DE3924197A1

DE3924197A1 - Halbleiterlaser

Info

Publication number: DE3924197A1
Application number: DE3924197A
Authority: DE
Inventors: Shigeru Mitsui; Ryo Hattori; Tetsuya Yagi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1988-07-22
Filing date: 1989-07-21
Publication date: 1990-04-05
Anticipated expiration: 2009-07-22
Also published as: US4964135A; GB2222307B; GB2222307A; DE3924197C2; US5045500A; GB8916359D0

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Halblei terlasers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11. Insbesondere be faßt sich die Erfindung mit Halbleiterlasern, die für die Verwendung in opti schen Speichersystemen, Nachrichtenübertragungssystemen und derglei chen vorgesehen sind.

Zur Erläuterung des Standes der Technik soll bereits hier auf Fig. 8 bis 11 der Zeichnung bezug genommen werden.

Fig. 8 zeigt den Aufbau eines bekannten selbstausgerichteten Halbleiterla sers mit einer eingebetteten streifenförmigen Mesastruktur. Der Halbleiterla ser weist ein Substrat aus n-leitendem Galliumarsenid (GaAs) auf, das zu Bil dung der Laserstruktur mit einer überlagerten Schicht aus Aluminium-Galli umarsenid (AlGaAs) versehen ist. Eine n-leitende erste Hüllschicht 2 aus Al_0,5Ga_0,5As, eine p-leitende aktive Schicht 3 aus Al_0,15Ga_0,85As und eine p-leitende zweite Hüllschicht 4 aus Al_0,5Ga_0,5As sind der Reihe nach auf das Substrat 1 aufgebracht. Die zweite Hüllschicht 4 weist einen streifenförmigen Rücken oder erhabenen Bereich 4 a in Form einer sogenannten Vorwärts-Me sastruktur auf. Die Schichten 2, 3 und 4 sind vorzugsweise in MO-CVD-Ver fahren aufgewachsen. Auf der zweiten Hüllschicht 4 befindet sich eine n-lei tende GaAs-Stromsperrschicht 5, die von einer Kontaktschicht 6 aus p-GaAs überlagert ist. An dem Substrat 1 und der Kontaktschicht 6 ist je eine Elek trode 7 bzw. 8 angebracht. Die Laserschwingung findet in einem aktiven Ge biet 9 statt, das in Fig. 8 durch eine strichpunktierte Linie angedeutet ist.

Wenn an die Elektrode 8 eine in bezug auf die Elektrode 7 positive Spannung angelegt wird und ein Strom durch den streifenförmigen Rücken 4 a der zweiten Hüllschicht 4 in die aktive Schicht 3 fließt, so findet in der aktiven Schicht 3 eine lichterzeugende Rekombination von injizierten Elektronen und Löchern statt. Wenn die Vorspannung erhöht wird, um den Injektor strom zu erhöhen, so nimmt die induzierte, strahlungsaussendende Kompo nente in dem aktiven Gebiet 3 zu. Wenn er durch die induzierte, strahlungs aussendende Komponente verursachte Lichtverstärkungsfaktor einen Schwel lenwert überschreitet, der durch Verluste in dem Licht-Wellenleiter der La serstruktur bestimmt ist, so wird aus dem aktiven Gebiet 9 des Lasers kohä rentes Licht abgestrahlt.

Fig. 9(a) zeigt die Beziehung zwischen der Stärke des injizierten Stromes und der abgestrahlten Lichtstärke bei einem Laser gemäß Fig. 8. Am Punkt A in der Grafik gemäß Fig. 9(a) tritt eine sogenannte katastrophale optische Zerstörung (COD) auf. An diesem Punkt wird die Stirnfläche des Lasers, durch die Licht abgestrahlt wird, beschädigt oder sogar lokal geschmolzen. Um die Lichtintensität, bei der COD auftritt, (die COD-Grenze) zu erhöhen, wird üblicherweise die aktive Schicht 3 relativ dünn gemacht. Eine andere bekannte Maßnahme zur Erhöhung der COD-Grenze besteht darin, daß die Stirnflächen des Lasers asymmetrisch beschichtet werden. Die asymmetri sche Beschichtung verringert das Reflexionsvermögen der Stirnfläche des La sers, über die das Licht abgestrahlt wird und erhöht das Reflexionsvermögen der gegenüberliegenden Stirnfläche. Die unterschiedlichen Reflexionsvermö gen erreicht man durch Aufbringen verschiedener Hüllmaterialien auf die entgegengesetzten Stirnflächen des Lasers.

