DE69027368T2

DE69027368T2 - Halbleiterlaser und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE69027368T2
Application number: DE69027368T
Authority: DE
Inventors: Haruo Hosomatsu; Takeshi Inoue; Hideto Iwaoka; Yi Luo; Yoshiaki Nakano; Kunio Tada
Original assignee: Optical Measurement Technology Development Co Ltd
Current assignee: Optical Measurement Technology Development Co Ltd
Priority date: 1989-06-30
Filing date: 1990-06-29
Publication date: 1997-01-30
Anticipated expiration: 2010-06-30
Also published as: US5077752A; EP0406005B1; EP0406005A2; EP0406005A3; DE69027368D1

Description

[Technisches Gebiet]

Diese Erfindung bezieht auf einen Halbleiterlaser, der als elektrooptischer Umsetzer verwendet wird, und das Herstellungsverfahren desselben.
Diese Erfindung ist geeignet für die Verwendung als eine Lichtquelle für optische Kommunikationssysteme, optische Informationsverarbeitungssysteme, optische Speichersysteme, optische Meßinstrumente und andere optoelektronische Geräte.

[Hintergrundtechnik]

Weitbekannt ist ein Halbleiterlaser mit verteilter Rückkopplung, der seine aktive Schicht dazu bringt, stimulierte Emissionen durch verteilte Lichtrückkopplung zu erzeugen, wobei ein Beugungsgitter nahe der aktiven Schicht ausgebildet ist. Da der Halbleiterlaser mit verteilter Rückkopplung relativ einfach die stimulierte Emission mit exzellenten spektralen Lasercharakteristiken erzeugt, und die Laserwellenlänge durch die Teilung des Beugungsgitters gesteuert werden kann, ist seine Anwendung als Lichtquelle über weite Entfernungen und optische Kommunikationssysteme mit hoher Kapazität und andere optoelektronische Geräte vielversprechend, welche entweder optische Einzelmodusfasern oder Wellenlängenteilungsmultiplexbetrieb verwenden.
Verteilte Lichtrückkopplung in den konventionellen Lasern ergibt sich durch Bilden einer transparenten Lichtführungsschicht nahe einer aktiven Schicht unter Ausbildung von gewellten Formen mit einem Querschnitt, der ähnlich Dreieckswellen auf der anderen Seite derselben als die Seite nächst der aktiven Schicht ist, und periodisches Ändern des scheinbaren Brechungsindex der Lichtführungsschicht. Die Struktur ist populär bekannt und beschrieben beispielsweise in Denshi-Joho- Tsushin Handbook, Seiten 984 - 985, ein allgemeines Handbuch, das von Ohm Sha, Japan 1988, veröffentlicht wurde. Der Halbleiterlaser dieser Struktur kann jedoch nicht eine adäquate Rückkopplung in der optischen Phase bezüglich Licht der Bragg-Wellenlänge leiten, das entsprechend der Periode der Änderungen in der Schichtdicke in der lichtführenden Schicht erzeugt wird, um dadurch Stopbänder in der Zone der Bragg-Wellenlänge zu bewirken. FIG. 1 zeigt dieses Phänomen.
Im einzelnen ist FIG. 1 eine Graphik, in der die Laserwellenlänge in normalisierten Werten auf der Horizontalachse und die spektrale Intensität in Relativwerten auf der Vertikalachse aufgetragen sind. Die Graphik zeigt, daß es ein Phänomen gibt, welches zwei isolierte Längsmoduslaserwellen bei zwei im wesentlichen symmetrisch beidseits der Bragg- Wellenlänge liegenden Wellenlängen hervorruft. Es war empirisch aus verschiedenen Tests bekannt, daß es schwierig ist, praktische Halbleiterlaser so zu konstruieren und herzustellen, daß eine der beiden Längsmoduslaserwellen erzeugt wird oder auf eine von ihnen eingestellt wird. Die Produktionsausbeute kann aus dem obigen Grunde nicht erhöht werden.
Um das Problem zu lösen, wurde eine Struktur vorgeschlagen, welche das Beugungsgitter in der Phase um ein Viertel einer Wellenlänge etwa im Zentrum derselben phasenverschiebt. Dies erhöht die Verstärkungsdifferenz zwischen zwei Längsmoden bei zwei Wellenlängen, um dadurch die Einstellung des Lasermodus auf eine zu ermöglichen. Die Struktur erfordert jedoch einen speziellen Herstellungsprozeß wegen der komplizierten Form des Beugungsgitters. Die Struktur ist ferner nachteilig, da sie eine Anti-Reflexionsbeschichtung auf der Facette einer Laserdiode benötigt, womit die Anzahl der Herstellungsschritte vergrößert und die Herstellungskosten aufgeblasen werden. Der Halbleiterlaser dieser Struktur ist auch in dem genannten Handbuch beschrieben.
"Coupled-Wave Theory of Distributed Feedback Lasers" von Kogelnik et al., Journal of Applied Physics, 1972, Band 43, Seiten 2327 - 2335, präsentiert eine Basistheorie, daß zwar ein Stopband in der Bragg'schen Wellenlängenzone erzeugt wird, wenn verteilte Lichtrückkopplung durch Indexkopplung wie oben gegeben ist, wenn die verteilte Lichtrückkopplung durch Verstärkungskopplung basierend auf periodischer Störung des Verstärkungskoeffizienten geführt wird, eine Längsmoduslaserwirkung einer vollständig einzigen Wellenlänge erreicht werden sollte, ohne die Erzeugung irgendeines Stopbands. Das Papier ist eine theoretische Arbeit und gibt keine Beschreibung der Struktur von Halbleiterlasern noch der Herstellungsverfahren, um eine solche Verstärkungskopplung zu realisieren.
Einige der vorliegenden Erfinder hinterlegten eine Patentanmeldung für einen neuartigen Halbleiterlaser, eine Anwendung der Basistheorie von Kogelnik et al., am 30. Juli 1988 (JP-A-Sho 63-189593) (nachstehend als frühere Anmeldung bezeichnet).
Die Technik der früheren Anmeldung lehrt, eine nichttransparente Halbleiterschicht nahe einer aktiven Schicht vorzusehen, ein Beugungsgitter auf der nichtransparenten Schicht auszubilden und verteilte Rückkopplung einzuführen, basierend auf periodischer Störung des Verlustkoeffizienten der nichttransparenten Schicht.
Die obige Struktur realisiert die Komponente, welche die Theorie von Kogelnik et al. erfüllt, doch da dieses Verfahren eine nichttransparente Schicht nahe der aktiven Schicht für die Rückkopplung bildet, und da die nichttransparente Schicht einen Absorptionsverlust der Energie aufweist, wird die Energie, die für die Erzeugung der stimulierten Emission benötigt wird, unzweckmäßig groß.
Es wäre optimal, ein Beugungsgitter auf einer der Oberflächen der aktiven Schicht zu bilden und die Dicke der Schicht entsprechend den Wellungen des Beugungsgitters zu verändern in Richtung der Lichtwellen, um die verteilte Rückkopplung derart zu erzeugen, daß periodische Störung der Verstärkungskoeffizienten basierend auf der obigen Theorie hervorgerufen wird. Eine Veröffentlichung von Makamura et al. mit dem Titel "GaAs-GaAlAs Doublehetero Structure Distributed Feedback Diode Lasers", Applied Physics Letters, 1974, Band 25, Seiten 487 - 488, berichtet über das Resultat eines Experiments, Beugungsgitter direkt auf der aktiven Schicht eines Halbleiterlasers zu ätzen, obwohl dies nicht für den Zweck der Realisierung der Verstärkungskopplung erfolgte. Wenn jedoch die aktive Schicht geätzt wird, um eine als Beugungsgitter dienende Wellung zu erzeugen, bewirkt eine Serie von Prozessen für die Bildung der Wellung, nämlich die Unterbrechung des Wachstums, das Ätzen der Schicht und die Wiederaufnahme des Wachstums, daß Defekte in dem Halbleiterkristall in der Schicht auftreten. Der Defekt in dem Halbleiterkristall vergrößert die nicht-lichtemittierende Rekombination, so daß Halbleiterlaser unterlegener Effizienz erzeugt werden, die praktisch nicht einsetzbar sind.
Diese Erfindung wurde konzipiert, um solche Defekte, wie man sie im Stand der Technik antrifft, zu eliminieren, und zielt darauf ab, einen Halbleiterlaser zu realisieren, der verteilte Lichtrückkopplung geben kann mittels Verstärkungsfaktorkopplung, hauptsächlich basierend auf der periodischen Störung von Verstärkungskoeffizienten gemäß der Theorie von Kogelnik et al., anstatt basierend auf Indexkopplung mit der Tendenz, die Bildung von Stopbändern mit sich zu bringen.
Die Erfindung schafft einen Halbleiterlaser mit einer aktiven Schicht zum Erzeugen von Licht und mit einem Beugungsgitter für das Reflektieren des von der aktiven Schicht erzeugten Lichtes, um stimulierte Lichtemissionen zu erzeugen, welches Beugungsgitter eine genffelte Oberfläche der aktiven Schicht ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine geriffelte Pufferschicht auf einer geriffelten Oberfläche einer Supportschicht zwischen der geriffelten Oberfläche der aktiven Schicht und der geriffelten Oberfläche der Supportschicht liegt, welche Pufferschicht hinreichend dick ist, um die aktive Schicht gegen Defekte der Supportschicht zu isolieren, und hinreichend dünn ist, daß beide Oberflächen geriffelt sind.
Die Pufferschicht kann Defekte der Kristallstruktur auf der geriffelten Oberfläche der Supportschicht maskieren.
Vorzugsweise hat die Pufferschicht eine gleichförmige Dicke, wobei die Riffelungen auf ihren einander abgekehrten Oberflächen parallel zueinander sind und die Dicke der Pufferschicht vorzugsweise zwischen 0,01 und 1 µm liegt.
Vorzugsweise ist die aktive Schicht eine aufgebrachte Epitaxialschicht.
In einer Ausführungsform hat die Oberfläche der Supportschicht nahe der Pufferschicht rechteckige Riffelungen, wobei ein erster Teil der Pufferschicht die Senken in der Oberfläche der Supportschicht füllt und dreieckige Rippen auf den Projektionen der Oberfläche auf die Supportschicht bildet, und ein zweiter Teil der Pufferschicht liegt zwischen der aktiven Schicht und dem ersten Teil der Pufferschicht.
Die aktive Schicht kann eine einzelne Quantenquellschicht oder alternativ kann die aktive Schicht eine Mehrzahl von Quantenquellschichten alternierend mit Barriereschichten umfassen.
Die Supportschicht kann eine Plattierschicht sein, die dazu dient, erzeugtes Licht auf die aktive Schicht zu konzentrieren, oder alternativ kann die Supportschicht eine Schicht sein, ausgebildet auf einer Plattierschicht, die dazu dient, erzeugtes Licht auf die aktive Schicht zu bündeln.
Vorzugsweise sind die Supportschicht und die Plattierschicht Aluminiumgalliumarsenid-Legierungen, und der Anteil von Aluminium in der Supportschicht ist erheblich niedriger als der Anteil von Aluminium in der Plattierschicht.
Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlasers einschließlich des Schrittes des Ätzens einer Mehrzahl von Riffelungen in eine Oberfläche einer Supportschicht, des Schrittes des Aufwachsenlassens einer geriffelten Pufferschicht auf der Oberfläche der Supportschicht, wobei die Riffelungen der Supportschicht intakt gehalten werden, und des Schrittes des Aufwachsenlassens einer aktiven Schicht auf der geriffelten Pufferschicht, wobei die Pufferschicht hinreichend dick ist, um die aktive Schicht von Defekten in der Supportschicht zu isolieren, und hinreichend dünn ist, daß beide Oberflächen geriffelt sind.
