeichnet werden, sind die folgenden Bedingungen erfüllt:
Ga~ r,Al_ _As als E π, ηπ bzw.
U, / U, ο go rs
n,
gB' "A
(D
Auch die Dicken el. und d der einzelnen Schichten haben einen Wert νο,η einigen Zehntel bis einigen Hundertstel der Wellenlängen ^. . (=1,24/E ., Einheit ^m) und /\
(=1,24/E _, Einheit μτα) , die den Breiten des verbotenen Bandes entsprechen.
Somit verlieren die Schichten 12 aus GaAs und die Schichten 13 aus Gan 7A1 „As> die mit den entsprechenden Dicken d. und du aufgeschichtet sind, welche ausreichend
dünner sind als
A'
ihre Halbleitereigenschaften und
verhalten sich annähernd wie ein homogenes Material, in welchem die Breite des verbotenen Bandes E1 = 1,464 eV und der Brechungsindex η ·- 3,58 beträgt. Das heißt es werden die folgenden Beziehungen aufgestellt:
gA
gB'
(2)
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und Licht mit einer geringeren Energie al:; K wird nicht absorbiert,sondern durch da."· Schi ch te leinen I aus den
GaAs-Schichten 12 und den Gan „AL. „As-Schichten 13 hindurchgelassen. Die vorliegende Ausführungsform ist dadurch aufgebaut worden, daß ein solches Schichtelement mit einem Brechungsindexgradienten oder einer Verteilung so ausgestattet wurde, daß eine Linsenwirkung für das Durchlaßlicht hervorgerufen wird.
Die Fig. 3A zeigt die Verteilung der Dotierungsmenge eines in die GaAs-Schichten 12 und die Gan 7A1Q „As-Schichten 13 dotierten Frerndstoffs Si in der z-Richtung der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform. Wenn die Dotierungsmenge des Fremdstoffs im Mittenbereich und im Randbereich des Schichtelementes allmählich variiert wird,· wie es in Fig. 3A gezeigt wird, wird sein Brechungsindex in seinem Mittenbereich allmählich höher und in seinem Randbereich allmählich niedriger, d. h. auf dem Substrat und den oberen Schichtseiten, wie es in Fig. 3B gezeigt ist. Demgemäß wird w.ie bei einem lichtkonvergierenden Leiter Licht mit einer geringeren Energie als Εγ, das durch die Halbleiterdünnschichtlinse hindurchgeht t in der y-Richtung in den Fig. 2A und 2B konvergiert, so daß sich in der z-Richtung eine Sinuskurve ergibt.
Wenn insbesondere die Dotierungsmenge von Si in der Schicht aus GaAs im Mittenbereich der Ilalble i terdünnschichtlinse 10 beispielsweise 6,7 χ 10 οΐτΓν und die
17 — 3
Dotierungsmenge in deren Randbereich 5,9 χ 10 cm beträgt, liegen die Brechungsindizes im -Mittenbereich und im Randbereich bei 3,73 bzw. 3,68 für ein Licht mit einer Energie von 1,5 eV. Somit kann durch allmähliches Variieren der Dotierungsmenge zwischen dem Mittenbereich und dem Randbereich eine ausreichende Linsenwirkung erzielt werden. Die in den Fig. 2A und 2B gezeigten Dicken sind in einem beliebigen Maßstab angegeben, wobei die
- If.» - DE 3898
Dicke der HaLbleiterdünnschichtlinse JO in der /,-Richtung D ist und S in Fig. 2B den Substratteil bezeichnet.
Jedoch wird die Beziehung zwischen der Menge des Dotierungsmittels und des Brechungsindex durch die Wellenlänge des angewandten Lichtes verändert und selbst wenn Si bei Licht mit einer Energie von 1,4 eV verwendet wird, wird der Brechungsindex höher, sobald die Dotierungsmittelmenge kleiner wird. Eine solche Beziehung ist bei Halbleiterelementen allgemein bekannt und es ist daher notwendig, daß die Verteilung der Dotierungsmitte lmenge entsprechend den Anforderungen an die hergestellte Linse und der verwendeten Wellenlänge eingestellt wird. Das Dotierungamittel ist nicht auf Si beschränkt, welches eine Verunreinigung bzw. ein Störstoff' vom η-Typ ist, sondern es kann auch eine andere Verunreinigung vom η-Typ oder Be verwendet werden, das eine Verunreinigung vom p-Typ ist.
