DE3879270T2

DE3879270T2 - Halbleiterlaser.

Info

Publication number: DE3879270T2
Application number: DE8888107892T
Authority: DE
Inventors: K K Toshiba Kurihara; K K Toshiba Matsumoto
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-05-18
Filing date: 1988-05-17
Publication date: 1993-07-22
Anticipated expiration: 2008-05-18
Also published as: JPH0797689B2; JPS63284876A; EP0291936A3; DE3879270D1; US4879724A; EP0291936A2; EP0291936B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser, insbesondere einen Halbleiterlaser mit einer inneren Streifenstruktur.
Halbleiterlaser haben, verglichen mit Gas- oder anderen Festkörperlasern, viele Vorteile wie Kompaktheit, schnelles Ansprechverhalten sowie hohen Wirkungsgrad und Zuverlässigkeit.
Deshalb werden Halbleiterlaser zunehmend als Lichtquellen insbesondere für optische Plattenspeichersysteme und optische Kommunikationssysteme eingesetzt. Optische Plattenspeichersysteme benötigen kürzere Wellenlängen als optische Kommunikationssysteme. Laser vom AlGaAs-Typ erfüllen diese Anforderung, wodurch sie in großer Zahl in massenproduzierten Systemen wie Kompaktplatten(CD)-Abspielgeräten eingesetzt werden. Jedoch muß ihre Ausgangsleistung steigen, wenn wiedereinschreibbare optische Plattenspeichersysteme entwickelt werden.
Eine wiedereinschreibbare optische Platte ist ein Lese- und Schreibspeicher, während eine CD ein reiner Lesespeicher ist. In den wiedereinschreibbaren optischen Plattenspeichersystemen werden Informationen optisch geschrieben, gelesen und gelöscht. Zum Löschen und Schreiben wird eine wesentlich höhere Laserleistung benötigt als zum Lesen. Folglich ist ein Bedarf an leistungsfähigeren AlGaAs-Lasern entstanden. Diese Laser müssen wie die Laser für CD-Spieler transversalmodusstabilisiert sein. Diese Modusstabilisierung wird durch die Unterdrückung von Transversalmoden (transversalen Eigenschwingungen) höherer Ordnung erreicht.
Die innere Streifenstruktur sowie andere modusstabilisierende Strukturen stabilisieren den Transversalmodus, indem sie die Laserstrahlbreite genügend einschränken, um Moden höherer Ordnung abzutrennen. In den meisten CD-Spielern sind Laser dieser Struktur eingesetzt, weil diese wesentlich leichter herzustellen ist als andere Strukturen. Die Ausgangsleistung dieser Laser ist allerdings auf unter etwa 10 mW beschränkt, während wiedereinschreibbare optische Plattenspeichersysteme aber mindestens 30 mW benötigen. Die Ausgangsleistung von Halbleiterlasern wird jedoch in den meisten Fällen durch dramatischen optischen Leistungsabfall (COD) an der Laserfacette eingeschränkt. COD entsteht durch optische Leistungsabsorption in der Aktivschicht nahe der Facette. Deshalb kann die maximale Ausgangsleistung erhöht werden, indem die Aktivschicht in dem Bereich nahe jeder Facette wirksam transparent gemacht wird. Dieser Bereich heißt Fenster oder Fensterbereich, während der Bereich zwischen den zwei Fenstern ein Verstärkungsbereich ist. Die Halbleiterlaser mit den Fenstern werden Fensterstrukturlaser genannt. Das Fenster kann erhalten werden, indem die Bandabstandenergie der Aktivschicht höher und/oder die optische Leistungsdichte nahe der Facette niedriger gehalten wird als im Mittelbereich des Laserhohlraums. Zur Erzielung der Fenster werden vielerlei Strukturen vorgeschlagen.
