Hintergrund der Erfindung
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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
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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).
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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.
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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.
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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
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Dementsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen
Halbleiterlaser zu schaffen, der den oben erwähnten
Nachteil des herkömmlichen überwunden hat.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen
Halbleiterlaser zu schaffen, der einen niedrigen
Schwingungsschwellwertstrom hat.
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Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen
Halbleiterlaser mit einer gedehnten aktiven Quantentwellschicht
und einem weiter verringerten Schwingungsschwellwertstrom
zu schaffen.
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Die obigen und andere Aufgaben der Erfindung werden gemäß
der Erfindung durch einen Halbleiterlaser erreicht, wie er
in Anspruch 1 offenbart ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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Fig. 1 ist eine diagrammartige perspektivische Ansicht, die
eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Halbleiterlasers zeigt;
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Fig. 2 ist eine diagrammartige Querschnitts-Ansicht, die
eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Halbleiterlasers zeigt;
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Fig. 3 illustriert eine Orientierung des elektrischen
Vektors des Rekombinationslichts in der aktiven Schicht
des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Nun sollen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter
Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden.
Erste Ausführungsform
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In Fig. 1 ist eine Ansicht, die eine erfindungsgemäße
Ausführungsform des Halbleiterlasers zeigt.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.