DE69308977T2

DE69308977T2 - Halbleiterlaservorrichtung

Info

Publication number: DE69308977T2
Application number: DE69308977T
Authority: DE
Inventors: Toshio Kikuta; Michio Ohkubo
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1992-09-25
Filing date: 1993-09-24
Publication date: 1997-10-09
Anticipated expiration: 2013-09-25
Also published as: EP0589727B1; US5388116A; CA2106596A1; DE69308977D1; EP0589727A2; EP0589727A3; CA2106596C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiterlaservorrichtung und insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf eine Halbleiterlaservorrichtung mit hohem Ausgang für die Verwendung im Fernmeldewesen oder bei optischen Anwendungen.
Es besteht ein zunehmender Bedarf an GaAs-Halbleiterlasern mit hohem Ausgang für die Verwendung im Fernmeldewesen und bei optischen Anwendungen.
Ein Nachteil solcher Laser mit hohem Ausgang besteht darin, daß ein katastrophaler optischer Schaden und Korrosion an den Facetten des Lasers auftreten kann, wenn die Vorrichtung kontinuierlich über eine längere Zeitdauer benutzt wird.
Es wird angenommen, daß diese Probleme auftreten, wenn die Temperatur der Facetten der Laservorrichtung einer Wiederholung des Anstiegszyklus in der Oberflächentemperatur, der Verminderung der Bandlücke, der Lichtabsorption und der Erhöhung des Oberflächen-Rekombinationsstroms ausgesetzt wird.
Eine vorgeschlagene bekannte Lösung dieser Probleme besteht darin, eine Struktur vorzusehen (Fensterstruktur), die wirksam verhindert, daß das Phenomen der Lichtabsorption an den Facetten eines Halbleiterlasers auftritt.
Genauer gesagt umfaßt eine solche Struktur einen Teil einer aktiven Schicht, die wirksam die Bandlücke ausdehnen und damit Lichtabsorption unterdrücken und einen optischen Schaden an der Halbleiterlaservorrichtung aufgrund von Lichtabsorption vermeiden katin.
Mit einer solchen oben beschriebenen Vorsorgemaßnahme kann jedoch die Halbleiterlaservorrichtung auch verschlechtert werden, da der in der Vorrichtung fließende Oberflächen-Rekombinationsstrom als Folge eines elektrischen Stroms zunimmt, der Anlaß zu einer den Facetten der Vorrichtung zugeführten Vorspannung gibt, die einen die Bandlücke ausdehnenden Bereich hat und durch die den Joule-Effekt des Stroms erzeugte Hitze verursacht wird.
Im Hinblick auf die obigen Probleme ist es daher ein Gegenstand der Erfindung, einen Halbleiterlaser vorzusehen, der mit einem hohen Ausgangs-Leistungspegel ohne Verschlechterung der Qualität der Vorrichtung angesteuert werden kann.
Gemäß der Erfindung ist eine Halbleiterlaservorrichtung mit mehreren Schichten einschließlich einer aktiven Schicht und einer Elektrodenschicht vorgesehen, die auf einem Halbleitersubstrat angeordnet ist, um eine doppelte Heterostruktur zu bilden und einen seitlich begrenzten Strom-Injektionsbereich aufweist, der sich durch die Elektrodenschicht und die aktive Schicht hindurcherstreckt, wobei ein Schottky-Übergang aus einem Metall und einem Halbleiter mit einer relativ hohen Schwellenspannung oberhalb der aktiven Schicht ausgebildet ist, um den Injektions-Strompegel der Vorrichtung an der Stelle des Schottky-Übergangs zu verringern, wobei der Schottky-Übergang eine Zone einnimmt, die sich neben einer lichtreflektierenden Oberfläche der Vorrichtung über den Strom-Injektionsbereich erstreckt.
Mit einem nahe einer lichtreflektrierenden Facette des Strom- Injektionsbereichs der Halbleiter-Laservorrichtung gebildeten Schottky-Übergang ist die Injektions-Stromdichte dieses Bereiches niedriger als die des übrigen Bereichs der Vorrichtung.
Durch eine solche Verminderung der Injektions-Stromdichte in dem oben erwähnten Bereich wird ein ausgeprägter Temperaturanstieg der lichtreflektierenden Facetten (in dem Strom-Injektionsbereich) während der Strominjektion wirksam verhindert, so daß keine Verminderung der Bandlücke der Vorrichtung oder eine daraus folgende Lichtabsorption stattfindet.
Es sei bemerkt, daß eine solche Anordnung leicht bei der Herstellung von Halbleiterlaservorrichtungen der betrachteten Art realisiert werden kann.
Die optischen Ausgangseigenschaften der Halbleiterlaservorrichtung werden merklich verbessert, um die Zuverlässigkeit der Vorrichtung stark zu erhöhen, wenn die Rate der Erzeugung von Wärme durch den Joule-Effekt in dem oben erwähnten Bereich der Vorrichtung unterdrückt wird.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend nur beispielsweise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen stellen dar:
Fig. 1 eine schematische Stirnansicht einer Ausführungsform eines Halbleiterlasers gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Teilschnitt-Ansicht entlang der Linie A-A in Fig. 1; und
Fig. 4 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem elektrischen Strom und der Spannung an den zwei entgegengesetzten Enden einer Wulst-Mesa (ridge mesa) der Vorrichtung von Fig. 1 zeigt und eine gleiche Beziehung wie zwischen den beiden unterschiedlichen Punkten der Wulst-Mesa der Vorrichtung beobachtet wird.
