DE60222724T2

DE60222724T2 - Halbleiterlaserelement

Info

Publication number: DE60222724T2
Application number: DE60222724T
Authority: DE
Inventors: Mitsuhiro Kashihara-shi Matsumoto
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2001-06-15
Filing date: 2002-06-14
Publication date: 2008-07-24
Anticipated expiration: 2022-06-15
Also published as: KR100486470B1; CN1402395A; JP2002374040A; US20030016712A1; US6865202B2; KR20020096917A; DE60222724D1; EP1283574A2; EP1283574B1; TW544985B; EP1283574A3; CN1204666C

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterlaserelement.
Herkömmlich gab es ein Halbleiterlaserelement, wie in 10 gezeigt (siehe japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. HEI 9-199790 ). Dieses Halbleiterlaserelement ist ein Halbleiterlaserelement von einem effektiven Brechungsindex-Wellenleitertyp. Auf einem GaAs-Substrat 501 vom n-Typ sind eine GaAs-Pufferschicht 502 vom n-Typ, eine erste AlGaAs-Mantelschicht 503 vom n-Typ, eine aktive Quantenquellenschicht 504, eine zweite AlGaAs-Mantelschicht 505 vom p-Typ, eine GaAs-Ätzstoppschicht 506 vom p-Typ, eine dritte AlGaAs-Mantelschicht 507 vom p-Typ und eine GaAs-Kappenschicht 508 vom p-Typ vorgesehen. Die dritte AlGaAs-Mantelschicht 507 vom p-Typ und die GaAs-Kappenschicht 508 vom p-Typ sind in einer rippenartigen Form ausgebildet, um einen Rippenabschnitt 513 zu bilden. Eine AlGaAs-Strom-/Licht-Einschlussschicht 509 vom n-Typ, eine GaAs-Stromeinschlussschicht 510 vom n-Typ und eine GaAs-Abflachungsschicht 511 vom p-Typ sind auf beide Seiten in der Breitenrichtung dieses Rippenabschnitts 513 auf die Ätzstoppschicht 506 laminiert. Eine GaAs-Kontaktschicht 512 vom p-Typ ist auf der Kappenschicht 508, Endoberflächen der Strom-/Licht-Einschlussschicht 509 und der Stromeinschlussschicht 510 und der Abflachungsschicht 511 ausgebildet. Eine Elektrode 514 vom p-Typ ist auf der Kontaktschicht vom p-Typ angeordnet und eine Elektrode 515 vom n-Typ ist auf der unteren Oberfläche des GaAs-Substrats vom n-Typ angeordnet. Dieses Halbleiterlaserelement ist an einem Baustein angebracht und wird als Lichtquelle für eine Vorrichtung für optische Platten verwendet.
Das vorstehend erwähnte Halbleiterlaserelement wird folgendermaßen hergestellt. Das heißt, wie in 11A gezeigt, werden die GaAs-Pufferschicht 502 vom n-Typ, die erste Mantelschicht 503 vom n-Typ, die nicht dotierte aktive Mehrfachquantenquellen-Schicht (MQW-Schicht) 504, die zweite Mantelschicht 505 vom p-Typ, die GaAs-Ätzstoppschicht 506 vom p-Typ und die dritte Mantelschicht 507 vom p-Typ und die GaAs-Kappenschicht 508 vom p-Typ nach einander epitaxial auf dem GaAs-Substrat 501 vom n-Typ durch ein erstmaliges metallorganisches chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren (nachstehend als MOCVD-Verfahren bezeichnet) aufwachsen lassen.
Als nächstes wird eine streifenförmige Resistmaske, die in der [011]-Richtung gerichtet ist, auf der Kappenschicht 508 ausgebildet. Ein Teil der Kappenschicht 508 und ein Teil der dritten Mantelschicht 507 werden zur Ätzstoppschicht 506 geätzt, was einen Rippenabschnitt 513 bildet, der eine Breite von 2,5 μm aufweist und sich in der [011]-Richtung erstreckt (11B).
Nachdem die Resistmaske auf der Kappenschicht 508 entfernt ist, werden die AlGaAs-Strom-/Licht-Einschlussschicht 509 vom n-Typ, die GaAs-Stromeinschlussschicht 510 vom n-Typ und die GaAs-Abflachungsschicht 511 vom p-Typ nacheinander auf den Rippenabschnitt 513 und die Ätzstoppschicht 506 durch ein zweitmaliges MOCVD-Verfahren laminiert (11C).
Eine Resistmaske wird auf beiden Seiten in der Breitenrichtung der Abflachungsschicht 511 angeordnet und ein Abschnitt, der zur Strom-/Licht-Einschlussschicht 509, zur Stromeinschlussschicht 510 und zur GaAs-Abflachungsschicht 511 gehört und über dem Rippenabschnitt 513 liegt, wird durch Ätzen entfernt (11D).
Die Resistmaske auf der Abflachungsschicht 511 wird entfernt. Durch ein drittmaliges MOCVD-Verfahren wird eine GaAs-Kontaktschicht 512 vom p-Typ auf der Kappenschicht 508, den Endoberflächen der Strom-/Licht-Einschlussschicht 509 und der Stromeinschlussschicht 510 und auf der Abflachungsschicht 511 ausgebildet (11E).
Nach dem Anordnen der Elektrode 514 vom p-Typ auf der Oberfläche der Kontaktschicht 512 und dem Anordnen der Elektrode 515 vom n-Typ auf der unteren Oberfläche des Substrats 501 wird eine Spaltung ausgeführt, so dass die zur Ebene der Platte von 11E senkrechte Richtung zur Richtung einer vorgegebenen Resonatorlänge wird, wobei ein Halbleiterlaserelement fertig gestellt wird.
Wenn eine Vorspannung in Durchlassrichtung an das vorstehend erwähnte Halbleiterlaserelement angelegt wird, dann fließt ein Strom innerhalb des Rip penabschnitts 513 und ein Träger wird in einen Mittelabschnitt in der Breitenrichtung der aktiven Quantenquellenschicht 504 entsprechend diesem Rippenabschnitt 513 injiziert, was eine Laseroszillation verursacht. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Vorspannung in Sperrrichtung an eine Grenzfläche zwischen der Strom-/Licht-Einschlussschicht 590 und der Ätzstoppschicht 506 außerhalb des Rippenabschnitts 513 angelegt und daher fließt fast kein Strom außerhalb des Rippenabschnitts 513.
Gemäß dem vorstehend erwähnten Halbleiterlaserelement wird veranlasst, dass die Ätzstoppschicht 506 kaum oxidiert wird, indem die Ätzstoppschicht 506 auf der zweiten GaAs-Mantelschicht 505 vom p-Typ aus GaAs vom p-Typ ausgebildet wird, das ein Al-Zusammensetzungsverhältnis aufweist, das kleiner ist als jenes der zweiten Mantelschicht 505. Die Strom-/Licht-Einschlussschicht 509 wird durch Aufwachsen von AlGaAs eines Kristalls mit hoher Qualität auf diese Ätzstoppschicht 506 ausgebildet. Mit dieser Anordnung werden eine Photoabsorption und ein Kriechstrom in der Strom-/Licht-Einschlussschicht 509 eingeschränkt, um die Laseroszillationscharakteristik des Halbleiterlaserelements zufrieden stellend zu machen. Wie vorstehend beschrieben, bewirkt das Halbleiterlaserelement eine Impulsoszillation mit hohem Ausgang, so dass es als Lichtquelle einer Vorrichtung für optische Platten verwendet wird, die eine hohe Schreibgeschwindigkeit aufweist.
Das vorstehend erwähnte Halbleiterlaserelement hat jedoch das Problem, dass die Anstiegszeit und die Abfallzeit des Ausgangssignals vergleichsweise lang werden und die Impulswellenform dumpf wird, wenn die Impulsoszillation mit hohem Ausgangssignal bewirkt wird. Diese Dumpfheit der Impulswellenform verschlechtert die Qualität eines auf eine optische Platte zu schreibenden Signals, was einen Lesefehler beim Lesen des auf die optische Platte geschriebenen Signals verursacht. Dies wird den folgenden Faktoren zugeschrieben.
Das heißt, die Geschwindigkeit des Anstiegs und Abfalls des Ausgangssignals während der Impulsoszillation eines Halbleiterlaserelements, wie in 10 gezeigt, d. h. die Impulsantwortgeschwindigkeit, ist durch den internen Widerstand des Rippenabschnitts 513 und die Kapazität des Äußeren des Rippenabschnitts 513 definiert. Wenn der Wert eines Produkts des Widerstandswerts und des Kapazitätswerts verringert wird, dann wird die vorstehend erwähnte Antwortgeschwindigkeit erhöht. Der interne Widerstand des Rippenabschnitts 513 kann durch Erhöhen der Trägerdichte in der dritten Mantelschicht 507 verringert werden. Überdies kann die Kapazität des Äußeren des Rippenabschnitts 513 durch Erweitern der Breite der Verarmungsschicht, die in der Grenzfläche zwischen der Strom-/Licht-Einschlussschicht 509 und der Ätzstoppschicht 506 erzeugt wird, wenn eine Vorspannung angelegt wird, verringert werden.
12A und 12B sind Energiebanddiagramme der Strom-/Licht-Einschlussschicht 509 außerhalb des Rippenabschnitts 513, der Ätzstoppschicht 506 und der zweiten Mantelschicht 505. 12A zeigt das Energiebanddiagramm, wenn keine Vorspannung angelegt wird, während 12B das Energiebanddiagramm zeigt, wenn eine Vorspannung angelegt wird. Der Energiebandabstand der Ätzstoppschicht 506 ist kleiner als der Energiebandabstand der zweiten Mantelschicht 505. Wenn die Vorspannung null ist, wie in 12A gezeigt, werden daher Träger (Löcher) in der Ätzstoppschicht 506 angesammelt. Wenn andererseits die Vorspannung angelegt wird, wird eine Verarmungsschicht von der Grenzfläche zwischen der Ätzstoppschicht 506 und der Strom-/Licht-Einschlussschicht 509 gebildet. Da jedoch die Löcher, die in der Ätzstoppschicht 506 vom p-Typ angesammelt werden, nicht extrahiert werden, breitet sich die Verarmungsschicht kaum zur zweiten Mantelschicht 505 vom p-Typ aus, wie in 12B gezeigt, und die Breite der Verarmungsschicht wird verschmälert. Folglich nimmt die Kapazität des Äußeren des Rippenabschnitts 513 zu, so dass die Antwortgeschwindigkeit verlangsamt wird. Folglich dauert es viel Zeit für den Anstieg und Abfall des Ausgangssignals während der Impulsoszillation und die Impulswellenform wird dumpf. Dies verringert die Qualität des Schreibsignals der Vorrichtung für optische Platten, die dieses Halbleiterlaserelement verwendet.
US 6 055 255 bezieht sich auf eine Halbleiterlaservorrichtung mit hoher Ausgangsleistung, die einen sättigungsfähigen Absorber verwendet, um ein eigenständiges Pulsierungsphänomen zum Erhalten einer ausreichend niedrigen Rauschcharakteristik zu induzieren, und auf ein Verfahren zur Herstellung derselben. Eine Stromsperrstruktur mit einem gestreiften konkaven Abschnitt darin, die auf einer geschichteten Struktur ausgebildet ist, umfasst mindestens eine sättigungsfähige Absorptionsschicht mit einer verbotenen Bandbreite, die im Wesentlichen gleich einer verbotenen Bandbreite der aktiven Schicht ist.
EP 1 087 480 offenbart eine Halbleiterlaservorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung derselben, um eine Halbleiterlaservorrichtung zu schaffen, die in der Lage ist, die Verringerung eines horizontalen Divergenzwinkels eines Laserstrahls zu unterdrücken und den horizontalen Divergenzwinkel des Laserstrahls leicht einzustellen, auch wenn das Ausgangssignal des Laserstrahls zunimmt.
