DE4135813C2 - Oberflächenemittierende Halbleiter-Laservorrichtung - Google Patents

Oberflächenemittierende Halbleiter-Laservorrichtung

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Description

Die Erfindung betrifft eine oberflächenemittierende Halbleiter-Laservorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Eine solche Laservorrichtung ist z. B. in einem optischen Informationsverarbeitungssystem, einem optischen Meßsystem oder dgl. verwendbar.
In jüngster Zeit wurden Festkörper-Lichtemissionsvorrichtungen auf dem Gebiet der fortschrittlichsten digitalen Computertechnologie, wie beispielsweise optischen Kommunikationsnetzwerken, optischen Informationsverarbeitungssystemen oder dgl., eingesetzt. In der Optoelektronik, wie beispielsweise bei optoelektronischen integrierten Schaltungsvorrichtungen (IC-Vorrichtungen) oder Foto-ICs wurde bereits die monolithische Integration von Halbleiter- Laservorrichtungen auf einem Einchip-Substrat zusammen mit anderen Arten von fotoempfindlichen Elementen untersucht. Zur Erzielung einer Parallelverarbeitung wird außerdem intensiv daran gearbeitet, Laservorrichtungen in angeordneter Weise auf einem Chipsubstrat zu integrieren.
Eine Halbleiter-Laservorrichtung, die einen Mikroresonator verwendet, ist eine der zukunftsträchtigsten Festkörper-Lichtemissionsvorrichtungen, die vorzugsweise für die obigen Anwendungen vorgesehen ist, was auf hervorragende Eigenschaften in der Fotoemission zurückzuführen ist. Bei der Laservorrichtung dieser Art bestehen die folgenden beiden wesentlichen Prozesse zur Gewinnung von Ausgangslicht: Spontane Emission und stimulierte Emission. Der theoretische Hintergrund hiervon ist beschrieben in beispielsweise: A. Einstein, "Verhandlung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft", Band 18, Seite 318 (1916).
Da in den oben beschriebenen Systemen eine Verbesserung in der Packungsdichte der Vorrichtungen intensiv angestrebt wird, ist es notwendig, daß der Pegel des Schwellenstromes jeder Halbleiter-Laservorrichtung soweit als möglich angesenkt wird, um so eine hochintegrierte Herstellung auf deren monolithischem Substrat zu verbessern. Die bereits vorgeschlagenen Mikroresonator-Halbleiter-Laservorrichtungen können jedoch eine derartige Forderung einer weiteren Verbesserung der Integrationsdichte nicht erfüllen. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Laservorrichtungen in ihrem Kopplungsverhältnis β der spontanen Emission zum Resonanzmodus des Mikrohohlraumes begrenzt sind. Mit anderen Worten, der Nutzkoeffizient der spontanen Emission der Halbleiter-Laservorrichtungen bleibt niedrig, was den Schwellenwertstrompegel höher werden läßt.
Eine Halbleiter-Laservorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der US- Zeitschr.: "IEEE Journal of Quantum Electronics", Vol. 24, No. 9, September 1988, S. 1845-1855, bekannt. Bei dieser Laservorrichtung dient ein ebener Spiegel als Reflexionsschicht. Mit diesem Spiegel wird in Schwingung versetztes Licht zur Oberseite abgestrahlt. Außerdem hat die Laservorrichtung einen Mehrlagen-Bragg-Reflektor, der ebenfalls eine Reflexionswirkung nur in einer genau gewählten Richtung entfaltet.
Ähnliche Laservorrichtungen mit ebenen Reflektoren sind auch aus der JP- Zeitschr.: "Japan. Journal of Applied Physics", Vol. 25, No. 6, June 1986, S. 924-925, und der US-Zeitschr.: "Appl. Phys. Lett.", 45 (4), August 15, 1984, S. 348-350, bekannt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neuartige und verbesserte Halbleiter-Laservorrichtung zu schaffen, die sich durch einen niedrigen Schwellenwertstrompegel auszeichnet.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung eine Halbleiter-Laservorrichtung bzw. eine Lichtemissionsvorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1 vor.
