NL8101409A

NL8101409A - Halfgeleiderlaser met tenminste twee stralingsbundels, en werkwijze ter vervaardiging daarvan.

Info

Publication number: NL8101409A
Application number: NL8101409A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1981-03-23
Filing date: 1981-03-23
Publication date: 1982-10-18
Also published as: IE820653L; JPS57169291A; IE53373B1; DE3265338D1; EP0061220A1; CA1173549A; EP0061220B1; US4476563A

Description

' * * PHN 9981 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven "Halfgeleiderlaser met tenminste twee stralingsbundels, en werkwijze ter vervaardiging daarvan".

De uitvinding heeft betrekking op een halfgeleiderlaser inrichting voor het opwekken van onderling nagenoeg aan elkaar evenwijdige stralingsbundels bevattende een halfgeleiderplaat met een eerste en een tweede hoofdoppervlak, die tussen deze hoofdoppervlakken en naast elkaar 5 tenminste een eerste deel en een daaraan grenzend tweede deel bevat, welke halfgeleiderplaat verder begrensd wordt door twee praktisch evenwij-. dige, loodrecht op de richting der stralingsbundels staande reflecterende zijvlakken, en een aan het tweede hoofdoppervlak grenzend substraat van een eerste geleidingstype bevat, op welk substraat opeenvolgend een 10 eerste passieve laag van het eerste geleidingstype, een eerste actieve laag en een tweede passieve laag zijn aangebracht die zich, met het substraat, in beide delen van de halfgeleiderplaat uitstrekken, waarbij alleen in het tweede deel cp de tweede passieve laag opeenvolgend een tweede actieve laag en een derde passieve laag zijn gelegen, waarbij de ac-15 tieve lagen elk tussen passieve lagen met een grotere verboden bandaf-stand zijn gelegen terwijl de eerste actieve laag in het eerste deel en de tweede actieve laag in het tweede deel een pn-overgang bevatten die elk bij voldoend hoge stroom in de doorlaatrichting één der genoemde stralingsbundels uitzenden, waarbij het substraat met een eerste elek- 9Π trode, de tweede passieve laag met een tweede elektrode en de derde passieve laag met een derde elektrode is verbonden.

De uitvinding heeft verder betrekking cp een werkwijze ter vervaardiging van de inrichting.

Opgemerkt wordt dat wanneer een actieve laag een pn-overgang bevat, deze zowel binnen de actieve laag als aan het grensvlak tussen de actieve laag en een aangrenzende passieve laag kan zijn gelegen. Verder worden onder nagenoeg evenwijdige stralingsbundels verstaan stralings- bundels waarvan de hartlijnen nagenoeg evenwijdig lopen, doch die op zichzelf min of meer divergerend kunnen zijn.

3fl

Een halfgeleiderlaser inrichting van de hierboven beschreven soort is bekend uit Applied Physics Letters, Vol 35, No.8, 15 October 1979, blz. 588-589.

Voor verschillende toepassingen is het belangrijk, te kunnen 8101409 » V * ΡΗΝ 9981 2 beschikken over twee onderling nagenoeg evenwijdige laserbundels op geringe afstand van elkaar.

Een eerste bekende toepassing hiervan vindt men in inrichtingen voor optische ccranunicatie, waar lichtsignalen van een laserbron in een 5 optische ve2el gekoppeld worden voor het overbrengen van informatie/ die aan het andere uiteinde van' de optische vezel door middel van een stra-lingsdetector wordt uitgelezen. De hoeveelheid informatie (bijvoorbeeld het aantal telefoongesprekken) die door dezelfde optische vezel gelijktijdig kan worden getransporteerd/ kan verdubbeld worden door een stra-10 ljjngsbron te gebruiken die twee of meer verschillende frequenties uitzendt; dit staat bekend als golflengte multiplexen. fén kan daartoe bijvoorbeeld van elk van twee lasers met verschillende golflengte het licht in een afzonderlijke optische vezel koppelen, en vervolgens door middel van een menginrichting het licht van beide vezels samenbrengen in één 15 enkele optische vezel. Dit mengproces levert echter aanmerkelijke verliezen op. Zou men het licht van beide lasers direct in één enkele optische vezel kunnen koppelen, dan zou men deze verliezen vermijden. Dit kan echter alleen, wanneer de stralingsbronnen zeer dicht bij elkaar liggen.

Een andere toepassing kan gevonden worden in het aanbrengen 20 van informatie qp schijven langs optische weg ("digital optical recording" of DOR), waarbij door middel van een laserstraal in een reflecterende laag gaten worden gebrand. Cm de juistheid van de zo ingeschreven informatie te controleren wordt deze met behulp van een achter de eerste laser gemonteerde tweede laser uitgelezen. Daarbij kunnen de beide stra-25 lingsbundels dezelfde frequentie hebben, ofschoon het cm schakeltechnische redenen voor de scheiding van de signalen gewenst ist, dat de bundels een verschillende frequentie hebben. Dit kan gebeuren met een in een separate optische lichtpen gemonteerde tweede laser, hetgeen echter een kostbare constructie meebrengt. Ook kan de stralingsbundel van één enkele 30 laser door middel van een optisch systeem gesplitst worden in een "schrijf"-bundel en een "lees"-bundel. Dit is echter niet economisch daar voor het "schrijven" reeds een grote energie vereist is, en door het splitsen van de stralingsbundel het vermogen van de laser nog meer vergroot moet worden hetgeen problemen met zich meebrengt, onder meer wat betreft koeling 35 en kostprijs. Tenslotte kan men ook twee afzonderlijke, op één koelplaat gemonteerde lasers gebruiken. Hiertoe dienen de lasers ten opzichte van elkaar echter zeer goed te worden uitgericht, terwijl zelfs dan de minimale afstand tussen de emitterende facetten tenminste gelijk is aan de 8101409 3 * ΗίΝ 9981 3 breedte van elk der halfgeleiderplaat j es.

