NL7906948A - Halfgeleiderlaserinrichting. - Google Patents

Description

i % ’ t 1 VO 814-19

Titel: Halfgeleiderlaserinrichting.

De uitvinding heeft betrekking op een, halfgeleiderlaserinrichting die in staat is op stabiele wijze een hoger uitgangsvermogen te leveren» In de tot nu toe bekende halfgeleiderlaserinrichtingen is een multilaagstruktuur toegepast voor een optisch begrenzingsgebied 5 dat in wezen is samengesteld uit drie dunne lagen, d.w.z. een actieve laag met een nauwe bandafstand die een hoge brekingsindex heeft, alsmede buitenste bekledingslagen die elk een grote bandbreedte en een kleine brekingsindex hebben en aan beide zijden van de actieve laag op zodanige wijze zijn aangebracht dat deze laatste wordt inge-10 sloten ("gesandwiched"). Er is onlangs gevonden dat de verdeling van de laserstralen in de richting evenwijdig aan de actieve laag een significante invloed uitoefent op de oscillatie-eigenschappen van de laserinrichting. Het is duidelijk geworden dat een stripdikte (stripe width) enige beperking moet ondergaan teneinde een gestabiliseerde 15 laserstraalverdeling te verkrijgen, hetgeen op zijn beurt betekent dat de beschikbare laseruitgang noodzakelijkerwijze kleiner is evenredig met de vernauwing van de stripdikte omdat de maximaal beschikbare optische uitgangen een halfgeleiderlaser in hoofdzaak. wordt bepaald door de dichtheid van de lichtflux die aanleiding kan geven tot 20 beschadiging aan het uitlaateindevlak van de halfgeleiderlaserinrichting. Daarentegen is als een benadering voor het doen toenemen van de laseruitgang een afzonderlijke-begrenzings-heterostruktuur,

Separate Confinement Heterostructure (SCH) voorgesteld waarin de drie-laagstruktuur als bovenbeschreven aan beide zijden is voorzien van 25 verdere dunne lagen onder vorming van een vij flaagstruktuur in een poging om de laserstraalverdeling in de richting loodrecht op het vlak van de actieve laag te verspreiden. Een dergelijke SCH struktuur wordt b»v. beschreven in: "GaAs-Al Ga. Heterostructure Laser with X 1 ·X .

Separate Optical and Carrier Confinement, Journal of Applied Physics, 30 vol. k5 no. 1; Jan. 197^, blzn. 322-333 (H.C, Casey)".

In dit verband is echter gevonden dat een verschil in dikte tussen het verboden gebied en tenminste een p-geleidingstype laag grenzend 7906348 2 ► * aan de actieve laag significant groot moet worden gekozen teneinde geïnjekteerde dragers tinnen de actieve laag voor een voldoende lange tijd te begrenzen. Aldus wordt het voordeel dat door de SCH struktuur wordt geleverd verminderd. Verder is een halfgeleiderlaserinrichting 5 voorgesteld met een struktuur waarin alle vlakken van de actieve laag, die een grote brekingsindex hebben, zoals GaAs met uitzondering van het vlak dat een deel van de optische resonator voorstelt, worden ingekapseld door een materiaalmassa, zoals GaAlAs, dat een brekingsindex vertoont die lager is dan van de actieve laag, zoals beschreven 10 in de Jap* Octr. Publ. 8^71 /1972 en in ’’Reduction of Treshold Current Buried-Hèterostructure Injection Lasers”, Proceedings of the 7th Conference on Solid State Devices, Tokyo, 1975, blzn. 289-292 (T. Tsukada et al)”'. Deze struktuur wordt aangeduid als de hafgeleider-laserinrichting met een begraven: heterostruktuur * Dit "type laserin-15 richting geeft vele voordelen. Bij voorbeeld (1) kan de werkstroam worden verminderd tot de orde van mli-ampêre j. (2) kan de laser-uitgang veel beter worden gestabiliseerd ondanks· stroomvariatiès j (3) er wordt, geen demping van de laseruitgang ondervonden bij modu-20 latie van een extreem klein signaal tot aan de frequentie van de orde van GHZ; (4) men bereikt een verbeterde responsie van de optische uitgang voor pulsstromen; en (51 et* kan een lichtbundel met verbeterde isotropie worden geproduceerd.

Daarentegen vertoont de halfgeleiderinrichting van. de begraven 25 heterostructuur ook verschillende nadelen, Bij de begraven heterostruktuur moet bij voorbeeld de breedte van de actieve laag worden beperkt of vernauwd tot ongeveer 1 micrometer teneinde de laseruitgang te stabiliseren, In tegenstelling daarmede hangt het maximaal, mogelijke optische uitgangsignaal dat- aan het laserelement kan 30 worden onttrokken af van geometrische faktoren of maten van het eindvlak van de actieve laag waarvan de laserbundel wordt uitgezonden, Wbrden de geometrische maten in kwestie groter gekozen dan wordt het beschikbare optische uitgangsvermogen groter, Onder deze omstandigheden is echter het'maximale optische uitgangsver-35 mogen van de halfgeleiderlaserinrichting met begraven heterostructuur ten hoogste ongeveer TniW, Aangezien de halfgeleiderlaserinrichting zal worden beschadigd bij bedrijf bij het maximale uitgangsvermogen,.

7906948 £ 1 3 is het gebruikelijk de halfgeleiderlaserinrichting met begraven hete-rostruktuur te laten verken met een optische uitgang die niet groter is dan 1mW. Aldus vordt bij de toepassing van. de halfgeleiderlaserinrichting met de begraven heterostruktuur de moeilijkheid onder-5 vonden dat de laseruitgang daarvan 1/3 tot 1/5 minder is van die van de andere halfgeleiderlaserinrichtingen van het streeptype onge-acht de vele voordelen van de begraven heterostrukruurlaser zoals bovenbeschreven.

10 Teneinde de maximaal mogelijke optische uitgang beschikbaar uit de laserinrichting met de drielaagstruktuur als bovenbeschreven te verhogen heeft het de voorkeur dat de. geometrische maten van de actieve laag groot vorden gekozen. Er moet echter vorden vermeld dat een beperking is opgelegd aan de vergroting of uitbreiding van de 15 geometrische afmetingen van de actieve laag. Wanneer bij voorbeeld de dikte van de actieve laag op 0,6 micrometer of meer wordt gekozen, zullen hogere orde modi blijken op te treden, terwijl de drempelstroom voor de laseroscillatie significant zal worden verhoogd.

