DE3587702T2 - Halbleiterlaser. - Google Patents

Halbleiterlaser.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser mit einer Doppelheterostruktur auf einem Streifenkanalsubstrat.
  • Es sind Halbleiterlaser für Laseroszillation bei kurzen Wellenlängen des sichtbaren Lichts bekannt.
  • Bei der Herstellung der inneren Streifengeometriestruktur eines Halbleiterlasers für Laseroszillation bei einer kurzen Wellenlänge wird die erste Deckschicht dazu verwendet, den Kanal in dem Substrat auf zufüllen, was zu einigen Nachteilen führt.
  • Fig. 1 der zugehörigen Zeichnungen zeigt einen VSIS-(V-shaped channel substrate inner stripe)-Halbleiterlaser mit einer ebenen aktiven Schicht, der in TGED 81-42, 31 (Juli 1981) IECE Japan, beschrieben ist und ein p-GaAs-Substrat 11, eine n-GaAs-Stromsperrschicht 12, eine p-Ga1-yAlyAs-Deckschicht 13, eine p-Ga1-xAlx- As-aktive Schicht 14, eine n-Ga1-yAlyAs-Deckschicht 15 und eine n- GaAs-Abdeckschicht 16 aufweist. Der V-förmige Kanal 17 dient als leitfähiger Bereich. Damit dieser VSIS-Laser mit einer inneren Streifengeometriestruktur Laseroszillationen bei einer Wellenlänge von 750 nm oder weniger ausführt, muß das Molverhältnis y von AlAs zu GaAs in den Deckschichten 13 und 15 0,6 oder mehr betragen. Wenn das Molverhältnis weniger als 0,6 beträgt, lecken Ladungsträger aus der aktiven Schicht 14 heraus in die Deckschichten 13 und 15, was zu einem Anstieg des Schwellenstroms und einer Abnahme in der Abhängigkeit des Schwellenstroms von der Temperatur führt. Insbesondere lecken Ladungsträger (d. h. Elektronen) in erheblichem Maße aus der aktiven Schicht 14 in die p-Deckschicht 13, so daß eine verhältnismäßig hohe Schwelle gesetzt werden muß, um solches Herauslecken von Elektronen in die p-Deckschicht 13 zu verhindern. Die Höhe der Schwelle hängt nicht nur von dem Molverhältnis y von AlAs zu GaAs, sondern auch von der Konzentration der positiven Löcher der p-Deckschicht 13 ab. Beispielsweise muß bei einer Konzentration der positiven Löcher von 5·10¹&sup7;cm&supmin;³ die Schwelle auf etwa 50 meV angehoben werden (d. h. eine Erhöhung der ursprünglichen Schwelle um 20%). Das bedeutet, daß die Konzentration der positiven Löcher in der p-Deckschicht 13 wenigstens 1·10¹&sup8;cm&supmin;³ betragen muß.
  • Um eine Konzentration der Ladungsträger (positive Löcher) von 1·10cm&supmin;³ oder mehr in der p-Ga1-yAlyAs-Deckschicht, wobei y größer als 0,6 ist, zu erhalten, wird vorzugsweise Mg als p-Verunreinigung verwendet, da der Zusatz von Mg in einer Konzentration von 0,3 Atomprozent oder mehr zur p-Deckschicht eine Ladungsträger-(positive Löcher)-Konzentration von 1·10¹&sup8;cm&supmin;³ oder mehr erzielt. Wenn jedoch das Ga1-yAlyAs in erheblichem Maße mit Mg dotiert wird, nimmt die Wachstumsgeschwindigkeit der Kristallschicht ab, da Mg eine Reduzierung des Diffusionskoeffizienten von As in der Ga-Lösung bewirkt. Insbesondere wenn Mg in einer Konzentration von 0,3 Atomprozent zu Ga1-yAlyAs, unter der Bedingung von y> 0,6, hinzugefügt wird, verlangsamt sich die Wachstumsgeschwindigkeit des Ga1-yAlyAs merklich, so daß, wie in Fig. 2 gezeigt, der Kanal 17 ungenügend mit der p-Deckschicht 13 gefüllt