DE3531814C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterlaseranordnung mit einem Substrat, dessen sonst ebene Oberfläche eine Mehr­ zahl benachbarter, paralleler, streifenförmiger Kanäle aufweist, die sich zum Substrat hin so verengen, daß sich ein trapezförmiger Querschnitt ergibt, einer aktiven Schicht und Deckschichten, die an die aktive Schicht an­ grenzen, wobei sämtliche Schichten durch Molekularstrahl­ epitaxie oder durch Niederschlag metallorganischer Dämpfe gebildet sind und die gesamte Substratoberfläche bedecken.

Halbleiterlaseranordnungen, die bei der Verarbeitung von Informationen als Lichtquelle, beispielsweise für optische Scheiben, Laserstrahldrucker und dgl., eingesetzt werden können, werden in zunehmendem Umfange praktisch eingesetzt. Mit steigender Menge der zu verarbeitenden Informationen muß die Geschwindigkeit der Verarbeitung der Informationen erhöht werden. Parallel dazu müssen Halbleitlaseranordnungen entwickelt werden, welche eine höchstmögliche Ausgangs­ leistung ergeben unter Beibehaltung ihrer stabilisierten Arbeitscharakteristika. Halbleiterlaser, die einen einzi­ gen aktiven Bereich aufweisen und deren Entwicklung be­ reits am weitesten fortgeschritten ist, ergeben bei ihrem praktischen Einsatz bisher nur eine Ausgangsleistung von höchstens 50 mW.

Es sind auch bereits phasensynchronisierte Halbleiterlaseranordnungen (unter Einschluß von verstärkungsgeführten Laseranord­ nungen und indexgeführten Laseranordnungen) vorgeschlagen worden, in denen eine Vielzahl von Halbleiterlasern parallel zueinander angeordnet sind, um eine optische Phasenkopp­ lung zu erzielen, wobei man eine Laseranordnung erhält, die eine große Ausgangsleistung mit nur einer einzigen Pha­ se erzeugt.

Bei den herkömmlichen verstärkungsgeführten Halbleiterlaseranordnungen steigen jedoch die Lichtverluste mit abnehmender Ver­ stärkung im Phasenkopplungsbereich, der zwischen benachbar­ ten Laserarbeitsbereichen angeordnet ist, so daß eine Pha­ senverschiebung des elektrischen Feldes zwischen benachbar­ ten Laserarbeitsbereichen von bis zu 180° auftreten kann, die zu einem Fernfeldmuster führt, das mehrere Maxima auf­ weist, wie die Fig. 4 der beiliegenden Zeichnungen zeigt.

Um diese unerwünschten Phänomene der herkömmlichen verstär­ kungsgeführten Halbleiterlaseranordungen zu vermeiden, ist man dazu übergegangen, indexgeführte Halbleiterlaseranordnungen zu verwenden, wie sie in den nachstehenden Literaturstellen beschrieben sind.

Eine CSP-LOC-Halbleiterlaseranordnung (Channeled-Substrate Planar Large-Optical Cavity) wurde von D. Botez et al., RCA Laboratories, auf der Fourth International Conference on Integrated Optics and Optical Fiber Communication, Abstract 29B5-2, 27.-30. Juni 1983 in Tokyo, Japan, angegeben. Eine solche Anordnung hat jedoch den Nach­ teil, daß der Anteil des von dem GaAs-Substrat absorbier­ ten Laserlichts in Abhängigkeit vom Abstand der aktiven Schicht zum Mesa-Bereich des Substrats variiert. Wenn der Abstand zwischen der aktiven Schicht und dem Mesa-Bereich des Substrats klein ist, wird der Anteil des durch die GaAs-Substratschicht absorbierten Laserlichts so groß, daß die Laseranordnung keine hohe Ausgangsleistung liefern kann. Wenn dieser Abstand groß ist, liegt die für eine stabile Laserschwingung erforderliche Brechungsindex-Dif­ ferenz nicht vor. Deshalb ist eine Nullverschiebung in der optischen Phase zwischen benachbarten Laserarbeitsberei­ chen nicht erzielbar.

