DE3908305C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser gemäß den Oberbegriffen der nebengeordneten Patentansprüche 1 und 4.
Ein Halbleiterlaser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist bereits aus der DE 34 35 148 A1 bekannt. Dieser Halbleiterlaser enthält eine aktive Schicht und zwei Überzugsschichten von entgegengesetztem Leitungstyp, die eine größere Energiebandlücke als die aktive Schicht aufweisen und zwischen denen die an sie angrenzende aktive Schicht liegt, wobei eine der Überzugsschichten mit einem streifenförmigen Steg auf ihrer der aktiven Schicht abgewandten Oberfläche ver­ sehen ist.
Ein Halbleiterlaser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4 ist bereits aus der US 42 51 298 bekannt.
Aus der DE 31 27 618 A1 ist ein weiterer Halbleiterlaser mit einer selbstausrichtenden Streifengeometrie des Überganges bekannt. Der Laser wird auf einem durch Ätzen mit einer Nut versehenden Substrat gezüchtet und besitzt eine Doppelheterostruktur mit einem schmalen V-förmigen, aktiven Bereich, wobei der pn-Übergang durch Diffusion gebildet ist.
Die Fig. 3 zeigt einen weiteren herkömmlichen Halbleiterlaser, wie er von Mawst, L. J. und anderen beschrieben wurde. Der entsprechende Aufsatz mit dem Titel "Complementary self-aligned laser arrays by metalorganic chemical vapor deposition" findet sich in der US-Z: J. Appl. Phys., Vol. 60, Nr. 7, 1. Oktober 1986, Seiten 2633-2635.
In der Fig. 3 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein n-Typ-GaAs- Substrat bezeichnet. Auf dem n-Typ-GaAs-Substrat 1 liegt eine untere n-Typ-AlxGa1-xAs-Überzugsschicht 2. Auf der unteren Überzugs­ schicht 2 vom n-Typ aus AlxGa1-xAs liegt eine aktive Schicht 3 vom p-Typ oder n-Typ aus AlyGa1-yAs (y<x). Auf der aktiven Schicht 3 vom p-Typ oder n-Typ aus AlyGa1-yAs befindet sich eine obere Über­ zugsschicht 4 vom p-Typ aus AlxGa1-xAs. Eine GaAs-Sperrschicht 6 (blocking layer) vom n-Typ ist auf der oberen p-Typ-AlxGa1-xAs-Überzugsschicht 4 ange­ ordnet. Ferner liegt eine p-Typ-GaAs-Kontaktschicht 7 auf einem Stegteil 9, der durch einen streifenförmigen Teil der oberen p-Typ-AlxGa1-x-As-Überzugsschicht 4 gebildet ist.
Mit den Bezugszeichen 10 und 11 sind jeweils eine n-seitige und eine p-seitige Elektrode bezeichnet.
Im folgenden wird die Herstellung dieser Halbleiterlaser­ einrichtung im einzelnen beschrieben. Durch epitaktisches Aufwachsen auf einem n-Typ-GaAs-Substrat 1 werden der Reihe nach übereinanderliegend eine untere Überzugsschicht 2 vom n-Typ aus AlxGa1-xAs, eine aktive Schicht 3, eine obere Überzugsschicht 4 vom p-Typ und eine Kontaktschicht 7 ge­ bildet. Anschließend werden beide Seitenbereiche der oberen Überzugsschicht 4 und der Kontaktschicht 7 durch einen Naß­ ätzprozeß weggeätzt, um auf diese Weise einen streifenförmigen Steg zu er­ halten, der aus der oberen Überzugsschicht 4 und der dar­ überliegenden Kontaktschicht 7 besteht. Die Neigung der freiligenden Seitenflächen des streifenförmigen Stegs läßt sich durch Wahl einer geeigneten Ätzlösung auf einen ge­ wünschten Wert einstellen. Anschließend werden auf den beiden freiliegenden Oberflächen der oberen Überzugsschicht 4 n- Typ-Stromsperrschichten 6 gebildet. Sodann werden eine n- seitige Elektrode 10 auf der unteren Fläche des n-Typ-GaAs- Substrats 1 und eine p-seitige Elektrode 11 auf der oberen Fläche der p-Typ-Kontaktschicht 7 und den n-Typ-Sperr­ schichten 6 hergestellt.