JP 06196820 beschreibt einen Halbleiterlaser und die Herstellung davon, wobei der Halbleiterlaser zum Aufrechtehrhalten einer Basisbetriebsart leicht in der Lage ist, selbst wenn die Breite einer aktiven Schicht verbreitert wird, um eine Ausgangsleistung zu erhöhen, ohne überhaupt eine Schicht zu verwenden, die Al enthält. Daher wird eine seitliche Brechungsindexdifferenz zwischen einem Mesabereich und einem Umgebungsbereich aufrechterhalten, wobei der Mesabereich einen geringfügig größeren Brechungsindex aufweist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Folglich besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Halbleiterlaserelement zu schaffen, das eine kleine Kapazität außerhalb des Rippenabschnitts und eine hohe Antwortgeschwindigkeit aufweist und eine Impulsoszillation mit einer zufrieden stellenden Impulswellenform bewirken kann.
Die Erfindung schafft ein Halbleiterlaserelement gemäß dem unabhängigen Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine bevorzugte Ausführungsform schafft ein Halbleiterlaserelement, in dem mindestens eine erste Mantelschicht vom ersten Leitungstyp, eine aktive Schicht, eine zweite Mantelschicht vom zweiten Leitungstyp, eine Atzstoppschicht vom zweiten Leitungstyp, die einen Energiebandabstand aufweist, der kleiner ist als jener der zweiten Mantelschicht, eine rippenförmige dritte Mantelschicht vom zweiten Leitungstyp und eine Strom-/Licht-Einschlussschicht vom ersten Leitungstyp, die auf beiden Seiten in einer Breitenrichtung der dritten Mantelschicht angeordnet ist und einen Brechungsindex aufweist, der kleiner ist als ein Brechungsindex der zweiten Mantelschicht, auf einem Halbleitersubstrat vorgesehen sind, wobei das Halbleiterlaserelement umfasst: eine Abstandshalterschicht vom zweiten Leitungstyp oder eine intrinsische Abstandshalterschicht, die in Kontakt mit der Ätzstoppschicht zwischen der Ätzstoppschicht und der Strom-/Licht-Einschlussschicht angeordnet ist.
Gemäß der vorstehend erwähnten Konstruktion wird, wenn eine Vorspannung an das Halbleiterlaserelement angelegt wird, eine Verarmungsschicht in einer Grenzfläche zwischen der Abstandshalterschicht vom zweiten Leitungstyp oder der intrinsischen Abstandshalterschicht und der Strom-/Licht-Einschlussschicht vom ersten Leitungstyp erzeugt und diese Verarmungsschicht breitet sich in diese Abstandshalterschicht aus. Daher wird die Verarmungsschicht in einem Bereich gebildet, der breiter ist als jener des herkömmlichen Halbleiterlaserelements, in dem der Verarmungsschicht-Bildungsbereich durch den Träger der Ätzstoppschicht verschmälert wurde. Mit dieser Anordnung wird eine Kapazität zwischen der Abstandshalterschicht und der Strom-/Licht-Einschlussschicht verringert und die Antwortgeschwindigkeit während der Impulsoszillation des Halbleiterlaserelements wird erhöht. Daher werden die Anstiegszeit und der Abfall des Ausgangssignals des Halbleiterlaserelements verkürzt und die Impulswellenform wird zufrieden stellend. Folglich kann ein Halbleiterlaserelement, dessen Schreibgeschwindigkeit schnell ist und das für die Lichtquelle einer Vorrichtung für optische Platten mit hoher Geschwindigkeit geeignet ist, geschaffen werden.
In dem Halbleiterlaserelement der Erfindung weist die Strom-/Licht-Einschlussschicht in einem Grenzflächenabschnitt davon in Bezug auf die Abstandshalterschicht eine Trägerdichte auf, die niedriger ist als jene des anderen Abschnitts.
Gemäß der Erfindung, in der die Strom-/Licht-Einschlussschicht in einem Grenzflächenabschnitt davon in Bezug auf die Abstandshalterschicht eine Trägerdichte aufweist, die niedriger ist als jene des anderen Abschnitts, wird daher die Verarmungsschicht auch im Grenzflächenabschnitt der Strom-/Licht-Einschlussschicht gebildet, wenn die Vorspannung angelegt wird. Daher wird die Übergangskapazität zwischen der Abstandshalterschicht und der Strom-/Licht-Einschlussschicht wirksam verringert und dies ermöglicht, dass die Impulsantwortgeschwindigkeit des Halbleiterlaserelements erhöht wird.
Im Halbleiterlaserelement einer Ausführungsform ist der Brechungsindex der Abstandshalterschicht gleich dem oder kleiner als der Brechungsindex der zweiten Mantelschicht.
Gemäß der vorstehend erwähnten Ausführungsform, in der der Brechungsindex der Abstandshalterschicht gleich dem oder kleiner als der Brechungsindex der zweiten Mantelschicht ist, wird daher Laserlicht von der aktiven Schicht wirksam in den vorgegebenen Bereich eingeschlossen, was eine zufrieden stellende Lichteinschlussfunktion schafft. Daher wird die Lichtausbeute des Halbleiterlaserelements verbessert.
In dem Halbleiterlaserelement einer Ausführungsform weist die Abstandshalterschicht eine Trägerdichte auf, die niedriger ist als die Trägerdichte der zweiten Mantelschicht.
Gemäß der vorstehend erwähnten Ausführungsform, in der die Trägerdichte der Abstandshalterschicht niedriger ist als die Trägerdichte der zweiten Mantelschicht, wird daher die Verarmungsschicht effektiv gebildet, wenn die Vorspannung angelegt wird. Daher wird die Kapazität zwischen dieser Abstandshalterschicht und der Strom-/Licht-Einschlussschicht verringert und dies ermöglicht das Schaffen des Halbleiterlaserelements, dessen Antwortgeschwindigkeit während der Impulsoszillation schnell ist.
In dem Halbleiterlaserelement einer Ausführungsform ist die Trägerdichte der Abstandshalterschicht nicht höher als 1 × 10¹⁸ cm^–3.
Gemäß der vorstehend erwähnten Ausführungsform, in der die Trägerdichte der Abstandshalterschicht nicht höher ist als 1 × 10¹⁸ cm^–3, wird die Verarmungsschicht daher in dieser Abstandshalterschicht zweckmäßig gebildet, wenn die Vorspannung angelegt wird. Mit dieser Anordnung wird die Kapazität zwischen der Abstandshalterschicht und der Strom-/Licht-Einschlussschicht verringert und dies erhöht die Antwortgeschwindigkeit während der Impulsoszillation. Wenn die Trägerdichte höher ist als 1 × 10¹⁸ cm^–3, dann wird der Verarmungsschicht-Bildungsbereich verringert, wenn die Vorspannung angelegt wird, und die Kapazität zwischen der Abstandshalterschicht und der Strom-/Licht-Einschlussschicht wird erhöht, was die Antwortgeschwindigkeit während der Impulsoszillation verringert.
Im Halbleiterlaserelement einer Ausführungsform besitzt die Strom-/Licht-Einschlussschicht in einem Grenzflächenabschnitt davon in Bezug auf die Abstandshalterschicht eine Trägerdichte, die niedriger ist als jene des anderen Abschnitts.
Im Halbleiterlaserelement einer Ausführungsform ist die Trägerdichte des Grenzflächenabschnitts der Strom-/Licht-Einschlussschicht in Bezug auf die Abstandshalterschicht nicht höher als 1 × 10¹⁸ cm^–3.
Gemäß der vorstehend erwähnten Ausführungsform, in der die Trägerdichte des Grenzflächenabschnitts der Strom-/Licht-Einschlussschicht in Bezug auf die Abstandshalterschicht nicht höher ist als 1 × 10¹⁸ cm^–3 wird die Verarmungsschicht daher in diesem Grenzflächenabschnitt zweckmäßig gebildet, wenn die Vorspannung angelegt wird. Mit dieser Anordnung wird die Kapazität zwischen der Abstandshalterschicht und der Strom-/Licht-Einschlussschicht verringert und die Antwortgeschwindigkeit während der Impulsoszillation wird erhöht. Wenn die Trägerdichte höher ist als 1 × 10¹⁸ cm^–3, dann wird der Verarmungsschicht-Bildungsbereich, wenn die Vorspannung angelegt wird, verringert und die Kapazität zwischen der Abstandshalterschicht und der Strom-/Licht-Einschlussschicht wird erhöht, was die Antwortgeschwindigkeit während der Impulsoszillation verringert.
Im Halbleiterlaserelement einer Ausführungsform weist die Abstandshalterschicht eine Dicke von nicht weniger als 0,05 μm und nicht mehr als 0,5 μm auf.
Gemäß der vorstehend erwähnten Ausführungsform, in der die Abstandshalterschicht eine Dicke von nicht weniger als 0,05 μm und nicht mehr als 0,5 μm aufweist, wird die Verarmungsschicht daher im zweckmäßigen Bereich gebildet, wenn die Vorspannung angelegt wird, und die Kapazität zwischen der Abstandshalterschicht und der Strom-/Licht-Einschlussschicht wird effektiv verringert, was die Antwortgeschwindigkeit während der Impulsoszillation erhöht. Wenn die Dicke der Abstandshalterschicht kleiner ist als 0,05 μm, dann wird der Einfluss vom Träger der Ätzstoppschicht vergleichsweise erhöht und der Bereich, in dem die Verarmungsschicht gebildet wird, wenn die Vorspannung angelegt wird, wird verringert. Wenn die Dicke der Abstandshalterschicht größer ist als 0,5 μm, dann wird die Gesamtdicke der zweiten Mantelschicht und der Abstandshalterschicht vergrößert. Folglich wird eine Stromausdehnung in dieser zweiten Mantelschicht und der Abstandshalterschicht verursacht und der Strominjektionsbereich in die aktive Schicht dehnt sich aus, was die Lichtausbeute nachteilig verringert.
Im Halbleiterlaserelement einer Ausführungsform weist die Abstandshalterschicht eine Dicke von nicht weniger als 0,1 μm und nicht mehr als 0,3 μm auf.
Gemäß der vorstehend erwähnten Ausführungsform, in der die Abstandshalterschicht eine Dicke von nicht weniger als 0,1 μm und nicht mehr als 0,3 μm aufweist, wird die Verarmungsschicht daher im zweckmäßigeren Bereich gebildet, wenn die Vorspannung angelegt wird, und die Kapazität zwischen der Abstandshalterschicht und der Strom-/Licht-Einschlussschicht wird zuverlässig verringert, was die Antwortgeschwindigkeit während der Impulsoszillation erhöht. Wenn beispielsweise die Trägerdichte der Abstandshalterschicht nicht höher ist als 1 × 10¹⁸ cm^–3, dann wird die Dicke des Verarmungsschicht-Bildungsbereichs größer als 0,1 μm. Durch Festlegen der Dicke der Abstandshalterschicht größer als 0,1 μm kann daher die Verarmungsschicht in der Abstandshalterschicht gebildet werden. Durch Festlegen der Dicke kleiner als 0,3 μm wird überdies die Stromausdehnung in der zweiten Mantelschicht und der Abstandshalterschicht zuverlässig verhindert und die Ausdehnung des Strominjektionsbereichs in die aktive Schicht wird vermieden, um zu ermöglichen, dass die Lichtausbeute des Halbleiterlaserelements zufrieden stellend ist.
Im Halbleiterlaserelement einer Ausführungsform besitzt der Grenzflächenabschnitt der Strom-/Licht-Einschlussschicht in Bezug auf die Abstandshalterschicht eine Dicke von nicht weniger als 0,05 μm und nicht mehr als 0,5 μm.
