NL8202385A - Gestabiliseerde halfgeleiderlaser. - Google Patents

Description

* «t %' · * f _ _______________'_______ VO 3*H0

Gestabiliseerde half geleiderlaser.

De uitvinding heeft betrekking op een licht-uitstralen-de structuur, omvattende een actieve laag, eerste en tweede half geleider lagen op tegenover gelegen zijden van de actieve laag en een derde laag, die contact maakt met tegenover gelegen zijvlakken van de actieve 5 en de eerste en tweede halfgeleiderlagen.

Momenteel beschouwde optische communicatiesystemen maken gebruik van een lichtbron en een fotodetector, die'optisch met elkaar gekoppeld zijn door middel van een glastransmissielijn, welke in het algemeen een optische vezel genoemd wordt. Als mogelijkheden voor 10 de lichtbron worden 2 typen inrichtingen, t.w. licht-emitterende diodes en lasers serieus bekeken.. De laser wordt in het algemeen, in het bij-zonder voor hoge-datasnelheden, als de beste inrichting beschouwd.

Er zijn verscheidene halfgeleider-laserstructuren beschouwd om te gebruiken als lichtbron in dergelijke optische communica-T5 tiesystemen. Momenteel zijn vakmensen het er over eens, dat begraven heterostructuur (BH)-lasers de beste mogelijkheden bieden voor optische communicatiesystemen vanwege hun lage stroomdrempelwaarde en stabiele werking, ook bij hoge vermogens. Een BH-laser wordt typisch gefabriceerd door een dubbele heterostructuurlaser te laten groeien, een mesa te etsen 20 en de zijden van de mesa te bekleden met halfgeleidermateriaal, dat ge-durende een ‘tweede groei aangegroeid is. De resulterende laser wordt "index guided" met dragers die begrensd zijn tot de actieve laag in bei-de dwarsrichtingen, Dergelijke BH-lasers hebben de gewenste karakteris-tieken, zoals een lineaire licht versus stroomkarakteristiek, een sta-25: biel zijn bij pulseren en de afwezigheid van totaal-defecten en geen op- J - * • tisch astigmatisme.

j .

Een ouder artikel, dat de begin-werkzaamheden aan BH- lasers beschrijft is gepubliceerd in Journal of Applied Physics, ^5, biz. h-899 - ^906, November 197^. Dit artikel beschrijft een Al Ga. As-GaAs-30 BH-laser, waarmee een werking in de laagste modus verkregen werd. Een dergelijke werking is gewenst, omdat daardoor verzekerd is, dat het lichtemissiepatroon, en derhalve de koppelefficientie tussen de laser en de optische vezel, niet zal veranderen. Deze werking werd verkregen door gebruik te maken van een zeer smal en dun, bij voorkeur minder dan ,_35_ 0 micrometer in zowel hoogte als breedte, actief gebied, dat omgeven t 82 0 2 3 8 5 ~~~ _:

* V

2 verd door een materiaal met een brekingsindex die niet meer dan 5% afweek -van die van de actieve laag. Deze beperkingen vat betreft de afmetingen, maken bet onpraktisch om de laser op betrouvbare vijze te construeren en zorgen bovendien voor een laag vermogen.

5 Een latere structuur, die een BH-laser met een begraven optische geleider (BOG) genoemd verd, is beschreven in Applied Physic Letters, 35, biz. 513 - 516» 1 October 1979· Deze inriehting maakt gebruik van een geleidingslaag, aangrenzend aan de actieve laag om bet nabije veldpatroon loodrecht op bet junctievlak te verbreden en zo bet vermo-10 gen dat in een optische vezel gekoppeld kan worden te vergroten. De inriehting kan 00k gebruik maken van een streepbreedte ter grootte van U micrometer. Een dergelijke afmeting vordt alleen verkregen· als de bS-graven laag een brekingsindex bezit, die zeer diebt gelegen is bij die van de geleidingslaag.