Die Erfindung schafft also eine spezifische Halbleiter-Laservorrichtung mit einem halbleitendem Substrat, einem Doppelheterostrukturabschnitt einschließlich einer aktiven Zwischenschicht, die zwischen einer ersten oder unteren Überzugschicht und einer zweiten oder oberen Überzugschicht über dem Substrat geschichtet ist. Ein erster mehrlagiger Bragg-Reflektorabschnitt ist zwischen dem Substrat und dem Doppelheterostrukturabschnitt vorgesehen, um ein spezifisches Reflexionsvermögen zu besitzen, das nahe der Schwingungswellenlänge der Laservorrichtung maximiert ist. Eine optische Reflektoreinrichtung bedeckt den Doppelheterostrukturabschnitt, um die spontane Emission zu steuern, die in dem Doppelheterostrukturabschnitt längs einer Vielzahl von Richtungen erhalten ist, und um das Kopplungsverhältnis der spontanen Emission zu dem Schwingungsmodus der Laservorrichtung zu erhöhen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm mit einer perspektivischen Darstellung einer Halbleiter-Laservorrichtung mit einer Mikroresonatorstruktur gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 2 einen Schnitt der Laservorrichtung von Fig. 1 längs einer Linie II-II,
Fig. 3A bis 3C in schematischen Schnitten einige der Hauptschritte bei der Herstellung der mehrlagigen Struktur der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Laservorrichtung,
Fig. 4 ein Diagramm mit einer perspektivischen Darstellung einer Halbleiter-Laservorrichtung, die eine mögliche Abwandlung der Laservorrichtung, welche in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist,
Fig. 5 eine Hauptschnittdarstellung der Laservorrichtung von Fig. 4,
Fig. 6 ein Diagramm mit einer perspektivischen Darstellung einer Halbleiter-Laservorrichtung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 7 eine Schnittdarstellung der Laservorrichtung von Fig. 6 längs einer Linie V-V,
Fig. 8 ein Diagramm mit einer perspektivischen Darstellung einer Halbleiter-Laservorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 9 eine Schnittdarstellung der Laservorrichtung von Fig. 8 längs einer Linie IX-IX,
Fig. 10 eine Schnittdarstellung einer Halbleiter-Laservorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 1 zeigt eine Mikroresonator-Halbleiter-Laservorrichtung 10 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Bezeichnung "Mikroresonator" beruht auf der Tatsache, daß die Länge L dieses Resonators kurz genug ist, um in der Größenordnung der Wellenlänge des darin oszillierenden Lichtes zu sein. Die Laservorrichtung 10 umfaßt ein halbleitendes Substrat 12 eines bestimmten Leitfähigkeitstyps. Das Substrat 12 kann eine Gallium-Arsenid- Schicht sein, die mit einem n-Typ-Fremdstoff, wie beispielsweise s, Te, oder Si mit einer Konzentration von 2 × 1018 Atomen/cm³ dotiert ist. Eine mehrlagige Struktur 20 ist auf dem Substrat 12 angeordnet, um eine Anzahl von Halbleiterschichten 21 bis 28 zu erfassen, welche mittels der üblichen metallorganischen chemischen Niederdruck-Dampfabscheidungs-(MOCVD-)Methode hergestellt sein können.
Wie aus der Fig. 2 zu ersehen ist, besteht der mehrlagige Abschnitt 20 aus einem abwechselnden Laminat von zwei Arten von Halbleiterschichten: Ersten Schichten 21, 23, 25, 27 und zweiten Schichten 22, 24, 26, 28. Die ersten Schichten 21, 23, 25, 27 können aus einem Aluminium-Gallium- Arsenid-Material, wie beispielsweise Al0,3Ga0,7As hergestellt sein; die zweiten Schichten 22, 24, 26, 28 sind aus dem gleichen Material eines verschiedenen Zusammensetzungsverhältnisses, wie beispielsweise Al0,8Ga0,2As. Diese Schichten 21 bis 28 sind mit einem p-Typ-Fremdstoff mit einer Konzentration von 2 × 10¹⁸ cm-3 dotiert. Die mehrlagige Struktur 20 selbst ist ähnlich zu einem entsprechenden Abschnitt des Lasers, welcher beschrieben ist in: "Cavity Quantum Electrodynamic & Quantum Computing" Y. Yamamoto, NTT Basic Research Laboratories, Japan, 1st International Forum on the Frontier of Telecommunications Technology, Session 3, 1989, Seiten 161-166.
Der Laser 10 umfaßt weiterhin einen Doppel-Heterostruktur- (DHS-)Abschnitt 30, der auf einer mehrlagigen Struktur 20 angeordnet ist, und weist drei gestapelte Schichten 31, 32, 33 auf. Die Zwischenschicht 32 ist eine aktive Schicht, die aus Indium-Gallium-Arsenid hergestellt ist und zwischen die obere und untere Schicht 31 bzw. 33, die aus Al0,3Ga0,7As bestehen können, geschichtet. Die aktive Schicht 32 zwingt Elektronen und Löcher dazu, miteinander zu rekombinieren. Die Schicht 32 ist zu einer gewählten Dicke gebildet, welche im wesentlichen gleich der "de Broglie"-Wellenlänge ist und beispielsweise 7 nm beträgt. Der Abschnitt 30 hat die "Quantenwannen-Struktur".