Gemäß der vorstehend erwähnten Ausführungsform, in der der Grenzflächenabschnitt der Strom-/Licht-Einschlussschicht in Bezug auf die Abstandshalterschicht eine Dicke von nicht weniger als 0,5 μm und nicht mehr als 0,5 μm aufweist, wird die Verarmungsschicht, die erzeugt wird, wenn die Vorspannung angelegt wird, daher effektiv auch im Grenzflächenabschnitt der Strom-/Licht-Einschlussschicht zusätzlich zur Abstandshalterschicht gebildet. Die Übergangskapazität zwischen der Abstandshalterschicht und der Strom-/Licht-Einschlussschicht wird zuverlässig verringert und die Antwortgeschwindigkeit während der Impulsoszillation wird erhöht. Wenn die Dicke des Grenzflächenabschnitts der Strom-/Licht-Einschlussschicht in Bezug auf die Abstandshalterschicht kleiner ist als 0,05 μm, dann wird die Verarmungsschicht, die erzeugt wird, wenn die Vorspannung angelegt wird, kaum in der Strom-/Licht-Einschlussschicht gebildet und die Menge an Verringerung der Übergangskapazität ist daher verringert. Wenn die Dicke des Grenzflächenabschnitts der Strom-/Licht-Einschlussschicht größer ist als 0,5 μm, wenn die Störstellen von der Abstandshalterschicht zur Strom-/Licht-Einschlussschicht-Seite diffundieren, dann diffundieren die Störstellen in den vorstehend erwähnten Grenzflächenabschnitt, dessen Trägerdichte vergleichsweise niedrig ist, und die Stromeinschlussfunktion der Strom-/Licht-Einschlussschicht wird nachteilig verringert.
Im Halbleiterlaserelement einer Ausführungsform ist die Abstandshalterschicht mit Störstellen dotiert, die hauptsächlich Kohlenstoff enthalten.
Gemäß der vorstehend erwähnten Ausführungsform ist die Abstandshalterschicht mit Störstellen dotiert, die hauptsächlich Kohlenstoff enthalten. Der Kohlenstoff diffundiert kaum thermisch und daher diffundiert der Kohlenstoff kaum von der Abstandshalterschicht zu anderen Schichten, selbst wenn die Temperatur während des Kristallwachstums in der Abstandshalterschicht und anderen Schichten ansteigt. Daher kann die Abstandshalterschicht eine Trägerdichte mit dem gewünschten Wert erhalten. Überdies erhalten die mit der Abstandshalterschicht in Kontakt gebrachten anderen Schichten fast keinen Einfluss von der Diffusion der Störstellen und daher wird ein Halbleiterlaserelement, das zum Bewirken einer Impulsoszillation mit schneller Antwort in der Lage ist, stabil erhalten.
Im Halbleiterlaserelement einer Ausführungsform ist die mit der Abstandshalterschicht in Kontakt gebrachte Ätzstoppschicht mit Störstellen dotiert, die hauptsächlich Kohlenstoff enthalten.
Gemäß der vorstehend erwähnten Ausführungsform ist die mit der Abstandshalterschicht in Kontakt gebrachte Ätzstoppschicht mit Kohlenstoff dotiert. Der Kohlenstoff diffundiert kaum thermisch und daher diffundiert der Kohlenstoff kaum in die Abstandshalterschicht, selbst wenn die Temperatur während des Kristallwachstums ansteigt. Daher kann die Abstandshalterschicht eine Trä gerdichte mit dem gewünschten Wert erhalten und dies ermöglicht, dass das Halbleiterlaserelement, das zum Bewirken einer Impulsoszillation mit schneller Antwort in der Lage ist, stabil erhalten wird.
Im Halbleiterlaserelement einer Ausführungsform ist die zweite Mantelschicht mit Störstellen dotiert, die hauptsächlich Kohlenstoff zumindest auf der Abstandshalterschichtseite enthalten.
Gemäß der vorstehend erwähnten Ausführungsform ist die zweite Mantelschicht mit Störstellen dotiert, die hauptsächlich Kohlenstoff zumindest auf der Abstandshalterschichtseite enthalten. Der Kohlenstoff diffundiert kaum thermisch und daher diffundiert der Kohlenstoff kaum in die Abstandshalterschicht, selbst wenn die Temperatur während des Kristallwachstums ansteigt. Daher kann die Abstandshalterschicht eine Trägerdichte mit dem gewünschten Wert erhalten und dies ermöglicht, dass das Halbleiterlaserelement, das zum Bewirken einer Impulsoszillation mit schneller Antwort in der Lage ist, stabil erhalten wird.
Im Halbleiterlaserelement einer Ausführungsform ist die zweite Mantelschicht hauptsächlich mit anderen Störstellen als Kohlenstoff in ihrem Abschnitt, der mit der aktiven Schicht in Kontakt gebracht ist, dotiert.
Da der Kohlenstoff kaum aktiviert wird, ist es schwierig, die Trägerdichte sicherzustellen. Daher kann gemäß der vorstehend erwähnten Ausführungsform die Trägerdichte durch Dotieren des Abschnitts, der zur zweiten Mantelschicht gehört und mit der aktiven Schicht in Kontakt gebracht ist, hauptsächlich mit anderen Störstellen als Kohlenstoff erhöht werden und der Trägeraustritt aus der aktiven Schicht bei hoher Temperatur wird verhindert, wobei eine hohe Zuverlässigkeit erhalten wird.
Im Halbleiterlaserelement einer Ausführungsform weist die zweite Mantelschicht in ihrem Abschnitt, der mit der aktiven Schicht in Kontakt gebracht ist, eine Trägerdichte auf, die höher ist als die Trägerdichte ihres Abschnitts, die mit der Abstandshalterschicht in Kontakt gebracht ist.
Gemäß der vorstehend erwähnten Ausführungsform wird durch Erhöhen der Trägerdichte in dem Abschnitt, der zur zweiten Mantelschicht gehört und mit der aktiven Schicht in Kontakt gebracht ist, der Trägeraustritt aus der aktiven Schicht bei hoher Temperatur verhindert, wobei eine hohe Zuverlässigkeit erhalten wird. Gleichzeitig ist die Trägerdichte in dem Abschnitt, der zur zweiten Mantelschicht gehört und mit der Abstandshalterschicht in Kontakt gebracht ist, niedrig und daher diffundiert das Dotierungsmaterial der zweiten Mantelschicht kaum in den Abstandshalter. Daher kann die Abstandshalterschicht die gewünschte Trägerdichte erhalten und dies ermöglicht, dass das Halbleiterlaserelement, das zum Bewirken einer Impulsoszillation mit schneller Antwort in der Lage ist, stabil erhalten wird.
Im Halbleiterlaserelement einer Ausführungsform ist die Strom-/Licht-Einschlussschicht mit Störstellen dotiert, die hauptsächlich Silicium enthalten.
Gemäß der vorstehend erwähnten Ausführungsform ist die Strom-/Licht-Einschlussschicht mit Störstellen dotiert, die hauptsächlich Silicium enthalten. Das Silicium diffundiert kaum thermisch und daher diffundieren die Störstellen, die hauptsächlich Silicium enthalten, kaum von der Strom-/Licht-Einschlussschicht in andere Schichten, selbst wenn die Temperatur während des Kristallwachstums in der Strom-/Licht-Einschlussschicht und in anderen Schichten ansteigt. Daher kann die Strom-/Licht-Einschlussschicht eine Trägerdichte mit dem gewünschten Wert erhalten. Überdies erhalten die anderen Schichten, die mit der Strom-/Licht-Einschlussschicht in Kontakt gebracht sind, fast keinen Einfluss der Diffusion der Störstellen und daher wird ein Halbleiterlaserelement, das zum Bewirken einer Impulsoszillation mit schneller Antwort in der Lage ist, stabil erhalten.
Im Halbleiterlaserelement einer Ausführungsform enthält die Ätzstoppschicht kein Al.
Gemäß der vorstehend erwähnten Ausführungsform, in der die Ätzstoppschicht kein Al enthält, haben die Abstandshalterschicht, die als Kristall auf dieser Ätzstoppschicht gewachsen ist, und die Strom-/Licht-Einschlussschicht, die als Kristall auf dieser Abstandshalterschicht gewachsen ist, daher einen geringen Kristalldefekt. Folglich besteht ein geringer Kristalldefekt auch in der Grenzfläche zwischen der Abstandshalterschicht und der Strom-/Licht-Einschlussschicht. Daher wird die Bewegungsgeschwindigkeit des Trägers, wenn die Vorspannung angelegt wird, nicht durch den Kristalldefekt verringert und dies ermöglicht das Schaffen des Halbleiterlaserelements, dessen Antwortgeschwindigkeit während der Impulsoszillation schnell ist.
Im Halbleiterlaserelement einer Ausführungsform weist die Ätzstoppschicht eine Dicke von nicht weniger als 1 nm (10 Å) und nicht mehr als 20 nm (200 Å) auf.
Gemäß der vorstehend erwähnten Ausführungsform, in der die Ätzstoppschicht eine Dicke von nicht weniger als 1 nm (10 Å) und nicht mehr als 20 nm (200 Å) aufweist, weist die Ätzstoppschicht daher einen Quantengrößeneffekt auf und das Energieniveau des Trägers in der Ätzstoppschicht ist erhöht. Folglich hat die Ätzstoppschicht eine kleine Barriere gegen die Trägerbewegung, wenn die Vorspannung angelegt wird. Daher kann sich der Träger mit hoher Geschwindigkeit bewegen und die Antwortgeschwindigkeit während der Impulsoszillation des Halbleiterlaserelements wird schnell.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird aus der nachstehend gegebenen ausführlichen Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen vollständiger verstanden, welche nur zur Erläuterung gegeben werden und folglich die Erfindung nicht begrenzen und wobei:
1 eine Ansicht ist, die ein Halbleiterlaserelement gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2A, 2B, 2C, 2D und 2E Ansichten sind, die nacheinander die Prozesse zur Herstellung des Halbleiterlaserelements der ersten Ausführungsform zeigen;
3A ein Graph ist, der eine Ausgangswellenform zeigt, wenn das Halbleiterlaserelement der ersten Ausführungsform eine Impulsoszillation bewirkt;
3B ein Graph ist, der eine Ausgangswellenform zeigt, wenn ein herkömmliches Halbleiterlaserelement eine Impulsoszillation bewirkt;
4A ein schematisches Energiebanddiagramm außerhalb eines Rippenabschnitts ist, wenn die an das Halbleiterlaserelement angelegte Vorspannung null ist;
4B ein schematisches Energiebanddiagramm außerhalb des Rippenabschnitts ist, wenn eine vorbestimmte Vorspannung angelegt wird;
5 eine Ansicht ist, die ein Halbleiterlaserelement gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
6 eine Ansicht ist, die ein Halbleiterlaserelement gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
7A, 7B, 7C und 7D Ansichten sind, die nacheinander die Prozesse der Herstellung des Halbleiterlaserelements der dritten Ausführungsform zeigen;
8 eine Ansicht ist, die ein Halbleiterlaserelement gemäß einem Beispiel zeigt;
9A, 9B und 9C Ansichten sind, die nacheinander die Prozesse der Herstellung des Halbleiterlaserelements des Beispiels zeigen;
10 eine Ansicht ist, die das herkömmliche Halbleiterlaserelement zeigt;
11A, 11B, 11C, 11D und 11E Ansichten sind, die nacheinander die Prozesse der Herstellung des herkömmlichen Halbleiterlaserelements zeigen;
12A ein Energiebanddiagramm einer Strom-/Licht-Einschlussschicht außerhalb eines Rippenabschnitts, einer Ätzstoppschicht und einer zweiten Mantelschicht ist, wenn die Vorspannung null ist; und
12B ein Energiebanddiagramm ist, wenn die Vorspannung angelegt wird.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Erfindung wird nachstehend im Einzelnen auf der Basis der Ausführungsformen davon beschrieben.
