DE4002970C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Halbleiterlaser gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 wird anhand von Fig. 7 erläutert. Fig. 7(a) zeigt dabei eine Explosionsdarstellung von drei Teilbereichen eines Lasers, und zwar zwei Endbereiche mit jeweils einer Ab­ strahlfläche und einem mittleren Bereich mit einem Laser­ schwingungsbereich 8, in dem die Laserstrahlung erzeugt wird. Fig. 7(b) zeigt einen Längsschnitt durch den Laser.

Der Laser verfügt über ein Substrat 1 aus N-Typ GaAs, eine erste Abdeckschicht 2 aus N-Typ Al_0.5Ga_0.5As, eine aktive Schicht 4 aus P-Typ Al_0.15Ga_0.85As, eine zweite Abdeck­ schicht 5 aus P-Typ Al_0.5Ga_0.5As mit einem streifenförmigen Steg, der sich nicht bis zu den Abstrahlflächen erstreckt, eine Stromblockierschicht 6 aus N-Typ GaAs und eine Kon­ taktschicht 7 aus P-Typ GaAs. Zu beiden Seiten des bereits genannten Laserschwingungsbereichs 8 befindet sich jeweils ein Bereich 9, in dem keine Ladungsträger injiziert werden.

Dieser herkömmliche Laser arbeitet wie folgt.

Im Laserschwingungsbereich 8 werden Minoritätsladungsträger einer Konzentration von etwa 10¹⁸ in die aktive Schicht 4 injiziert, eine Inversion der Verteilung der Ladungsträger wird herbeigeführt, und dadurch wird ein größerer Teil der Energie der injizierten Ladungsträger in Photonen umgewan­ delt. In den sich an den Laserschwingungsbereich 8 an­ schließenden Bereichen 9 findet kaum Ladungsträgerinjektion statt, jedoch werden Minoritätsladungsträger durch das Laserlicht angeregt, deren Dichte jedoch erheblich geringer ist als die Dichte injizierter Ladungsträger. Durch diesen Effekt findet kaum lichtstrahlende Elektron-Loch-Rekombina­ tion im Bereich der Abstrahlflächen statt. Dadurch läßt sich die Laserleistung, ab der Zerstören der Abstrahlflä­ chen stattfindet (der sogenannte COD-Pegel), erhöhen.

Damit bei einem solchen Laser das Licht in Längsrichtung aufgrund des Effektes der Stromblockierschicht eng gebün­ delt wird, ist die Dicke der zweiten Abdeckschicht 5 in den Bereichen, in denen sich nicht der streifenförmige Steg be­ findet, etwa 0,3 µm. Da sich der Steg nicht bis zu den Ab­ strahlflächen erstreckt, ist auch dort die Dicke der zwei­ ten Abdeckschicht 5 nur etwa 0,3 µm. Wie in Fig. 8 darge­ stellt, erstreckt sich jedoch die Lichtemission nicht nur innerhalb der aktiven Schicht, sondern das Licht breitet sich auch in den benachbarten Abdeckschichten aus. Da die zweite Abdeckschicht nur dünn ist, gelangt auch Licht in die Stromblockierschicht, die aus GaAs besteht und daher das erzeugte Laserlicht gut absorbiert. Dadurch ist es schwierig, überhaupt Abstrahlung von Laserlicht zu erzielen und, falls dies gelingt, ist kein stabiles Abstrahlen in einer Mode möglich.

Das eben genannte Problem tritt bei sogenannten LOC(Large Optical Cavity)-Lasern nicht auf. Diese verfügen zwischen der ersten Abdeckschicht und der aktiven Schicht noch über eine Lichtführungsschicht vom selben Leitfähigkeitstyp wie die Abdeckschicht. Ein solcher Laser ist z. B. in US 38 55 546 beschrieben. Bei ihm erstrecken sich alle Schichten über die gesamte Breite des Lasers.

Ein LOC-Streifenlaser ist aus dem Buch von R. Paul mit dem Titel "Optoelektronische Halbleiterbauelemente", Teubner- Verlag, 1985, S. 111-113 und 277, bekannt. Beim Streifenlaser ist die aktive Zone als seitlich begrenzter, schmaler Streifen ausgebildet.