Beide bekannten Maßnahmen zur Erhöhung der COD-Grenze haben Nachtei le. In Fig. 10 ist die Änderung des Schwellenstromes gegen die Dicke der aktiven Schicht des Lasers aufgetragen. Wenn die aktive Schicht verdünnt wird, so nimmt der für die Erzeugung von Laserschwingungen erforderliche Schwellenstrom stark zu, sobald eine bestimmte Dicke entsprechend dem Punkt B in Fig. 10 unterschritten wird. Die Dicke, bei der der Schwellen strom minimal ist, liegt typischerweise bei etwa 0,05 µ, kann jedoch je nach Aufbau des Lasers etwas schwanken. Wegen dieser Abhängigkeit des Schwel lenstromes von der Dicke der aktiven Schicht sind die Möglichkeiten zur Verbesserung der COD-Grenze durch Verdünnung der aktiven Schicht in der Praxis begrenzt. Wenn Beschichtungen zur Erzielung eines asymmetrischen Reflexionsvermögens verwendet werden, so verursacht das verringerte Refle xionsvermögen der vorderen Stirnfläche eine unerwünschte optische Rück kopplung von externen Lichtquellen, was zu einer Erhöhung des Rauschens führt. Infolgedessen wird die Lichtabstrahlung des Lasers übermäßig stark durch leichte Änderungen der Stärke des Injektionsstromes beeinflußt.

Fig. 11 zeigt einen Längsschnitt durch eine andere bekannte Halbleiterla ser-Struktur, mit der eine erhöhte COD-Grenze erreicht werden soll. Bei die ser Struktur wird die Lichtabsorption in der Nähe der Stirnfläche verringert, um die COD-Grenze anzuheben. Gemäß Fig. 11 sind die die Laserstruktur bildenden Halbleiterschichten auf einem Substrat aus n⁺-GaAs angeordnet. Eine erste Hüllschicht 22 aus n-Al_0,35Ga_0,65As, eine aktive Schicht 23 aus Al_0,05Ga_0,95As und eine zweite Hüllschicht 24 aus p-Al_0,35Ga_0,65As sind der Reihe nach auf dem Substrat 21 angebracht. Die Schichten 22, 23 und 24 sind aufeinanderfolgend durch Epitaxie aus der Flüssigphase (LPE) aufge wachsen. Im Bereich jeder Stirnfläche des Lasers ist eine Stromsperrschicht 25 aus p-GaAs auf einem Abschnitt des n⁺-GaAS-Substrats 21 angebracht. Eine n-leitende Stromsperrschicht 26 ist angrenzend an die Schichten 23, 24 und 25 im Bereich der Stirnflächen des Lasers auf der p-GaAs-Strom sperrschicht 25 angeordnet. Eine durch Diffusion von Zink in das GaAs er zeugte p-GaAs-Kontaktschicht 27 befindet sich auf der p-leitenden zweiten Hüllschicht 24. Die Stromsperrschicht 26 an den entgegengesetzten Stirnflä chen des Substrats 21 ist mit einem isolierenden Film 28 aus Siliziumdioxyd (SiO₂) bedeckt. Elektroden 29 und 30 sind an dem Substrat 21 bzw. auf der Kontaktschicht 27 und dem isolierenden Film 28 angebracht.

Der Laser gemäß Fig. 11 wird in zwei getrennten LPE-Wachstumsschritten hergestellt. Im ersten Schritt werden die erste Hüllschicht 22, die aktive Schicht 23 und die zweite Hüllschicht 24 aufeinanderfolgend auf dem n⁺- GaAs-Substrat 21 gebildet. Anschließend wird eine streifenförmige Photomas ke derart auf die zweite Hüllschicht 24 aufgetragen, daß die Ränder im Be reich der Stirnfläche freibleiben. Die freiliegenden Teile der Struktur wer den geätzt, bis das Substrat 21 im Bereich der Stirnflächen des Lasers freige legt ist. Im zweiten LPE-Wachstumsschritt läßt man dann die p-leitende Stromsperrschicht 25 und die n-leitende Stromsperrschicht 26 aufwachsen. Der isolierende Film 28 aus SiO₂ wird auf der n-leitenden Stromsperrschicht aufgebracht, und die Kontaktzone 27 wird hergestellt, indem man Zink in die Hüllschicht 24 diffundieren läßt, wobei der isolierende Film 28 als Maske dient. Schließlich werden die Elektroden 29 und 30 angebracht, die den in Fig. 11 gezeigten Halbleiterlaser vervollständigen.

Bei dem Halbleiterlaser gemäß Fig. 11 haben die Stromsperrschichten 26 eine wesentliche größere Bandlücke als die aktive Schicht 23. Aus diesem Grund wird in den Stromsperrschichten an den Stirnflächen des Halbleiter elements nur ein geringer Teil des in der aktiven Schicht erzeugten kohären ten Lichtes absorbiert, so daß sich bei einer gegebenen Stromstärke ein ge ringerer Tamperaturanstieg ergibt und die Zerstörungsgrenze (COD-Grenze) entsprechend erhöht wird. Durch diese Struktur werden annähernd vollkom mene, d. h., nicht absorbierende Spiegel an den Stirnflächen erreicht.

Auch der Laser gemäß Fig. 11 hat jedoch eine Anzahl von Nachteilen. Die Herstellungskosten dieses Lasers sind für eine kommerzielle Anwendung zu hoch. Die aktive Schicht weist im Bereich der Stirnfläche eine Anwachs- Grenzfläche auf, die bei der Unterbrechung zwischen den beiden Kristall wachstumsschritten der Luft ausgesetzt ist. Die Berührung mit der Luft führt zur Bildung einer Oxidschicht, die ihrerseits eine schnelle Alterung der akti ven Schicht im Bereich der Stirnflächen und somit eine verringerte Lebens dauer des Lasers bewirkt. Außerdem werden bei dem Herstellungsverfahren die Oberflächen der aktiven Schicht angeätzt, so daß lichtbrechende Grenz flächen entstehen. Hierdurch wird das Fernfeld-Muster des abgestrahlten Lichts stark verzerrt.

