NL8001104A

NL8001104A - Golfgeleiderlaserelement.

Info

Publication number: NL8001104A
Application number: NL8001104A
Authority: NL
Original assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-02-26
Filing date: 1980-02-22
Publication date: 1980-08-28
Also published as: US4337443A; JPS5722426B2; DE3006949A1; GB2043989A; DE3006949C2; CA1141457A; NL185186C; NL185186B; JPS55115386A; GB2043989B

Description

^ A ^ % ^ VO 0185

Titel : Gólfgeléiderlaserelement.

De uitvinding heeft betrekking op een halfgeleiderlaserele-ment met een passiveringsfilm van een nieuw materiaal, aangebracht bij een optisch uitgangsfacet.

Het is bekend een passiveringsfilm van een transparant isola-5 tiemateriaal, zoals SiOg, AL^O^ of dergelijke bij het optische uitgangsfacet van een halfgeleiderlaserëlement te vormen. Een dergelijke passiveringsfilm dient om het overeenkomstige kristalopper-vlak tegen oxydatie te beschermen door het facet ten opzichte van de omgevingsatmosfeer te isoleren. Bij de tot dusver bekende mate-10 rialen voor de passiveringsfilm varieert het reflecterend vermogen bij het facet afhankelijk van de dikte van de passiveringsfilm sterk," waardoor een grote variatie in een drerapelstroom als begeleidend effect optreedt.

Bij de gebruikelijke passiveringsfilms is het verder onmoge-15' lijk een goede beveiliging tegen een faceterosie te verkrijgen, welke kan worden toegeschreven aan een catastrofale degradatie en een fotochemisch proces, waarbij tegelijkertijd wordt belet, dat de drerapelstroom toeneemt.

De uitvinding beoogt de bovenstaande problemen te elimineren 20 teneinde het daardoor mogelijk te maken, dat het maxiamale optische uitgangsvermogen van de halfgeleiderlaser sterk wordt verhoogd, terwijl de toename in de drerapelstroom tot een minimum wordt teruggebracht .

Het maximale optische uitgangsvermogen van het halfgeleider-25 laserelement ondergaat een beperking ten gevolge van een z.g. be schadiging van het facet. In het algemeen kunnen twee oorzaken voor deze beschadiging worden aangewezen. Een ervan is de z.g. catastrofale degradatie, welke momentaan plaats vindt bij een uitgangsvermogen van ongeveer 5 - 10 mW voor een laserbreedte van 30 ongeveer 1 y.um ten gevolge van het feit, dat de elektrische veldsterkte van licht bij het betreffende kristaloppervlak een bepaalde grenswaarde overschrijdt. De andere oorzaak van de beschadiging 800 1 1 04 2 ' is de z,g. fotochemische reactie, welke progressief als een functie van de oxydatie aan het kristaloppervlak voortgaat en significant wordt bij een optisch uitgangsvermogen, dat groter is dan ongeveer 1 mW bij een laserbreedte van 1 ^um, 5 Er zijn pogingen gedaan cm de bovenbeschreven oxydatie tegen te gaan door bij het optische uitgangsfacet van het halfgeleiderlaser-element een passiveringsfilm van SiOj, AlgQ^ Vergelijke te vormen teneinde daardoor het facet van de cmgevingsatmosfeer te isoleren, In dit geval zal, wanneer de filmdikte zodanig wordt gekozen, 10 dat deze gelijk is aan ( Λ /k) x m, waarbij Λ de golflengte van licht in de passiveringsfilm en m een oneven geheel getal, gelijk aan 1, 3, 5S ··· is, de lichtintensiteit bij het kristaloppervlak worden, verlaagd, waardoor de catastrofale degradatie wordt verbeterd. De passiveringsfilm van het bovenbeschreven materiaal ver-15‘ toont evenwel een kleine brekingsindex (bijvoorbeeld voor SiO^ ongeveer 1,1+5 en voor AlgO^ ongeveer 1,75 in tegenstelling met de brekingsindex van GaAs van de orde van 3,6), welke de antireflectie-toestand benadert. Dientengevolge wordt het reflecterend vermogen van het facet bijzonder gering, waardoor een sterke toename van de 20 drempelstroom optreedt. Onder deze omstandigheden wordt de dikte van de passiveringsfilm in de praktijk gelijk gekozen aan (Λ /2) x m’, waarbij m’ = 1, 2, 3 ...). In dit geval is, ofschoon geen toename van de drempelstroom wordt waargenomen, de lichtintensiteit bij het facet in hoofdzaak gelijk aan die, welke optreedt in afwe-25 zigheid van de passiveringsfilm. Derhalve dient de passiveringsfilm slechts als het versterkingsonderdeel bij het kristalfacet en een isolatiefilm om het facet ten opzichte van de atmosfeer te isoleren.

Enige bekende halfgeleiderlaserelementen vindt men o.a. in de 30 onderstaande literatuurplaatsen : (1) Applied Physics Letters, vol. 30, pag. 87, 1977 (i. Ladany et al.); (2) Applied Physics Letters, vol. 31, pag. 625» 1977 (Y. Shima et al.) en 35 (3) Japanese Journal of The Applied Physics, vol. 18, no. 3, pag.

80 0 1 1 04 » 4 3 693, 197-9 (T. Kajimura et al.)·

De uitvinding stelt zich. ten doel de bovenbeschreven problemen van de tot nu toe bekende halfgeleiderlaserelementen te elimineren.