Die Einrichtung arbeitet wie folgt:
Werden eine negative Spannung an die n-seitige Elektrode 10 und eine positive Spannung an die p-seitige Elektrode 11 gelegt, so fließt ein Strom im Stegteil 9. In einem Bereich der aktiven Schicht 3 benachbart zum Boden des Stegteils 9 werden Elektronen und Löcher jeweils in die aktive Schicht 3 injiziert, so daß infolge der Re­ kombination von Elektronen und Löchern eine Lichtemission auftritt. Übersteigt der injizierte Strom einen Schwellen­ strom, so beginnt eine stimulierte Emission,
Bei dem herkömmlichen Halbleiterlaser mit dem genannten Aufbau wird die vertikale Transversalmode durch die Bre­ chungsindex-Wellenleiterstruktur gesteuert, die aufgrund der intern vorhandenen Brechungsindexdifferenz erhalten wird. Andererseits wird die horizontale Transversalmode durch die effektive Brechungsindexdifferenz gesteuert, also durch den sogenannten Rippenwellenleiter. Obwohl also die Einrichtung vom Brechungsindex-Typ ist, besteht keine in­ terne Brechungsindexdifferenz in Horizontalrichtung.
Das bedeutet, daß die Einrichtung einen höheren Astigmatis­ mus aufweist als eine Einrichtung mit internen Brechungsin­ dexdifferenzen sowohl in Vertikalrichtung als auch in Hori­ zontalrichtung, obwohl sie einen geringeren Astigmatismus als der Verstärkungs-Wellenleiterlaser besitzt. Der Bre­ chungsindex-Wellenleiterlaser weist im allgemeinen einen kleineren Astigmatismus als der Verstärkungs-Wellenleiter­ laser auf, da das vom Brechungsindex-Wellenleiterlaser emittierte Licht sich an Positionen zu verbreitern beginnt, an denen die Lichtstrahlen vollständig ins Innere des Kri­ stalls reflektiert werden und die emitierten Lichtstrahlen parallele Wellenfronten aufweisen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiter­ laser mit niedrigerem Astigmatismus zu schaffen.
Lösungen der gestellten Aufgabe sind den kennzeichnenden Teilen der nebengeordneten Patentansprüche 1 und 4 zu ent­ nehmen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweils nachgeordneten Unteransprüchen gekennzeichnet.
Bei einem Halbleiterlaser nach der Erfindung ist ein eine hohe Konzentration aufweisender Dotierstoff-Diffusionsbe­ reich vom selben Leitungstyp wie derjenige der einen Über­ zugsschicht innerhalb dieser einen Überzugsschicht vorhanden. Auf diese Weise wird eine Brechungsindexdifferenz zwischen dem Dotierstoff-Diffu­ sionsbereich in der Überzugsschicht und dem diffusionsfrei­ en Bereich der Überzugsschicht erzielt, so daß sich das Licht innerhalb der Überzugsschicht entlang des Stegteils oder der streifenförmigen Ausnehmung wirksam einschließen läßt.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Halbleiterlaser nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Halbleiterlaser nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