In der Theorie sind andere Maßnahmen zur Anhebung der COD-Grenze be kannt, doch konnten diese Maßnahmen noch nicht erfolgreich in die Praxis umgesetzt werden. Beispielsweise könnte die Strominjektion und die Ober flächenrekombination von Ladungsträgern an den stirnseitigen Oberflächen begrenzt oder beseitigt werden. Die Strominjektion und die Oberflächenre kombinationen sind durch Photonenemissionen begleitet, durch die die Temperatur des Lasers in der Nähe der Stirnfläche erhöht wird. Durch Ver meidung oder Verringerung der Strominjektion und damit der Photonen emission könnte bei gegebener Stromstärke die Temperatur der Stirnflä chen verringert werden, so daß sich eine wirksame Steigerung der COD- Grenze ergibt. Ebenso wie im Fall der Fig. 11 konnten jedoch Strukturen, die von dieser theoretischen Möglichkeit Gebrauch machen, bisher in der Praxis nicht in wirtschaftlicher Weise realisiert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterlaser zu schaffen, der bei gegebener Dicke der aktiven Schicht und gegebenem Reflexionsver mögen der Stirnflächen einen höheren COD-Grenzwert aufweist, und ein ein faches und wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung eines solches Halblei terlasers anzugeben.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Patentan sprüchen 1 und 11.

Der erfindungsgemäße Halbleiterlaser weist eine Hüllschicht mit einer strei fenförmigen Vorwärts-Mesastruktur auf, deren Mesabereich zumindest an einem Ende von der benachbarten Stirnfläche des Halbleiterelements ge trennt ist. Der Mesabereich ist an den Längsseiten und an dem in Abstand zu der Stirnfläche liegenden Ende in eine Stromsperrschicht eingebettet. Durch die Stromsperrschicht werden im Bereich der Stirnfläche des Halblei terelements die Strominjektion und die Oberflächenrekombinationen verrin gert, so daß eine höhere COD-Grenze erreicht wird.

Bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Herstellungsverfahren läßt man zunächst eine erste Hüllschicht, eine aktive Schicht und eine zweite Hüll schicht auf ein Substrat aufwachsen. Anschließend wird die zweite Hüll schicht zur Bildung der Mesastruktur an den Längsrändern sowie zumindest an einem stirnseitigen Ende abgeätzt. Der Ätzprozeß wird jedoch so gesteu ert, daß die unter der Hüllschicht liegende aktive Schicht an keiner Stelle freigelegt wird. Anschließend wird die Stromsperrschicht so aufgebracht, daß sie den Mesabereich der Hüllschicht ringsum einschließt und lediglich die obere Oberfläche des Mesabereichs frei läßt. Auf der freiliegenden Ober fläche des Mesabereichs und auf der Stromsperrschicht wird dann eine Kon taktschicht aufgebracht. Schließlich werden die Kontaktschicht und das Substrat mit Elektroden versehen.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen, die auch Darstellungen zum Stand der Technik enthalten, näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1(a) und 1(b) eine perspektivische Ansicht bzw. einen Querschnitt ei nes Halbleiterlasers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 einen Längsschnitt entsprechend der Linie II-II in Fig. 1(a);

Fig. 3(a), 3(b) und 3(c) Diagramme zur Veranschaulichung des Verfahrens zur Herstellung des Halbleiterlasers gemäß Fig. 1(a);

Fig. 4(a) und 4(b) eine perspektivische Ansicht bzw. einen Querschnitt ei nes Halbleiterlasers gemäß einem Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 5(a) und 5(b) eine perspektivische Ansicht bzw. einen Querschnitt ei nes Halbleiterlasers gemäß einem weiteren Ausführungs beispiel der Erfindung;

Fig. 6 einen Längsschnitt entsprechend der Linie VI-VI in Fig. 5(a);

Fig. 7(a), 7(b) und 7(c) Diagramme zur Veranschaulichung des Verfahrens zur Herstellung des Halbleiterlasers nach Fig. 5(a);

Fig. 8 eine perspektivische Darstellung des Aufbaus eines be kannten Halbleiterlasers;

Fig. 9(a) und 9(b) graphische Darstellungen der Beziehung zwischen Strom und Lichtausstrahlung bei einem herkömmlichen Halb leiterlaser und einem erfindungsgemäßen Halbleiterla ser;

Fig. 10 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Dicke der aktiven Schicht und der Schwellenstromdich te bei bekannten Halbleiterlasern; und

Fig. 11 einen Längsschnitt durch einen bekannten Halbleiterla ser.

Fig. 1(a) zeigt den äußeren Aufbau eines erfindungsgemäßen Halbleiterla sers insbesondere im Bereich der das Austrittsfenster für den Laserstrahl bil denden Stirnfläche des Halbleiterelements. In Fig. 1(b) ist das Halbleiter element in einem Querschnitt entsprechend der strichpunktierten Linie in Fig. 1(a) dargestellt, während Fig. 2 das Halbleiterelement im Längsschnitt zeigt.

