DE3728566A1 - Optoelektronisches halbleiterbauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterlaseranordnung mit einer in einem Halbleiterkörper eingebetteten aktiven Schicht und den optischen Resonator bildenden End- und Seitenflächen.

Die Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau einer Halb­ leiterlaseranordnung mit ihrer charakteristischen Schicht­ struktur, die aus der aktiven Schicht 13, den Begrenzungs­ schichten 11 und 15, sowie den Matallisierungsschichten 10 und 16 besteht, wobei die Begrenzungs- und Metallisie­ rungsschichten symmetrisch zur aktiven Schicht angeordnet sind. Die Endflächen 2 und 3 sind meist als planparallele Spiegel nach Art eines Fabry-Perot-Interferometers ausge­ bildet, wobei bereits natürliche Spaltflächen des verwen­ deten Kristalls als solche wirken. Das laseraktive Mate­ rial wird durch Strominjektion beim Überschreiten eines Stromschwellenwertes zur induzierten Lichtemission an­ geregt, wobei die Abstrahlung des Laserlichts (9) durch eine Endfläche (3) auf einen engen Kegel senkrecht zu den Spiegelflächen 2 und 3 eingeschränkt wird.

Bei manchen optoelektronischen Bauelementen ist es erfor­ derlich, einen Teil des in der aktiven Schicht erzeugten Laserlichts nicht in die aktive Schicht zurückzureflek­ tieren, sondern so abzulenken, daß es die aktive Schicht verläßt.

So entsteht beispielsweise bei einem Impulslaser, dessen aktive Schicht auf der gesamten Breite des Resonators im Gegensatz zu einem gain-geführten Laser laser-aktiv ist, in der Querrichtung des Lasers sogenanntes Quer­ laserlicht, das an der rauhen Oberfläche diffus reflek­ tiert und somit teilweise aus der aktiven Schicht ausge­ blendet wird. Die rauhe Oberfläche der Seitenflächen des Impulslasers entstehen dadurch, daß die auf einer Halb­ leiterscheibe hergestellten Laseranordnungen mittels Sägen in einzelne Laserchips zertrennt werden, um da­ nach an den durch diesen Vorgang erzeugten Sägeflächen durch einen Ätzprozeß eine dünne Oberflächenschicht, die durch diesen Sägevorgang degradiert wurde, abzutra­ gen. Durch dieses Herstellungsverfahren kann sich das Langzeitverhalten eines solchen Impulslasers verschlech­ tern.

Ein weiteres Bauelement bei der ebenfalls ein Teil des erzeugten Laserlichts aus der aktiven Schicht ausgeblendet werden muß, ist die Superlumineszenzdiode. Sie zeichnet sich dadurch aus, daß sie einerseits die vorteilhaften Eigen­ schaften einer Laserdiode, nämlich hohe Leistung und hohe Leuchtdichte aufweist, aber andererseits eine spektrale Verteilung des emittierten Laserlichts einer Lumineszenz­ diode zeigt. Wie eingangs schon erwähnt, erfolgt die An­ regung des Lasers durch Strominjektion, wobei aber zu­ nächst bei niedrigem Strom inkohärentes Licht durch spon­ tane Rekombinationsprozesse emittiert wird, bevor der Strom nach dem Überschreiten eines Schwellenwertes be­ wirkt, daß die induzierte Lichtemission die Absorption übertrifft, wodurch die sogenannte Superstrahlung ent­ steht, bei der sich der externe Wirkungsgrad der Licht­ erzeugung erhöht und sich aus der breiten unstrukturier­ ten Emissionslinie eine Vielzahl von intensiven schmalen Linien entwickelt. Sind spiegelnde Endflächen vorhanden, so tritt ein steiler Anstieg der Lichtemission auf, der verbunden ist mit der für Laserlicht charakteristischen drastischen Abnahme der Linienbreite der Emission. Da­ her entsteht aus einer Laserdiode eine Superlumineszenz­ diode, wenn die Reflexion an der Rückseite des Resona­ tors unterbunden wird. Dies wird nach dem Stand der Tech­ nik dadurch erreicht, daß sich an der Rückseite des Re­ sonators eine Pufferschicht anschließt, in die der Licht­ strahl eindringt und dort absorbiert wird. Dadurch er­ höht sich in nachteiliger Weise die Länge des Bauelemen­ tes. Ein solches Bauelement ist aus der Zeitschrift "Journal of Optical Communications", Bd. 6, 1985, Sei­ ten 127-131 bekannt.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiterlaseranordnung der eingangs genannten Art an­ zugeben, bei der gewisse Anteile des in der aktiven Schicht durch stimulierte Emission erzeugten Laserlichts ins Innere des Halbleiterkörpers reflektiert und dort absorbiert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Halbleiterkörper an mindestens einer End- oder Seiten­ fläche eine nach oben sich verjüngende Abschrägung auf­ weist, so daß das Laserlicht an dieser End- oder Seiten­ fläche ins Innere des Halbleiterkörpers reflektiert wird.

