-
Diese Erfindung betrifft nach dem Bauteilwuchs unter Verwendung
Fremdatom-bewirkter Störung (IID) hergestellte Halbleiterlaser und im
besonderen die Herstellung und den Entwurf Von
Multiemitter-Halbleiterlaseranordnungen mit minimaler elektrischer und thermischer
Kreuzkopplung und hohem Wirkungsgrad, die für
Hochgeschwindigkeits-Rasterausgabescanner (ROS) und Laserdruckanwendungen nützlich sind.
-
Die Fähigkeit zur Herstellung dicht beabstandeter, unabhängig
adressierbarer Laserquellen ist für viele Anwendungen, zum Beispiel in der
Technologie optischen Platten, dem Laserdruck, bei optischen Verbin
dungen und bei der faseroptischen Kommunikation, wichtig. Oft ist es
wünschenswert, die Laserelemente einer Laseranordnung in möglichst
nahem Abstand zu haben, um den Entwurf optischen Systeme zu
Vereinfachen. Für optische Verbindungen, und besonders, wenn der Abstand
zwischen den Laserelementen nur wenige um beträgt, ist es in hohem
Maße erwünscht, die Bauteile mit ihrer P-Seite nach oben anzuordnen,
um die Trennung der elefrtrischen Verbindung zu den Laserbauteilen
zu Vereinfachen. Dieses erlegt jedoch der Bauteilleistung
Beschränkungen auf, um CW-Betrieb zu erreichen. Frühere Versuche wurden
unternommen, getrennte Kontaktierung der Laserelemente solcher Bauteile
Vorzusehen, aber diese Bauteile waren für CW-Betrieb untauglich.
Außerdem waren der optische und der Trägereinschluß ungenügend, um
Kopplung und Phasenverriegelung zwischen den Quellen zu Verhindern.
-
Annehmbare CW-Leistung wurden bei der Anordnung mit obenliegender
P-Seite mit geätzten und nachgewachsensen, vergrabenen
Heterostruktur-Lasern erzielt, aber Zuverlässigkeit und Ausbeute bleiben die
Hauptprobleme bei der Herstellung von Laseranordnungen hoher Dichte
mit diesem Verfahren.
-
Einzelemitter-Laser, allgemein aus dem III-V-Materialbereich, z.B.
GaAS/GaAlAs, haben einen Hohlraum mit höher konstruiertem
Brechungsindex, der zwischen Seitlich angrenzenden Bereichen mit vergleichbar
niedrigerem Brechungsindex gebildet ist. Es ist bekannt, solche
optischen Hohlräume mit Hilfe nicht-planarer Wachstumsverfahren, z.B.
einem Kanal oder Mesa in dem Lasersubstrat oder durch
Fremdatom-bewirkte Störung (IID), wie in US-A-4,378,255 gezeigt, herzustellen.
-
Wie dieses Patent lehrt, unterliegt eine Halbleiterstruktur, die eine
"Quantum-well", z.B. eine Mehrfach-Quantum-well, enthält, einer
Störung der Zusammensetzung infolge von Fremdatomdiffusion. Die
Diffusion einer Verunreinigung in räumlich getrennte Bereiche der
Quantumwell wird eine Vermischung von Al und Ga in der Quelle Verursachen,
so daß der mittlere Brechungsindex durch den Bereich dieser der
Störung durch Diffusion ausgesetzten Schichten im Vergleich zu
ungestörten Bereichen, einschließlich des zentralen Bereichs zwischen den
bestimmten räumlich getrennten Bereichen, einen niedrigeren
Brechungsindex haben wird. Der zentrale Bereich kann daher als optischer
Wellenleiterhohlraum zum Lasern und/oder zur Lichtausbreitung verwendet
werden.
-
Es wurde gezeigt, daß das Störungsverfahren mit Silizium-Fremdatomen
(Si-IID) imstande ist, vergrabene Heterostruktur-Laser mit niedriger
Schwelle mit Leistungs-Umwandlungsgraden in der Größe von 50% bei
normalen Leistungspegeln zu erzeugen. Dieser hohe Leistungsgrad
erlaubt es dieser Art von Bauteilen, mit der P-Seite nach oben
angeordnet uni im CW-Betrieb betrieben zu werden. Außerdem wurde gezeigt,
daß Laseranordnungen dieser Art mit Mittenabständen bis herunter zu
4 um mit einer Einzelkontakt-Adressierungselektrode ein hohes Maß
an Gleichmäßigkeit und keinen phasenverriegelten Betrieb als Folge des
durch die Si-IID bereitgestellten starken Brechungsindexes der
Wellenleitervorrichtung zeigen. Diese Technologie sollte deshalb auch in
Betracht gezogen werden für Laseranordnungen hoher Dichte, worin jedes
Laserelement unabhängig adressierbar ist, wenn die Probleme optischer
und elektrischer Kreuzkopplung, z.B. Modulations oder
Oszillationskreuzkopplung, zwischen unabhängig betriebenen Laserelementen in der
Anordnung keine ernsten Probleme für eine bestimmte Anwendung
darstellen oder wenn solche Probleme auf ein annehmbares Maß reduziert
werden können.
