1. Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiter-Laser, der
eine Laserschwingung bei einem extrem hohen
Schwellenspannungspegel erreicht.
2. Beschreibung des bisherigen Standes der Technik
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Konventionelle Halbleiter-Laser werden in zwei Gruppen
eingeteilt, verstärkungsgesteuerte Halbleiter-Laser und
indexgesteuerte Halbleiter-Laser, je nach ihrem optischen
Wellenleitungsmechanismus. Indexgesteuerte Halbleiter-Laser sind
verstärkungsgesteuerten Halbleiter-Lasern hinsichtlich der Stabilisation der
transversalen Eigenschwingung, die bei der praktischen Anwendung
wichtig ist, überlegen. Indexgesteuerte Halbleiter-Laser, die
eine Vielfalt bezüglich der Struktur haben, sind vorgeschlagen
worden, bei denen Licht und Strom innerhalb einer schmalen
Erregungsregion begrenzt sind, so daß der Schwellenwertpegel für
eine Laserschwingung reduziert werden kann. Typische Beispiele
für solche Halbleiter-Laser, die einen niedrigen
Schwellenstrompegel erreichen, sind die Laser mit eingebetteter Heterostruktur
(BH-Laser) und Steghohlleiter-Laser.
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Fig. 2 zeigt einen Halbleiter-Laser mit eingebetteter
Heterostruktur, welche wie folgt hergestellt wird:
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Eine Doppel-Heterostruktur, bei welcher eine aktive Schicht 3
für die Laserschwingung zwischen einem Paar
Auskleidungsschichten 2 und 4 eingeschlossen ist, wird auf einem Substrat 1
gebildet, wobei dann eine Deckschicht 5 gebildet wird, der ein
Ätzen folgt, um eine streifenförmige Mesa zu bilden. Der Bereich
außerhalb der Mesa wird mit einem Material 6 abgedeckt, das
einen niedrigen Brechungsindex hat, was zu einem Wellenleiter
mit einer Breite w führt, die nur ungefähr 2 im schmal ist, so
daß die transversale Grund-Eigenschwingung bei einem niedrigen
Schwellenwertpegel von ungefähr 10 mA oder weniger erreicht
werden kann. Um den Strom innerhalb der Mesaregion wirksam
einzugrenzen, die für eine Laserschwingung wesentlich ist, muß die
Bettungsschicht 6 durch eine Schicht mit hohem spezifischem
Widerstand oder durch eine Mehrfachschicht gebildet werden,
welche einen pn-Übergang hat, der umgekehrt wie der der
Mesaregion ist.
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Da jedoch die Bettungsschicht 6 nach der Bildung der Mesaregion
gezüchtet wird, entsteht ein Energiepegel an der Grenzschicht
zwischen der Einbettungsschicht 6 und der Mesaregion, welcher
einen uneffektiven Strom von ungefähr 2-10 mA erzeugt, der
durch diese Grenzschicht fließt, ohne durch die aktive Region zu
fließen. Das Verhältnis des uneffektiven Stroms zu einem Gesamt-
Strombetrag nimmt mit einer Abnahme bei der Breite w des
Wellenleiters zu, was eine Beschränkung der Absenkung des
Schwellenstrompegels des Lasers verursacht.
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Fig. 3 zeigt einen Laser mit Steghohlleiter, welche wie folgt
hergestellt wird:
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Eine Doppel-Heterostruktur, bei welcher eine aktiver Schicht 3
zwischen die n- und p- Auskleidungsschicht 2 und 4 eingelagert
ist, wird auf einem Substrat 1 gebildet, und dann wird eine
Abdeckschicht 5 gebildet, wonach dann ein Ätzen folgt, um Teile
zu entfernen, die die p-Auskleidungsschicht 4 erreicht, die über
der aktiven Schicht 3 positioniert ist, was zu einer
streifenförmigen Mesa führt, so daß der effektive Brechungsindex
des Teils der p-Auskleidungsschicht 4, der nicht zur Mesa
gehört, kleiner als der der Mesa wird. Der Hableiterlaser mit
Steghohlleiter unterscheidet sich von dem BH-Halbleiter-Laser
insofern, als der gesamte Bereich der aktiven Schicht 3 ungeätzt
bleibt und dementsprechend Strom, der in den Halbleiter-Laser
mit Steghohlleiter eingeleitet wird, durch die aktive Schicht 3
fließt. Da jedoch ein Teil der p-Auskleidungsschicht 4 des
Halbleiter-Lasers mit Steghohlleiter außerhalb der Mesa existiert,
diffundiert Strom, der in den Halbleiter-Laser mit
Steghohlleiter eingeleitet wird, von der Mesa der p-Auskleidungsschicht 4
in den Teil der p-Auskleidungsschicht 4, der nicht zur Mesa
gehört, wie durch Pfeilmarken in Fig. 3 angezeigt wird. Eine
Strommenge, welche in einen anderen Teil als den Teil der
aktiven Schicht 3 fließt, die unterhalb der Mesa positioniert ist,
innerhalb welcher Laserlicht eingegrenzt wird, wird uneffektiver
Strom, was eine Erhöhung bei dem Schwellenstrompegel des
Halbleiter-Lasers mit Steghohlleiter verursacht.
