DE3827961A1 - Halbleiterlaser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterlaser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, der eine Laserstruktur aufweist, in der eine Transversal-Mode als Grundschwingung erzeugt wird, und dessen Lebensdauer verlängert ist.

Zur Erzeugung eines Kristallwachstums wurde in großem Umfang die Flüssigphasen-Epitaxietechnik herangezogen, um Halbleiterlaser als Massenware zu produzieren. Statt der Flüssigphasen-Epitaxietechnik (LPE-Technik) kam dann das MO-CVD-Verfahren zum Einsatz (Metal Organic Chemical Vapor Deposition Method bzw. metallorganisches Chemical-Vapor-Deposition-Verfahren), mit dessen Hilfe sich Schichtdicken exakt einstellen lassen und das sich zur Massenproduktion mit verbessertem Herstellungswirkungsgrad und niedrigeren Kosten eignet.

Die Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch einen konventionellen SBA-(Self-Aligned Bent Active Layer)-Laser, der eine Laserstruktur aufweist, die sich zur Herstellung mit Hilfe des MO-CVD-Verfahrens eignet. Dieser Laser ist z. B. in der offengelegten japanischen Patentpublikation Nr. 60-192 380 beschrieben. In der Fig. 4 ist ein GaAs-Substrat vom p-Typ mit dem Bezugszeichen 1 versehen. Auf dem GaAs-Substrat 1 vom p-Typ liegt eine erste Abdeckschicht 2 (Plattierungs- bzw. Überzugsschicht) aus AlGaAs vom p-Typ. Eine GaAs-Stromsperrschicht 3 vom n-Typ liegt auf der ersten AlGaAs-Abdeckschicht 2 vom p-Typ. Eine zweite AlGaAs-Abdeckschicht 4 (Plattierungs- bzw. Überzugsschicht) vom p-Typ liegt auf der Stromsperrschicht 3. Eine aktive Schicht 5 aus AlGaAs vom p-Typ oder n-Typ liegt auf der zweiten AlGaAs-Abdeckschicht 4 vom p-Typ. Eine AlGaAs-Abdeckschicht 6 (Plattierungs- bzw. Überzugsschicht) vom n-Typ befindet sich auf der aktiven Schicht 5. Eine GaAs-Kontaktschicht 7 vom n-Typ liegt auf der AlGaAs-Abdeckschicht 6 vom n-Typ. Auf der Kontaktschicht 7 befindet sich eine n-seitige Elektrode 8. Eine p-seitige Elektrode 9 befindet sich an der unteren Oberfläche des Substrats 1. Eine streifenförmige Ausnehmung 10 (Furche bzw. Rinne) ist in der Stromsperrschicht 3 vorhanden.

Bei diesem herkömmlichen SBA-Laser ist die Bodenbreite der streifenförmigen Ausnehmung 10 etwa 2 µm groß, während die Dicke der zweiten AlGaAs-Abdeckschicht 4 vom p-Typ etwa 0,2 µm beträgt.

Diese Laserstruktur läßt sich durch zwei Kristallwachstumsvorgänge mit Hilfe des MO-CVD-Verfahrens herstellen. Beim ersten Kristallwachstumsvorgang werden auf dem GaAs-Substrat 1 vom p-Typ die erste AlGaAs-Abdeckschicht 2 vom p-Typ und dann die GaAs-Stromsperrschchicht 3 vom n-Typ gebildet. Nach dem ersten Kristallwachstumsvorgang wird die streifenförmige Ausnehmung 10 durch einen geeigneten Ätzvorgang erzeugt. Beim zweiten Kristallwachstumsvorgang werden der Reihe nach die zweite AlGaAs-Abdeckschicht 4 vom p-Typ, die aktive Schicht 5 und die AlGaAs-Abdeckschicht 6 auf dem Wafer erzeugt, so daß auf diese Weise eine Doppel-Heterostruktur erhalten wird. Infolge des mit Hilfe des MO-CVD-Verfahrens ausgeführten zweiten Kristallwachstumsvorgangs wird eine aktive Schicht 5 gebildet, die eine durchgebogene Konfiguration infolge der stufenartigen Ausbildung der streifenförmigen Ausnehmung 10 aufweist.

Im folgenden wird die Wirkungsweise dieses Lasers näher beschrieben.