Vorzugsweise ist die Aufwachsrate für die aktive Schicht niedriger als die Aufwachsrate der Pufferschicht, und vorzugsweise erfolgt das Aufwachsen der Pufferschicht mittels metallorganischer Dampfphasenepitaxie.
Vorzugsweise umfaßt der Schritt des Ätzens der Riffelungen in der Supportschicht Interferenzexposition und anisotropes Ätzen.
Vorzugsweise umfaßt der Schritt des Aufwachsens der Pufferschicht das Aufwachsen von Pufferschichtmaterial auf rechteckigen Riffelungen auf einer Oberfläche der Supportschicht unter Bedingungen, die zur Bildung von dreieckigen Riffelungen an der Oberfläche der Pufferschicht entfernt von der Supportschicht führen.
Vorzugsweise umfaßt der Schritt des Aufwachsens der Pufferschicht das Aufwachsen eines ersten Teiles unter Bedingungen, welche bewirken, daß ein Teil der Pufferschicht dreieckige Rippen auf Projektionen einer Oberfläche der Supportschicht mit rechteckigen Riffelungen bildet und Einsenkungen in dieser Oberfläche füllt, und das Aufwachsen eines zweiten Teils der Pufferschicht unter Bedingungen, welche den zweiten Teil der Pufferschicht dazu bringen, gleichförmig auf dem ersten Teil der Pufferschicht verteilt zu werden.
Das Verfahren zum Steuern der Aufwachsrate kann ein solches sein, das geeignet ist, eine Pufferschicht mit Aufrechterhaltung von deren geriffeltem Muster aufwachsen zu lassen und eine aktive Schicht so aufwachsen zu lassen, daß die Senken der Pufferschicht gefüllt werden.
Das Verfahren zum Aufwachsenlassen einer Pufferschicht ist vorzugsweise die metallorganische Dampfphasenepitaxie (MOVPE), ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die Erfinder stellten die Wirksamkeit der Molekularstrahlepitaxiemethode (MBE) fest und sind nun dabei, diesen Prozeß zu studieren. Es mag verschiedene andere Verfahren zum Aufwachsenlassen einer Schicht mit Beibehaltung ihrer Riffelungen geben, und irgendeine derselben kann die Erfindung realisieren.
Das Riffelungsmuster entsprechend dem Beugungsgitter kann direkt auf eine Plattierschicht geätzt werden, die vorgesehen ist, um Licht einzuschließen, oder auf eine andere Halbleiterschicht, die auf einer Oberfläche der Plattierschicht vorgesehen ist.
Das Verfahren, das Riffelungsmuster auf der Halbleiterschicht zu ätzen, kann vorzugsweise das Interferenzexpositionsverfahren oder Elektronenstrahlexpositionsverfahren und anisotrope Ätzverfahren umfassen.
Es ist bevorzugt, die Senken und Vorsprünge der Riffelungen beim Aufwachsenlassen der Pufferschicht durch Einstellen der Bedingungen, unter denen kein Wachstum oder weniger Wachstum auf beispielsweise der {111}-B-Seite erfolgt, zu unterstreichen.
Eine Ausführungsform dieser Erfindung umfaßt einen Halbleiterlaser, bei dem eine Oberfläche einer aktiven Schicht mit einem Riffelungsmuster als Beugungsgitter gebildet wird, eine dünne Halbleiterpufferschicht gebildet wird durch Kontaktieren mit den Riffelungen, die auf der einen Oberfläche der aktiven Schicht gebildet sind, und wobei die Pufferschicht eine epitalxial aufgewachsene Struktur aufweist für den Transfer des Riffelungsmusters, gebildet durch Ätzen auf der Halbleiterschicht, mit der die andere Oberfläche der Pufferschicht in Kontakt steht, zu dem Riffelungsmuster, gebildet auf der aktiven Schicht.
Ein Verfahren der Herstellung eines Halbleiterlasers gemäß der Erfindung umfaßt den Schritt des Ätzens eines Riffelungsmusters entsprechend einem Beugungsgitter auf einer Oberfläche einer Halbleiterschicht, den Schritt des Aufwachsenlassens einer dünnen Pufferschicht auf der Oberfläche der Halbleiterschicht mit dem Riffelungsmuster, und den Schritt des Aufwachsenlassens einer aktiven Schicht für die stimulierte Emission auf dem Riffelungsmuster, das auf der Pufferschicht erscheint, unter Verwendung des Musters als Beugungsgitter derart, daß die Senken des Musters gefüllt werden, wobei der Schritt des Aufwachsenlassens der Pufferschicht den Schritt des Aufwachsenlassens einer ersten Pufferschicht derart umfaßt, daß die Muster, geätzt auf der Halbleiteroberfläche, so abgeformt werden, daß das Senke-/Projektionsmuster betont wird, und einen Schritt des Aufwachsenlassens einer zweiten Pufferschicht auf der ersten Pufferschicht.
Der Halbleiterlaser gemäß der Erfindung ändert periodisch die Dicke der aktiven Schicht in der Richtung der sich ausbreitenden Lichtwellen in dem geriffelten Muster mit Senken und Vorsprüngen des Beugungsgitters.
Verteilte Lichtrückkopplung wird durch Verstärkungskopplung baiserend auf der periodischen Störung der Verstärkungsfaktoren in der Theorie von Kogelnik et al. geführt. Deshalb kann die Komponente eine stabile Einzelmoduslaserwelle führen, die einfach mit der Periode des Beugungsgitters ohne Erzeugung von Stopbändern in einer spezifischen Wellenlängenzone bestimmbar ist, noch unter Erzeugung von Längsmoduslaserwelle bei zwei Wellenlängen oberhalb und unterhalb der Wellenlängenzone. Die stabile und Einzelmoduslaserwellenlänge kann von vornherein vorgegeben werden, da sie der Bragg-Wellenlänge entspricht, und der Laser kann entsprechend konstruiert und hergestellt werden.
Der Halbleiterlaser gemäß dieser Erfindung bildet ein Beugungsgitter im wesentlichen auf der aktiven Schicht als solche. Die in der früheren oben erwähnten Anmeldung offenbarte Technik ist deutlich unterschiedlich von dieser Erfindung, da in der früheren Anmeldung eine nichttransparente Halbleiterschicht proximal zu einer aktiven Schicht vorgesehen ist, und verteilt rückgekoppeltes Licht führt mit dem Beugungsgitter darauf, obwohl beide Techniken verteilte Lichtrückkopplung mittels Verstärkungsfaktorkopplung führen, basierend auf der periodischen Störung der Verstärkungsfaktoren, gelehrt durch die Theorie von Kogelnik et al. Während die Technik der früheren Anmeldung mängelbehaftet ist wegen der Lichtenergieabsorption in der nichttransparenten Halbleiterschicht, hat der Halbleiterlaser gemäß dieser Erfindung nichts äquivalentes zu der nichttransparenten Schicht und ist frei von solchen Mängeln wie optische Energieabsorption, so daß er deshalb eine höhere Effizienz der Erregungsenergie aufweist.
Diese Erfindung kann eine deutliche Verbesserung im Vergleich mit der konventionellen Struktur erreichen, bei der das Beugungsgitter direkt auf die aktive Schicht geätzt wird. Genauer gesagt, wird gemäß der konventionellen Technik nach dem Aufwachsenlassen einer aktiven Schicht das Aufwachsen zeitweise unterbrochen, damit ein Beugungsgitter darauf geätzt werden kann, und danach wird eine Halbleiterschicht als Plattierschicht wiederum darauf aufwachsen gelassen zum Erzeugen von Defekten in der Halbleiterkristallstruktur der aktiven Schicht. In dieser Erfindung wird umgekehrt der folgende Prozeß verwendet: Ein Halbleiter, der das Substrat für das Aufwachsen einer aktiven Schicht ist, wird mit einem Riffelungsmuster entsprechend einem Beugungsgitter geätzt, eine dünne Pufferschicht wächst auf dem Riffelungsmuster auf unter Beibehaltung des Riffelungsmusters wie es ist, und eine aktive Schicht wird auf dem Riffelungsmuster der Pufferschicht gebildet.
Die Defekte in der Halbleiterkristallstruktur, hervorgerufen durch eine Serie von Arbeitsgängen vor und nach dem Ätzen, werden allmählich durch die Pufferschicht abgedeckt, die darauf aufwächst zur Bildung eines Beugungsgitters, mit dem Riffelungsmuster frei von Defekten auf einer Oberfläche der aktiven Schicht.
Das Aufwachsen der aktiven Schicht wird so gesteuert, daß die Senken des Riffelungsmusters gefüllt werden. Infolgedessen hat die erhaltene aktive Schicht die Dicke entsprechend dem Riffelungsmuster verteilt. Dies bewirkt eine erwünschte Störung in dem Lichteinschlußfaktor und der Trägerdichte der aktiven Schicht in Richtung der Laserresonatorachse. Schließlich ändern sich die Verstärkungskoeffizienten für die Lichtwellen, die sich in Richtung der Resonatorachse ausbreiten, in der Periode, die zusammenfällt mit der Periode des Beugungsgitters, um verteilte Lichtrückkopplung durch Verstärkungskopplung zu realisieren. Im letzteren Falle wird eine gewünschte Störung in der Struktur und der Trägerdichte der aktiven Schicht in Richtung der Laserresonatorachse hervorgerufen, und schließlich ändern sich die Verstärkungsfaktoren für die Lichtwellen, die sich in Richtung der Resonatorachse ausbreiten, mit der Periode, die mit der Periode des Beugungsgitters zusammenfällt, um verteilte Rückkopplung durch Verstärkungskopplung zu realisieren.
Da die Position der stehenden Wellen innerhalb des Resonators auf komzident mit der Periode der Änderungen der Verstärkungsfaktoren in der erfindungsgemäßen Struktur festgelegt ist, wird diese weniger anfällig gegenüber Einflüssen der Reflexion von der Facette einer Laserdiode, und die Komponenten erfordern nicht notwendigerweise einen Anti- Reflexionsbeschichtungsprozeß, um Einzellängsmoduslaserwirkung zu erzielen. Im Vergleich mit der Struktur, die die Phase des Beugungsgitters um ein Viertel der Wellenlänge verschiebt, wie oben erwähnt, wird der erfindungsgemäße Laser deutlich einfacher in seiner Struktur, benötigt weniger Herstellungsprozeßschritte und ergibt eine höhere Produktionsausbeute.
Es ist bevorzugt, ein Verfahren für das Aufwachsen einer dünnen Pufferschicht mit einem Riffelungsmuster, das wie es ist beibehalten wird, in einer Weise auszuwählen, daß das Füllen der Senken durch das Wachstum minimiert wird. Als ein praktisches Verfahren ist das oben erwähnte metallorganische Dampfphasenepitaxieverfahren besonders bevorzugt. Diese Erfindung kann selbst dann realisiert werden, wenn das auf der Oberfläche der aktiven Schicht gebildete Riffelungsmuster nicht vollständig kongruent ist mit dem Riffelungsmuster, gebildet vor dem Wachstum der Pufferschicht, solange das Riffelungsmuster auf der aktiven Schicht im wesentlichen als ein Beugungsgitter dient und Defekte in der Halbleiterkristallstruktur innerhalb des praktischen Umfangs begrenzt sind. Solange die Dicke der Pufferschicht und die Wachstumsrate in geeigneter Weise ausgewählt werden, können verschiedene Verfahren neben dem oben erwähnten metallorganischen Dampfphasenepitaxieverfahren die vorliegende Erfindung realisieren.