-
EP-A-0269359 offenbart einen Energiestrahl-bewirkten
Schichtstörungsprozeß, der auf die Herstellung von Halbleiter-Laseranordnungen
anwendbar ist.
-
Die Verwendung von LED-Anordnungen für Laserdrucker mit
Lichtpunktscannern oder Rasterausgabescannern (ROS) wurden zuvor, wie in US-
A-4,445,125 und 4,474,422 belegt, wegen ihrer kleinen Größe, dem
geringen Leistungsbedarf, der Langlebigkeit, der einfachen
Herstellung, der niedrigen Kosten und der Empfindlichkeit im
Infrarotspektrum zur Belichtung von Infrarot-Photorezeptoren vorgeschlagen, um
ein latentes elektrostatisches Bild auf der aufgeladenen
Photorezeptoroberfläche zu erzeugen oder zu schreiben. Es besteht auch der
Vorteil der gleichzeitigen Abtastung von mehr als einer Abtastzeile zu
einer Zeit mit zwei oder mehr Strahlen von einer monolithischen
Halbleiter-Laserquelle, wie in US-A-4,474,422 erläutert ist.
-
Es ist eine Hauptaufgabe dieser Erfindung, IID bei der
Bereitstellung hochdichter Anordnungen unabhängig adressierbarer Halbleitern
Laserquellen zu Verwenden, die besonders in ROS und
Laserdruckeranwendungen nützlich sind, und die auch in anderen Applikationen, z.B.
optischen Aufzeichnungs- und Wiedergabesystemen, anwendbar sind.
-
Erfindungsgemäß können monolithische hochdichte Anordnungen
unabhängig adressierbarer Halbleiter-Laserquellen oder -elemente in
dichterem Abstand plaziert werden als es zuvor möglich war, ohne eine
Phasenverriegelung zu erfahren und mit einem minimalen Betrag
zwischen den unabhängig adressierten lasernden Elementen auftretender
elektrischer und thermischer Wechselwirkung oder Kreuzkopplung und
ohne ihre unabhängige Funktion zu stören.
-
Die unabhängig adressierbare Halbleiter-Laseranordnung dieser
Erfindung, wie in Anspruch 1 bestimmt, umfaßt eine Mehrzahl
Halbleiterschichten mit mindestens zwei in räumlich getrennten Optischen
Hohlräumen angeordneten lasernden Elementen, wobei die Schichten einen
Aktivbereich zur Lichtwellenerzeugung und -verbreitung unter lasernden
Bedingungen enthalten. Fremdatom-bewirkte Störung (IID) wird durch
den Aktivbereich hindurch in Bereiche hinein durchgeführt, um
gestörte Legierungsbereiche zu erzeugen, die sich seitlich angrenzend
und zwischen räumlich getrennten und ausersehenen Optischen Hohlräumen
befinden. Die Tiefe dieser gestörten Bereiche ist ausreichend, um
die lasernden Elemente optisch zu isolieren, damit sie nicht in
phasenverriegeltem Zustand arbeiten. Ferner ist eine Barriere zwischen
den lasernden Elementen gebildet, die sich eine ausreichende Strecke
in die Anordnung hinein erstreckt, um die einzelnen lasernden
Elemente elektrisch zu isolieren. Die Kombination der gestörten
Legierungsbereice und der Barrieren sorgt für eine dichte Nähe der
lasernden
Elemente mit minimaler elektrischer und thermischer Kreuzkopplung
bezüglich der unabhängigen Funktion der einzelnen lasernden Elemente.
Der Mittenabstand der lasernden Elemente kann ohne unzulässige
elektrische, optische oder thermische Kreuzkopplung im Bereich von 3 bis
10 um liegen. Der Übergangswiderstand zwischen den lasernden Elementen
kann z.B. in der Größenordnung Von 15 MX sein. Es sind Einrichtungen
vorgesehen, um das Ausmaß des Parasitischen Übergangs in den lasernden
Elementen zu Vermindern, wobei deren Tiefe auf die Tiefe der
elektrisch isolierten Barriere begrenzt ist. Im Fall von Laseranord
nungen, die mehr als zwei dicht beabstandete Laserelemente
enthalten, müssen in den Pumpkontakten zu jedem Laserelement einzigartlge
Konstruktionsmerkmale enthalten sein, um auf die unabhängige
Adressierung jedes Laserelements nicht störend einzuwirken.