Wird eine Spannung an den Laser angelegt, derart, daß die p-seitige Elektrode 9 positiv ist, so fließt ein Strom in konzentrierter Weise durch den Aperturbereich der streifenförmigen Ausnehmung 10. Es werden dann Löcher in den flachen Teil 11 der aktiven Schicht 5 in der Nähe des Bodens der streifenförmigen Ausnehmung 10 injiziert, und zwar von der Seite der zweiten AlGaAs-Abdeckschicht 4 vom p-Typ, während Elektronen ebenfalls in diesen Teil injiziert werden, und zwar von der Seite der AlGaAs-Abdeckschicht 6 vom n-Typ. Die Elektronen und Löcher rekombinieren, so daß Licht emittiert wird. Übersteigt der Strom einen Schwellenstrom, so entsteht innerhalb des Lasers eine Laserschwingung. Die aktive Schicht 5 dieses SBA-Lasers weist eine ähnliche durchgebogene Konfiguration wie die streifenförmige Ausnehmung 10 auf, wobei sich in einer Ebene, die die akive Schicht 5 im Bodenbereich der streifenförmigen Ausnehmung 10 enthält, der Brechungsindex in Horizontalrichtung ändert. Demzufolge tritt die Laserschwingung im flachen Teil 11 der durchgebogenen aktiven Schicht 5 auf, wobei dieser Teil der aktive Bereich ist.

Beim herkömmlichen SBA-Halbleiterlaser mit dem oben beschriebenen Aufbau beträgt die Bodenbreite der streifenförmigen Ausnehmung etwa 2 µm, während der Abstand des aktiven Bereichs zum Boden der streifenförmigen Ausnehmung nur klein ist und etwa 0,2 µm beträgt. Durch einen derartigen Aufbau wird ein großer aktiver Bereich erhalten, so daß die Transversal-Mode der Laserschwingung relativ unstabil wird. Der kleine Abstand des aktiven Bereichs zum Boden der streifenförmigen Ausnehmung 10, der nur 0,2 µm beträgt, hat zur Folge, daß die Neuwachstums-Grenzfläche, die eine hohe Dichte von Kristallgitterdefekten und Versetzungen enthält, in der Nähe der aktiven Schicht 5 liegt. Durch diese Kristallgitterdefekte bzw. Versetzungen wird höchstwahrscheinlich die Lebendauer des Halbleiterlasers begrenzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterlaser vom SBA-Typ zu schaffen, bei dem eine Transversal-Mode als Grundschwingung auftritt und der eine verlängerte Lebensdauer aufweist.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Ein Halbleiterlaser mit einer durchgebogenen aktiven Schicht, die auf anderen Halbleiterschichten liegt, die eine streifenförmige Ausnehmung mit umgekehrt trapezförmigem Querschnitt entlang der stufenartigen Konfiguration der Ausnehmung enthalten, zeichnet sich dadurch aus, daß eine Bodenbreite (Wg) der streifenförmigen Ausnehmung kleiner als 2 µm ist und der Abstand (d) des aktiven Bereichs vom Bodenteil der streifenförmigen Ausnehmung oberhalb von 0,6 µm liegt.

Vorzugsweise sind die Halbleiterschichten des Halbleiterlasers mittels des MO-CVD-Verfahrens hergestellt (Metal Organic Chemical-Vapor-Deposition-Verfahren).

Der Halbleiterlaser kann z. B. Materialien der Reihe AlGaAs, AlGaInP oder InGaAsP enthalten.

Der umgekehrt trapezförmige Querschnitt liegt senkrecht zur Längsrichtung der streifenförmigen Ausnehmung. Die kurze Trapezseite liegt dabei dem Substrat am nächsten.