(Erste Ausführungsform)
1 ist eine Ansicht, die das Halbleiterlaserelement der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt. In diesem Halbleiterlaserelement sind eine GaAs-Pufferschicht 102 vom n-Typ, eine erste Al_0,5Ga_0,5As-Mantelschicht 103 vom n-Typ, eine aktive MQW-Schicht 104, eine zweite Al_0,5Ga_0,5As-Mantelschicht 105 vom p-Typ und eine GaAs-Ätzstoppschicht 106 vom p-Typ nacheinander auf ein GaAs-Substrat 101 vom n-Typ laminiert. Eine rippenförmige dritte Al_0,5Ga_0,5As-Mantelschicht 107 vom p-Typ und eine GaAs-Schutzschicht 108 vom p-Typ sind auf dieser Ätzstoppschicht 106 vorgesehen. Die rippenförmige dritte Al_0,5Ga_0,5As-Mantelschicht 107 vom p-Typ und die GaAs-Schutzschicht 108 vom p-Typ bilden einen Rippenabschnitt 114, der in der Richtung eines Resonators ausgedehnt ist. Eine Al_0,7Ga_0,3As-Abstandshalterschicht 109 vom p-Typ ist auf beiden Seiten in der Breitenrichtung dieses Rippenabschnitts 114 vorgesehen. Eine Al_0,7Ga_0,3As-Strom-/Licht-Einschlussschicht 110 vom n-Typ, eine GaAs-Stromeinschlussschicht 111 vom n-Typ und eine GaAs-Abflachungsschicht 112 vom p-Typ sind auf diese Abstandshalterschicht 109 laminiert. Eine GaAs-Kontaktschicht 113 vom p-Typ ist auf der Schutzschicht 108, auf den Endoberflächen der Abstandshalterschicht 109, der Strom-/Licht-Einschlussschicht 110 und der Stromeinschlussschicht 111 und auf der Abflachungsschicht 112 ausgebildet. Eine Elektrode 115 vom p-Typ ist auf der Kontaktschicht 113 vom p-Typ angeordnet und eine Elektrode 116 vom n-Typ ist auf der unteren Oberfläche des GaAs-Substrats 101 vom n-Typ angeordnet.
Das GaAs-Substrat 101 vom n-Typ ist mit einem Dotierungsmaterial aus Si dotiert und besitzt eine Trägerdichte von 2 × 10¹⁸ cm^–3. Die GaAs-Pufferschicht 102 vom n-Typ weist eine Schichtdicke von 0,5 μm, ein Dotierungsmaterial aus Si und eine Trägerdichte von 1 × 10¹⁸ cm^–3 auf. Die erste Al_0,5Ga_0,5As-Mantelschicht 103 vom n-Typ weist eine Schichtdicke von 2 μm, ein Dotierungsmaterial aus Si und eine Trägerdichte von 5 × 10¹⁷ cm^–3 auf. Die aktive MQW-Schicht 104 wird durch Einfügen einer nicht dotierten Mehrfachquantenquel len-Struktur, in der eine Sperrschicht einer Schicht und Quellenschichten von zwei Schichten abwechselnd laminiert sind, zwischen Lichtleiterschichten ausgebildet. Die Quellenschicht besteht aus Al_0,1Ga_0,9As und weist eine Schichtdicke von 0,008 μm auf. Die Sperrschicht besteht aus Al_0,3Ga_0,7As und weist eine Schichtdicke von 0,005 μm auf. Die Lichtleiterschicht besteht aus Al_0,3Ga_0,7As und weist eine Schichtdicke von 0,03 μm auf. Die zweite Al_0,5Ga_0,5As-Mantelschicht 105 vom p-Typ weist eine Schichtdicke von 0,2 μm auf. Ihr Abschnitt, der mit der aktiven Schicht 104 in Kontakt gebracht ist und eine Dicke von 0,1 μm aufweist, besitzt ein Dotierungsmaterial aus Zn und eine Trägerdichte von 1 × 10¹⁸ cm^–3. Ein Abschnitt, der anders ist als der Abschnitt, der mit der aktiven Schicht 104 der zweiten Mantelschicht 105 vom p-Typ in Kontakt gebracht ist und eine Dicke von 0,1 μm aufweist, weist ein Dotierungsmaterial aus C und eine Trägerdichte von 3 × 10¹⁷ cm^–3 auf. Die GaAs-Ätzstoppschicht 106 vom p-Typ weist eine Schichtdicke von 0,003 μm, ein Dotierungsmaterial aus C und eine Trägerdichte von 3 × 10¹⁷ cm^–3 auf. Die dritte Al_0,5Ga_0,5As-Mantelschicht 107 vom p-Typ weist eine Schichtdicke von 1,3 μm, ein Dotierungsmaterial aus Zn und eine Trägerdichte von 2 × 10¹⁸ cm^–3 auf. Die GaAs-Schutzschicht 108 vom p-Typ weist eine Schichtdicke von 0,7 μm, ein Dotierungsmaterial aus Zn und eine Trägerdichte von 3 × 10¹⁸ cm^–3 auf. Die Al_0,7Ga_0,3As-Abstandshalterschicht 109 vom p-Typ weist eine Schichtdicke von 0,2 μm, ein Dotierungsmaterial aus C und eine Trägerdichte von 3 × 10¹⁷ cm^–3 auf. Die Al_0,7Ga_0,3As-Strom-/Licht-Einschlussschicht 110 vom n-Typ weist ein Dotierungsmaterial aus Si und eine Schichtdicke von 1,0 μm auf. In dieser Strom/Licht-Einschlussschicht 110 ist ein Grenzflächenabschnitt, der ein Abschnitt ist, der zwischen einer mit der Abstandshalterschicht 109 in Kontakt gebrachten Grenzfläche und einer Oberfläche, die um 0,2 μm von dieser Grenzfläche entfernt liegt, liegt, so ausgebildet, dass er eine Trägerdichte von 3 × 10¹⁷ cm^–3 aufweist. Ein Abschnitt, der zu dieser Strom-/Licht-Einschlussschicht 110 gehört und anders ist als der vorstehend erwähnte Grenzflächenabschnitt, d. h. ein Abschnitt, der zwischen der oberen Oberfläche des Grenzflächenabschnitts und der oberen Oberfläche der Strom-/Licht-Einschlussschicht 110 liegt und eine Dicke von 0,8 μm aufweist, ist so ausgebildet, dass er eine Trägerdichte von 1 × 10¹⁸ cm^–3 aufweist. Die GaAs-Stromeinschlussschicht 111 vom n-Typ weist ein Dotierungsmaterial aus Si, eine Schichtdicke von 0,3 μm und eine Trägerdichte von 2 × 10¹⁸ cm^–3 auf. Die GaAs-Abflachungsschicht 112 vom p-Typ ist so ausgebildet, dass sie ein Dotierungsmaterial aus Zn, eine Schichtdicke von 0,5 μm und eine Trägerdichte von 2 × 10¹⁸ cm^–3 aufweist. Die GaAs- Kontaktschicht 113 vom p-Typ weist ein Dotierungsmaterial aus Zn, eine Schichtdicke von 5 μm und eine Trägerdichte von 5 × 10¹⁸ cm^–3 auf.
Das vorstehend erwähnte Halbleiterlaserelement wird folgendermaßen hergestellt. Das heißt, wie in 2A gezeigt, werden die Pufferschicht 102, die erste Mantelschicht 103, die aktive MQW-Schicht 104, die zweite Mantelschicht 105, die Ätzstoppschicht 106, die dritte Mantelschicht 107 und die Schutzschicht 108 nacheinander durch das erstmalige MOCVD-Verfahren epitaxial auf das Substrat 101 aufwachsen lassen.
Als nächstes wird eine streifenförmige Resistmaske, die sich in der [011]-Richtung erstreckt, auf der Schutzschicht 108 ausgebildet. Die Schutzschicht 108 und die dritte Mantelschicht 107 werden zur Ätzstoppschicht 106 geätzt, was einen streifenförmigen Rippenabschnitt 114 bildet, der eine Breite von 2,5 μm aufweist und sich in der [011]-Richtung erstreckt (2B).
Anschließend wird die Resistmaske auf der Schutzschicht 108 entfernt und die Abstandshalterschicht 109, die Strom-/Licht-Einschlussschicht 110, die Stromeinschlussschicht 111 und die Abflachungsschicht 112 werden auf die Ätzstoppschicht 106 und den Rippenabschnitt 114 durch das zweitmalige MOCVD-Verfahren aufwachsen lassen (2C).
In diesem Fall wird, wenn ein Kristall mit einem hohen Al-Kristallgemischverhältnis durch das MOCVD-Verfahren wachsen lassen wird, Kohlenstoff, wenn ein organisches Metall zersetzt wird, in den gewachsenen Kristall gemischt. Daher wird Kohlenstoff in die nicht dotierte GaAs-Ätzstoppschicht 106 und die zweite AlGaAs-Mantelschicht 105 gemischt, selbst wenn keine Störstellen zugegeben werden, und ein Halbleiter vom p-Typ mit einer Trägerdichte von etwa 3 × 10¹⁷ cm^–3 wird gebildet. Überdies wird Kohlenstoff in die nicht dotierte AlGaAs-Abstandshalterschicht 109 gemischt, selbst wenn keine Störstellen zugegeben werden, und ein Halbleiter vom p-Typ mit einer Trägerdichte von etwa 3 × 10¹⁷ cm^–3 wird gebildet.
Anschließend wird eine Resistmaske auf beiden Seiten in der Breitenrichtung der Abflachungsschicht 112 durch Photolithographie ausgebildet. Anschließend wird ein Abschnitt, der über dem Rippenabschnitt 114 liegt und zur Abstandshalterschicht 109, zur Strom-/Licht-Einschlussschicht 110, zur Stromein schlussschicht 111 und zur GaAs-Abflachungsschicht 112 gehört, durch Ätzen selektiv entfernt (2D).
Die Resistmaske auf der Abflachungsschicht 112 wird entfernt und eine Kontaktschicht 113 wird auf der Schutzschicht 108, einer Endoberfläche der Abstandshalterschicht 109, einer Endoberfläche der Strom-/Licht-Einschlussschicht 110, einer Endoberfläche der Stromeinschlussschicht 111 und der Abflachungsschicht 112 durch das drittmalige MOCVD-Verfahren ausgebildet (2E).
Durch Anordnen einer p-Elektrode 115 auf der oberen Oberfläche der Kontaktschicht 113 und Anordnen einer n-Elektrode 116 auf der unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats 101 wird danach ein Laminat vollendet (1).
Dieses Laminat wird auf eine Resonatorlänge von 800 μm mit der zur Ebene der Platte von 2E senkrechten Richtung als Resonatorrichtung gespalten. Anschließend wird die gespaltene eine Endoberfläche mit einer Al₂O₃-Schicht durch das Elektronenstrahl-Abscheidungsverfahren beschichtet, wobei das Reflexionsvermögen dieser gespaltenen Endoberfläche auf etwa 12% festgelegt wird. Die andere gespaltene Endoberfläche wird mit einer Mehrfachschicht beschichtet, in der eine Al₂O₃-Schicht und eine amorphe Si-Schicht abwechselnd laminiert sind, wobei das Reflexionsvermögen dieser gespaltenen Endoberfläche auf etwa 95% festgelegt wird. Folglich wird ein Halbleiterlaserelement vom Endemissionstyp vollendet.
Das wie vorstehend beschrieben hergestellte Halbleiterlaserelement hatte einen Startstrom von 33 mA, eine I-L-Neigungseffizienz von 1 W/A und eine Ansteuertemperatur von 70°C und bewirkte stabil eine Laseroszillation mit einer Impulsansteuerung von 150 mW.