Fig. 3 einen Querschnitt durch einen herkömmlichen Halb­ leiterlaser.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung un­ ter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen beschrieben.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Halbleiterlaser nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ent­ sprechend der Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein GaAs- Substrat vom n-Typ bezeichnet. Auf dem n-Typ-GaAs-Substrat 1 liegt eine untere Überzugsschicht 2 (cladding layer) vom n-Typ aus AlxGa1-xAs (x 0,60) mit einer Träger- bzw. Ladungsträgerkonzentration von etwa 1 × 1017 cm-3. Eine ak­ tive Schicht 3 vom p-Typ oder n-Typ aus AlyGa1-yAs (y 0,45 und y < x) sowie mit einer Träger- bzw. Ladungsträger­ konzentration von etwa 6 × 1017 cm-3 ist auf der unteren n- Typ-Überzugsschicht 2 aus AlxGa1-xAs angeordnet. Ferner be­ findet sich auf der aktiven Schicht 3 vom p-Typ oder n-Typ aus AlyGa1-yAs eine obere Überzugsschicht 4 vom p-Typ aus AlxGa1-xAs mit einer Träger- bzw. Ladungsträgerkonzentra­ tion von etwa 1017 bis 1018 cm-3. Ein Dotierstoff-Diffu­ sionsbereich 8 vom p-Typ mit einer Träger- bzw. Ladungsträ­ gerkonzentration von etwa 1018 bis 1019 cm-3 ist in einem oberen Bereich der oberen Überzugsschicht 4 gebildet. Eine p-Typ-GaAs-Kontaktschicht 7a mit einer Träger- bzw. La­ dungsträgerkonzentration von etwa 1 × 1019 cm-3 liegt auf dem Stegteil 9, der durch einen streifenförmigen Steg der oberen Überzugsschicht 4 erhalten wird. GaAs-Pufferschich­ ten 5 vom p-Typ mit einer Träger- bzw. Ladungsträgerkonzen­ tration von etwa 1 × 1019 cm-3 befinden sich an beiden Sei­ tenbereichen des p-Typ-Dotierstoff-Diffusionsbereichs 8. GaAs-Sperrschichten 6 (blocking layers) vom n-Typ mit einer Träger- bzw. Ladungsträgerkonzentration von etwa 8 × 1018 cm-3 liegen auf den beiden Seitenbereichen der oberen Über­ zugsschicht 4 vom p-Typ aus AlxGa1-xAs, wobei zwischen ei­ ner Schicht 6 und der Schicht 4 jeweils die Pufferschicht 5 liegt. Mit den Bezugszeichen 10 und 11 sind jeweils eine n- seitige und eine p-seitige Elektrode bezeichnet.
Im folgenden wird der Herstellungsprozeß dieser Einrichtung im einzelnen beschrieben. Zunächst werden durch epitakti­ sches Aufwachsen auf dem Substrat 1 vom n-Typ der Reihe nach übereinanderliegend eine untere Überzugsschicht 2 vom n-Typ aus AlxGa1-xAs, eine aktive Schicht 3 vom p-Typ oder n-Typ aus AlyGa1-yAs, eine obere Überzugsschicht 4 vom p- Typ aus AlxGa1-xAs, ein Dotierstoff-Diffusionsbereich 8 vom p-Typ und eine GaAs-Kontaktschicht 7a vom p-Typ gebildet. Sodann werden beide Seitenbereiche der oberen Überzugs­ schicht 4 und der p-Typ-Kontaktschicht 7a mittels einer Ätzlösung weggeätzt, z. B. mittels einer Ätzlösung aus Wasserstoffperoxid, Ammonium und Wasser. Im vorliegenden Fall beträgt der Neigungswinkel der freiliegenden Seitenflächen des streifenförmigen Stegs 54,5°. Dann werden durch einen Aufwachsvorgang die Strom-Sperrschichten 6 vom n-Typ beidseitig bzw. im Bereich der geätzten Oberflächen der oberen Überzugsschicht 4 und der p-Typ-Kontaktschicht 7a hergestellt. Zur Bildung des Dotierstoff-Diffusionsbe­ reichs 8 vom p-Typ in der oberen Überzugsschicht 4 ist es nur erforderlich, Zink zuvor