Om deze redenen dient de dikte van de actieve laag bij voorkeur 20 kleiner te worden gekozen dan ongeveer 0,6 micrometer. Het heeft in het bijzonder de voorkeur de dikte van de actieve laag kleiner dan 0,15 micrometer te kiezen, aangezien dan geen toename in de drempelspanning zal plaatsvinden.

Er is verder getracht actieve lagen met een sterk verlaagde 25 dikte aan te brengen zodat de lichtverdeling kan worden verspreid naar de bekledingslagen, waardoor naar verhouding van de stralingsenergie in de actieve laag wordt verminderd. Volgens deze aanpak wordt het beoogde effekt significanter naar mate de dikte van de actieve laag meer wordt verlaagd. Wanneer de dikte van de actieve laag 30 echter wordt verlaagd tot 0,05 micrometer of minder, zal een aanmerkelijke ongelijkmatigheid of oneffenheid in de dikte van de actieve laag optreden wanneer deze met de huidige gebruikelijke kristal-groeitechnieken wordt gevormd, hetgeen het moeilijk maakt het beoogde effekt te bereiken.

35 Het is aldus een ..hoofddoel van de uitvinding te voorzien in een halfgeleiderlaserinrichting met een begraven heterostruktuur die 790594e i r *

U

in staat is een verhoogd uitgangsvermogen te leveren zonder daarbij de inherente voordelen van deze st rukt uur verloren gaan. Het is een ander doel van de uitvinding te voorzien in een halfgeleiderlaser- * inrichting die uitstekende optische eigenschappen vertoont en die 5 vrijwel niet gevoelig is voor modusvervorming in de optische uitgang. Het is nog een ander doel van de uitvinding te voorzien in een halfgeleiderlaserinrichting die uitstekende frequentie modulatie-eigenschappen heeft - '10 Volgens een algemeen aspekt van de uitvinding wordt nu voorgesteld een half geleiderlaag, bestemd als een optische geleidingslaag, grenzend aan een actieve laag op te nemen. Als resultaat van deze onder specifieke omstandighe^ als hierna beschreven opgebouwde struktuur /den kan het temperatuur afhankelijke gedrag van de drempelstroom voor j 15 de laseroscillatie sterk worden gestabiliseerd, terwijl de maximaal mogelijke optisehe uitgang van de laserinrichting aanzienlijk kan . worden vermeerderd, In figuur 1 is een basisdistributiepatroon van de brekingsindex in een multilaagstruktuur van een halfgekderinriebting. volgens de uitvinding geïllustreerd. Men kan waarnemen dat erop een . 20 half gelei dersub straat 10 tenminste een eerste bekledingslaag 1, een optische geleidingslaag 2, een actieve laag 3 en een tweede bekledingslaag b zijn gesuperponeerd die een multistruktuur vormen,. In het · algemeen hebben de eerste en tweede bekledingslagen tegengestelde geleidbaarheidstypen. Het halfgeleidersubstraat kan zonodig zijn 25 samengesteld uit een veelvoud van halfgeleiderlagen, Een verdere halfgeleiderlaag kan desgewenst op de tweede bekledingslaag worden aangebracht, De fundamentele optische begrenzingsstruktuur blijft echter ongewijzigd, Zoals blijkt uit figuur 1 voldoen de brekingsindex n^ van de actieve laag 3 en die (n^ en n^I van de bekledingslagen 1 en 30 b aan de voorwaarde: n^ > n^, n^ zoals in het geval van de tot nu bekende dubbele heterostruktuur, Anderzijds wordt de brekingsindex n van de optische geleidingslaag 2 zodanig gekozen dat > n^ > n^, n^, Als gevolg van de keuze van de bovenbeschreven brekingsindices blijkt het laserlicht te worden verdeeld in de actieve laag en de 35 optische geleidingslaag, waardoor het mogelijk wordt een verhoogd laseruitgangsvermogen te verkrijgen. Daarentegen kan door de keuze van 7906948 t - 5 de bandaf standen E^» en van de actieve laag 3, de bekledings-laag 1 en de optische geleidingslaag 2 zodanig dat 3 Eg2 een doeltreffende dragerhegrenzing binnen de actieve laag wordt bereikt, In dit geval wordt opgemerkt dat het verschil in de band-5 afstand tussen de optische geleidingslaag 2 en de actieve laag 3 groter moet zijn dan tenminste 0,15 eV. Anders zouden de temperatuur-afhankelijke eigenschappen van de drempelstroom voor praktische doeleinden ongunstig worden.

10 Volgens een ander aspekt van de uitvinding kan een extra half-geleiderlaag die bestemd, is dienst te doen als begravingslaag en die een kleinere brekingsindex heeft en daarbij grotere bandafstanden vertoont worden voorzien voor de actieve laag bij de zijden die orthogonaal staan op de voortplantingsrichting van de laserbundels, 15 Met deze struktuur kan effektief de transversale modus· in de richting evenwijdig aan de actieve laag worden geregeld. Gewoonlijk kan de totale multilaag optische begrenzingsstruktuur op het substraat worden begraven binnen de inbeddende laag.

Tevens kan een dunne dragerhegrenzingslaag worden voorzien tussen 20 de actieve laag en de optische geleidingslaag,