Die Schichten 12 aus GaAs und die Schichten 13 aus Gan r,Aln „As und die vorstehend beschriebene Ausführungsform können durch Aufwachsen von Dünnschichtkristallen unter Anwendung der Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder der Gasphasenepitaxie (VPE) gebildet werden, wie es für die Herstellung eines Halbleiterelements bekannt ist. Die Dotierung kann in diesem Falle durchgeführt werden, indem man eine Verunreinigung mit der Atmosphäre vermischt und je nachdem in welchem Bereich (Mittenbereich oder Randbereich) der Halbleiterdünnschichtlinse die Kristallseh Lebten aufwachsen , werden di-e Waehstumsbedingungen (beispielsweise im Falle von MBE die Temperatur der Zellen, welche den Molekularstrahl von Bi erzeugen) variiert, wodurch die gewünschte Dotierungsmengenverteilung erhalten wird, wie sie in Fig. 2A gezeigt ist.
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Die Halbleiterdünnschichtlinse gernäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform kann in der in Fig. 4 gezeigten Weise verwendet werden. Das au:; einem Halbleiterlaser -15 ausgesandte asymmetrische Strahlenbündel tritt in die Halbleiterdünnschichtlinse 10 ein und wird lediglich in der z-Richtung einer Konvergenzwirkung ausgesetzt. Demgemäß wird durch geeignete Wahl der Linsenlänge 1 der Divergenzwinkel des Strahlenbündels in der z-Richtung mit dem Diverge.nzwinkel des Strahlenbündels in der x-Richtung gleichgemacht, so daß das aus dem Halbleiterlaser ausgesandte asymmetrische Strahlenbündel geformt werden kann und als ein symmetrischer Zirkularstrahlenbündel 16 herauskommt. Das auf diese Weise durch die Dünnschichtlinse hindurchtretende Licht kann mit einem Lichtleiter oder mit einem Dünnschichtwellenlei-' ter optisch angekoppelt werden. Die Halbleiterdünnschichtlinse gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird auf einem Substrat unter Verwendung der bei Halbleiterelementen üblichen Herstellungstechnik hergestellt und kann daher sehr kompakt und genau geformt werden und die Einstellung seiner optischen Achsen kann in einfacher Weise durchgeführt werden, indem die Lagebeziehung zwischen . dem Substrat und dem Halbleiterlaser justiert wird.
Bei der Halbleiterdünnschichtlinse 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform können Beugungsgitter 14 an den gegenüberliegenden Enden der Linse vorgesehen sein, wie es in de'r Fig. 2B gezeigt ist, um die Linse ferner in der x-Richtung mit einer Linsenwirküng auszustatten, jedoch sind die Beugungsgitter 14 nicht immer notwendig, wenn die Linsenwirkung nur in der z-Richtung ausreicht.
Fig. 5 ist eine schematische Seitenansicht, die den Aufbau einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform
- 1." - DE 3898
zeigt. Bei dieser Ausführung; Γυπιι werden im wcGcnl L i ohen in ähnlicher Weise wie bei der ersten Ausführungsform Schichten 22 aus GaAs und .schichten 23 aus Oan νΛ1π As auf einem Substrat 21 aus GaAs alternierend aufgeschichtet, wodurch eine Dünnschichtlinse 20 mit insgesamt einer Dicke von einigen pm bis zu 10 ,um und einigen μτη darüber gebildet wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist jedoch keine Verunreinigung in die Halbleiterschichten dotiert und ein Brechungsindexgradienh mit einer Linsenwirkung wird erhalten, indem die Dicke jeder Halbleiterschicht allmählich variiert wird. Auch bei dieser Ausfuhrungsform erfüllt jede Halbleiterschicht die Formel (1) und die Dicken dA1, dA2, ... dAn+1, dßl, dß2,
... dn der einzelnen Schichten haben einen Wert von ün ·
einigen Zehntel bis einigen Hundertstel von Λ , oder· A „. Wie bei der ersten Ausführungsform läßt demgemäß die Dünnschichtlinse gemäß der vorliegenden Ausführungsform Licht mit einer geringeren Energie als ein vorneroestimrnter Pegel hindurch, jedoch wird der effektive Brechungsindex in der .z-Richtung durch eine Variation in der Dicke der Halbleiterschichten verändert und die Dünnschichtlinse als Ganze verhält sich wie eine Substanz, die einen bestimmten Brechungsindexgradienten aufweist.