3A zeigt eine Ausgangswellenform, wenn dieses Halbleiterlaserelement zum Bewirken einer Impulsoszillation durch einen Impulsstrom, der eine Impulsbreite von 100 ns, einen Tastgrad von 50%, einen oberen Strom von 180 mA und einen unteren Strom von 33 mA aufweist, angesteuert wird. Wie in 3A gezeigt, war die Impulsanstiegszeit 1,8 ns und die Impulsabfallzeit war 1,9 ns. Wegen des Vergleichs zeigt 3B eine Ausgangswellenform, wenn das in 10 gezeigte herkömmliche Halbleiterlaserelement durch einen Impuls unter denselben Bedingungen angesteuert wird. Dieses herkömmliche Halbleiterlaserelement hatte eine Impulsanstiegszeit von 3,6 ns und eine Impulsabfallzeit von 3,8 ns. Wie vorstehend beschrieben, kann das Halbleiterlaserelement der Ausführungsform eine kürzere Impulsanstiegszeit und Impulsabfallzeit als im herkömmlichen Halbleiterlaserelement aufweisen und weist folglich eine zufrieden stellende Impulswellenform auf. Wenn dieses Halbleiterlaserelement für die Lichtquelle einer Vorrichtung für optische Platten verwendet wird, kann folglich ein Signal mit guter Qualität in eine optische Platte geschrieben werden.
Es ist wahrscheinlich, dass die Verbesserung der Antwortcharakteristiken während der Impulsoszillation dieses Halbleiterlaserelements den folgenden Gründen zugeschrieben wird. 4A und 4B sind die schematischen Energiebanddiagramme der Außenseite des Rippenabschnitts 114 des Halbleiterlaserelements, die die Energiebanddiagramme der Strom-/Licht-Einschlussschicht 110 vom n-Typ, der Abstandshalterschicht 109 vom p-Typ, der Ätzstoppschicht 106 vom p-Typ und der zweiten Mantelschicht 105 vom p-Typ zeigen. 4A ist das Diagramm, wenn die an das Halbleiterlaserelement angelegte Vorspannung null ist, während 4B das Diagramm ist, wenn eine vorbestimmte Vorspannung angelegt wird. Wenn der Vorspannungsstrom null ist, werden Träger innerhalb der Ätzstoppschicht 106 angesammelt, die zwischen der zweiten Mantelschicht 105 und der Abstandshalterschicht 109 angeordnet ist. Wenn anschließend eine Vorspannung in Durchlassrichtung an das Halbleiterlaserelement angelegt wird, dann wird eine Vorspannung in Sperrrichtung an eine p-n-Übergangsebene angelegt, die die Grenzfläche zwischen der Abstandshalterschicht 109 vom p-Typ und der Strom-/Licht-Einschlussschicht 110 vom n-Typ ist, was eine Verarmungsschicht bildet. Zu diesem Zeitpunkt ist die p-n-Übergangsebene von der Ätzstoppschicht 106 über die Abstandshalterschicht 109 getrennt. Wie in 4B gezeigt, breitet sich daher die Verarmungsschicht ausreichend in die Abstandshalterschicht 109 aus, ohne den Einfluss der Träger zu erhalten, die innerhalb der Ätzstoppschicht 106 existieren. Durch diesen Vorgang wird die Kapazität der Außenseite des Rippenabschnitts 114 verringert. Die Kapazität dieses Halbleiterlaserelements war 50 pF und die Kapazität des herkömmlichen Halbleiterlaserelements von 10 war 100 pF. Das heißt, die Kapazität des Halbleiterlaserelements der Ausführungsform kann auf etwa die Hälfte der Kapazität des herkömmlichen Halbleiterlaserelements verringert werden und die Antwortgeschwindigkeit des Halbleiterlaserelements kann schnell gemacht werden. Folglich können die Impulsanstiegszeit und die Impulsabfall zeit verkürzt werden, um die Bildung einer Impulswellenform mit einer zufrieden stellenden Form zu ermöglichen.
Im Halbleiterlaserelement der Ausführungsform ist der Brechungsindex der Abstandshalterschicht 109 kleiner als jener der zweiten Mantelschicht 105. Folglich weist diese Abstandshalterschicht 109 eine Lichteinschlussfunktion auf, um Licht effektiv von der aktiven Schicht 104 in der zweiten Mantelschicht 105 einzuschließen. Daher kann die Lichtausbeute des Halbleiterlaserelements effektiv verbessert werden.
Überdies ist das Halbleiterlaserelement so konfiguriert, dass die Trägerdichte der Abstandshalterschicht 109 auf 1 × 10¹⁸ cm^–3 festgelegt ist, was niedriger ist als die Trägerdichte der zweiten Mantelschicht 105. Überdies ist die Dicke der Abstandshalterschicht 109 auf 0,2 μm festgelegt. Daher kann die Verarmungsschicht effektiv zur Seite der Abstandshalterschicht 109 ausgebreitet werden, wenn die Vorspannung angelegt wird. Daher kann die Übergangskapazität der Abstandshalterschicht 109 vom p-Typ und der Strom-/Licht-Einschlussschicht 110 vom n-Typ außerhalb des Rippenabschnitts 114 effektiv verringert werden, und die Antwortgeschwindigkeit während der Impulsoszillation kann weiter erhöht werden.
Überdies ist das vorstehend erwähnte Halbleiterlaserelement so konfiguriert, dass die Trägerdichte des Grenzflächenabschnitts, der zur Strom-/Licht-Einschlussschicht 110 gehört und mit der Abstandshalterschicht 109 in Kontakt gebracht ist, auf 1 × 10¹⁸ cm^–3 festgelegt, was niedriger ist als jene des anderen Abschnitts der Strom-/Licht-Einschlussschicht 110. Folglich kann die Verarmungsschicht, die gebildet wird, wenn die Vorspannung angelegt wird, zur Seite der Strom-/Licht-Einschlussschicht 110 ausgebreitet werden. Folglich kann die Übergangskapazität der Abstandshalterschicht 109 vom p-Typ und der Strom-/Licht-Einschlussschicht 110 vom n-Typ effektiv verringert werden und die Antwortgeschwindigkeit kann weiter erhöht werden.
Überdies enthält das vorstehend erwähnte Halbleiterlaserelement Kohlenstoff, der durch die Zersetzung des organischen Metalls während des Kristallwachstums durch das MOCVD-Verfahren erzeugt wird, wie es in der Abstandshalterschicht 109 der Fall ist. Dieser Kohlenstoff diffundiert selbst bei hoher Temperatur kaum zu den anderen Halbleiterschichten. Daher wird die Kohlenstoff konzentration der Abstandshalterschicht 109 ungefähr auf die Konzentration, wie vorgegeben, festgelegt und dies ermöglicht, dass das Halbleiterlaserelement mit einer schnellen Antwort stabil ist und leicht hergestellt wird.
Das vorstehend erwähnte Halbleiterlaserelement umfasst überdies hauptsächlich Kohlenstoff in der Ätzstoppschicht 106 und in einem Abschnitt, der eine Dicke von 0,1 μm aufweist, zur zweiten Mantelschicht 105 gehört und auf der Seite der Abstandshalterschicht 109 liegt. Dieser Kohlenstoff diffundiert selbst bei hoher Temperatur kaum in die anderen Halbleiterschichten. Daher wird die Kohlenstoffkonzentration der Abstandshalterschicht 109 ungefähr auf die Konzentration, wie vorbestimmt, festgelegt und dies ermöglicht, dass das Halbleiterlaserelement mit einer schnellen Antwort stabil ist und leicht hergestellt wird.
Ferner ist die zweite Mantelschicht 105 hauptsächlich mit anderen Störstellen als Kohlenstoff in dem Abschnitt davon, der mit der aktiven Schicht 104 in Kontakt gebracht ist, dotiert. Da Kohlenstoff schwierig zu aktivieren ist, ist es schwierig, die Trägerdichte sicherzustellen. Durch Dotieren des Abschnitts, der zur zweiten Mantelschicht 105 gehört und mit der aktiven Schicht 104 in Kontakt gebracht ist, hauptsächlich mit anderen Störstellen als Kohlenstoff kann die Trägerdichte erhöht werden und eine hohe Zuverlässigkeit kann erhalten werden, wobei der Trägeraustritt aus der aktiven Schicht 104 bei hoher Temperatur verhindert wird.
Ferner ist die Trägerdichte des Abschnitts, der zur zweiten Mantelschicht 105 gehört und mit der aktiven Schicht 104 in Kontakt gebracht ist, höher als die Trägerdichte des Abschnitts, der mit der Abstandshalterschicht 109 in Kontakt gebracht ist. Durch Erhöhen der Trägerdichte des Abschnitts, der zur zweiten Mantelschicht 105 gehört und mit der aktiven Schicht 104 in Kontakt gebracht ist, kann eine hohe Zuverlässigkeit erhalten werden, wobei der Trägeraustritt aus der aktiven Schicht 104 bei hoher Temperatur verhindert wird. Gleichzeitig ist die Trägerdichte des Abschnitts, der zur zweiten Mantelschicht 105 gehört und mit der Abstandshalterschicht 109 in Kontakt gebracht ist, niedrig und daher diffundiert das Dotierungsmaterial in der zweiten Mantelschicht 105 kaum in die Abstandshalterschicht 109. Daher kann die Abstandshalterschicht 109 die erwünschte Trägerdichte erhalten und daher ermöglicht dies, dass das Halbleiterlaserelement, das zum Bewirken einer Impulsoszillation mit schneller Antwort in der Lage ist, stabil erhalten wird.
Im Halbleiterlaserelement enthält die Ätzstoppschicht 106 überdies kein Al (Aluminium) und daher können die Abstandshalterschicht 109 und die Strom/Licht-Einschlussschicht 110, die als Kristalle auf dieser Ätzstoppschicht 106 gewachsen sind, eine verringerte Menge an Kristalldefekten aufweisen. Daher wird die Trägerbewegungsgeschwindigkeit, wenn die Vorspannung angelegt wird, auf hoher Geschwindigkeit gehalten und dies ermöglicht, dass das Halbleiterlaserelement, dessen Antwortgeschwindigkeit während der Impulsoszillation hoch ist, geschaffen wird.
Im vorstehend erwähnten Halbleiterlaserelement weist überdies die Ätzstoppschicht 106 eine Dicke von 3 nm (30 Å) auf. Daher kann diese Ätzstoppschicht 106 einen Quantengrößeneffekt erzeugen, um zu ermöglichen, dass das Energieniveau des Trägers in der Ätzstoppschicht erhöht wird. Daher weist die Ätzstoppschicht 106 eine geringe Barriere gegen die Trägerbewegung auf, wenn die Vorspannung angelegt wird. Daher kann der Träger mit hoher Geschwindigkeit bewegt werden und die Antwortgeschwindigkeit während der Impulsoszillation des Halbleiterlaserelements kann erhöht werden.
In der Ausführungsform wird das Halbleiterlaserelement unter Verwendung des Verbundhalbleiters auf AlGaAs-Basis ausgebildet. Es ist jedoch annehmbar, daneben einen Verbundhalbleiter auf AlGaInP-Basis oder einen Verbundhalbleiter auf InGaAsP-Basis zu verwenden.
(Zweite Ausführungsform)
5 ist eine Ansicht, die das Halbleiterlaserelement der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt. Dieses Halbleiterlaserelement unterscheidet sich vom Halbleiterlaserelement der ersten Ausführungsform nur in der Trägerdichte des Substrats, der Schichtdicke der zweiten Mantelschicht, den hauptsächlich in dieser zweiten Mantelschicht enthaltenen Störstellen, den hauptsächlich in der Ätzstoppschicht enthaltenen Störstellen, dem Dotierungsmaterial, der Schichtdicke und der Trägerdichte der Abstandshalterschicht, der Trägerdichte der Strom-/Licht-Einschlussschicht und der Schichtdicke der Stromeinschlussschicht. Dieselben Abschnitte wie jene des Halbleiterlaserelements der ersten Ausführungsform sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und für diese wird keine ausführliche Beschreibung vorgesehen.