De uitvinding zal xru worden beschreven aan de hand van een voorbeeld met betrekking tot de bijgaande tekeningen, waarin fig, 1 een schematisch aanzicht is ter illustratie van een fundamentele optische begrenzingsstruktuur en een verdeling van de brekingsindices in een 25 halfgeleiderlaserinrichting volgens de uitvinding; figuur 2 een perspectivisch aanzicht is dat een halfgeleider-laserinrichting volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding weergeeft; figuur 3-7 grafisch de verhoudingen illustreren tussen hrekings-30 indices (n^ - - n^I, die moeten worden ingesteld ter levering van een optische geleidingslaag als functie van de dikte van de actieve laag; figuur 8 een soortgelijk aanzicht is als figuur 1 en een andere optische begrenzingsstruktuur illustreert tezamen met een daarmee ver-35 bonden verdeling van de brekingsindices in een halfgeleiderlaser— 7906948 6 ♦ * inrichting volgens een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding; figuur 9 grafisch de verhouding illustreert tussen de optische uitgang en de stroom in een halfgeleiderlaserinrichting volgens de uitvinding; 5 figuur 10 grafisch de verhouding tussen het verschil in de bandaf- standen (E — E -1 en. de temperatuur-afhankelijke drempelstroom illu— ge gd streert; figuur 11 grafisch de verhouding illustreert tussen de drempel-stroom (relatieve vaarde I en de AlAs molfraktie u van een begravings— 10 laag; figuren 12 en 13 variaties illustreren in een veldpatroon (far field pattern] afhankelijke van de AlAs molfraktie van de begravings-laag; figuren - l6 variaties· in een veldpatroon illustreren als 15 functie van de stripdikten Ψ, figuur 1T de variatie illustreert in de harmonische vervorming als een functie van de stripdikten lity _ figuur 18 de variatie illustreert in de temperatuur-afhankelijk-heid van de drempelstroom als functie van het verschil tussen AlAs 20 molfrakties van de tveede en derde lagen en figuur 19 een perspectivisch aanzicht is dat een half gelei derlas er-inrichting volgens een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding weer-geeft,

De uitvinding zal nu in meer· "bijzonderheden vorden beschreven in 25 samenhang met een typische halfgeleiderlaserinrichting van een GaAs-GaAlAs duhhele heterostruktuur. die in de praktijk veel'wordt toegepast ,

In figuur 1, die een perspectivisch aanzicifc is van een halfgeleiderlaserinrichting van het GaAs-GaAlAs—systeem ? zijn op een GaAs-sub— 30 straat 10 gevormd een hekledingslaag 1 vann-Ga1 Al As waarin 0,2

j —sX

c x <0,6, een optische geleidingslaag 2 van n-Ga1 Al As, waarin 0,1 1 y < 0,5], een actieve laag 3 van Ga^ ^A1 As waarin 0 < w 0,3, en een tweede hekledingslaag U van p-Ga. Al As (waarin 0,25 v < 0,6) ] —v v in een multilaagstruktuur, Verwijzing 6 betekent een halfgeleiderlaag 7906948 7 *. i

Ga^ ^Al As waarin 0,1 < u £0,6, moet dienen als een begravingslaag. Verwijzingen 11 en 13 "betreffen elektroden die resp» bij wijze van voorbeeld gevormd kunnen zijn van legeringen Au + Au Ge Ui en Gr +

Au.

5 De actieve laag 3 alsmede de bekledingslagen 1 en 4 kunnen worden aangebracbt in een soortgelijke struktuur als in bet geval van de tot nu toe bekende dubbele beterostruktuur. De dikte van de actieve laag 3 wordt in bet algemeen gekozen in bet gebied 0,02 - 0,2 micrometer,, terwijl de dikten van de bekledingslagen 1 en U worden 10 gekozen in bet gebied 0,3 - 2,5 micrometer. Veimeld wordt dat de invloed van de dikte van de bekledingslagen 1 en U op de eigen— schappen van de halfgeleiderlaaginrichting niet zo significant is als die van de dikte van de actieve laag 3 en de optische geleidings— laag 2 als hierna beschreven» De brekingsindices n^ en n^ van de 15 actieve lagen 3 en de eerste bekledingslaag 1 worden zodanig ge-kozen dat het verschil tussen de brekingsindices voor praktische doeleinden in bet gebied 0,18 - 0,22 ligt.

Voor.het voorzien van de optische geleidingslaag 2 dient te worden gememoreerd dat bet verschil in de bandafstand tussen de actieve laag 20 en de optische geleidingslaag 2 niefcrkleiner mag zijn dan 0,15 eV teneinde de dragers effektief in de actieve laag 3 te begrenzen, De maximumwaarde van de brekingsindex van de optische geleidingslaag 2 wordt bepaald in verhouding tot de begrenzingstoestand als bovenbeschreven, Bijgevolg wordt gelijktijdig een minimumwaarde gegeven 25 voor de molfraktie y van Ga^ yAl As, Onder praktische omstandigheden wanneer het verschil (n^ - n^I in het gebied 0,18 - 0,2 is, als bovenbeschreven, moet voldaan worden aam de ongelijkheid - n^ 1/ (n^ - 1 < 0,6 met een aanvaardbare tolerantie. Het heeft de voorkeur dat het verschil in de bandafstand tussen de actieve laag 3 en de optische 30 geleidingslaag 2 groter is dan 0,25 eV, In dit geval kan aan de voorwaarde (n^ - n^ I/(n^ - 1 0,1* werden voldaan binnen het toe laatbare tolerantiegebied.

Teneinde het beoogde effekt toe te schrijven aan de aanwezigheid van de optische geleidingslaag te bereiken is het belangrijk dat de 7906948 8 waarde van (n2 - ). wordt "beperkt tot de traj ekten als "bovenbeschreven door krommen , a2, a^» a^ en a^ weergegeven in figuren 3 - 7. Deze figuren tonen de verhoudingen van (n2 - )/ (n^ - ) voor de dikten ' d3 van de optische geleidingslaag 2 van 2,0 5 micrometer, 1,0 micrometer, 0,6 micrometer en 0,k micrometer. Er blijkt dat te grote verschillen tussen de brekingsindices n^ en n2 zullen leiden tot vrijwel soortelijke configuraties als de struktuur waarin geen optische geleidingslaag, zoals laag 2, is voorzien.

De als bovenbeschreven verhoudingen worden gedemonstreerd in tabel 10 A voer een halfgeleiderlaserinrichting van een GaAs — GaAlAs systeem dat als voorbeeld dient, In deze tabel worden de minimumwaarden alsmede de overeenkomstige maximumwaarden van de verhouding (n2 - n^)/ (n^ - n_j) vereist voor het bereiken van het effekt toe te schrijven aan het voorzien van de optische geleidingslaag met de dikten d^ en 15 dgVan resp, de actieve lagen en de optische lagen als parameters toe-gepast.