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"Electronic Letters" 21, 1025 (1985) offenbart einen
GaAs /GaAlAs-Heterostruktur-Halbleiter-Laser mit Steghohlleiter
und gesonderter Begrenzung, der Führungsschichten zwischen der
aktiven Schicht und den Auskleidungsschichten hat. Diese
Strukturen haben einen minimalen Schwellenstrom von 8 mA bei
einer Resonatorlänge von 300 nn. Der Schwellenstrom kann durch
Einfügen einer Überstrukturgitter-Pufferschicht in die
Laserstruktur herabgesetzt werden.
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GB-A-2 100 501 offenbart einen Laser mit eingebetteter
Heterostruktur, der Führungsschichten zwischen der aktiven Schicht und
den Auskleidungsschichten beinhaltet.
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Bei diesen beiden Dokumenten haben beide Führungsschichten
denselben Dotierpegel, obwohl die über der aktiven Schicht
positionierte Führungsschicht als p-Typ dotiert ist, wohingegen die
unter der aktiven Schicht positionierte Führungsschicht als n-
Typ dotiert ist.
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"Soviet Technical Physics Letters" 12, 574 (1986) offenbart
einen pbS/pbSSe/PbSnSe-Heterostrukturlaser, der
Führungsschichten zwischen der aktiven Schicht und den
Auskleidungsschichten benutzt, wobei eine obere Führungsschicht als p-Typ
dotiert ist (p = 8 · 10¹&sup7; cm&supmin;³) und eine untere Führungsschicht
als n-Typ dotiert ist (n = 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³).
Zusammenfassung der Erfindung
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Ein Halbleiter-Laser entsprechend dieser Erfindung, welcher die
vorstehend diskutierten und zahlreiche andere Nachteile und
Mängel überwindet, umfaßt eine Doppel-Heterostruktur, die aus
einer aktiven Schicht und einem Paar Auskleidungsschichten
gebildet ist, zwischen denen die aktive Schicht eingeschlossen
ist; einer Streifenstruktur, bei der in den Laser injizierter
Strom eingeschlossen ist, wobei die Streifenstruktur durch einen
Teil von einer der beiden Auskleidungsschichten gebildet ist;
einer ersten optischen Führungsschicht, die zwischen der anderen
Auskleidungsschicht und der aktiven Schicht liegt und einer
zweiten optischen Führungsschicht besteht, die zwischen der
anderen Auskleidungsschicht und der aktiven Schicht liegt, wobei
der Halbleiter-Laser dadurch gekennzeichnet ist, daß der
elektrische Widerstand der optischen Führungsschicht näher an der
Streifenstruktur höher als der Widerstand der optischen
Führungsschicht in größerem Abstand zu der Streifenstruktur ist;
und dadurch, daß die Dicke eines Teils einer Auskleidungsschicht
außerhalb der Streifenstruktur 50 nm oder kleiner ist, wobei die
Auskleidungsschicht an der Seite der Streifenstruktur liegt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Streifenstruktur
zu einer Mesa oder einem Steg ausgebildet.