-
Die vorliegende Erfindung wird nun als Beispiel mit Bezug auf die
begleitenden Zeichnungen beschrieben.
-
Fig. 1 stellt eine Schematische Seitenansicht einer ersten
Ausführung einer Halbleiter-Laseranordnung dieser Erfindung mit zwei
lasernden Elementen dar;
-
Fig. 2 ist eine vergrößerte Darstellung eines der in Fig. 1 gezeigten
lasernden Elemente;
-
Fig. 3 ist eine Ersatzschaltung der in Fig. 1 gezeigten
Laseranordnung;
-
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung von Kennlinien der Optischen
Leistung gegenüber dem Pumpstrom für einen hergestellten Zweistrahl
laser des in Fig. 1 gezeigten Typs;
-
Fig. 5 ist ein Fernfeldmuster für einen hergestellten
Zweistrahllaser des in Fig. 1 gezeigten Typs;
-
Fig. 6 ist ein Nahfeldmuster für einen hergestellten Zweistrahllaser
des in Fig. 1 gezeigten Typs;
-
Fig. 7 ist eine Draufsicht einer anderen Ausführung einer Halbleiter-
Laseranordnung dieser Erfindung mit vier lasernden Elementen, die den
Umfang einer an dieser Laseranordnung durchgeführten
Barriereimplantation Veranschaulicht;
-
Fig. 8 ist eine Draufsicht der Metallkontaktgeometrie zur unabhängigen
Kontaktierung und Adressierung der vier lasernden Elemente der in
Fig. 7 gezeigten Ausführung;
-
Fig. 9 ist eine Schnittansicht der Halbleiter-Laseranordnung von Fig.
7 und 8 entlang der Linie 9-9 in Fig. 7
-
Fig. 10 ist eine andere graphische Darstellung der Kennlinie der
optischen Leistung gegenüber dem Pumpstrom für unabhangigen CW-Betrieb
eines Zweistrahllasers des in Fig. 1 gezeigten Typs, worin die
lasernden Elemente im wesentlichen gleiche Leistungs/Strom-Eigenschaften
haben; und
-
Fig. 11 ist eine andere graphische Darstellung der Kennlinie der
optischen Leistung gegenüber dem Pumpstrom für unabhängigen und
Zweifachbetrieb eines Zweistrahllasers des in Fig. 1 gezeigten Typs, worin ein
laserndes Element ohne wesentliche Änderungen seiner
Betriebseigenschaften im CW-Betrieb betrieben wird, während das andere lasernde
Element abwechselnd AUS und im CW-Betrieb betrieben wird.
-
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführung einer monolithischen hochdichten
Anordnung 10 unabhangig adressierbarer Halbleiter-Laserquellen, die
diese Erfindung einschließt. Anordnung 10 umfaßt ein Substrat 12 aus
n-GaAs, auf dem eine Plattierungsschicht 14 aus n-GA1-xAlxAs
epitaktisch aufgebracht ist; einen Aktivbereich 16, der undotiert oder
p-Typ dotiert oder n-Typ dotiert ist und eine relativ dünne,
herkömmliche Doppelheterostruktur-(DH)-Aktivschicht, oder eine einzelne
Quantum-well aus entweder GaAs oder Ga1-yAlyAs, wo y sehr klein ist und
x> y, oder eine Mehrfach-Quantum-well-Struktur aus abwechselnden
Quellenschichten aus GaAs oder Ga1-yAlyAs und entsprechenden
Barriereschichten aus entweder AlAs oder Ga1-y,Aly,As, wo x, y'> y, oder
eine getrennte Einzel- oder Mehrfach-Quantum-well-Struktur in einem
getrennten Einschlußhohlraum umfaßt; eine Plattierungsschicht 18 aus
p-Ga1-zAlzAs, wo x, z, y'> y; und eine Abdeckschicht 20 aus p&spplus; GaAs.
Die Epitaxie kann durch MOCVD erfolgen.
-
Es ist eine Notwendigkeit in der Praxis dieser Erfindung, dar die
Multiemitter der Laseranordnung 10, dargestellt durch die Facetten-Emis
sionspunkte 17, dicht beieinander sind, aber nicht in
phasenverriegeltem Zustand arbeiten. Dies ist, um sicherzustellen, daß die
Emission
von zwei oder mehr die Laseranordnung umfassenden Elementen
unabhängig adressierbar sein kann, trotz ihrer hohen Packungsdichte, die
erforderlich ist, um auf einer Bildebene, wie im Fall eines
Photorezeptors eines Druckers, zu fokussieren, um eine ausreichend dichte
Reihe van Pixels zu bilden, die für eine gute Druckauflösung
erforderlich ist.