Im Halbleiterlaserelement der Ausführungsform besitzt ein GaAs-Substrat 201 vom n-Typ eine Trägerdichte von 1 × 10¹⁸ cm^–3. Eine zweite Al_0,5Ga_0,5As-Mantelschicht 205 vom p-Typ weist eine Schichtdicke von 0,1 μm auf. Eine Abstandshalterschicht 209 vom p-Typ ist aus Al_0,5Ga_0,5As konstruiert und weist ein Dotierungsmaterial aus Zn, eine Schichtdicke von 0,1 μm und eine Trägerdichte von 5 × 10¹⁷ cm^–3 auf. Eine Al_0,7Ga_0,3As-Strom-/Licht-Einschlussschicht 210 vom n-Typ enthält ein Dotierungsmaterial aus Si. Ein Grenzflächenabschnitt der Strom-/Licht-Einschlussschicht 210, die eine Dicke von 0,1 μm von der Grenzfläche, die der Abstandshalterschicht 209 zugewandt ist, aufweist, besitzt eine Trägerdichte von 5 × 10¹⁷ cm^–3. Der andere Abschnitt als der Grenzflächenabschnitt besitzt eine Schichtdicke von 0,9 μm und eine Trägerdichte von 1 × 10¹⁸ cm^–3. Eine GaAs-Strom-/Licht-Einschlussschicht 211 vom n-Typ ist so ausgebildet, dass sie eine Schichtdicke von 0,4 μm aufweist.
Dieses Halbleiterlaserelement hatte einen Oszillationsstartstrom von 29 mA, einen I-L-Neigungswirkungsgrad von 1 W/A und eine Ansteuertemperatur von 70°C und bewirkte stabil eine Laseroszillation mit einer Impulsansteuerung von 150 mW. Wenn dieses Halbleiterlaserelement durch einen Impulsstrom angesteuert wurde, der eine Impulsbreite von 100 ns, einen Tastgrad von 50%, einen oberen Strom von 180 mA und einen unteren Strom von 33 mA hatte, wurde eine zufrieden stellende Ausgangsimpulswellenform, die eine Impulsanstiegszeit von 1,8 ns und eine Impulsabfallzeit von 1,9 ns hatte, erhalten.
In diesem Halbleiterlaserelement ist der Brechungsindex der Abstandshalterschicht 209 vom p-Typ gleich dem Brechungsindex der zweiten Mantelschicht 205 vom p-Typ gemacht. Durch Festlegen der gesamten Schichtdicke der Abstandshalterschicht 209 vom p-Typ und der zweiten Mantelschicht 205 vom p-Typ auf ungefähr gleich der Schichtdicke der zweiten Mantelschicht des herkömmlichen Halbleiterlaserelements wird folglich ermöglicht, die Ausbreitung des Stroms durch die Abstandshalterschicht 209 vom p-Typ und die zweite Mantelschicht 205 vom p-Typ zu verhindern und effektiv die Erhöhung des Oszillationsschwellenstroms zu verhindern.
Überdies sind die Abstandshalterschicht 209 und die zweite Mantelschicht 205, die auf der oberen bzw. der unteren Seite mit Einfügung der Ätzstoppschicht 106 angeordnet sind, aus demselben Al_0,5Ga_0,5As vom p-Typ ausgebildet und so hergestellt, dass sie denselben Energiebandabstand aufweisen. Mit dieser Anordnung tritt fast keine Energiebarriere gegen den Träger, der sich über die Ätzstoppschicht 106 bewegt, wenn die Vorspannung angelegt wird, auf. Folglich wird es ermöglicht, den Träger in Richtung der aktiven Schicht mit hoher Geschwindigkeit zu bewegen und ferner die Antwortgeschwindigkeit des Halbleiterlaserelements zu erhöhen.
In der Ausführungsform ist das Halbleiterlaserelement unter Verwendung des Verbundhalbleiters auf AlGaAs-Basis ausgebildet. Es ist jedoch annehmbar, daneben einen Verbundhalbleiter auf AlGaInP-Basis oder einen Verbundhalbleiter auf InGaAsP-Basis zu verwenden.
(Dritte Ausführungsform)
6 ist eine Ansicht, die das Halbleiterlaserelement der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt. In diesem Halbleiterlaserelement sind eine GaAs-Pufferschicht 302 vom n-Typ, eine erste (Al_0,7Ga_0,3)InP-Mantelschicht 303 vom n-Typ, eine aktive MQW-Schicht 304 und eine zweite (Al_0,7Ga_0,3)InP-Mantelschicht 305 vom p-Typ nacheinander auf ein GaAs-Substrat 301 vom n-Typ laminiert. Eine GaInP-Ätzstoppschicht 306 vom p-Typ ist so ausgebildet, dass sie eine vorbestimmte Breite in der Mitte in der Breitenrichtung auf dieser zweiten Mantelschicht 305 vom p-Typ aufweist. Eine rippenförmige dritte (Al_0,7Ga_0,3)InP-Mantelschicht 307 vom p-Typ und eine GaAs-Schutzschicht 308 vom p-Typ sind auf dieser Ätzstoppschicht 306 vorgesehen. Die Ätzstoppschicht 306, die dritte Mantelschicht 307 und die Schutzschicht 308 bilden einen Rippenabschnitt 314, der in der Richtung eines Resonators ausgedehnt ist. Eine AlInP-Abstandshalterschicht 309 vom p-Typ ist auf beiden Seiten in der Breitenrichtung dieses Rippenabschnitts 314 vorgesehen. Eine AlInP-Strom-/Licht-Einschlussschicht 310 vom n-Typ, eine GaAs-Stromeinschlussschicht 311 vom n-Typ und eine GaAs-Abflachungsschicht 312 vom p-Typ sind auf diese Abstandshalterschicht 309 laminiert. Eine GaAs-Kontaktschicht 313 vom p-Typ ist auf der Schutzschicht 308, den Endoberflächen der Abstandshalterschicht 309, der Strom-/Licht-Einschlussschicht 310 und der Stromeinschlussschicht 311 und auf der Abflachungsschicht 312 ausgebildet. Eine Elektrode 315 vom p-Typ ist auf der Kontaktschicht 313 vom p-Typ angeordnet und eine Elektrode 316 vom n-Typ ist auf der unteren Oberfläche des GaAs-Substrats 301 vom n-Typ angeordnet.
Das GaAs-Substrat 301 vom n-Typ ist mit einem Dotierungsmaterial aus Si dotiert und weist eine Trägerdichte von 2 × 10¹⁸ cm^–3 auf. Die GaAs-Pufferschicht 302 vom n-Typ weist eine Schichtdicke von 0,5 μm, ein Dotierungsmaterial aus Si und eine Trägerdichte von 1 × 10¹⁸ cm^–3 auf. Die erste (Al_0,7Ga_0,3)InP-Mantelschicht 303 vom n-Typ weist eine Schichtdicke von 1,5 μm, ein Dotierungsmaterial aus Si und eine Trägerdichte von 5 × 10¹⁷ cm^–3 auf. Die aktive MQW-Schicht 304 wird durch Einfügen einer nicht dotierten Mehrfachquantenquellen-Struktur, in der eine Sperrschicht einer Schicht und Quellenschichten von zwei Schichten abwechselnd laminiert sind, zwischen die Lichtleiterschichten ausgebildet. Die Quellenschicht besteht aus GaInP und weist eine Schichtdicke von 0,005 μm auf. Die Sperrschicht besteht aus (Al_0,5Ga_0,5)InP und besitzt eine Schichtdicke von 0,005 μm. Die Lichtleiterschicht besteht aus (Al_0,5Ga_0,5)InP und weist eine Schichtdicke von 0,05 μm auf. Die zweite (Al_0,7Ga_0,3)InP-Mantelschicht 305 vom p-Typ besitzt eine Gesamtschichtdicke von 0,2 μm und ein Dotierungsmaterial aus Be. Ein Abschnitt der zweiten Mantelschicht 305, der mit der aktiven Schicht 304 in Kontakt gebracht ist und eine Schichtdicke von 0,1 μm aufweist, besitzt eine Trägerdichte von 1 × 10¹⁸ cm^–3. Ein Abschnitt der zweiten Mantelschicht 305, der mit der Abstandshalterschicht 309 in Kontakt gebracht ist und eine Schichtdicke von 0,1 μm aufweist, besitzt eine Trägerdichte von 2 × 10¹⁷ cm^–3. Die GaInP-Ätzstoppschicht 306 vom p-Typ weist eine Schichtdicke von 0,008 μm, ein Dotierungsmaterial aus Be und eine Trägerdichte von 1 × 10¹⁸ cm^–3 auf. Die dritte (Al_0,7Ga_0,3)InP-Mantelschicht 307 vom p-Typ weist eine Schichtdicke von 1,3 μm, ein Dotierungsmaterial aus Be und eine Trägerdichte von 2 × 10¹⁸ cm^–3 auf. Die GaAs-Schutzschicht 308 vom p-Typ weist eine Schichtdicke von 0,7 μm, ein Dotierungsmaterial aus Be und eine Trägerdichte von 3 × 10¹⁸ cm^–3 auf. Die AlInP-Abstandshalterschicht 309 vom p-Typ weist eine Schichtdicke von 0,2 μm, ein Dotierungsmaterial aus Be und eine Trägerdichte von 2 × 10¹⁷ cm^–3 auf. Die AlInP-Strom-/Licht-Einschlussschicht 310 vom n-Typ weist ein Dotierungsmaterial aus Si auf und ein Abschnitt davon, der in der Querrichtung in 6 ausgedehnt ist, besitzt eine Schichtdicke von 1,05 μm. In dieser Strom-/Licht-Einschlussschicht 310 ist ihr Grenzflächenabschnitt, der ein Abschnitt ist, der zwischen einer mit der Abstandshalterschicht 309 in Kontakt gebrachten Grenzfläche und einer Oberfläche, die um 0,2 μm von dieser Grenzfläche entfernt liegt, liegt, so ausgebildet, dass er eine Trägerdichte von 2 × 10¹⁷ cm^–3 aufweist. Ein Abschnitt, der zu dieser Strom-/Licht-Einschlussschicht 310 gehört, eine Dicke von 0,85 μm aufweist und anders ist als der vorstehend erwähnte Grenzflächenabschnitt, ist so ausgebildet, dass er eine Trägerdichte von 7 × 10¹⁷ cm^–3 aufweist. Die GaAs-Stromeinschlussschicht 311 vom n-Typ besitzt ein Dotierungsmaterial aus Si, eine Schichtdicke von 0,35 μm und eine Trägerdichte von 2 × 10¹⁸ cm^–3. Die GaAs-Abflachungsschicht 312 vom p-Typ ist so ausgebildet, dass sie ein Dotierungsmaterial aus Zn, eine Schichtdicke von 0,5 μm und eine Trägerdichte von 2 × 10¹⁸ cm^–3 besitzt. Die GaAs-Kontaktschicht 313 vom p-Typ weist ein Dotierungsmaterial aus Zn, eine Schichtdicke von 5 μm und eine Trägerdichte von 5 × 10¹⁸ cm^–3 auf.
Das vorstehend erwähnte Halbleiterlaserelement wird folgendermaßen hergestellt. Das heißt, wie in 7A gezeigt, werden eine Pufferschicht 302, eine erste Mantelschicht 303, eine aktive MQW-Schicht 304, eine zweite Mantelschicht 305, eine Ätzstoppschicht 306, eine dritte Mantelschicht 307 und eine Schutzschicht 308 nacheinander epitaxial auf einem Substrat 301 durch das erstmalige Molekularstrahl-Epitaxiewachstumsverfahren (nachstehend als MBE-Verfahren bezeichnet) aufwachsen lassen.