Applied Physics Letter, vol. 42 No. 5, S. 406 (1987) und die Japanische Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 57-211791 beschreiben Fensterstrukturlaser mit einer inneren Streifenstruktur. Die Grundstruktur nach diesem Stand der Technik ist in Fig. 1 dargestellt. Diese Struktur umfaßt ein Substrat 5, zusammengesetzt aus einer unteren GaAs-Schicht 12A vom p-Typ und einer GaAs-Schicht 8 vom n-Typ, die als Stromsperrschicht (CBL) dient, einem an die untere Schicht 12A heranreichenden, in die Stromsperrschicht 8 geätzten Kanal 3, einer AlxGa1-xAs-Überzugschicht 9 vom p-Typ, einer AlxGa1-yAs-(0 < y < x < 1)-Aktivschicht 4 vom p- oder n-Typ, einer AlxGa1-xAs-Überzugschicht 10 vom n-Typ, einer ohm'schen GaAs-Kontaktschicht 11 vom n-Typ und zwei senkrecht zum Kanal 3 liegenden und als den Laserhohlraum festlegende Hohlraumfenster dienenden Spaltfacetten 12A und 12B. Die Laserhohlraumlänge beträgt etwa 300 um. Der in die Aktivschicht 4 geleitete Pumpstrom ist aufgrund der Stromsperrschicht 8 unmittelbar über dem Kanal festgelegt. Wie die Schichtbezeichnungen schon andeuten, ergeben die zwei Überzugschichten 9 und 10 und die Aktivschicht 8 einen optischen Wellenleiter, wobei sich der Lasersträhl in der Aktivschicht 4 fortsetzt. Die Breite des optischen Wellenleiters ist durch die Breite des Kanals 3 beschränkt, weil außerhalb des Kanals 3 die Überzugschicht 9 zu dünn ist, um den Laserstrahl in der Aktivschicht 4 zu halten. Bei Halbleiterlasern mit einer inneren Streifenstruktur sollte die Laserstrahlbreite bei etwa 4 um oder weniger liegen, um Transversalmoden höherer Ordnung abzutrennen. Die Kanalbreite beträgt jedoch im Bereich 2 etwa 7 um, wodurch Transversalmoden höherer Ordnung leicht angeregt werden können. Deshalb wird der Kanal 3 in den Bereichen 1A und 1B auf 4 um verschmälert, in der Erwartung, daß die Moden der höheren Ordnung durch diese Teile herausgefiltert werden. Die vier Schichten 4, 9, 10 und 11 werden auf dem Substrat 5 mittels Flüssigphasenepitaxie (LPE) zum Aufwachsen gebracht. Beim Aufwachsen durch Flüssigphasenepitaxie auf solchen konkaven Oberflächen wie der Kanaloberfläche nimmt die Geschwindigkeit des Kristallwachstums mit der Krümmung der Oberfläche zu. Dies ist, wie man glaubt, bedingt durch die Grenzflächenenergie zwischen dem Kristall und der Schmelze. Folglich nimmt die Krümmung der epitaxialen Schicht in dem schmalen Kanal schneller ab als in dem breiten Kanal. So kann die Oberfläche der AlxGa1-xAs-Überzugschicht 9 vom p-Typ im breiten Kanal noch konkav sein, wenn sie über dem schmalen Kanal schon flach wird. Die Aktivschicht 4 sinkt dann in dem breiten Kanal ab und nimmt eine sichelförmige Gestalt an, während sie über dem breiten Kanal flach und relativ dünn ist. So erhält man nahe den Facetten eine 0,05 um oder weniger dünne Aktivschicht, im Mittelbereich des Laserhohlraums dagegen eine 0,10 um oder mehr dicke Aktivschicht. Wenn eine Aktivschicht wesentlich dünner ist als die Lichtwellenlänge von etwa 0,2 um, wie es in dieser Struktur der Fall ist, ist der Laserstrahl nicht vollkommen in der Aktivschicht eingeschlossen und vergrößert somit seinen Querschnitt. Folglich nimmt die optische Leistungsdichte mit der Dicke der Aktivschicht 4 ab. Deshalb werden die Bereiche 1A und 1B, in denen die Aktivschicht dünner ist als im Bereich 2, zu Fenstern, und der Bereich 2 wird zum Verstärkungsbereich. Überdies ist die Bandabstandenergie der Aktivschicht 4 in den Bereichen 1A und 1B höher als im Bereich 2. Dies unterstützt die Funktion der Bereiche 1A und 1B als Fenster. Diese Bandabstanddifferenz rührt von der dem Flüssigphasenepitaxie-Wachstum eigenen Eigenschaft her, daß die Al-Konzentration im AlxGa1-xAs mit abnehmender Flüssigphasenepitaxie-Wachstumsgeschwindigkeit zunimmt.