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So macht die hierin beschriebene Erfindung das Erreichen
folgender Ziele möglich: (1) Bereitstellen eines Halbleiter-Lasers
mit einem Strompfad in der Form eines Steghohlleiters oder einem
Strompfad in der Form einer Mesa, bei welchem die Diffusion von
Strom, der in diesen Laser in Querrichtung eingeleitet wird,
unterdrückt wird, so daß ein uneffektiver Strom, der keinen
Beitrag zur Laserschwingung leistet, minimal wird, wodurch man
ein Absenken des Schwellenstrompegels dieses Lasers erreicht und
(2) Bereitstellen eines Halbleiter-Lasers, bei welchem, da ja
die ungeätzte aktive Schicht verwendet wird und an der
Grenzschicht zwischen der aktiven Schicht und der einbettenden
Schicht kein Energiepegel entsteht, eine hohe Ausbeute dieses
Lasers und eine hohe Zuverlässigkeit erreicht werden kann, was
bei praktischen Anwendungen nützlich ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Diese Erfindung kann durch Verweise auf die beigefügten
Zeichnungen besser verstanden werden, und dadurch werden ihre
zahlreichen Gegenstände und Vorteile für jene offensichtlich, die
mit der Technik vertraut sind.
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Fig. 1 ist eine Schnittansicht von vorn, die den Halbleiter-L-
aser dieser Erfindung zeigt.
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Fig. 2 ist eine Schnittansicht von vorn, die einen
konventionellen BH-Halbleiter-Laser zeigt.
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Fig. 3 ist eine Schnittansicht von vorn, die einen
konventionellen Steghohlleiter-Halbleiter-Laser zeigt.
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Fig. 4 ist eine Schnittansicht von vorn, die einen anderen
Halbleiter-Laser
dieser Erfindung zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Beispiel 1
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Fig. 1 zeigt einen Halbleiter-Laser, welcher wie folgt
hergestellt wird:
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Auf einem n-GaAs-Substrat (Si = 2 · 10¹&sup8; cm&supmin;³) 11 werden eine n-
GaAs-Pufferschicht (Si = 2 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ mit einer Dicke von 0,5 m)
12, eine n-Al0,7Ga0,3As-Auskleidungsschicht (Si = 2 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ mit
einer Dicke von 1,4 um) 13, eine n-AlxGa1-xAs-GRIN- (klassierte
Index-) Schicht (Si = 5 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ mit einer Dicke von 0,2 um)
14, eine undotierte aktive GaAs-Quantenquellenschicht (deren
Dicke 60 Å (1 Å 0,1 nm) beträgt) 15, eine unabsichtlich dotierte
AlxGa1-xAs-GRIN-Schicht (p 10¹&sup5; cm&supmin;³ mit einer Dicke von 0,2 um)
16, eine p-Al0,7Ga0,3As-Auskleidungsschicht (Be = 5 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ mit
einer Dicke von 1,4 um) 17 und eine p-GaAs-Deckschicht (Be = 5
· 10¹&sup8; cm&supmin;³ mit einer Dicke von 0,5 um) 18 nacheinander mittels
Molekularstrahlepitaxie gezüchtet. Der AlAs-Molanteil x der
GRIN-Schichten 14 und 16 steigt parabolisch im Bereich von 0,2
bis 0,7 mit dem Abstand in Richtung auf die
Auskleidungsschichten 13 und 17 von der aktiven Quantenquellenschicht an. Die
GRIN-Schichten 14 und 16 funktionieren als optische
Führungsschicht. Die unbeabsichtigt dotierte AlGaS-Schicht 16, die
mittels Molekularstrahlenepitaxie gezüchtet wird, ist vom p-Typ mit
p 10¹&sup5; cm&supmin;³ wegen der restlichen Kohlenstoff-Verunreinigungen.
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Dann wird die Halbleiterscheibe durch eine reaktive Ionenstrahl-
Ätztechnik unter Verwendung von Cl&sub2;-Gas in einer solchen Art und
Weise geätzt, daß der geätzte Teil die p-Auskleidungsschicht 17
erreicht, was zu einer Streifenmesa 100 führt. Die Dicke des
Teils der p-Auskleidungsschicht 17 außerhalb der Streifenmesa
100 ist 500 Å oder kleiner. Dann wird eine SiNx-Schicht 19 durch
plasmagestütztes chemisches Vakuum-Aufdampfen auf der
Halbleiterscheibe mit Ausnahme der Deckschicht 18 gebildet. Eine p-
Seitenelektrode 20 aus AuZn/Au und eine n-Seitenelektrode 21 aus
AuGe/Ni/Au werden auf der Oberseite der SiNx-Schicht 19, die die
Deckschicht 18 einschließt, beziehungsweise der Rückseite des
Substrats 11 gebildet, was zu einem Halbleiter-Laser führt. Wenn
die Breite des unteren Teils der Streifenmesa und die
Resonatorlänge des Halbleiter-Lasers 3,5 um beziehungsweise 250 um
war, dann erreichte der Halbleiter-Laser eine Laserschwingung
mit einer Schwingungs-Wellenlänge von 840 nm bei einem
Schwellenstrom von 4 mA.