Durch allmähliche Variation der Dicken dA = 2,5 nm und d-,. = 2,8 nm der Halbleiterschichten nahe dem Substrat und der Dicken cL, = 5,3 nm und d = 7,3 nm der Halbleiterschichten im Mittenbereich wird ein effektiver Brechungsindex von 3,22 in der Nähe des Substrats und ein effektiver Brechungsindex von 3,48 in der Nähe des Mittenbereichs für eine Lichtenergie von 1,5 eV erhalten. In ähnlicher Weise wird durch allmähliche:;·. Variieren der Dicken d. , - 2,5 nm und d„ --= 2,8 nm der HaLb-
An+1 Bn
leiterschichten im oberen Endbereioh der Diinnseh i chtlinse ein effektiver Brechungsindex von 3,22 nahe dem
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1 oberen Endbereich erhalten. In gleicher Wci:;e hat die Halbleiterdünnschichtlinse gemäß der vorl Legenden Ausführungsform wie bei der ersten Au:;führungr,iOrm einen Brechungsindexgradienten in der z-Riehtung, wie es in Fig. 3B gezeigt ist, und das durch diene Dünnsohiehtlinse in der y-Richtung hindurchgehende Licht wird in der z-Richtung konvergiert.
Die Halbleiterdünnschichtlinse gemäß dieser Ausführungsform wird wie bei der ersten Ausführungsform durch Aufwachsen von Halbleiterschichten in Form von Dünnschichtkristallen auf dem Substrat unter Verwendung von MBE oder VPE gebildet. Die Dicke jeder Halbleiterschicht kann beispielsweise im Falle von MBE im Angstromberei ch durch Einstellung der Wachstumszeit genau reguliert werden.
Die vorliegende Ausführungsform kann ferner in Kombination mit einem Halbleiterlaser verwendet werden, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Obwohl bei der vorliegenden Ausführungsform ein Beispiel gezeigt ist, bei der keine Dotierung erfolgt ist, kann der Brechungsindexgradient unter Verwendung der bei der ersten Ausführungsform beschriebenen Dotierung in Kombination mit der Variation des Brechungsindex durch Einstellung der Schichtdicke, steil gemacht werden und somit kann eine Linse mit einer kürzeren Linsenlänge 1 erhalten werden.
Die in der ersten und zwei.ten Ausführung:; Turm j^e/.ei^ten erfindungsgemäßen Halbleiterdünnschicht1inaen können monolithisch mit einem Halbleiterlaser zusammengebaut werden. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, kann beispielsweise ein gewöhnlicher Halbleiterlaser 35 aus GaAs-GaAlAs auf einem Substrat 31 aus GaAs unter Verwendung der bei Halbleitern üblichen Herstellungstechnik hergestellt werden und dieser Halbleiterlaser wird maskiert, wonach die
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Schichten 32 aus GaAs und die Schichten 33 aus Gan -Aln QAs alternierend auf dem gleichen Substrat aufgeschichtet werden und danach wird die Maske entfernt, wodurch eine Halbleiterdünnschichtlinse 30 gebildet wird. Der Halbleiterlaser 35 und die Halbleiterdünnschichtlinse 30 werden miteinander als eine Einheit ausgebildet und daher ist die gegenseitige Lageeinstellung unnötig und ein kompaktes Lichtquellensystem, das ein symmetrisches Strahlenbündel aussendet, wird aufgebaut. Ferner kann ein Lichtwellenleiter oder dergleichen auf dem gleichen Substrat hybrid aufgebaut werden, wodurch es als ein integriertes, optisches Verbindungselement Anwendung findet.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausfiihrungsformen sind· GaAs und GaAlAs als Halbleiter verwendet worden, jedoch kann die erfindungsgemäße Halbleiterdünnschichtlinse auch unter Verwendung einer Vielzahl von Zusammensetzungen bzw. Konglomeraten von anderen Halbleitern der Gruppe III-V oder Halbleitern der Gruppe H-VI aufgebaut werden.