Die Zeichnung stellt neben dem Stand der Technik ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Schnittdarstellung eines Halbleiterlasers nach der Erfindung,

Fig. 2 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Anstiegsrate des Betriebsstroms des SBA-Lasers und dem Abstand der Neuwachstums-Grenzfläche vom aktiven Bereich,

Fig. 3 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Breite des aktiven Bereichs und der Breite der streifenförmigen Ausnehmung, und

Fig. 4 eine perspektivische Schnittdarstellung durch einen herkömmlichen SBA-Laser.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt eine perspektivische Schnittdarstellung eines Halbleiterlasers nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In Fig. 1 ist ein GaAs-Substrat 1 vom p-Typ mit dem Bezugszeichen 1 versehen. Eine erste AlGaAs-Abdeckschicht 2 (Plattierungs- bzw. Überzugsschicht) vom p-Typ befindet sich auf dem GaAs-Substrat 1 vom p-Typ. Eine GaAs-Stromsperrschicht 3 vom n-Typ liegt auf der ersten AlGaAs-Abdeckschicht 2 vom p-Typ. Eine zweite AlGaAs-Abdeckschicht 4 (Plattierungs- bzw. Überzugsschicht) vom p-Typ ist auf der Stromsperrschicht 3 angeordnet. Eine aktive Schicht 5 aus AlGaAs (oder aus GaAs) vom p-Typ oder vom n-Typ liegt auf der zweiten AlGaAs-Abdeckschicht 4 vom p-Typ. Eine n-Typ AlGaAs-Abdeckschicht 6 (Plattierungs- bzw. Überzugsschicht) liegt auf der aktiven Schicht 5. Eine n-Typ GaAs-Kontaktschicht 7 befindet sich auf der AlGaAs-Abdeckschicht 6 (cladding layer) vom n-Typ. Eine n-seitige Elektrode 8 ist auf der Kontaktschicht 7 vorhanden, während eine p-seitige Elektrode 9 auf der unteren Oberfläche des Substrats 1 vorhanden ist. Eine streifenförmige Ausnehmung 10 (Furche bzw. Rinne oder dergleichen) befindet sich innerhalb der Stromsperrschicht 3. Das Bezugszeichen 11 kennzeichnet einen aktiven Bereich, während das Bezugszeichen 12 eine Neuwachstums-Grenzfläche bezeichnet.

Der Aufbau der jeweiligen Schichten dieses Ausführungsbeispiels entspricht im wesentlichen demjenigen des in Fig. 4 gezeigten konventionellen SBA-Lasers. Beim Ausführungsbeispiel nach der Erfindung ist jedoch die Bodenbreite Wg kleiner als 2 µm (Wg < 2 µm), während der Abstand d oberhalb von 0,6 µm liegt (d < 0,6 µm), und zwar im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem Wg etwa 2 µm und der Abstand d etwa 0,2 µm betragen.

Nachfolgend wird die Wirkungsweise des SBA-Lasers gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben.

Die Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen dem Abstand d vom aktiven Bereich 11 zur Neuwachstums-Grenzfläche 12 und der Anstiegsrate des Betriebsstroms von einem Ausgangswert, wobei die Anstiegsrate erhalten wird, wenn der SBA-Laser über 10 Stunden bei konstantem Lichtausgang von 5 mW und bei einer relativ hohen Temperatur von 70°C betrieben wird. Es handelt sich hierbei um die Anlauf- bzw. Beschleunigungsbedingung. Wie anhand der Fig. 2 zu erkennen ist, ist die Anstiegsrate des Betriebsstroms extrem groß, und zwar für einen Bereich, in welchem der Abstand d kleiner als 0,5 µm ist. Es treten daher Probleme bezüglich der Elemente-Lebensdauer und der Betriebszuverlässigkeit auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Abstand d auf etwa 0,6 µm gesetzt, wobei die Anstiegsrate des Betriebsstroms vom Ausgangswert auf etwa unterhalb 5% gehalten werden kann. Hierdurch ergibt sich eine hinreichend gute Lebensdauer für den praktischen Gebrauch.