De halfgeleiderlaserinrichting beschreven In het genoemde artikel In Applied Physics Letters, 35 (8), 15 October 1979 biz. 588-589 bevat in eenzelfde halfgeleiderlichaam naast elkaar twee lasers van het zo-5 genaamde dubbele-hetero-overgangstype (DH-lasers) met onderling evenwijdig lopende stralende pn-overgangen. Voor het gebruik in de hierboven genoemde toepassingen heeft deze inrichting echter verschillende nadelen.

In de eerste plaats is de serieweerstand van althans één der geïntegreerde lasers hoog, daar de stroom door deze laser over een rela-10 tief grote afstand door een der passieve lagen moet lopen.

Verder liggen, zoals ook in het genoemde artikel wordt opge-merkt, de emitterende facetten zover uit elkaar, dat het moeilijk is om beide laserbundels direct in één optische vezel te koppelen. Dit bezwaar geldt in nog sterkere mate wanneer deze optische vezel een zogenaamde 15 "moncmode,,-vezel is zoals in het bijzonder bij optische communicatie vaak gewenst is, daar deze vezels een zeer kleine diameter hebben.

De uitvinding beoogt onder meer, de met de bekende halfgeleiderlaserinrichting verbonden bezwaren op te heffen of althans in belangrijke mate te verminderen.

20 De uitvinding berust onder meer op het inzicht dat het beoogde doel bereikt kan worden door integratie van twee lasers van verschillende struktuur waarvan de vlakken van de pn-övergangen niet onderling evenwijdig lopen, een en ander cp een zodanige wijze dat gébruik kan worden gemaakt van de voor het vervaardigen van de conventionele dubbele-hetero-25 overgangslaser, met een aan de laagrichting evenwijdige pn-over gang, gebruikte technologie voor de opbouw van de lagenstruktuur.

Een halfgeleiderlaserstruktuur van de in de aanhef beschreven soort heeft daartoe volgens de uitvinding het kenmerk, dat de derde passieve laag van het tweede geleidingstype is en dat in één der delen van 30 de halfgeleiderplaat plaatselijk een gebied gevormd is dat zich vanaf het eerste hoofdoppervlak door de bovenste passieve laag, de aangrenzende actieve laag en een deel van de daaronderliggende passieve laag heen uitstrekt, waarbij deze drie lagen alle hetzelfde, aan dat van het gebied tegengestelde, geleidingstype vertonen, waarbij het gebied net het overi-35 ge deel van de genoemde aangrenzende actieve laag de eerste, dwars cp deze laag en op de genoemde zijvlakken staande pn-overgang vormt, terwijl de tweede pn-overgang evenwijdig aan het tweede hoofdoppervlak loopt en een strookvormig, eveneens dwars op de zijvlakken staand actief gebied 81014 09 * V 1 PHN 9981 4 vertoont.

De halfgeleiderlaserinrichting volgens de uitvinding bevat in eenzelfde halfgeleiderplaat twee lasers van essentieel verschillende ophouw, namelijk een conventionele dubbele hetero-overgangs (DH-) laser, en 5 een zogenaamde TJS ("Transverse Junction Stripe") laser. Deze laatste laser is op zichzelf bekend uit het Amerikaanse octrooischrift No.3961996.

Een belangrijk voordeel van de inrichting volgens de uitvinding is, dat de stralende facetten van beide lasers zeer dicht bij elkaar kunnen worden aangebracht. Daardoor kunnen de van beide lasers afkomstige 10 stralingsbundels direct in één enkele optische vezel worden gekoppeld, zonder tussenliggende optische menginrichting. Een dergelijke kleine afstand tussen de emitterende facetten is technologisch realiseerbaar, doordat het vlak van de stralende pn-overgang van de TJS-laser loodrecht op de actieve laag staat en daardoor, ongehinderd door voor de laterale 15 begrenzing van het actieve gebied dienende isolatiegebieden, zeer dicht bij de DH-laser kan worden aangebracht.

Voor de eveneens reeds genoemde toepassing van het aanbrengen van informatie op schijven langs optische weg (DOR), waarbij een "schrijf"-laser van relatief groot vermogen nodig is voor het inschrijven van de 20 informatie terwijl voor het ter controle uitlezen een "lees"-laser van veel kleiner vermogen voldoende is, het zogenoemde DRAW- (Direct Read And Write)-systeem, is de inrichting volgens de uitvinding eveneens zeer geschikt. De TJS-laser heeft namelijk door de zeer smalle actieve pn-overgang, waarvan de breedte gelijk is aan de dikte van de actieve laag, ten 25 opzichte van de er naast gelegen DH-laser een klein vermogen dat echter voor de leesfunctie voldoende is, terwijl zijn dissipatie ook zeer gering is waardoor het koelprobleem wordt vereenvoudigd.

Verder vertoont de stralingsbundel van een TJS-laser vrijwel geen astigmatisme, zodat geen uitwendige correctielens nodig is voor de-30 ze laser hetgeen de constructie vereenvoudigt.Doordat de stroom voor de TJS-laser vrijwel alleen door de actieve laag loopt is het rendement van deze laser bovendien zeer gunstig.

Wat de vervaardiging van de inrichting volgens de uitvinding betreft, is een zeer belangrijk voordeel dat kan worden uitgegaan van een 35 lagenstruktuur zoals die gewoonlijk voor de vervaardiging van een dubbe-le-heteroovergangslaser wordt gebruikt, met alleen dit verschil dat twee extra lagen worden aangegroeid. Na voltooiing van de lagenstruktuur kan de DH-laser op gebruikelijke wijze worden voltooid, terwijl voor het re- 81014 09 PHN 9981 5 «f i aliseren van de TJS-laser slechts een etsstap en een diffusieproces nodig zijn, wanneer althans het genoemde gebied door diffusie wordt gevormd.