Volgens de uitvinding is tenminste een optisch uitgangsfacet 5 van een halfgeleiderlaserelement voorzien van een film van een amorf materiaal, dat als noodzakelijke elementen silicium en waterstof bevat.

Volgens de uitvinding kan de variatie in de drerapelstroom, welke een gevolg is' van de aanwezigheid van de passiveringsfilm, tot een 10' minimum worden teruggebracht.

Verder is het in het geval van een halfgeleiderlaserelement volgens de uitvinding mogelijk het maximale optische uit gangs vermogen sterk, te vergroten en de neiging van de drempelstroom om toe te nemen, tot een minimum terug te brengen.

15' Typische voorbeelden van de amorfe materialen, welke volgens de uitvinding kunnen worden toegepast, zijn de volgende : (1J' Amorf materiaal met een samenstelling Si. H , waarbij

»'“X DC

0,002 < x £ 0,U.

Wanneer het gehalte of de verhouding x aan waterstof niet gro-20 ter is dan ongeveer 0,002, kunnen alle vrije bindingen van silicium, welke in amorf silicium aanwezig zijn (hierna verkort a-Si genoemd) niet met waterstof worden gevuld ten gevolge waarvan het moeilijk is een transparante isolatiefilm te verkrijgen. Daarentegen wordt, wanneer het gehalte x aan waterstof niet lager ligt dan 0,k, de 25 filmkwaliteit te fragile can als passiveringsfilm te dienen. In de praktijk verdient het de voorkeur, dat het wat er stof gehalte x hoger ligt dan 0,05· (2) Amorf materiaal met een samenstelling (Si. ,.Ge .C,). .H .

j S Ό J “X X

Het verdient de voorkeur, dat 0^s 1, 0 ^ t < 0,3 en 30 0,002< x < Q,U. Een materiaal met een grote proportie aan s is geschikt voor een laser met grote golflengte met grote effectieve brekingsindex, terwijl een materiaal met een grote proportie t geschikt is voor een laser met kleine golflengte, welke een kleine effectieve brekingsindex vertoont.

35 Een amorf materiaal met een proportie t aan C, niet lager dan 80 0 1 1 04 k 0,3, heeft zodanige eigenschappen, dat de optische absorptie wordt vergroot, terwijl het isolerend vermogen van de film achteruit gaat wanneer het deel t toeneemt. Derhalve wordt de voorkeur gegeven aan het bovengenoemde samenstellingsgebied.

5 Volgens de uitvinding kan tenminste een transparante isolatie- film op de passiveringsfilm, die waterstof en silicium als vereiste elementen bevat, worden aangebracht teneinde daardoor een samengestelde passiveringsfilm te verschaffen.

De uitvinding zal onderstaand nader worden toegelicht onder 10' verwijzing naar de tekening. Daarbij toont : fig. 1 een perspectivisch aanzicht van een uitvoeringsvorm van een halfgeleiderlaserelement volgens de uitvinding; fig.. 2 een doorsnede van een andere uitvoeringsvorm van een halfgeleiderlaserelement volgens de uitvinding; en 15' fig· 3 een diagram, waarin de verdeling van asymmetriefactoren, die verhoudingen van de optische uitgangssignalen uit de beide facetten van een half geleider las er element voorstellen, als een functie van de dikte van de passiveringsfilm is aangegeven.

Het amorfe materiaal, dat waterstof en silicium als vereiste 20 elementen bevat, heeft eigenschappen, zoals deze onderstaand nader zullen worden toegelicht, en is derhalve bijzonder gunstig als pas-siveringsmateriaal voor een halfgeleiderlaserelement.

(1) Men kan een brede energieband van de orde van 1,2 eV tot 2,2 eV verkrijgen in afhankelijkheid van het gehalte aan waterstof en fa- 25 bricage-emstandigheden. Derhalve kunnen de amorfe materialen worden beschouwd als transparant te zijn voor laserlicht van gebruikelijke halfgeleiderlasers, inclusief GaAs - GaAlAs-lasers (waarbij de golflengte ligt in het gebied van 0,7 - 0,9 yum bij een energie-sprong in het gebied van 1,78 eV tot 1,U eV) en InP - InGaAsP-30 lasers (waarbij de golflengte ligt in het gebied van 1-1,7 ^um bij een energiesprong in het gebied van 1,2^ eV - 0,73 eV) en dergelijke.

(2) De amorfe materialen bezitten een grote specifieke weerstand en kunnen derhalve in wezen als een isolatiemateriaal worden be- 35 schouwd (het is in werkelijkheid mogelijk een grotere specifieke 8001104 +- Λ 5 τ weerstand dan 10 ohmcm te verkrijgen).

(3) Men kan een dichte film, welke bijzonder goed in stand is om een oxydatie te beletten, realiseren.

(H) De amorfe materialen bezitten grote brekingsindices, welke die 5 van verschillende halfgeleidermaterialen, waaruit de halfgeleider-laserelementen zijn opgebouwd, benaderen. Derhalve zal, zelfs wan-. . neer de filmdikte gelijk gekozen wordt aan ( X /k) x m, waarbij λ de golflengte van laserlicht in het amorfe materiaal en m een oneven getal, zoals 1, 3, 5 ··· is, praktisch geen afname in het re-flecterend vermogen bij het facet van het laserelement optreden.