-
Als Beispiel typischer Schichtdicken kann die Plattierungsschicht
14 im Bereich von 0.5 bis 1.5 um sein, und die Aktivschicht 16 kann
eine dünne herkömmliche Aktivschicht mit einer Dicke Von z.B. im
Bereich 50 mm bis 300 nm sein oder aus einer Übergitterstruktur mit
Quantum-wells aus GaAs bestehen, die etwa 3 nm bis 50 nm dick sein
kann, und die Barriereschichten aus Ga1-y'Aly'As können etwa 1 nm
bis 15 mm dick sein, wobei y'im Bereich von 0.1 bis 1.0 um liegt.
Die Plattierungsschicht 18 kann eine Dicke im Bereich von 0.1 bis
1.0 um haben. Die Abdeckschicht 20 kann im Bereich von 0.1 bis 1.5 um
liegen. Eine wirklich hergestellte Anordnung 10 umfaßt ein n-GaAs-
Substrat 12, gefolgt von einer 0.7 um dicken n-GaAs-Pufferschicht
(nicht dargestellt), einer 0 7 um dicken n-Ga0.8Al0.2As
Pufferschicht (nicht dargestellt), einer 1.4 um dicken n-Ga0.6Al0.4As
Plattierungsschicht 14, einem 66 mm dicken
Mehrfach-Quantum-Aktivbereich 16 und umfasend vier zwischen drei 0.9 um dicken
Barriereschichten aus Ga0.6Al0.4As gelegte GaAs-Quellen, einer 1.4 um
dicken p-Ga0.6Al0.4As Plattierungsschicht 18 und einer 0.1 um
dicken Abdeckschicht 20 aus p-GaAs.
-
Um einen Multiemitter-Arraylaser zu bilden, in dieser besonderen
Ausführung ein Zweistrahlemitter, werden Fremdatom-bewirkte (IID)
Störungsverfahren verwendet, z.B. Diffusionsstörung oder
Implantations/Wärmebehandlungsstörung. Es sollte hier bemerkt werden, daß diese
Störungsarten nicht auf Arten beschränkt sind, die traditionell als
Verunreinigungen angesehen werden, sondern auch auf beliebige andere
Arten ausgedehnt werden können, die den Kristall entweder durch
Diffusion stören oder den Kristall durch Implantation beschädigen,
wobei die nachfolgende Hochtemperatur-Wärmebehandlung des beschädigten
Kristalls den gewünschten gestörten Kristall erzeugt.
-
Um eine Multiemitter-Laseranordnung 10 zu bilden, wird eine Si&sub3;N&sub4;
Maske auf den oberen Bereichen von Schicht 20 mit Öffnungen gebildet,
die Bereiche der Laserstruktur für IID-Verfahren freilegen. Optische
Hohlräume und Stromeinschluß werden für die lasernden Elemente 13A
und 13B durch selektive Diffusion einer hochkonzentrierten n-Typ
derunreinigung in durch den Maskierungsvorgang frei gelegte Bereiche der
Laserstruktur errichtet. Zum Beispiel kann Siiizium bei einer
Temperatur oberhalb 800º für eine ausreichende Dauer in einer
halbgeschlossenen Graphitwanne, die geeignete Diffusionsquellen enthält, selektiv
eindiffundiert werden. Diese Art von Prozeß würde typischerweise in
einem Wasserstofffluß erfolgen. Die Diffusion von Silizium in den
Quantum-well-Aktivbereich 16 verursacht eine Vermischung von Al und Ga
in dem GaAs-GaAlAs in dem Aktivbereich, die in einer GaAlAs Legierung
aus gemittelter AlAs Molfraktion resultiert, die in Fig. 1 als
IID-Bereiche 28 dargestellt sind. Im Fall einer dünnen Aktivschicht aus GaAs
oder einer einzelnen Quantum-well-Schicht aus GaAs oder Ga1-yAlyAs
ist die Vermischung zwischen Ga in der Aktivschicht und Al in der
angrenzenden Plattierungsschicht 18 aus Ga1-zAlzAs. Im Fall einer
Mehrfach-Quantum-well-Struktur erfolgt die Vermischung von Al und Ga
hauptsächlich zwischen der Quelle und den Barriereschichten, erstreckt
sich aber auch auf eine oder mehrere der
Legierungs-Plattierungsschichten 14 und 18. Die Diffusion von Silizium erfolgt bei einer
Temperatur von z.B. 850ºC und wird für eine ausreichend lange Dauer,
z.B. einige Stunden, aufrechterhalten, um die Aktivschicht 16 zu
durchdringen, wie bei den Punkten 29 angezeigt wird. In dem obigen
Beispiel beträgt die Tiefe der gestörten Bereiche 28 etwa 1.5 um
und die Breite etwa 8 um. Die lasernden Elemente oder Quellen 13
können einen Mittenabstand von etwa 10 um haben, und der Aktivbereich
16A kann etwa 2 um breit sein.