Dit gebied kan trouwens ook pp andere wijze, bijvoorbeeld door ionenim-plantatie, of door ccntour-epitaxie, of door een combinatie van één van 5 deze technieken met een diffusiestap worden gevormd.

Volgens een eerste, belangrijke voorkeursuitvoering zijn de eerste actieve laag en de tweede passieve laag, evenals het substraat en de eerste passieve laag, van het eerste geleidingstype, terwijl het genoemde gebied van het tweede geleidingstype is en zich in het eerste deel 10 van de halfgeleiderplaat plaatselijk door de tweede passieve laag, de eerste actieve laag en een deel van de eerste passieve laag heen uitstrekt. Uitgaande van een voor het maken van conventionele dubbele-heteroover-gangslasers gebruikelijk (meestal N-type) substraat waarop twee extra lagen zijn aangegroeid (de eerste actieve laag en de tweede passieve laag) 15 kan dan een voor deze laser algemeen toegepaste lagenstruktuur worden aangegroeid, waarna in het eerste deel van de plaat de bovenste lagen tot aan de tweede passieve laag worden weggeëtst, en door plaatselijke toepassing van bijvoorbeeld een dubbele zinkdiffusie het gebied van het tweede ge-leidingstype wordt gevormd, ter verkrijging van de TJS-laser.

20 Iets minder gunstig, doch onder omstandigheden van voordeel is een tweede voorkeursuitvoering, waarbij de tweede passieve laag en de tweede actieve laag beide van het tweede geleidingstype zijn, terwijl het genoemde gebied van het eerste geleidingstype is en zich in het tweede deel van de halfgeleiderplaat plaatselijk door de derde passieve laag, de 25 tweede actieve laag en een deel van de tweede passieve laag heen uitstrékt. Bij deze uitvoeringsvorm bevindt de TJS-laser zich, in tegenstelling tot de voorgaande uitvoeringsvorm, in het mesarvormige uitstékende deel van de halfgeleiderplaat. Een praktisch nadeel van deze uitvoeringsvorm is dat in de praktijk vaak galliumarsenide en mengkristallen daarvan met andere III-V 30 elementen als halfgeleldennaterlaai werden toegepast, terwijl voor het vormen van gediffundeerde gebieden daarin als meest geschikte activator zink wordt toegepast. Aangezien zink in deze materialen een acceptor is zal, bij toepassing van deze materialen bij vorming van het genoemde gebied door diffusie, het substraat p-type geleidend moeten wijn. Wegens de 35 geringere beweeglijkheid van gaten ten opzichte van elektronen zal daardoor het substraat gsnakkelijk een te hoge serieweerstand vormen. Wanneer echter het genoemde gebied niet door diffusie, maar met behulp van een meer gecompliceerde werkwijze zoals bijvoorbeeld contour-epitaxie of 81 01 409 EHN 9981 6 * % , ionenimplantatie wordt vervaardigd kan het genoemde gebied n-type geleidend worden gemaakt, fët substraat kan dan ook n-type geleidend zijn, waardoor het genoemde nadeel van hoge serieweerstand bij deze uitvoerings-vorm wordt vermeden.

5 Volgens een verder aspect van de uitvinding is een belangrijke, relatief eenvoudige werkwijze ter vervaardiging van de halgeleiderlaser-inrichting daardoor gekenmerkt, dat het strookvormige actieve gebied van de tweede pn-overgang begrensd wordt door met protonen gebombardeerde, elektrisch nagenoeg isolerende zones die zich tenminste tot in de nabij-10 heid van de bijbehorende actieve laag uitstrekken.

De uitvinding zal thans nader worden toegelicht aan de hand van enkele voorbeelden en de tekening, waarin

Figuur 1 gedeeltelijk in dwarsdoorsnede en gedeeltelijk in perspectief een halfgeleiderlaserinrichting volgens de uitvinding toont, 15 Figuur 2 t/m 8 schematisch in dwarsdoorsnede de inrichting van

Figuur 1 tonen in opeenvolgende stadia van vervaardiging,

Figuur 9 en 10 schematisch in dwarsdoorsnede andere uitvoeringsvormen van de inrichting volgens de uitvinding tonen, en

Figuur 11 schematisch in dwarsdoorsnede een variant van de uit— 20 voering volgens Figuur 1 toont.

De tekeningen zijn zuiver schematisch, en niet op schaal. Overeenkomstige delen zijn in de regel met dezelfde verwijzingscijfers aangeduid. Halfge-leidergebieden van hetzelfde geleidingstype zijn in dwarsdoorsnede in dezelfde richting gearceerd.

25 Figuur 1 toont gedeeltelijk in dwarsdoorsnede en gedeeltelijk in perspectief een halfgeleiderlaserinrichting volgens de uitvinding.

De inrichting dient voor het opwekken van twee onderling nagenoeg evenwijdige stralingsbundels 1 en 2, zie Figuur 1, die in dit voorbeeld een verschillende frequentie hebben. De inrichting bevat een half-30 geleiderplaat 3 met een eerste hoofdoppervlak 4 en een tweede hoofdoppervlak 5. De half geleiderplaat 3 bevat tussen de hoofdoppervlakken 4 en 5 naast elkaar een eerste deel I en een daaraan grenzend deel XI. De half-geleiderplaat 3 wordt verder begrensd door twee praktisch evenwijdige, loodrecht op de richting van de stralingsbundels 1 en 2 staande reflecte-35rende zijvlakken 6 en 7, de vóór- en achtervlakken in Figuur 1. Het half-geleiderlichaam van de inrichting bevat een aan het tweede hoofdoppervlak 5 grenzend substraat 8 van een eerste geleidingstype. In dit voorbeeld is het 18 substraat 8 van N-type galliumarsenide met een dotering van 10 silicium- 81 01 409 # * PHN 9981 7 3 atomen per an , ofschoon in principe ook een P-type substraat zou kunnen vorden toegepast. Op het substraat 8 zijn opeenvolgend een eerste passieve laag 9 van het eerste, hier dus N-, geleidingstype, een eerste actieve laag 10 en een tweede passieve laag 11 aangebracht die zich, met het 5 substraat 8, in de beide delen I en II van de halfgeleiderplaat 3 uitstrekken.