~ ~ !Tabel 1 k 20 ^(/um) 0,09 0,1 0,2 ; ! 2 (/urn) j ! !_ i j 0,31 0,29 0,22 j

! o k I

25 ; ' I

! (0,037) (0,11) (0,95) j t _^___ 1 j 0,29 0,26 0,18 i ' 1,0 . · (0,11) (0,22) (0,52) ' 30

._I_I

i 0,26 0,22 j

2,0 ; ; I

; (0,23) j (0,37) j _!_i_ 35 7906948 9 Λ j*

Opmerking: De cijfers tussn kaakjes geven de minimumwaarde van y aan, terwijl de vaarden zonder haakjes de maximumwaarden van (n^ - n^)/(el^ " n-j) aangeven. Verder wordt aangenomen dat x = 0,32 en vs 0,05.

5 Aldus blijkt dat de optische geleidingslaag zodanig dient te worden aangebracht dat aan de voorwaarde (n^ — n_j]/(n^ - I < 0,6 wordt voldaan en tegelijkertijd de verhouding (n^ - n^]/(n^ - n^] binnen de trajekten aangegeven door de gearceerde gebieden in figuren 3—7 valt afhankelijk van de dikte van de actieve laag en de 10 optische geleidingslaag.

Er is verder gevonden dat de trajekten aangeduid door de gearceerde gebieden in figuren 3—7 bijzondere voorkeur hebben voor het voorzien van de optische geleidingslaag 2, Vermeld wordt nog dat het gebied vastgelegd beneden de stippellijn in elk van de figuren 15 3 - 7 het gebied voorstelt, waarin bet verschil ( y — wL kleiner is dan 0,2, zoals hierna zal worden beschreven,

Voor de actieve laag met een dikte kleiner dan 0,02 micrometer wordt de vervaardiging van de half geleiderlaag in de praktijk zeer moeilijk. Voor een optische geleidingslaag met een dikte anders dan die 20 geïllustreerd in de figuren 3-7 kunnen de vereiste voorwaarden worden bepaald door een passende interpolatie.

In een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding kan de vierde laag U worden voorzien met een gewenste strip, terwijl de zijden daarvan, orthogonaal op de voortplanting sinrichting van het uitge-25 straalde licht, voorzien zijn van begraven halfgeleiderlagen 6 teneinde de transversale modus te stabiliseren. Meer in het bijzonder zal bij de bekende drielaag dubbele heterostruktuur waarbij de actieve lagen tussen de buitenste bekledingslagen zijn gesandviched, de effectieve brekingsindex van de actieve laag aanzienlijk variëren 30 afhankelijk van de dikte van de aciieve laag, zelfs wanneer de multi-laag heterostruktuur wordt gerealiseerd in de begraven heterostruktuur configuratie. Bijgevolg dient de brekingsindex van de begravings-laag bijzonder klein te worden gekozen teneinde een gestabiliseerde 7906948 10 transversale modus te handhaven. Teneinde derhalve een gestabiliseerde oscillatie in de fundamentele modus te leveren dient derhalve de stripdikte kleiner te zijn dan ongeveer 1 micrometer, hetgeen op zijn beurt betekent dat de beschikbare optische uitgang van 5 de laserinrichting noodzakelijkerwijze is beperkt tot maximaal 10 mW,

In tegenstelling daarmede wórdt in het geval van de halfgèleiderlaser-inrichting volgens de uitvinding, waarin een optische geleidingslaag met een grotere dikte dan de actieve laag extra wordt voorzien, de effectieve brekingsindex van de actieve laag bij benadering gelijk 10 gemaakt aan die van de optische geleidingslaag. Aangezien de dikte van de actieve laag klein is vergeleken met die van de optische ge— leidingslaag kan de invloed van de dikte van de optische geleidings— laag op de effectieve brekingsindex tot een verwaarloosbaar minimum worden onderdrukt. De effektieve brekingsindex kan door toepassing 15 van een model van een golfgeleider mathematisch met behulp van de Maxwell-vergelijking worden bepaald. Algemene mathematische procedures voor dit doel worden beschreven in "introduction to Optical Electronics" door Amnon Yarix, 1971', Holt-Rxnehant-Winston Inc, 1,·

Aldus is duidelijk dat de oscillatiemodus gemakkelijk kan worden 20 geregeld door de brekingsindex van de begravingslaag die van de optische geleidingslaag te laten benaderen, waardoor de stripdikte die bepalend is voor de oscillatie in de fundamentele modus betrek-kelijk groot kan worden gemaakt. De stripdikte kan bij voorbeeld worden verhoogd tot een waarde in het gebied van b tot 5 micrometer. "-· 25 Verder kunnen hogere orde de modus oscillatie in een vertikale richting die anders zouden worden opgewekt door de optische geleidingslaag worden onderdrukt door passende keuze van de brekingsindex van de begravingslaag, waardoor de oscillatie in de fundamentele modus tevens in de vertikale richting kan worden ondersteund met eorverhoogde 3Q stabiliteit. Bij toepassingen waarbij de modus geen belangrijke rol speelt kan een grotere stripdikte van tot 20 micrometer worden gekozen,

De voorgaande beschrijving is gericht op het voorzien van een optische geleidingslaag voor het verhogen van de optische uitgang van de halfgeleiderlaserinrichting, Er wordt echter tevens beoogd de 35 optische eigenschappen van de laseruitgang te verbeteren en tege- 7906948 * * 11 lijkertijd een verbetering in de harmonische vervorming in de dynamische karakteristieken te bereiken,Voor dit doel dient aan de volgende voorwaarden te wordenvoldaan: 1) De dikte (¥} wordt gekozen uit een gebied van 1 tot 5 micro-5 meter, en meer in het bijzonder zodanig dat 1 micrometer < ¥ < 3 micrometer in verband met de beoogde harmonische vervormingskarak-teristieken.

2} Het verschil in termen van de AlAs molfraktie tussen de he— ' gravingshalfgeleiderlaag 6 van Ga^ ^A1 As en de actieve laag 3 van 10 GaleflAl As» dat wil zeggen het verschil (u - v] wordt gekozen bij een waarde in het gebied van 0,25 - 0,35, In het geval van de actieve laag van GaAs, dient de AlAs molfraktie van de begravingshalfgelei der- v laag 0,25 < u < 0,35 te zijn. In meer algemene gevallen waarin 0*5 £ v <0*15 is heeft het de voorkeur dat 0,3 £ u < 0,H- is.