Die obere Al0,3Ga0,7As-Schicht 33 hat eine einzigartige Gestalt; sie sieht wie eine Halbkugel aus, und ihr Querschnitt gleicht einem Halbmond, wie dieser in Fig. 2 gezeigt ist. Die aktive Schicht 32 ist ein kreisförmiger Dünnfilm, der am Boden der halbkugelförmigen Schicht 33 gelegen ist.
Auf dem Doppel-Heterostruktur-(DHS-)Abschnitt 30 ist eine andere mehrlagige Struktur 40 gebildet, die aus zwei Arten von Halbleiterschichten besteht, welche abwechselnd übereinandergeschichtet sind: Erste Schichten 41, 43, 45, 47 bestehen aus Al0,3Ga0,7As, während zweite Schichten 42, 44, 46, 48 aus Al0,3Ga0,7As gebildet sind. Alle Schichten 41 bis 48 sind mit einem n-Typ-Fremdstoff mit einer Konzentration von 2 × 10¹⁸ cm-3 dotiert. Da diese Schichten 41 bis 48 auf die halbkugelförmige Schicht 33 des DHS-Abschnittes 30 gestapelt sind, hat die zweite mehrlagige Struktur 40 eine halbkugelartig vorspringende Oberseite, welche zu der halbkugelförmigen Schicht 33 ähnlich ist. Es sei bemerkt, daß die Darstellung der Fig. 1 deformiert ist, um die halbkugelförmige Gestalt des Abschnittes 30 der obersten Schicht 33 zur Verdeutlichung der Darstellung zu betonen.
Eine p-Typ-GaAs-Schicht 50 ist auf der Oberseite der Schicht 48 derart angeordnet, daß sie leicht den "Ausläufer"- Teil des halbkugelförmigen Abschnittes 52 überlappt, der auf dem DHS-Abschnitt 30 angebracht ist, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Die Konzentration der dotierenden Ladungsträger in der Schicht 50 kann 5 × 10¹⁸ cm-3 betragen. Die Schicht 50 ist mit einem metallischen Dünnfilm 54 bedeckt, der als Elektrode dient. Eine andere Elektrode 56 ist auf der Bodenfläche des Substrates 12 vorgesehen, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist.
Die ersten und zweiten mehrlagigen Abschnitte 20 und 40 bilden jeweils die "verteilten Bragg-Reflektoren", in denen die Dicke jeder darin enthaltenen Schicht einschließlich der halbkugelförmigen Schichten 41 bis 48 auf einen spezifischen Wert eingestellt wird, der im wesentlichen im optischen Abstand gleich ist zu einem Viertel der Lumineszenz-Spitzenwellenlänge λ der Quantenwanne im Vakuum, d. h. "λ/4". Es sei darauf hingewiesen, daß für die folgende Beschreibung der durch das Symbol "λ" definierte Abstand den optischen Abstand bedeutet, d. h. das Maß des Raumes, das erhalten wird, in dem die physikalische länge mit einem betreffenden wirksamen Brechungsindex multipliziert wird. Im allgemeinen kann die Dicke jeder Schicht in den Abschnitten 20, 40 jeden Wert haben, der durch Multiplizieren von λ/4 mit einer gegebenen ganzen Zahl erhalten wird, d. h. λ/4, λ/2, 3 λ/4, λ, usw.
Mit anderen Worten, die InGaAs Quantenwannen-Aktivschicht 32 liegt über der obersten Schicht 28 des ersten verteilten Bragg-Reflektors 20 in einem Abstand von λ/2. Die unterste Schicht 41 des zweiten verteilten Bragg-Reflektors 40 ist halbkugelförmig in ihrem mittleren Bereich geformt. Die kreisförmige aktive Schicht 31 liegt in einer Ebene, die die Mitte der Halbkugel enthält. Der Durchmesser der aktiven Schicht 32 ist λ/2; der Radius hiervon ist gleich demjenigen der überlagernden halbkugelförmigen Abstandsschicht 33. Schichten einer Dicke von λ/4 sind durch Kristallwachstum auf dem DHS-Abschnitt 30 in dieser Reihenfolge gebildet. Die obere Elektrode 54 hat eine kreisförmige Öffnung 58 in ihrem Mittenbereich. Der Rand der Öffnung 58 überlappt den "Ausläufer" des freiliegenden halbkugelförmigen Abschnittes 52 des zweiten Reflektors 40.