Bei dem in Fig. 1(a), 1(b) und 2 gezeigten Aufbau des Halbleiterelements ist ein n-leitendes Halbleiter-Substrat 1 vorgesehen, dem aufeinanderfolgend eine n-Al_0,5Ga_0,5As-Hüllschicht 2, eine p-Al_0,15Ga_0,85As-Schicht als aktive Schicht 3 und eine zweite Hüllschicht 4′ aus p-Al_0,5Ga_0,5As überlagert sind. Die zweite Hüllschicht 4′ ist in Bereichen außerhalb eines zentralen Rückens mit einer Stromsperrschicht 5′ aus n-GaAs bedeckt. Anders als die Schichten 2 und 3 ist die Hüllschicht 4′ insgesamt keine planare Schicht, sondern eine Schicht mit einer positiven Mesastruktur oder Vorwärts-Me sastruktur 4 b, deren Dicke sich in der Nähe der Stirnflächen 12 und 13 des Laserbausteins ändert. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist die Schicht 4′ im Bereich der Stirnflächen verhältnismäßig dünn, während sie in ihrem Mit telbereich eine größere Dicke, d. h., die volle Dicke der Vorwärts-Mesa struktur aufweist. Außerhalb des Mesabereichs weist die zweite Hüllschicht eine im wesentlichen einheitliche Dicke auf. Die Gesamtdicke der Schich ten 4′ und 5′ ist auf der gesamten Fläche der Halbleiterstruktur im wesent lichen einheitlich.

Auf dem Rücken der zweiten Hüllschicht 4′ und auf der Stromsperrschicht 5′ ist eine p-GaAs-Kontaktschicht 6 vorgesehen. Das Substrat 1 und die Kontaktschicht 6 tragen jeweils eine Elektrode 7 bzw. 8.

Bei der in Fig. 1(a), 1(b) und 2 gezeigten Struktur findet die Laser-Os zillation in einem Gebiet 9 statt, das am besten in Fig. 2 zu erkennen ist. In den Gebieten 10 in der Nähe der Stirnflächen 12 und 13 wird dagegen durch einen zwischen den Schichten 4′ und 5′ gebildeten p-n-Übergang die Injektion von Ladungsträgern und das Auftreten von Oberflächenrekombina tionen an den Stirnflächen behindert oder unterbunden, wenn der Laser zur Erzeugung kohärenten Lichtes unter Spannung gesetzt wird.

Das Verfahren zur Herstellung des oben beschriebenen Halbleiters ist in Fig. 3(a) bis 3(c) illustriert. Zunächst läßt man gemäß Fig. 3(a) die erste Hüllschicht 2, die aktive Schicht 3 und die zweite Hüllschicht 4′ auf einanderfolgend auf das Substrat 1 aufwachsen, ohne den Wachstumsprozeß zu unterbrechen. Diese drei Schichten werden in einem chemischen Dampfniederschlagsverfahren (CVD), beispielsweise im metallorganischen chemischen Dampfniederschlagsverfahren (MO-CVD) hergestellt.

Gemäß Fig. 3(b) werden Teile der Schicht 4′ durch Ätzen entfernt. In üb licher Weise wird der Mesabereich durch eine Maske bestimmt, die durch das zum Entfernen eines Teils der zweiten Hüllschicht 4′ verwendete Ätz mittel nicht angegriffen wird. Beispielsweise wird eine Maske aus SiO₂ ver wendet, das durch herkömmliche photolithographische Techniken in der gewünschten Maskenkonfiguration aufgebracht wird. Im Mittelbereich der Halbleiterstruktur bleiben Teile der Schicht 4′ stehen, die den Vorwärts- Mesabereich 4 b bilden. Der Mesabereich 4 b weist seitliche Ränder 14 und 15 auf, die in Längsrichtung, d. h., in der Richtung zwischen den Stirnflä chen 12 und 13 verlaufen, sowie Endflächen 16 und 17, die in Querrich tung, also im wesentlichen parallel und in Abstand zu den Stirnflächen 12 und 13 verlaufen. Wenigstens eine der Endflächen 16 und 17 ist zu der je weils gegenüberliegenden Stirnfläche 12 bzw. 13 beabstandet. Vorzugsweise ist dies bei beiden Endflächen der Fall, so daß die entsprechenden Aus trittsfenster gebildet werden. Das Ausmaß der Abätzung bei der Bildung des Mesabereichs 4 b wird so begrenzt, daß die Schicht 4′ an keiner Stelle voll ständig entfernt wird und daß die aktive Schicht 3 bei dem in Fig. 3(b) gezeigten Prozeß weder dem Ätzmittel noch der Umgebung ausgesetzt wird.