15 Een BH-laser velke momenteel de stand van de techniek vormt, is de begraven optische geleider (BOG)-laser, die beschreven is in IEEE Journal of Quantum Electronics, QE-16, biz. 205 - 2'lU, Februari 1980. Deze laser omvat een passieve optische golf geleider, vaardoor de laser een boge differentiaal quantumefficientie bezit, een lage verre 20 veldspreiding en boge grenzen voor de catastrofale optische sebade.

Met- de BOG-lasers zijn drempelwaarden bereikfc met een vaarde van 10 mA/ micrometer streepbreedte. Alboewel de BOG-laser geschikt is voor veel doeleinden, heeft deze bet nadeel dat er kritische fabricagestappen nodig zijn. Alboewel bet relatief eenvoudig is can BH- of BOG-lasers 25 te laten groeien met multimodus-golfgeleiders, omdat er minimale be- perkingen gelden voor de tweede of bergroeisamenstelling, is het moeilijk om BH- of BOG-lasers te maken met golfgeleiders die hetzij enkel-modus zijn of een versterking van de fundamentele transversale modus bebben, velke aanzienlijk groter is dan die van enige andere modus zonder dat 30 er kritische eisen gesteld vorden aan de samenstelling, afinetingen, en dergelijke. In de BH- en BOG-lasers vordt de gevenste verking in de laag-ste modus verkregen door de brekingsindex van de tveede groei of de bui-tenste bekledingslaag, zodanig te kiezen, dat deze zeer veinig kleiner is dan de effectieve brekingsindex van de mesa-lagen. Dit stelt zeer 35 kritische grenzen aan de samenstelling van de hergroeilaag. Foor b.v.

2-3 micrometer brede BOG-lasers moet de x van A1 Ga. As bergroei of

" X 1 “X

8202385

V V

3 tveede groeilaag ongeveer slechts 1-2$ groter zijn dan de effeetieve vaarde van x (xe^) van de mesalagen. Omdat een functie is van de afmetingen en de samenstelling van de lagen van de centrale mesa, moe-ten deze lagen ook binnen nauve toleranties gehouden worden. Het per-5 centage verandering in de brewingsindex, n, is ongeveer 1/5 van het percentage verandering in x, d.v.z. vanneer n met 1$ verandert, verandert x met 5%.

Volgens de uitvinding vorden deze problemen. opgelost in een licht-uitstralende structuur, omvattende een actieve laag, eerste 10 en tveede halfgeleiderlagen aan tegenover gelegen zijden van de actieve laag, een derde laag, velke contact maakt met tegenover gelegen zij-vlakken van de actieve en -eerste en tveede halfgeleiderlagen, vaarbij de actieve laag een bandafstand heeft, die kleiner is dan de bandafstan-den van de eerste en tveede halfgeleiderlagen en vaarbij de derde laag 15 een halfgeleiderlaag is met een brekingsindex, die ten minste ongeveer k% kleiner is dan de brekingsindex van de actieve laag.

De .uitvinding zal in het hierna volgende nader vorden-beschreven aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld, onder vervij zing • naar de tekening, hierin toont: '20 fig. 1 een aanzicht xn dvarsdoorsnede van een verlies- gestabiliseerde begraven heterostructuurlaser volgens de uitvinding; fig. 2 het berekende verstrooiingsverlies van het scheidingsvlak,in verticale richting, uxtgezet tegen in horizontale richting de breedte van de mesa voor een laser volgens de uitvinding en 25 fig. 3 het verstrooiingsverlies in verticale richting, uxtgezet tegen.de discontinuxteit in de brekingsindex in horizontale : ! richting, voor de 2 laagste modes van een laser volgens de uitvinding.