Gemäß Fig. 1 und 2 der Zeichnungen umfaßt die Vorrichtung ein n-GaAs-Substrat 1, eine n-GaAs-Pufferschicht 2, eine untere n- InGaP-Überzugsschicht 3, und eine untere n-GaAs-Lichtbeschränkungsschicht 4, eine p-In0.2Ga0.8As-aktive Schicht 5, eine obere p-GaAs-Lichtbeschränkungsschicht 6, eine obere p-InGaP-Oberzugsschicht 7, eine p&spplus; GaAs-Deckelschicht 8, eine p-Elektrodenschicht 9, eine n-Elektrodenschicht 10 und eine Polyimidschicht 11.
Eine Halbleiterlaservorrichtung wie in Fig. 1 und 2 dargestellt kann üblicherweise wie nachfolgend beschrieben hergestellt werden.
Zunächst wird eine n-GaAs-Pufferschicht 2 mit einer Dicke von 0,5 µm und n = 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³, eine untere n-InGaP-Überzugsschicht 3 mit einer Dicke von 1,2 um und n 1 x io¹&sup8; cm&supmin;³, eine untere n-GaAs-Lichtbeschränkungsschicht 4 mit einer Dicke von 0,03 µm und n = 3 x 10¹&sup7; cm&supmin;³, eine aktive p-In0,2Ga0,8-Schicht 5 mit einer Dicke von 80 Å und n = 3 x 10¹&sup7; cm , eine obere p-GaAs- Lichtbeschränkungsschicht 6 mit einer Dicke von 0,03 µm und n = 3 x 10¹&sup7; cm&supmin;³, eine obere p-InGaP-Oberzugsschicht 7 mit einer Dicke von 0,1 µm und n = 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ und eine p&spplus; -GaAs-Deckelschicht 8 mit einer Dicke von 0,5 µm und n = 4 x 10¹&sup9; cm&supmin;³ sequentiell auf einem n-GaAs-Substrat 1 in einem Kristallwachstumsprozeß unter Verwendung einer Epitaxial-Wachstumstechnik gebildet.
Anschließend wird eine Wulst Mesa mit einer Wulstbreite von 2 µm und einer Hohlraumlänge von 800 µm auf dem n-GaAs-Substrat 1 in einem Mesa-Formationsprozeß unter Verwendung eines fotolithografischen Verfahrens gebildet.
Anschließend wird eine schmale Ätzmaske auf die obere Fläche der Wulst Mesa gelegt, und dann wird die Deckelschicht 8 mit Ausnahme des maskierten Bereiches durch Fotolithografie entfernt.
Da die Ätzmaske 740 µm lang ist und einen mittleren Teil des Wulst Mesa bedeckt, die eine Länge von 800 µm hat, wird die letztere an den entgegengesetzten Endabschnitten um 30 µm an der lichtreflektierenden Facettenseite geätzt.
Schließlich werden die geätzten entgegengesetzten Seitenabschnitte an beiden Seiten der Wulst-Mesa mit einer Polyimidschicht 11 gefüllt, und dann wird eine Ti/Pt/Au-p-Elektrodenschicht 9 und eine Metall-n-Elektrodenschicht 10 jeweils an der epitaxial gewachsenen Seite und an der unteren Fläche der n- Gaasp-Elektrodenschicht 9 und eine Metall-n-Elektrodenschicht 10 jeweils an der epitaxial gewachsenen Seite und an der unteren Fläche des n-GaAs-Substrats 1 angebracht, um eine vollständige Halbleiterlaservorrichtung vom Wulst-Wellenleitertyp zu erzeugen.
Es sei bemerkt, daß bei der obigen Ausführungsform der aus Titan (Ti) bestehende Teil der p-Elektrodenplatte 9 in Kontakt mit der oberen p-InGaP (p-1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ )-Uberzugsschicht 7 an den gegenüberliegenden Endabschnitten der Wulst-Mesa gehalten wird, während alle verbleibenden Oberflächenbereiche des Titans der Platte 9 in Berührung mit der p&spplus; -GaAs (n = 4 x 10¹&sup9; cm&supmin;³)-Deckelschicht 8 gehalten werden.
Bei einem unter Verwendung der obigen Ausführungsform einer Halbleiterlaservorrichtung durchgeführten Experiment wurde die Strom-Spannungs-Beziehung zwischen der p-Elektrode 9 und der Deckelschicht 8 und zwischen der p-Elektrode 9 und der oberen Überzugsschicht 7 mittels eines bekannten Meßverfahrens durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Fig. 3 dargestellt.
Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß die Spannung zwischen den gegenüberliegenden Enden der Wulst-Mesa (elektrischer Stromweg (1)) größer ist als zwischen irgendwelchen zwei anderen Punkten der Wulst-Mesa (elektrischer Stromweg (2)).
Der Grund hierfür liegt darin, daß - wie oben beschrieben -ein Schottky-Obergang durch eine InGaP-Dotierung auf einen niedrigen Konzentrationspegel und Ti gebildet wird.
Insbesondere sei bemerkt, daß ein ausgezeichneter Ohm'scher übergang durch GaAs, das auf einen hohen Konzentrationspegel dotiert wurde, und Ti gebildet wird.
Daher zeigt die Äusführungsform (nachfolgend als Beispiel 1 bezeichnet) einen verhältnismäßig niedrigen Injektions-Strompegel an den gegenüberliegenden Enden der Wulst-Mesa, wenn sie für eine Laseremission angesteuert wird.
Aus Vergleichsgründen wurde eine Halbleiterlaservorrichtung vom unbeschränkten Strom-Injektionstyp mit einer Wulst-Mesa mit nicht geätzten gegenüberliegenden Enden in einer ähnlichen Weise hergestellt wie die im Beispiel 1 (nachfolgend als Vergleichs- Beispiel 1 bezeichnet).
Dann wurde der optische Zerstörungsausgang, bei dem die Laseraussendefläche aufgrund einer Temperaturerhöhung und der zunehmnenden Rate des Schwellwertstromes zerstört wird, wenn eine Ansteuerung bei 50ºC und 100 mW während 1000 Stunden erfolgt, für das Beispiel 1 und das Vergleichs-Beispiel 1, wie nachfolgend aufgeführt, bestimmt.