Wie aus Fig. 3(c) hervorgeht, wird die n-leitende Stromsperrschicht 5′ un ter Aussparung der oberen Oberfläche 18 des Durchlaß-Mesabereichs 4 b auf die zweite Hüllschicht 4′ aufgebracht, beispielsweise durch MO-CVD. Die Stromsperrschicht 5′ bildet gemäß Fig. 3(c) das Komplement zu dem Me sabereich und trennt die Enden des Mesabereichs von den in Abstand hier zu angeordneten Stirnflächen des Halbleiterelements. Der Mesabereich ist somit nicht nur in Längsrichtung, sondern auch an wenigstens einem Ende eingebettet, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Die Stromsperrschicht 5′ bildet mit der Schicht 4′ einen Gleichrichter-Übergang, durch den die Strominjektion und die Rekombination von Ladungsträgern an den Stirnflächen 12 und 13 gegenüber den übrigen Bereichen der Laserstruktur verringert wird.

Die Kontaktschicht 6 wird auf die Stromsperrschicht 5 aufgebracht. An schließend werden die Stirnflächen 12 und 13 gebildet, und das Endpro dukt wird fertiggestellt. Die Stirnflächen 12 und 13 werden vorzugsweise durch Spaltung gebildet, können jedoch auch durch Brechen und Polieren gebildet werden. Bei den in Fig. 3(a) bis 3(c) gezeigten Verfahrens schritten sind somit die Stirnflächen des Laserbausteins noch nicht ausge bildet. Der Ätzungsschritt gemäß Fig. 3(b) wird deshalb so ausgeführt, daß wenigstens eines der Enden des Mesabereichs zu der später gebildeten Stirnfläche beabstandet ist. In Fig. 3(a) bis 3(c) ist die Herstellung eines einzigen Laserbausteins veranschaulicht. Wenn nach dem erfindungsgemä ßen Verfahren mehrere Laserbausteine gleichzeitig aus einem einzigen Halbleiter-Wafer hergestellt werden, so besteht jeder Mesabereich aus einem isolierten Streifen des Wafers. Die isolierten Streifen sind auf dem Wafer in einer geraden Linie angeordnet und durch Gebiete getrennt, in de nen der Streifen, nicht jedoch die zugehörige Schicht 4′ unterbrochen ist. Die Stirnflächen werden in diesen Unterbrechungsstellen gebildet. Bei der Ablagerung der Stromsperrschicht 5 werden die Unterbrechungsstellen mit den Mesabereichen eingeebnet. Nach der Herstellung der Stirnflächen werden die Elektroden 7 und 8 an dem Substrat 1 und der Kontaktschicht 6 angebracht, so daß sich der fertige Baustein gemäß Fig. 1(a) ergibt.

Wenn ein über der Laserschwelle liegender Strom durch die Struktur ge mäß Fig. 1(a) fließt, so werden in dem aktiven Gebiet 9 Minoritätsträger mit einer Dichte von etwa 2 × 10¹⁸ cm^-3 in die aktive Schicht 3 injiziert. Um die Laserschwingung aufrechtzuerhalten, muß eine Besetzungsumkehr der Ladungsträger stattfinden. Etwa 90% der injizierten Ladungsträger werden in Photonen umgewandelt. Ladungsträger werden durch Stromin jektion und durch optische Absorption in dem Inversionszustand und in diesen Zustand hinein angeregt. Obgleich Minoritätsträger auch durch Absorption von Licht des Lasers erzeugt werden, beträgt die Dichte der op tisch angeregten Ladungsträger weniger als ein Zehntel der injizierten La dungsträgerkonzentration, da die Menge der injizierten Minoritätsträger in der Nähe der Stirnflächen relativ klein ist. Diese Menge wird durch die Stromsperrschicht 5′ klein gehalten, die mit der Schicht 4′ einen die Strom injektion an den Stirnflächen behindernden Gleichrichter-Übergang bil det. Infolge der verringerten Strominjektionswerte wird im Vergleich zu ei ner herkömmlichen Laserstruktur mit einem Durchlaß-Mesabereich, der an den Enden bis zu der Stirnfläche oder den Stirnflächen durchgeht, die Oberflächenrekombination von Elektronen-Loch-Paaren an der Stirnfläche oder den Stirnflächen verringert, die in Abstand zum Ende des Durchlaß- Mesabereichs liegt bzw. liegen. Darüber hinaus bewirkt die verringerte La dungsträgerdichte an den Stirnflächen eine Verringerung der Wärmeent wicklung durch optische Absorption und Rekombinationsprozesse, die durch Photonenemissionen begleitet sind.

Fig. 9(a) zeigt die Strom-Licht-Kennlinie eines herkömmlichen Halbleiter lasers ohne stromsperrende Struktur an den Stirnflächen, d. h., ohne injek tionsfreies Gebiet. Fig. 9(b) zeigt die Strom-Licht-Kennlinie eines erfin dungsgemäßen Halbleiterlasers, bei dem an wenigstens einer Stirnfläche ein injektionsstromfreies Gebiet vorhanden ist. Wie aus diesen Darstellun gen hervorgeht, ist bei erfindungsgemäßen Lasern die Zerstörungsgrenze (COD-Grenze) gegenüber dem herkömmlichen Laser um mehr als 20% er höht.