wird, was zu einer aktiven Schicht 14 mit einer konkav geformten Oberfläche führt, was transversale Schwingungsmoden höherer Ordnung induziert. Auch wenn die Wachstumsperiode der p-Deckschicht 13 während des Wachstumsvorgangs verlängert wird, ist die Bildung einer aktiven Schicht 14 mit einer ebenen Oberfläche recht schwierig. Auch wenn die Verlängerung der Wachstumsperiode zu einer ebenen Oberfläche der aktiven Schicht 14 führt, wird der Bereich der p-Deckschicht 13 an der Außenseite des Kanals 17 zu dick, um als Wellenleiter zu dienen. Wie oben erwähnt kann durch den Zusatz von Mg in der ausgewählten Konzentration zu der p-Ga1-yAlyAs-Deckschicht (y> 0,6) in herkömmlicher Weise, um eine Konzentration der positiven Löcher von wenigstens 1·10¹&sup8;cm&supmin;³ in der p-Deckschicht zu erhalten, keine gute Ausbeute von Halbleiterlasern mit guten Charakteristiken und guter Reproduzierbarkeit der Charakteristiken der Laser erzielt werden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Halbleiterlaser mit einer aus III-Halbleiterverbindungen gebildeten Doppelheterostruktur geschaffen, mit:
  • einem Substrat mit einem Streifenkanal;
  • einer aktiven Schicht zur Laseroszillation, die oberhalb des Substrats angeordnet ist;
  • einer Deckschicht, die aus III-V-Verbindungen mit Ga und As gebildet ist und die wenigstens in dem Bereich, der dem Streifenkanal zugewandt ist, in Kontakt mit der unteren Oberfläche der aktiven Schicht steht, wobei die aktive Schicht und die Deckschicht eine der Heterostrukturen bilden;
  • dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht mit wenigstens 0,3 Atomprozent Mg dotiert ist, und
  • daß eine Füllschicht, welche aus III-V-Verbindungen mit Ga und As gebildet ist, zwischen dem Substrat und der Deckschicht angeordnet ist, um den Kanal in dem Substrat aufzufüllen, wobei der Mg-Anteil der Füllschicht 0,2 Atomprozent oder weniger beträgt.
  • Vorzugsweise sind die aktive Schicht und die Deckschicht im wesentlichen eben ausgebildet.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung weist der Halbleiterlaser weiter eine Stromsperrschicht auf, die auf dem Substrat unterhalb der Füllschicht angeordnet ist und durch die der Streifenkanal hindurchreicht.
  • Daher löst die hier beschriebene Erfindung die Aufgabe, einen neuen und gut verwendbaren Halbleiterlaser für Laseroszillation bei kurzen Wellenlängen des sichtbaren Lichts zu schaffen, der eine Deckschicht mit ausreichender Ladungsträgerkonzentration aufweist, wodurch eine hervorragende Ausbeute und eine hervorragende Reproduzierbarkeit der Charakteristiken erreicht wird.
  • Zum besseren Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie sie ausgeführt werden kann, wird nun beispielhaft auf die zugehörigen Zeichnungen Bezug genommen, in denen
  • Fig. 1 eine Vorderansicht im Schnitt ist, die den grundlegenden Aufbau eines VSIS-Lasers zeigt;
  • Fig. 2 eine Vorderansicht im Schnitt eines VSIS-Lasers ist, wobei die aktive Schicht eine konkav geformte Oberfläche hat, und
  • Fig. 3 eine Vorderansicht im Schnitt eines erfindungsgemäßen Halbleiterlasers für Laseroszillation mit einer kurzen Wellenlänge des sichtbaren Lichts ist.