15 Op deze wijze kan men voorkomen dat de drempelspanning significant wordt verhoogd, 3l.Het verschil ( y — wi is AlAs molfraktie tussen de actieve laag 3 van Ga- Al As en de optische geleidingslaag 2 van Ga. Al As J V -J y wordt niet kleiner gekozen dan 0,2, em te verhinderen dat de 20 drempelspanning significant wordt verhoogd,

De voordelen verkregen door de hovenbeschreven maatregelen zullen nu worden toegelicht door een gedetailleerde beschrijving van de voorheelden.

In een voorkeursuitvoeringsvorm van de halfgeleiderlaserinrichting 25 volgens de uitvinding kan de begrenzingsstruktuur voor het uitge-straalde licht en de dragers worden uitgevoerd in een vijflaagstruk-tuur, waarvan de brekingsindexverdeling is weergegeven in figuur 8.

Deze vijflaagstruktuur is verbeterd ten opzichte van de vierlaag-struktuur als eerderbeschreven doordat een zesde laag 5* die bestemd 30 is te dienen als een drager 'begrenzende laag, wordt geschoven tussen de actieve laag en de optische geleidingslaag 2. In figuur 8 worden de lagen soortgelijk aan die beschreven in figuur 1 aangeduid door dezelfde verwijzingscijfers. Opgemerkt wordt dat de brekingsindex van de drager begrenzende laag 5 zodanig wordt gekozen dat 7906948 » * 12 < ng < n^, terwijl de bandafstand van laag 5 groter wordt gekozen dan die van de optische geleidingslaag 2. Een voordeel van deze struktuur schuilt in het feit dat de "brekingsindex van de optische geleidingslaag 2 die dient als optische "begrenzing kan worden verhoogd · 5 waardoor een optische verdeling met. een grotere "breedte kan worden gerealiseerd. De dragerbegrenzingslaag 5 die een grotere "bandafstand heeft werkt zodanig dat verlaging van het verschil in "bandafstand tussen de optische geleidingslaag en de actieve laag wordt belet,-Teneinde echter een adequate doeltreffende optische spreiding van TO de actieve laag- naar de optische geleidingslaag k te verzekeren, dient de- dikte van de dragerbegrenzingslaag 5 in het gebied van 0,0^· - 0,5 micrometer te zijn, De-maximaal mogelijke dikte van deze: laag 5 wordt uiteraard bepaald afhankelijk van de dikten van. de andere individuele lagen, In het geval van een AsAAAs halfgeleiderlaser-15 inrichting dient de dikte van de dragerbegrenzingslaag 5 bij voorkeur i niet groter te zijn dan 0,3 micrometer, Hoewel de -voomoemde beschrijving is gericht op een halfgeleiderlaserinrichting bestaande uit GaAs-GaAlAs heterostruktuur laser, is het duidelijk dat de uitvinding niet tot deze bepaalde uitvoeringsvorm is beperkt maar tevens kan 20 worden toegepast op inrichtingen met het InP-InGaAsP-, InGaP-GaAlAs-en GaAlSb-GaSbAs—systeem e,d.

Voorbeeld I

Er wordt verwezen naar figuur 2, Op een N-type substraat JO van ·.

GaAs worden gevormd een N-type laag 1 van Ga, Al As (0,2 < x s 0,61 x TT -3 25 die is- gedoteerd met Sn en een dragerconcentratie van 5 x T0 cm vertoont, een N-type laag 2 van Ga, Al As (0,1 y 6 0,5l die j -y y j rj- ^2 is gedoteerd met Sn en een dragerconcentratie van 5 x 10 Jcm" vertoont, een niet-gedoteerde laag 3 van Ga, Al As· (0 « w - 0,2l die een dragerconcentratie van 3 x TO cm'*'1 vertoont en een P-type 30 laag U van Ga, Al As (0,2 ^ v ^ 0,61 die is· gedoteerd met Ge en een dragerconcentratie van T x 10J cm' vertoont, in een continu gelamineerde struktuur via een bekend vloeibare fase groeiproces,

Teneinde te voldoen aan de brekingsindexverhouding onder de individuele lagen als eerderbeschreven, wordt vast gesteld dat x > y, 79069'? » « 13 v i ¥ en τ > y.

De ontwerpgegeven voor de structuren van de iialfgeleiderlaserin-richting vervaardigd voor beproevingsdoeleinden worden in tatel B samengevat.

7906948

<U

to +5 *~ " VOVOVO OO OLTv tALrv V|_j A #| A Μ A A|A>A »

rtf J-J-J-iriLTX trxinLTvlfN

? vo CM o Gv »— C\ t-> o Os r- m on on m on cm on · cn oj g< A A A * Λ- - * Λ * ^ o S o o o o o-o o o o /-* <—s ö” cf~ vo o- t- cvi · on o on ¢- · o.

oj on on cu on os on on Jd-

If A- A A· A A* A· A A· A

o o o-.o o o· 0-0 o cm on .......

' ö ö ; ; <0 S o oo o o o o o o

·ρ^ A A A- A· A » A· A· A· A

-Ö 04 04 04. 04 04 04 CM ; CM ; CM

*T eo - co oo co oo ' co · co . co · co r- on on on on on on on on on A· A A· · A A · A · A · A · A ·

CM O O O OOOOOOO

-d- § 1— j 4) ^

cn +3 irs o ir\ ia - o · ios in · on O

(¾ .¾ ,Χ O r- t- O t- T- 0 .0 T-

*2 f l_| A A A’ A A A' A* A A

(¾ r-j Ό O O O O O O O O O

< > ‘

I lAlAlAlAlA IAlAl/S IA

£h r- O 0 0-0 0 0 0 0 o

¢5 A A A A A A A. A A

o !s ooooo oooo <u ^ 03 +3 «£ ,¾ VO VO VO O O · O - ITS U'S Ι4Λ

^ A A A A A A A · A A

itJ Ο Ο O r— r" r* "Γ oooscJvomT-'oncMr-

1— CM 04 CM ’ CM CM CM CM CM CM

gj αααααα·α-ΑΑ o f>a 0000000 .00 <u ^

<sj o O o O O O O Ο O

}sd «ft A A A A A A A A A

^ Ό CM CM CM CM CM CM CM CM CM

¥ CMCMCMCMCMCMCMCMCM

T- onooonononooononm gj ΛΑΑΑΑΛΛΑΑ

o X OOOOOOO OO

Ό

H

43

<U

!h i- CM 00 -=0 IT\ VO t— CO ON

0

!> H

7906948 ♦ e 15

Aan de vereiste voorwaarden voor de brekingsindices als hiervoor beschreven worden voldaan voor x een waarde in het gebied van 0,2 - 0,¼ voor de halfgeleiderlaag 1, voor y een waarde in het gebied van 0,1 - 0,3 '

Oor de halfgeleiderlaag 2, voor w een waarde in het gebied van 0 - 0,15 5 voor de halfgeleiderlaag 3 (de actiare laag} en voor v een waarde in het gebied van 0,2 - 0,¼ te kiezen.