Volgens de uitvinding is gebleken, dat een begraven heterostructuurlaser met een enkele modus gemaakt kan vorden zonder eni-30 ge kritische fabricagestap. Het ontbreken van kritische fabricagestappen en de eenvoud van het groeien ontstaat doordat niet gepoogd vordt een enkelmodnsstructuur te laten groeien.door nauwkeurig de afmetingen en de samenstelling te regelen, maar doordat een meermodusgeleider gevormd vordt door een begraven laag te laten groeien met een samenstelling die 35 een grote discontinuxteit in de brakings index geeft tussen de mesa en de begraven laag. De discontinuxteit in de brekingsindex en de ruvheid 8T0 2 3 8 5 — — m van de mesavanden geven verliezen .velke snel toenemen met het modusge-tal en doelmatig in een verting in de laagste modus resulteren.

Fig. 1 toont een inrichting volgens de uitvinding, velke in het algemeen aangegeven is met 100. De inrichting omvat een sub-5 straat 1 en geplaatst op dit substraat een eerste bekledingslaag 3, een eerste geleidingslaag 5» een actieve laag 7, een tveede geleidingslaag 9, en een tveede bekledingslaag 11. De door de lagen 3, 5» 7, 9 en 11 gevormde mesa is ingebed in de laag die in het algemeen aangegeven is met 110 en die, zoals getoond is, contact maakt met de tegenover gelegen 10 zijvlakken van de lagen 3, 5, 7, 9 en 11, alsook met substraat 1. Laag 110 omvat verder laag 19» laag 21 en laag 23. Op laag 11 en laag 23 zijn een diffusielaag 13 en metaallagen 15 en 17 geplaatst. Laag 25 is geplaatst op het oppervlak van het substraat 1, tegenover de lagen 3 en 19. Terville van de duidelijkheid is de inrichting niet op schaal getoond.

15 De actieve laag heeft een bandaf stand, die kleiner is dan de bandaf-standen van de lagen 3 en 11 en de lagen 5 en 9 en er is een grote dis-continurbeit in de brekingsindex tussen de mesalagen en laag 110. De bre-kingsindex van laag 110 is in het algemeen ten minste h% kleiner dan ' de effectieve brekingsindex van de mesalagen.

20 Zoals in het hierna volgende beschreven zal vorden, draagt de discontinuiteit in de brekingsindex bij aan de verliezen die snel toenemen met een toenemend modusgetal en versehaffen een selectie-mechanisme voor verking in de laagste modus. Dit vordt verkregen zonder kritische beperkingen aan de maximum-afmetingen van de actieve laag of 25 de samenstelling van de begraven laag, aan velke eisen moeilijk voldaan kan vorden bij de fabricage van de feitelijke inrichting.

: Het substraat 1 en de lagen.3 en 5 zijn van een eerste geleidbaarheidstype en de lagen 9 en 11 van een tveede geleidbaarheidstype, zodat een p-n-overgang binnen de actieve laag gevormd vordt. De 30 actieve laag kan van een van beide geleidbaarheidstypes zijn. Laag 21 is van een tveede geleidbaarheidstype en de lagen 19 en 23 van een eerste geleidbaarheidstype. In een voorkeursuitvoeringsvorm is het eerste geleidbaarheidstype het n-type en het tveede geleidbaarheidstype het p-type.

De halfgeleidezmaterialen kunnen gekozen vorden uit de 35 elementen van groep III - V. B.v. kan A1 Ga. As of InGaAsP gebruikt

Jw I “A ' vorden. In een voorkeursuitvoeringsvorm omvat ten de halfgeleiderlagen A1 Ga1 As met x = 0 voor substraat 1 en laag 7, x + 0,30 voor de lagen

X i “X

8202385 * JS , m- 5 3 en 11, x * 0,15 voor de lagen 5 en 9 en x = 0,65 voor de lagen 19, 21 en 23. De lagen 3 en 5 waren van het n-type en de lagen T, 9 en 11 van het p-type. De lagen 19 en 23 waren van het n-type en laag 21 van het p-type.