[Kurzbeschreibung der Zeichnungen]

FIG. 1 ist eine Graphik zur Darstellung der Emissionsspektrumcharakteristiken einer konventionellen Laserkomponente.
FIG. 2 ist eine strukturelle Ansicht der ersten Ausführungsform der Erfindung.
FIG. 3 ist eine Ansicht zur Darstellung des Ergebnisses der Beobachtung des Schnitts der ersten Ausführungsform der Erfindung mittels eines Rasterelektronenmikroskops (SEM).
FIG. 4 ist eine Graphik zur Darstellung der Emissionsspektrumcharakteristiken der ersten Ausführungsform der Erfindung.
FIG. 5 ist eine Graphik zur Darstellung der Temperaturcharakteristiken der ersten Ausführungsform der Erfindung.
FIG. 6 ist eine strukturelle Ansicht zur Darstellung der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
FIG. 7 ist eine strukturelle Ansicht zur Darstellung der dritten Ausführungsform der Erfindung.
FIG. 8 ist eine strukturelle Ansicht zur Darstellung der vierten Ausführungsform der Erfindung.
FIG. 9 ist eine Schnittansicht zur Darstellung des Herstellungsverfahrens der vierten Ausführungsform der Erfindung.
FIG. 10 ist eine strukturelle Ansicht zur Darstellung der fünften Ausführungsform dieser Erfindung.
FIG. 11 ist eine strukturelle Ansicht zur Darstellung der sechsten Ausführungsform der Erfindung.

[Optimaler Modus für das Realisieren der Erfindung]