Nach dem Stand der Technik entsteht also der Fensterstrukturlaser mit einer inneren Streifenstruktur, der eine optische Leistung von mehr als 70 mW abgibt. Diese Struktur weist allerdings Transversalmodusinstabilität auf. Diese Instabilität führt, wie in Fig. 2 gezeigt, zu Nichtlinearität in ihrem Verhältnis von optischer Leistung zu Ansteuerstrom sowie, wie in Fig. 3 gezeigt, zu asymmetrischen und leistungsabhängigen Fraunhofer-Feldmustern. Diese schlechten Eigenschaften machen den Einsatz dieses Lasers in wiedereinschreibbaren optischen Plattenspeichersystemen unmöglich. Diese Tansversalmodusinstabilität zeigt, daß Transversalmoden höherer Ordnung im Verstärkungsbereich angeregt werden und nicht durch die Fensterbereiche ausgefiltert werden können. Dieser deutliche Nachteil läßt sich nicht umgehen, da der breite Kanal notwendig ist, um nach dem Stand der Technik eine sichelförmige Aktivschicht zu erhalten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Halbleiterlaserstruktur bereitzustellen, die eine Ausgangsleistung von 50 mW oder mehr ohne laterale Modusinstabilität aufweist.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Halbleiterlaser bereit, umfassend: ein Substrat aus einer unteren Halbleiterschicht eines ersten Leitungstyps und einer auf der unteren Schicht angeordneten Halbleiterstromsperrschicht (CBL) eines zweiten Leitungstyps; einen in der Stromsperrschicht an die untere Schicht heranreichend geformten geradlinigen Kanal mit einer über den Laserhohlraum hinweg konstanten Breite und bestehend aus einem tiefen Verstärkungsbereichkanal im Mittelbereich des Laserhohlraums und flachen Fensterbereichkanälen in der Nähe der Hohlraumfenster; eine erste auf dem Substrat mittels Flüssigphasenepitaxie zum Aufwachsen gebrachte Überzugsschicht des ersten Leitungstyps; eine durch Flüssigphasenepitaxie auf der ersten Überzugsschicht zum Aufwachsen gebrachte Halbleiter-Aktivschicht des ersten oder zweiten Leitungstyps mit einem sichelförmigen Querschnitt über dem Verstärkungsbereichkanal im Gegensatz zu einer flachen und relativ dünnen Gestalt über den Fensterbereichkanälen; eine zweite auf der Aktivschicht zum Aufwachsen gebrachte Überzugsschicht des zweiten Leitungstyps; eine auf der zweiten Überzugsschicht zum Aufwachsen gebrachte ohm'sche Halbleiterschicht des zweiten Leitungstyps; zwei auf jeder der Ober- und Unterseiten des Halbleiterlasers abgelagerte Metallelektroden; und zwei senkrecht zum Kanal liegende und den Laserhohlraum festlegende Spaltfacetten.
Erfindungsgemäß ist die Kanalbreite über den Laserhohlraum hinweg konstant. So wird ohne die Beeinträchtigung durch Transversalmodusinstabilität eine Fensterstruktur erzielt.
Gemäß US-PS 4639925 ist zur präzisen Kontrolle der Kanalbreite bevorzugt eine die Kanalverformung verhindernde Schicht in der Stromsperrschicht nahe der Oberfläche bereitzustellen.
Ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus der folgenden genauen Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt eines Halbleiterlasers nach dem Stand der Technik, wobei der Kanal im Verstärkungsbereich breiter ist als im Fensterbereich;
Fig. 2 eine graphische Darstellung, wobei das Verhältnis von Ausgangsleistung zu Ansteuerstrom des Lasers nach Fig. 1 eine schlechte Linearität aufweist und einen Knick bei einer Ausgangsleistung von weniger als 50 mW hat;
Fig. 3 eine graphische Darstellung, wobei das Fraunhofer-Feldmuster des Lasers nach Fig. 1 asymmetrisch und vom Ausgangsleistungsniveau abhängig ist;
Fig. 4 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Halbleiterlasers, wobei der Kanal im Verstärkungsbereich tiefer ist als im Fensterbereich, durch den Laserhohlraum hindurch aber eine konstante Breite aufweist;