-
Nach dem Bilden der Bereiche 28 wird eine p-Typ Zinkdiffusion 21 über
der gesamte Oberfläche der Struktur zu einer bei 23 angezeigten Tiefe
durchgeführt. Dieses liefert guten ohmischen Kontakt und vermindert
den Reihenwiderstand durch die lasernden Elemente 13. Dann werden,
wie in Fig. 1 bei 25A, 25B und 25C gezeigt, elektrisch isolierenae
Barrieren selektiv eingefügt. Diese Barrieren 25 können z.B. durch
Protonenbombardierung bis zu einer über die Zinkdiffusion 21
hinausgehenden Tiefe erzeugt werden und bilden den Strompumpkanal 32, der
etwa 4 oder 5 um breit sein kann. Barriere 25B zwischen den lasernden
Elementen 13 ist ein wichtiges Merkmal, um ein Maß an elektrischer
Trennung zwischen diesen Emittern oder Quellen bereitzustellen, das
ausreicht, eine unabhängige Funktion ohne elektrische oder
thermische Kreuzkopplung zu erlauben. Das hier gegebene Beispiel betreffend
kann die Tiefe der Barrieren 25 z.B 0.3 bis 0.5 um betragen.
-
Photolithographische Standard-Liftoff-Verfahren werden Verwendet, um
die Cr-Au-Metallisierungsmuster zu erzeugen, die separate
Pumpkontakte zum getrennten Pumpen der lasernden Elemente 13A und 13B bilden
Die Kontaktierung wird mit dem Aufbringen des Metallkontakts 26 an
der unteren Oberfläche von Substrat 12 beendet.
-
Die Anordnung Silizium-diffundierter Bereiche 28 dient der Funktion
der mindestens teilweisen Störung der Quantum-well-Struktur in dem
Aktivbereich 16. Die resultierende Laserstruktur in der Ebene der
Aktivschicht 16 ist so, daß Bereiche höherer Indexführung in den
ungestörten Bereichen des Aktivbereichs 16 Verbleiben. Die Bereiche
der lasernden Elemente 13 liefern wegen eines im Vergleich zu
angrenzenden gestörten Bereichen 28 des Aktivbereichs 16 höheren
Breschungsindexes eine erhöhte Wellenleitung. Gemäß Fig. 2 stellen ferner
die IID n&spplus; Bereiche 28 an der Grenze der
Hochaluminium-Plattierungs-Schicht 14 einen p-n-Übergang 19 bereit, der im Vergleich zu dem p-n-
Übergang 15 in der Nähe der Aktivbereiche 16 eine höhere
Schaltspannung hat. Da der Bandabstand des Materials bei den Übergängen 19
Wesentlich größer ist als bei den Aktivbereichübergängen, leiten die
Übergänge 19 wesentlich weniger Strom bei einer gegebenen
Übergangsspannung als die lasernden Übergänge 15. Deshalb ist der Leckstrom
durch den Hochaluminium-Übergang 19 nur einer kleiner Bruchteil des
Gesamtstroms durch das lasernde Element und verschlechtert die
Leistung des Bauteils nicht wesentlich, besonders, weil die seitliche
Ausdehnung von Übergang 19 auf ein viel kleineres Ausmaß reduziert
wurde, wegen der Bildung der Barrieren 25A, 25B und 25C, die die
Bereiche dieses Übergangs beschädigen und sie elektrisch isolierend
machen, so daß sie keinen Strom ziehen.
-
Fig. 4 zeigt die Eigenschaften der optischen Ausgangsleistung über
dem Pumpstrom für einen hersgestellten Zweistrahllaser 10 in Fig.
für die Elemente 13A und 13B, worin die Hohlraumseparation etwa 10
um beträgt. Wie gezeigt, ist die Ausgangsleistung bei ändernden
Strömen praktisch die gleiche, weicht aber bei einer Zunahme des
Pumpstroms
leicht ab. Zum Beispiel ist bei 15 mA der Ausgang von Element
13A 5.2 mW und für Element 13B 4.8 mW. Der Ausgang bei 30 mA ist für
Element 13A 10.8 mW und für Element 13B 16.3 mW. Fig. 5 und 6 zeigen
jeweils die Fern- und Nahfeldemissionsmuster für diesen Laser 10.