Die vorliegende Erfindung wird nun im einzelnen unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen erläutert, die in den beigefügten Zeichnungen gezeigt sind. FIG. 2 ist eine strukturelle Ansicht zur Darstellung der ersten Ausführungsform eines Halbleiterlasers gemäß dieser Erfindung, wobei entsprechende Schichten der Halbleiterlaserdioden mit Doppelhetero-Sperrschichtstruktur kontinuierlich auf einem n&spplus;-GaAs- Substrat 1 in zwei Stufen durch eine Epitaxialaufwachsvorrichtung mittels eines metallorganischen Dampfphasenepitaxieverfahrens aufwachsen.
In der ersten Stufe werden auf dem Substrat 1 kontinuierlich und sukzessiv eine n&spplus;-GaAs-Schicht 2 von 0,5 µm Dicke, eine n-Al0,45Ga0,55As-Plattierschicht 3 von 1 µm Dicke und eine n-Ga0,94Al0,06As-Halbleiterschicht 4 (die genannte Halbleiterepitaxialschicht) von 0,2 µm Dicke durch das Verfahren der metallorganischen Dampfphasenepitaxie aufwachsen gelassen. Dann wird die Halbleiterschicht 4, die die Oberseite der aufgewachsenen Schichten bildet, geätzt mittels Interferenzexpositionsmethode und chemischem Ätzen unter Ausführen eines anisotropen Ätzschrittes zum Exponieren von Facetten von (111) und (1 ) in dem Riffelungsmuster 5 entsprechend dem Beugungsgitter der Periode von 255 nm. In der zweiten Stufe des Epitaxialwachstums wird auf der Halbleiterschicht 4, die mit dem Beugungsgitter 5 geätzt worden ist, eine n-Al0,40Ga0,60As-Pufferschicht 6 der mittleren Dicke von 0,15 µm aufwachsen gelassen, auf der eine aktive nichtdotierte GaAs-Schicht 7 der mittleren Dicke von 0,1 µm, eine p-Al0,45Ga0,55As-Plattierschicht 8 der Dicke von 1 µm und eine p-GaAs-Kontaktschicht 9 der Dicke von 0,5 µm nacheinander und kontinuierlich mittels metallorganischer Dampfphasenepitaxie aufwachsen gelassen zum Fertigstellen einer Doppelhetero- Sperrschichtstruktur.
Danach wird eine SiO&sub2;-Isolationsschicht 12 auf der oberen Oberfläche der p-Kontaktschicht 9 aufgebracht zum Bilden von Fenstern in Streifen in der Breite von ca. 10 µm beispielsweise, und eine Au-Zn- Elektrodenschicht 11 auf der positiven Seite wird aufgedampft über der gesamten Oberfläche. Die Au-Ge-Elektrodenschicht 10 auf der negativen Seite wird auf der unteren Oberfläche des n-Substrats 1 aufgedampft. Der Halbleiterblock mit der obigen Struktur wird zerlegt, um fertige Halbleiterlaserdioden zu erhalten.
In der in FIG. 2 gezeigten Ausführungsform ist speziell eine Halbleiterschicht 4 auf der Plattierschicht 3 vorgesehen, und ein Riffelungsmuster entsprechend dem Beugungsgitter wird auf der Halbleiterschicht 4 geätzt. Eine Pufferschicht 6 wächst auf der Halbleiterschicht 4 über dem Riffelungsmuster mittels metallorganischer Dampfphasenepitaxie auf, wobei das Muster der Beugungsschicht intakt gehalten wird. Danach wächst eine aktive Schicht 7 auf der Pufferschicht 6 derart auf, daß die Senken des Riffelungsmusters gefüllt werden. Dies ermöglicht die Herstellung des Beugungsgitters auf der Unterseite der aktiven Schicht 7. Wie oben beschrieben, werden beim Aufwachsen der Pufferschicht 6 die Senken des Riffelungsmusters beibehalten, während beim Aufwachsen der aktiven Schicht 7 die Senken gefüllt werden. Ein solches Aufwachsen wird erreicht durch entsprechende Steuerung bezüglich der Veränderung der Aufwachsrate und/oder anderer Faktoren.
Die Steuerung der Aufwachsfaktoren ist jedoch relativ. Es würde genügen, wenn nur die aktive Schicht 7 auf einer Oberfläche derselben mit einem Riffelungsmuster versehen würde, das im wesentlichen als ein Beugungsgitter wirken kann, während die andere Oberfläche im wesentlichen flach ausgebildet wird, und eine Pufferschicht 6 wächst auf dem Riffelungsmuster so auf, daß das Riffelungsmuster der aktiven Schicht 7 geschützt wird, das als Beugungsgitter dient, und zwar gegen die Wirkung von Defekten in der Halbleiterkristallstruktur, die durch Ätzung hervorgerufen wurden.
FIG. 3 zeigt das Ergebnis der Betrachtung mittels eines Rasterelektronenmikroskops eines Schnitts der wie oben beschriebenen hergestellten Diode. Das Vorhandensein der Halbleiterschicht 4, der Pufferschicht 6 und der aktiven Schicht 7 wird in dem SEM-Muster betrachtet. Aus FIG. 3 ist offensichtlich, daß ein Beugungsgitter auf der unteren Oberfläche der aktiven Schicht 7 gebildet worden ist. Das so gebildete Beugungsgitter auf der aktiven Schicht 7 bewirkt periodische Änderungen der Verstärkungskoeffizienten und ermöglicht die Herstellung eines Halbleiterlasers, der Einzelmoduslaserwellen bei der Bragg'schen Wellenlänge entsprechend der Periode der Änderungen in den Verstärkungskoeffizienten infolge verteilter Lichtrückkopplung erzeugen kann, basierend auf der Störung der Verstärkungskoeffizienten.
In der obigen Ausführungsform wird die Halbleiterschicht 4 auf der Plattierschicht 3 gebildet, und die Schicht 4 wird in einem geriffelten Muster geätzt. Dies deshalb, weil dann, wenn die Plattierschicht 3 direkt geätzt würde, um das Riffelungsmuster zu bilden, Aluminium in der Schicht 3 oxidiert werden könnte, um das Wiederaufwachsen zu beeinträchtigen, weil die Plattierschicht 3 einen hohen Aluminiumanteil hat. Deshalb wird eine Halbleiterschicht 4 mit einem kleineren Anteil an Aluminium vorgesehen, die dünn auf die plattierte Schicht 3 aufgebracht wird, und das Riffelungsmuster wird auf dieser geätzt. Wenn InP als Material für die Plattierschicht 3 verwendet wird, kann die Schicht 3 direkt geätzt werden, welcher Fall in größeren Einzelheiten später beschrieben wird.
FIG. 4 zeigt das Ergebnis der Messung von Emissionsspektrumcharakteristiken der ersten Ausführungsform des Halbleiterlasers mit verteilter Rückkopplung gemäß dieser Erfindung.
FIG. 4 zeigt schematisch die Wellenlängenverteilungscharakteristiken (a), (b) und (c) des Spektrums, die man erhält, wenn Laserstrom schrittweise von 0,97 Ith auf Ith und dann auf 1,1 Ith bei einem Versuchslaser erhöht wird, der die in FIG. 2 gezeigte Struktur aufweist, wobei der Schwellenstrom Ith - 230 mA bei einer Temperatur von 10ºC ist.
Bei Betrachtung der Spektrumcharakteristiken (a) des Lasers gemäß der vorliegenden Erfindung bei dem Laserstrom von 0,97 Ith nahe der Schwelle in FIG. 4 ist offensichtlich, daß Stopbänder rings um die Bragg'sche Wellenlänge, wiedergegeben in FIG. 1, nicht in Erscheinung treten und die Spektrumcharakteristiken im wesentlichen symmetrische Verteilungen vertikal bezüglich der Hauptmoduslaserwellenlänge von 871 nm zeigen. Solche Spektrumcharakteristiken zeigen, daß die erste Ausführungsform dieser Erfindung eines Halbleiterlasers mit verteilter Rückkopplung, wiedergegeben in FIG. 2, verteilte Lichtrückkopplung aufweist, bei der die Verstärkungsfaktorkopplung dominanter ist als die Indexkopplung entsprechend der Wellenkopplungstheorie von Kogelnik et al. infolge der periodischen Störung der Verstärkungsfaktoren, erzeugt durch Bildung des Beugungsgitters auf der aktiven Schicht. In dem Halbleiterlaser mit verteilter Rückkopplung gemäß dieser Erfindung gibt es nur einen Hauptmodus, der im Zentrum der Spektrumcharakteristiken gemäß FIG. 4 vorliegt, als ein Longitudinalmodus, der zur Laserwirkung gebracht werden kann durch injizierten Strom nahe der Schwelle. Der Laser gemäß der Erfindung realisiert deshalb eine vollständig einzelne Längsmoduslaserwirkung entsprechend der Theorie der gekoppelten Welle gemäß Kogelnik et al.
