DE69201283T2 - Halbleiterlaser. - Google Patents

Halbleiterlaser.

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Description

    Hintergrund der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser und insbesondere einen Halbleiterlaser, der als Lichtquelle für datenverarbeitende Geräte und Lichtkommunikationsgeräte verwendet werden kann.
  • Beschreibung des Stands der Technik
  • Halbleiterlaser sind in ihren Dimensionen extrem klein und geeignet zur Massenherstellung. Gegenwärtig werden Halbleiterlaser deshalb als Lichtquellen für viele lichtelektrische Geräte einschließlich datenverarbeitende Geräte und optische Kommunikationsgeräte verwendet. Unter den Halbleiterlasern wurde ein AlGaInP-Halbleiterlaser mit einer Schwingungswellenlänge entsprechend einer hohen optischen Empfindlichkeit effektiv zur Miniaturisierung eines Laserstrahlzeigers verwendet. Eine Haupteigenschaft, die in der Praxis von Halbleiterlasern in Allzweckvorrichtungen, wie einem Laserstrahlzeiger verlangt wird, ist, daß der Schwingungsschwellwertstrom niedrig ist und ein stabiler Betrieb bei Temperaturen zwischen 40ºC und 60ºC niöglich ist. Kürzlich berichteten Kobayashi und andere, daß der AlGaInP- Halbleiterlaser einen Schwingungsschwellwertstrom benötigt, der so niedrig wie 40mA ist (SPIE International Conference Letters, Vol. 898, Seite 84, 1988).
  • Wenn der Halbleiterlaser in einem Laserstrahlzeiger eingebaut ist, benötigt das Volumen der Batteriezelle, die zum Antrieb des Halbleiterlasers benutzt wird, den größten Teil des Volumens des Laserstrahlzeiger. Um den Laserstrahlzeiger weiter zu verkleinern, ist es deshalb notwendig, den Schwingungsschwellwertstrom des Halbleiterlasers zu verringern, um so den Leistungsverbrauch zu senken.
  • Außerdem haben Katsuyama u.a. in Electronic Letters berichtet, daß Halbleiterlaser unter Verwendung einer stark gedehnten aktiven Quantentwellschicht, die aus Ga0,43IN0.57P Tälern gebildet ist, einen niedrigen Strom zur Aufrechterhaltung der Schwingung zeigen (Bd. 26, Seite 1376, 1990) Zusätzlich haben Ijichi u.a. berichtet, daß ein Halbleiterlaser unter Verwendung einer stark gedehnten aktiven Quantenwellschicht aus In0,22Ga0,78As einen niedrigem Schwingungsschwellwertstrom zeigt (12th Semiconductor Laser International Conference Digest, Page 44, 1990). Es ist berücksichtig worden, daß bei diesen Halbleiterlasern, da die effektive Masse von Valenzbandlöchern in der aktiven Quantenwellschicht, die einer in der Ebene wirkenden Kompressionsbelastung ausgesetzt sind, klein wird, wobei ein Schwingungsschwellwertstrom verringert wird.
  • Der herkömmliche Halbleiterlaser unter Verwendung der gedehnten aktiven Quantenwellschicht hat einen niedrigen Schwingungsschwellwertstrom, aber die Hochtemperaturarbeitseigenschaften sind nicht notwendigerweise gut. Der Grund dafür ist, daß die Dichte der injizierten Träger in der aktiven Schicht hoch ist und die Eingrenzung der Träger nicht hinreichend ist. Um die Hochtemperaturarbeitseigenschaften zu verbessern, ist es notwendig, den Schwingungsschwellwertstrom zu verringern.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Dementsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Halbleiterlaser zu schaffen, der den oben erwähnten Nachteil des herkömmlichen überwunden hat.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Halbleiterlaser zu schaffen, der einen niedrigen Schwingungsschwellwertstrom hat.
  • Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Halbleiterlaser mit einer gedehnten aktiven Quantentwellschicht und einem weiter verringerten Schwingungsschwellwertstrom zu schaffen.
  • Die obigen und andere Aufgaben der Erfindung werden gemäß der Erfindung durch einen Halbleiterlaser erreicht, wie er in Anspruch 1 offenbart ist.
  • Entsprechend einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Halbleiterlaser geschaffen, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er ein Halbleitersubstrat mit einer von einer (0,0,1)- Ebene hin zur [-1,1,0]-Richtung oder zur [1,-1,0]-Richtung geneigte Oberfläche, eine aktive Schicht mit wenigstens einer zusammengesetzten Halbleiterschicht mit einer entlang einer [-1,1,1]-Richtung oder entlang einer [1,-1,1]-Richtung geordneten Struktur und einem in eine [-1,1,0]-Richtung ausgebildeten Laserresonator enthält.
  • Entsprechend einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Halbleiterlaser geschaffen, der ein Halbleitersubstrat mit einer (0,0,1)-Oberfläche, eine aktive Schicht mit wenigstens einer zusammengesetzten Halbleiterschicht mit einer in der Ebene liegenden Kompressivdehnung in der (0,0,1)- Ebene und mit einer geordneten Struktur entlang einer [-1,1,-1]-Richtung oder entlang einer [1,-1,1]-Richtung und ein wenigstens eine aktive Schicht enthaltenden Laserresonator enthält.
