DE3732822A1 - Laserdiode mit indexfuehrung, insbesondere laserdioden-array mit wellenleiterstruktur - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Laserdiode mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1. Eine Weiterbildung der Erfindung bezieht sich auf ein Array solcher Dioden, in dem eine verkoppelte Wellenleiterstruktur vorliegt.

Aus der US-PS 78 P 8061 USA ist eine MCRW-(Metal-cladded- ridge-wave-)Laserdiode mit Indexführung bekannt. Diese Laser­ diode besitzt einen streifenförmigen Steg (ridge). Der durch diese Laserdiode hindurchfließende Strom erfährt aufgrund der unterschiedlichen Kontakteigenschaften zwischen der auf diesem Steg und seiner Nachbarschaft befindlichen Metallekektrode und dem darunter befindlichen Halbleitermaterial eine Stromein­ engung auf den Bereich des streifenförmigen Steges. Auf diesem Steg liegt ohmscher Kontakt vor und in den Seitenbereichen bildet die Metallelektrode mit dem darunter befindlichen nur schwach dotierten Halbleitermaterial einen hochohmigen, sperrenden Schottky-Kontakt. Der Halbleiterkörper besteht aus einem Substrat und darauf befindlichem Hetero-Schichtaufbau. In der zwischen zwei benachbarten Schichten befindlichen laseraktiven Schicht erfolgt aufgrund der streifenförmigen Stromeinengung auf diesem Streifen begrenzte Laser-Strahlungs­ erzeugung.

Für die streifenförmige Einengung der Laser-Strahlungserzeugung in der laseraktiven Schicht ist nicht nur die Stromeinengung, sondern auch die Indexführung der Wellenausbreitung der Laser­ strahlung maßgeblich. Die der MCRW-Laserdiode entsprechende Dimensionierung der Restdicke der die laseraktive Schicht be­ deckenden Schicht wirkt als Indexführung für die Laser­ strahlung in dem Streifenbereich der laseraktiven Schicht.

Eine MCRW-Laserdiode läßt sich zwar in einem einzigen ununter­ brochenen Epitaxieprozeß herstellen. Technologische Anforde­ rungen stellt aber die Realisierung der erwähnten Restdicke der die laseraktive Schicht bedeckenden Schicht im Bereich neben dem Steg. Die Bemessung dieser Restdicke bestimmt wesentlich das Maß der Indexführung.

Der Vollständigkeit halber seien hier auch gewinngeführte Laserdioden erwähnt, die in nicht-kontinuierlichen Epitaxie­ prozessen herzustellen sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Laserdiode mit Indexführung anzugeben, die in einem ununterbrochenen Epitaxieprozeß (insbesondere Gasphasenepitaxie, Molekular­ strahlepitaxie) herstellbar ist, bei der jedoch geringere An­ forderungen hinsichtlich weiterer Schritte des gesamten Her­ stellungsverfahrens gestellt sind.

Diese Aufgabe wird mit einer Laserdiode mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfin­ dung gehen aus diesem Anspruch 1 nachgeordneten Unteransprüchen hervor.

Eine erfindungsgemäße Laserdiode eignet sich vorzüglich für ein Laserdiodenarray, wobei sich weitere Vereinfachungen des Herstellungsverfahrens für ein solches Array ergeben.

Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den wenig aufwendigen Epitaxieprozeß für die Herstellung einer indexgeführten Laserdiode beizubehalten und Maßnahmen anzu­ geben, mit denen sich die Schwierigkeiten der Realisierung der Restschichtdicke der die laseraktive Schicht bedeckenden Schicht eliminieren lassen. Bei der vorliegenden Erfindung wird weiterhin von einem Steg-Aufbau ausgegangen. Es wird jedoch der Steg auf dem Substrat hergestellt bzw. ist dieser Steg ein Anteil des Substrats. Der auf diesem Substrat über diesem Steg aufgebrachte Hetero-Schichtaufbau ist dann im Gegensatz zu dem Hetero-Schichtaufbau der MCRW-Laserdiode nicht-plan. Vielmehr zeichnet sich zumindest für die (auf dem Substrat befindliche) erste Schicht und die laseraktive Schicht des Hetero-Schichtaufbaus der erfindungsgemäß vor­ gesehene Steg deutlich ab. Für die weiteren Schichten des Hetero-Schichtaufbaus kann die Kontur des auf dem Substrat befindlichen Steges mehr oder weniger verweht, d.h. mit weniger starker Kontur ausgebildet, sein. Dies um so mehr, als bei der vorliegenden Erfindung die die laseraktive Schicht bedeckende weitere Schicht und die darauf befindliche hochdotierte Schicht, die mit der Elektrode einen ohmschen Kontakt bildet, auch relativ dick bemessen sein können.