Voorts bevinden zich, alleen in het tweede deel II van de halfgeleiderplaat , op de tweede passieve laag 11 opeenvolgend een tweede actieve laag 12 en een derde passieve laag 13. De actieve lagen 10 en 12 10 bevinden zich elk tussen passieve lagen (9 en 11 resp. 11 en 13) met grotere verboden bandafstand. Verder bevat de eerste actieve laag 10 in het eerste deel I een pn-overgang 15, en bevat de tweede actieve laag 12 in het tweede deel II een pn-overgang 16, Elk dezer pn-overgangen 15 en 16, kan bij voldoende hoge stroom in de doorlaatrichting, één der genoemde 15 stralenbundels (pn-overgang 15 bundel 1 en pn-overgang 16 bundel 2) uitzenden. Daartoe is het substraat 8 met een eerste elektrode 17, de tweede passieve laag 11 met een tweede elektrode 18 en de derde passieve laag 13 (via een half geleidende contactlaag 14) met een derde elektrode 19 verbonden. De contactlaag 14 dient voor het bevorderen van een goed ohms contact 20 met de derde passieve laag 13 doch is niet strikt noodzakelijk.

Volgens de uitvinding is de derde passieve laag 13 van het tweede geleidingstype, in dit voorbeeld dus van het P-type. Verder is volgens de uitvinding in één der delen van de halfgeleiderplaat, in dit voorbeeld in het eerste deel I, plaatselijk een gebied 20 gevormd dat zich vanaf 25 het eerste hoofdoppervlak 4 door de bovenste passieve laag 11, de aangrenzende actieve laag 10 en een deel van de daaronder liggende passieve laag 9 heen uitstrekt. De drie lagen 9, 10 en 11 hebben volgens de uitvinding alle hetzelfde, aan dat van het gebied 20 tegengestelde geleidingstype. Het gebied 20 vormt met het overige deel van de actieve laag 30 10 de eerste, dwars op deze laag 10 en op de zijvlakken 6 en 7 staande pn-overgang 15, die zich door de lagen 9 en 11 heen voortzet en het gebied 20 begrenst. De tweede pn-overgang 16 loopt evenwijdig aan het tweede hoofdoppervlak 5 en vertoont een strookvormig, eveneens dwars op de zijvlakken 6 en 7 staand actief gebied 16A.

35 In de uitvoeringsvorm volgens dit voorbeeld zijn de eerste ac tieve laag 10 en de tweede passieve laag 11 beide van het eerste, N-ge-leidingstype, terwijl het gebied 20 van het tweede, P-geleidingstype is en zich in het eerste deel I van de halfgeleiderplaat plaatselijk door de 8101409 « ·;· « ΡΗΝ 9981 8 tweede passieve laag 11, de eerste actieve laag 10 en een deel van de eerste passieve laag 9 heen uitstrékt. Bat gebied 20 strekt zich vanaf de rand van de halfgeleiderplaat 3 uit tot op enige afstand van het tweede deel II van de halfgeleiderplaat en vormt daar de eerste pn-overgang 15. 5 In het voorbeeld weergegeven in figuur 1 werden de volgende sa menstellingen en doteringen van de diverse lagen toegepast: 3

Laag Materiaal Dikte (^um) Potering (atcmen/cm )

1R

8 (substraat) N GaAs 90 Si 10 ,0 9 5 Te W]l 10 (actief) N Alg ^Ga^ g^As 0,2 Te 101° 11 NM^GagjAs 1,5 Te 1017 12 (actief) Alg g^Gag 95As 0,2 ongedoteerd 13 P Alg 4GaQ gAs 2 Ge 5 x TO17 15 14 P GaAs 1 Ge 2 x 1018

De breedte van de strookvormige pn-overgang 15 van de in het deel I gevormde TJS-laser wordt bepaald door de dikte van de laag 10 en bedraagt dus slechts 0,2^um. fët strookvormige actieve gebied 16A van de pn-over-gang 16 wordt begrensd door met protonen gebombardeerde, elektrisch nage-20 noeg isolerende zones 21A en 21B (in de figuren gestippeld aangegeven) die zich tot in de nabijheid van de bijbehorende actieve laag 12 uitstrekken. Een dergelijk isolerende zone (21C) bevindt zich in dit voorbeeld eveneens tussen het gebied 20 en het aangrenzende deel II van de halfgeleiderplaat. Het gebied 21C strekt zich uit tot in de nabijheid van de 25 actieve laag 10 en bevordert de laterale elektrische scheiding van beide lasers, doch is niet strikt noodzakelijk.

Bij het aanleggen van een voldoend hoge spanning in de doorlaat-richting tussen de elektroden 17 en 18 en tussen de elektroden 17 en 19 worden coherente lichtbundels (bundel 1 met een golflengte van 780 nm en 30 bundel 2 met een golflengte van 850 nm) door respectievelijk de TJS-laser en de DH-laser uitgezonden. Daarbij kunnen de stralende facetten, in Figuur 1 donker gekleurd, zeer dicht bij elkaar, bijvoorbeeld op een onderlinge afstand van 10^um of minder, worden aangebracht. De bundels 1 en 2 liggen dan zo dicht bij elkaar dat zij zonder menginrichting direct kun-35 nen worden gekoppeld in een optische vezel cm via twee verschillende golflengten informatie over te brengen.

