DE3604293C2

DE3604293C2 -

Info

Publication number: DE3604293C2
Application number: DE3604293A
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-Phys. Dr. 7102 Weinsberg De Schairer
Original assignee: Telefunken Electronic GmbH
Current assignee: Telefunken Electronic GmbH
Priority date: 1986-02-12
Filing date: 1986-02-12
Publication date: 1990-12-20
Also published as: DE3604293A1; US4796268A

Description

Die Erfindung betrifft eine Heterostruktur-Halbleiterlaserdiode gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der DE-OS 29 42 204, insbesondere Fig. 1A ist ein Halbleiter-Licht verstärker bekannt, dessen Aufbau einer solchen Heterostruktur-Halbleiter laserdiode entspricht, wobei jedoch zur Verhinderung von Laser-Schwingungen durch interne, spontane Lichtemission die Stirnseiten jeweils mit einer Antireflex-Überzugsschicht aus SiO₂ versehen sind.

Bei dieser bekannten Struktur ist die an die obere Mantelschicht sich anschließende Deckschicht vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp wie diese Mantelschicht. Im Bereich der Symmetrieebene weist diese Deck schicht einen schmalen, durch Diffusion mit Zink erzeugten Streifen auf, der den gleichen Leitfähigkeitstyp wie die direkt darunterliegende Mantel schicht aufweist und dieselbe nahezu vollständig durchdringt, wodurch der in Durchlaßrichtung fließende Strom auf einen schmalen, streifenförmigen Bereich der laseraktiven Schicht eingeengt wird. Bei einer solchen bekannten Struktur besteht jedoch die Schwierigkeit, den Querschnitt dieses schmalen Diffusionsbereiches zu kontrollieren. Einerseits besteht bezüglich dessen Ausdehnung in die Tiefe der Mantelschicht die Gefahr, daß der Diffusionsbereich bis in die laseraktive Schicht vordringt, wodurch die Laseraktivität nicht mehr auf die laseraktive Schicht begrenzt wird. Anderer seits kann die in der Fig. 1A der oben genannten Druckschrift darge stellte exakte seitliche Begrenzung dieses Diffusionsbereiches praktisch nicht erzielt werden, sondern es ergibt sich eine gaußsche Form des Quer schnittes, mit der Folge, daß der durch diese Struktur fließende Strom nicht mehr auf einen schmalen, streifenförmigen Bereich der laseraktiven Schicht eingeengt wird. Hierdurch nehmen jedoch die transversalen Schwingungsarten zu und außerdem ergeben sich komplexe und instabile Fernfeld-Intensitäts teilungsmuster.

Im Stand der Technik ist jedoch kein Hinweis zu finden, wie der Bereich der Stromeinschnürung mittels dieses bekannten Diffusionsbereiches zu kon trollieren ist. Aus der oben genannten Druckschrift ist lediglich zu entnehmen, wie bei der als Lichtverstärker benutzten bekannten Struktur das Licht, das in Richtung der aktiven Schicht einfällt, auch in seitlicher Richtung begrenzt werden kann.

Deshalb liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Struktur für eine Halbleiterlaserdiode der eingangs genannten Art anzugeben, bei der der Bereich der Stromeinschnürung zur Begrenzung der Laseraktivität auf einen schmalen Streifen gut kontrollierbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Halbleiterlaserstruktur hat den wesentlichen Vorteil, daß eine Erhöhung des Wirkungsgrades erfolgt und ein Laser mit größerer Ausgangsleistung bei einer gleichzeitigen Verbesserung der Langzeitstabilität erzielt wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und sollen im folgenden näher beschrieben werden:

Fig. 1: Den Querschnitt einer Heterostruktur-Halbleiterlaserdiode mit dem durch Diffusion erzeugten schmalen Streifen 20.

Fig. 2: Den Querschnitt einer Heterostruktur-Halbleiterlaserdiode, bei dem die Schicht 2 im Bereich der Symmetrieebene durch Ätzen vertieft ist.

Fig. 3: Den Querschnitt einer Heterostruktur-Halbleiterlaserdiode, bei dem das Substrat im Bereich der Symmetrieebene durch Ätzen vertieft ist.