Der Betrieb des dreidimensionalen Mikroresonator-Halbleiterlasers wird im folgenden näher erläutert. Wenn der Strom extern zu den zwei entgegengesetzten Elektroden 54, 56 gespeist ist, rekombinieren injizierte Elektronen und Löcher strahlungsmäßig bei einer bestimmten Wellenlänge, die in den Bereich der Emissionsspektrum-Bandbreite fällt. Der mehrlagige Mikroresonator ist ein Resonator von hohem Reflexionsvermögen. Der optische Resonanzmodus wird in den Bragg-Reflektoren 20, 40 festgelegt. In diesem Fall kann in dem Spektrum lediglich ein einziger Modus vorliegen. Mit anderen Worten, ein Modus liegt vor, der eine Spitzenwellenlänge λG, die im wesentlichen gleich der Oszillationsspitzenwellenlänge im freien Raum ist, lediglich bei einer spezifischen Wellenlänge hat. Eine spontane Emission tritt bei der Wellenlänge λG auf. Theoretisch kann die optische Erscheinung der Anregung von "Inhibited spontaneous Emission", von Daniel Kleppner, Physical Review Letters, 1981, Seiten 233-236, folgen. In einer tatsächlichen Vorrichtung kann jedoch nicht erwartet werden, daß 100% einer spontanen Emission erfolgreich mit dem Resonanzmodus gekoppelt ist; nicht gekoppelte Komponenten treten aus der Laservorrichtung nach außen aus.
Das charakteristische Merkmal der Laservorrichtung 10 liegt darin, daß das Vorhandensein des halbkugelförmigen verteilten Bragg-Reflektors 40 das obige Problem lösen kann. Die Ursache hierfür liegt darin, daß der Reflektor 40 eine reflektierende Funktion für jede optische Komponente ausüben kann, die in irgendeiner Richtung strahlt, um so dramatisch das Kopplungsverhältnis β der spontanen Emission mit dem Schwingungsresonanzmodus zu verbessern. Mit der halbkugelförmigen Mikroresonator-Anordnung kann der Schwellenwertstrom der Laservorrichtung 10 herabgesetzt werden. Versuchsergebnisse der Erfinder haben gezeigt, daß das Kopplungsverhältnis β der Laservorrichtung 10 bis zu 10% oder mehr gesteigert werden kann, und daß der Schwellenwertstrom entsprechend abgesenkt werden kann.
Dies ist auch das charakteristische Merkmal der Laservorrichtung 10, daß die halbkugelförmige Mikroresonator-Struktur hergestellt werden kann, indem eine der gegenwärtig verfügbaren Fertigungstechniken mit hoher Produktivität eingesetzt wird. Dies führt zu der Möglichkeit der wirksamen Herstellung des Halbleiterlasers mit der einzigartig geformten Mikroresonator-Struktur bei minimiertem Risiko und niedrigen Kosten.
Im folgenden wird eine typische Herstellungsmethode der Laservorrichtung 10 beschrieben. In Fig. 3A ist eine gemischte Struktur mit dem n-Typ-GaAs-Substrat 12, dem ersten mehrlagigen Abschnitt 20 und dem DHS-Abschnitt gezeigt, welcher aus den oberen und unteren AlGaAs-Schichten 31, 33 und einer mittleren InGaAs-Schicht 32, die dazwischenliegt, besteht. Der mehrlagige Abschnitt 20 kann hergestellt werden, indem abwechselnd die ersten Schichten 21, 23, 25, 27 aus Al0,3Ga0,7As und die zweiten Schichten 22, 24, 26, 28 aus Al0,8Ga0,2As mittels einer üblichen Niederdruck-MOCVD-Methode durch Aufwachsen gebildet werden. Im DHS-Abschnitt wurden die Schichten 31, 32, 33 mittels der üblichen Kristallaufwachstechnik gebildet, wobei die Schicht 33 dicker ist als die untenliegende Schicht 31.
Wie aus der Fig. 3A zu ersehen ist, wird eine ausgebauchte Maskierungsschicht 60 auf der Abstandsschicht 33 aufgetragen. Die Maskierungsschicht 60 kann eine Siliziumdioxydschicht sein. Diese Schicht wird dann einem Formungsprozeß unterworfen, wobei eine übliche Elektronenstrahlbelichtungstechnik und eine übliche Naßätzmethode angewandt werden können, um die Schicht 60 zu veranlassen, ein halbkugelförmiges Aussehen zu besitzen, wie dies zuvor anhand der Fig. 2 beschrieben wurde.