  • Entsprechend einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Halbleiterlaser geschaffen, der ein Halbleitersubstrat mit einer von einer (0,0,1)-Ebene hin zu einer [-1,1,0]-Richtung oder zu einer [1,-1,0]-Richtung geneigten Oberfläche, eine aktive Schicht mit wenigstens einer zusammengesetzten Halbleiterschicht mit einer in der Ebene liegenden Kompressivdehnung in der (0,0,1)-Ebene und einer entlang einer [1,1,1]-Richtung oder entlang einer [1,-1,1]-Richtung geordneten Struktur und einen Laserresonator mit wenigstens einer aktiven Schicht enthält.
  • Die Gruppe um Gomyo u.a. (Physical Review Letters, Vol. 60, Seite 2645, 1988) und andere Gruppen haben berichtet, daß eine epitaxiale Schicht aus GaInP, AlGaInP, InGaRs, InGaAsP und dgl. eine geordnete Struktur haben. Ob jedoch diese Halbleiterschichten die geordnete Struktur haben oder nicht, hängt von der epitaxialen Wachstumsbedingung ab. Im Falle von GaInP haben Gomyo u.a. berichtet, daß, wenn ein Kristall bei einem Verhältnis der V-Gruppe/III-Gruppe von 100 oder mehr oder bei einer Wachstumsbedingung von 700ºC oder weniger wächst, die geordnete Struktur erhalten werden kann (Applied Physical Letters, Vol. 50, Seite 673, 1987) Im Falle von Ga0,50In0,50P mit der geordneten Struktur sind ein Untergitter aus Ga-Atom und ein Untergitter aus In-Atomen regelmäßig und abwechselnd entlang einer [-1,1,1]-Richtung und entlang einer [1,-1,1]-Richtung angeordnet. A. Mascarenhas u.a. berichteten, daß in einer Halbleiterschicht mit der geordneten Struktur entlang der [-1,1,1]- Richtung ein elektrischer Vektor eines durch Rekombination von einem Elektron und einem Loch im oberen Valenzband erzeugtes Licht in einer (-1,1,1)-Ebene polarisiert ist (Physical Revue Letters, Vol. 63, Seite 2108, 1989). Dementsprechend ist der elektrische Vektor eines in einer Halbleiterschicht mit der geordneten Struktur entlang einer [-1,1,1]-Richtung oder entlang der [1,-1,1]-Richtung generiertes Rekombinationslicht in der (-1,1,1)-Ebene oder in der (1,-1,1)-Ebene polarisiert.
  • In der Halbleiterschicht gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ist eine Ebenenorientierung der Oberfläche des Halbleitersubstrats gleich (0,0,1). Der Laserresonator ist in der [-1,1,0]-Richtung ausgebildet. In diesem Fall ist der elektrische Vektor eines TE-Mode-Oszillationslichts, das in diesem Halbleiterlaser generiert wird, in der [1,1,0]-Richtung. Die Richtung dieses elektrischen Vektors ist in den oben erwähnten (-1,1,1)-Ebene und der (1,-1,1)-Ebene enthalten. In diesem Halbleiterlaser tritt dementsprechend die Komponente des Rekombinationslichts mit dem elektrischen Vektor in der [1,1,0]-Richtung des Rekombinationslichts mit dem gleichmäßig in der (-1,1,1)-Ebene oder in der (1,-1,1)- Ebene verteilten Vektor zu der Laserschwingung bei. Andererseits ist bei herkömmlichen Halbleiterlasern ohne geordnete Strukturen der elektrische Vektor des Rekombinationslichts gleichmäßig in alle Richtungen eines dreidimensionalen Raums verteilt, und von diesem Rekombinationslicht trägt nur die Rekombinationslichtkomponente mit dem elektrischen Vektor in der [1,1,0]-Richtung zur Laserschwingung bei. Aufgrund der oben erwähnten Funktion gibt die Rekombination in dem Halbleiterlaser gemäß der Erfindung eine effizientere Verstärkung des Oszillationsmodus im Vergleich mit dem herkömmlichen Beispiel, und deshalb kann der erfindungsgemäße Halbleiterlaser einen Schwingungsschwellwertstrom zeigen, der niedriger als beim herkömmlichen Beispiel ist. Wie aus der obigen Erklärung klar wird, ist in dem erfindungsgemäßen Halbleiterlaser zusätzlich die Lichtemission in dem TE-Modus gegenüber dem TM-Modus erleichtert, und deshalb kann ein hoher Beitrag zur Unterdrückung der TM-Modus-Schwingung erhalten werden. Das Ausmaß des natürlichen Emissionslichts im TM-Modus, das in das Laser-Oszillationslicht gemischt ist, ist klein.