Als nächstes wird eine Maske 317, die in der [011]-Richtung ausgedehnt ist und aus einer dielektrischen Substanz mit einer Streifenform, beispielsweise Al₂O₃, konstruiert ist, auf der Schutzschicht 308 ausgebildet. Die Schutzschicht 308 und die dritte Mantelschicht 307 werden zur Ätzstoppschicht 306 geätzt, so dass beide Seiten in der Breitenrichtung dieser Ätzstoppschicht 306 freigelegt werden. In dieser Stufe wird ein Abschnitt, der zur Schutzschicht 308 gehört und unter beiden Seiten in der Breitenrichtung der Maske 317 liegt, seitlich geätzt, infolge dessen die Abschnitte auf beiden Seiten in der Breitenrichtung der Maske 317 eine traufenartige Form aufweisen. Anschließend wird die freiliegende Ätzstoppschicht 306 selektiv entfernt, so dass beide Seiten in der Breitenrichtung der zweiten Mantelschicht 305 freigelegt werden. Folglich wird ein streifenförmiger Rippenabschnitt 314, der eine Breite von 2,5 μm aufweist und sich in der [011]-Richtung erstreckt, ausgebildet (7B).
Anschließend werden durch das zweitmalige MBE-Verfahren die Abstandshalterschicht 309, die Strom-/Licht-Einschlussschicht 310, die Stromeinschluss schicht 311 und die Abflachungsschicht 312 auf der zweiten Mantelschicht 305 und dem Rippenabschnitt 114 wachsen lassen. In dieser Stufe füllen die Endabschnitte der Abstandshalterschicht 309, der Strom-/Licht-Einschlussschicht 310 und der Stromeinschlussschicht 311 die untere Seite des Traufenabschnitts der Maske 317 auf (7C).
Die Maske 317 auf der Schutzschicht 308 wird entfernt. Durch das drittmalige MBE-Verfahren wird eine Kontaktschicht 313 auf der Schutzschicht 308, der Endoberfläche der Abstandshalterschicht 309, der Endoberfläche der Strom/Licht-Einschlussschicht 310, der Endoberfläche der Stromeinschlussschicht 311 und auf der Abflachungsschicht 312 gebildet (7D).
Anschließend wird eine p-Elektrode 315 auf der Kontaktschicht 313 ausgebildet und eine n-Elektrode 316 wird auf der unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats 301 ausgebildet, wobei ein Laminat fertig gestellt wird (6).
Dieses Laminat wird auf die Resonatorlänge von 800 μm gespalten, wobei die Resonatorrichtung senkrecht zur Ebene der Platte von 7D gerichtet ist. Anschließend wird eine der gespalteten Endoberflächen durch das Elektronenstrahl-Abscheidungsverfahren mit einer Al₂O₃-Schicht beschichtet, was veranlasst, dass diese gespaltene Endoberfläche ein Reflexionsvermögen von etwa 7% aufweist. Die andere gespaltene Endoberfläche wird mit einer mehrlagigen Schicht beschichtet, in der eine Al₂O₃-Schicht und eine amorphe Si-Schicht abwechselnd laminiert sind, was veranlasst, dass diese gespaltene Endoberfläche ein Reflexionsvermögen von etwa 95% aufweist. Folglich wird das Halbleiterlaserelement vom Endemissionstyp fertig gestellt.
Das wie vorstehend beschrieben hergestellte Halbleiterlaserelement hatte einen Oszillationsstartstrom von 40 mA und einen I-L-Neigungswirkungsgrad von 1,2 W/A und eine Ansteuertemperatur von 70°C und bewirkte stabil eine Laseroszillation durch eine Impulsansteuerung von 80 mW.
Im Halbleiterlaserelement der Ausführungsform ist die Ätzstoppschicht 306 nur direkt unter dem Rippenabschnitt 314 angeordnet und daher werden nur beide Seitenendabschnitte in der Breitenrichtung der Ätzstoppschicht 306 mit der Abstandshalterschicht 309 in Kontakt gebracht. Daher kann eine Verarmungsschicht in der Abstandshalterschicht 309 erzeugt werden, wobei kaum der Einfluss der Träger erhalten wird, die in der Ätzstoppschicht 306 angesammelt werden, wenn die Vorspannung angelegt wird. Folglich kann die Kapazität des Halbleiterlaserelements effektiv verringert werden und die Antwortgeschwindigkeit während der Laseroszillation kann effektiv erhöht werden.
Die Trägerdichte des Abschnitts der zweiten Mantelschicht 305, der mit der aktiven Schicht 304 in Kontakt gebracht ist, kann überdies erhöht werden und dies ermöglicht, dass das Halbleiterlaserelement mit hoher Zuverlässigkeit geschaffen wird, indem der Trägeraustritt aus der aktiven Schicht 304 bei hoher Temperatur verhindert wird.
In der Ausführungsform wird das Halbleiterlaserelement unter Verwendung des Verbundhalbleiters auf AlGalnP-Basis ausgebildet. Es ist jedoch annehmbar, daneben einen Verbundhalbleiter auf AlGaAs-Basis oder einen Verbundhaltleiter auf InGaAsP-Basis zu verwenden.
Beispiel
8 ist eine Ansicht, die das Halbleiterlaserelement eines Beispiels zeigt, das nicht in den Schutzbereich der Erfindung fällt. In diesem Halbleiterlaserelement sind eine GaAs-Pufferschicht 402 vom n-Typ, eine erste Al_0,5Ga_0,5As-Mantelschicht 403 vom n-Typ, eine aktive MQW-Schicht 404, eine zweite Al_0,5Ga_0,5As-Mantelschicht 405 vom p-Typ und eine GaInP-Ätzstoppschicht 406 vom p-Typ nacheinander auf ein GaAs-Substrat 401 vom n-Typ laminiert. Eine nicht dotierte Al_0,7Ga_0,3As-Abstandshalterschicht 407, eine Al_0,7Ga_0,3As-Strom/Licht-Einschlussschicht 408 vom n-Typ und eine GaAs-Schutzschicht 409 vom n-Typ sind auf beiden Seiten in der Breitenrichtung auf dieser Ätzstoppschicht 406 angeordnet. Eine dritte Al_0,5Ga_0,5As–Mantelschicht 411 vom p-Typ ist zwischen der Abstandshalterschicht 407, der Strom-/Licht-Einschlussschicht 408 und der Schutzschicht 409, die auf beiden Seiten in der Breitenrichtung angeordnet sind, und auf der Ätzstoppschicht 406 und auf der Schutzschicht 409 ausgebildet. Eine GaAs-Kontaktschicht 412 vom p-Typ ist auf diese dritte Mantelschicht 411 laminiert. Eine Elektrode 413 vom p-Typ ist auf der Kontaktschicht 412 vom p-Typ angeordnet und eine Elektrode 414 vom n-Typ ist auf der unteren Oberfläche des GaAs-Substrats 401 vom n-Typ angeordnet.
Das GaAs-Substrat 401 vom n-Typ ist mit einem Dotierungsmaterial aus Si dotiert und besitzt Trägerdichte von 2 × 10¹⁸ cm^–3. Die GaAs-Pufferschicht 402 vom n-Typ weist eine Schichtdicke von 0,5 μm, ein Dotierungsmaterial aus Si und eine Trägerdichte von 1 × 10¹⁸ cm^–3 auf. Die erste Al_0,5Ga_0,5As-Maritelschicht 403 vom n-Typ weist eine Schichtdicke von 2 μm, ein Dotierungsmaterial aus Si und eine Trägerdichte von 5 × 10¹⁷ cm^–3 auf. Die aktive MQW-Schicht 404 wird durch Einfügen einer nicht dotierten Mehrfachquantenquellen-Struktur, in der eine Sperrschicht einer Schicht und Quellenschichten von zwei Schichten abwechselnd laminiert sind, zwischen die Lichtleiterschichten ausgebildet. Die Quellenschicht ist aus Al_0,1Ga_0,9As konstruiert und besitzt eine Schichtdicke von 0,008 μm. Die Sperrschicht ist aus Al_0,3Ga_0,7As konstruiert und besitzt eine Schichtdicke von 0,005 μm. Die Lichtleiterschicht ist aus Al_0,3Ga_0,7As konstruiert und besitzt eine Schichtdicke von 0,03 μm. Die zweite Al_0,5Ga_0,5As-Mantelschicht 405 vom p-Typ besitzt eine Schichtdicke von 0,2 μm, ein Dotierungsmaterial aus Zn und eine Trägerdichte von 0,5 × 10¹⁸ cm^–3. Die GaInP-Ätzstoppschicht 406 vom p-Typ weist eine Schichtdicke von 0,01 μm, ein Dotierungsmaterial aus Zn und eine Trägerdichte von 5 × 10¹⁷ cm^–3 auf. Die nicht dotierte Al_0,7Ga_0,3As-Abstandshalterschicht 407 besitzt eine Schichtdicke von 0,4 μm. Die Al_0,7Ga_0,3As-Strom-/Licht-Einschlussschicht 408 vom n-Typ besitzt eine Schichtdicke von 0,3 μm, ein Dotierungsmaterial aus Si und eine Trägerdichte von 1 × 10¹⁸ cm^–3. Die GaAs-Schutzschicht 409 vom n-Typ besitzt ein Dotierungsmaterial aus Si, eine Schichtdicke von 0,1 μm und eine Trägerdichte von 2 × 10¹⁸ cm^–3. Die dritte Al_0,5Ga_0,5As-Mantelschicht 411 vom p-Typ besitzt ein Dotierungsmaterial aus Zn, eine Schichtdicke von 2,5 μm und eine Trägerdichte von 2 × 10¹⁸ cm^–3. Die GaAs-Kontaktschicht 412 vom p-Typ weist ein Dotierungsmaterial aus Zn, eine Schichtdicke von 3 μm und eine Trägerdichte von 3 × 10¹⁸ cm^–3 auf.
Das vorstehend erwähnte Halbleiterlaserelement wird folgendermaßen hergestellt. Das heißt, wie in 9A gezeigt, werden die Pufferschicht 402, die erste Mantelschicht 403, die aktive MQW-Schicht 404, die zweite Mantelschicht 405, die Ätzstoppschicht 406, die Abstandshalterschicht 407, die Strom-/Licht-Einschlussschicht 408 und die Schutzschicht 409 nacheinander epitaxial auf das GaAs-Substrat 401 durch das erstmalige MOCVD-Verfahren aufwachsen lassen.
Als nächstes wird eine Resistmaske, die ein streifenförmiges Fenster aufweist, das in der [011]-Richtung ausgedehnt ist, auf der Schutzschicht 409 ausgebildet. Die Schutzschicht 409, die Strom-/Licht-Einschlussschicht 408 und die Abstandshalterschicht 407, die dem Fensterabschnitt entsprechen, werden zur Ätzstoppschicht 406 geätzt, was eine streifenförmige Nut 410 bildet (9B).
Anschließend wird die dritte Mantelschicht 411 in der Nut 410 und auf der Schutzschicht 409 durch das zweitmalige MOCVD-Verfahren laminiert. Anschließend wird die Kontaktschicht 412 laminiert (9C).
Anschließend wird eine p-Elektrode 413 auf der oberen Oberfläche der Kontaktschicht 412 ausgebildet und eine n-Elektrode 414 wird auf der unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats 401 ausgebildet, wobei ein Laminat vollendet wird.
Dieses Laminat wird auf eine Resonatorlänge von 600 μm mit der zur Ebene der Platte von 8 senkrechten Richtung als Resonatorrichtung gespalten. Anschließend wird eine der gespaltenen Endoberflächen mit einer Al₂O₃-Schicht durch das Elektronenstrahl-Abscheidungsverfahren beschichtet, wobei das Reflexionsvermögen dieser gespaltenen Endoberfläche auf etwa 12% festgelegt wird. Die andere gespaltene Endoberfläche wird mit einer Mehrfachschicht beschichtet, in der eine Al₂O₃-Schicht und eine amorphe Si-Schicht abwechselnd laminiert sind, wobei das Reflexionsvermögen dieser gespaltenen Endoberfläche auf etwa 95% festgelegt wird. Folglich wird das Halbleiterlaserelement vom Endemissionstyp vollendet.