Danach wird ein anisotroper Trockenätzprozeß mittels eines Clorin- bzw. Chlorgasplasmas durchgeführt, wobei die ausgebauchte Schicht 60 als eine Maske dient. Als Ergebnis werden die Abstandsschicht 33 und die untenliegende Aktivschicht 32 vertikal geätzt, um einen ähnlichen ausgebauchten halbkugelförmigen Abschnitt 32, 33 zu bilden, wie dies in Fig. 3B gezeigt ist. Während dieses Ätzprozesses wird auch die Maskierungsschicht 60 langsamer geätzt als die Schichten 33, 32 geätzt werden. Während eines "Schrumpfens" der Maskierungsschicht 60 aufgrund eines derartigen Ätzens, kann die Schicht 33 lokal geätzt werden, was deren zentralen Teil zurückbleiben läßt, wobei eine bearbeitete Oberfläche gemäß der gegenwärtig zurückbleibenden Dicke der Maskierungsschicht 60 geglättet wird. Die unten liegende Schicht 31 liegt so in ihrem bearbeiteten Oberseitenbereich frei, der um die ausgebauchten Abschnitte 32, 33 gelegen ist. Nunmehr wird der halbkugelförmige DHS-Abschnitt 30 von Fig. 2 erhalten.
Bei Bedarf können Protonenteilchen durch Sputtern in die mehrlagige Struktur von Fig. 3A injiziert werden, bevor der anisotrope Trockenätzprozeß durchgeführt wird. Die Injektionsintensität muß hoch genug sein, damit die injizierten Protonen die unten liegende Abstandsschicht 31 erreichen. Mit einer derartigen Zusatzbehandlung kann der mit Protonen injizierte Bereich als ein Hochwiderstandsabschnitt dienen, der wirksamer als sonst eine Injektion von Strom in die aktive Schicht 32 erleichtern wird.
Dann werden, wie in Fig. 3C gezeigt ist, die Schichten 41-48 von Fig. 2 sequentiell in dieser Reihenfolge abgeschieden bzw. aufgetragen. Die sich ergebende zusammengesetzte Struktur bildet den in den Fig. 1 oder 2 gezeigten mehrlagigen Bragg-Reflektorabschnitt 40, wobei die Al0,3Ga0,7As-Schichten 41, 43, 45, 47 und Al0,8Ga0,2As-Schichten 42, 44, 46, 48 abwechselnd aufeinandergestapelt sind. Die GaAs-Kontaktschicht 50 wird dann einheitlich auf der obersten Schicht 48 gebildet. Eine übliche Niederdruck-MOCVD-Technik kann verwendet werden, um die obigen Strukturen 40, 50 zu erzeugen. Da Dünnschichten sequentiell auf die ausgebauchten Schichten 32, 33 geschichtet sind, wird die halbkugelförmige Gestalt auf der Oberseite der Schicht 50 beibehalten; der sich ergebende ausgebauchte Abschnitt in der Schicht 50 gleicht in der Gestalt einer Schicht 33a. Nach Auftragen der Elektroden 54, 56 werden die Schicht 50 und die Elektrode 54 teilweise mittels einer üblichen Fotolitographie- und Auftragtechnik geätzt, um die Laserstruktur der Fig. 1 oder 2 zu erzielen.
Es sei bemerkt, daß beim vorliegenden Laser 10 die Gestalt der Quantenwannen-Aktivschicht 32 und des Bragg- Reflektors 40 sowie die Lagebeziehung dazwischen abgewandelt werden können, wenn eine praktische Ausführung vorgenommen wird. Als ein Beispiel können eine Vielzahl von Paaren von Hoch-Brechungsindex-Schichten und Nieder- Brechungsindex-Schichten mit jeweils der Dicke von λ/4 dem Bragg-Reflektor 40 beigefügt werden. Der Abstand zwischen der aktiven Schicht 32 und dem Reflektor 40 kann durch jeden mit einer gegebenen ganzen Zahl multiplizierten Wert von λ geändert werden. Die Abstandsschichten 31, 33 können derart abgewandelt werden, daß deren verbotenes Band graduell gemäß der Zunahme im Abstand von der aktiven Schicht 32 größer wird, um so eine "GRINSCH"- Struktur zu erhalten.
Eine mögliche Abwandlung ist in Fig. 4 gezeigt, wobei eine Laservorrichtung 70 von dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel insoweit verschieden ist, als die Quantenwannen-Aktivschicht 32 und der Bragg-Reflektor 40 in einer Halbsäulengestalt anstelle der in der Fig. 1 dargestellten halbkugelförmigen Gestalt angeordnet sind. Das heißt, wie aus der Fig. 5 zu ersehen ist, hat die obere, mehrlagige Bragg-Reflektorstruktur 40a eine zu der in Fig. 2 gezeigten Struktur ähnliche Querschnittsstruktur; deren Gesamtaussehen gleicht einer Halbsäule auf der Oberseite hiervon, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist.