  • Der erfindungsgemäße Halbleiterlaser für Laseroszillation bei einer kurzen Wellenlänge des sichtbaren Lichts kann auf folgende Weise hergestellt werden:
  • Zunächst wird der Kanal in dem Substrat zum Kristallwachstum mit einer Füllschicht, die Mg in einer niedrigen Konzentration (z. B. 0,2 Atomprozent oder weniger) enthält, gefüllt bis die Oberfläche der Füllschicht eine Ebene bildet. Dann wird auf der Füllschicht eine Deckschicht, die ein Molverhältnis von 0,6 oder mehr von AlAs zu GaAs aufweist und Mg in einer höheren Konzentration (z. B. 0,3 Atomprozent oder mehr) als die Konzentration des Mg in der Füllschicht aufweist, mit einer ausgewählten Ladungsträgerkonzentration und einer ausgewählten Dicke auf gewachsen. Auf der Deckschicht wird eine ebene aktive Schicht aufgewachsen, woraus ein Halbleiterlaser für Laseroszillation bei einer kurzen Wellenlänge resultiert, der eine vielfach geschichtete Kristallstruktur aufweist. Da der Kanal zunächst mit einer Füllschicht, die Mg in einer niedrigen Konzentration enthält, aufgefüllt wird, verlangsamt sich die Wachstumsgeschwindigkeit der Füllschicht nicht, so daß der Diffusionskoeffizient von As der Kristallwachstumslösung auf einem bestimmten Wert gehalten werden kann und der Kanal damit schnell gefüllt werden kann, was zu einer Füllschicht führt, deren Oberfläche in einer verhältnismäßig kurzen Zeit eine Ebene bildet. Da der Mg-Anteil in der Wachstumslösung niedrig ist, tendiert der Kanal zu einem geringfügigen Wiederaufschmelzen, wodurch er sich leicht verformt, aber eine solche leichte Verformung des Kanals hat wenig Auswirkungen auf Laseroszillationen bei kurzen Wellenlängen. Da eine Deckschicht mit einem hohen Mg-Anteil und mit einer ausreichenden Ladungsträgerkonzentration auf der Füllschicht und anschließend eine ebene aktive Schicht auf der Deckschicht aufgewachsen ist, kann das Hinüberlecken von Ladungsträgern aus der aktiven Schicht in die Deckschicht verhindert werden, woraus eine Doppelheterostruktur resultiert, die Laseroszillation bei einer kurzen Wellenlänge ermöglicht. Der resultierende Halbleiterlaser weist einen niedrigen Schwellenstrom und eine hervorragende Reproduzierbarkeit der Temperaturcharakteristiken für die Laseroszillation auf. Weiterhin kann dieser Prozeß in einfacher Massenproduktion in kommerziellem Rahmen ausgeführt werden.
  • Das folgende, nicht beschränkende Beispiel dient zur weiteren Darstellung der Erfindung.
    • Beispiel
  • Fig. 3 zeigt einen VSIS-Halbleiterlaser für Laseroszillation bei einer kurzen Wellenlänge des sichtbaren Lichts von 700 nm oder weniger, der durch Flüssigphasenepitaxie nach einem Schiebeverfahren wie folgt hergestellt wurde:
  • Auf der (100)-Fläche eines Zn-dotierten p-GaAs-Substrats 11 (p = 1·10¹&sup9;cm&supmin;³) wurde eine Te-dotierte n-GaAs-Stromsperrschicht 12 (n = 3·10¹&sup8;cm&supmin;³) mit einer Dicke von 0,6 um durch Flüssigphasenepitaxie aufgewachsen, gefolgt von einem Ätzvorgang, um einen V-förmigen Streifenkanal 17 mit einer Breite von 4 um in (110)- Richtung zu bilden. Infolge der Bildung des V-förmigen Kanals 17 wurde der entsprechende Bereich der Stromsperrschicht 12 vom Substrat 11 entfernt, was einen elektrischen Strompfad mit Streifenstruktur darin zu Folge hat. Auf dem Substrat 11 mit dem Kanal 17 wurden aufeinanderfolgend eine p-Ga1-zAlzAs-Füllschicht 18 (z = 0,7; Mg-Anteil 0,06 Atomprozent), eine p-Ga1-yAlyAs-Deckschicht 19 (y = 0,8; Mg-Anteil 1,0 Atomprozent), eine p-Ga1-xAlxAs-aktive Schicht 14 (x= 0,3; Mg-Anteil 0,03 Atomprozent), eine n-Ga1-yAlyAs-Deckschicht 15 (y = 0,8, Te-Anteil 0,001 Atomprozent) und eine n-GaAs-Abdeckschicht 16 (Te-Anteil 0,003 Atomprozent) aufeinanderfolgend durch Flüssigphasenepitaxie aufgewachsen, um einen Vielfachtschicht-Kristall für Laseroszillation mit einer Doppelheterostruktur zu bilden. Das Molverhältnis von AlAs zu GaAs in den Kristallschichten erfüllt die folgenden Bedingungen: 0< x< z&le;y und 0,6&le;z&le;y< 1. Da der Mg-Anteil in der Füllschicht 18 klein war, war die Wachstumsgeschwindigkeit der Füllschicht 18 so hoch, daß der Kanal 17 innerhalb von etwa 60 Sekunden vollständig mit der Füllschicht 18 gefüllt werden konnte. Die Oberfläche der resultierenden Füllschicht 18 war eben. Beide Schenkelflächen des Kanals 17 wurden dabei geringfügig wieder aufgeschmolzen. Jeder der Bereiche der Füllschicht 18 zu beiden Seiten des Kanals 17 hat eine Dicke von 0,1 um. Die p-Deckschicht 19 wurde mit einer Dicke von 0,1 im, die p-aktive Schicht mit einer Dicke von 0,08 um, die n- Deckschicht mit einer Dicke von 1 um und die n-Abdeckschicht 16 mit einer Dicke von 1 um gebildet. Aufgrund eines hohen Mg-Dotierungsanteils zeigte sich eine Ladungsträgerkonzentration in der p-Deckschicht 19 von 3·10¹&sup8;cm&supmin;³, und die Schwelle für Elektronen aus der aktiven Schicht 14 zeigte eine Höhe von 230 meV, wodurch ein ausreichender Elektroneneinschluß in der aktiven Schicht 14 am Heteroübergang erreicht ist. Dann wurde eine p- Elektrode bzw. eine n-Elektrode auf dem Substrat 11 bzw. auf der Abdeckschicht 16 gebildet, was zu dem gewünschten VSIS-Halbleiterlaser führte. Wenn ein elektrischer Strom in den Halbleiterlaser injiziert wird, fließt Strom durch den Streifenkanal 17, der als elektrisch leitfähiger Bereich dient, und der Laserbetrieb startet in dem entsprechenden Bereich der aktiven Schicht 14. Der Kanal 17 wirkt als innere Streifenstruktur, in der der elektrische Strom konzentriert wird.