Fig. 4: Den Querschnitt einer Heterostruktur-Halbleiter laserdiode, bei dem das Substrat im Bereich der Symmetrieebene und an den Randzonen durch Ätzen vertieft ist.

Fig. 5: Die perspektivische Darstellung einer Hetero struktur-Halbleiterlaserdiode mit einem Querschnitt gemäß Fig. 1, bei der der schmale Streifen 20 um den kleinen Bereich 10 symmetrisch zu den Spiegeln kürzer als die Resonator länge 29 ist.

Fig. 6: Die perspektivische Darstellung einer Hetero struktur-Halbleiterlaserdiode mit einem Quer schnitt gemäß Fig. 3, bei der der schmale Streifen 20 um den kleinen Bereich 10 symme trisch zu den Spiegeln kürzer als die Reso natorlänge 29 ist.

Fig. 7a: Die perspektivische Darstellung einer Hetero struktur-Halbleiterlaserdiode, bei der der schmale Streifen 20 unmittelbar vor den Spie geln abgeschrägt und vertieft zur Hauptebene der laseraktiven Schicht 4 verläuft.

Fig. 7b: Einen Längsschnitt durch die Laserstruktur der Fig. 7a.

Fig. 8a: Die perspektivische Darstellung einer Hetero struktur-Halbleiterlaserdiode mit einem Quer schnitt gemäß Fig. 3, bei der der schmale Streifen 20 unmittelbar vor den Spiegeln ab geschrägt und erhöht zur Hauptebene der la seraktiven Schicht 4 verläuft.

Fig. 8b: Einen Längsschnitt durch die Laserstruktur der Fig. 8a.

In der Fig. 1 ist ein Substrat 1, beispielsweise aus GaAs dargestellt, welches vorzugsweise p-leitend ist und auf dem mittels bekannter Epitaxieverfahren die Schichten 2 bis 6 aufgewachsen werden. Die Schichten mit den Bezugszeichen der Fig. 1 haben folgende Zu sammensetzung:

. GaAs Substrat, p-Typ, p ∼ 10¹⁸cm^-3 Dicke d ca. 100 µm, Orientierung: (100)
2: GaAs oder Ga_1-xAl_xAs, n-Typ, n ∼ 5 · 10¹⁷cm^-3 d ∼ 3 µm
3: Ga_1-yAl_yAs, p-Typ, p ∼ 5 · 10¹⁷cm^-3, d ∼ 1 µm
4: GaAs, undotiert, d ∼ 0,1 µm
5: Ga_1-xAl_xAs, n-Typ, n ∼ 10¹⁷cm^-3, d ∼ 2 µm
6: GaAs, n-Typ, n ∼ 10¹⁸cm^-3, d ∼ 0,5 µm
7: Ohmscher Kontakt: TiPdAg, p-Substrat
8: Ohmscher Kontakt: Au-Ge-Legierung, n-Seite

Im ausgewählten Beispiel wurde x=x′=0,35 ge wählt.

Die Aluminiumkonzentration und die angegebenen Dotie rungswerte stellen lediglich typische Werte dar. Die Schichtenfolge 3-5 entspricht zusammen mit der laser aktiven Schicht 4 der bekannten Doppelheterostruktur, in der bei der Strominjektion die Lasertätigkeit auf tritt.

Neu in dieser Laserstruktur ist dabei die Schicht 2, in der im Bereich der Symmetrieebene 14 durch Maskierung und Diffusion ein p-dotierter schmaler Streifen 20 er zeugt wird, der bis in den Bereich des Substrates 1 eindringt, wodurch der in Durchlaßrichtung der Halblei terlaserdiode fließende Strom auf einen schmalen, strei fenförmigen Bereich 25 (Fig. 6, 7, 8) eingeengt wird.

Die Fig. 2 zeigt eine Modifikation einer Halbleiter- Laserstruktur, die aus der Fig. 1 hervorgeht, und bei der die Schicht 2 im Bereich 21 der Symmetrieebene 14 durch beispielsweise Ätzen vertieft ist. Durch diese Maßnahme kann eine Indexführung des optischen Feldes erzielt werden.