Fig. 1 zeigt einen Laser, der als LOC-Laser ausgebildet ist, jedoch ansonsten einen Aufbau entsprechend dem Laser von Fig. 7 aufweist, also über eine zweite Abdeckschicht mit einem streifenförmigen Steg verfügt, der sich nicht bis zu den Abstrahlflächen des Lasers erstreckt. Der Laser gemäß Fig. 1 wird weiter unten als Vorstufe der Erfindung beschrieben. Fig. 2 zeigt die Lichtstärkenverteilung in der aktiven Schicht und in den benachbarten Schichten. Der Brechungsindexverlauf der Schichtfolge und der Lichtstärkenverlauf ist identisch mit den entsprechenden Kurven von Bild 2.33 auf Seite 111 im genannten Buch von R. Paul.

Beim Herstellen des bekannten Lasers gemäß Fig. 7 wie auch beim Herstellen des intern entwickelten LOC-Lasers gemäß Fig. 1 hat sich herausgestellt, daß der Herstellwirkungsgrad und die Funktionsfähigkeit unzufriedenstellend sind.

Es bestand demgemäß die Aufgabe, einen zuverlässig herstellbaren und funktionierenden Laser anzugeben.

Der erfindungsgemäße Laser weist die Merkmale von Anspruch 1 auf. Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist Gegenstand von Anspruch 2.

Der erfindungsgemäße Laser weist den grundsätzlichen Aufbau bekannter LOC-Laser auf. Eine zweite Abdeckschicht ist jedoch wie bei dem anhand von Fig. 7 beschriebenen bekannten Laser aufgebaut, und zusätzlich ist eine Pufferschicht zwischen der zweiten Abdeckschicht und der Blockierschicht, vom Leitfähigkeitstyp der zweiten Abdeckschicht, jedoch aus dem Material der Blockierschicht, vorhanden. Diese Pufferschicht verhindert den ansonsten auftretenden PN-Übergang zwischen der zweiten Abdeckschicht und der Stromblockierschicht. Außerdem wird der Wirkungsgrad bei der epitaktischen Herstellung verbessert.

Von besonderem Vorteil ist es, die Pufferschicht mit höherer P-Dotierung zu versehen als die zweite Abdeckschicht, wodurch erreicht wird, daß Verunreinigungsatome überall dort in die aktive Schicht diffundieren, wo nicht der Steg vorhanden ist. Diese Diffusion findet demgemäß auch im Bereich der Abstrahlflächen statt und führt dort zu einer Erhöhung der Bandlücke, was zur Folge hat, daß die aktive Schicht im Bereich der Abstrahlflächen nicht absorbiert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von durch Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen und eines einführenden Beispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1(a) eine perspektivische Explosionsdarstellung von drei Bereichen eines Lasers, nämlich zwei Endbereichen mit Abstrahlflächen und einen mittleren Bereich, in dem Laserschwingung erzeugt wird, welcher Laser eine Vorstufe eines erfindungsgemäßen Lasers mit Pufferschicht ist;

Fig. 1(b) einen Längsschnitt durch den Laser gemäß Fig. 1(a);

Fig. 2 ein Diagramm zum Veranschaulichen der Verteilung der Lichtstärke des Laserlichts über verschiedene Schichten des Lasers von Fig. 1;

Fig. 3(a) und (b) Darstellungen entsprechend denen von Fig. 1, jedoch für einen Laser, der über eine zusätz­ liche Pufferschicht zwischen aktiver Schicht und zweiter Abdeckschicht verfügt;

Fig. 4(a) und (b) Ansichten entsprechend denen von Fig. 1, jedoch für einen Laser mit einem Aufbau, in dem durch Selbstdiffusion Fensterbereiche an den Abstrahlflä­ chen erzeugt sind;

Fig. 5(a)-(g) schematische perspektivische Dar­ stellungen einer Laserstruktur in verschiedenen Herstell­ stufen, für den Laser gemäß Fig. 1;

Fig. 6(a)-(g) Darstellungen entsprechend denen von Fig. 5, jedoch für den Laser gemäß Fig. 4;

Fig. 7(a) und (b) Ansichten entsprechend denen von Fig. 1, jedoch für einen bekannten Laser; und

Fig. 8 ein Diagramm entsprechend dem von Fig. 2, je­ doch für einen bekannten Laser.