Fig. 5A bis 5I perspektivische Darstellungen eines Herstellungsverfahrens für ein beim Laser nach Fig. 4 verwendetes, mit einem Kanal versehenes Substrat;
Fig. 6 eine graphische Darstellung, wobei das Verhältnis von Ausgangsleistung zu Ansteuerstrom des Lasers nach Fig. 4 eine gute Linearität aufweist und keine Knicke bei einer Ausgangsleistung von über 70 mW hat; und
Fig. 7A und 7B graphische Darstellungen, wobei die Fraunhofer-Feldmuster des Lasers nach Fig. 4 symmetrisch und vom Ausgangsleistungsniveau unabhängig sind.
Fig. 4 zeigt einen Halbleiterlaser gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in Fig. 4 gezeigt, umfaßt ein Halbleiterlaser:
ein Substrat 15 aus einer unteren GaAs-Schicht 20 des p-Typs und einer GaAs-Schicht 21 vom n-Typ, die als Stromsperrschicht (CBL) dient; eine die Kanalverformung verhindernde Schicht 22 auf der Stromsperrschicht 21, hergestellt aus AlzGa1-zAs (z = 0,1); eine Oxidationsschutzschicht 23, hergestellt aus GaAs vom p-Typ; einen in der Stromsperrschicht 21 an die untere Schicht 20 heranreichend geätzten Kanal 90; eine AlxGa1-xAs(x = 0,35)-Überzugsschicht 25 vom p-Typ; eine AlyGa1-yAs(y = 0,056)-Aktivschicht 26 vom p- oder n-Typ; eine AlxGa1-xAs-Überzugsschicht 27 vom n-Typ; eine ohm'sche GaAs-Kontaktschicht 28 vom n-Typ; Metallelektroden 29 und 30 und zwei senkrecht zum Kanal 90 liegende und in ihrer Funktion als Hohlraumfenster den Laserhohlraum festlegende Spaltfacetten. Die Länge des Laserhohlraums beträgt etwa 260 um. Die Reflexionskraft der Hohlraumfenster wird auf etwa 5% bei der vorderen Facette und auf etwa 95% bei der hinteren Facette mittels dielektrischer Schichten eingestellt.
Der Laserchip ist etwa 100 um dick, 300 um breit und 260 um lang. Das Substrat 15 ist etwa 80 um, die Stromsperrschicht etwa 1 um, die die Kanalverformung verhindernde Schicht 22 etwa 0,1 um, die erste Überzugsschicht 25 etwa 0,2 um außerhalb des Kanals 90, die zweite Überzugsschicht 27 etwa 2 um und die ohm'sche Kontaktschicht 28 etwa 15 um dick.
Die Kanaltiefe beträgt etwa 1,0 bis 2,0 um, vorzugsweise 1,2 um, in den Bereichen 35A und 35B (Fensterbereichen), hingegen etwa 1,4 bis 3,0 um, vorzugsweise 2,0 um, im Bereich 36 (Verstärkungsbereich). Die vier Schichten 25, 26, 27 und 28 werden mittels Flüssigphasenepitaxie (LPE) auf dem Substrat 15 zum Aufwachsen gebracht. Aufgrund der der Flüssigphasenepitaxie von AlGaAs eigenen Eigenschaften ist die Aktivschicht über dem Verstärkungsbereichkanal sichelförmig und 0,06 um oder mehr dick, vorzugsweise 0,07 um, hingegen über den Fensterbereichkanälen 95A und 95B flach und 0,05 um oder weniger dick. Ebenfalls aufgrund der Flüssigphasenepitaxie-Eigenschaften ist die Bandabstandenergie der flachen Aktivschicht etwas höher als die der sichelförmigen Aktivschicht. Diese Differenzen in der Aktivschicht-Dicke und der Bandabstandenergie machen die Fensterbereiche für den Laserstrahl wirksam transparent. Jeder der Fensterbereiche ist etwa 30 um lang. Der Verstärkungsbereich ist etwa 200 um lang. Bisher wurden hauptsächlich die dem erfindungsgemäßen Halbleiterlaser nach Fig. 4 und dem nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 1 gemeinsamen Merkmale erklärt. Hingegen sollen im weiteren die Merkmale, die den erfindungsgemäßen Laser dem Laser nach dem Stand der Technik überlegen machen, erläutert werden. Beim Laser dieser Erfindung ist die Kanalbreite durch den Laserhohlraum hindurch konstant und schmal genug, um Transversalmoden höherer Ordnung abzutrennen. Genau gesagt, beträgt die Kanalbreite 5 um oder weniger, vorzugsweise 4 um. So kann dieser Laser in einem stabilen Transversalmodus arbeiten, was nach dem Stand der Technik unmöglich ist.