Die von D. E. Ackley, Hewlett-Packard Laboratories, in "Appl. Phys. Letters", 42 (2), Seiten 152-154 (Januar 1983), vor­ geschlagene Sattellaseranordnung hat den Nachteil, daß La­ serlicht in dem Bereich zwischen benachbarten Laserarbeits­ bereichen von der Elektrode stark absorbiert wird, was zu einer 180°-Phasenverschiebung zwischen benachbarten Laser­ arbeitsbereichen führt.

Eine weitere indexgeführte Halbleiterlaseranordnung, die eine ver­ grabene Laserstruktur aufweist, wurde von D. E. Ackley et al., Hewlett-Packard Laboratories, in "Appl. Phys. Letters", 39 (1), Seiten 27-29 (Juli 1981), vorgeschlagen. Diese Laseranordung arbeitet in verlustbehafteter Moden-Kopplung, woraus ein Fernfeldmuster resultiert, das zwei Maxima aufweist, obgleich sie in ihrem Phasenkopplungswirkungsgrad zwischen benachbarten Laserarbeitsbereichen hervorragend ist.

Weitere indexgeführte Halbleiterlaseranordungen sind bekannt aus dem "Journal of Luminexcence", 1984, Nr. 29, Seiten 123-161 und aus der EP 01 15 390 A 2. Letztere betrifft eine Halbleiterlaseranordung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit einer Vielzahl von aneinandergrenzenden, auf einem Substrat aufgebrachten Halbleiterschichten, von denen eine aktive Bereiche enthält, in denen eine Ladungsträgerrekombination und eine Lichterzeugung auftritt, wobei jeder aktive Bereich eine Kombination aus einem indexgeführten und einem verstärkungsgeführten Bereich ist. In diesem Falle sind jedoch keine laseraktiven Bereiche über den Mesa-Bereichen vorhanden.

Aufgabe der Erfindung war es nun, eine Laserhalbleiteranordnung mit Indexführung zu schaffen, in der leicht eine optische Kopplung auftritt und die bei kleinen Verlusten im 0°-Mode arbeitet.

Es wurde gefunden, daß diese Aufgabe gelöst wird durch eine Halbleiterlaseranordnung mit dem ein­ gangs genannten Aufbau, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie indexgeführt ist, die Oberflächen aller Schichten parallel zur Substratoberfläche sind und daß laseraktive Streifen am Boden der Kanäle und auf den Mesa-Bereichen zwischen den Kanälen gebildet sind, wobei benachbarte laser­ aktive Streifen durch geneigte streifenförmige Bereiche der aktiven Schicht, die zu den Wänden der Kanäle parallel ver­ laufen, optisch phasengekoppelt sind.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Dicke der laseraktiven Streifen größer als die Dicke der ge­ gen die Substratoberfläche geneigten streifenförmigen Berei­ che.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die er­ findungsgemäße Halbleiterlaseranordnung gekennzeichnet durch eine Elektrode, welche die gesamte Oberfläche der Schichten­ folge bedeckt und durch eine Isolierschicht auf den Bereich beschränkt ist, in dem sich die laseraktiven Streifen be­ finden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die er­ findungsgemäße Halbleiterlaseranordnung gekennzeichnet durch eine Elektrode, welche die gesamte Oberfläche der Schichtenfolge bedeckt und über Zn-diffundierte Streifen, die von der Oberfläche einer Kappenschicht in Richtung auf die benachbarten Streifen geformt sind, mit den laserakti­ ven Streifen in leitender Verbindung steht.

Mit der erfindungsgemäßen Halbleiterlaseranordnung ist es möglich, die Verluste an Laserlicht im Bereich zwischen be­ nachbarten Laserarbeitsbereichen auf ein Minimum zu verrin­ gern, wodurch eine optische Phasenkopplung zwischen benach­ barten Laserarbeitsbereichen bei einer Phasenverschiebung von 0° (0°-Mode) zwischen diesen erzielt wird.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Halb­ leiterlaseranordnung;

Fig. 2A eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der optischen Ausgangsleistung und dem Strom der Halbleiterlaseranordnung gemäß Fig. 1 zeigt;

Fig. 2B eine graphische Darstellung des Fernfeldmusters der Halbleiterlaseranordnung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Querschnittsansicht einer anderen erfindungsge­ mäßen Halbleiterlaseranordnung; und

Fig. 4 eine graphische Darstellung des Fernfeldmusters einer bekannten verstärkungsgeführten Halbleiterlaseranord­ nung.