Die durch den Steg auf dem Substrat bedingte, ebenfalls stegförmige Kontur der laseraktiven Schicht und die dem Steg benachbarten seitlichen Bereiche der darauf befindlichen weiteren Schicht und der hochdotierten Schicht bewirken die Indexführung. Auch bei der Erfindung erstreckt sich die als laseraktive Schicht bezeichnete Schicht über Bereiche seitlich des Steges. Dabei kann die laseraktive Schicht kontinuierlich aus dem Bereich oberhalb des Steges in diese benachbarten seit­ lichen Bereiche übergehen, und zwar mit Flanken entsprechend den Flanken des Steges. Es kann aber auch, insbesondere bei Anwendung von Molekularstrahl-Epitaxie, der Fall vorliegen, daß der die über dem Steg befindliche Anteil der laseraktiven Schicht und die Anteile der laseraktiven Schicht in den Be­ reichen benachbart des Steges voneinander getrennt sind. Eine solche Trennung bewirkt aber keine Unterbrechung für die laterale Wellenausbreitung der (oberhalb des Steges) erzeugten Laserstrahlung.

Bei der Erfindung liegt eine Besonderheit insoweit vor, als hier wegen des großen Abstandes der die oberste hochdotierte Schicht des Hetero-Schichtaufbaus bedeckenden Elektrode von dieser praktisch keine die Wellenführung beeinflußende Wirkung ausgeht. Während bei der MCRW-Laserdiode die Wellenausbreitung in diesen Bereichen der laseraktiven Schicht entsprechend einer reellen e-Funktion abnimmt, ergibt sich bei der Erfin­ dung eine Wellenausbreitung in diesem lateralen Bereich entsprechend einer e-Funktion mit imaginärem Exponenten, d.h. entsprechend einer Sinus- (bzw. Cosinus-)Funktion. Das aber bedeutet, daß bei der Erfindung die Besonderheit vorliegt, daß die Wellenausbreitung in diesen lateralen Bereichen der laser­ aktiven Schicht sehr weitreichend ist. Diese Ausbreitung reicht bis zu 100, bevorzugt bis zu 20 Wellenlängen weit, wobei dies die Wellenlänge der erzeugten Laserstrahlung in dem Halbleiter­ material ist (was etwa das 1/3,5-fache der Vakuumwellenlänge) ist. Für die in den seitlichen Bereichen vorliegende Dicke der oberhalb der laseraktiven Schicht befindlichen weiteren Schich­ ten, d.h. für den Abstand zwischen der laseraktiven Schicht und der zuoberst befindlichen (beim bekannten MCRW-Laser die metal clading electrode) Elektrode sind wenigstens drei Wellenlängen (wieder Wellenlänge im Material) vorzusehen. Günstige Werte für den Höhenunterschied zwischen der laser­ aktiven Schicht oberhalb des auf dem Substrat befindlichen Steges und der Lage der laseraktiven Schicht seitlich des Steges sind 0,1 bis 10 Wellenlängen, vorzugsweise 0,1 bis 1 Wellenlänge, (wieder Wellenlänge im Material) optimale Werte.

Die Breite des auf dem Substrat befindlichen Steges kann bei der vorliegenden Erfindung in im wesentlichen gleicher Größe wie für eine MCRW-Laserdiode bemessen sein.