Fig. 1(a) zeigt in Explosionsdarstellung drei Bereiche eines Halbleiterlasers, und zwar die zwei Bereiche mit den Abstrahlflächen und den dazwischen liegenden Bereich. Fig. 1(b) ist ein Querschnitt durch den Laserschwingungsbe­ reich 8. Auf einem N-Typ GaAs-Substrat 1 ist eine erste Ab­ deckschicht 2 aus N-Typ Al_0.5Ga_0.5As aufgebracht. Es folgen eine Lichtführungsschicht 3 aus N-Typ AlGaAs, die aktive Schicht 4 aus P-Typ Al_0.15Ga_0.85As und eine zweite Abdeck­ schicht 5 aus P-Typ Al_0.5Ga_0.5As, die einen streifenförmi­ gen Steg aufweist, der sich in Strahlrichtung erstreckt, jedoch an seinen beiden Enden die Abstrahlflächen nicht er­ reicht. Eine Blockierschicht 6 aus N-Typ GaAs deckt diese zweite Abdeckschicht 5 mit Ausnahme des Steges ab. Zum Kon­ taktieren befindet sich ganz oben auf dem Laser eine Kon­ taktschicht 7 aus P-Typ GaAs. Laserschwingungsanregung er­ folgt im Laserschwingungsbereich 8, der sich in etwa über die Länge des Steges der zweiten Abdeckschicht 5 erstreckt. An diesen Laserschwingungsbereich schließt sich an jeder Seite ein Nicht-Injektions-Bereich 9 an.

Der so aufgebaute Laser arbeitet wie folgt.

Der Mechanismus der Schwingungsanregung ist derselbe wie beim bekannten Laser. Die zusätzlich vorhandene Lichtfüh­ rungsschicht 3 hilft dabei, die angeregte Mode im Bereich der Abstrahlflächen zu stabilisieren, was im Stand der Technik problematisch war. Zu diesem Zweck weist das Ma­ terial der Lichtführungsschicht 3 einen Brechungsindex auf, der zwischen den Brechungsindizes der benachbarten Schich­ ten liegt, also der darüber befindlichen aktiven Schicht 4 und der darunter befindlichen ersten Abdeckschicht 2. Da­ durch wird die Lichtverteilung in Richtung der Lichtfüh­ rungsschicht 3 verschoben, wie in Fig. 2 dargestellt. Der Effekt, der ein solches Verschieben verursacht, ist in "Light Communication Element Optics", Seite 172, von Yonezu beschrieben. Der Lichtemissionsbereich an den Abstrahlflä­ chen liegt damit von der Stromblockierschicht 6 weiter weg, wodurch die angeregte Mode stabilisiert wird.

Im folgenden wird die Herstellung eines solchen Lasers an­ hand von Fig. 5 beschrieben. Zunächst werden epitaktisch auf ein N-Typ GaAs-Substrat 1 gemäß Fig. 5(a) die erste Ab­ deckschicht 2 aus N-Typ Al_xGa_1-xAs, die Lichtführungs­ schicht 3 aus Al_yGa_1-yAs (x<y), die aktive Schicht (Multi- Quantum-Well-Schicht) 41 aus P-Typ Al_pGa_1-pAs-Al_qGa_1-qAs (y<q<p), die zweite Abdeckschicht 5 aus P-Typ Al_xGa_1-xAs und eine obere Schicht 71 aus P-Typ GaAs aufgebracht, wie in Fig. 5(b) dargestellt. Auf dieser Schichtfolge wird ein amorpher Film 10 erzeugt (Fig. 5(c)), der dann zu einem Streifen geätzt wird, der die Abstrahlfläche nicht erreicht (Fig. 5(d)). Der streifenförmige amorphe Film 10 dient als Ätzmaske zum teilweisen Wegätzen der oberen Schicht 71 und der zweiten Abdeckschicht 5 (Fig. 5(e)). Mit einem zweiten Epitaxieverfahren wird die Stromblockierschicht 6 aus N-Typ GaAs aufgebracht, die den Steg einhüllt, der durch das Ätzen stehenblieb, diesen jedoch aufgrund der Wirkung des amorphen Films 10 nicht abdeckt (Fig. 5(f)). Nach dem Ent­ fernen des amorphen Films 10 wird in einem dritten Epita­ xieverfahren die Kontaktschicht 7 aus P-Typ GaAs aufge­ bracht, die die Stromblockierschicht 6 und den vom amorphen Film 10 befreiten Steg abdeckt (Fig. 5(g)). Schließlich werden noch eine P-seitige Elektrode auf der Kontaktschicht 7 und eine N-seitige Elektrode auf dem Substrat 1 aufge­ bracht, wodurch die Herstellung des Lasers abgeschlossen ist.