Bei dem oben beschriebenen Verfahren zur Herstellung des erfindungsge mäßen Halbleiterlasers wird die aktive Schicht 3 weder angeätzt noch dem Ätzmittel oder der Umgebung ausgesetzt. Es kommt deshalb nicht zur Bil dung einer Grenzschicht, die eine Brechung des kohärenten Laserlichts verursachen und das Fernfeld-Strahlungsmuster des Lasers stören könnte. Darüber hinaus tritt an der aktiven Schicht keine Anwachs-Grenzfläche auf, da die Schichten 2, 3 und 4′ aufeinanderfolgend in einem einzigen Wachs tumsschritt angelagert werden. Durch das Nichtvorhandensein einer sol chen Anwachs-Grenzfläche wird die Absorption von Laserlicht in der Halb leiterstruktur verringert und die Lebensdauer des Laserbausteins erhöht.

Fig. 4(a) und 4(b) zeigen ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemä ßen Halbleiterlasers. Der Aufbau ist mit dem zuvor anhand der Fig. 1(a) und 1(b) erläuterten Struktur identisch, mit der Ausnahme, daß zwischen der Stromsperrschicht 5′ und der zweiten Hüllschicht 4′ eine Pufferschicht 11 aus p-GaAs vorgesehen ist. Die Pufferschicht 11 verbessert die Gleich richtwirkung des p-n-Übergangs zwischen den Schichten 4′ und 5′, so daß die Unterdrückung der Ladungsträgerinjektion an den Stirnflächen verbes sert wird.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung wird das in dem aktiven Gebiet 9 erzeugte Licht durch die ersten und zweiten Hül schichten 2 und 4′ nach Art eines Wellenleiters geführt. In den Hüllschich ten tritt eine gewisse Aufweitung des Laserstrahls auf. In den Gebieten 10 in der Nähe der Stirnflächen 12 und 13 liegt die Stromsperrschicht 5′ nahe an der aktiven Schicht 3, so daß die aufgeweiteten Teile des Laserstrahls durch die Stromsperrschicht 5 absorbiert werden. Diese Absorption führt zu einer gewissen Temperaturerhöhung in der Nähe der Stirnflächen und begrenzt die hinsichtlich der COD-Grenze erreichbare Verbesserung.

Fig. 5(a), 5(b) und 6 zeigen einen Halbleiterlaser gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine noch weitergehende Ver besserung der COD-Grenze erreicht wird. Die Darstellung der Fig. 5(a), 5(b) nd 6 entsprechend jeweils jeden in Fig. 1(a), 1(b) bzw. 2.

Die Darstellungen in Fig. 7(a) bis 7(c) sind den Darstellungen in Fig. 3(a) bis 3(c) analog und illustrieren das Verfahren zur Herstellung des Halb leiterlasers gemäß Fig. 5(a).

Nachdem der Aufbau des Halbleiterlasers gemäß Fig. 1(a) bereits beschrie ben wurde, sollen anhand der Fig. 5, 6 und 7 lediglich die Unterschiede gegenüber diesem Ausführungsbeispiel erläutert werden.

Der wichtigste Unterschied zwischen der Struktur gemäß Fig. 5(a) und der gemäß Fig. 1(a) betrifft die Ausdehnung des Mesabereichs 4 b in Rich tung auf die Stirnflächen 12 und 13. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1(a) sind die Endflächen 16 und 17 des Mesabereichs infolge des Ätzpro zesses im wesentlichen glatt und in Abstand zu der jeweils gegenüberlie genden Stirnfläche 12 bzw. 13 angeordnet. Bei der Ausführungsform nach Fig. 5(a) und 6 ist ein Abschnitt 16′ der Endfläche des Mesabereichs koplanar zu der Stirnfläche 12. In ähnlicher Weise ist ein Abschnitt 17′ der anderen Endfläche des Mesabereichs koplanar mit der Stirnfläche 13. An dere Abschnitte 26 und 27 der Endflächen des Mesabereichs liegen in Ab stand zu der jeweiligen Stirnfläche 12 bzw. 13. Diese stufenförmige Endkon figuration ist am besten in Fig. 7(b) und 7(c) zu erkennen.

Anders als bei dem in Fig. 3(b) gezeigten Verfahrensschritt wird gemäß Fig. 7(b) bei der Herstellung des Mesabereichs 4 b die Hüllschicht 4′ zu nächst so angeätzt, daß sich der Mesabereich 4 b durchgehend zwischen den Ebenen erstreckt, die später die Stirnflächen 12 und 13 bilden. An schließend werden in einem zweiten Ätzungsprozeß nur die an die Stirnflä chen 12 und 13 angrenzenden Teile des Mesabereichs 4 b freigelegt und ge ätzt. Zur Beschränkung des Ätzprozesses lediglich auf diese Abschnitte des Mesabereichs können herkömmliche photolithographische Techniken ein gesetzt werden. Bei dem zweiten Ätzprozeß entstehen Stufen 20 und 21 in dem Mesabereich 4 b. Bei der Bildung dieser Stufen bleiben die Abschnitte 16′ und 17′ der Endflächen des Mesabereichs in den Ebenen der Stirnflä chen 12 und 13, während die Abschnitte 26 und 27 der Endflächen des Mesabereichs 4 b in Abstand zu den Stirnflächen 12 und 13 gebildet wer den. Anschließend wird gemäß Fig. 7(c) die Stromsperrschicht 5′ so auf gebracht, daß sie den Mesabereich 4 b an den Seiten 14 und 15 einschließt. An den Enden wird der Mesabereich nur teilweise eingeschlossen. Die Ab schnitte 16′ und 17′ der Endflächen werden nicht durch die Stromsperr schicht 15 bedeckt, und lediglich die Abschnitte 26 und 27 der Endflächen des Mesabereichs werden durch die Stromsperrschicht 5′ zugedeckt.