Ter voltoolng van een halfgeleiderlaserinrichting wordt aansluitend een stripvormig masker gevormd on het blootliggende opper- 10. vlak van de halfgeleiderlaag ¼ met een breedte van 3 micrometer. Ter vorming van het masker wordt een fosfosilicaatglas (PSGl film neergeslagen op het oppervlak -van laag ^ welke film daarna wordt verwijderd met uitzondering van het gebied dat overeenkomt met de te vormen strip via een etsproces onder toepassing van een fotoreservelaag. Het etsen 15 kan worden uitgevoerd door gebruik te maken van een etsoplossing (HH^OH+HgQg+HgO I tot het oppervlak van de halfgeleidersubstraat 10 is blootgelegd. Vervolgens laat men een laag van Ga^^Al^As groeien via een bekende epitaxiale methode in de vloeistoffaaamet uitzondering van het mesa-aehtige stripgedeelte, Teneinde de optische verdeling bin-20 aen het stripgedeelte te begrenzen wordt u zodanig gekozen dat u .¾ w.

Vervolgens wordt een SiOg film 12 gevormd met een dikte van 300 nanometer via de CVD methode. Het gebied dat overeenkomt met een top-gedeelte van de multilaag halfgeleiderstruktuor wordt selectief ver-25 wij der d in een stripvormig patroon met een breedte van 3 micrometer via een gebruikelijke fotolitografische techniek, Daarna wordt een elektrode 13 van Cr*A,u gevormd bij de P-type laag, terwijl een elektrode Au + AuGeHi wordt gevormd op de U-type laag via fysische verdamping. De reflecterende spiegels die zich evenwijdig aan elkaar uit-30 strekken worden gevormd aan de tegmvergestelde eindvlakken 7 en 8 -van de halfgelexderinrichting via splijting, De halfgeleiderlaserinrichting is nu voltooid. Een aldus vervaardigde inrichting liet men continu verken ter meting van de injektiestroom ten opzichte van de laser uitgangsvermogen (mWl karakteristiek, De resultaten worden veer-35 gegeven in figuur 9j waarin kromme A de betreffende karakteristiek van 7906948 » -φ 16 de inrichting met afmetingen vermeld in tabel 1 voor stelt, terwijl kromme B een overeenkomstige karakteristiek van een tot nu toe gebruikelijke begraven:; het er o st ruktuurlas er voorstelt waarin geen optische geleidingslaag, zoals laag k volgens de uitvinding, 'is op-genomen, De naar beneden wijzende pijlen van de krommen A en B geven het optreden van de beschadigingen aan in de daarbij behorende half-geleiderlaserinrichtingen. Zoals uit figuur 9 blijkt, is de halfge-leiderlaserinrichting volgens de uitvinding in staat een optisch uit-gangsvermogem te leveren dat meer dan het vijfvoudige is dan dat van de gebruikelijke begraven heterostruktuurlaserinrichting.

Figuur 10 illustreert de temperatuurafhankelijkheid van de drem— pelstroom. (Jth) van het verschil in de bandafstand tussen de actieve laag 3 en de optische geleidingslaag 2, dat wil. zeggen Eg^ - Eg^.

In deze figuur Is de verhouding van de drempelstromen bij 20 en 70° C aangebracht langs de y-as. Het blijkt dat de temperatuurkarakteristiek van de drempelstroom uitstekend wordt gestabiliseerd door het verschil Egg - Eg^ niet kleiner te kiezen dan 0,15 eV, Meer in het bijzonder dient het bandafstandverschil groter te zijn. dan 0,2 e.V. De stabilisatie van de temperatuurkarakteristiek van Jth is voor praktische doeleinden zeer belangrijk,

In de nu volgende tabel 3 worden ontwerpgegevens samengevat voor de multilaagstrukturen volgens de uitvinding in de_ gevallen dat de stripdikte wordt gevarieerd, 7906948 0) ♦ * ο :5.Η r- CU cvi n co -ö u 3 •Η -P ^ ^ «a w « <U ^ 3 "§ \0 V£1 vo o o T-5 «*«*»*-“ H ^ J- -a- m irs ? \o cu O -3- r- co on oo on oo trt i. 1 » " * ü ? 0 0 0 0-0 a> · ra ë' o o o o-o W ·_< » λ ·► +·

^ itf CU CU CU CU CU

*?· ao co co co oo - T- on on on oo oo co ai » *· » *· " 1 ra > o o o o o 14

H o -P tA O CO LA O

i— cQ <£ M O Γ- O -Τ'

·0 OOOOO

* % ^ f ir\ la tr\ lt\ f£\ Λ ooooo tri «1 « *· ** “ o JS ooooo 4) ^ 3 ë vo vo vo o o .v5 « «· «· » ** ,-j Ό o O O r' T- t3 co j· cu vo co

T- CU CU CU CU CU

g» Λ Λ o t>» o O O o o 0) ' ^V.

< S ooooo U ,_J Λ Λ ft Λ Λ

η” Ό CU CU CU CU CU

I CU CU CU CU CU

A CO co co co co trt » « » * " o X ooooo Ό i—i

(D

0 T- cu co -=r ia g .

o o 7906948

B

18

Er zal nu een halfgeleiderlaserinrichting als samengevat in tabel 3 onder monster-nr. 1 worden besproken. Aangezien in dit geval de molfraktieverscbil (u - wl in bet gebied van 0,25 - 0,35 is, dat wil zeggen w = 0,05, wordt de lekstroom naar de begravingslaag ver-?* boogd, wanneer u kleiner wordt dan 0,3, hetgeen inhoudt dat de oscilla- -tiedrempelstroom vijfvoudig wordt verhoogd ten opzichte van de nor** male drempelstroom. Een nadelige invloed'wordt tevens uitgeoefend op de optische karakteristiek van de uitgangslaserbundel, Figuren 12 en 13 tonen veldpatronen aan het junctievlak, Meer in het bijzonder toont figuur 12' het veldpatroon in. het geval dat 0,3 I? u 0,1», dat wil zeggen, 0,25 S (u <* wl £ 0,35, terwijl figuur 13 het veld** patroon toont in het geval dat (u — wl > 0,35. Zoals blijkt uit figuur 13 wordt, wanneer het verschil (u - w) wordt vergroot buiten •v 0,35 dat wil zeggen wanneer u ^ 0,1»·, de stripdikte die bepalend is voor de fundamentele modus kleiner dan 1 micrometer, met als gevolg dat het profiel van de stralingsbundel onregelmatig blijkt te worden door de ruwheid van zijwanden van de strip.