5 De lasers volgens de uitvinding worden op geschikte vij- ze gefahriceerd door een modificatie in het velbekende tweestaps-vloei-barefase-epitaxieproces, dat beschreven zal vorden met verwijzing naar de fabricage van A1 Ga1 As-lasers. Bij de1eerste stap laat men de ge-venste laseropbouv groeien en de totale dikte van de epitaxiale lagen 10 is typisch Ongeveer k micrometer. Het is noodzakelijk om door de epitaxiale lagen in het substraat te etsen om de mesa’s te vormen en met het masker gericht in de geschikte kristallografische richting kan, zoals bekend, een mesa met de getoonde configuratie gevormd warden. Een 12 micrometer-breed streepmasker met een breedte van 12 ^um werd ge-15 bruikt om mesa's te vormen met een topbreedte van k micrometer. De breedte van het masker is in het algemeen ongeveer 3 x de breedte van het smalle gedeelte van de mesa. .Een geschikt etsmiddel is (30#): HgO * '1 : 8 : 10 bij 2^°C. De strepen waren gericht langs de < 110> of <001> richtingen om mesa's met een smalmiddengedeelte 20 te vormen en de breedte van de mesa bij de actieve laag is in het algemeen minder dan 3 micrometer, dit in verband met later te noemen rede- nen. Het etsen wordt op geschikte wijze gecontroleerd door de breedte j ( van de mesatop door het transparente fotoresistente masker te beschouwen.

Een Shipley 1350 J fotoresistent masker kan b.v. gebruikt worden. Met 25 deze werkwijze kunnen op eenvoudige wijze gewenste mesa's gevormd worden, die geetst zijn in het substraat, met enige schommelingen in de breedte i ; van de mesatoppen ten gevolge van het extensieve etsen. Ha een visuele ! ! ? ; beschouving werd' geschat, dat de breedte van de mesatop in het algemeen . weinig veranderde over, afstanden van 10 micrometer en dat de maximale 30 verandering in de breedte typisch ongeveer 0,3 micrometer was, terwijl de effectieve waarden van de amplitude van de schommelingen in de plaats van de scheidingswand van elke mesa-zijwand, in de onderhavige aanvrage A genoemd, ongeveer 0,1 micrometer was. Het fotoresistente masker werd verwijderd in een in de handel verkrijgbaar verwijderingsmiddel voor 35 fotoresistent materiaal en vervolgens liet men, als een laatste reini- _ gingsstap, een natuurlijk oxyde op het oppervlak van het monster groeien.

t 8202385 “ ~ - •4 *- 6

De lagen 19» 21 en 23 verden vervolgens door epitaxiale bergroei gevormd. Vooraf aan de hergroeistap, werd bet natuurlijk oxyde vervijderd door een kort drenken in gelijke delen ammoniumhydroxyde en water.

Als alternatief voor bet gebruik van bet beschreven ruv-5 makende etsmiddel, kan gebruik gemaakt vorden van een ruvmakend masker, d.v.z. een streepnasker, met fluctuaties in de breedte ervan. Het etsen van de mesa kan dan als volgt gescbieden: De bovenste bekledingslaag wordt eerst selectief verwijderd over afstanden van ongeveer 100 micrometer, gescbeiden door afstanden van ongeveer 280 micrometer, zodat na 10 hergroei en reiniging in bet passieve 100 micrometergebied lasers met spiegels in de passieve gebieden gevormd vorden. Dit wordt verkregen door zodanig te maskeren, dat in bet heterostructuuroppervlak sleuven bloot komen te liggen met afmetingen van 5 micrometer bij 100 micrometer, vaardoorbeen de bovenste bekledingslaag selectief tot op de'actieve laag 15 geetst wordt. Het oppervlak wordt vervolgens gereinigd, bet streepmasker wordt over de geetste sleuven geplaatst en bet etsen van de mesa wordt : uitgevoerd.