Bij toepassingen voor het vervaardigen van optische informatie-platen (DOR) kan de bundel 2, afkomstig van de DH-laser met 8101409 PHN 9981 - 9 relatief groot vermogen, worden gebruikt voor het branden van de vereiste gaten in de reflecterende laag van de plaat, met bijvoorbeeld inpulsen van 60 irW gedurende bijvoorbeeld 50 ns, terwijl de bundel 2, met veel kleiner vermogen, voor het direct daarna uitlezen en controleren wordt 5 gebruikt, door de bundel 1 te laten reflecteren tegen het "ingeschreven” reflecterende oppervlak van de D0R-plaatfe_... en de teruggekaatste bundel uit te lezen met behulp van een detector.

De halfgeleiderlaserinrichting van Figuur 1 kan volgens de uitvinding op de volgende wijze worden vervaardigd. Uitgegaan wordt van een 10 substraat van N-type galliumarsenide met een dikte van 350^um, een volgens de (100) kristalinrichting georiënteerd oppervlak, en een dotering van 18 3 10 siliciumatcmen per cm . Vanuit de vloeistofphase worden op dit substraat achtereenvolgens de in het voorgaande beschreven lagen 9 t/m 14 aangegroeid qp in de halfgeleidertechniek gebruikelijke wijze. Voor de 15 details van deze werkwijze, die voor de uitvinding niet van belang zijn, kan bijvoorbeeld worden verwezen naar het boek "Crystal Growth frcm High Temperature Solutions” van D.Elwell en J.J. Scheel, Academie Press 1975, blz.433 t/m 467.

Vervolgens wordt op het oppervlak van de contactlaag 14 een 20 isolerende maskeringslaag 22, bijvoorbeeld van siliciumoyxde, met een dikte van enkele tienden^um opgedampt.In plaats van siliciumoxyde kan ook s iliciumnitride, aluminiumoxyde of een ander electrisch isolerend materiaal worden gebruikt. Met behulp van bekende foto-etsmethoden wordt uit deze siliciumoxydelaag 22 een etsmasker gevormd, zie Figuur 2.

25 Dan worden over het niet door het masker 22 bedekte deel van het oppervlak de lagen 14, 13 en 12 en een klein deel van de laag 11 verwijderd door etsen. Voor het etsen van galliumarsenide en galliumaluminiumr arsenide zijn verschillende, al dan niet selectief werkende, etsmiddelen bekend, die bijvoorbeeld beschreven zijn in het artikel van Tij burg en 30 van Dongen, "Selective Etching of III-V Compounds with Redox Systems, in Journal of the Electrochemical Society, Vol 123 No.5, Mei 1976, biz.687-691. Na verwijdering van het masker 22 wordt een nieuwe masker ings laag 23, bijvoorbeeld eveneens van siliciumoxyde, of van een ander isolerend materiaal cpgedampt, zie Figuur 3. De laag 23 wordt door foto-etsen gedeelte-35 lijk verwijderd, zodat naast de mesa nog een rand van ongeveer 5^um breedte blijft staan. Dan wordt (zie Figuur 4) een eerste zinkdiffusie uitgevoerd waardoor een p-type gebied 20 onststaat. Dit gebied strekt zich, althans na de hiernavolgende warmtebehandelingen, door de lagen 11 en 10 8101409 ΡΗΝ 9981 10 en door een deel van de laag 9 uit*

Vervolgens wordt ook boven op de mesavormige verhoging een deel van de maskeringslaag 23 weggeëtst, eveneens tot op een afstand van ongeveer 5yum. van de rand van. de mesa. Daarna wordt een tweede zinkdiffusie, 5 met geringere diepte en met een hogere zinkconcentratie uitgevoerd, waardoor binnen het gebied 20 een deel 20A ( Zie Figuur 5) met hogere dote-ringsconcentratie ontstaat, en tevens in de contactlaag 14 een hooggedo-teerd gebied 14A wordt gevormd dat de contactering vergemakkelijkt. De zinkdiffusie dringt dieper door in de lagen 9, 10 en 11 dan in de laag 14 10 andat, zoals bekend, de diffusiecoëfficient bij dezelfde temperatuur in gallium-aluminiumarsenide groter is dan in. galliumarsenide.

Het gebied 20 bestaat tengevolge van de dubbele zinkdif fusie uit een ontaard gedoopt deel 20A en een lager, niet-ontaard gedoopt deel 20B dat aan de pn-overgang 15 grenst. Het actieve stralende deel van de

-L

15 TJS-laser wordt lateraal begrensd door de P P-overgang tussen de delen 20A en 20B, en de pn-overgang 15, en is ongeveer 1^um breed.

Vervolgens wordt over het gehele bovenoppervlak een metaallaag 24 opgedampt, zie Figuur 5. Dit kan een enkelvoudige metaallaag zijn, doch in dit voorbeeld bestaat de laag 24 uit opeenvolgend een 50 nm dikke 20 laag chroom, een 100 nm. dikke laag platina en een 50 nm dikke laag goud. Dan wordt met behulp van een etsmiddel, dat wanneer de laag 23 een sili-ciumoxydelaag is kan bestaan uit een oplossing van artmoniumbifluoride in water de bovenste qppervlaktelaag van de laag 23 weggeëtst waardoor ook het daaropgelegen deel van de metaallaag 24 wordt verwijderd zodat de ge-25 scheidenelektrodelagen 18 en 19 ontstaan.

Vervolgens wordt de metaallaag 19 bovenop de mesa af gedekt, bijvoorbeeld met een fotolaklaag 25 die niet nauwkeurig uitgericht behoeft te worden. Dan wordt op gebruikelijke wijze galvanisch op het naast de mesa blootliggende deel van de metaallaag 24 een goudlaag 26 aange-30 groeid (zie Figuur 7) met een dikte van ongeveer 3^um, die over de isolerende laag 23 heen ook zijdelings over een afstand van enkele^um aangroeit en zich daardoor tot voorbij de pn-overgang 15 uitstrekt.