Anhand von Fig. 5A bis 5I werden die Herstellungsverfahren des einen Kanal aufweisenden Substrats 22 wie folgt erklärt.
(1) Wie in Fig. 5A gezeigt, werden die Stromsperrschicht 25 mit der die Kanalverformung verhindernden Schicht 22 und der Oxidationsschutzschicht 23 mittels Flüssigphasenepitaxie auf der unteren Schicht 20 zum Aufwachsen gebracht.
(2) Wie in Fig. 5B gezeigt, wird eine etwa 0,25 um dicke SiO&sub2;-Schicht 50 auf die Oxidationsschutzschicht 23 aufgesprüht.
(3) Wie in Fig. 5C gezeigt, wird die SiO&sub2;-Schicht 50 mit einer Photoresist-Schicht 51 überzogen, und ein Streifenfenster 70 wird durch die Photoresist-Schicht 51 auf photolithographischem Wege geöffnet.
(4) Wie in Fig. 5D gezeigt, wird die SiO&sub2;-Schicht 50 mittels gepufferter Fluorsäure durch das Streifenfenster 70 unter Verwendung der Photoresist-Schicht 51 als Ätzmaske selektiv geätzt. So wird das Streifenfenster 75 durch die SiO&sub2;- Schicht 50 geöffnet.
(5) Nach Entfernen der Photoresist-Schicht 51 werden weitere Photoresist-Schichtstreifen 53 auf photolithographischem Wege hergestellt, um so die Fensterbereiche abzudecken, wie in Fig. 5E gezeigt.
(6) Wie in Fig. 5F gezeigt, wird ein etwa 0,8 um tiefer Kanal 86 in das Substrat 15 durch reaktives Ionenätzen (RIE) unter Verwendung der SiO&sub2;-Schicht 50 und der Photoresist- Schichtstreifen 53 als Masken geätzt.
(7) Wie in Fig. 5G gezeigt, werden die Photoresist- Schichtstreifen 53 entfernt.
(8) Wie in Fig. 5H gezeigt, wird das Substrat 15 erneut mittels reaktiver Ionenätzung unter Verwendung der SiO&sub2;- Schicht 50 als Maske geätzt. Die Ätztiefe beträgt etwa 1,2 um. Der erhaltene Kanal 26 ist etwa 1,2 um tief.
(9) Schließlich wird die SiO&sub2;-Schicht 50 mittels gepufferter Fluorsäure entfernt, wie in Fig. 51 gezeigt. Die erhaltenen Fensterbereichkanäle 95A und 95B sind etwa 1,2 um tief, und der Verstärkungsbereichkanal 96 ist etwa 0,8 um + 1,2 um = 2,0 um tief.
Die Fig. 6, 7A und 7B zeigen Kennlinien des nach diesem Verfahren hergestellten erfindungsgemäßen Halbleiterlasers.
Fig. 6 zeigt das Verhältnis von Ausgangsleistung zu Ansteuerstrom von 8 Halbleiterlasern. Es wird belegt, daß jede Anordnung eine COD(dramatischer optischer Leistungsabfall)- Leistung von über 150 mW hat und eine gute Linearität ohne Knicke bei einer Ausgangsleistung von über 70 mW aufweist.
Fig. 7A zeigt typische, zur pn-Verbindungsebene parallele Fraunhofer-Feldmuster, während Fig. 7B die senkrecht zur pn-Verbindungsebene liegenden Fraunhofer-Feldmuster zeigt. Es ist klar erkennbar, daß die Fraunhofer-Feldmuster in hohem Maße symmetrisch und vom Ausgangsleistungsniveau unabhängig sind.
Die Laserdioden dieser Erfindung haben also nachweislich hervorragende, zur Verwendung bei wiedereinschreibbaren optischen Platten geeignete Eigenschaften. Diese hervorragenden Eigenschaften legen nahe, daß der Tansversalmodus stabilisiert ist und die Fensterbereiche erwartungsgemäß erfolgreich hergestellt sind.
Die Erfindung wurde zwar in Verbindung mit der derzeit als am praktischsten und bevorzugsten angesehenen Ausführungsform beschrieben, doch ist zu erkennen, daß die Erfindung nicht auf die hier offenbarte Ausführungsform beschränkt sein soll. Im Gegenteil, die Erfindung deckt vielerlei Abwandlungen wie aus anderem Material, mit anderen Dimensionen und mit Hilfe anderer Herstellungsverfahren gefertigte Laserdioden ab, solange sich die Abwandlungen im Bereich der nachfolgenden Ansprüche bewegen.