. Een gescbikte samenstelling voor bet bekleden van de ; mesa's, d.w.z.’bet vormen van een laag 110, is Al^ g^Ga^ ^As, aangezien ‘20 dit uitstekende stroombegrenzingskarakteristieken kan verschaffen, al-boewel iedere A1 6a. As-samenstelling met een x-vaarde die ten minste X I —X " ongeveer 20$ groter is dan de effectieve x-waarde van de mesastructuur, gebruikt kan vorden. De uitstekende stroombegrenzing ontstaat, omdat bet . bijzonder moeilijk is cm deze concentratie in de vloeibare fase-epitaxie 25 te dopen, zowel bet prtype met Ge en bet n-type met Sn, en omdat bij bet -. groeien bij deze samenstelling een aantal p-n-overgangen de neiging bebben i- zich te vormen. 0m dit gedrag-te verbeteren, liet men zowel p-type (0,1 it i | atoom % Ge) en n-type (0,1+ atoom % Sn) lagen groeien en de koelsnelbeid werd vergroot tot 0,l+°C/minuut, hetgeen bet dubbele is van de normale 30 koelsnelbeid. Deze groeimetbode verscbafte een uitstekende, te reprodu-ceren stroombegrenzing met een meervoud van p-n-overgangen, gevormd in de tveede groei of bergroeistap.

De samenstelling. van de smelten werd zodanig ingesteld, dat A1q g^GaQ ^As bij de bergroeistap aangroeide. Het monster werd 35 in ^ groeiscbuit geplaatst en bij een constante temperatuur (750°C) on-der de .eerste smelt geplaatst. Qm een goede bevocbtiging te verkrijgen, 8202385

T

werd de oventemperatuur 1°C verhoogd en gedurende 30 minuten op die temperatuur gehouden. Het resulterende terugsmelten hetgeen geschat wordt niet meer te zijn dan ongeveer 0,2 micrometer, helpt het geetste oppervlak te reinigen en verkleint de niet-stralingsreeombinatie bij de 5 scheidingsvlakken van de mesa-hergroeilaag. Ha deze terugsmeltstap werd de oventemperatnur met 0,U°C/minuut verlaagd om een laag te laten groei-en van ongeveer 1 micrometer dikte. Deze laag werd gedoopt met Sn (0,1* atoam %) zodat, wanneer de mesazijde bevochtigd werd en opnieuw aangroei-de tot de p-type bovenste bekledingslaag in de mesa, bet vloeien van 10 de stroom beter verbinderd zou worden door de p-n heterojunctie, die op deze wijze gevormd is, dan door een p-p-heterojunctie. Het monster werd vervolgens onder de tweede smelt gescboven, p-type, 0,1 atoom % Ge, en na bet aangroeien van ongeveer 2 micrometer liet men een andere n-type (0,li> atoom % Sn}-laag van ongeveer 2 micrometer dik groeien. Het is voor-15 delig gebleken om de samenstelling met cngeveer AIq ^As te gebrui- ken om de hergroeistap te doen beginnen, zelfs wanneer-de begraven laag deze samenstelling niet ongeveer behoeft te hebben, vanwege de goede bevochtigingskarakteristiek van deze samenstelling*

Het monster werd vervolgens gereinigd van oppervlakte-20 Ga-druppels, door acbtereenvolgende anodiseringen, waarbij het Ga wordt omgezet in oxydes, welke gemakkelijk van.bet oppervlak geveegd kunnen ^ worden. Het zal duidelijk zijn, dat na de eerste anodisering bet natuur-lijke oxyde zicb slecbts op de toppen van de mesa vomit en dat er veinig natuurlijk oxyde tussen de mesa’s groeit vanwege bet hoog-resistente pad 25 dat door de hergroei gevormd is.

Qmdat bet enige verticaal geleidende pad door de ini' richting dat door de mesa is, kan.dit geleidende pad nuttig gebruikt i i , m ·.