Het vierde punt is van bijzonder belang. Meer in het bijzonder maakt het amorfe materiaal, dat waterstof en silicium als vereiste elementen bevat, en gebruikt wordt om het optische uitgangsfacet van een halfgeleiderlaserelement met een dikte van (^ /k) x m 15 (.m ss een sneven getal) te bekleden, het mogelijk, dat het halfgelei- derlaserelement met een adekwate beveiliging tegen de beschadiging van het faeet, die een gevolg, is van zowel de catastrofale degradatie als het fotochemische proces, wordt gerealiseerd. Daarnaast kan de toename van de drempelstroom in hoofdzaak worden belet, ter-^ wijl het maximale optische uitgangsvermogen tegelijkertijd kan worden vergroot.

Thans zal de inwendige variatie van het reflecterend vermogen bij een facet van een halfgeleiderlaserelement worden beschreven, welke variatie tot stand wordt gebracht door de aanwezigheid van 25 een passiveringsfilm.

Het reflecterend vermogen (R) bij het facet, als waargenomen in het halfgeleiderlaserelement, wordt gegeven door de volgende uitdrukking ; (n -n)2(n+l)2 + (n +n)2(n-l)2 +2(n 2-n2)(n2-1 icos^^ ^

3» Qt SL

JJ s - — - — - ---- (n +n)2(n+l)2 + (n -n)2(n-l)2 +2(n 2-n2)(n2-l )cos^ 2Q waarbij n : brekingsindexvan de passivieringsfilm, na : effectieve brekingsindex van een actieve laag van het half geleiderlaserelement, Λ : golflengte van laserlicht in de passiveringsfilm, en 80 0 1 1 04 ! 6 ά : dikte van de passiveringsfilm.

(Aangenomen wordt, dat de brekingsindex van lucht gelijk is aan 1).

De brekingsindex van de amorfe materialen volgens de uitvinding 5 is gelegen in het gebied van ongeveer 3,2 tot ongeveer 3,7 in afhankelijkheid van de golflengte van het laserlicht en de fabricage-omstandigheden. Anderzijds liggen de brekingsindices n van de halfgeleidermaterialen, die voor de halfgeleiderlaserelementen worden gebruikt, in het algemeen in het gebied van ongeveer 3,^ tot 10 ongeveer 3,8.

Bij wijze van voorbeeld zal een halfgeleiderlaser van GaAlAs met een brekingsindex n& van 3,6 nader worden beschouwd. Vanneer de dikte van de passiveringsfilm zodanig wordt gekozen, dat deze gelijk, is aan ^ Λ, waarbij n gelijk is aan 3,^2, dan is het re-15 flecterend vermogen R gelijk aan 0,28. In het geval, dat geen pas-siveringsfilm aanwezig is of de filmdikte gelijk aan X /2 wordt gekozen, is R gelijk aan 0,32. Op deze wijze zal het reflecterend vermogen bij het facet niet afwijken van het gebied van 0,28 tot 0,32. Derhalve kan een variatie in het reflecterend vermogen voor 20 praktische toepassingen in wezen worden verwaarloosd. Hetzelfde geldt voor de variatie in de drempelstroom.

Fig. 3 toont de verdeling van asymmetriefactoren, die elk het vergelijkingsresultaat van optische uitgangssignalen in tegengestelde richtingen van een halfgeleiderlaserelement voorstellen. Meer 25 in het bijzonder wordt een film van gehydrogeneerd amorf silicium op een van de optische uitgangsfacetten van de laser aangebracht en worden de beide optische uitgangssignalen in tegengestelde richtingen met elkaar vergeleken. Wanneer de asymmetrief act or gelijk is aan 1, betekent dit, dat de optische uitgangssignalen aan elkaar 30 gelijk zijn. De filmdikte van de gehydrogeneerde amorfe silciium film is langs de abscis uitgezet. Het blijkt, dat bij elke willekeurige filmdikte de ongelijkheid van de asymmetriefactoren ligt binnen een gebied, dat voor praktische doeleinden toelaatbaar is. Derhalve kan men veilig zeggen, dat praktisch geen afname van het 35 reflecterend vermogen bij een willekeurige dikte van de passiverings- 80 0 1 1 04 » * 7 film optreedt.

Vervolgens zal het maximale optische uitgangsvermogen worden "besproken. Er wordt eerst op gewezen, dat het maximale optische uitgangsvermogen in hoofdzaak afhankelijk is van de lichtintensiteit 5 bij het uitgangsfacet van het half geleider las er element.

In het algemeen kan de elektrische veldsterkte van licht (i) aan het scheidingsvlak tussen het optische uitgangsfacet van het halfgeleiderlaserelement en de amorfe passiveringsfilm worden gegeven door de volgende uitdrukking :

10 I - \f 1 + (1 + cos » d). I

n v 2 Λ ° ^ o waarin-I : elektrisch veldsterkte van het geëmitteerde laserlicht, o n : de brekingsindex van het amorfe materiaal, ^ : de golflengte van laserlicht in vacuo, ^ ; de golflengte van laserlicht in het amorfe materiaal, en 15 d : de dikte van de amorfe film is.

Wanneer derhalve d = . = , is de elektrische veldsterk te, van licht (i) minimaal en heeft deze een waarde gelijk aan 1/n.

In de praktijk, kan men door de dikte van de passiveringsfilm zodanig te kiezen, dat d s ^ (1 + 0,3) het volgens de uitvinding 20 "beoogde gunstige effect op een bevredigende wijze verkrijgen.