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Da nun der Halbleiter-Laser so gestaltet ist, daß die GRIN-
Schicht 16, die einen verhältnismäßig hohen spezifischen
Widerstand (p ≤ 1 · 10¹&sup5; cm&supmin;³) hat, über der aktiven Schicht 15 liegt
und außerdem die GRIN-Schicht 14 und die
AlGaAs-Auskleidungsschicht 13, welche beide einen spezifischen Widerstand haben,
der kleiner als der der GRIN-Schicht 16 ist, beide unter der
aktiven Schicht 15 liegen, kann die Diffusion von Strom, der in
die aktive Schicht 15 eingeleitet wird, durch die Streifenmesa
100 effektiv unterdrückt werden.
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Folglich kann ein Quantenquellen-Halbleiter-Laser mit der
vorstehend angeführten GRIN-SCH-Struktur eine Laserschwingung bei
einem niedrigen Schwellenstrompegel erreichen.
Beispiel 2
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Fig. 4 zeigt einen weiteren Halbleiter-Laser dieser Erfindung,
welcher wie folgt hergestellt wird:
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Eine Mehrschichtstruktur, die eine aktive Schicht 15 hat, die
durch eine Doppel-Heterostruktur definiert ist, wird auf einem
n-GaAs-Substrat 11 mittels Molekularstrahlepitaxie in derselben
Weise wie jene gebildet, die in Fig. 1 gezeigt wird. Dann wird
ein Streifensteg 101 durch Verwendung einer SiO&sub2;-Schicht (nicht
gezeigt) gebildet, die als Maske funktioniert, und dann wird auf
der Halbleiterscheibe mit Ausnahme der Oberseite der Deckschicht
18 des Stegs 101 eine n-GaAs-Stromsperrschicht (Si = 2 · 10¹&sup8; cm&supmin;³
mit einer Dicke von 2 um) 30 gezüchtet. Dann wird die SiO&sub2;-
Schicht entfernt, wonach dann die Bildung einer
p-Seitenelektrode 20 aus AuZn/Au und einer n-Seitenelektrode 21 aus AuGe/-
Ni/Au auf der Oberseite der Stromsperrschicht 30 einschließlich
der Deckschicht 18 beziehungsweise der Rückseite des Substrats
11 erfolgt, was zu einem Halbleiter-Laser mit Steghohlleiter
führt. Wenn die Breite des unteren Teils des Streifenstegs 101
und die Resonatorlänge dieses Halbleiter-Lasers auf 4 im
beziehungsweise 250 um gesetzt wurden, dann erreichte der Halbleiter-
Laser eine Laserschwingung mit einer Schwingungs-Wellenlänge von
840 nm bei einem Schwellenstrompegel von 8 mA. Da nun dieser
Halbleiter-Laser so gestaltet ist, daß die Dicke des Teils der
p-Auskleidungsschicht 17 mit Ausnahme des Streifenstegs 101 nur
500 Å dick oder geringer ist, kann die Diffusion von Strom
ebenfalls effektiv unterdrückt werden. Bei diesem Beispiel wird
Licht durch die n-GaS-Schicht 30 absorbiert, wodurch eine
Stabilisierung einer Transversalschwingung erreicht wird, und
folglich wird eine Laserschwingung in Grund-Transversalform
erreicht, wenn die Breite des Streifenstegs 101 des Halbleiter-
Lasers maximal auf ungefähr 5 um gesetzt wird. Jedoch entsteht
ein Verlust der Lichtabsorption in starkem Ausmaß in dem
Halbleiter-Laser, so daß der Schwellenstrompegel, bei welchem eine
Laserschwingung erreicht wird, höher als der des in Fig. 1
gezeigten Lasers von Beispiel 1 wird.