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Claims (9)

Patentansprüche ■■' ■
1. Halbleiterdünnschichtlinse, gekennzeichnet durch
einen Schicht- bzw. Laminatteil aus einem Halbleiter A
und einem Halbleiter B, die alternierend aufgeschichtet sind, wobei die Halbleiter A und B die folgenden Bedin-
20 gungen erfüllen:
nA>
worin E . die Breite des verbotenen Bandes des Halbleiters A, n. der Brechungsindex des Halbleiters A, E
die Breite des verbotenen Bandes des Halbleiters B und nß der Brechungsindex des Halbleiters B ist, wobei die Dicken der Schichten des Halbleiters A bzw. des Halbleiters B ausreichend kleiner sind als die Wellenlänge, die der Breite des verbotenen Bandes des Halbleiters A entspricht, wobei verschiedene Verunreinigungs- bzw. Störstoffmengen in den einzelnen Schichten dotiert sind, so daß der Schichtteil als Ganzes einen Brechungsindexgradienten aufweist, der eine Linsenwirkung hervorruft.
VII/13
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2. HalbleiterdUnnschichtlinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter A und der Halbleiter B aus GaAs bzw. Gan -Aln As bestehen.
3. Halbleiterdünnschichtlinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verunreinigung Si ist.
4. Halbleiterdünnschichtlinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterdünnschichtlinse auf dem gleichen Substrat wie ein Halbleiterlaser ausgebildet ist und daß ein von einem Halbleiterlaser emittiertes Laserlicht in die Halbleiterdünnschichtlinse eintritt.
5. Halbleiterdünnschichtlinse gekennzeichnet durcheinen Schichtteil aus einem Halbleiter A und einem Halbleiter B, die alternierend aufgeschichtet sind, wobei die Halbleiter A und B die folgenden Bedingungen erfüllen:
. nA> v
worin E . die Breite des verbotenen Bandes des Halbleiters A, n. der Brechungsindex des Halbleiters A, E die Breite des verbotenen Bandes des Halbleiters B und n_ der Brechungsindex des Halbleiters B ist, wobei die Dicken der Schichten des Halbleiters A bzw. des Halbleiters B ausreichend kleiner sind als diejeriige Wellenlänge, die der Breite des verbotenen Bandes des Halbleiters A entspricht, wobei die Schichten des Halbleiters A und die Schichten des Halbleiters B mit verschiedenen Dicken gebildet sind, wodurch der . Schichtteil einen Brechungsindexgradienten aufweist, der eine Linsenwirkung hervorruft.
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6. Halbleiterdünnschichtlinse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke jeder Schicht des Halbleiters A und des Halbleiters B im Mitten be reich des Schichtteils größer ist und zu dem Randbereich des
Schichtteils allmählich kleiner wird.
7. Halbleiterdünnschichtlinse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter A und der Halbleiter B aus GaAs bzw. Gan r,Al As bestehen.
8. Halbleiterdünnschichtlinse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterdünnschichtlinse auf dem gleichen Substrat wie ein Halbleiterlaser ausgebildet ist! und daß ein aus dem Halbleiterlaser ausgesandtes Laserlicht in die Halbleiterdünnschichtlinse ein-, tritt.
9. Halbleiterdünnschichtlinse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verunreinigung in den Schichten des Halbleiters A und des Halbleiters B dotiert ist und daß deren Verunreinigungsmenge im Mittenbereich der Halbleiterdünnschichtlinse größer ist und allmählich zum Randbereich der Halbleiterdünnschichtlinse abnimmt.
DE19843415576 1983-04-28 1984-04-26 Halbleiterduennschichtlinse Granted DE3415576A1 (de)

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