Bei einer geeigneten Ausführungsform der Erfindung be­ trägt der Neigungswinkel α dieser Abschrägung einen Wert von 45°.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wird die Abschrägung so ausgeführt, daß die aktive Schicht parallel zu einer (100)-Kristallfläche verläuft und daß die abgeschrägte End- oder Seitenfläche eine (111)-Fläche freilegt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung er­ geben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden werden zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 2a eine perspektivische Darstellung eines Impuls­ lasers mit einer erfindungsgemäßen Abschrägung,

Fig. 2b eine Schnittdarstellung entlang der Schnittli­ nie AB des Impulslasers gemäß Fig. 2a,

Fig. 3a eine perspektivische Darstellung einer erfin­ dungsgemäßen Superlumineszenzdiode, und

Fig. 3b eine Schnittdarstellung entlang der Schnittli­ nie AB der Superlumineszenzdiode gemäß Fig. 3a.

Das in den Fig. 2a und 2b dargestellte erste Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung ist eine Doppelheterostruktur- Impulslaserdiode, deren Halbleiterkörper 1 aus fünf Schichten 11-15 aufgebaut ist und innerhalb des Systems GaAsAlAs realisiert ist. Der Schichtenaufbau des Halb­ leiterkörpers 1 beginnt mit einer n-leitenden Substrat­ schicht 11 aus GaAs mit einer Dicke von ca. 80 µm und setzt sich fort mit einer Schicht 12 aus n-leitendem GaAlAs. Daran schließt sich die aktive Schicht 13 aus p-leitendem GaAlAs an, auf dieser ist eine p-leitende GaAlAs-Schicht 14, anschließend eine p-leitende GaAs- Schicht 15 und darauf abschließend eine Metallisierungs­ schicht 16 aus AuZn angeordnet. Die auf der Rückseite des Substrates 11 angeordnete Metallisierungsschicht 10 besteht aus AuGe. Die n- bzw. p-Dotierung der Schichten 11, 12 bzw. 14 und 15 erfolgt beispielsweise mit Si, Sn bzw. Mg, Ge. Die aktive Schicht 13 ist undotiert und weist eine Dicke von ca. 0,1 µm auf, während die Schichten 12, 14 und 15 ca. 3 µm dick sind. Der Halbleiterkörper 1 weist eine Länge L von ca. 300 µm und eine Breite B von ca. 250 µm auf.

Die beiden Endflächen 2 und 3 des Halbleiterkörpers 1 sind planparallel angeordnet und bilden den optischen Resona­ tor des Impulslasers, wobei das durch stimulierte Emission erzeugte Laserlicht 9 an der Endfläche 3 aus dem Halb­ leiterkörper 1 austritt. Da die aktive Schicht 13 des Impulslasers im Gegensatz zu einem Streifenlaser auf der gesamten Breite B laseraktiv ist, entsteht in dieser Richtung, wie eingangs schon erwähnt, das unerwünschte Querlaserlicht 9 a. Damit dieses Querlaserlicht 9 a aus der aktiven Schicht 13 ausgeblendet wird, weisen die beiden Seitenflächen 5 und 6 eine um ca. 45° zu Ebene der akti­ ven Schicht 13 geneigten Abschrägung 6 auf, wodurch das Querlaserlicht 9 a um 90° an dieser Abschrägung 6 in das Substrat 11 abgelenkt und dort absorbiert wird. Hierdurch wird die Zuverlässigkeit des Bauelementes sowie dessen Langzeitverhalten wesentlich verbessert.

Durch die Ausbildung einer solchen Abschrägung 6 werden auch fertigungstechnische Vorteile erzielt. Diese beste­ hen darin, daß die auf einer Halbleiterscheibe gefertig­ ten Halbleiterlaseranordnungen nicht durch Sägen in ein­ zelne Chips zertrennt werden, sondern daß zuerst durch anisotropes Ätzen die Abschrägungen 6 zwischen benachbar­ ten Halbleiterlaseranordnungen so ausgebildet werden, daß zwischen diesen Anordnungen eine V-Nut entsteht, an der dann entlang des Nut-Grundes durch Brechen die ein­ zelnen Chips entstehen. Hierdurch wird der beim Stand der Technik notwendige Sägevorgang hinfällig und dar­ überhinaus noch Chipfläche eingespart.