Eet te gebruiken amorfe materiaal kan worden verkregen door een reactieye spettermethode, een ontleding van silaan door een glimontlading of een dergelijk proces.

Bij het uitvoeren van de reactieve spettermethode kan gebruik 25 worden gemaakt van een normale spetterinrichting. Het spetteren kan plaats vinden in een atmosfeer van een edelgas (waarbij in de meeste gevallen argon wordt toegepast), dat waterstof bevat, waarbij silicium wordt gebruikt voor het vormen van een trefelektrode, waarop het spetterproces wordt uitgevoerd. De gasdruk kan worden geko-30 zen in een gebied, dat adekwaat is voor het onderhouden van een glimontlading. In het algemeen kan gebruik worden gemaakt van een J* _2 gasdruk m het gebied van 10 - 10 Torr. De voorkeur wordt ge- _3 geven aan een gasdruk, welke niet groter is dan 10 Torr, meer m 800 1 1 04 8 het bijzonder wanneer een film moet worden gevormd, die sterk, oxy-datiebestendig is. Het waterstofgehalte kan liggen in een gebied van 1 - h0% en overeenkomstig praktische overwegingen worden gekozen.

Een monster (d.w.z. een half geleiderlaserelement), waarop het amor-5 fe materiaal moet worden aangebracht, wordt voor spetteren op een temperatuur in het gebied van kamertemperatuur tot 400° C gehouden. Wanneer het monster op kamertemperatuur wordt gehouden in een at-mosfeer van argon, die 20# waterstof bevat, (10 Torr), kan een amorfe silicium film, die ongeveer 17# waterstof bevat, worden ver-10 kregen,

In het geval van (Si. .Ge C. )1 H , worden dunne gedeelten van individuele componentelementen naast elkaar opgesteld, waarbij gebieden van de dunne gedeelten op een overeenkomstige wijze worden gevarieerd, en daarna het spetteren plaats vindt.

15’ Verder kan tenminste een transparante isolatiefilm op de passi veringsfilm van het amorfe materiaal, dat silicium en waterstof als vereiste componenten bevat, worden aangebracht, waardoor de transparante laag als een beveiligingsfilm voor de passiverings— film dient, 20 Typische voorbeelden van het transparante isolatiemateriaal zijn SiOg, AlgO^, MgO, ZnO, TiOg, Si^lT^ en dergelijke, waarvan bekend is, dat deze de materialen zijn, die voor de passiveringsfilm geschikt zijn. De voorkeur verdient een isolatiemateriaal, dat sterk oxydatiebestendig is. De beveiligingsfilm kunnen diir ge-25 bruikelijke spettermethoden worden verkregen.

Door de aanwezigheid van de tweede passiveringsfilm, als boven beschreven, is het mogelijk de inherente passiveringsfilm van het amorfe materiaal tegen een eventuele modificatie, zoals oxydatie, over een zeer lange periode te beschermen. In dit geval dient de 30 dikte dg van de tweede transparante isolatiefilm zodanig te worden gekozen, dat dg*5* ^ g/2, waarbij λ g de golflengte van laserlicht in de tweede transparante isolatiefilm voorstelt. In dat geval zal het passiveringseffect van het amorfe materiaal nooit worden verstoord. Voor praktische toepassingen is het voldoende, dat dg = 35 ^ a/2 (1 ± 0,3)'.

8001104 *- * 9

Fig, 2 toont een bij •wijze van voorkeur gekozen constructie van een half geleiderlaserelement met een passiveringsfilm 60, die uit een amorf-materiaal bestaat, en een tweede isolatiefilm 9, die op de passiveringsfilm 6 is aangebracht. De laserconstructie is 5 weergegeven in doorsnede over een lijn, evenwijdig aan de richting, waarin het laserlicht wordt geëmitteerd.In fig. 1 en 2 zijn dezelfde verwijzingen, gebruikt voor het aangeven van gelijke of overeenkomstige onderdelen.

Wanneer aangenomen wordt, dat de dikte van de amorfe film 6 10 gelijk is aan λ /b en de dikte van de tweede isolatiefilm 9 gelijk is aan λ 2/2, wordt het reflecterend vermogen van de laserenergie, waargenomen in de halfgeleiderlaser 3, gegeven door : . .(η n - n2)2 a o tn n + n2)2 a o waarbij nQ de brekingsindex van lucht (d.w.z. gelijk aan l), n de 15 effectieve brekingsindex van het actieve gebied 3 van de halfgeleider laser, en n de brekingsindex van de amorfe film 6 voorstelt.

Het is duidelijk, dat het reflecterend vermogen hetzelfde blijft als in het geval, dat de tweede isolatiefilm 9 afwezig is.

De lichtintensiteiten aan het scheidingsvlak tussen de tweede iso-20 latiefilm 9 en de amorfe film 6, evenals aan het scheidingsvlak tussen de tweede isolatiefilm en lucht, blijven dezelfde als de intensiteit van het licht aan het scheidingsvlak tussen de passiveringsfilm en lucht in het geval, dat de tweede isolatiefilm 9 afwezig is. Met andere woorden zal het passiveringseffect van de 25 amorfe film 6 door de aanwezigheid van de beveiligingsfilm 9 niet op een schadelijke wijze worden beïnvloed.

Hierna zal de uitvinding nader worden toegelicht onder verwijzing naar voorbeelden.

Voorbeeld 1.