Die in Fig. 1 gezeigte Halbleiterlaseranordnung weist ein n-GaAs-Substrat 1 auf, in dem eine Mehrzahl von steifenför­ migen Kanälen angeordnet ist, die eine Breite von 6 µm und einen Abstand von 9 µm aufweisen, die durch Photolitho­ graphie erzeugt worden sind. Ferner weist sie eine n-Ga_1-x Al _x -As-Deckschicht 2, eine aktive Ga_1-y Al _y As-Schicht 3, eine p-Ga_1-x Al _x As-Deckschicht 4 und eine p-GaAs-Kappenschicht 5 auf, die nacheinander unter Anwendung eines Molekular­ strahlepitaxie-Verfahrens so hergestellt worden sind, daß die Oberflächen dieser Schichten parallel zur Oberfläche des Substrats 1 verlaufen. An der Oberfläche des Bereichs der Kappenschicht 5, in dem sich keine streifenförmigen Bereiche 6 befinden, ist eine Isolierschicht 7 ausgebildet, die ihren elektrisch leitenden Bereich begrenzt. Darauf folgt eine die gesamte Oberfläche der auf das GaAs-Substrat aufgebrachten Schichten bedeckende Elektrode 8 sowie eine die rückwärtige Oberfläche des GaAs-Substrats 1 bedeckende Elektrode 9. Die dabei erhaltenen Plättchen werden auf ei­ ne Einheitsgröße zugeschnitten, die eine Breite von 300 µm aufweist mit streifenförmigen Bereichen 6 als mittleren Be­ reichen. Dann werden sie zerlegt, um Facetten für die Reso­ nanz zu erzeugen, wobei die gewünschte erfindungsgemäße Halbleiterlaseranordnung erhalten wird.

Da die Deckschicht 2, die aktive Schicht 3 und die Deck­ schicht 4 wie oben erwähnt durch Molekularstrahlepitaxie erzeugt worden sind, ist die wirksame Dicke jedes der laseraktiven Streifen 301 der aktiven Schicht 3, die der Oberfläche 10 des Substrats 1 entspricht, der oberen Fläche 11 jedes Mesa-Bereiches, der zwischen zwei benach­ barten streifenförmigen Kanälen ausgebildet ist, und der unteren Fläche 12 jedes streifenförmigen Kanals größer als die Dicke jedes geneigten streifenförmigen Bereichs 302 der aktiven Schicht 3, die den Seitenbereichen 13 der streifenförmigen Kanäle entspricht, was zu einer optischen Wellenführung in jedem der Bereiche der aktiven Schicht führt, der der oberen Schicht 11 jedes Mesa-Bereiches und der unteren Fläche 12 jedes streifenförmigen Kanals ent­ spricht. Wenn zwischen den Elektroden 8 und 9 ein Gleich­ strom angelegt wird, wird eine Laserschwingung in jedem der optischen Wellenführungsbereiche erzeugt. Ein Laser­ licht in dem einen optischen Wellenführungsbereich er­ reicht eine optische Phasenkopplung mit einem weiteren La­ serlicht in dem benachbarten optischen Wellenführungsbe­ reich durch die dünnen Bereiche 302 der aktiven Schicht 3, die den Seitenbereichen 13 der streifenförmigen Kanäle ent­ sprechen, so daß das von dem laseraktiven Streifen emittierte Licht kohärent ist.

Die Beziehung zwischen der optischen Ausgangsleistung und dem Strom und das Fernfeldmuster der oben erwähnten erfin­ dungsgemäßen Halbleiterlaseranordnung sind in den Fig. 2A und 2B jeweils graphisch dargestellt. Sie zeigen, daß ei­ ne optische Phasenkopplung zwischen benachbarten Laserar­ beitsbereichen mit einer Phasenverschiebung untereinander von 0° erhalten wird.