  • Der Halbleiterlaser gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung umfaßt ein Halbleitersubstrat mit ein aus der (0,0,1)-Ebene in die [-1,1,0]-Richtung (oder die [1,-1,0]-Richtung) geneigten Oberfläche. In diesem Fall war bekannt, daß, wenn eine epitaxiale Schicht auf der (0,0,1)-Oberfläche des Halbleitersubstrats gewachsen ist, die Orientierung der geordneten Struktur der epitaxialen Schicht die [-1,1,1]- Richtung und die [1,-1,1]-Richtung enthält, die äquivalent in gemischtem Zustand koexistieren, aber, wenn eine epitaxiale Schicht auf der Oberfläche des Halbleiterlasers gewachsen ist, die von der (0,0,1)-Ebene hin zur [-1,1,0]- Richtung (oder der [1,-1,0]-Richtung) geneigt ist, daß die Orientierung der geordneten Struktur der epitaxialen Schicht dazu neigt, in der [-1,1,1]-Richtung (oder der [1,-1,1]-Richtung) konzentriert zu sein (Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 28, Seite L, 1728, 1989; und the Proceedings of 1991 Spring-Applied Physics Related Jointed Lectures, 32a-ZG-5). Mit anderen Worten hat die geordnete Struktur der epitaxialen Schicht, die auf der geneigten Substratoberfläche gewachsen ist, wie oben erwähnt, ein höheres Ausmaß an Ordnung. Deshalb wirkt der vorher erwähnte erfindungsgemäße Effekt noch intensiver. Zusätzlich, wenn das Substrat mit der geneigten Oberfläche verwendet wird, ist die Orientierung des elektrischen Vektors des Rekombinationslichts ebenfalls in der (-1,1,1)-Ebene (oder in der (1,-1,1)-Ebene) enthalten. Die Richtung des Laserresonators ist von der [-1,1,0]-Richtung hin zu der [0,0,1]-Richtung geneigt, aber die Orientierung des elektrischen Vektors des TE-Modus-Oszillationslichtes wird in der [1,1,0]-Richtung erhalten. Dementsprechend, wenn das Substrat mit der geneigten Oberfläche, wie oben erwähnt, verwendet wird, wird die geometrische Beziehung zwischen der Orientierung des elektrischen Vektors des Rekombinationslichts und der Orientierung des elektrischen Vektors des TE-Modus-Oszillationslichtes beibehalten, um streng äquivalent mit der Beziehung im Falle eines exakten (0,0,1)-Substrats zu sein.
  • Der Halbleiterlaser gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung enthält die aktive Schicht mit der geordneten Struktur und der in der Ebene liegenden Kompressivdehnung. Die geordnete Struktur ist oben erklärt worden. Auf der anderen Seite war in Bezug auf die Punktion der kompressiven Dehnung war bekannt, daß der elektrische Vektor eines Lichts, das durch die Rekombination von einem Elektron und einem oberen Valenzbandloch in einer Halbleiterschicht mit der in der Ebene liegenden Kompressivdehnung in der (0,0,1)-Ebene generiert wird, in der (0,0,1)-Ebene konzentriert ist.
  • Die aktive Schicht des Halbleiterlasers gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung verwirklicht sowohl die Wirkung der geordneten Struktur als auch die Wirkung der Kompressivdehnung, wie sie oben erwähnt wurde. Deshalb ist die Orientierung des elektrischen Vektors des Rekombinationslichtes in der aktiven Schicht in der (-1,1,1)-Ebene oder in der (1,-1,1)-Ebene durch die Wirkung der geordneten Struktur konzentriert. Zusätzlich ist die Orientierung des elektrischen Vektors weiter in der (0,0,1)-Ebene durch Wirkung der in der Ebene liegenden Kompressivdehnung konzentriert. Als Ergebnis dieser Wirkung ist die Orientierung des elektrischen Vektors des Rekombinationslichtes, das in der aktiven Schicht des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers generiert wird, in der [1,1,0]-Richtung konzentriert, welche die einzige Richtung ist, die nicht nur in der (-1,1,1)-Ebene oder der (1,-1,1)-Ebene, sondern auch in der (0,0,1)-Ebene enthalten ist, wie es in Fig. 3A gezeigt wird. Die Emissionsorientierung des Lichtes mit dem elektrischen Vektor in der [1,1,0]-Richtung ist in der (1,1,0)-Ebene enthalten. Deshalb hat in dem Halbleiterlaser gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung mit dem in einer Richtung - etwa der [-1,1,0]-Richtung und der [0,0,1]-Richtung, welche in der (1,1,0)-Ebene enthalten sind - ausgebildeten Laserresonators eine Rekombinationslichtkomponente, die eine Verstärkung des Oszillationsmodus ergibt - im Vergleich mit dem herkömmlichen Beispiel - einen hohen Anteil des gesamten Rekombinationslichts. Im Ergebnis benötigt der Halbleiterlaser gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung einen niedrigen Schwingungsschwellwertstrom. Da andererseits der herkömmliche belastete aktive Quantenwellschicht-Halbleiterlaser nur der Wirkung der Dehnung ausgesetzt ist, hat die Orientierung des elektrischen Vektors des Lichts, das Rekombinationslicht aussendet, in einer (0,0,1)-Ebene jede Richtung, wie es in Fig. 3B gezeigt wird. In diesem Fall wird das Rekombinationslicht in alle Richtung ausgestrahlt und deshalb ist der Anteil der Rekombinationslichtkomponenten, die eine Verstärkung des Oszillationsmodus ergeben, kleiner.