Der in Fig. 3 gezeigte Querschnitt einer Halbleiter- Laserdiode weist ein Substrat 1 auf, welches im Bereich 21 (Fig. 6) der Symmetrieebene 14 durch beispielsweise Ätzen vertieft ist. Auf dieses Substrat werden nachfol gend die weiteren Schichten 2 bis 6 epitaktisch aufge bracht, wobei der schmale Streifen 20 wiederum durch Maskierung und Diffundieren hergestellt wird.

Durch die so gewählte Struktur des Substrates 1 ist der Abstand zwischen der Unterseite der laseraktiven Schicht 4 und der Oberseite der Schicht 2 im Bereich der Sym metrieebene 14 größer als die Dicke der unteren Mantel schicht 3 im Bereich außerhalb der Symmetrieebene 14. Auch diese Maßnahme dient der Indexführung des opti schen Feldes.

Die Fig. 4 zeigt eine Modifikation einer Halbleiter- Laserstruktur, die aus der Struktur der Fig. 3 abge leitet werden kann.

Neben der Vertiefung des Substrats im Bereich 21 der Symmetrieebene 14 sind auch die Randzonen 22 im Quer schnitt vertieft, was zu einer einebnenden Wirkung bei den anschließend aufgebrachten Epitaxieschichten führt.

Der erste entscheidende Vorteil der Halbleiter-Laser strukturen gemäß Fig. 1 bis 4 gegenüber der bekannten V-Nut Laserstruktur besteht darin, daß ein p-leitendes Substrat verwendet wird, das zu einer verbesserten Epitaxiequalität führt.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß zur Erhöhung der Nahfeldstabilität neben der gain-Führung eine Kom ponente der Indexführung eingebracht werden kann. Hier für sind die in den Fig. 2 bis 4 dargestellten Struk turen vorgesehen. Diese werden mittels LPE (Liquid-Phase- Epitaxy) realisiert, wobei nicht plane Strukturen im Laufe des Epitaxieprozesses eingeebnet werden.

Sollen die Vorteile der Epitaxieverfahren MBE oder OM- VPE (MBE=Molecular Beam Epitaxy; OM-VPE=Organo Me tallic Vapor Phase Epitaxy) genutzt werden, so empfeh len sich die Strukturen, die in den Fig. 7a, b und 8a, b dargestellt sind.

Ein weitaus gewichtigerer Vorteil ergibt sich aus der Tatsache, daß sich gleichzeitig und ohne Mehraufwand mit diesen Strukturen und Epitaxieverfahren nicht ab sorbierende Spiegel realisieren lassen, die die wesent liche Voraussetzung zur Erzielung sehr hoher Laserlei stungen sind.

Die Fig. 5 und 6 zeigen perspektivische Darstellun gen von Halbleiter-Laserstrukturen. Die Strukturen die ser Fig. 5 und 6 gehen von Querschnitten der Fig. 1 bzw. 3 aus. Wesentlich ist dabei, daß nicht absorbie rende Spiegel erzeugt werden, indem der schmale Streifen 20 um den kleinen Bereich 10 symmetrisch zu den Spiegeln 11, 12 verkürzt und die laseraktive Schicht 4 dabei gleichzeitig hochdotiert ist (n<∼2 · 10¹⁸cm^-3).

In der Halbleiter-Laserstruktur der Fig. 7a weist der perspektivisch dargestellte Querschnitt im Bereich der Symmetrieebene 14 eine trapezförmig ausgebildete Erhö hung 23 im Substrat 1 auf, die sich in Längsrichtung bis zum kleinen Bereich 15 unmittelbar vor den Spiegeln 11 und 12 erstreckt. Dort erfolgt eine Absenkung unter einer Neigung von mehr als 45 Grad, und anschließend münden alle auf das so ausgebildete Substrat aufgebrach ten Epitaxieschichten 2, 3, 4, 5, 6 parallel zur Sub stratunterseite oder Hauptebene in die Spiegel 11 bzw. 12.

Der schmale Streifen 20 wird wiederum durch Maskierung und Diffusion erzeugt, wobei die Diffusionsfront 17 um den kleinen Bereich 15 vor den Spiegeln 11 bzw. 12 endet.

Die Fig. 7b zeigt einen Ausbruch aus einem Längsschnitt durch die Halbleiter-Laserstruktur der Fig. 7a. Die Laserstrahlung 18 tritt dabei aus der oberen Mantel schicht 5 aus den Spiegeln 11 bzw. 12 aus.