Die obere Abstandsschicht 33a des DHS-Abschnitts 30a hat eine halbsäulenartige Gestalt. Dünne Schichten 41a, 42a, . . . 48a sind sequentiell auf die Schicht 33a derart gestapelt, daß sie die gekrümmte Oberflächenkonfiguration übernehmen. Die aktive Schicht 32a liegt in der Ebene, die das Zentrum der halbsäulenartigen Querschnittsgestalt enthält, und ist in der Dicke gleich wie diejenige im Ausführungsbeispiel von Fig. 2. Die aktive Schicht 32a kann in der Breite schmaler sein, um sich linear entlang der Längsrichtung der Laservorrichtung 70 zu erstrecken. Mit der Laservorrichtung 70 der Fig. 4 und 5 können die gleichen Vorteile wie mit der Laservorrichtung 10 erreicht werden.
Eine andere Mikroresonator-Halbleiter-Laservorrichtung 80 ist in Fig. 6 gezeigt, wobei eine dreieckförmige pyramidengeformte Bragg-Reflektorstruktur für den oberen mehrlagigen Abschnitt von n-Typ-Leitfähigkeit verwendet wird. Der Hauptquerschnitt der Laservorrichtung 80 ist in Fig. 7 gezeigt. Diese Laservorrichtung 80 ist ähnlich zu den zuvor beschriebenen Laservorrichtungen 10, 70 insoweit, als deren unterer Reflektor 20 eine Vielzahl von flachen dünnen Schichten 21 bis 28 umfaßt, die sequentiell auf das Substrat 12 geschichtet sind. Die Laservorrichtung 80 unterscheidet sich von diesen dadurch, daß ein Doppelheterostruktur-(DHS-)Abschnitt 90 eine dreieckförmige, pyramidenähnliche aktive Schicht umfaßt, die zwischen Abstandsschichten 91, 93 geschichtet ist. Diese Abstandsschichten können aus Al0,3Ga0,7As hergestellt sein. Die untere, flache Abstandsschicht 91 hat eine flache Oberseite um die aktive Schicht 92 herum, auf der ein Siliziumdioxid-Dünnfilm 94 angeordnet ist, wie dies aus der Fig. 7 zu ersehen ist.
Ein zweiter p-Typ-Bragg-Reflektorstrukturabschnitt 100 ist auf der dreieckförmigen, pyramidenähnlichen Abstandsschicht 93 derart angeordnet, daß Al0,8Ga0,2As-Schichten 101, 103, 105 und Al0,3Ga0,7As-Schichten 102, 104, 106 abwechselnd geschichtet sind. Jede Schicht hat eine Dicke von λ/4. Eine Leiterschicht 110 ist als eine Elektrode auf der obersten Schicht 106 mit einer dreieckförmigen Öffnung 112 angeordnet, die leicht den "Ausläufer"-Teil des freiliegenden pyramidenähnlichen Teiles der Schicht 106 überdeckt, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist.
Die Laservorrichtung 80 kann mittels einer der gegenwärtig verfügbaren Kristallwachstumstechniken hergestellt werden. In einem derartigen Fall bewirkt das Vorliegen einer Abhängigkeit von der Kristallwachstumsrichtung ein Definieren der pyramidenähnlichen Struktur des Bragg-Reflektors 100. Wenn die Kristallfläche auf der Oberseite der flachen Abstandsschicht 91 durch [111] gegeben ist, sind die sich ergebenden Kristallflächen der drei geneigten bzw. schrägen Oberflächen der Pyramidenstruktur gegeben durch [110], [011] und [101]. Somit zeigt diese pyramidenähnliche Struktur die Tetraeder-Symmetrie.
Mit anderen Worten, nachdem die flache Abstandsschicht 91 mittels der MOCVD-Methode gebildet ist, wird der Siliziumdioxid- Dünnfilm 94 aufgetragen. Dieser Film 94 wird sodann einem Musterbildungsprozeß unterworfen, um eine Öffnung zu bilden, die in der Gestalt im wesentlichen der dreieckförmigen Bodenfläche der pyramidenähnlichen aktiven Schicht 92 entspricht. Diese dreieckförmige Öffnung hat drei Rand- bzw. Kantenlinien, die in der Länge gleich zueinander sind. Jede Kante kann 0,1 µm betragen. Ein selektives Kristallwachstum wird ausgeführt, wobei die gemusterte Siliziumdioxidschicht 94 als eine Maske dient; als Ergebnis werden die Schichten 93, 101 bis 106 einer gleichförmigen Dicke in dieser Reihenfolge gestapelt. Die selektive Kristallwachstumstechnik ist insbesondere in T. Fukui u. a., "Extended Abstract of the 22nd International Conference on Solid state devices and Material," Sendai, Japan (1990), Seiten 99 bis 102, beschrieben. In der sich ergebenden Laservorrichtung wirkt der Siliziumdioxid-Dünnfilm 94 als eine Stromsperrschicht.