in die obere Überzugsschicht 4 hineinzudotieren, und zwar mit einer Trägerkonzentration von etwa 1017 bis 1018 cm-3, und Zink in die Pufferschicht 5 und in die Kontaktschicht 7a mit einer hohen Konzentra­ tion von etwa 1019 cm-3 hineinzudotieren. Während des Auf­ wachsens der Strom-Sperrschichten 6 breiten sich dann die in den Schichten vorhandenen Dotierstoffe aus, so daß auf diese Weise der p-Typ-Dotierstoff-Diffusionsbereich 8 ent­ lang der oberen Fläche der oberen Überzugsschicht 4 erhal­ ten wird. In einem p-Typ-GaAs-Reihen-Halbleiter wird der Brechungsindex herabgesetzt, wenn die Trägerkonzentration auf einen Wert erhöht wird, der größer oder gleich 1018 cm-3 ist, und zwar auch dann, wenn die Zusammensetzungsver­ hältnisse dieselben sind (siehe z. B. US-Busch: H. C. Casey, M. B. Panish: "Hetero­ structure Lasers, Academic Press 1978, Part A. S. 44). Demzufolge wird der Brechungsindex des p-Typ-Dotierstoff-Diffusionsbe­ reichs 8 geringer gemacht als der an der oberen Überzugs­ schicht 4 an der Peripherie des Bereichs 8, was bedeutet, daß eine interne (built-in) Brechungsindexdifferenz an die­ sem Bereich existiert.
Nachfolgend wird die Betriebsweise der Einrichtung näher beschrieben.
Werden eine negative Spannung an die n-seitige Elektrode und eine positive Spannung an die p-seitige Elektrode ge­ legt, so fließt ein Strom im Bereich des Stegteils 9. Dabei werden in einem Bereich der aktiven Schicht 3 benachbart zum Boden des Stegteils 9 Elektronen und Löcher jeweils in die aktive Schicht 3 aus der unteren Überzugsschicht 2 und der oberen Überzugsschicht 4 inji­ ziert, so daß durch Rekombinationen der Elektronen und Lö­ cher eine Lichtemission auftritt. Ist der Injektionsstrom erhöht, so beginnt eine stimulierte Emission, die zu einer Laserschwingung führt. Beim Halbleiterlaser nach der Erfin­ dung wird das in Richtung der oberen Überzugsschicht 4 ab­ gestrahlte bzw. gestreute Licht durch die interne Bre­ chungsindexdifferenz eingeschlossen, die zwischen dem dif­ fusionsfreien Bereich und dem Dotierstoff-Diffusionsbereich 8 vom p-Typ des Stegteils 9 der oberen Überzugsschicht 4 existiert. Gegenüber dem Fall, bei dem die Wellenleitung nur durch einen sogenannten Rippenwellenleiter erfolgt, wie beim Stand der Technik, wird jetzt die Steuerung der hori­ zontalen Transversalmode in ähnlicher Weise wie die der ver­ tikalen Transversalmode durchgeführt, so daß der Astigma­ tismus vermindert wird. Aufgrund des verstärkten Lichtein­ schlusses wird darüber hinaus auch der Wirkungsgrad der Lichtemission verbessert.
Das obige Ausführungsbeispiel bezieht sich auf einen Halb­ leiterlaser, bei dem die beiden Sperrschichten 6 an beiden Seiten des streifenförmigen Stegs 9 und oberhalb der akti­ ven Schicht 3 liegen. Hierauf ist die Erfindung jedoch nicht beschränkt. Sie bezieht sich auch auf einen Halblei­ terlaser, bei dem die beiden Sperrschichten auch an beiden Seiten einer streifenförmigen Furche (Nut, Rinne) sowie un­ terhalb der aktiven Schicht 3 liegen können.