Das wie vorstehend beschrieben hergestellte Halbleiterlaserelement hatte einen Oszillationsstartstrom von 27 mA, einen I-L-Neigungswirkungsgrad von 1,1 W/A und bewirkte stabil eine Laseroszillation durch eine Impulsansteuerung von 150 mW bei einer Temperatur von 70°C. Wenn dieses Halbleiterlaserelement durch einen Impulsstrom angesteuert wurde, der eine Impulsbreite von 100 ns, einen Tastgrad von 50%, einen oberen Strom von 180 mA und einen unteren Strom von 33 mA hatte, hatte der Lichtausgangsimpuls eine Anstiegszeit von 1,8 ns und eine Abfallzeit von 1,9 ns. Kurz gesagt, eine Impulswellenform mit einer zufrieden stellenden Form, deren Anstiegszeit und Abfallzeit des Ausgangsimpulses kurz waren, wurde erhalten.
Im Halbleiterlaserelement des Beispiels werden überdies die zweite Mantelschicht 405, die Ätzstoppschicht 406, die Abstandshalterschicht 407, die Strom-/Licht-Einschlussschicht 408 und die Schutzschicht 409 kontinuierlich durch das erstmalige MOCVD-Verfahren ausgebildet. Folglich treten fast keine Kristalldefekte in der p-n-Übergangsgrenzfläche und keine Änderung im Niveau auf Grund der Diffusion der Störstellen auf. Daher treten ein Einfang eines Elektrons im Kristalldefekt, eine Verringerung der Elektronenbeweglichkeit auf Grund der Änderung des Niveaus und so weiter kaum auf, wenn die Vorspannung angelegt wird, und dies ermöglicht das Schaffen des Halbleiterlaserelements, dessen Antwortgeschwindigkeit schnell ist.
Überdies ist im Halbleiterlaserelement des Beispiels die Abstandshalterschicht 407 nicht dotiert und besitzt einen hohen Widerstand. Dies ermöglicht, dass der Stromeinschluss in dem Abschnitt, der dem Nutabschnitt 410 der dritten Mantelschicht 411 entspricht, wirksam durchgeführt wird.
In dem Beispiel ist das Halbleiterlaserelement unter Verwendung des Verbundhalbleiters auf AlGaAs-Basis ausgebildet. Es ist jedoch annehmbar, daneben einen Verbundhalbleiter auf AlGaInP-Basis oder einen Verbundhalbleiter auf InGaAsP-Basis zu verwenden.
Die Halbleiterlaserelemente der ersten und der zweiten Ausführungsform und des Beispiels werden durch das MOCVD-Verfahren hergestellt. Das Halbleiterlaserelement der dritten Ausführungsform wird durch das MBE-Verfahren hergestellt. Das Halbleiterlaserelement der ersten bis dritten Ausführungsform und des Beispiels kann jedoch durch ein anderes Verfahren beispielsweise des ALE-Verfahrens (Atomschichtepitaxie-Verfahrens) oder des LPE-Verfahrens (Flüssigphasenepitaxie-Verfahrens) hergestellt werden.
In den Halbleiterlaserelementen der ersten bis dritten Ausführungsform und des Beispiels werden überdies der Verbundhalbleiter auf AlGaAs-Basis und der Verbundhalbleiter auf InGaAlP-Basis auf das GaAs-Substrat laminiert. Ein Verbundhalbleiter auf InAlGaAsPN-Basis oder ein Verbundhalbleiter auf InAlGaN-Basis kann jedoch auf ein InP-Substrat, ein Saphirsubstrat oder ein SiC-Substrat neben dem GaAs-Substrat laminiert werden.
In den vorstehend erwähnten Ausführungsformen und in dem Beispiel ist überdies der erste Leitungstyp der p-Typ und der zweite Leitungstyp ist der n-Typ. Es ist jedoch annehmbar, dass der erste Leitungstyp der n-Typ ist und der zweite Leitungstyp der p-Typ ist.
Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, ist gemäß dem Halbleiterlaserelement der Erfindung, in dem mindestens die erste Mantelschicht vom ersten Leitungstyp, die aktive Schicht, die zweite Mantelschicht vom zweiten Leitungstyp, die Ätzstoppschicht vom zweiten Leitungstyp, die einen Energiebandabstand aufweist, der kleiner ist als jener der zweiten Mantelschicht, die rippenförmige dritte Mantelschicht vom zweiten Leitungstyp und die Strom-/Licht-Einschlussschicht vom ersten Leitungstyp, die auf beiden Seiten in der Breitenrichtung der dritten Mantelschicht angeordnet ist und einen Brechungsindex aufweist, der kleiner ist als der Brechungsindex der zweiten Mantelschicht, auf dem Halbleitersubstrat vorgesehen sind, die Ab standshalterschicht vom zweiten Leitungstyp oder die intrinsische Abstandshalterschicht in Kontakt mit der Ätzstoppschicht zwischen der Ätzstoppschicht und der Strom/Licht-Einschlussschicht angeordnet. Mit dieser Anordnung kann, wenn die Vorspannung an dieses Halbleiterlaserelement angelegt wird, die in der Grenzfläche zwischen der Ab standshalterschicht und der Strom-/Licht-Einschlussschicht erzeugte Verarmungsschicht zur Abstandshalterschicht ausgebreitet werden. Daher kann die Antwortgeschwindigkeit während der Impulsoszillation dieses Halbleiterlaserelements mit einer Verringerung der Kapazität zwischen der Abstandshalterschicht und der Strom-/Licht-Einschlussschicht erhöht werden. Folglich kann das Halbleiterlaserelement, das eine zufrieden stellende Impulswellenform aufweist und für die Lichtquelle der Vorrichtung für optische Platten, deren Schreibgeschwindigkeit schnell ist, geeignet ist, geschaffen werden.
Nachdem die Erfindung so beschrieben wurde, ist es offensichtlich, dass dieselbe in vielen Weisen verändert werden kann. Solche Veränderungen sollen nicht als Abweichung vom Gedanken und Schutzbereich der Erfindung betrachtet werden und alle derartigen Modifikationen, die für einen Fachmann offensichtlich wären, sollen innerhalb des Schutzbereichs der folgenden Ansprüche eingeschlossen sein.

Claims

Halbleiterlaserelement, in dem auf einem Halbleitersubstrat (101, 201, 301) wenigstens vorgesehen sind: eine erste Mantelschicht (103, 303) eines ersten Leitungstyps, eine aktive Schicht (104, 304), eine zweite Mantelschicht (105, 205, 305) eines zweiten Leitungstyps, eine Ätzstoppschicht (106, 306) des zweiten Leitungstyps, die einen Energiebandabstand besitzt, der kleiner als jener der zweiten Mantelschicht (105, 205, 305) ist, eine rippenförmige dritte Mantelschicht (107, 307) des zweiten Leitungstyps und eine Strom-/Licht-Einschlussschicht (110, 210, 310) des ersten Leitungstyps, die in Breitenrichtung der dritten Mantelschicht (107, 307) auf beiden Seiten angeordnet ist und einen Brechungsindex besitzt, der kleiner als ein Brechungsindex der zweiten Mantelschicht (105, 205, 305) ist, wobei das Halbleiterlaserelement ferner mit einer Abstandshalterschicht (109, 209, 309), die vom zweiten Leitungstyp oder intrinsisch ist, versehen ist, die in Kontakt mit der Ätzstoppschicht (106, 306) zwischen der Ätzstoppschicht (106, 306) und der Strom-/Licht-Einschlussschicht (110, 210, 310) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Grenzflächenabschnitt der Strom-/Licht-Einschlussschicht (110, 210, 310), der sich zwischen einer mit der Abstandshalterschicht (109, 209, 309) in Kontakt gebrachten Grenzfläche und einer von dieser Grenzfläche entfernten Oberfläche befindet, eine Trägerdichte besitzt, die niedriger ist als jene des anderen Abschnitts der Strom-/Licht-Einschlussschicht (110, 210, 310), der sich zwischen der oberen Oberfläche des Grenzflächenabschnitts und der oberen Oberfläche der Strom-/Licht-Einschlussschicht (110, 210, 310) befindet.
Halbleiterlaserelement nach Anspruch 1, bei dem die Abstandshalterschicht (109, 209, 309) einen Brechungsindex besitzt, der gleich oder kleiner als der Brechungsindex der zweiten Mantelschicht (105, 205, 305) ist.
Halbleiterlaserelement nach Anspruch 1, bei dem die Abstandshalterschicht (109, 209, 309) eine Trägerdichte besitzt, die niedriger als eine Trägerdichte der zweiten Mantelschicht (105, 205, 305) ist.
Halbleiterlaserelement nach Anspruch 3, bei dem die Trägerdichte der Abstandshalterschicht (109, 209, 309) nicht höher als 1·10¹⁸ cm^–3 ist.
Halbleiterlaserelement nach Anspruch 4, bei dem die Trägerdichte des Grenzflächenabschnitts der Strom-/Licht-Einschlussschicht (110, 210, 310), der mit der Abstandshalterschicht (109, 209, 309) in Kontakt gebracht ist, nicht höher als 1·10¹⁸ cm^–3 ist.
Halbleiterlaserelement nach Anspruch 1, bei dem die Abstandshalterschicht (109, 209, 309) eine Dicke hat, die nicht kleiner als 0,05 μm und nicht größer als 0,5 μm ist.
Halbleiterlaserelement nach Anspruch 6, bei dem die Abstandshalterschicht (109, 209, 309) eine Dicke hat, die nicht kleiner als 0,1 μm und nicht größer als 0,3 μm ist.
Halbleiterlaserelement nach Anspruch 1, bei dem der Grenzflächenabschnitt der Strom-/Licht-Einschlussschicht (110, 310), der mit der Abstandshalterschicht (109, 309) in Kontakt gebracht ist, eine Dicke hat, die nicht kleiner als 0,05 μm und nicht größer als 0,5 μm ist.
Halbleiterlaserelement nach Anspruch 1, bei dem die Abstandshalterschicht (109) mit Störstellen dotiert ist, die hauptsächlich Kohlenstoff enthalten.
Halbleiterlaserelement nach Anspruch 1, bei dem die Ätzstoppschicht (106), die mit der Abstandshalterschicht (109) in Kontakt gebracht ist, mit Störstellen dotiert ist, die hauptsächlich Kohlenstoff enthalten.
Halbleiterlaserelement nach Anspruch 1, bei dem die zweite Mantelschicht (105) wenigstens auf Seiten der Abstandshalterschicht (109) mit Störstellen dotiert ist, die hauptsächlich Kohlenstoff enthalten.
Halbleiterlaserelement nach Anspruch 11, bei dem die zweite Mantelschicht (105, 305) in ihrem Abschnitt, der mit der aktiven Schicht (104, 304) in Kontakt gebracht ist, hauptsächlich mit von Kohlenstoff verschiedenen Störstellen dotiert ist.
Halbleiterlaserelement nach Anspruch 1, bei dem die zweite Mantelschicht (305) in ihrem Abschnitt, der mit der aktiven Schicht (304) in Kontakt gebracht ist, eine Trägerdichte besitzt, die höher als eine Trägerdichte ihres Abschnitts ist, der mit der Abstandshalterschicht (309) in Kontakt gebracht ist.
Halbleiterlaserelement nach Anspruch 1, bei dem die Strom-/Licht-Einschlussschicht (110, 210, 310) mit Störstellen dotiert ist, die hauptsächlich Silicium enthalten.
Halbleiterlaserelement nach Anspruch 1, bei dem die Ätzstoppschicht (106, 306) kein Aluminium enthält.
Halbleiterlaserelement nach Anspruch 1, bei dem die Ätzstoppschicht (106, 306) eine Dicke besitzt, die nicht kleiner als 1 nm (10 Å) nicht größer als 20 nm (200 Å) ist.