  • Der Halbleiterlaser gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung umfaßt ein Halbleitersubstrat mit der aus der (0,0,1)-Ebene hin zu der [-1,1,0]-Richtung (oder der [1,-1,0]-Richtung) geneigten Oberfläche, ähnlich zu dem Halbleiterlaser gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung. Deshalb hat, wie erklärt wurde, die epitaxiale Schicht, die auf dem Substrat mit der geneigten Oberfläche gewachsen ist, ein höheres Ausmaß an Ordnung. Deshalb wirkt der Effekt der Erfindung, wie er vorher erwähnt wurde, intensiver. Wenn das Substrat mit der geneigten Oberfläche verwendet wird, ist zusätzlich die Orientierung der Ebene der Kompressivdehnung aus der (0,0,1)-Ebene geneigt, aber die Emissionsorientierung des Rekombinationslichtes ist ebenfalls in der (1,1,0)-Ebene im Einklang mit den Prinzipien der Wirkung der Erfindung konzentriert. Die Richtung des Laserresonators ist ebenfalls aus der [-1,1,0]-Richtung hin zu der [0,0,1]-Richtung oder aus der [0,0,1]-Richtung hin zu der [-1,1,0]-Richtung geneigt aber diese Laserresonatorrichtungen werden nach wie vor in der (1,1,0)-Ebene gehalten. Entsprechend wird, wenn das oben erwähnte Substrat mit der geneigten Oberfläche verwendet wird, die geometrische Beziehung zwischen der Emissionsorientierung des Rekombinationslichts und der Richtung des Laserresonators beibehalten, um exakt äquivalent mit der Beziehung wie im Fall des (0,0,1)-Substrats zu sein.
  • Zusätzlich kann der Halbleiterlaser gemäß dem dritten oder vierten Aspekt der Erfindung eine Halbleiterschicht enthalten, die auf einem GaAs-Substrat gebildet ist, und eine AlGaInP- oder InGaAsP-Schicht mit einer Kompressivdehnung und einer geordneten Struktur enthält. Alternativ dazu kann der Halbleiterlaser eine Halbleiterschicht enthalten, die auf einem InP-Substrat ausgebildet ist und eine InGaAsP- Schicht einer Kompressivdehnung und einer geordneten Struktur enthält, umfassen.
  • Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden klar aus der folgenden Beschreibung der bevorzugter erfindungsgemäßen Ausführungsformen unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Fig. 1 ist eine diagrammartige perspektivische Ansicht, die eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers zeigt;
  • Fig. 2 ist eine diagrammartige Querschnitts-Ansicht, die eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers zeigt;
  • Fig. 3 illustriert eine Orientierung des elektrischen Vektors des Rekombinationslichts in der aktiven Schicht des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Nun sollen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden.
  • Erste Ausführungsform
  • In Fig. 1 ist eine Ansicht, die eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Halbleiterlasers zeigt.
  • Auf einem Halbleitersubstrat 2, das aus Si-dotiertem n-Typ- GaAs gebildet ist, sind eine Plattierschicht 3 aus Si-dotiertem n-Typ-(Al0,7Ga0,3)0,5In0,5P mit einer Dicke von 1,2 um, eine aktive Schicht 4 aus undotiertem (Al0,10Ga0,90)0,5 In0,5P mit einer Dicke von 80 nm und eine Plattierschicht 5 aus Zn-dotiertem p-Typ- (Al0,7Ga0,3)0,5In05P mit einer Dicke von 1,2 um epitaxial nacheinander gewachsen. Die aktive Schicht kann aus einer InxGa1-xAs1-yPy-Schicht gebildet sein. Alternativ dazu kann die aktive Schicht aus einer InxGa1-xAs1-y-Schicht gebildet sein. In diesem Fall sind das Halbleitersubstrat 2 und die Plattierschichten 3 und 5 aus InP gebildet. Zusätzlich ist die aktive Schicht aus einer einfachen einkomponentigen Schicht gebildet, aber sie kann aus mehreren Quantenwellschichten gebildet sein. In diesem Fall ist es ausreichend, wenn die geordnete Struktur in der Quantenwellschicht gebildet ist, welche die das Rekombinationslicht emittierende Schicht darstellt.
  • Die Orientierung der Oberfläche des Halbleitersubstrats 2, auf welchem die Plattierschichten 3 und 5 und die aktive Schicht 4 durch epitaxiales Wachsen ausgebildet sind, ist in einem Winkel von 60 aus der (0,0,1)-Ebene hin zu der [-1,1,0]-Richtung geneigt. Um die geordnete Struktur mit dem hohen Ausmaß an Ordnung in der aktiven Schicht zu bilden, sind Neigungswinkel im Bereich von 100 oder kleiner geeignet. Die Orientierung der Ebene des Halbleitersubstrats 2 kann in der (0,0,1)-Ebene sein. Alternativ dazu ist es möglich, ein Halbleitersubstrat mit einer Oberfläche zu verwenden, die in einem Winkel von 1º bis 3º aus der (0,0,1)-Ebene hin zu irgendeiner Richtung, wie etwa der [1,1,0]-Richtung, der [1,0,0]-Richtung oder der [0,1,0]- Richtung, geneigt ist. Wie gut bekannt ist, haben diese Substrate den Effekt, den epitaxialen Kristall zu verbessern.