FIG. 5 zeigt ein Beispiel der temperaturabhängigen Charakteristiken der Laserwellenlänge und des Schwellenstromes der ersten Ausführungsform dieser Erfindung eines Halbleiterlasers mit verteilter Rückkopplung mit der oben beschriebenen Struktur. Die temperaturabhängigen Charakteristiken wurden untersucht, indem die Änderungen der Laserwellenlänge und des Schwellenstromes über der Temperatur eines Kühlkörpers gemessen wurden, der aus einem Material mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit hergestellt war, an dem der Laser angebracht wurde, um einen Temperaturanstieg des Halbleiterlasers zu verhindern. Aus den temperaturabhängigen Charakteristiken gemäß FIG. 5 ist offensichtlich, daß der Laser gemäß der Erfindung keine Moduskommutation bewirkt, nicht einmal bei Änderungen der Temperatur um 50ºC, sondern in einem einzigen Longitudinalmodus arbeitet mit der Laserwellenlänge und der Schwelle, die sich weich und kontinuierlich ändern.
Die temperaturabhängigen Charakteristiken sind vergleichbar mit dem konventionellen Halbleiterlaser mit verteilter Rückkopplung dieser Bauart, und deshalb ist es offensichtlich, daß infolge der Verstärkungsfaktorkopplung durch das Beugungsgitter, das auf der aktiven Schicht des Halbleiterlasers vorgesehen ist, eine hinreichend verteilte Rückkopplung hervorgerufen wird, die unterschiedlich ist gegenüber jener, die man erhält durch die konventionelle Indexkopplung.
Ein Beispiel der metallorganischen Dampfphasenepitaxie, das unter dem für die obige Ausführungsform anwendbaren Herstellungsverfahren direkt relevant für die Erfindung ist, wird nun in größeren Einzelheiten beschrieben. Das Beispiel illustriert einfach einen Fall, der ein optimales Resultat erzielte, und beschränkt nicht den Schutzumfang dieser Erfindung. Hier offenbarte Bedingungen können in geeigneter Weise geändert werden, um die Erfindung zu realiseren entsprechend dem Knowhow, den Fachleute bezüglich Herstellungssystemen, anwendbaren Materialien und Halbleiterproduktion besitzen. Tabelle 1: Bedingungen des Herstellungsprozesses
FIG. 6 zeigt eine andere Struktur der Ausführungsform dieser Erfindung, worin keine Halbleiterschicht zusätzlich für das Ätzen des Riffelungsmusters entsprechend dem Beugungsgitter vorgesehen ist, sondem das Substrat 1, das als eine Plattierschicht dient, direkt geätzt wird zum Aufwachsenlassen einer Pufferschicht 6 mit dem geriffelten Muster.
In dieser Struktur wird InP für das Substrat 1, InGaP für die Pufferschicht 6 und InGaAsP für die aktive Schicht 7 verwendet. Diese Struktur ist für einen Halbleiterlaser geeignet, der entweder bei 1,3 µ.m oder 1,5 µm schwingt. Diese Struktur ist dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Kristallaufwachsschritt nach dem Ätzen des Riffelungsmusters auf dem Substrat 1 erforderlich ist. Die Pufferschicht 6 wird vorzugsweise durch metallorganische Dampfphasenepitaxie auch in diesem Falle hergestellt.
Die obigen metallorganischen Dampfphasenepitaxieverfahren sind sehr vielversprechend als ein Verfahren für die Bildung einer Pufferschicht 6 unter Aufrechterhaltung des Riffelungsmusters wie es ist.
FIG. 7 ist eine strukturelle Ansicht zur Darstellung der dritten Ausführungsform des Halbleiterlasers gemäß dieser Erfindung. In dieser Figur sind die entsprechenden Schichten von Halbleiterlaserdioden mit Quantenquellstruktur in zwei Stufen kontinuierlich auf einem n&spplus;- GaAs-Substrat 1 mittels metallorganischer Dampfphasenepitaxie aufgewachsen.
Im einzelnen wird in einer ersten Stufe eine n-Plattierschicht 3 auf dem Substrat 1 aufwachsen gelassen, und eine n-AlGaAs-Halbleiterschicht 4 wird darauf aufwachsen gelassen, ebenfalls mittels metallorganischer Dampfphasenepitaxie. Danach wird die Halbleiterschicht 4 oder die oberste Schicht der aufgewachsenen Schichten geätzt zur Bildung eines Riffelungsmusters 5, das die {111}-seite exponiert, die dem Beugungsgitter von 125 nm Perioden entspricht mittels Interferenzexpositionsverfahren und chemischem anisotropwirkendem Ätzens.
In der zweiten Stufe wird eine n-AlGaAs-Pufferschicht 6 der mittleren Dicke von 0,1 µm auf der Halbleiterschicht 4 aufwachsen gelassen, die mit dem Beugungsgittermuster geätzt worden war, ähnlich mittels metallorganischer Dampfphasenepitaxie. Es ist bevorzugt, ein Supergitter von AlGaAs mit einem AlAs-Zusammensetzungsverhältnis von 0,3 und 0,6 für die Pufferschicht 6 zu verwenden. Eine n-AlGaAs-gradierte Indexschicht 7G wächst kontinuierlich auf der Pufferschicht 6 mit einer mittleren Dicke von 0,15 nm auf, um so die allmähliche Änderung des AlAs-Zusammensetzungsverhältnisses von 0,6 auf 0,3 zu ermöglichen, eine extrem dünne GaAs-Quantenquellschicht 7W wird darauf aufwachsen gelassen, wobei diese eine mittlere Dicke von 10 nm hat, und danach eine p-AlGaAs-gradierte Indexschicht 7G', worin das AlAs-Zusammensetzungsverhältnis weich übergeht von 0,3 auf 0,6, wächst darauf auf mit einer mittleren Dicke von 0,15 pm.
Ferner wächst darauf eine p-AlGaAs-Schicht als eine Plattierschicht 8 mit einer Dicke von 1,5 µm. Eine p-GaAs-Kappenschicht 9 wächst in einer Dicke von 0,4 µm auf. Auf der Kappenschicht 9 werden eine Isolationsschicht 12 und eine Elektrode 11 aus der Dampfphase niedergeschlagen.
Die Strukturen der entsprechenden Schichten dieser Ausführungsform sind in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2
Das Verfahren für die Bildung der oben erwähnten aktiven Schicht 7 einschließlich gradierter Indexschichten und eines Quantenquells wird von R. Bhat et al. in der Veröffentlichung "Patterned Quantum Well Heterostructures Grown by OMCVD on Non-planar Substrates: Applications to Extremely Narrow SQW Lasers", Journal of Crystal Growth 93 (1988), Seiten 850 - 856, Amsterdam, gelehrt, und diese Schichten können entsprechend der obigen Beschreibung hergestellt werden.
Der Halbleiterlaser mit Quantenquellstruktur ist in der Veröffentlichung von Asada, "Gain Characteristics of Quantum Well Laser and Possibility of Minimizing Threshold by Quantization in High Dimension", Journal of Applied Physics, Band 57, Nr. 5 (1988), beschrieben.
Die oben erwähnte Quantenquelle 7W kann eine Mehrfachquantenquelle (MQW) sein, bei der mehrere Quantenquellschichten und Barriereschichten abwechseln.
FIG. 8 zeigt die vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers in einer Struktur, bei der verschiedene Schichten aus Halbleiterlaserdioden vom Doppelhetero-Sperrschichttyp auf einem n&spplus;- GaAs-Substrat 1 kontinuierlich in zwei Stufen mittels metallorganischer Dampfphasenepitaxie aufgewachsen sind.