Bei dieser Vorstufe der Erfindung wird die Stromblockier­ schicht 6 beim zweiten Epitaxieablauf direkt auf die zweite Abdeckschicht 5 aufgebracht, die beim ersten Epitaxieablauf hergestellt wurde, was den Wirkungsgrad der Herstellbarkeit und Funktionsfähigkeit verschlechtert. Nachteilig ist auch der PN-Übergang zwischen den beiden genannten Schichten.

Die eben genannten Nachteile sind bei einem Aufbau umgan­ gen, wie er in den Fig. 3(a) und 3(b) dargestellt ist. Bei diesem Aufbau ist auf der zweiten Abdeckschicht 5 eine Puf­ ferschicht 61 aus P-Typ GaAs vorhanden. Durch diese Schicht wird vermieden, daß die Stromblockierschicht 6 im zweiten Epitaxieablauf direkt auf die im ersten Ablauf hergestellte zweite Abdeckschicht 5 aufgewachsen wird. Außerdem ist kein PN-Übergang zwischen den eben genannten beiden Schichten mehr vorhanden.

Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen besteht noch das Problem, daß beim Steigern der Strahlungsleistung des Lasers die aktive Schicht geschmolzen wird - trotz des Aufbaus mit nichtinjizierenden Bereichen nahe den Abstrahl­ flächen.

Anhand von Fig. 4 wird nun ein Ausführungsbeispiel mit einer Fensterstruktur an den Abstrahlflächen erläutert, bei dem der eben genannte Nachteil nicht mehr vorhanden ist. Der Laser gemäß den Fig. 4(a) und 4(b) weist eine MQW (Multi-Quantum-Well)-aktive Schicht 4a aus einer AlGaAs- Folge und eine Pufferschicht 61′ aus P-Typ GaAs auf, die eine höhere Dotierung aufweist als die zweite Abdeckschicht 5 aus P-Typ Al_0.5Ga_0.5As. Dort wo die Pufferschicht 61 vor­ handen ist, also überall außer im stegförmigen Bereich, können Verunreinigungsatome in die aktive Schicht 4a ein­ diffundieren, also Selbstdotierung bewerkstelligen. Der Diffusionsbereich trägt das Bezugszeichen 62 und der in der Dotierung geänderte Bereich der aktiven Schicht trägt das Bezugszeichen 4b.

Dieser Laser arbeitet wie folgt.

Die Laserschwingung stellt sich wie bei einem herkömmli­ chen Laser ein. Beim eben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird das Laserlicht benachbart zu den Abstrahlflächen mit Hilfe der Lichtleitschicht 3 stabilisiert, wie weiter oben erläutert. Die Photonenergie des Laserlichts wird durch die Bandlücke der aktiven MQW-Schicht 4a bestimmt. Die Band­ lücke der durch die genannte Diffusion gestörten aktiven Schicht 4b nahe den Abstrahlflächen ist demgegenüber er­ höht, weswegen das erzeugte Laserlicht in diesem Bereich nicht absorbiert wird. Der Bereich 4b verfügt also über den sogenannten Fenstereffekt.

Dieses Bauteil wird hergestellt, wie es nun anhand von Fig. 6 erläutert wird.