In dem Längsschnitt gemäß Fig. 6 ist zu erkennen, daß die an die Gebiete 10 angrenzenden Abschnitte der Stromsperrschicht 5′ dünner sind als bei der Struktur gemäß Fig. 2. Die Basis des Mesabereichs 4 a ist in Fig. 6 durch eine gestrichelte Linie 28 dargestellt. Bei der Struktur gemäß Fig. 2 erstrecken sich die Endabschnitte der Stromsperrschicht 5′ in voller Höhe von der Kontaktschicht 6 zur Basis des Mesabereichs 4 b. Bei der Struktur gemäß Fig. 6 nehmen die Endabschnitte der Stromsperrschicht 5′ dage gen nur einen Teil des Bereichs zwischen der Kontaktschicht 6 und der Ba sis 28 ein. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5(a) ist somit die Stromsperrschicht 5′ in den Gebieten 10 weiter von der aktiven Schicht 3 entfernt als bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1(a). Aus diesem Grund ist bei dem zuletzt beschriebenen Ausführungsbeispiel die Lichtabsorption in der Stromsperrschicht 5′ in der Nähe der Stirnflächen geringer, so daß sich für einen gegebenen Laserstrom ein kleinerer Temperaturanstieg an den Stirnflächen ergibt. Auf diese Weise kann mit der Laserstruktur gemäß Fig. 5(a) die COD-Grenze noch weiter gesteigert werden als bei der Struk tur gemäß Fig. 1(a).

In der vorstehenden Beschreibung wurde die Erfindung anhand eines be vorzugten Ausführungsbeispiels mit p- und n-leitenden GaAs- und AlGaAs- Halbleitern beschrieben. Die Leitfähigkeitstypen der Schichten können je doch umgekehrt werden. Gemäß einem wesentlichen Merkmal der Erfin dung ist der zwischen der zweiten Hüllschicht 4′ und der Stromsperr schicht 5′ gebildete Gleichrichter-Übergang nicht davon abhängig, welche dieser Schichten p-leitend und welche n-leitend ist. In vielen handelsübli chen Lasern wird als aktive Schicht eine p-dotierte Halbleiterschicht bevor zugt. Es können als aktive Schicht jedoch auch n-dotierte oder undotierte Schichten verwendet werden. Die erfindungsgemäße Struktur läßt sich auch mit anderen, eine indirekte Bandlücke aufweisenden Halbleitermate rialien als GaAs und AlGaAs verwirklichen.

Claims

1. Halbleiterlaser mit:

- einem Substrat (1) eines ersten Leitfähigkeitstyps,
- einer auf dem Substrat angebrachten ersten Hüllschicht (2) des ersten Leit fähigkeitstyps,
- einer die erste Hüllschicht überlagernden aktiven Schicht (3),
- einer auf der aktiven Schicht (3) ausgebildeten zweiten Hüllschicht (4′) ei nes zweiten Leitfähigkeitstyps, die eine Vorwärts-Mesastruktur mit einem zu der dem Substrat (1) entgegengesetzten Seite vorspringenden, langgestreck ten und quer zu parallelen ersten und zweiten Stirnflächen (12, 13) des Halb leierelements verlaufenden Mesabereich (4 b) bildet,
- einer auf der zweiten Hüllschicht angeordneten Stromsperrschicht (5′) vom ersten Leitfähigkeitstyp, die die tiefer liegenden Teile der Mesastruktur aus füllt,
- einer auf der Stromsperrschicht (5′) und dem Mesabereich (4 b) angeordne ten Kontaktschicht (6) zur elektrischen Kontaktierung der zweiten Hüll schicht (4′) und zur Bildung eines Gleichrichter-Übergangs in Verbindung mit der Stromsperrschicht (5′), und
- ersten und zweiten Elektroden (7, 8) an dem Substrat (1) und der Kontakt schicht (6),

dadurch gekennzeichnet, daß an wenigstens einem Ende des Mesabereichs (4 b) wenigstens ein Teilabschnitt (16, 17; 26, 27) der Endfläche des Mesabe reichs gegenüber der zugehörigen Stirnfläche (12, 13) des Halbleiterelements zurückliegt und durch einen Teil der Stromsperrschicht (5′) abgedeckt ist.

2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenig stens eine Endfläche (16, 17) des Mesabereichs (4 b) insgesamt gegenüber der zugehörigen Stirnfläche (12, 13) des Halbleiterelements zurückliegt.

3. Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine zwischen der Stromsperrschicht (5′) und der zweiten Hüllschicht (4′) einge fügte Pufferschicht (11) vom zweiten Leitfähigkeitstyp.

4. Halbleiterlaser nach einem der vorbeschriebenen Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß das Substrat (1), die Stromsperrschicht (5′) und die Kontaktschicht (6) aus GaAs gebildet sind und daß die ersten und zweiten Hüllschichten (2, 4′), die aktive Schicht (3) sowie ggf. die Pufferschicht (11) durch AlGaAs gebildet sind.