Daarna wordt de fotolaklaag 25 verwijderd en wordt op het bovenoppervlak van de mesa een draadmasker, bijvoorbeeld een wolframdraad 35 27 met een diameter van 5^um aangebracht. Dan wordt het bovenvlak met protonen 28 (zie Figuur 8) gebombardeerd, met een energie van 200 kéV en 15 2 een dosis van 10 protonen per cm . Daardoor ontstaan in het half gelei-dermateriaal elektrisch praktisch isolerende zones 21A,B en C, in figuur 8101409 PHN 9981 11 8 gestippeld aangegeven. De zones strekken zich tot een diepte van ongeveer 1,5yum vanaf het oppervlak uit. De wolframdraad 27 en het goudcon-tact 26 dienen bij dit protonenbcmbardement als masker.

Door slijpen enetsen wordt vervolgen de halfgeleiderplaat te-5 ruggebracht tot een totale dikte van ongeveer lOO^um. Dan wordt de onderzijde van de plaat bedekt met een metaallaag 17, bijvoorbeeld een goud-germanium-nikkellaag, die vervolgens wordt ingelegeerd waarbij tegelijkertijd de metaallagen 18 en 19 worden ingelegeerd.

Dan worden op een onderlinge afstand van ongeveer 250yUm onder-10 ling evenwijdige splijtvlakken aangebracht. Deze kunnen desgewenst met een beschermende diëlektrische laag bedekt worden, waarbij echter ten minste één der splijtvlakken voor de uitgezonden straling doorlaatbaar moet zijn.

De inrichting kan daarna op verschillende manieren worden afge-15 monteerd en in een entailing aangebracht, onder meer afhankelijk van de toepassing. In Figuur 1 is aangegeven hoe de inrichting net het substraat 8 en de metaallaag 17 op een, bijvoorbeeld koperen, koelplaat 29 is gesoldeerd. Met behulp van op deze koelplaat 29, op de eléktrodelaag 19 en op het goudcontact 26 aangebrachte toevoerdraden kunnen de beide lasers 20 onafhankelijk van elkaar worden bedreven.

Wanneer, zoals in dit voorbeeld, het goudcontact 26 met zijn bovencppervlak ongeveer op gelijke hoogte keurt met het bovenvlak van de nesa kan de koelplaat in principe ook aan de bovenzijde worden aangebracht. Er moet dan, cm de lasers gescheiden van elkaar te kunnen bedrijven, wel 25 voor worden gezorgd dat de beide delen van de koelplaat, die met de elektrode 19 en met het goudcontact 26 contact maken elektrisch van elkaar zijn geïsoleerd.

Ofschoon de hierboven beschreven uitvoering in de meeste gevallen de voorkeur verdient, zijn vele andere uitvoeringsvormen mogelijk, 30 zoals thans aan de hand van enkele voorbeelden zal worden beschreven.

In de eerste plaats kan opgemerkt worden, dat door het geschikt kiezen van de halfgeleidennaterialen van de verschillende lagen de golflengten van de bundels 1 en 2 binnen bepaalde grenzen door de vakman kunnen worden gekozen. Zo kan er bijvoorbeeld voor worden gezorgd, dat de 35 golflengte van de TJS-laser niet kleiner maar groter is dan, of gelijk is aan, die van de DH-laser. Ook kunnen de in de uitvoeringsvorm volgens Figuur 1 gekozen metaallagen en isolerende lagen van andere dan de beschreven samenstelling zijn. Het goudcontact 26 kan desgewenst worden wegge- 81014 09 FHN 9981 12 laten mits het gebied 20 op andere wijze tegen het protonenbombardement wordt afgescherxrd.

Verder kan in plaats van de hier toegepaste protonengebombar-deerde striplaser een andere gebruikelijke dubbele-heteroovergangslaser 5 worden toegepast waarvan de pn-overgang evenwijdig of praktisch evenwijdig aan de halfgeleiderlagen loopt. Voorbeelden van dergelijke lasers zijn in de vakliteratuur in ruime mate voorhanden; verwezen kan worden naar het overzichtsartikel van D. Botez in Journal of Optical Communications, 1980, blz. 42-50 in het bijzonder de figuren. 1, 3a,c,d,e en 9.

10 Ook kan het gebied 20 op andere wij ze dan door diffusie, bijvoor beeld door contour-epitaxLeworden verkregen, waarbij eerst het door het gebied 20 in te nonen volume wordt weggeëtst en vervolgens door epitaxia-le aangroeiing wordt opgevuld. Verder is de met zink gediffundeerde zone 14A niet strikt noodzakelijk; ook kan deze zone in een afzonderlijke dif-15 fusies tap worden aangebracht. Overigens dient de laag 14 in haar geheel alleen voor de contacteringenzou bij de aanwezigheid van een elektrode-laag die een goed ohms contact met voldoend lage weerstand vormt qp de laag 13, kunnen worden weggelaten.