30 Een halfgeleiderlaserelement met dubbele heterostructuur, ge vormd uit een GaAlAs-kristal, dat op zichzelf bekend is, wordt gereed gemaakt. Fig. 1 toont een perspectivisch aanzicht van een voorbeeld van een halfgeleiderlaserelement met een dubbele hetero- 800 1 1 04 10 structuur. In de figuur is 1 een positieve elektrode, 2 een kristallaag van liet P-type van Ga1 Al As(x = 0,6) met een dikte van 2 /Urn x x . I? _3 / en gedoteerd met Zn "bij een concentratie van ongeveer 10 cm , 3 een niet-gedoteerde kristallaag van Ga^ ^Al^As (y= 0,15) met een 5 dikte van 0,1 ^um en dienende als een actieve laag, ^ een kristallaag van het N-type van Ga, Al As (z = 0,6) met een dikte van on- . 1-z z geveer 3 /urn en gediteerd met Te bij een concentratie van ongeveer 18 -3' 10 em , 7 een laag van het P-type van GaAs met een dikte van ongeveer 1 ƒ urn, 5 een negatieve elektrode, 8 een substraat van 10 GaAs en 10 een isolatielaag.

In fig. 1 is 6 een gehydrogeneerde amorfe siliciumlaag of -film volgens de uitvinding. Deze amorfe siliciumlaag is door spetteren van silicium verkregen. Een inrichting van een normaal diode-type is· voor het spetteren gebruikt. Als tref elektrode is gebruik 15 gemaakt van een monokristal van silicium, met een grote zuiverheid (-*99»9999999 %)· Het gereedgemaakte halfgeleiderlaserelement is stevig op een watergekoelde monsterhouder gemonteerd, waarbij het facet,, loodrecht op de optische as van de laser, naar de tref elektrode is geörienteerd.

2Q Teneinde te beletten, dat het amorfe siliciuramateriaal op het oppervlak behalve het facet, dat zich loodrecht op de optische as van de laser uitstrekt, wordt neergeslagen, kan een paar platen van roestvrij staal, monokristallijne platen van GaAs of dergelijke, elk met een dikte, die in hoofdzaak gelijk is aan de lengte van de 25 laser in de axiale richting daarvan, op de watergekoelde monsterhouder worden aangebracht, zodat het laserelement stevig tussen het paar platen in de dikterichting kan worden ingeklemd op de wijze van een sandwich.

Een vacuümkamer van de spetterinrichting werd gevuld met een 30 mengsel van argon (80¾) en waterstof (20¾) bij een totale druk van 1 Pa (cs 0,007 Torr). De interelektrode-afstand werd gekozen op een waarde van Ho mm. Het spetteren vond plaats bij een radiofrequent ingangsvermogen van 250 W bij een frequentie van ongeveer 13,65 'MHz. Ha een periode van ongeveer 150 sec vanaf het inleiden van 35 het spetteren, werd een gehydrogeneerde amorfe siliciumlaag met een 80 0 1 1 04 w * 11 dikte van 5^0 2 bij bet facet van bet halfgeleiderlaserelement gevormd.

Het op deze wijze vervaardigde balfgeleiderlaserelement is in staat tot een laserwerhing bij een golflengte van ongeveer 7700 2 5 bij een stroom» welke niet lager ligt dan 106 mA. De golflengte van laserlicht bedraagt 2251 2 in de amorfe siliciumfilm. Derhalve komt de dikte van 560 2 juist overeen met een kwart van de golflengte.

Laserlicht, dat uit de actieve laag 3 wordt geëmitteerd, zal in-10 terfereren met licht, dat vanaf het scheidingsvlak tussen de amorfe film 6 en lucht wordt gereflecteerd en daardoor een knoop van een staande golf aan het scheidingsvlak tussen de actieve laag 3 en de film 6 vormen, waardoor de lichtintensiteit sterk wordt gereduceerd. In dit geval bedraagt, aannemende, dat de brekingsindex van 15 de film wordt voorgesteld door n, de elektrische veldsterkte van licht, bij dit scheidingsvlak 1/n vergeleken met het geval, waarbij geen film aanwezig is of de filmdikte gelijk is aan λ /2.

Aangezien in het geval van bet amorfe silicium η^3Λ is de elektrische veldsterkte van bet licht gelijk aan 1/3,^. Derhalve is 20 de lichtintensiteit gelijk aan (1/3,^) ♦ De intensiteit van het geëmitteerde licht blijkt natuurlijk onveranderd. Op deze wijze wordt de beschadiging ten gevolge van een fotochemische reactie, die aan dit scheidingsvlak voortschrijdt, in evenredigheid met de lichtintensiteit op een sterke wijze gereduceerd. Anderzijds neemt de 25 beperking van het maximale optische uitgangsvermogen ten gevolge van de catastrofale degradatie, bepaald door de elektrische veldsterkte van licht, aanmerkelijk toe.