Zweckmäßigerweise beträgt der Versatz 19 der laserak tiven Schicht im Bereich vor den Spiegeln ca. 2 µm. Die auf die Resonatorlänge bezogene symmetrische Verkürzung 10 des schmalen Streifens 20 bzw. der abgeschrägt und versetzt zur Hauptebene der laseraktiven Schicht ver laufende kleine Bereich 15 beträgt etwa 5 bis 15 µm und liegt in der Größenordnung von 2 Diffusionslängen der Ladungsträger der aktiven Schicht.

Die Fig. 8a und 8b zeigen einen zu den Fig. 7a bzw. 7b inversen Aufbau einer Halbleiter-Laserstruktur. In der Fig. 8a weist der perspektivisch dargestellte Querschnitt im Bereich der Symmetrieebene 14 eine tra pezförmig ausgebildete Vertiefung 24 auf, die sich in Längsrichtung bis zum kleinen Bereich 15 unmittelbar vor den Spiegeln 11 und 12 erstreckt. Dort erfolgt eine Erhöhung unter einer Steigung von mehr als 45 Grad, und anschließend münden alle auf das so ausgebildete Sub strat aufgebrachten Epitaxieschichten parallel zur Sub stratunterseite oder Hauptebene in die Spiegel 11 bzw. 12.

Der schmale Streifen 20 wird dabei wiederum durch Mas kierung und beispielsweise Diffusion erzeugt, wobei die Diffusionsfront 17 um den kleinen Bereich 15 vor den Spiegeln 11 bzw. 12 endet.

Die Fig. 8b zeigt einen Ausbruch aus einem Längsschnitt durch die Halbleiter-Laserstruktur der Fig. 8a. Die Laserstrahlung 18 tritt dabei aus der unteren Mantel schicht 3 aus den Spiegeln 11 bzw. 12 aus.

Die Ausbildung des Substrates 1 in den Fig. 7a, b bzw. 8a, b kann beispielsweise durch Maskieren und Ät zen erfolgen.

Durch die Abschrägung bzw. den Versatz 19 der laserak tiven Schicht 4 gegenüber der Hauptebene im Bereich 15 unmittelbar vor den Spiegeln 11, 12, wird der Laser strahl 18 aus der laseraktiven Schicht 4 in eine der Mantelschichten 3 bzw. 5 eingekoppelt und durchdringt die Resonatorspiegel im Bereich einer der beiden Man telschichten, die wegen ihres höheren Bandabstandes kein Laserlicht absorbieren.

Claims

1. Heterostruktur-Halbleiterlaserdiode mit einer auf einem Substrat (1) ausgebildeten Schichtenfolge, bei der eine laseraktive Schicht (4) zwischen Mantelschichten (3, 5) einander entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp angeordnet ist, bei der ferner auf der dem Substrat in bezug auf die laser aktive Schicht (4) abgewandten Seite der Schichtenfolge eine Deckschicht (6) aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Substrat (1) und der unteren Mantelschicht (3) eine Schicht (2) mit zum Substrat (1) entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp angeordnet ist, daß diese im Bereich der die optische Achse der laseraktiven Schicht (4) einschließende Symmetrieebene (14) einen schmalen, durch Diffusion erzeugten Streifen (20) aufweist, der den gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Substrat (1) hat und bis in den Bereich des Substrats eindringt, wodurch der in Durchlaß richtung der Halbleiterlaserdiode fließende Strom auf einen schmalen, streifen förmigen Bereich (25) der laseraktiven Schicht (4) eingeengt ist.

2. Heterostruktur-Halbleiterlaserdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Unterseite der laseraktiven Schicht (4) und der Oberseite des schmalen Streifens (20) im Bereich der Symmetrieebene (4) größer oder gleich der Schichtdicke der unteren Mantel schicht (3) außerhalb dieses Bereiches ist.

3. Heterostruktur-Halbleiterlaserdiode nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) im Bereich der Symmetrieebene (14) oder die darüberliegende Schicht (2) durch einen Ätzprozeß vertieft ist.

4. Heterostruktur-Halbleiterlaserdiode nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) p-dotiert ist.