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Obwohl die vorstehend angeführten zwei Beispiele offenbaren, daß
die an der Seite der n-Auskleidungsschicht liegende optische
Führungsschicht 14 mit einem Si-Dotiermittel in einer
Konzentration von 5 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ dotiert ist (d. h. Si = 5 · 10¹&sup7; cm&supmin;³) und
sich die optische Führungsschicht 16, die auf der Seite der p-
Auskleidungsschicht liegt, unbeabsichtigt so dotiert ist, daß
sie eine p-Schicht mit p 10¹&sup5; cm&supmin;³ ist, kann die
Trägerkonzentration der n-seitigen optischen Führungsschicht auf 10¹&sup7; cm&supmin;³
oder mehr gesetzt werden und kann die Trägerkonzentration der
pseitigen optischen Führungsschicht auf 10¹&sup6; cm&supmin;³ oder kleiner
gesetzt werden, so daß der Widerstand der p-seitigen optischen
Führungsschicht höher als der der n-seitigen optischen
Führungsschicht wird, und die Diffusion von Strom in Querrichtung, der
in die aktive Schicht durch die Streifenmesa oder den Steg
eingeleitet wird, kann unterdrückt werden.
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Darüberhinaus kann durch die Molekularstrahlenepitaxie, bei der
das Wachstum von Schichten mit einer hohen Kristallreinheit
erreicht wird, wie sie beispielsweise bei den vorstehend
angeführten Beispielen verwendet wird, unbeschadet der Tatsache, daß
die Wachstumsschichten nicht mit Dotiermitteln dotiert sind,
eine p-Wachstumsschicht mit p 10¹&sup6; cm&supmin;³ erreicht werden. Selbst
dann, wenn andere Kristallschicht-Wachstumstechniken, wie
beispielsweise die Flüssigphasenepitaxie usw. zur Anwendung kommen,
können wenn n- oder p-Wachstumsschichten mit n 10¹&sup6; cm&supmin;³ oder p
10¹&sup6; cm&supmin;³ unbeschadet der Tatsache erreicht werden, daß diese
Wachstumsschichten nicht mit Dotiermitteln dotiert sind,
undotierte optische Führungsschichten bei Bedarf verwendet werden.
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Außerdem kann die p-seitige optische Führungsschicht eine n-
Schicht mit n ≤ 10¹&sup7; cm&supmin;³ sein. Da positive Löcher, die in diese
optische n-Führungsschicht injiziert werden, eine kleine
Trägermenge sind, ist das Ausmaß der Trägerdiffusion auf eine so
kurze Strecke wie 1 um oder weniger begrenzt, so daß die
Diffusion von Strom effektiv unterdrückt werden kann. Zusätzlich
ist wenn die Trägerkonzentration 1 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ oder kleiner ist,
die Strahlungs-Wiedervereinigung in der optischen
Führungsschicht kleiner als in der aktiven Schicht, und infolgedessen
wird ein Verlust von Träger, der als entfernter Übergang
injiziert wird, nicht groß.
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Diese Erfindung ist nicht auf die bei den vorstehenden
Beispielen offenbarten Laserstrukturen begrenzt, sondern es kann
jede beliebige Struktur, bei welcher der Teil der
p-Auskleidungsschicht
außerhalb des schwingenden Bereichs auf eine Dicke
von 500 Å oder weniger verdünnt oder entfernt ist und eine
Stromsperrfunktion erreicht wird, auf diese Erfindung angewendet
werden; beispielsweise kann die Stromsperrschicht 30 des in Fig.
4 gezeigten Lasers aus einem halbisolierenden Material wie
beispielsweise GaAs, AlGaAs oder dergleichen oder einem
isolierenden Material, wie beispielsweise Polyimidharz, hergestellt
werden.
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Obwohl die vorstehend angeführten Beispiele eine
Quantenquellenstruktur, bei der die Dicke der aktiven Schicht 60 Å beträgt,
offenbaren, kann eine Wachstumsschicht, die eine Dicke von
mehreren hundert Å bis zu ungefähr 2000 Å hat, als aktive Schicht
mittels Flüssigphasenepitaxie, organisch-chemisches
Metallaufdampfen usw. gebildet werden. Darüberhinaus sind die optischen
Führungsschichten nicht notwendigerweise GRlN-Schichten, sondern
es können Wachstums schichten mit einer bestimmten
Zusammensetzung oder GRIN-Schichten sein, deren Zusammensetzung sich
entsprechend einer anderen Verteilung als einer parabolischen
Verteilung ändert. Die Halbleiter-Laser-Einrichtung dieser
Erfindung ist nicht auf das AlGaAs-System begrenzt, sondern ist auch
auf andere Halbleitermaterialien, wie das InGaAsP-System, das
InAlGaP-System, das AlGaAsSb-System, das InGaAlAs-System usw.
anwendbar.