Eine andere Laservorrichtung 120 ist in Fig. 8 gezeigt, wobei diese Laservorrichtung 120 eine dreieckförmige, prismageformte mehrlagige Struktur als seinen oberen Bragg-Reflektor 150 von einer n-Typ-Leitfähigkeit verwendet. Der Hauptquerschnitt der Laservorrichtung 120 ist in Fig. 9 gezeigt. Die Laservorrichtung 120 gleicht derjenigen der Fig. 6 und 7 in bezug auf den unteren Bragg-Reflektor 20, der aus einer gegebenen Anzahl von flachen Dünnfilmen 21 bis 28 besteht.
Das charakteristische Merkmal der Laservorrichtung 120 liegt darin, daß ein Doppelheterostruktur-(DHS-)Abschnitt 140 die dreieckförmige prismaähnliche Gestalt hat, deren perspektivische Darstellung aus der Fig. 8 zu ersehen ist. Dieser dreieckförmige, prismaähnliche Abschnitt 140 kann aus einem Laminat von drei Schichten 141, 142, 143 bestehen, die aus ähnlichen Materialien wie die Schichten in den Ausführungsbeispielen der Laservorrichtungen 10, 70, 80 hergestellt sind. Die Schicht 141 ist eine untere Abstandsschicht, die ein mesaförmiges Profil besitzt und in einer länglichen, rechteckförmigen Öffnung eines Siliziumdioxid-Dünnfilmes 146 auf der Schicht 28 angeordnet ist. Die Schicht 142 ist eine InGaAs-Aktivschicht. Die Schicht 143 ist eine obere Abstandsschicht, die ein dreieckförmiges Profil hat und aus dem gleichen Material wie die Schicht 141 hergestellt ist.
Wie aus der Fig. 9 zu ersehen ist, sind Al0,8Ga0,2As- Schichten 151, 153, 155, 157 und Al0,3Ga0,7As-Schichten 152, 154, 156, 158 abwechselnd auf den dreieckförmigen prismaähnlichen DHS-Abschnitt 140 gestapelt. Eine Leiterschicht 160 ist auf der Siliziumdioxid-Schicht 146 angeordnet, um den "Ausläufer"-Teil der Schicht 158 zu bedecken, wie dies in der Fig. 8 oder 9 gezeigt ist; die Fig. 8 zeigt in mehr Einzelheiten das Aussehen der Schicht 160.
Die dreieckförmige prismaähnliche Mikroresonator-Laservorrichtung 120 kann erfolgreich mittels einer der gegenwärtig verfügbaren, selektiven Kristallwachstumstechniken hergestellt werden. Vorzugsweise ist das Substrat 12 eine Gallium- Arsenid-Schicht mit einer Oberseite, deren Kristallfläche durch (001) gegeben ist. Eine Siliziumdioxid-Maskierschicht 146 ist auf dem Substrat 12 gebildet. Die Schicht 146 wird sodann gemustert, um darin eine streifenförmige Öffnung zu definieren. Diese Öffnung erstreckt sich linear entlang der Kristallrichtung [110]. Die Schichten 141, 142, 143, die den DHS-Abschnitt 140 bilden, sind wahlweise derart aufgewachsen, daß sie sequentiell in der Öffnung geschichtet sind. Die selektive Kristallwachstumstechnik kann verwendet werden, welche ähnlich zu der Herstellung der Laservorrichtung 80 ausgeführt wird, welche in den Fig. 6 und 7 gezeigt ist.
Während mit der Laservorrichtung 120 das Kopplungsverhältnis β nicht soweit wie bei dem dreieckförmigen, pyramidengeformten Mikroresonator-Laser 80 der Fig. 6 und 7 verbessert werden kann, vermag der Herstellungsprozeß einfacher ausgeführt zu werden. Ein Grund hierfür liegt darin, daß selbst dann, wenn die Öffnung in der Maskierschicht 146 erweitert ist, die Breite der aktiven Schicht 142 einfach aufgrund der eigenen Gestalt der dreieckförmigen Prismastruktur vermindert werden kann.
Eine Mikroresonator-Laservorrichtung 170 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 10 gezeigt, wobei hier Al0,8Ga0,2As-Schichten 21, 23, 25, 27, 29 und Al0,3Ga0,7As-Schichten 22, 24, 26, 28 abwechselnd auf das Substrat 12 in ähnlicher Weise wie bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen gestapelt sind. Ein Doppelheterostruktur-(DHS-)Abschnitt 172 umfaßt eine ausgebauchte n-Typ-Abstandsschicht 174, die auf einer Siliziumdioxid-Maskierschicht 146 angeordnet ist, eine InGaAs-Aktivschicht 176, eine p-Typ-Abstandsschicht 177 und eine leitende Dünnfilmschicht 178, die aus einem vorgewählten Metall hergestellt ist. Die Dicke der Abstandsschicht 177 kann von λ/4 bis λ/5 betragen. Die Schicht 178 ist eine Reflexionsschicht, welche auch als eine obere Elektrode für die Laservorrichtung 170 wirkt.