FIG. 9 zeigt den Herstellungsablauf der vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lasers. In der ersten Stufe werden beispielsweise eine n-Al0,45Ga0,55As-Plattierschicht 3 mit einer Dicke von 1,5 µm und eine n-Al0,3Ga0,7As-Halbleiterschicht 4 mit der Dicke von 0,2 µm kontinuierlich und sukzessiv auf einem Substrat 1 ({100}-Substrat) durch metallorganische Dampfphasenepitaxie aufwachsen gelassen. Die Halbleiterschicht 4 oder die oberste Schicht wird geätzt mittels Interferenzexpositionsverfahren und chemischer Ätzung, wobei eine anisotrope Ätzung angewandt wird zur Bildung eines Riffelungsmusters 5 entsprechend dem Beugungsgitter mit der Periode von 255 nm.
Das Ätzen wird so ausgeführt, daß sich im wesentlichen rechteckige Nuten bilden, und der Winkel θ, der in FIG. 9(b) gezeigt ist, beträgt vorzugsweise mehr als 75º und weniger als 125º. Die Tiefe einer Nut beträgt etwa 0,15 µm.
In der zweiten Stufe des Epitaxialwachstums wächst eine erste Pufferschicht 6a aus n-Al0,3Ga0,7As mit einer mittleren Dicke von 0,1 µm auf der Halbleiterschicht 4 auf, die mit dem Beugungsgittermuster geätzt worden ist. Das Wachstum erfolgt unter Bedingungen, daß ein Wachstum nicht oder nur langsam auf der {111}-B-Seite erfolgt. Im Ergebnis werden die Senken in dem geätzten Beugungsgitter in FIG. 9(c) gefüllt, während Vorsprünge geformt werden, die dreieckig sind, um die erste Pufferschicht 6a zu bilden. Die Bedingungen, um das Wachstum auf der {111}-B- Seite langsam zu machen oder dieses Wachstum darauf zu eliminieren, werden später im einzelnen beschrieben.
Eine zweite Pufferschicht 6b wächst auf mit n-Al0,3Ga0,7As mit einer mittleren Dicke von 0,1 µm auf der ersten Pufferschicht 6a. Die zweite Pufferschicht 6b wächst unter Normalbedingungen, anstatt unter den oben erwähnten besonderen Bedingungen auf. Der Querschnitt der zweiten Pufferschicht 6b wird eine Form, die geeignet ist als Beugungsgitter und als die Ebene, die geeignet ist zum Aufwachsenlassen einer aktiven Schicht darauf, wie in FIG. 9(d) gezeigt. Auf der zweiten Pufferschicht 6b wächst eine aktive GaAs-Schicht 7 ohne Dotierungsmittel mit der mittleren Dicke von 0,1 µm, eine p-Al0,45Ga0,55As-Plattierschicht 8 mit einer Dicke von 1,5 µm und eine p&spplus;-GaAs-Kontaktschicht 9 mit einer Dicke von 0,5 µm, wobei das Aufwachsen kontinuierlich und sukzessiv mittels metallorganischer Dampfphasenepitaxie erfolgt, um die Doppelhetero- Sperrschichtstruktur zu komplettieren.
Eine Isolationsschicht 12 mit SiO&sub2; wird auf der oberen Oberfläche der p-Kontaktschicht 9 aufgebracht zur Bildung von Fenstern in Streifen von ca. 10 µm Breite, und eine Au-Zn-Elektrodenschicht 11 der positiven Seite wird über der gesamten Oberfläche aufgebracht, und eine Au-Ge-Elektrodenschicht 10 der negativen Seite wird auf der unteren Oberfläche des n-Substrats 1 aufgebracht. Der Halbleiterblock der obigen Struktur wird zerlegt zum Komplettieren individueller Halbleiterlaserdioden.
In der in FIG. 8 gezeigten Ausführungsform wird eine zusätzliche Halbleiterschicht 4 auf der Plattierschicht 3 aufgebracht, und das Riffelungsmuster entsprechend dem Beugungsgitter wird auf der Halbleiterschicht 4 geätzt. Eine Pufferschicht 6 wächst auf der geätzten Halbleiterschicht 4 mittels metallorganischer Dampfphasenepitaxie, um so die Form des Beugungsgitters zu übertreiben. Danach wächst eine aktive Schicht 7 auf der Pufferschicht 6 derart, daß die Senken in dem Muster gefüllt werden. Dies ermöglicht die Bildung des Beugungsgitters auf der unteren Oberfläche der Schicht 7. Beim Wachstum der Pufferschicht 6 werden die Dreieckformen der Vorsprünge übertrieben, während beim Wachstum der aktiven Schicht 7 die Senken gefüllt werden. Ein solches Wachstum wird ausgeführt durch Änderung der Aufwachsrate und anderer Faktoren, um das Muster richtig zu formen.
Die Steuerung bezüglich der Wachstumsbedingungen ist jedoch relativ. Es würde nur genügen, wenn das Riffelungsmuster auf einer Oberfläche der aktiven Schicht 7 gebildet würde, um hauptsachlich als Beugungsgitter zu dienen, während die andere Oberfläche im wesentlichen flach ausgebildet wird, und eine Pufferschicht 6 in einer Weise aufwächst, um das Riffelungsmuster auf der Schicht 7 gegen die Wirkung von Defekten in der Halbleiterkristallstruktur zu schützen, die durch Ätzen hervorgerufen wurden.
In dieser Ausführungsform wurden die folgenden Bedingungen experimentell als jene bestätigt, die selektives Wachstum bewirkt, ohne das Wachstum auf der vorerwähnten {111}-B-Seite zu bewirken. Genauer gesagt, wird beim MOCVD-Verfahren das Wachstum unter folgenden Bedingungen ausgeführt:
TMG, TMA, AsH&sub3;-Gruppe
Druck 100 Torr, Gesamtströmungsvolumen 10 slm
Substrattemperatur 650 - 750ºC
Wachstumsrate 0,005 - 0,15 µm/min
V/III-Verhältnis 20 - 45
Ein anderes Experiment bestätigte, daß dann, wenn die Substrattemperatur auf 750ºC oder mehr erhöht wurde, das Wachstum auf der {111}-B-Seite verlangsamt war.
Die Bedingungen, die geeignet sind, um selektiv Halbleiterwachstum unter Verstärkung des Riffelungsmusters zu bewirken, sind mit einigen Beispielen von Yoshikawa et al. in "A Self Aligned Ridge Substrate Laser Fabricated by Single-Step MOVPE", Journal of Crystal Growth 93 (1988), Seiten 834 - 849, beschrieben. Diese Erfindung wird effektiv realisiert, indem man solche Bedingungen, wie in den Beispielen beschrieben, vorsieht.
Die vorerwähnten Beispiele der Bedingungen, Zusammensetzung und Dicke der entsprechenden Schichten der oben erwähnten Strukturausführungsformen sind illustrativ für die Erfindung und können von Fachleuten mit Kenntnis und Erfahrung derselben modifiziert werden.
FIG. 10 zeigt die fünfte Ausführungsform der Erfindung. Die Struktur dieser Ausführungsform wird durch Aufwachsen einer Pufferschicht 6 unter der Bedingung gebildet, daß kein Wachstum auf der {111}- B-Seite erfolgt, und unter Aufwachsen einer aktiven Schicht 7 in den infolgedessen erzeugten Senken. Die gebildete aktive Schicht 7 ist in der Form, die in der Richtung des sich ausbreitenden Lichtes unterteilt ist entsprechend der Periode des Beugungsgitters, und eine Führungsschicht 14 ist über den getrennten Teilen der aktiven Schicht 7 so aufgewachsen, daß die letzteren überbrückt werden. Auf der Führungsschicht 14 ist eine Plattierschicht 8 aufgewachsen. Die Bedingungen wesentlicher Teile der entsprechenden Schichten sind in der Figur angegeben. Die Bedingungen für die anderen Schichten sind ähnlich der ersten Ausführungsform.
FIG. 11 zeigt die Struktur der sechsten Ausführungsform Ähnlich der fünften Ausführungsform ist in dieser Ausführungsform die aktive Schicht 7 unterteilt und wird von einer Führungsschicht 14 überbrückt. In dieser Ausführungsform jedoch ist die Halbleiterschicht 4, die mit den Riffelungen des Beugungsgitters zu ätzen ist, etwas dünn aufgewachsen, und eine Halbleiterschicht 4b mit einem höheren Widerstand ist darüber aufgewachsen. Die Halbleiterschicht 4b kann beispielsweise intrinsisch leitendes Al0,39a0,7As mit einer Dicke von 0,15 µm sein. Diese Struktur kann den elektrischen Strom in die Senken des Beugungsgitters konzentrieren.