• - worden voor bet vormen van rijen geisoleerde lasers, waarmee afzonder-’ lijk contact gemaakt kan worden. De afstand van laser tot laser wordt . 30 bepaald door de afstand tussen de strepen in bet etsmasker dat gebruikt wordt om de mesa’s te vormen. Wanneer bet eerder beschreven 12 micrometer . brede streepmasker gebruikt wordt, kan de afstand tussen de laser slecbts 15 micrometer zi-jn, aangezien de 3 micrometer niet-gemaskerde afstand tussen gemaskerde strepen voldoende is om bet etsen van de mesa tot stand 35 te brengen. ,· _, De inricbting wordt vervolgens onderworpen aan een kor- te Zn-diffusie om een p+-gediffundeerde laag met een dikte van ongeveer 82 02 385 .......- -- - 8 0,3 micrometer te vormen. De metal,lisering bestaat uit 10 nanometer Ti (laag 15) en 200 nanometer Aa (laag 17) op de p-zijde en 30 nanometer Sn, 50 nanometer Au en 100 nanometer Hi (laag 25) op de n-zijde. Door gebruik te maken van dezelfde foto-lithografische technieken als gebruikt 5 werden bij bet etsen van de mesa, werden vensters~in het goud aan het p-oppervlak met een breedte van TO - 25 micrometer geetst om de luminescen-tie van de actieve laag te observeren. 0m ohm’se contacten .te voimen werden de metalli seringen gelegeerd door kort te verhitten tot 5T0°C en de lasers werden door conventioneel kloven gevormd.

10 De in de laseropbouw gebmikte doopmidielen hebben con- 17 3 centraties van 3x10 /cm . De nominale laagdikten zijn: actieve laag 0,15 micrometer, golfgeleiderlagen 0,5 micrometer en bovenste en onder-ste bekledingslagen 1,5 micrometer. De in fig. 1 getoonde laser kan ge-modificeerd worden door de golfgeleiderlagen weg te laten of door bet 15 aanbrengen van slecbts een enkele geleiderlaag. Ook andere uitvoerings-vormen konnen geconstrueerd worden. De actieve laag kan b.v. InGaAsP be-• vatten en de bekledings- en golfgeleiderlagen kunnen InP omvatten. Bo-vendien kan laag 110 van slecbts een enkel geleidbaarbeidstype zijn.

Typiscbe stroomdrempelwaarden waren 7 mA/micrometer voor 20 lasers zonder golfgeleiderlagen en 10 mA/micrometer voor de lasers met golfgeleiderlagen.· r

Het licbt versus stroamverband voor de verlies-gesta-biliseerde lasers met een "begraven optiscbe geleider was vrijwel lineair en bad differentiaal-kvantum-efficienties van ongeveer 50 - 60%» Het 25 licbt versus stroamverband voor de verlies-gestabiliseerde lasers met een begraven beterostructuur was een weinig niet-lineair en bad differenti- i aal-kwantum-efficienties van ongeveer 25 - 35$. Dit feit maakt de lasers 1 . . , .

’ met een begraven optiscbe geleider. in het ailgemeen superieur aan de lasers met een begraven heterostructunr.

30 De t emperatuurafhankelijkbei d van de drempelvaardestroom kon ongeveer gesteld warden op die ongeveer gelijk is aan exp (T/Tq) , waarbij Tq = 16j°K in het lage temperatuurgebied waar T kleiner is dan 325°K, en Tq = 57°K in bet boge temperatuurgebied waar T groter is dan 350°K. De gegevens voor de verlies-gestabiliseerde lasers met een begra- 35 ven beterostructuur waren gelijk. De exacte oorzaak voor de abrupte ver- andering in Tq wordt niet volledig begrepen, maar verondersteld wordt, 82 0 2 3 8 5 * φ & 9 dat deze te vijten is aan een vergrote stroomgeleiding rond de actieve strepp. Opgemerkt vordt, dat de toename in stroom. met de temperatuur optreedt bij temper aturen die hoger zijn dan die vaarbij de meeste lasers verondersteld worden te verken.