In het licht van het voornoemde feit dient de begravingslaag zodanig te worden uitgevoerd dat het verschil ( u — w) in het gebied van 0,25 - 0,35 valt.

Figuren 1b en 16 illustreren de optische uitgangseigenschappen van een halfgeleiderlaserinrichting volgens de uitvinding als functie van de stripdikte v Wanneer de dikte groter wordt gemaakt dan 5 micrometer, blijken hogere orde modi te worden geproduceerd zoals blijkt uit figuur lil·. Wanneer daarentegen de dikte kleiner is dan 1 micrometer gaat het optische uitgangsvermogen aanmerkelijk achteruit, waardoor modusvervormingen ontstaan zoals blijkt uit figuur 16, Wanneer in tegenstelling daarmede de dikte in het gebied van 1 tot 5 micrometer ligt zullen noch hogere orden modi noch modusvervorming optreden.

Figuur 17 illustreert een harmonische vervo-rmingskarakteristiek bij modulatie met een frequentie van 100 MHz in 70 % van de modulatxe- index, In het geval van laserinrichtingen met een stripdikte kleiner dan 3 micrometer wordt een verbeterde lineariteit verkregen in de 7906948 19 optische uitgang ten opzichte van de stroomkarakteristiek. De harmonische vervormingskarahterist i ek is duidelijk veel "beter dan die van de gebruikelijke halfgeleiderinrichtingen. Set optische uit-gangsvermogen van de laserinrichting met een stripdikte van 3 micro-5 meter is van de orde van 60 mW, hetgeen betekent dat het optische uitgangsvermogen is vergroot met een faktor 10 vergeleken met die van de gebruikelijke begraven heterostruktuurlaserinrichtingen. De lasers inrichtingen volgens de uitvinding vertonen een differentieel kwantum-rendement in het gebied van 60 - 80 %, 10 Voor de AlAs molfrakties y en v voor de lagen 2 en 3 dient te worden voldaan aan de voorwaarde dat y - ^ 0,15 en meer in het bijzonder y - v> 0,2* Anders zal de temperatuurafhankelijkheid van de drempelstroom slechter worden zoals blijkt uit figuur 18,

15 Voorbeeld II

Er wordt verwezen naar figuur 19» Op een F-type substraat 10 van GaAs wordt gevormd een F-type laag 1 van Ga.. AlAs (0,2 ^ x I -x x ^ _ ^ 0,6) die is gedoteerd met Sn en een dragerconcentratie van 5 x 10 cm heeft, een F-type laag 2 van Ga. Al As (0,1 i y i 0,5) gedo- '7^ V 17-3 20 teerd met Sn die een dragerconeentratie van 5 x 10 cm vertoont, een F-type laag 5 van Ga, Al As (0,1 ~ z * 0,5) gedoteerd met Sn '**z 2 ·]τ _3 die een dragerconeentratie van 5 2 10 cm heeft, een met-gedo- teerde laag 3 van Ga. AlAs (0 t w 1 0,2) die een concentratie van 17 -3 1-w w 1 x 10 cm heeft en een p-type laag k van Ga. Al As (0,2 I v 25 * 0,6) gedoteerd met Ge die een dragerconeentratie van 1 x 10 cm-·3 vertoont in een continu gelamineerde struktuur via een bekend vloeibare fase groeiproces onder toepassing van een schuifboot. Teneinde te voldoen «an de voorwaarden betreffende de brekingsindices en de bandafstanden van de individuele lagen is de keuze zodanig dat 30 x , y, z - y, z > w, v - w en dat v > y. Ontwerpgegevens voor de halfgeleider-laserinrichtingen vervaardigd voor beproevings-doeleinden worden samengevat in tabel k.

Yoor het voltooien van de laserinrichting wordt een stripvormig masker met een dikte van 3 micrometer gevormd op het bloot 7906948 20 liggende oppervlak van de halfgeleiderlaag U via een soortgelijke werk-wijze als die "beschreven in samenhang met het voorafgaande voorbeeld I. Vervolgens wordt door toepassing van een etsoplossing (NH^OH+HgOg +H20) het etsen uitgevoerd tot het oppervlak van' het halfgeleider·^ 5 substraat 10 is blootgelegd, De stripdikte wordt in het algemeen gekozen in het gebied van 1,0 * 5,0 micrometer, zoals in het geval van het voorafgaande voorbeeld I, Met uitzondering van het mesa-achtige stripdeel» laat men de laag van Ga^^Al^As groeien via een bekende vloeistoffase groeimethode, Teneinde de licht ver deling. te kun·* 10 nen begrenzen binnen het stripgebied is het nodig dat u > w,

Aansluitend wordt een SiO^ film 12 gevormd met een dikte van 300 nanometer via een CVD methode. Een gebied dat overeenkomt met een topdeel van de multilaag halfgeleiderstruktuur wordt selectief verwijderd in een stripvormig patroon van 3 micrometer in breedte 15 via een gebruikelijke fotolitografische techniek onder toepassing van een fotoreserve, Elektroden van Ga + Au en Au + AuGeïli worden resp. in aanraking gebracht met een P-type laag en een E-type laag via een vacuum opdampproces, Tenslotte worden reflecterende spiegels die zich evenwijdig aan elkaar uitstrekken gevormd in tegenoverstelde 20 eindvlakken van de halfgeleiderlaserstruktuur via splijting ter vol-tooïng van de halfgeleiderlaserinrichting,

De aldus· vervaardigde laserinrichtingen vertonen een drempel-stroom in het gebied van 10' - lf-0 mA, een -maximaal optisch uitgangs-vermogen van 60 - 100 mB en een differentieel kwantumrendement van 25 Uo - 70 7906948 to 0 ^ _, < +i r- <μ cu cu p Vf m Λ Λ . Λ

Η ·Η LTV la la IA

<i >d T co on on co T- CU CU CU τα} *- ~ **. “

o pi o o o O

ü ü on on t- vo vo co IJ » * * o o o

CU CU

>5 -5 co a> § <1 4½ "‘"'n*

> ^4 O O O O

_J ,j_J * ·*· Λ - , Λ.