  • Das epitaxiale Wachstum wurde durch eine niederdruckmetallorganische-chemische Dampfablagerung (MOVPE) durchgeführt. Bei dieser Ausführungsform betrug die Kristallwachstumstemperatur 660ºC und das Verhältnis V-Gruppe/III-Gruppe war 200. Um die geordnete Struktur mit einem hohen Ausmaß an Ordnung zu bilden, ist es geeignet, daß die Kristallwachstumstemperatur nicht höher als 700ºC liegt und das Verhältnis V-Gruppe/III-Gruppe des zugelieferten Materials nicht kleiner als 100 ist. Dies sind die Bedingungen für die Ausbildung der geordneten Struktur in der aktiven Schicht mit dem in der vorliegenden Erfindung erwarteten Effekt, und entsprechend können andere Kristallwachstumsbedingungen für die Plattierschichten und die anderen Schichten verwendet werden. Die Wachstumsrate lag bei 1,8 um/Stunde. Als Ausgangsmaterialien wurden Trimethylaluminium (TMA), Trimethylgallium (TEG), Trimethylindium (TNI), Dimethylzink (DMZ), Phosphin (PH&sub3;), Arsin (AsH&sub3;) und Disilan (Si&sub2;H&sub6;) verwendet. Eine Gasquellen-Molekularstrahlepitaxie (GSMBE) oder chemische Strahlepitaxie (CBE) können verwendet werden.
  • Nach dem epitaxialen Wachstum wird in der Plattierschicht 5 durch Fotolithographie ein Streifen 9 gebildet, nämlich durch selektives Ätzen der Plattierschicht 5. Die Orientierung des Streifens 9 liegt in der [-1,1,0]-Richtung. Der Streifen 9 soll den Laserresonator bilden. Genau gesagt, im Fall, daß das Substrat mit der geneigten Oberfläche verwendet wird, ist die Richtung des Laserresonators aus der [-1,1,0]-Richtung hin zu der [0,0,1]-Richtung oder einer anderen Richtung geneigt. Nach Ausbildung des Streifens 9 wird eine Blockschicht 6 aus Si-dotiertem n-Typ-GaAs selektiv auf jeder Seite des Streifens 9 aufgewachsen, und eine Kontaktschicht 7 aus Zn-dotiertem p-Typ-GaAs ist auf der gesamten Oberfläche einschließlich des Streifens 9 und der Blockschicht 6 gewachsen. Nach Ausbildung der Kontaktschicht 7 werden eine n-seitige Elektrode 1 und eine p-seitige Elektrode 8 jeweils auf der rückseitigen Oberfläche des Substrats 2 und auf der Kontaktschicht 7 ausgebildet. Schließlich werden Spalten ausgebildet, um so einander gegenüberliegende reflektierende Spiegel in der (-1,1,0)- Ebene zu bilden. Die reflektierenden Spiegel können unter Verwendung von Trockenätzung anstelle des Ausbildens der Spalten gebildet werden. Alternativ dazu kann der reflektierende Spiegel eine andere Ebene als die (-1,1,0)-Ebene haben, wie in einem Vertikalemissions-Typ-Halbleiterlaser (T. Takamor et al., Applied Physics Letters, Vol. 55, Seite 1053, 1989), oder er kann auch eine gekrümmte Oberfläche haben. Mit dem oben erwähnten Verfahren ist der Halbleiterlaser fertiggestellt. Der so gebildete Halbleiterlaser schwingt in dem TE-Modus und die Orientierung des elektrischen Vektor des generierten Laserlichts 10 ist in der [1,1,0]-Richtung.
  • Zweite Ausführungsform
  • Nun wird eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers erklärt. Die zweite Ausführungsform hat eine der ersten Ausführungsform ähnliche Struktur, die in Fig. 1 gezeigt ist, und deshalb wird sie unter Bezug auf Fig. 1 dargelegt.
  • Bei dieser zweiten Ausführungsform werden nacheinander auf einem Halbleitersubstrat 2 aus Si-dotiertem n-Typ-GaAs eine Plattierschicht 3 aus Si-dotiertem n-Typ- (Al0,7Ga0,3)0,5In0,5P mit einer Dicke von 1,2 um, eine aktive Schicht 4 aus einem mehrfach gedehnten Quantenwellschicht und eine Plattierschicht 5 aus Zn-dotiertem p-Typ(Al0,7Ga0,3)0,5In0,5P mit einer Dicke von 1,2 um epitaxial gewachsen. Die mehrfach gedehnte Quantenwellschicht ist aus drei in der Ebene kompressivgedehnten Schichten aus undotiertem Ga0,40In0,60P mit einer Dicke von 8 nm und vier gedehnten Barrierenschichten aus undotiertem (Al0,4Ga0,6)0,55In0,45P mit einer Dicke von 4 nm gebildet. Die in der Ebene kompressivgedehnten Schichten können aus einer (AlxGa1-x)yIn1-yP-Schicht (y < 0,51), oder aus einer InxGa1-xAs-Schicht (x > 0) gebildet sein. Alternativ dazu, wenn die Wellschichten aus einer InxGa1-xAs1-yPy-Schicht (x > 0,49y) besteht, ist es möglich, eine in der Ebene liegende Kompressionsdehnung zu verwenden, wobei das Verhältnis von Ga:In = 1:1 (x=0,5) ist. Dies ist sehr wirkungsvoll, damit die Kompressivdehnung und die geordnete Struktur mit einem hohen Ausmaß an Ordnung koexistieren. Zusätzlich können die Wellschichten und die Barrierenschichten aus In1-xGaxAsyP1-y gebildet sein. In diesem Fall sind das Halbleitersubstrat 2 und die Plattierschichten 3 und 5 aus InP gebildet.