Belangrijke voordelen van het halfgeleiderlaserelement volgens de uitvinding, dat boven is beschreven, kunnen als volgt worden 30 samengevat : 80 01104 12 " j ' II ...... 11 1 U) fed 4 d- f1 --· 3 Ö S3 h3 Ο H· in (D δ H· Pi 81 4 Φ F· <υ. aa^ooR 2 4, H nd g p a a* o h· g h g a

Sj O d· OR a rt· 4 B Ό Φ p4 a >a Η· Φ 4 F· 03 a CD n F·

d· CD -<i n> a H 3 H d· PC

μ. o pi d- 3 F1 co Φ d- η»

CQ H F· a OR d- 4 Φ H

O OR OR 3 *0R O 4 Φ g

3* a CD 4 -¾ O 3 CD

B h t® d· Q Pj a ·<$ ro «+ £3 F· § F* CO d* CD CQ CD ·< d- a Η· Ο Φ OR pj d- <! a* 4 a a a a g a cd & & & o .-

Ot} a Pi F· H· OR

a to «->· a* d- a < 4) or φ or a a 0 4 a* c+ a 4 d- a φ a σ1 g o Pi c+ -Hj era f· o cd a a ra *j- or a* d· 4> o <j _ φ φ f· a φ φ v a g φ o jd· 4- a F· 03 CD N-f B d- <j co a d- o a η φ or Hi p tr h i cd a φ a* a o

Φ CD

F· C+ pi __ — a c pi g f* £ -H S’ ΓΟ ΓΟ -*· OVJ1 -Ί 03 Pi v —3 o >» ON ^ F· F· on o on rooj=- h a OO a F· 00 5=o φ g g g σ' f· s; a; > --- a g & _»_ . .

OR OR OR

Φ a <i Φ φ Φ Φ Φ a a 4 a 0 h nano—' p p pj P !* —i CQ CQ Π) CQ CD ^ CD Φ 4 φ Ο O . ^ 4 4 CD 4 ON O J=" t3d ^ ïj d· Sj NJ1 Φ a φ φ φ 5=o pc 4 4 H 4 > Φ PC PC pi PC ·— H 3 F· F· F· ΓΟ Pi a a ro a ; ο φ

CR OR ONdR i W

-a f· a I 3 1 ! l· \ s ___i__ a

---: OR

: O "TO

U> CO o · « ro ο ο ο ; u> o »- ro o ro I iii*0 ___L______ 80 0 1 1 04 13 * *

De dikte yan de amorfe siliciumf ilm, welke het mogelijk maakt, dat het maximale optische uitgangsvermogen yan de laser yolgens de uitvinding tweemaal zo groot is als dat yan het tot nu toe bekende laserelement, wordt gegeyen door X /h (1 _+ 0,28), d.w.z. in het 5 gebied van 720 £ - Uo6 £ , terwijl de dikte, welke het mogelijk maakt, dat het uitgangsvermogen driemaal zo groot is als of veel groter is dan dat van de tot nu toe bekende laser, wordt gegeven door ^ /h (1 + 0,10), d.w.z. in het gebied van 620 £ tot 506 £.

Bij een waterstofgehalte van x van 0,01, 0,03, 0,05, 0,2, enz j 0 in de amorfe siliciumfilm. kunnen soortgelijke resultaten worden verkregen.

Voorbeeld 2.

In het geval van voorbeeld 1 is aangenomen, dat slechts de ge-hydrogeneerde amorfe film wordt gebruikt. Men kan evenwel soortge-15 gelijke of equivalente effecten verkrijgen met een meerlaagscon-structie, waarvan thans een voorbeeld zal worden beschreven.

Op dezelfde wijze, als bij het voorafgaande voorbeeld, werd een gehydrogeneerde amorfe siliciumf ilm met waterstofgehalte x van 0,lf en een dikte van 560 £ op het facet van het gereed gemaakte half-20 geleider laserelement aangebracht. Daarna werd een film van AlgO^ een dikte van 2200 £ via een spettermethode op de gehydrogeneerde amorfe film gebracht. Voor het aanbrengen van de film van AlgO^ werd de trefelektrode bestaande uit een monokristal van silicium bij het voorafgaande voorbeeld, vervangen door een elektrodeplaat 25 van AlgO^, terwijl argongas, dat geen waterstof bevatte, als het atmosferische gas werd gebruikt.

Aangezien de dikte van de film van Aljuist overeenkomt met X /2 wat betreft de golflengte van laserlicht, zijn het reflecterend vermogen, dat in het laserelement wordt waargenomen, evenals 30 de elektrische veldsterkte van licht aan het scheidingsvlak tussen het laserelement. en de gehydrogeneerde amorfe siliciumfilm, precies dezelfde als· in het geval dat geen Al^O^-film aanwezig is. Derhalve zijn verschillende karakteristieken van het laserelement, zoals deze worden verkregen, dezelfde als die, welke in de bovenstaande 35 tabel zijn verwerkt. De laser bij een tweelaagsconstructie, die bij 800 1 1 04 lil· het hier beschouwde voorbeeld wordt gerealiseerd, vertoont een grote stabiliteit over een lange periode, omdat het oppervlak van de gehydrogeneerde amorfe siliöiumfilm tegen oxydatie is beschermd ten gevolge van de aanwezigheid van de AlgO^ film.

5 In het geval van de lasergolflengte van 7700 £ zijn de juiste dikten van de verschillende transparante isolatiefilms de volgende : SiOg : ongeveer 2660 £

MgO : ongeveer 2200 £

TiOg : ongeveer 15^0 £ TO In het bovenstaande wordt een GaAlAs-halfgeleiderlaserelement met een lasergolflengte van ongeveer 7700,£ verbruikt. Het is evenwel duidelijk, dat soortgelijke effecten kunnen worden verkregen bij laser element en met andere las er golf lengt en en wel door de film-dikte op de lasergolflengten in te stellen of daaraan aan te passen.