Die Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung mit einem derartigen Aufbau. Gemäß Fig. 2 liegt eine erste untere Überzugsschicht 13a (cladding layer) vom p-Typ aus AlxGa1-xAs auf einem GaAs-Substrat 12 vom p-Typ. Auf der ersten unteren Überzugsschicht 13a vom p-Typ befinden sich GaAs-Strom-Sperrschichten 6 (blocking layers) vom n- Typ. Eine zweite untere Überzugsschicht 14 vom p-Typ aus AlxGa1-xAs ist auf den oberen Strom-Sperrschichten 6 und der freiliegenden Oberfläche der ersten unteren Überzugs­ schicht 13a angeordnet, und zwar über eine Pufferschicht 5. Eine aktive Schicht 13 liegt auf der zweiten unteren Über­ zugsschicht 14. Ferner liegt eine obere Überzugsschicht 15 vom n-Typ aus AlxGa1-xAs auf der aktiven Schicht 13. Eine GaAs-Kontaktschicht 16 vom n-Typ befindet sich auf der obe­ ren Überzugsschicht 15. Mit den Bezugszeichen 10 und 11 sind eine n-seitige und eine p-seitige Elektrode jeweils bezeichnet.
Nachfolgend wird die Herstellung dieser Einrichtung im ein­ zelnen beschrieben.
Zunächst werden auf einem p-Typ-GaAs-Substrat 12 der Reihe nach übereinanderliegend durch einen Wachstumsvorgang eine erste untere Überzugsschicht 13a vom p-Typ aus AlGaAs und eine Strom-Sperrschicht 6 vom n-Typ gebildet. Die Strom- Sperrschicht 6 wird durch Naßätzen zum Teil weggeätzt, um auf diese Weise einen Aperturbereich in der Strom-Sperr­ schicht 6 zu erzeugen (also eine streifenförmige Ausnehmung bzw. Rinne oder Nut). Anschließend werden durch epitakti­ sches Aufwachsen auf der Strom-Sperrschicht 6 und der frei­ liegenden Oberfläche des GaAs-Substrats 12 vom p-Typ der Reihe nach übereinanderliegend eine Pufferschicht 5, eine zweite untere Überzugsschicht 14, eine aktive Schicht 13, eine obere Überzugsschicht 15 vom n-Typ und eine GaAs-Kon­ taktschicht 16 vom n-Typ gebildet. Während des epitakti­ schen Aufwachsens diffundieren die innerhalb der Puffer­ schicht 5 vorhandenen Dotierstoffatome in die zweite untere Überzugsschicht 14 hinein und erzeugen dort einen Dotier­ stoff-Diffusionsbereich 8 im unteren Bereich dieser zweiten unteren Überzugsschicht 14, wobei dieser Dotierstoff-Diffu­ sionsbereich 8 vom p-Typ auch entlang der streifenförmigen Ausnehmung bzw. Furche vorhanden ist, die sich innerhalb der Strom-Sperrschicht 6 befindet. Anschließend werden eine p-seitige Elektrode 11 auf der unteren Seite des GaAs-Sub­ strats 12 vom p-Typ und eine n-seitige Elektrode 10 auf der oberen Seite der GaAs-Kontaktschicht 16 vom n-Typ gebildet.
Auch bei diesem Laser mit einem p-Typ-Dotierstoff-Diffu­ sionsbereich entlang der streifenförmigen Ausnehmung bzw. Furche wird eine interne (built-in) Brechungsindexdifferenz erhalten, und zwar infolge des p-Typ-Dotierstoff-Diffu­ sionsbereichs 8, so daß der Laser einen geringen Astigma­ tismus und einen hohen Lichtemissions-Wirkungsgrad auf­ weist.
Wie oben beschrieben, kann Zink als p-Typ-Dotierstoff zur Erzeugung der Diffusionsbereiche verwendet werden. Zu die­ sem Zweck lassen sich aber auch andere geeignete Dotier­ stoffe einsetzen. Diese können z. B. auch vom n-Typ sein.