Beim Ablauf gemäß Fig. 6 stimmen die durch die Fig. 6(a)-6(e) veranschaulichten Verfahrensschritte mit denjenigen Verfahrensschritten überein, die weiter oben anhand von Fig. 5(a)-5(e) erläutert wurden. Nach dem Herstellen des Steges wird jedoch nicht direkt die Stromblockierschicht 6 aufgebracht, sondern in einem zweiten Epitaxieablauf werden eine Pufferschicht 61′ und die Stromblockierschicht 6 aus N-Typ GaAs aufgebracht, wobei die P-Typ Dotierung der Puf­ ferschicht 61′ höher ist als die Dotierung der zweiten Ab­ deckschicht 5 aus P-Typ Al_xGa_1-xAs. Die so erhaltene Struk­ tur zeigt Fig. 6(f). Nach Entfernen des amorphen Films 10 wird in einem dritten Epitaxieablauf die Kontaktschicht 7 aus P-Typ GaAs hergestellt, die sowohl die Stromblockier­ schicht 6 wie auch den vom amorphen Film 10 befreiten Steg abdeckt (Fig. 6(g)). Während des zweiten und des dritten Epitaxieablaufs findet ein Selbstdotiervorgang von P-Typ Verunreinigungen aus der Pufferschicht 61′ in die aktive MQW-Schicht 4a statt. Wie bereits weiter oben anhand von Fig. 5 ausgeführt, findet dieses Diffundieren nur in sol­ chen Bereichen statt, in denen sich die Pufferschicht 61′ über der aktiven Schicht befindet, also nicht im Bereich des Steges. Das Eindiffundieren stört die kristalline Ord­ nung in der aktiven Schicht und führt zum Fenstereffekt in den Bereichen 4b der aktiven Schicht. Die Grenze zwischen den Bereichen 4a und 4b der aktiven Schicht ist nicht scharf gezogen, sondern dort, wo der Steg konvex von der zweiten Abdeckschicht 5 aus ansteigt, nimmt die Selbst­ diffusion mit ansteigender Höhe des Steges ab. Im Bereich 8, in dem sich Laserstrahlung einstellt, wird der kristalline Aufbau der aktiven Schicht 4a jedoch nicht durch Selbst­ diffusion gestört. Dagegen sind die in Verlängerung dieses Bereichs zu den Abstrahlflächen liegenden Bereiche gestört und weisen den Fenstereffekt auf. Dadurch kann ein Laser mit hoher Ausgangsleistung arbeiten.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele zeichnen sich da­ durch aus, daß zwischen der ersten Abdeckschicht und der aktiven Schicht eine Lichtführungsschicht vorhanden ist. Der Lichtemissionsbereich liegt dadurch zur Seite der Lichtführungsschicht hin verschoben und damit von der Stromblockierschicht weg, was zu einer Modenstabilisierung führt.

Von Vorteil ist es, wenn die Blockierschicht nicht direkt auf die zweite Abdeckschicht aufgebracht wird, sondern wenn eine Pufferschicht aus dem Material der Blockierschicht aber vom Leitfähigkeitstyp der zweiten Abdeckschicht zwi­ schengeschaltet wird.

Weiterhin von Vorteil ist es, die Pufferschicht mit höherer Konzentration zu dotieren als die zweite Abdeckschicht, um zu erreichen, daß Verunreinigungsatome der P-Dotierung in die aktive Schicht diffundieren und diese stören, wodurch deren Bandlücke in denjenigen Bereichen erhöht wird, in de­ nen diese Selbstdiffusion stattfindet. Der Aufbau des La­ sers wird so gestaltet, daß diese Selbstdiffusion auch im Bereich der Abstrahlflächen erfolgt, wodurch ein Fenster­ effekt eintritt, der verhindert, daß das Lasermaterial bei hoher Ausgangsleistung im Bereich der Austrittsflächen schmilzt.

Claims (3)

1. Halbleiterlaser mit

• - einem Substrat (1),
• - einer ersten Abdeckschicht (2),
• - einer aktiven Schicht (4),
• - einer zweiten Abdeckschicht (5) mit einem streifenförmi­ gen Steg, der sich nicht bis zu den Abstrahlflächen des Lasers erstreckt,
• - einer Stromblockierschicht (6) und
• - einer Kontaktschicht (7),

gekennzeichnet durch

• - eine Lichtführungsschicht (3) zwischen der ersten Abdeck­ schicht (2) und der aktiven Schicht (4; 41), deren Bre­ chungsindex zwischen dem der aktiven Schicht und der zweiten Abdeckschicht (5) liegt, und
• - eine Pufferschicht (61; 61′) zwischen der zweiten Ab­ deckschicht (5) und der Blockierschicht (6), vom Leitfä­ higkeitstyp der zweiten Abdeckschicht, jedoch aus dem Mate­ rial der Blockierschicht.

2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die P-Dotierung der Pufferschicht (61′) höher ist als die P-Dotierung der zweiten Abdeckschicht, und daß P-Verunreinigungsatome aus diesen Schichten in die aktive Schicht (41) in denjenigen Bereichen eindiffundiert sind, in denen sich nicht der streifenförmige Steg befindet.