Eine erfindungsgemäße Laserdiode eignet sich besonders gut für ein Laserdiodenarray, das hinsichtlich seiner Herstellung günstige Bemessungen hat. Wegen der großen Reichweite der Wellenausbreitung in den neben dem Steg befindlichen seitli­ chen Bereichen der laseraktiven Schicht kann der Abstand zwi­ schen benachbarten laseraktiven Streifen des Arrays vergleichs­ weise zum Stand der Technik groß bemessen werden, z.B. bis zu 10 µm betragen. Dies ist insbesondere in den Fällen von Vor­ teil, wenn keine ganzflächige Elektrodenbelegung der obersten Schicht des Hetero-Schichtaufbaus vorgesehen ist oder sein soll, sondern zu den einzelnen laseraktiven Streifen bzw. den Stegen entsprechend nur streifenförmige Elektroden auf dieser obersten Schicht als einzeln ansteuerbare Kontaktierungs­ streifen der einzelnen Laserdioden des Arrays vorgesehen sein sollen. Für ein Laserdiodenarray entsprechend dieser Weiterbildung der Erfindung ist ein Substratkörper mit ent­ sprechender Anzahl parallel nebeneinander verlaufender Stege vorzusehen.

Die mit der Erfindung möglichen größeren Abstände zwischen benachbarten Streifen eines Arrays (mit Kopplung) sind auch für die Kühlung von Vorteil.

Die vorangehende Beschreibung bezog sich auf eine Ausführungs­ form der Erfindung mit Steg auf der Oberfläche des Substrat­ körpers. Anstelle solcher Stege können auch entsprechende, die komplementäre Struktur bildende Gräben oder Rinnen in der Oberfläche des Substrats vorgesehen sein. Bei einer solchen Ausführungsform liegt dann im Bereich eines solchen Grabens für die laseraktive Schicht (und die zwischen der laseraktiven Schicht und der Substratoberfläche befindlichen Schicht) eine streifenförmige Absenkung vor, und zwar mit einem entsprechen­ den Höhenunterschied gegenüber den seitlichen Bereichen der laseraktiven Schicht, die benachbart eines solchen Grabens oder dgl. vorhanden sind.

Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht des Aufbaus einer er­ findungsgemäßen Laserdiode.

Fig. 2 zeigt ein Array mit erfindungsgemäßen Dioden.

Fig. 3 zeigt eine Alternative zu Fig. 1.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Array.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Halbleitersubstrat aus z.B. n-Gallium- Arsenid oder n-Indiumphosphid bezeichnet. Mit 2 ist der sich über die übrige Oberfläche 3 des Substratkörpers 1 erhebende Steg bezeichnet. Ein solcher Steg 2 kann durch fotolithografisch maskiertes Ätzen und dgl. hergestellt sein. So wie der Sub­ stratkörper 1 erstreckt sich auch der Steg 2 in die Tiefe senkrecht zur Darstellungsebene der Fig. 1, nämlich ent­ sprechend der vorgegebenen Streifenlänge der Laserdiode. Über die Oberfläche 3 und die Oberfläche des Steges 2 hinweg er­ streckt sich eine erste Schicht 4 des Doppelhetero-Schicht­ aufbaus, der dem Prinzip nach bekannt ist. Mit 5 ist die auf diese erste Schicht 4 folgende laseraktive Schicht bezeichnet. Diese beiden Schichten 4 und 5 geben deutlich die erhabene Struktur des Steges 2 wieder, so daß die laseraktive Schicht 5 in prinzipiell zwei Ebenen verläuft. Zwischen diesen beiden Schichten 4 und 5 liegt die mit 41 bezeichnete Grenzfläche.

Den oben erwähnten, dem Steg 2 benachbarten, seitlichen Bereichen entsprechen die mit den Doppelpfeilen 6 angegebenen Bereiche. Der vom Strom durchflossene Bereich der laseraktiven Schicht 5, dies ist der Bereich der eigentlichen Laserstrah­ lungserzeugung, ist mit dem Doppelpfeil 7 angedeutet.

Oberhalb der laseraktiven Schicht 5 ist die weitere Schicht 8 des bekannten Doppelhetero-Schichtaufbaus aufgebracht. Diese Schicht 8 wird von einer hochdotierten Schicht 9 bedeckt. Diese Schicht 9 kann ganzflächig mit der Metallelektrode 10 der Laserdiode bedeckt sein. In der Darstellung der Fig. 1 erstreckt sich diese Elektrode 10 nur über den mittleren Bereich oberhalb des Bereiches 7, nämlich dort wo die eigentliche Stromzuführung zu erfolgen hat. Mit 11 sind seitlich des Kontaktes befindliche, abdeckende Oxidschichten bezeichnet.