5 De verliesgestabiliseerde laser verkt hetzij in een en- kele transversale modus met hetzij Sen longitudinale modus hetzij enkele . . op korte af stand van elkaar gelegen longitudinale modes, Bij hoge stro-men, in bet algemeen meer dan 2,5 , verbreden de spectra zich ecbter soms en in een enkel geval zal een tveede stel modes verscbijnen. In een 10 geval, vaarbij 1^ ongeveer 22 mA was en een tveede stel modes bij on-geveer 70 mA verscbeen, verd bet verre veldpatroon gemeten door een spectrometer en verden de laserlijnen geidentificeerd als beborende bij de laagste en de eerst geexciteerde transversale modes, d.w.z. TEQ0 en Te^, vaarbij de TEqγ-modus optreedt bij de bogere stroom. De gemeten voile 15 boeken bij halve intensiteit waren 21° en 48°. De energie van de TEm-modus is 35 cm boger in fotonenenergie dan de TE^-modus. Dit bevijst dat bet verlies van de TE^-modus, wanneer de stroom boven de drempel van 70 mA voor de TEQ1-modus is, groter is dan dat van de TE^-modus. Laseractiviteit vindt plaats bij een vaarde van b V , vaarbij de ver-20 sterkingskromme marimaal is. Wanneer de versterking toeneemt ten gevolge van een vergrote dragerdiehtheid, verscbuift bet maximum van de verster-kingskromme naar hogere energieen.

De grote indexdiscontinuiteit tussen laag 110 en de lagen velke de centrale mesa vormen, ten minste k%, veroorzaakt samen 25 met de ruwbeid van de geetste mesavanden verliezen vanneer door scbei-dingsvlakverstrooiing licbt van de begin-modus naar andere modes gekop-| ! peld vordt. De verliezen nemen snel toe met het modusgetal, zoals duide-' ' : lijk zal worden uit de bespreking van fig. 2., en verscbaffen een selec- tiemecbanisme, dat de laser in de laagste modus doet verken.

30 De eoefficienten van bet verstrooilngsverlies verden tbeoretisch berekend volgens de gedetailleerde tbeorie van scbeidings-vlakverstrooiing, die beschreven is door D. Marcuse in Bell System Technical Journal, 48, biz. 3187 - 3215, December 1969· De verstrooixngs- verliesformule verd gebruikt cm verstrooiingsverliezen voor zovel de 35 laagste als voor bogere orde modes te berekenen. In fig. 2 is het ver-strooixngsverlies verticaal uitgezet in eenheden van cm ^ en de streep- ! i 8202385 10 breedte is in eenheden van millimeters horizontaal uitgezet. De krammen, die aangegeven zijn met 1, 2, 3, ^ en 5 geven resp. de TEqQ, TE^ , TEQ2, TEqj en TEqJj. modus veer. De effectieve amplitude van de breedtefluctua-ties·» gedefinieerd als A,. was 0,1 micrometer en de coherentielengte van 5 de fluctuaties was 10 micrometer. Deze waarden zijn gebaseerd op de be-naderende metingen aan geetste mesa’s.

Laag 110 had een samenstelling van A1Q g^GaQ .^As en de effectieve samenstelling van de centrale mesa was A1Q i2^ao 88^s* ^11 dit geval is de discontinulteit in de brekingsindex ongeveer 10$. De 10 .berekende verschillen tussen de drempelwaardestromen voor de tweede modus en de eerste modus zijn in kromme 2 voor verschillende streep-breedten, W, aangegeven. Er wordt op gewezen, dat voor smallere breedtes, b.v. 2,5 micrometer, bet verschil in verstrooiingsverlies voor de laagste en eerste modus aanzienlijk is en dat bet verschil tussen de drempel-15 waardestroom voor de tweede modus en de eerste modus ook aanzienlijk is.