Claims

1. Halbleiterlaser, umfassend:

ein Substrat (15) aus einer unteren Halbleiterschicht (20) eines ersten Leitungstyps und einer auf der unteren Schicht angeordneten Halbleiter- Stromsperrschicht (21) eines zweiten Leitungstyps,

einen in der Stromsperrschicht an die untere Schicht heranreichend geformten geradlinigen Kanal (90),

eine auf dem Substrat (15) mittels Flüssigphasen- Epitaxie (LPE) zum Aufwachsen gebrachte erste Überzugsschicht (25) des ersten Leitungstyps,

eine durch Flüssigphasen-Epitaxie (LPE) auf der ersten Überzugsschicht (25) zum Aufwachsen gebrachte Halbleiter-Aktivschicht (26) des ersten oder zweiten Leitungstyps,

eine auf der Aktivschicht (26) zum Aufwachsen gebrachte zweite Überzugsschicht (27) des zweiten Leitungstyps,

eine auf der zweiten Überzugsschicht zum Aufwachsen gebrachte ohmsche Halbleiter-Kontaktschicht (28),

zwei auf jeder der Ober- und Unterseiten der Halbleiterlaseranordnung abgelagerte Metallelektroden (29, 30), über die ein Ansteuerstrom hinein- oder herausfließt, und

zwei senkrecht zum Kananal liegende und den Laserhohlraum festlegende Spalt-Seitenflächen bzw. Spaltfacetten (32A, 32B), dadurch gekennzeichnet, daß der geradlinige Kanal (90) über den Laserhohlraum hinweg eine konstante Breite aufweist und aus flachen Fensterbereichkanälen (95A, 95B) in der Nähe der Hohlraumfenster und einem tiefen Verstärkungsbereichkanal (96) im Mittelbereich des Laserhohlraums geformt ist.

2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivschicht (26) über dem Verstärkungsbereichkanal (96) dicker ist als über den Fensterbereichkanälen (95A, 95B).

3. Halbleiterlaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivschicht (26) über dem Verstärkungsbereichskanal (96) sichelförmig und über den Fensterbereichkanälen (95A, 95B) flach ausgebildet ist.

4. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch eine auf der Stromsperrschicht (21) vorgesehene, eine Kanalverformung verhindernde Schicht (22), durch welche eine Verformung des Kanals (90), die anderenfalls beim Aufwachsen der ersten Überzugsschicht (25) auftreten kann, verhindert wird.