Die Fig. 3 zeigt eine typische Darstellung der Beziehung zwischen der Breite Wa des aktiven Bereichs und der Bodenbreite Wg der streifenförmigen Ausnehmung 11, wobei die Breite Wa benachbart zur streifenförmigen Ausnehmung im SBA-Laser liegt. Beim tatsächlichen Wachstumsvorgang unter Anwendung des MO-CVD-Verfahrens wächst der Kristall in einer solchen Richtung auf, daß er die streifenförmige Ausnehmung bzw. Furche oder Rille begraben sollte. Es sollte sich daher ein Winkel α bilden, der zwischen der Basis, die durch den Boden der streifenförmige Ausnehmung gebildet wird, und einer Linie liegt, die jeweils ein Ende des Bodens der streifenförmige Ausnehmung mit einem Endbereich des aktiven Bereichs verbindet, wobei der Winkel α kleiner als 90° ist. Je länger somit der Abstand d von der Neuwachstums-Grenzfläche 12 wird, desto schmaler wird die Breite des aktiven Bereichs 5. Der Winkel α hängt ebenfalls von der Wachstumsbedingung bei Anwendung des MO-CVD-Verfahrens ab, genauer gesagt von der Aufwachstemperatur T _G . Die praktische Aufwachstemperatur kann z. B. im Temperaturbereich von 700 bis 850°C liegen. Je größer die Aufwachstemperatur ist, desto größer ist der Winkel α, z. B. etwa 55° bei 700°C und etwa 75° bei 850°C. Die Breite Wa des aktiven Bereichs nimmt daher mit ansteigender Temperatur zu.

Die Breite Wa des aktiven Bereichs wird daher durch die Breite Wg der streifenförmigen Ausnehmung, durch die Aufwachsbedingung (Aufwachstemperatur) und die Dicke d der zweiten AlGaAs-Abdeckschicht 4 vom p-Typ bestimmt. Um einen SBA-Laser zu erhalten, der eine stabile Transversal-Mode als Grundschwingung aufweist, und der ferner mit hoher Ausbeute hergestellt werden kann, sollte in Übereinstimmung mit experimentellen Daten die Breite Wa des aktiven Bereichs unterhalb von 1,7 µm liegen.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel liegen die Breite Wg unterhalb von 2 µm und die Dicke d bei etwa 0,6 µm, so daß eine Breite Wa für den aktiven Bereich erhalten wird, die etwas unterhalb von 1,7 µm bei 850°C liegt. Dies ist die obere Grenze der Aufwachstemperatur. Hierdurch läßt sich erreichen, daß eine stabile Transversal-Mode als Grundschwingung erhalten wird. Liegt die Aufwachstemperatur unterhalb von 850°C, so nimmt der Winkel α den Wert α < 75° an, während die Breite Wa des aktiven Bereichs ebenfalls unterhalb von 1,7 µm liegt. Auch in diesem Fall wird eine stabile Transversal-Mode als Grundschwingung erzielt.

Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde ein AlGaAs-SBA-Laser auf einem GaAs-Substrat vom p-Typ hergestellt. Es lassen sich aber auch ein Laser auf einem Substrat vom n-Typ oder ein Laser aus einem anderen Material in Übereinstimmung mit der Erfindung herstellen, der z. B. Material der Serien AlGaInP oder InGaAsP enthält und der ansonsten dieselbe Struktur einschließlich der durchgebogenen aktiven Schicht aufweist.

Entsprechend der zuvor beschriebenen Erfindung wird die Bodenbreite der streifenförmigen Ausnehmung im SBA-Laser auf einen Wert unterhalb von 2 µm gesetzt, während der Abstand von einem aktiven Bereich zur Neuwachstums-Grenzfläche auf etwa 0,6 µm eingestellt wird. Die Neuwachstums-Grenzfläche ist hierbei die Grenzfläche zwischen den Schichten 2 und 3, wie in Fig. 1 zu erkennen ist. Die Breite des aktiven Bereichs kann daher leicht auf einen Wert von kleiner als 1,7 µm eingestellt werden, so daß sich eine stabile Transversal-Mode (transverse mode) als Grundschwingung und eine verlängerte Lebensdauer erzielen lassen.

Claims (3)

1. Halbleiter-Schichteinrichtung mit einer durchgebogenen aktiven Schicht (5), welche auf anderen Halbleiterschichten liegt, die eine streifenförmige Ausnehmung (10) mit umgekehrt trapezförmigem Querschnitt entlang der stufenartigen Konfiguration der Ausnehmung enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß

• - eine Bodenbreite (Wg) der streifenförmigen Ausnehmung (10) kleiner als 2 µm ist und
• - der Abstand (d) des aktiven Bereichs vom Bodenteil der streifenförmigen Ausnehmung (10) oberhalb von 0,6 µm liegt.

2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß seine Halbleiterschichten mittels des MO-CVD-Verfahrens hergestellt sind.

3. Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er Materialien der Reihe AlGaAs, AlGaInP oder InGaAsP enthält.