Die Fig. 3a und 3b zeigen eine erfindungsgemäße Super­ lumineszenzdiode, wobei die Bedeutung der Bezugszeichen denjenigen aus den Fig. 2a und 2b entspricht. Auch diese Halbleiterlaseranordnung ist wie diejenige aus den Fig. 2a und 2b eine Fünf-Schichtdiode mit vier Hetero­ übergängen, wobei auch diese Struktur innerhalb des Sy­ stems GaAs-AlAs verwirklicht ist. Daher wird bezüglich des Schichtenaufbaus des Halbleiterkörpers 1 auf die obi­ ge Beschreibung verwiesen und im folgenden die erfindungs­ gemäße Maßnahme zur Ablenkung des in der aktiven Schicht 13 erzeuten Laserlichts 9 b in Richtung auf das Substrat 11 beschrieben. Wie insbesondere aus Fig. 3b ersichtlich, besteht diese darin, den Halbleiterkörper 1 an der End­ fläche 2, die das Rückende des Resonators bildet, mit einer sich nach oben verjüngenden Abschrägung 6 zu ver­ sehen, so daß der Neigungswinkel α dieser Abschrägung zur Ebene der aktiven Schicht um ca. 45° geneigt ist, wo­ bei die Kanten 18 und 17 der Endflächen 2 und 3 parallel zueinander verlaufen. Diese erfindungsgemäße Abschrägung 6 bewirkt eine Reflexion des Laserlichts 9 b um 90° ins In­ nere des Halbleiterkörpers 1, wo es absorbiert wird. Am anderen Ende des Resonators, das durch die Endfläche 3 des Halbleiterkörpers 1 gebildet wird, tritt das Laser­ licht 9, wie Fig. 3a deutlich zu erkennen gibt, als Superstrahlung aus dem Halbleiterkörper 1 aus. Der Halb­ leiterkörper hat beispielsweise eine Länge L von ca. 400 µm, während seine Breite B ca. 300 µm beträgt. Gegenüber dem Stand der Technik bleiben somit die Abmessungen des Bau­ elementes erhalten. Ein weiterer Vorteil besteht in der einfachen Herstellung der Abschrägung, die durch aniso­ tropes Ätzen ausgebildet werden kann.

Diese erfindungsgemäße Maßnahme der Abschrägung eines Halbleiterkörpers einer Laseranordnung kann an allen Laserdiodentypen mit Fabry-Perot-Struktur durchgeführt werden, wobei auch andere ternäre III/V-Verbindungshalb­ leiter als das oben genannte GaAs-AlAs-System Verwendung finden. Darüber hinaus lassen sich Diodenlaser auch mit binären III/V-, quaternären III/V-Verbindungshalbleiter und mit Bleisalz-Halbleiter realisieren.

Claims (7)

1. Halbleiterlaseranordnung mit einer in einem Halbleiter­ körper (1) eingebetteten aktiven Schicht (13) und den optischen Resonator bildenden End- und Seitenflächen (2, 3, 4, 5), dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkör­ per (1) an mindestens einer End- oder Seitenfläche (2, 3, 4, 5) eine nach oben sich verjüngende Abschrägung (6) aufweist, so daß das Laserlicht (9 a, 9 b) an dieser End­ oder Seitenfläche (2, 4, 5) ins Innere des Halbleiter­ körpers (1) reflektiert wird.

2. Halbleiterlaseranordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Neigungswinkel α der Abschrägung (6) einen Wert von ca. 45° aufweist.

3. Halbleiterlaseranordnung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht (13) parallel zu einer (100)-Kristallfläche verläuft und daß die abge­ schrägte End- oder Seitenfläche (2, 3, 4, 5) eine (111)- Fläche freilegt.

4. Halbleiterlaseranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer n-lei­ tenden Substratschicht (11) aus GaAs eine n-leitende GaAlAs-Schicht (12), daran anschließend die aktive Schicht (13) aus p-leitendem GaAlAs, darauf eine p-lei­ tenden GaAlAs-Schicht (14), auf dieser eine p-leitende GaAs-Schicht (15) und darauf abschließend eine Metalli­ sierungsschicht (16) aus AuZn angeordnet ist, und daß die Metallisierungsschicht (10) auf der Rückseite (7) des Substrates (11) aus AuGe besteht.

5. Halbleiterlaseranordnung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die beiden Seitenflächen (4, 5) des Resonators so abgeschrägt sind, daß das Querlaserlicht (9 a) an diesen beiden Seitenflächen (4, 5) ins Innere des Halbleiterkörpers (1) reflektiert wird.

6. Halbleiterlaseranordnung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die an der Rückseite des Resonators angeordnete Endfläche (2) so abgeschrägt ist, daß das Laserlicht (9 b) an dieser Endfläche (2) ins Innere des Halbleiterkörpers (1) reflektiert wird.

7. Halbleiterlaseranordnung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Längskanten (17, 18) der den opti­ schen Resonator bildenden Endflächen (2, 3) parallel an­ geordnet sind.