Eine gewöhnliche doppellagige Struktur einer AuZn-Schicht und einer Au-Schicht (AuZn/Au) kann für die Metall-Reflexionsschicht 178 verwendet werden. Zum Ausschließen jeglicher Verrringereung im Reflexionsverhältnis zwischen der Schicht 178 und der unten liegenden InGaAs-Schicht 177 ist es empfehlenswert, daß die Schicht 178 aus einem anderen Material, das keine Zinkkomponente enthält, wie beispielsweise Ag/Au, Ti/Pt/Au oder dgl. hergestellt wird. Die Schicht 56 hat eine Öffnung 180 zur Emission von Ausgangslicht. Auch mit einer derartigen Struktur kann das Kopplungsverhältnis der spontanen Emission mit dem Schwingungsresonanzmodus aufgrund des Vorhandenseins des vorspringenden Teiles in dem DHS-Abschnitt gesteigert werden. Dies erlaubt eine extra niedrige Schwellenwertstromschwingung. Zusätzlich ist dieses Ausführungsbeispiel den obigen Beispielen in seiner einfachen Struktur überlegen.
Während bei den obigen Ausführungsbeispielen ein n-Typ- Substrat verwendet wird, kann stattdessen auch ein p-Typ- Substrat vorgesehen sein. In diesem Fall sollten die Leitfähigkeitstypen der verbleibenden Abschnitte in jedem Ausführungsbeispiel in üblicher Weise umgekehrt werden. Die bei den obigen Ausführungsbeispielen vorgesehenen, auf GaAlAs beruhenden Materialien können durch ähnliche Halbleitermaterialien, wie beispielsweise InGaAlAs, InAlGaP, InGaAsP oder dgl. ersetzt werden.

Claims (6)

1. Oberflächenemittierende Halbleiter-Laservorrichtung (10, 70, 80, 120, 170) mit
  • - einem halbleitenden Substrat (12),
  • - einem Doppelheterostrukturabschnitt (30, 30a, 90, 140, 172) einschließlich einer Zwischenaktivschicht (32, 32a, 92, 142, 176), die zwischen eine erste oder untere Überzugsschicht (31, 91, 141, 174) und eine zweite oder obere Überzugsschicht (33, 33a, 93, 143, 178) über dem Substrat geschichtet ist,
  • - einem ersten mehrlagigen Bragg-Reflektorabschnitt (20), der zwischen dem Substrat (12) und dem Doppelheteroabschnitt angeordnet ist, und ein Reflexionsvermögen aufweist, das nahe bzw. bei der Schwingungswellenlänge der Laservorrichtung maximal ist, und
  • - einer weiteren optischen Bragg-Reflektoreinrichtung (40, 40a, 100, 150),
dadurch gekennzeichnet, daß die weitere optische Reflektoreinrichtung (40, 40a, 100, 150) abweichend von einer ebenen Struktur raäumlich so ausgestattet ist, daß auch Licht, welches außerhalb der Längsachse des Schichtaufbaus in einer Vielzahl von Richtungen aus der aktiven Schicht austritt, von dieser Reflektoreinrichtung reflektiert wird, wodurch die Kopplung der spontanen Emission mit dem Schwingungsmodus des Lasers verbessert ist.
2. Halbleiter-Laservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Überzugsschicht eine halbleitende Schicht (33, 33a, 93, 143) aufweist, die teilweise vorspringt und daß die weitere optische Reflektoreinrichtung einen zweiten mehrlagigen Reflektorabschnitt (40, 40a, 90, 150) aufweist, der die vorspringende Schicht bedeckt und ein Reflexionsvermögen hat, das nahe bzw. bei der Schwingungswellenlänge der Laservorrichtung maximal ist.
3. Halbleiter-Laservorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite mehrlagige Reflektorabschnitt (40, 40a, 90, 150) erste Halbleiterschichten (41, 43, 45, 47; 41a, 43a, 45a, 47a; 101, 103, 105; 151, 153, 155, 157) und zweite Halbleiterschichten (42, 44, 46, 48; 42a, 44a, 46a, 48a; 102, 104, 106; 152, 154, 156, 158) aufweist, die im Brechungsindex voneinander verschieden sind und abwechselnd aufeinandergestapelt sind.
4. Halbleiter-Laservorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Halbleiterschichten eine gleichförmige optische Dicke von einem Viertel der Schwingungswellenlänge der Laservorrichtung oder einem gegebenen ganzzahligen Vielfachen hiervon hat.
5. Halbleiter-Laservorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten mehrlagigen Reflektorabschnitte aus einem halbleitenden Material hergestellt sind, das im Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt zueinander ist.
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