Doch ook andere, van de uitvoering volgens figuur 1 verschil-20 lende strukturen kunnen onder omstandigheden van voordeel zijn. Zo kunnen (zie Fig. 9 en 10) de tweede passieve laag 11 en de tweede actieve-laag 12 beide van het tweede geleidingstype, tegengesteld aan dat van het substraat 8, zijn terwijl het gebied 20 van hetzelfde, eerste geleidingstype als het substraat 8 is en zich in plaats van in het eerste deel I 25 in het mesa-vormige deel II plaatselijk door de derde passieve laag 13, de tweede actieve laag 12 en een deel van de tweede passieve laag 11 heen uitstrekt. Van een dergelijke uitvoeringsvorm geven de figuren 9 en 10 schematisch in dwarsdoorsnede twee voorbeelden. In het eerste voorbeeld, volgens Figuur 9, strékt het gebied 20 zich vanaf de rand van de halfge-30 leiderplaat tot op enige afstand van het eerste deel I uit, en vormt daar de eerste pn-overgang 15. In het tweede voorbeeld, volgens Figuur 10, vormt het gebied 20 aan zijn van het eerste deel I afgekeerde zijde de eerste pn-overgang 15, en strekt het zich uit vanaf de overgang tussen de delen I en II. In beide uitvoer ingsvoorbeelden is voor de strocmbegren-35 zing van de DH-laser een andere methode dan. protonenbombardement gekozen, namelijk een oxyde-strip contact op een overigens door siliciumoxyde of een andere isolerende laag 30 bedekt oppervlak, welk stripcontact ter verbetering van de contactweerstand nog voorzien kan zijn van een gedif- 81 014 09 EHN 9981 13 fundeerde of geïmplanteerde contactzone 31 met hetzelfde geleidingstype als de laag 11 doch met een hogere doteringsconcentratie- Ook is in tegenstelling tot het voorbeeld van Figuur 1 de contactlaag 14 weggelaten, aannemend dat de elektrodelaag 18 een voldoend laagohmig contact op de 5 laag 13 vormt. De uitvoeringsvormen van Figuur 9 en 10 kunnen overigens evenals dat volgens Figuur 1 met behulp van algemeen gebruikelijke half-geleidertechnologieën warden vervaardigd. Aangezien de geleidbaarheid van p-type substraten van galliumarsenide over het algemeen slechter is dan die van n-type substraten verdient het de voorkeur cm, zoals in Figuur 9 10 en 10 door de arcering is aangegeven, in deze gevallen een n-type substraat 8, en ook een n-type gebied 20 toe te passen. Bij het gebruik van een GaAs - AlGaAs struktuur zal dan het gebied 20 moeilijk of niet door diffusie kunnen worden gevormd. Bij voorkeur zal het gebied 20 daaran door contour-expitaxie, zoals reeds eerder besproken, worden gevormd.

15 Verder wordt nog opgemerkt dat ook de uitvoeringsvorm van Fi guur 1 ander omstandigheden met voordeel kan warden gewijzigd zoals schematisch in dwarsdoorsnede aangegeven in Figuur 11. Volgens deze variatie, waarbij het gebied 20 aan de zijde van het tweede deel II van de halfge-leiderplaat door een elektrisch isolerend gebied 40 begrensd wordt, wordt 20 de pn-overgang 15 aan de van het mesa-vormige tweede deel II af gekeerde zijde van het gebied 20 gevormd.

Ofschoon in de uitvoeringsvoorbeelden de pn-overgang 16 van de conventionele DH-laser praktisch samenvalt met de hetero-overgang tussen de actieve laag en een der aangrenzende passieve lagen behoeft dit niet 25 het geval te zijn. De pn-overgang kan zich ook binnen de actieve laag 12 evenwijdig aan de grensvlakken met de passieve lagen uitstrekken.

Hoewel in de beschreven voorbeelden alleen galliumarsenide en . galliumaluminiumarsenide als halfgeleidermaterialen zijn genoemd, kunnen ook andere voor het vervaardigen van lasers geschikte halfgeleidermateri-30 alen worden toegepast.

Tenslotte kan de halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding ook meer dan twee lasers bevatten. Als voorbeeld is in Figuur 12 schematisch in dwarsdoorsnede een inrichting aangegeven met een conventionele DH-laser en twee TJS-lasers. De inrichting bevat drie actieve lagen, 40, 35 10 en 12, en kan zijn opgebouwd uit dezelfde materialen als het voorbeeld •j» van Figuur 1, waarbij twee extra lagen, een N -actieve laag 40 en een N-passieve laag 41 zijn toegevoegd, beide van galliumaluminiumarsenide. De inrichting bevat twee gediffundeerde gebieden 20 en 20'. Door geschikte 81 014 09 V - PHN 9981 14 materiaalkeuze kunnen hiermede drie bundels met drie verschillende frequenties worden gegenereerd.

5 10 15 20 25 30 35 8101409

Claims

1. Halfgeleiderlaserinrichting voor het opwekken van onderling na genoeg aan elkaar evenwijdige stralingsbundels bevattende een halfgeleider-plaat met een eerste en een tweede hoofdoppervlak/ die tussen deze hoofdoppervlakken en naast elkaar tenminste een eerste deel en een daaraan 5 grenzend tweede deel bevat, welke halfgeleiderplaat -verder begrensd wordt door twee praktisch evenwijdige, loodrecht op de richting der stralingsbundels staande reflecterende zijvlakken, en een aan het tweede hoofdoppervlak grenzend substraat van een eerste geleidingstype bevat, op welk substraat opeenvolgend een eerste passieve laag van het eerste geleidings-10 type, een eerste actieve laag en een tweede passieve laag zijn aangebracht die zich, met het substraat, in beide delen van de halfgeleiderplaat uitstrekken, waarbij alleen in het tweede deel cp de tweede passieve laag opeenvolgend een tweede actieve laag en een derde passieve laag zijn gelegen, waarbij de actieve lagen elk tussen passieve lagen met een grotere 15 verboden bandafstand zijn gelegen terwijl de eerste actieve laag in het eerste deel en de tweede actieve laag in het tweede deel een pn-overgang bevatten die elk bij voldoend hoge stroan in de doorlaatrichting één der genoemde stralingsbundels uitzenden, waarbij het substraat met een eerste elektrode, de tweede passieve laag met een tweede elektrode en de derde 20 passieve laag met een derde elektrode is verbanden, met het kenmerk, dat de derde passieve laag van het tweede geleidingstype is en dat in één der delen van de halfgeleiderplaat plaatselijk een gebied gevormd is dat zich vanaf het eerste hoofdcppervlak door de bovenste passieve laag, de aangrenzende actieve laag en een deel van de daaronder liggende passieve 25 laag heen uitstrekt, waarbij deze drie lagen alle hetzelfde, aan dat van het gebied tegengestelde, geleidingstype vertonen, waarbij het gebied net het overige deel van het genoemde aangrenzende actieve laag de eerste, dwars op deze laag en op de genoemde zijvlakken staande pn-overgang vormt, terwijl de tweede pn-overgang evenwijdig aan het tweede hoofdcppervlak 30 loopt en een strookvormig, eveneens dwars op de zijvlakken staand actief gebied vertoont.