[Industrielle Anwendbarkeit]

Wie in den vorstehenden Ausführungen beschrieben, realisiert die Erfindung einen Halbleiterlaser, der verteilte Lichtrückkopplung durch Verstärkungsfaktorkopplung bewirkt, basierend auf der periodischen Störung von Verstärkungskoeffizienten gemäß der Theorie von Kogelnik et al. Der erfindungsgemäße Laser bewirkt keinen Energieabsorptionsverlust wie die Komponente nach der früheren Anmeldung, die eine nichttransparente Schicht hat, und bewirkt auch keine Defekte in der Halbleiterkristallstruktur selbst dann, wenn ein Beugungsgitter auf der aktiven Schicht gebildet wird. Es ist keine Anti-Reflexionsbeschichtung erforderlich.
Deshalb ist der Halbleiterlaser gemäß der vorliegenden Erfindung stabil in seinem Lasermodus, ohne eine Zweimoduslaserwirkung hervorzurufen, und kann von vornherein so konstruiert werden. Der Halbleiterlaser gemäß der Erfindung ist einfach bei der Herstellung des Beugungsgitters, benötigt keine Bildung einer Anti-Reflexionsbeschichtung auf der Diodenfacette, hat eine einfache Struktur und einfachen Herstellungsprozeß, und es wird von ihm erwartet, daß er eine ausgezeichnete Produktionsausbeute ergibt, wobei die Produktionskosten niedrig sind. Der Laser gemäß der Erfindung kann Nachteile des Lasers nach der früheren Anmeldung eliminieren, wie Energieabsorptionsverluste, und entwikkelt keine Defekte in der Halbleiterkristallstruktur der aktiven Schicht selbst dann, wenn das Beugungsgitter gebildet wird, um so effizient stimulierte Emission zu erzeugen.
Der Halbleiterlaser gemäß dieser Erfindung kann mit Laserwellenlänge hergestellt werden, die von vornherein festgelegt wird, und ist bestens für Massenproduktion geeignet. Deshalb ist er extrem brauchbar als eine Lichtquelle für optische Kommunikationssysteme über große Distanzen, für wellenlängengeteilte optische Multiplexkommunikationssysteme, optische Informationsverarbeitungssysteme, optische Informationsspeichersysteme, optische Meßinstrumente und andere verschiedene optoelektronische Systeme und Geräte.