  • Ähnlich zu der ersten Ausführungsform ist eine Orientierung der Oberfläche des Halbleitersubstrats 2, auf der die Plattierschichten 3 und 5 und die aktive Schicht 4 durch expitaxiales Wachsen ausgebildet sind, in einem Winkel von 6º aus der (0,0,1)-Ebene hin zu der [-1,1,0]-Richtung geneigt. Um eine geordnete Struktur mit einem hohen Ausmaß an Ordnung in der aktiven Schicht zu bilden, sind Neigungswinkel in einem Bereich von 10º oder kleiner geeignet. Die Ebenenorientierung des Halbleitersubstrats 2 kann in der (0,0,1)- Ebene liegen. Alternativ dazu ist es möglich, ein Halbleitersubstrat mit einer Oberfläche zu verwenden, die in einem Winkel von 10 bis 30 aus der (0,0,1)-Ebene hin zu einer anderen Richtung, wie etwa der [1,1,0]-Richtung, der [1,0,0]- Richtung oder der [0,1,0]-Richtung, geneigt ist. Wie gut bekannt ist, haben diese Substrate den Effekt, den epitaxialen Kristall zu verbessern.
  • Ebenfalls ähnlich zu der ersten Ausführungsform wird das epitaxiale Wachstum durch niederdruck-metallorganisch-chemische Dampfablagerung (MOVPE) durchgeführt. Bei dieser Ausführungsform betrug die Kristallwachstumstemperatur 660ºC und das Verhältnis V-Gruppe/III-Gruppe war 200. Dies sind die Bedingungen für die Ausbildung einer aktiven Schicht mit geordneter Struktur mit dem in der Erfindung erwarteten Effekt, und entsprechend können andere Kristallwachstumsbedingungen für die Plattierschichten und andere Schichten verwendet werden. Die Wachstumsrate war etwa 1,8 am/Std. Die Ausgangsmaterialien waren diesselben wie jene, die in der ersten Ausführungsform verwendet wurden. Bei der zweiten Ausführungsform kann eine Gasquellenmolekularstrahlepitaxie (GSMBE) oder eine Chemiestrahlepitaxie (CBE) verwendet werden.
  • Nach dem epitaxialen Wachsen werden ein Streifen 9, eine Blockschicht 6, eine Kontaktschicht 7, eine n-seitige Elektrode 1 und eine p-seitige Elektrode 8 ähnlich der ersten Ausbildungsform gebildet. Schließlich werden Spalten ausgebildet, um so einander gegenüberliegende reflektierende Spiegel in einer (-1,1,0)-Ebene zu bilden. In dieser zweiten Ausführungsform können die reflektierenden Spiegel unter Verwendung einer Trockenätzung anstelle der Ausbildung von Spalten gebildet werden. Alternativ dazu kann der reflektierende Spiegel eine andere Ebene als die (-1,1,0)- Ebene haben, wie es in einem Vertikalemissionstyp-Halbleiterlaser der Fall ist, oder es kann auch eine gekrümmte Oberfläche vorgesehen sein.
  • Mit dem oben beschriebenen Verfahren ist der Halbleiterlaser fertiggestellt. Die Orientierung des elektrischen Vektors des Laserlichts 10, das in dem so gebildeten Halbleiterlaser generiert wird, ist in der [1,1,0]-Richtung und eine Emissionsrichtung ist im wesentlichen in der [-1,1,0]- Richtung und in der [1,-1,0]-Richtung.
  • Dritte Ausführungsform
  • Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers. Auf einem Halbleitersubstrat 2 aus Si-dotiertem n-Typ-GaAs werden nacheinander eine Plattierschicht 3 aus Si-dotiertem n-Typ-(Al0,7Ga0,3)0,5In0,5P mit einer Dicke von 1,2 um, eine aktive Schicht 4 eines mehrfach belasteten Quantenwells und eine Plattierschicht 5 aus Zn-dotiertem P-Typ-(Al0,7Ga0,3)0,5In0,5P mit einer Dicke von 1,2 um epitaxial gewachsen. Die mehrfach gedehnte Quantenwellschicht ist aus drei in der Ebene kompressivgedehnten Schichten aus undotiertem Ga0,50In0,50B0,90As0,10 mit einer Dicke von 8 nm und vier gedehnten Barrierenschichten aus undotiertem (Al0,4Ga0,6)0,55In0,45P mit einer Dicke von 4 nm gebildet. Die in der Ebene kompressivgedehnten Schichten können aus einer (AlxGa1-x)yIn1-yP-Schicht (y < 0,51) oder einer InxGa1-xAs-Schicht (x > 0) gebildet sein. Zusätzlich können die Wellschichten und die Barriereschichten aus In1-xGaxAsyP1-y gebildet sein. In diesem Fall sind das Halbleitersubstrat 2 und die Plattierschichten 3 und 5 aus InP gebildet.