-
Ein wichtiger Aspekt dieser Erfindung ist die Eliminierung oder
Verminderung auf annehmbare Werte von Kreuzkoppiung und Interferenz bei
Hochgeschwindigkeitsmodulation und CW-Oszillation im Betrieb eines
Zweistrahllasers 10, der nahe beabstandete Emitter, z.B. im Bereich
von 3 - 6 um enthält. Für Druckanwendungen ist es nötig, daß
Modulatlons-Kreuzkopplung nicht auftritt, weil alle Änderungen im
Lichtausgang eines Laserelements relativ zur Modulation des anderen, z.B.
erhöhen oder vermindern des Lichtausgangs eines Laserelements wegen
Anstiegs oder Abfalls in der Modulation des anderen Laserelements,
die Qualität und Auflösung der Bildformung auf einer
Drucker-Photorezeptoroberfläche beeinträchtigen werden. Auch
Oszillations-Kreuzkopplung, d.h. die Änderung der Intensität, gewöhnlich ein Abfall der
Helligkeit eines Laserelements wegen der gleichzeitigen
CW-Oszillation des anderen Laserelements, kann solange hingenommen werden, als
der maximale Helligkeitsabfall klein ist, z.B. 2 % oder weniger. Bei
mit 32 Punkten/mm von einem ROS-Drucker erzeugten
Photorezeptorabbildungen gilt ein kleinerer Toleranzwert der Helligkeitsänderung. Bei
Laserdruckern ist es erwünscht, daß die Differenz des
Oszillationsschwellstroms Delta Tth zwischen zwei solchen Laserelementen 13A und
13B minimiert wird, weil, wenn die Differenz des Schwellenstroms
zunimmt, die Lichtintensität n einen Laser abnimmt, wenn der andere
CW-oszilliert.
-
Fig. 3 zeigt die Ersatzschaltung für Laser 10. Messungen des
Kopplungswiderstands 33 zwischen den Laserelementen 13A und 13B können z.B.
zwischen 15 bis 19 MX liegen. Die Kopplungskapazität 36 kann für 1 MHz
z.B. etwa 0.1 bis 0.5 pF betragen. Der Reihenwiderstand 34 und 35
durch jedes Laserelement 13A bzw. 13B ist etwa 8 X. Es ist wichtig
zu bemerken, daß dieser Reihenwiderstand den insgesamt erzielbaren
Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung bestimmt. Da oberhalb der
Lasing-Schwelle die Lichtausgangsleistung in linearem Bezug zu dem
Eingangsstrom steht, wogegen die ohmschen Leistungsverluste P I² R, in
quaratischer Beziehung zu dem Eingangsstrom des Laserelements stehen,
werden bei ausreichend hohen Eingangsströmen die ohmschen Verluste
letztlich über die Lichtausgangsleistung dominieren. Der Reihenwider
stand ist daher ein wichtiger Parameter, wenn die Bauteilleistung
für Laserbauteile mit niedriger Schwelle spezifiziert wird. Oft ist
es der Fall, daß die Verwendung schmaler Lasing-Fäden zum Erreichen
niedriger Schwellenströme übermäßig hohe Reihenwiderstände zur Folge
hat, die erzielte Verstärkungen beim Erlangen von Bauteilen mit
niedrigerem Schwellenstrom verneinen. Der für Laser 10 erreichte hohe
Leistungs-Wirkungsgrad von 45% ist größtenteils wegen des niedrigen
Reihenwiderstands von 8 X. Der Übergangs- oder Kopplungswiderstand von
15 MX ist eine Folge des hohen Widerstands der Protonenimplantation
durch die Abdeckschicht 20, die sich zu einer Tiefe von etwa 500 nm
in den Bereich zwischen den Emittern oder Elementen 13A und 13B mit
einer Kreuzkopplungs-Kapazität von 0.5 pF erstreckt
-
Zweistreifen-Laser 10, hergestellt mit dicht beabstandeten Emittern,
z.B. 10 um Mittenabstand oder weniger, die geringere Werte für den
Querwiderstand 33 haben, bis zu 1.4 X, wie berichtet, werden
übermäßige Hochgeschwindigkeitsmodulation-Kreuzkopplung haben, d.h. die
Flußspannung eines Laserelements wird, wenn das andere Laserelement
eingeschaltet wird, über die Schwelle ansteigen, und die Helligkeit
des Laserelements nimmt daher ab und nimmt ferner in der Helligkeit
zu und fällt in der Flußspannung ab, wenn das andere Laserelement
ausgeschaltet wird. Zu diesem Beispiel siehe den Artikel von Y.