Der zum Kontakt 10 gehörige Gegenkontakt ist mit 12 bezeich­ net.

Der für die erfindungsgemäße Laserdiode wichtige Höhenunter­ schied, nämlich der Höhenunterschied in der Grenzfläche 41, ist mit dem Doppelpfeil 15 angedeutet. Er ist auf das 0,1 bis 10-fache, vorzugsweise 0,1 bis 1-fache, der Wellenlänge der Laserstrahlung im Halbleiter-Material zu bemessen.

Im Regelfall bildet sich die Kontur des wie in Fig. 1 darge­ stellten Steges 2 für die laseraktive Schicht 5 mit Flanken 16 ab.

Fig. 2 zeigt ein Array aus erfindungsgemäßen Laserdioden. In der Fig. 2 sind mit der Fig. 1 übereinstimmende Einzelheiten dieser Weiterbildung der Erfindung mit denselben Bezugszeichen versehen. Aus der Fig. 2 ist die sich in die Tiefe er­ streckende Ausbildung der Streifenform der Laserdioden zu ersehen. Der Abstand a der beiden Stege 2 voneinander, d.h. der Abstand der Bereiche 7, in denen die Laserstrahlung in der je­ weiligen Laserdiode erzeugt wird, kann entsprechend dem Vorteil der Erfindung auf Werte 5 bis 10 µm bemessen sein und dennoch liegt ausreichende Wellenverkopplung zwischen den beiden Be­ reichen 7 vor.

Lediglich dem Schema nach und als Ausschnitt zeigt Fig. 3 eine zur Fig. 1 alternative Ausführungsform mit einem Graben 21 anstelle eines Steges 2 in der Oberfläche 3 eines Substrat­ körpers 1′. Eine solche Ausgestaltung kann auch bei einem (der Fig. 2 sinngemäß entsprechenden) Array vorgesehen sein.

Es ist nicht erforderlich, bei einem Array mit erfindungsge­ mäßer Realisierung und Bemessung des Höhenunterschiedes 15 den Abstand zwischen zwei benachbarten Streifen 7 äquidistant zu machen. Insbesondere können der Höhenunterschied 15 und/oder der jeweilige Abstand a zwischen zwei jeweiligen Streifen 7 (aufeinander) so abgestimmt bemessen sein, daß ein vorgebbarer Verlauf der Kopplung der Streifen 7 über ein Array hinweg er­ zielt ist.

Wie bereits oben erwähnt, ist es bei der Anwendung der Erfin­ dung nicht erforderlich, miteinander lateral verkoppelte, (indexgeführte) Laserdioden (-streifen) in einem derart gerin­ gen Abstand nebeneinander anzuordnen, daß dies zu technolo­ gischen Schwierigkeiten der Herstellung führen könnte.

Bei einem nach der vorliegenden Erfindung ausgeführten Array, z.B. wie es in Fig. 2 als ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, liegen zwischen den einzelnen laseraktiven Streifen 7 die lateralen Anteile der weiteren Schicht 8 der Bereiche 6 Schichten mit der Funktion einer transversalen Wellenleitung (zwischen benachbarten Laserstreifen 7) vor. Die Welle ver­ läuft in den Bereichen 6 der weiteren Schicht 8 im Material mit (gegenüber der Schicht 5) niedrigerer Brechzahl, was die Indexführung ergibt.

Bei der Herstellung eines Arrays (z.B. nach Fig. 2) mit Laser­ dioden nach der Erfindung (Fig. 1) entsteht eine solche trans­ versal koppelnde Schicht zwischen benachbarten Laserstreifen 7 in selbstjustierter Weise.

Es sei darauf hingewiesen, daß bei entsprechenden Bemessungen des Steges 2 der Fall eintreten kann, daß die laseraktive Schicht 5 im Bereich der Flanken 16 eine Dicke Dx haben kann, die sogar bis zum Wert 0 gehen kann. Dies beeinflußt zwar das Maß der lateralen Kopplung, schließt eine solche aber nicht aus.