Die Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Halbleiterlaseranordnung, die auf die gleiche Weise wie vorstehend beschrieben hergestellt wurde. Auf einem n-GaAs-Substrat 21 ist eine Mehrzahl von streifenförmigen Kanälen angeordnet, die durch Photolithographie erzeugt worden sind, es sind eine n-Ga_1-x Al _x As-Deckschicht 22, eine aktive Ga_1-y Al _y As-Schicht 23, eine p-Ga_1-x Al _x As-Deckschicht 24 und eine n-GaAs-Kappenschicht 25 vorhanden, die nacheinan­ der durch Molekularstrahlepitaxie so hergestellt worden sind, daß die Oberfläche jeder dieser Schichten parallel zur Ober­ fläche des Substrats 21 verläuft. Auf der äußeren Oberflä­ che der so aufgebrachten Schichten bzw. auf der rückwärti­ gen Oberfläche des Substrats 21 sind Elektroden 28 und 29 angeordnet. Ferner ist ein streifenförmiger elektrisch leitender Bereich 34 vorgesehen, der aus einem Zn-diffun­ dierten Bereich mit p-Störstellen besteht und von der Ober­ fläche der Kappenschicht 25 in Richtung auf die laseraktiven Streifen geformt ist. Als Folge der räumlichen Beschränkung des elektrisch leitenden Bereiches 34, der in jedem der La­ serarbeitsbereiche ausgebildet ist, können Leckströme in je­ dem der dünnen Bereiche 232 der aktiven Schicht 23 wirksam auf ein Minimum herabgesetzt werden.

Obgleich vorstehend die aktive Schicht als einheitliche Schicht aus Ga_1-y Al _y As beschrieben worden ist, kann sie auch einen Mehrschichtenaufbau haben, der aus abwechselnden Schichten besteht, die aus etwa 10 Quantentopfschichten mit einer Dicke von einigen 10 Å und etwa 10 Sperrschichten mit einer Dicke von einigen 10 bis einigen 100 Å gebildet sind.

Die aufeinanderfolgende Erzeugung der Deckschicht, der ak­ tiven Schicht und der Deckschicht auf dem Substrat kann anstatt durch Anwendung eines Molekularstrahlepitaxie-Ver­ fahrens auch durch Niederschlag metallorganischer Dämpfe bewerkstelligt werden.

Claims (5)

1. Halbleiterlaseranordnung mit

• (a) einem Substrat (1; 21), dessen sonst ebene Oberfläche eine Mehrzahl benachbarter, paralleler, streifenförmi­ ger Kanäle aufweist, die sich zum Substrat hin so ver­ engen, daß sich ein trapezförmiger Querschnitt ergibt,
• (b) einer aktiven Schicht (3; 23) und Deckschichten (2, 4; 22, 24), die an die aktive Schicht (3; 23) angrenzen, wobei die Schichten (2, 3, 4; 22, 23, 24) durch Mole­ kularstrahlepitaxie oder durch Niederschlag metallor­ ganischer Dämpfe gebildet sind und die gesamte Sub­ stratoberfläche bedecken,

dadurch gekennzeichnet, daß

• (c) die Halbleiterlaseranordnung indexgeführt ist,
• (d) die Oberflächen aller Schichten (2, 3, 4; 22, 23, 24) parallel zur Substratoberfläche sind, und
• (e) laseraktive Streifen (301) am Boden (12; 32) der Kanä­ le und auf den Mesa-Bereichen (11; 31) zwischen den Ka­ nälen gebildet sind, wobei benachbarte laseraktive Streifen durch geneigte streifenförmige Bereiche (302; 232) der aktiven Schicht (3; 32), die zu den Wänden (13; 33) der Kanäle parallel verlaufen, optisch phasen­ gekoppelt sind.

2. Halbleiterlaseranordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Dicke der laseraktiven Streifen (301) größer ist als die Dicke der gegen die Substratoberfläche geneigten streifenförmigen Bereiche (302; 232).

3. Halbleiterlaseranordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Elektrode (8), welche die gesamte Oberfläche der Schichtenfolge bedeckt und durch ei­ ne Isolierschicht (7) auf den Bereich beschränkt ist, in dem sich die laseraktiven Streifen (301) befinden.

4. Halbleiterlaseranordnung nach Anspruch 1 oder 2, ge­ kennzeichnet durch eine Elektrode (28), welche die gesamte Oberfläche der Schichtenfolge bedeckt und über Zn-diffun­ dierte Streifen (34), die von der Oberfläche der Kappen­ schicht (25) in Richtung auf die laseraktiven Streifen (301) geformt sind, mit den laseraktiven Streifen (301) in leitender Verbindung steht.