Tokuda et al, "Dual Wavelength Emission From a Twin Stripe Single
Quantum well Laser", Applied Physics Letters, Vol. 51(21), Seiten
1664-1666, 23. November, 1987. Daher ist es wichtig, daß der
Kopplungswiderstand ausreichend hoch und die Kopplungskapazität
ausreichend niedrig ist, um Modulations- und CW-Oszillations-Kreuzkopplung
auf einen für Photorezeptor-Druckeranwendungen annehmbaren Pegel
angemessen zu unterdrücken.
-
Trotzdem werden immer zackenartige Spitzenabweichungen der
Helligkeit bei der Modulation eines Laserelements relativ zu dem anderen
erfahren. Der tolerierbre Wert bei solchen Spitzenabweichungen der
Helligkeit bei normalem Photorezeptor-Bilddruck mit 32 Punkten/mm
beträgt etwa 4% der Helligkeit die ausreichend ist, um zwei Pixels
bei dem elektrostatischen Druckbild einzuschalten. Laser 10 bringt
es bei einer Modulation von 5 MHz und einem Pumpstrom von 17 mA auf
etwa 1.7% der gesamten Einschalt-Lichtintensität, was recht
zufriedenstellend
ist. Es ist jedoch klar, daß der wichtige Faktor darin
besteht, daß das Verhältnis zwischen der Querverbindungsimpendanz 33
und 36 relativ zu dem Reihenwiderstand 34 und 35 ausreichend oder
signifikant groß ist, um einen vernachlässigbaren Stromfluß über die
Impedanz 33 und 36 zu liefern, was eine vernachlässigbare Wirkung bei
CW- oder Impulsbtrieb beider Lasing-Elemente infolge der Funktion des
anderen Lasing-Elements zur Folge hat.
-
Eine andere Form der Kreuzkopplung, die im Fall von dicht
beabstandeten, unabhängig adressierbaren Laserelementen in einer
Laseranordnung zu berückstigen ist, ist thermische Kreuzkopplung Von der
Funktion eines Laserelements erzeugte Wärme wird thermisch zu dem anderen
Laserelement diffundieren und dessen optische Leistungsabgabe durch
Erhöhen der Betriebstemperatur vermindern. Eine solche thermische
Kreuzkopplung ist wegen ihrer Abhängigkeit von der momentanen
Leistung jedes Laserelements 13A und 13B und der Ausgangsleistung des
anderen Elements, mit der es zuvor für unterschiedliche Zeitdauern
betrieben wurde, schwierig zu kompensieren Es wurden jedoch Versuche
durchgeführt, die anzeigen, daß thermische Kreuzkopplung zwischen den
Lasing-Elementen 13A und 13B nicht signifikant ist. In diesem
Zusammenhang zeigt Fig. 10 die Kennlinie des Lichtausgangs über Strom für
beide unabhängig betriebenen Lasing-Elemente 13A und 13B, und die
resultierenden Kennlinien sind im wesentlichen die gleichen, d.h. sie
sind Übereinandergelegt Fig. 11 zeigt den CW-Betrieb für Lasing-
Element 13B, wenn der Strom zu Lasing-Element 13A Aus oder Null ist,
und ferner, wenn der Strom zu Lasing-Element 13A bei Cw-Betrieb
oberhalb der Schwelle, z.B. bei 13 mA, liegt. Zu bemerken ist, daß die
zwei Ausgangskurven für Lasing-Element 13B für die zwei Bedingungen,
wenn Lasing-Element 13A Aus und CW ist, im wesentlichen übereinander
gelegt sind. Solch eine Vernachlässigbare Verschiebung in den
Betriebskurven zeigt eine minimale Erwärmung von Lasing-Element 138
wegen der dichten Nähe des CW-Betriebs Von Lasing-Element 13A an.
Diese niedrige Pegel thermischer Kreuzkopplung ist direkt dem
Niederleistungs-Betrieb und dem hohen Wirkungsgrad des
Zweistrahl-Lasers 10 zuzuschreiben.
-
Mit den Verfahren dieser Erfindung können Selbstverständlich mehr als
zwei dicht beabstandete Emitter im Bereich von 3 - 10 um hergestellt
werden. Fig. 7 - 9 zeigen Merkmale einer solchen Multiemitter-Laser
anordnung, die vier Emitter umfaßt. Das Problem, das vor mehreren
Emittern steht, besteht darin, wie vier Emitter unabhängig zu
kontaktieren sind, um in der Lage zu sein, vier Verschiedene Emitter
in dichter räumlicher Anordnung unabhängig zu adressieren, ohne in
unerwünschte elektrische und thermische Wechselwirkung oder
Kreuzkopplung zwischen den unabhängig adressierten Lasing-Elementen zu
geraten. Das in diesen Figuren Veranschaulichte Schema löst dieses
Problem.