Die Fig. 4 zeigt andeutungsweise ein nach dem Prinzip der Er­ findung bzw. unter deren Anwendung hergestelltes Array, bei dem eine Stufenstruktur zwischen der laseraktiven Schicht 5 des Streifens der Laserdiode, nämlich im Bereich 7 und den lateralen Bereichen 6 dieser laseraktiven Schicht 5 vorliegt. Eine solche Stufenstruktur entsteht bei Anwendung von Epitaxie­ verfahren der Art MOVPE oder MBE, nämlich bei Anwendung von Molekularstrahl-Epitaxie. Es ergibt sich dabei eine elektrische Trennung der Bereiche 7 und 6 der laseraktiven Schicht 5. Dennoch liegt aber erfindungsgemäß gewollte laterale Wellen­ kopplung benachbarter Laserdiodenstreifen mit den oben ange­ gebenen Vorteilen der vorliegenden Erfindung vor.

Für die Erfindung empfiehlt sich die Gasphasen- oder die Mole­ kularstrahlempitaxie, deren Anwendung an der für die Erfindung wichtigen, getreuen Wiedergabe der (Ätz-)Struktur der Ober­ fläche 3 des Substratkörpers 1, d.h. des Steges 2 bzw. des Grabens 21, zu erkennen ist.

Für die Erfindung hat ein Steg typischerweise eine Höhe von 0,5 bis 1 µm bei 1 bis 5 µm Breite. Ein Beispiel umfaßt z.B. einen Substratkörper 1 aus InP mit n-Dotierung 10¹⁸ · cm^-1 und 80 µm Dicke. Die erste Schicht 4 besteht aus InP mit n = 5 · 10¹⁷ · cm^-3 und 1 µm Dicke. Die laseraktive Schicht 5 ist InGaAsP, undotiert mit 0,2 µm Dicke, die weitere Schicht 8 besteht aus InP mit p = 5 · 10¹⁷ · cm^-3 und die Schicht 9 aus InGaAsP mit p = 4 · 10¹⁸ · cm^-3 und 0,3 µm Dicke.

Claims (5)

1. Laserdiode mit einem Hetero-Schichtaufbau mit Indexführung und mit Kontakten auf einem Substrat, wobei der Substratkörper einen streifenförmigen Bereich mit Höhenunterschied gegenüber den dazu lateralen Bereichen des Substratkörpers aufweist und die laseraktive Schicht des Schichtaufbaues diesen Höhenunterschied reproduziert, gekennzeichnet dadurch, daß ein Steg (2) oder ein Graben (21) auf bzw. in der Ober­ fläche (3) des Substratkörpers (1) vorgesehen ist, so daß sich für die Grenzfläche (41) zwischen der ersten Schicht (4) und der laseraktiven Schicht (5) des Hetero-Schichtaufbaues ein Höhenunterschied (15) für den streifenförmigen laseraktiven Bereich (7) gegenüber den lateralen Bereichen (6) der Laser­ diode ergibt, wobei dieser Höhenunterschied ein Zehntel bis zehn Wellen­ längen der von der Laserdiode erzeugten Laserstrahlung beträgt, wobei das Maß der Wellenlänge der Laserstrahlung im Halbleitermaterial maßgeblich ist.

2. Laserdiode nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß dieser Höhenunterschied das 0,1 bis 1-fache der Wellen­ länge der Laserstrahlung im Halbleitermaterial beträgt.

3. Laserdiode nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die laseraktive Schicht (5) zwischen dem streifenförmigen Bereich (7) oberhalb des Steges (2) bzw. in dem Graben (21) und den lateralen Bereichen (6) kontinuierlichen Verlauf mit schrägen Flanken (16) aufweist.

4. Laserdioden nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die laseraktive Schicht (5) zwischen dem streifenförmigen Bereich (7) oberhalb des Steges (2) bzw. in dem Graben (21) und den lateralen Bereichen (6) diskontinuierlichen Verlauf mit einer Stufe aufweist. (Fig. 4)

5. Laserdioden-Array in integrierter Bauweise mit mehreren parallel nebeneinander angeordneten Laserdioden nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Abstand (a) und/oder der Höhen­ unterschied (15) für laterale Kopplung zwischen den benach­ barten Streifen (7) der Laserdioden (aufeinander) abgestimmt bemessen ist (sind).