Nach der Erfindung ist ein Hochkonzentrations-Diffusionsbe­ reich desselben Leitungstyps wie der der Überzugsschicht entlang eines Stegteils oder einer streifenför­ migen Ausnehmung vorhanden, wobei der Hochkonzentrations- Diffusionsbereich innerhalb der Überzugsschicht liegt. Eine Brechungsindex-Differenz kann daher auch in Transversal- bzw. Querrichtung in der Überzugsschicht erhalten werden, so daß die Steuerung der horizontalen Transversalmode in ähnlicher Weise wie die der vertikalen Transversalmode durchgeführt werden kann. Hieraus resultiert ein Halblei­ terlaser mit niedrigem Astigmatismus und hohem Lichtemis­ sions-Wirkungsgrad.

Claims (7)

1. Halbleiterlaser mit
  • - einer aktiven Schicht (3),
  • - zwei Überzugsschichten (2, 4) von entgegengesetztem Leitungstyp, die eine größere Energiebandlücke als die aktive Schicht (3) aufweisen und zwischen denen die an sie angrenzende aktive Schicht (3) liegt, wobei eine (4) der Überzugsschichten (2, 4) mit einem streifenförmigen Steg (9) auf ihrer der aktiven Schicht (3) abgewandten Oberfläche versehen ist,
gekennzeichnet durch
  • - einen eine hohe Dotierung aufweisenden Dotierstoff-Diffusionsbereich (8) vom selben Leitungstyp wie derjenige der genannten einen (4) der Überzugsschichten (2, 4), wobei der Dotierstoff-Diffusionsbereich (8)
  • - ausschließlich innerhalb dieser Überzugsschicht (4) und entlang des streifen­ förmigen Stegs (9) der Überzugsschicht (4) vorhanden ist und deren genannte eine Oberfläche vollständig bedeckt,
  • - einen kleineren Brechungsindex als derjenige der genannten einen (4) der Über­ zugsschichten (2, 4) aufweist.
2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht (3) aus AlyGa1-yAs mit y0,45 und die obere und untere der Überzugs­ schichten (2, 4) aus AlxGa1-xAs mit x0,60 gebildet sind, wobei y<x ist.
3. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er als Laser vom Steg-Typ ausgebildet ist, bei dem Stromsperrschichten (6) an beiden Seiten des streifenförmigen Stegs (9) oberhalb der aktiven Schicht (3) vorhanden sind.
4. Halbleiter mit
  • - einer aktiven Schicht (13),
  • - zwei Überzugsschichten (14, 15) von entgegengesetztem Leitungstyp, die eine größere Energiebandlücke als die aktive Schicht (13) aufweisen und zwischen denen die an sie angrenzende aktive Schicht (13) liegt, wobei eine (14) der Überzugsschichten (14, 15) innerhalb einer streifenförmigen Ausnehmung der darunter­ liegenden Schichten (5, 6) liegt, und
  • - einem eine hohe Dotierung aufweisenden Dotierstoff-Diffusionsbereich (8) vom selben Leitungstyp wie derjenige der genannten einen (14) der Überzugsschichten (14, 15), wobei der Dotierstoff-Diffusionsbereich (8) innerhalb dieser Überzugsschicht (14) und entlang der streifenförmigen Ausnehmung vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Dotierstoff-Diffusionsbereich (8)
  • - ausschließlich innerhalb der genannten einen (14) der Überzugsschichten (14, 15) vorhanden ist und deren der aktiven Schicht (13) abgewandte Oberfläche vollständig bedeckt,
  • - einen kleineren Brechungsindex als derjenige der genannten einen (14) der Überzugsschichten (14, 15) aufweist.
5. Halbleiterlaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht (13) aus AlyGa1-yAs mit y0,45 und die obere und untere der Überzugsschichten (14, 15) aus AlxGa1-xAs mit x0,60 gebildet sind, wobei y<x ist.
6. Halbleiterlaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß er eine vergrabene Sichelstruktur aufweist, bei der Strom-Sperrschichten (6) an beiden Seiten der streifenförmigen Ausnehmung unterhalb der aktiven Schicht (13) vor­ handen sind.
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