<ί tö CU CU CU CU

b.

7 oo co oo co T- on on on on d

O > O O O O

=f . _ „ 3

<·} .p LA O IA O

& M O ° 'T

_n _J ,-J Λ Λ «* ^ "* 3 5 o o o o a T- >

CU I LA LA LA IA

B T—- 0 0*00 0 «»«·**

etj Cff > O O O O

03 0 ^

‘"’n ë CU CU CU CU

_1 ft #* λ *

< Ό O O O O

? ao 00 CU CU

r- cu cu on on qj „ Λ Λ «·

o £3 o o o O

03 0 § «4 -p *''» >j Ai O O O o Η ·Η Λ Λ Λ · ^ τ— τ—· ν Γ"1 'f9 Ο ΙΑ LA Ο τ- CU τ- τ- τα} Λ λ Λ η Ο >ϊ ο ο ο ο 03 0 i <; -Ρ '— _ * Ai Ο Ο Ο Ο _Ι |(^ ft Λ Λ

«aj Ό CU CU CU CU

¥ CU CU CU CU

τ- on on on on <rt « « " ** o « O o o o Ό r-i 0 0

P

p, τ— cu on -ί ο o o > s 7906948

Claims (5)

1, Halfgeleiderinrichting omvattende een optisch hegrenzings-gehied samengesteld nit tenminste eerste, tweede, derde en vierde halfgeleiderlagen die achtereenvolgens worden gelamineerd op een voorafbepaald halfgeleidersubstraat, welke tweede halfgeleiderlaag een 5 betrekkelijk kleine· brekingsindex en een betrekkelijk brede bandaf-stand vergeleken met die van de derde halfgeleiderlaag heeft, welke x eerste en vierde halfgeleiderlagen tegengestelde geleidbaarheidstypen en betrekkelijk kleine brekingindices hebben vergeleken met die .van de derde halfgeleiderlaag,, welke vierde en tweede halfgeleiderlagen 10· resp. bandafstanden, hebben' die betrekkelijk groot zijn vergeleken met - die van de derde halfgeleiderlaag, waarbij het verschil in de band-* afstand tussen de tweede halfgeleiderlaag en de derde halfgeleiderlaag zodanig wordt gekozen dat' deze niet kleiner is dan 0,15' eV, 15 2, Inrichting volgens concl, 1, met het kenmerk, dat deze verder'vij fde halfgeleiderlagen omvat die tenminste de tweede, derde en vierde halfgeleiderlagen aan de zijvlakken daarvan, die zich even-wij dig uitstrekken aan de voortplantinrichting van de' laserbundel begraven, waarbij elk van de vijfde halfgeleiderlagen een kleinere 20 brekingsindex en een grotere bandaf stand heeft dan ten minste die van de derde halfgeleiderlaag,

3. Inrichting volgens concl. 1, met het kenmerk, dat deze verder vijfde halfgeleiderlagen omvat die de eerste, tweede derde en vierde 25 halfgeleiderlagen aan de zijvlakken daarvan die zich evenwijdig aan de voortplantinrichting van de laserbundel uitstrekken begraven, welke halfgeleiderlagen een kleinere brekingindex en een grotere bandaf-stand hebben dan die van ten minste de derde halfgeleiderlaag, 30 b. Inrichting volgens concl, 1, met het kenmerk, dat de eerste halfgeleiderlaag is gevormd uit GsL Al As, waarin 0,2 r x t 0,6, de tweede halfgeleiderlaag is gevormd uit C-a^ ^Al^As waarin 0,1 t 7 b 0,5 de derde halfgeleiderlaag is gevormd uit Ga^ ^Al^As waarin 0 < w ^0,3» en de vierde halfgeleiderlaag is gevormd uit Ga^ ^Al^As 7906948

5. Inrichting volgens concl, 2, met het kenmerk, dat de eerste halfgeleiderlaag is gevormd uit Ga^^A As, waarin 0,2 :f -χ h 0,6, de tweede half geleiderlaag is gevormd uit Ga. Al As, waarin 0,1 < y j—y y f 0,5 de derde halfgeleiderlaag is gevormd uit Ga. Al As waarin J WW* V 5. v 0,3, de vierder half geleiderlaag is gevormd uit Ga^^Al^As, waarin 0,2 i v t 0,6, en de vijfde halfgeleiderlaag is gevormd uit Ga. Al As waarin 0,1 5 u f 0,6, j —u u

6. Inrichting volgens concls, 5 - 5, «et het kenmerk, dat een halfgeKderlaagcemhxnatie samengesteld uit de voomoemde eerste, 10 tweede, derde en vierde half geleiderlagen een stripdikte heeft van 5 micrometer, welke derde halfgeleiderlaag een dikte heeft van 0,02 -0,2 micrometer, terwijl het verschil in de AlAs molfraktie tussen de derde halfgeleiderlaag en de vijfde halfgeleiderlaag die de half-:S%laidercomhinatie aan heide zijden daarvan bepaalt in het 15 gebied van 0,25 - 0,35 is en het verschil in de AlAs molfraktie tussen de derde halfgeleiderlaag en de tweede halfgeleiderlaag niet kleiner is dan 0,2*

7. Inrichting volgens concls, 1-5, «et het kenmerk, dat een zesde halfgeleiderlaag is geschoven tussen de tweede halfgeleider- 20 laag en de derde halfgeleiderlaag, de handafstand van de zesde halfgeleiderlaag groter is dan die van de tweede en derde halfgeleiderlagen, en het verschil in de handaf stand tussen de derde halfgeleiderlaag en de zesde halfgeleiderlaag niet kleiner is dan 0,5 eV, 8,Inrichting volgens concl, 7, «et het kenmerk, dat de zesde 25 halfgeleiderlaag een dikte heeft die niet groter dan 0,3 micrometer is. 7906948