15 Voorbeeld 3.

In het geval van een halfgeleiderlaserelement, waarbij andere materialen dan de GaAlAs-reeks worden gebruikt, liggen de brekingsindices van de halfgeleiderkristallen in hoofdzaak in het gebied, van 3,^ - 3,5, welk gebied samenvalt met het gebied van de 20 brekingsindices van gehydrogeneerd amorf silicium. Derhalve kan men soortgelijke effecten als diê, welke boven zijn beschreven, verkrijgen. Voorbeelden van de uitvinding, toegepast bij InGaAsP, InGaP en FbSnie-halfgeleiderlagers vindt men in de onderstaande tabel.

800 1 1 04 15 _ " o-sj CO ΙΑ <L> O <r~

Eh on ; VO 0\ ö CO t— CO f* CQ -a- *- fi . I——I ————— —— «—————— 11 1 '" —“———— 1

pH

a <d

Qj 3 P

oj ^ o< p ia *h * nt t- o k nr o « *> OJ * ¢0 *

Hi 00 O r- T- > OO ΤΟ LA C *- 00 ·Η nr '— r\ o c h _______ t- 00 n o oo g

VO P

« o< o w vo oo vo

<5 *> « O OH nr Η H

¢- CO la «· p « P P

oj o\ t—ajooaji—cd " >5 vS ^ ~5 «a w o oo t- Λ o c

H

___M——MMWMW __ - -T— ----- « I I····· ' JL

o ο I-

¢-( "0 H P

Μ Η Ό <Ö 'Ö OP g 05

g ftp ·Η U

3 g 5} Η «I

—* δ !> P (U

OJ H- Ih g Pi Ό >iv_ Ό M +3

U _ Ή -P P

p o <o o

Ό bO Λ P

Ö * . H ¢-(- aj oj co a

bOnt P ^ a} O

O *> > O >· Ό

Ih OO bO

Ό !h ?h C

>> II O C OP

Λ -PO) -P C !> h o p c oo oo

P +3 bO'-' P P bO J-I

PM bO ¢-(-0 «η-ΟΟ •H P a p g m x mg +3

U τ) P Ό H bOHg bOln O pJ

PC Η ·Η C P H CP P ·Η· -p ·Η ¢-(- ö ¢-( ·Η JS ·Η ·Η >- ¢-(0 P οι H Pg in ¢-( In Μ ΡΛ

SbO O b- 3 P *> PbD ·ΗΗ

C hü ·Η +3 g P -PC +» P

•H |h PO «Ok PP Ö

£j P -Ρ·Η ,Ο O in fC be CM

P Μ: ΛίΗ ?hJhO Ih+3 Ό P

U P ·Η *H P -P g P *H P *H

PQ tJ QOT > m 0 >c ¢5 -P

8001104 16

Zoals uit het "bovenstaande blijkt, maakt het gebruik van de ge-hydrogeneerde amorfe film als een beveiligingsfilm bij het optische uitgangsfacet van de halfgeleiderlaserelementen het mogelijk, dat een toename van de drempelstroom op een sterke wijze wordt onder-5 drukt. Door de filmdikte gelijk aan ^ /b of m. ^ /b te kiezen, waarbij m een oneven geheel getal voorstelt, kan men bovendien verrassende verbeteringen verkrijgen ten aanzien van het maximale optische uitgangsvermogen en de degradatieneiging van het facet. De uitvinding kan met succes worden toegepast bij halfgeleiderlasers 10' in het algemeen, zoals uit vier elementen opgebouwde lasers inclusief SaAlAsi-lasers, InGaAsP-lasers en GaAlAsP-lasers, uit drie elementen, bestaande, lasers inclusief InGaP-lasers en GaAsP-lasers, PbSnTe-lasers en dergelijke.

Voorbeeld b.

15 Een halfgeleiderlaserelement met dubbele heterostruktuur voor zien van een actieve laag, bestaande uit een In Ga. As P. - x 1-x y 1-y kristal (2 - 0,73 en y = 0,0}, dat op zichzelf bekend is, wordt gereed gemaakt.. De struktuur van dit laserelement is dezelfde als die, welke is weergegeven in fig. 1. Het laserelement voert een la-20 serverking uit bij een golflengte van ongeveer 1,3 ^um. Voor de in fig. 1 weergegeven passiveringsfilm 6 wordt gebruik gemaakt van een gehydrogeneerde amorfe film van silicium-germanium. In dit geval werd als spettertrefelektrode een polykristallijne legering van Si-Ge, welke 10. atoom# Ge bevatte, gebruikt. Natuurlijk kan in plaats 25 van de zojuist beschreven legering een fijn stelsel van Si-Ge- kristallen. worden gebruikt, die op de trefelektrode zijn gerangschikt in een ©ppervlakteverhouding van 9 : 1· De spettertoestanden kamen overeen met die, welke boven, voor voorbeeld 1 zijn beschreven. Een gehydrogeneerde amorfe film van Si-Ge kan met een dikte van 900 £ 30 op het facet van het halfgeleiderlaserelement worden gevormd. Bij dit voorbeeld plegen de gehalten aan Si en Ge in de amorfe film in een verhouding van 7 op 3, terwijl het gehalte x aan waterstof 0,1 bedraagt. De dikte van 90Q £ komt juist overeen met een kwart van de golflengte van laserlicht in de amorfe film. De brekings-35 index van 3,6, welke de amorfe film bezit, is groter dan die van de 8001104 π film, welke geen germanium bevat en benadert de effectieve brekingsindex van bet laserelement. Derhalve kan een variatie in bet reflecterend vermogen bij bet facet in afhankelijkheid van de film, dikte met voordeel worden gereduceerd.