Beispiel 1:

Der optische Zerstörungsausgang: 400 mW
Die Zunahmerate des Schwellwertstroms: 1%

Vergleichs-Beispiel 1

Optischer Zerstörungsausgang: 300 mW
Zunahmerate des Schwellwertstroms: 5%.
Deutlich zeigt das Beispiel 1 einen optischen Zerstörungsausgang, der größer ist als der des Vergleichs-Beispiels 1, obwohl die Zunahmerate des Schwellwertstroms von Beispiel 1 nicht nennenswert niedriger war als die des Vergleichs-Beispiels 1.
Der optische Zerstörungsausgang und die Zunahmerate des Schwellwertstroms eines Ersatz-Beispiels, das man durch Anordnung eines isolierenden Gegenstandes zwischen der Elektrodenschicht und der aktiven Schicht und nahe einer lichtreflektierenden Facette des Strom-Injektionsbereiches erhält, zeigt ähnliche Ergebnisse.

Claims

1.) Halbleiterlaservorrichtung mit mehreren Schichten einschließlich einer aktiven Schicht (5) und einer Elektrodenschicht (9), die auf einem Halbleitersubstrat (1) angeordnet sind, um eine dopppelte Heterostruktur zu bilden, und einen seitlich begrenzten Strom-Injektionsbereich aufweisen, der sich durch die Elektrodenschicht (9) und die aktive Schicht (5) hindurch erstreckt, wobei ein Schottky-Übergang aus einem Metall (9) und einem Halbleiter (7) mit einer relativ hohen Schwellenspannung oberhalb der aktiven Schicht (5) ausgebildet ist, um den Injektions-Strompegel der Vorrichtung an der Stelle des Schottky-Übergangs zu verringern, wobei der Schottky-Übergang eine Zone belegt, die sich neben einer lichtreflektierenden Oberfläche der Vorrichtung über den Strom-Injektionsbereich erstreckt.