Claims

1. Ein Halbleiterlaser mit einer aktiven Schicht (7) zum Erzeugen von Licht und mit einem Beugungsgitter (5) für das Reflektieren des von der aktiven Schicht (7) erzeugten Lichtes, um stimulierte Lichtemissionen zu erzeugen, welches Beugungsgitter (5) eine geriffelte Oberfläche der aktiven Schicht (7) ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine geriffelte Pufferschicht (6) auf einer geriffelten Oberfläche einer Supportschicht (4) zwischen der geriffelten Oberfläche der aktiven Schicht (7) und der geriffelten Oberfläche der Supportschicht (4) liegt, welche Pufferschicht (6) hinreichend dick ist, um die aktive Schicht (7) gegen Defekte der Supportschicht (4) zu isolieren, und hinreichend dünn ist, daß beide Oberflächen geriffelt sind.

2. Ein Halbleiterlaser nach Anspruch 1, bei dem die Pufferschicht (6) eine gleichförmige Dicke hat, wobei die Riffelungen auf ihren einander abgekehrten Oberflächen parallel zueinander sind.

3. Ein Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die Dicke der Pufferschicht (6) zwischen 0,01 und 1 µm ist.

4. Ein Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die aktive Schicht (7) eine aufgebrachte Epitaxialschicht ist.

5. Ein Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Oberfläche der Supportschicht (4) nahe der Pufferschicht (6) rechteckige Riffelungen hat, wobei ein erster Teil (6a) der Pufferschicht (6) die Einsenkungen in der Oberfläche der Supportschicht (4) füllt und dreieckige Rippen auf den Projektionen der Oberfläche der Supportschicht (4) bildet, und wobei ein zweiter Teil (6b) der Pufferschicht (6) zwischen der aktiven Schicht (7) und dem ersten Teil (6a) der Pufferschicht (6) liegt.

6. Ein Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die aktive Schicht (7) eine einzelne Quantumquellschicht (7W) einschließt.

7. Ein Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die aktive Schicht (7) eine Mehrzahl von Quantumquellschichten, alternierend mit Barriereschichten, umfaßt.

8. Ein Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Supportschicht (4) eine Plattierschicht ist, die dazu dient, erzeugtes Licht zu der aktiven Schicht (7) zu bündeln.

9. Ein Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Supportschicht (4) eine Schicht ist, ausgebildet auf einer Plattierschicht (3), die dazu dient, erzeugtes Licht auf die aktive Schicht (4) zu bündeln.

10. Ein Halbleiterlaser nach Anspruch 9, bei dem die Supportschicht (4) und die Plattierschicht (3) Aluminium-Galliumarsenid-Legierungen sind, und der Anteil an Aluminium in der Supportschicht (4) wesentlich niedriger ist als der Anteil an Aluminium in der Plattierschicht (3).

11. Ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlasers einschließlich des Schrittes des Ätzens einer Mehrzahl von Riffelungen in eine Oberfläche einer Supportschicht (4), des Schrittes des Aufwachsenlassens einer geriffelten Pufferschicht (6) auf der Oberfläche der Supportschicht (4), wobei die Riffelungen der Supportschicht intakt gehalten werden, und des Schrittes des Aufwachsenlassens einer aktiven Schicht (7) auf der geriffelten Pufferschicht (6), wobei die Pufferschicht (6) hinreichend dick ist, um die aktive Schicht (7) von Defekten in der Supportschicht (4) zu isolieren, und hinreichend dünn ist, daß beide Oberflächen geriffelt sind.

12. Ein Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Aufwachsrate für die aktive Schicht (7) niedriger ist als die Aufwachsrate der Pufferschicht (6).

13. Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, bei dem die Pufferschicht (6) mittels metallorganischer Dampfphasenepitaxie aufwächst.

14. Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem der Schritt des Ätzens der Riffelungen in der Supportschicht (4) Interferenzexposition und anisotropes Ätzen umfaßt.