-
Fig. 7 zeigt eine Draufsicht des Vierstrahl-Lasers 40 mit der
gleichen Querschnittscharakterisierung wie für Laser 10 in Fig. 1 offenge
legt, wie Fig. 9 zeigt, außer daß Laser 40 vier Lasing-Elemente 42A,
428, 42C und 42D anstelle von zwei solchen Elementen enthält und einen
Aktivbereich enthalten kann, der eine einzelne Aktivschicht oder eine
Einzel-Quantum-well oder eine Übergitter-Struktur, z.B. abwechselnde
Schichten aus GaAs und Ga1-yAlyAs, wie in Fig. 9 dargestellt,
umfaßt.
-
Fig. 7 zeigt schraffiert das Muster 44 umfassend eine flache
Ionenoder Protonenimplantation sowohl zum Zweck der elektrischen Isolation
der Emitter untereinander als auch zum Bilden einer Plattform zur
Herstellung vier unabhängiger Metallkontakte, einen für jeden Laser-
Emitter. Diese elektrische Emitterisolation wird durch Implantations
bereiche 46 gebildet, die durch den durch die bei 23 in Fig. 2
gezeigte p-Typ (Zn)-Diffusion gebildeten parasitischen Übergangsbereich
verlaufen. Ferner werden Implantationsübergangsbereiche 48 kleiner
Breite quer zu den Emittern 42A und 42D gebildet, um diese Bereiche
für die Übergangs-Kontaktverbindung der Emitter 42B und 42C sehr
hochohmig zu machen, wie unten verdeutlicht wird. Die Tiefe des
Implantationssmusters 44 kann z.B. etwa 300 nm betragen.
-
Nachdem Implantationsmuster 44 ausgeführt ist, wird in einer in Fig.
8 gezeigten Konfiguration ein Metallisierungsmuster über dem Muster
44 gebildet. Zu bemerken ist, daß das Metallisierungsmuster, z.B. eine
Cr-Au Doppelschicht, vier Kontakte 50A, 50B, 50C und 50D für die
betreffenden Emitter 42A, 42B, 42C und 42D umfaßt. Kontakte 50A und 50D
haben äußere Bondierungspfade 51, die mit jeweiligen abgezweigten
Streifen 53 und 55 zum Strompumpen der Emitter 42A bzw. 42B verbunden
sind. Kontakte 50B und 50C haben Bondierungspfade 52, die mit
Kontaktstreifen
54 und 56 über Metallverbindungsbrücken 58 Verbunden sind.
Die Kontaktstreifen 53 und 55 sind deshalb gabelförmig, um den
Durchgang der Impantations-Übergangsbereiche 48 und der Metallbrücken 58
unterzubringen.
-
Die Breite der Übergangsbereiche 48, d.h. ihre Breite in Richtung der
Emitter 42, sollte so kurz wie möglich hergestellt werden, um die
seitliche Diffusion von Trägern, angezeigt durch Pfeile 60 in Fig. g,
während des Strompumpens und der Trägerinjektion in den Aktivbereich
16 über den Gabelkontakt 55 zu erlauben. Wenn diese Breite ausreichend
kurz ist, wird die Trägerdiffusion unter den isolierenden
Übergangsbereichen 48 für im wesentlichen gleichmäßiges Pumpen entlang der
gesamten Hohlraumlänge der äußeren Lasing-Elemente 42A und 42D sorgen,
d.h. einschließlich der Abschnitte des Aktivbereichs 16 unter den
Bereichen 48. Wenn jedoch die Breite des Bereichs 48 kleiner wird, wird
der Reihenwiderstand durch diese Brücke größer gemessen an den hohen
Pumpstromwerten von z.B. 10 - 30 mA. Deshalb sollte dieser Bereich
nicht so klein sein, daß der Reihenwiderstand auf einen unannehmbaren
Wert ansteigt. Ein Beispiel einer Übergangsbrücke innerhalb
annehmbarer Grenzen kann eine Tiefe von 0.3 um bei einer Querlänge über
einem äußeren Laser-Element 42A oder 42D von etwa 15 um bei einer Breite
von etwa 4 um sein. Der berechnete Reihenwiderstand würde etwa 0.3 X
betragen. Im Fall eines Übergangsbereichs 48 mit den gleichen
Abmessungen wie oben, aber mit einer kleineren Breite von 1 um, würde der
Reihenwiderstand größer als oder ungefähr 1 X sein.