  • Ähnlich zu der zweiten Ausführungsform ist die Orientierung der Oberfläche des Halbleitersubstrats 2, auf welcher die Plattierschichten 3 und 5 und die aktive Schicht 4 durch epitaxiales Wachstum ausgebildet sind, in einem Winkel von 60 aus der (0,0,1)-Ebene hin zu der [-1,1,0]-Richtung geneigt, doch sie kann die (0,0,1)-Ebene sein. Das epitaxiale Wachstum wurde durch niederdruck-metallorganische-chemische Dampfablagerung (MOVPE) durchgeführt. Um die geordnete Struktur in der aktiven Schicht aus Ga0,50In0,50P0,90As0,10 zu bilden, betrug die Kristallwachstumstemperatur 660ºC und das Verhältnis V-Gruppe/III-Gruppe war 200. Das Rohmaterial war dasselbe, das in der ersten Ausführungsform verwendet wurde. Eine Gasquellen-Molekularstrahlepitaxie (GAMBE) oder eine Chemiestrahlepitaxie (CBE) können verwendet werden.
  • Danach wird ein dielektrischer SiO&sub2;-Film in Form einer kreisförmigen Scheibe mit einem Durchmesser von 7 um auf der Plattierschicht 5 durch Fotolithographie gebildet. Der dielektrische SiO&sub2;-Film kann jedoch polygonal sein. Zn-Verunreinigungen, Mg-Verunreinigungen, Si-Verunreinigungen, Fe-Verunreinigungen oder Au-Verunreinigungen werden in den Kristall diffundiert, der aus den Plattierschichten 3 und 5 und der aktiven Schicht 4 zusammengesetzt ist, wobei der dielektrische SiO&sub2;-Film als Maske verwendet wird. Diese Verunreinigungen können durch ein Ionenimplantations-Verfahren injiziert werden. Mit dieser Verarbeitung wird ein Bereich 11 mit hoher Verunreinigungskonzentration in dem Kristall gebildet, der nicht mit dem zirkularen oder polygonalen dielektrischen Film bedeckt ist, und die geordnete Struktur der Ga0,50In0,50P0,90As1,0-Schichten der aktiven Schicht 4 innerhalb des Bereichs 11 mit hoher Verunreinigungskonzentration wird in eine ungeordnete Struktur verwandelt, so daß eine Bandlückenenergie der Ga0,50In0,50P0,90As0,10-Schichten vergrößert wird und der Brechungsindex verringert wird. Als Folge werden die in die aktive Schicht 4 indizierten Träger in einem Bereich eingeschlossen, der mit dem dielektrischen Film bedeckt ist (im Folgenden "lichtemittierender Bereich"), und ein in der aktiven Schicht 4 erzeugtes Licht wird in dem lichtemittierenden Bereich eingeschlossen. Der lichtemittierende Bereich bildet einen Laserresonator, der im wesentlichen in der [0,0,1]-Richtung liegt. Genau gesagt, im Fall, daß die geneigte Substratoberfläche verwendet wird, ist die Richtung des Laserresonators aus der [-1,1,0]-Richtung hin zu der [0,0,1]-Richtung oder eine andere Richtung geneigt.
  • Nach der Diffusion wird der dielektrische SiO&sub2;-Film entfernt, und ein reflektierender Film aus einer dielektrischen Mehrschicht und mit einem Reflexionskoeff izienten von 90% wird auf der Plattierschicht 5 gebildet, wobei der Bereich 11 mit hoher Verunreinigungskonzentration ausgelassen wird. Außerdem wird eine Elektrode 8 in dem Bereich 11 mit hoher Verunreinigungskonzentration gebildet. Danach wird eine Aussparung mit einer entsprechenden zirkularen oder polygonalen Form im Halbleitersubstrat 2 gebildet, und ein reflektierender Film 13 aus einer dielektrischen Mehrschicht mit einem Reflexionskoeffizienten von 98% wird auf der Plattierschicht 3 innerhalb der Aussparung gebildet. Letzlich wird eine Elektrode 1 auf der rückseitigen Oberfläche des Halbleitersubstrats 2 gebildet.