5 Op deze wijze is de gehydrogeneerde amorfe film van silicium en germanium zeer effectief als passiveringsfilm, meer in het bijzonder voor een laserelement, dat een grote effectieve brekingsindex bij een relatief grote golflengte vertoont.

Voorbeeld 5· j o Er werd een half geleiderlaserelement met een dubbele hetero- struktuur voorzien van een actieve laag, bestaande uit een kristal van Ga^ ^Al^As (x *0,3) gereed gemaakt. De struktuur is in hoofdzaak dezelfde als die, weergegeven in fig. 1. Het laserelement voert een laserwerking uit bij ongeveer 7200 £. De in fig. T weer-15' gegeven passiveringsfilm € werd gevormd door een gehydrogeneerde amorfe film van silicium-koolstof. In dit geval bestond de spet-tertrefelektrode uit Si-kristalplaatjes en grafietplaatjes met respectieve breedten van 16 mm en k mm, in een strookvormige configuratie, die afwisselend dicht naast elkaar waren opgesteld. De op-20 pervlakt ever houding van Si en grafiet in het trefelektrodevlak be draagt b:1. Met behulp van dezelfde spetterprocedures als vermeld bij voorbeeld 1, kon " de verhouding van Si tot C in de film van de orde van 10 op 1 worden verkregen. Door dit proces kon een gehydrogeneerde amorfe film van silicium-koolstof bij het facet van 25 het halfgeleiderlaserelement met een dikte van 600 £ worden gevormd. Het gehalte x aan waterstof bedroeg 0,1. Deze dikte van 600 £ komt overeen met een kwart van de golflengte van. laserlicht in de amorfe film. De brekingsindex van de amorfe film is lager dan die van de gehydrogeneerde amorfe siliciumfilm, welke geen koolstof bevat. De 30 verbeteringsfactor van het maximale optische uitgangsvermogen is in hoofdzaak equivalent aan die, welke wordt verkregen bij het aan de hand van voorbeeld 1 beschreven laserelement. De amorfe samenstelling, waaraan koolstof is toegevoegd, kan met succes de degradatie, snelheid van de karakteristieken reduceren, die progressief over 35 een lange periode voortschrijden. Dit aspect kan met een factor van 8001104 18 ongeveer 1,3 of meer vergeleken met het geval waarin geen koolstof wordt toegevoegd, worden verbeterd.

800 1 1 04

Claims

1. Halfgeleider las er element gekenmerkt door een film van een amorf materiaal, welke is aangetracht op tenminste een optisch uitgangs-facet van het laserelement, welk amorfe materiaal als vereiste componenten silicium en waterstof bevat.

2. Halfgeleiderlaserelement met het kenmerk, dat een deel van het silicium, dat in het amorfe materiaal aanwezig is, is vervangen door tenminste een materiaal, gekozen nit een groef, bestaande uit germanium en koolstof.

3. Half geleiderlaserelement volgens conclusie 1 met het kenmerk, 10 dat het amorfe materiaal een samenstelling Si. H heeft, waarbij 0,002 < x <0,4.

4. Half geleider las er element volgens conclusie 2 met het kenmerk, dat het amorfe materiaal een samenstelling (Si, .Ge C,), H heeft, I—s—t s t 1—x x waarbij 0,002 4 x £ 0,4, 0 < s < 0,5 en 0 < t< 0,3· 15

5· Halfgeleiderlaserelement volgens conclusie 2, 3 of 4 met het kenmerk, dat de film van het amorfe materiaal een dikte in de buurt van ^ /4.m heeft, waarbij Λ de golflengte van het laserlicht in het amorfe materiaal en m een oneven geheel getal voorstelt.

6. Halfgeleiderlaserelement volgens conclusie 1, 2, 3 of 4 geken-20 merkt door een film van een transparant isolatiemateriaal, welke op de film van het amorfe materiaal is aangebracht, die op zijn beurt op tenminste êên optisch uitgangsfacet van het laserelement is aangebracht en silicium en waterstof als vereiste componenten bevat. 25

7· Halfgeleiderlaserelement volgens conclusie 6 met het kenmerk, dat de film van het transparante isolatiemateriaal een dikte in de buurt van λ 2 .m' heeft, waarbij ^ 0 de golflengte van het laser-2 d licht in de film van het transparante isolatiemateriaal en m' een geheel getal voorstelt.

^ 8. Halfgeleiderlaserelement volgens conclusie 5 met het kenmerk, dat de film van het transparante isolatiemateriaal op de film van het amorfe materiaal is aangebracht, dat op zijn beurt op tenminste het optische uitgangsfacet van het laserelement is aangebracht 800 1 1 04 en als vereiste componenten silicium en waterstof bevat.

9. Halfgeleiderlaserelement volgens conclusie 6 met het kenmerk, dat de film van het. amorfe materiaal een dikte in de buurt van ^ A.hL] heeft en de film-van het transparante isolatiemateriaal 5 een.dikte in de buurt van ^ 2 .m2 heeft, waarbij )\ de golflengte ' -· ‘ · 2 . van laserlicht in het amorfemateriaal, m^ een oneven geheel getal, % 2 de golflengte van laserlicht in een film van het transparante isolatiemateriaal en m2 een geheel getal voorstelt. 800 1 1 04