  • Der VSIS-Halbleiterlaser in diesem Beispiel erzielte Laseroszillation bei einer Wellenlänge im Bereich von 680 bis 700 nm bei einem Schwellenstrom, der im Mittel nur 70 mA betrug. Für den Laser betrug die Abhängigkeit des Schwellenstroms von der Temperatur nur 0,6 mA/ºC. Die meisten Halbleiterlasereinheiten in einem Wafer erreichten Laseroszillation bei einem Schwellenstrom von 100 mA oder weniger und waren überlegen hinsichtlich der Reproduzierbarkeit der Laseroszillation. Es ist bekannt, daß einige herkömmliche Halbleiterlaser kontinuierliche Wellenoszillation bei einer Wellenlänge von 683 nm erreichen, was die kürzeste Oszillationswellenlänge eines bekannten Halbleiterlasers ist (Appl. Phys-Lett., Band 41, Seite 796, 1982).
  • Bei dem VSIS-Halbleiterlaser dieses Beispiels war, obwohl der Mischkristall ein Mischungsverhältnis von 0,6 oder mehr aufweist, was extrem groß ist, die Konzentration der positiven Löcher so hoch wie etwa 1·10¹&sup8;cm&supmin;³, so daß das Schwellenstromniveau reduziert ist und die Reproduzierbarkeit der Charakteristiken verbessert werden können.
  • Der VSIS-Halbleiterlaser dieser Erfindung ist nicht beschränkt auf das GaAs-GaAlAs-System, sondern kann auch bei einem Material wie z. B. einem InP-InGaAsP-System oder einem GaAsSb-AlGaAsSb- System angewendet werden.

Claims (3)

1. Halbleiterlaser mit einer aus III-V-Halbleiterverbindungen gebildeten Doppelheterostruktur, mit:
einem Substrat (11) mit einem Streifenkanal (17);
einer aktiven Schicht (14) zur Laseroszillation, die oberhalb des Substrats (11) angeordnet ist; einer Deckschicht (19), die aus III-V-Verbindungen mit Ga und As gebildet ist und die wenigstens in dem Bereich, der dem Streifenkanal (17) zugewandt ist, in Kontakt mit der unteren Oberfläche der aktiven Schicht (14) steht, wobei die aktive Schicht (14) und die Deckschicht (19) eine der Heterostrukturen bilden;
dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (19) mit wenigstens 0,3 Atomprozent Mg dotiert ist, und
daß eine Füllschicht (18), welche aus III-V-Verbindungen mit Ga und As gebildet ist, zwischen dem Substrat (11) und der Deckschicht (19) angeordnet ist, um den Kanal (17) in dem Substrat (11) aufzufüllen, wobei der Mg-Anteil der Füllschicht (18) 0,2 Atomprozent oder weniger beträgt.
2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, wobei die aktive Schicht und die Deckschicht im wesentlichen eben ausgebildet sind.
3. Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder 2, welcher weiter eine Stromsperrschicht aufweist, die auf dem Substrat unterhalb der Füllschicht angeordnet ist und durch die der Streifenkanal hindurchreicht.
DE90118783T 1984-04-24 1985-04-23 Halbleiterlaser. Expired - Lifetime DE3587702T2 (de)

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