5. Halbleiterlaser nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß jede der Halbleiterschichten eine Bandlücke aufweist und daß die Bandlücke der aktiven Schicht (3) kleiner als die der ersten und zweiten Hüllschichten (2, 4′) und die Bandlücke des Substrats (1) und der Kontaktschicht (6) kleiner als die der ersten und zweiten Hüllschichten ist.

6. Halbleiterlaser nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Hüllschichten aus Al_xGa₁ _{- x}As sind und die aktive Schicht (3) aus Al_yGa₁ _{- y}As ist, wobei x größer als y ist.

7. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Enden (16, 17) des Mesabereichs (4 b) gegenüber den jeweilgen Strirnflächen (12, 13) des Halbleiterelements zurückliegen.

8. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Endflächen (16′, 16; 17′, 27) des Mesabereichs (4 b) jeweils mit einem Teil abschnitt (26, 27) gegenüber der entsprechenden Stirnfläche (12, 13) des Halbleiterelements zurückliegen.

9. Halbleiterlaser nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die aktive Schicht (3) p-leitend ist.

10. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die aktive Schicht (3) undotiert ist.

11. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers, bei dem man

- auf ein Substrat (1) eines ersten Leitfähigkeitstyps aufeinanderfolgend eine erste Hüllschicht (2) des ersten Leitfähigkeitstyps, eine aktive Schicht (3) und eine zweite Hüllschicht (4′) eines zweiten Leitfähigkeitstyps aufbringt,
- durch Entfernen eines Teils der zweiten Hüllschicht (4′) eine Vorwärts-Me sastruktur derart in der zweiten Hüllschicht ausbildet, daß ein entgegenge setzt zu dem Substrat (1) vorspringender Mesabereich (4 b) mit einer oberen Oberfläche (18), Längsseitenflächen (14, 15) und Endflächen (16; 17; 16′, 26; 17′, 27) entsteht,
- eine Stromsperrschicht (5′) vom ersten Leitfähigkeitstyp derart auf die zweite Hüllschicht aufbringt, daß die Längsseitenflächen (14, 15) des Mesabe reichs (4 b) in die Stromsperrschicht eingebettet werden,
- eine Kontaktschicht (6) vom zweiten Leitfähigkeitstyp auf die Stromsperr schicht (5′) und die obere Oberfläche (18) des Mesabereichs (4 b) aufbringt,
- an dem Halbleiterlement einander gegenüberliegende erste und zweite Stirnflächen (12, 13) bildet, die quer zu den Längsseitenflächen (14, 15) des Mesabereichs verlaufen, und
- Elektroden (7, 8) an dem Substrat (1) und der Kontaktschicht (6) anbringt,

dadurch gekennzeichnet,

- daß der Mesabereich (4 b) so gestaltet wird, daß zumindest ein Teilab schnitt (16; 17; 26; 27) zumindest einer seiner Endflächen (16; 17; 16′, 26; 17′, 27) gegenüber der zugehörigen Stirnfläche (12; 13) des Halbleiterele ments zurückliegt und beim Aufbringen der Stromsperrschicht (5′) in diese eingebettet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Ent fernen von Teilen der zweiten Hüllschicht (4′) in der Weise ausgeführt wird, daß die aktive Schicht (3) nicht freigelegt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Hüllschicht (2), die aktive Schicht (3) und die zweite Hüllschicht (4′) im MO-CVD-Verfahren aufgebracht werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekenn zeichnet, daß die Stromsperrschicht (5′) und die Kontaktschicht (6) aus GaAs und die ersten und zweiten Hüllschichten (2, 4′) und die aktive Schicht (3) aus AlGaAs gebildet werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekenn zeichnet, daß man zwischen der zweiten Hüllschicht (4′) und der Strom sperrschicht (5′) eine Pufferschicht (11) vom zweiten Leitfähigkeitstyp auf bringt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekenn zeichnet, daß die ersten und zweiten Stirnflächen (12, 13) des Halbleiter elements durch Spaltung gebildet werden.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekenn zeichnet, daß man den Mesabereich (4 b) mit im wesentlichen glatten stirn seitigen Endflächen (16, 17) versieht, die Stirnflächen (12, 13) des Halblei terlements in Abstand zu den Endflächen (16, 17) des Mesabereichs ausbil det und die Zwischenräume zwischen den Endflächen des Mesabereichs und den Stirnflächen des Halbleiterelements bei der Aufbringung der Strom sperrschicht (5′) mit Material der Stromsperrschicht ausfüllt.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekenn zeichnet, daß man den Mesabereich (4 b) zumindest an einem Ende mit ei ner Stufe (20, 21) versieht, diese Stufe in die Stromsperrschicht (5′) einbet tet und die entsprechende Stirnfläche (12, 13) des Halbleiterelements in Ab stand zu der Stufe ausbildet.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Me sabereich (4 b) an beiden Enden mit in Abstand zu den Stirnflächen (12, 13) liegenden und in die Stromsperrschicht (5′) eingebetteten Stufen (20, 21) versehen wird.