2. Halfgeleiderlaserinrichting volgens conclusie 1, met het ken merk dat de beide genoemde stralingsbundels een verschillende frequentie hebben.

3. Halfgeleiderlaserinrichting volgens conclusie 2, met het ken merk dat de eerste pn-overgang straling van een hogere frequentie dan de tweede pn-overgang uitzendt.

4. Halfgeleiderlaserinrichting volgens een der voorgaande conclu- 81014 09 EHN 9981 16 sies, met het kenmerk dat de eerste actieve laag en de tweede passieve laag beide van het eerste geleidingstype zijn, en het genoemde gebied van het tweede geleidingstype is en zich in het eerste deel van de halfgelei-derplaat plaatselijk door de tweede passieve laag, de eerste actieve laag 5 en een deel van de eerste passieve laag heen uitstrekt.

5. Halfgeleiderlaserinrichting volgens conclusie 4, met het ken merk dat het gebied van het tweede geleidingstype zich vanaf de rand van de halfgeleiderplaat uitstrékt tot qp enige afstand van het tweede deel van de halfgeleiderplaat en aldaar de eerste pn-overgang vormt.

6. Halfgeleiderlaserinrichting volgens conclusie 4, met het ken merk dat het gebied van het tweede geleidingstype aan de zijde van het tweede deel van de halfgeleiderplaat begrensd wordt door een elektrisch isolerend gebied, en aan de van het tweede deel af gekeerde zijde de eerste pn-overgang vormt.

7. Halfgeleiderlaserinrichting volgens een der conclusies 1 t/m 3, met het kenmerk dat de tweede passieve laag en de tweede actieve laag beide van het tweede geleidingstype zijn, en. het genoemde gebied van het eerste geleidingstype is en zich in het tweede deel van de halfgeleiderplaat plaatselijk door de derde passieve laag, de tweede actieve laag en 20 een deel van de tweede passieve laag heen uitstrékt.

8. Halfgeleiderlaserinrichting volgens conclusie 7, met het ken merk dat het gebied van het eerste geleidingstype zich vanaf de rand van de halfgeleiderplaat uitstrekt tot op enige afstand van het eerste deel van de halfgeleiderplaat en aldaar de eerste pn-overgang vormt.

9. Halfgeleiderlaserinrichting volgens conclusie 7, met het ken merk dat het gebied van het eerste geleidingstype zich vanaf de overgang tussen het eerste en het tweede deel van de halfgeleiderplaat uitstrekt en aan zijn van het eerste deel afgekeerde zijde de eerste pn-overgang vormt.

10. Halfgeleiderlaserinrichting volgens een der voorgaande conclu sies, met het kenmerk dat de ruimte tussen het oppervlak van de tweede passieve laag en het eerste hoofdoppervlak in het eerste deel van de halfgeleiderplaat in hoofdzaak wordt ingencmen door een contactmetaal.

11. Halfgeleiderlaserinrichting volgens een der voorgaande conclu-35 sies, met het kenmerk dat het genoemde gebied p-type geleidend is.

12. Halfgeleiderlaserinrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat het strookvormige actieve gebied van de tweede pn-overgang begrensd wordt door met protonen gebombardeerde, elektrisch 8101409 ΡΗΝ 9987 17 nagenoeg isolerende zones die zich tenminste tot in de nabijheid van de bijbehorende actieve laag uitstrekken.

13. Halfgeleiderlaserinrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat zich tussen het genoemde gebied en het aan- 5 grenzende deel van de beide delen van de halfgeleiderplaat een elektrisch isolerend gebied bevindt dat zich tenminste tot in de nabijheid van de actieve laag uitstrékt.

14. Werkwijze ter vervaardiging van een half geleiderlaser inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk dat (¾) een substraat van een eerste 10 geleidingstype door epitaxiaal aangroeien achtereenvolgens tenminste een eerste passieve laag van het eerste geleidingstype, een eerste actieve laag van het eerste geleidingstype, een tweede passieve laag van het eerste geleidingstype, een tweede actieve laag, en een derde passieve laag van het tweede geleidingstype warden aangebracht, dat daarna over 15 een deel van het oppervlak van de verkregen laagstruktuur de derde passieve laag, de tweede actieve laag en ten hoogste een deel van de tweede passieve laag worden verwijderd, waarna althans dit oppervlaktedeel wordt bedekt met een maskeringslaag die voorzien is van een diffusievenster, en vervolgens via dit venster in twee stappen een het tweede geleidingstype 20 bepalende doteringsstof wordt ingediffundeerd, waarbij in een eerste diffusies tap een niet ontaard gedoteerd gebied wordt gevormd dat zich door de tweede passieve laag en de eerste actieve laag heen over een deel van de dikte van de eerste passieve laag uitstrekt, en in een tweede, minder diepe diffusiestap een zich door de eerste actieve laag heen uitstrekkend 25 deel van dit gebied in ontaard gedoteerd materiaal wordt omgezet.

15. Werkwijze volgens conclusie 14, met het kenmerk dat het substraat van n-type galliumarsenide is, dat de diverse lagen uit galliumaluminium-arsenide of uit galliumarsenide bestaan, en dat de doteringsstof zink bevat. 30 8101 4 09 35