  • Mit dem oben erwähnten Verfahren ist der Oberflächenemissionstyp-Halbleiterlaser fertiggestellt. Die Orientierung des elektrischen Vektors des Laserlichts 10, das in dem so gebildeten Halbleiterlaser generiert wird, liegt in der [1,1,0]-Richtung und die Emissionsrichtung ist im wesentlichen in der [-1,1,0]-Richtung und in der [1,1,0]-Richtung.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung zeigte einen niedrigen Schwellstromwert und exzellente Hochtemperatur-Arbeitseigenschaften. Insbesondere hat der Halbleiterlaser mit dem Halbleitersubstrat, das die um 60 aus der (0,0,1)-Ebene hin zu der [-1,1,0]-geneigten Oberfläche hat, einen Schwellstromwert, der kleiner als im Fall einer Verwendung eines Halbleitersubstrats mit der (0,0,1)-Oberfläche ist.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung, deren Laserresonator in der [-1,1,0]-Richtung ausgebildet ist, zeigt einen niedrigen Schwellstromwert und exzellente Hochtemperatur-Arbeitseigenschaften. Insbesondere der Halbleiterlaser mit dem Halbleitersubstrat, das die Oberfläche in einem Winkel von 60 aus der (0,0,1)-Ebene hin zu der [1,1,0]-Richtung geneigt hat, hat einen niedrigeren Schwellstromwert als im Fall der Verwendung des Halbleitersubstrats mit der (0,0,1)-Oberfläche. Zusätzlich hat im Fall der Verwendung des Halbleitersubstrats mit der in einem Winkel von 60 aus der (0,0,1)-Ebene hin zu der [-1,1,0]-Richtung geneigten Oberfläche der Halbleiterlaser mit den gedehnten Ga0,50In0,50P0,90As0,10-Quantenwellschichten einen Schwellstromwert, der noch niedriger als beim Halbleiterlaser mit den gedehnten Ga0,40In0,60P-Quantentwellschichten ist.
  • Außerdem zeigte eine Ausführungsform der Erfindung mit einem in der [0,0,1]-Richtung ausgebildeten Laserresonator einen niedrigen Schwellstromwert und exzellente Hochtemperatureigenschaften im Vergleich mit einem herkömmlichen Oberflächenemissiontyplaser.
  • Die Erfindung ist in Zusammenhang mit speziellen Ausführungsformen beschrieben worden. Es ist jedoch anzumerken, daß die Erfindung in keiner Weise durch Details der dargestellten Strukturen beschränkt ist und Änderungen und Modifikationen innerhalb des Rahmens der beiliegenden Ansprüche vorgenommen werden können.

Claims (8)

1. Halbleiterlaser mit einem Halbleitersubstrat (2) mit einer Fläche in der (0, 0,1)-Ebene oder einer Ebene, die gegen die (0, 0,1)-Ebene geneigt ist, einer ersten Plattierschicht (3), die auf der Fläche gebildet ist, einer aktiven Schicht (4), die auf der ersten Plattierschicht (3) gebildet ist, wobei die aktive Schicht (4) zumindest eine Verbindungs-Halbleiterschicht mit einer geordneten Struktur entlang einer [-1, 1,1]-Richtung oder entlang einer [1, -1,1]-Richtung aufweist, wobei eine zweite Plattierungsschicht (5) auf der aktiven Schicht (4) ausgebildet ist, und einem Laserresonator (9), der in -1, 1,0 -Richtung oder in 0, 0,1 -Richtung gebildet ist.
2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, wobei die Fläche des Halbleitersubstrats (2) zu der (0, 0,1)-Ebene in Richtung auf die [-1, 1,0]-Richtung oder die [-1, 1,0]-Richtung geneigt ist.
3. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, wobei das Halbleitersubstrat (2) aus GaAs gebildet ist und die aktive Schicht (4) mit einer Halbleiter-Mehrschicht-Struktur, die auf dem GaAs-Substrat ausgebildet ist, versehen ist, wobei die aktive Schicht (4) aus einer (AlxGa1-x)yIn1-yP-Schicht oder einer InxGa1-xAs1-yPy-Schicht gebildet ist.
4. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, wobei das Halbleitersubstrat (2) aus InP gebildet ist und die aktive Schicht (4) mit einer Halbleiter-Mehrschichtstruktur versehen ist, die auf dem InP-Substrat gebildet ist, wobei die aktive Schicht (4) aus einer In1-xGaxAsyP1-y- Schicht gebildet ist.
5. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, wobei die Verbindungs-Halbleiterschicht eine in der Ebene liegende Kompressivdehnung in der (0, 0, 1)-Ebene aufweist.
6. Halbleiterlaser nach Anspruch 5, wobei die Fläche von der (0, 0, 1)-Ebene in Richtung auf die [-1, 1, 0]-Richtung oder die [1, -1, 0]-Richtung geneigt ist, und daß der in der Ebene liegende Kompressivdehnung in der Oberfläche liegt, die von der (0, 0, 1)-Ebene in Richtung auf die [-1, 1, 0]-Richtung oder die [1, -1, 0]-Richtung geneigt ist.
7. Halbleiterlaser nach Anspruch 6, wobei der Neigungswinkel der Oberfläche 60 beträgt und wobei das Halbleitersubstrat (2) aus GaAs gebildet ist und die aktive Schicht (4) mit einer Halbleiter-Mehrschicht- Struktur, die auf dem GaAs-Substrat ausgebildet ist, versehen ist, wobei die aktive Schicht (4) aus Ga0.50In0.50P0.90As0.10 gedehnten Quantenwell-Schichten gebildet ist.
8. Halbleiterlaser nach Anspruch 6, wobei der Neigungswinkel der Oberfläche 6º beträgt und wobei das Halbleitersubstrat (2) aus InP gebildet ist und die aktive Schicht (4) mit einer Halbleiter-Mehrschicht-Struktur versehen ist, die auf dem InP-Substrat ausgebildet ist, wobei die aktive Schicht (4) aus einer In1-xGaxAsyP1-y- Schicht gebildet ist.
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