In bet getoonde geval, d.v.z. een geleider met veel discrete modes, was meer dan 90$ van bet verstrooiingsverlies het resultaat van bet koppe- len van licht in gebonden modes, waarbij de re.sterende verliezen in bet ί eontinimum gaan. Zoals door fig. 2 getoond wordt, neemt bet verlies dus 20 zowel toe met toenemend modusgetal als met afnemende streepbreedte W.

Dit effect wordt verder vergroot door het zodanig etsen, dat de actieve laag T gelegen is bij bet smalste gedeelte van de mesa, betgeen de ' breedte van de actieve junctie aanzienlijk kleiner maakt dan de streepbreedte en de modusdiscriminatie verder vergroot.

25 Fig.. 3 toont bet verstrooiingsverlies verticaal in een heden van cm versus het verschil in aluminiumconcentraties tussen laag ' 110 en de mesa. De effectieve Al-concentratie in de mesa was 0,12, ter- i I · vijl x^ de Al-concentratie in laag 1T0 weergeeft. De verliezen voor de twee .laagste transversale modes TE^q en TE^ zijn getoond. De krommen zijn 30 gegeven voor een W van 3 micrometer terwijl A en de coherentielengte de- zelfde zijn als bij fig. 2, resp. 0,1 micrometer en 10 micrometer. Men kan dus zien, dat voor Ax = x,-x __ d.w.z. x, - 12$ ^ k%, het verschil a err a in de brekingsindex groot is en dat vanwege de verschillen in verstrooiingsverlies er een wezenlijke modusselectie is. In tegenstelling daarmee 35 heeft het regime van conventionele begraven heterostructuurlasers een Ax ;_ kleiner dan of gelijk aan ongeveer b%. Met' Ax groter dan ongeveer kan 8202385 4 11 - de scheidingsvlakver strooiing aanzienlijk zijn en behulpzaam zijn bij .....

de enkele modusstabiliteit van conventionele begraven heterostructuur-lasers. De waarden van A en de eoherentielengte waren gekazen op basis van microscopische visuele observaties van de geetste mesa’s. De verlies-5 krommen in fig. 2 en fig. 3 zijn evenredig aan A en kunnen op schaal ge-zet vorden voor andere keuzes van deze parameter. Wanneer de breedte-fluetuaties toenemen, zal het verschil in verstrooiingsverlies tussen de modes toenemen. Het verlies van de laagste modus zal echter ook toenemen en dan ongevenste niveaus breiken. De optimale waarde van A zal 10 dus afbangen van de lasergolflengte. Het verstrooiingsverlies neemt af als de inverse vierde macht van de golflengte en bij golflengten van b.v. 1,3 micrometer, kunnen grotere fluctuaties gevenst zijn of kan de breedte van de actieve laag verkleind worden.

Wanneer de laserstrocm toeneemt boven de drempelwaarde, J5 begint laserwerking in de laagste TE^-modus. Deze modus heeft een wei-nig bogere bezetting van de actieve laag dan de andere modes hebben en, ; betgeen belangrijker is, bet laagste verlies. Bij de drempelwaarde is de dragerdicbtbeid uniform in de actieve laag, maar vanneer de stream toeneemt boven de drempelwaarde en gestimuleerde emissie intens wordt, 20 neemt de dragerdicbtbeid bij bet .midden van de geleider af en, om de constante verst erking in de laagste modus te bandbaven, zal de dragerdicbtbeid nabij de streepwanden toenemen. Deze veranderibg in dragerdicbtbeid, in bet algemeen "bet ruimtelijk branden van een gat" genoemd, zal de verst erking in de TE^-modus doen toenemen, velke uiteindelijk 25 laserstralen begint uit te zendeu. De optimale breedte, in termen van het maximaal maken van de verschillen in verlies tussen de eerste en la-j ; gere orde-modes, is ongeveer. 2 tot 3 micrometer. De breedte moet de onge-' i . I * veer i micrometer niet te boven gaan. Dit gebied doet de verliezen niet toenemen tot bet niveau waarbij de eigensebappen van de laagste modus 30 vezenlijk verslechterd zijn. Voor brede streeplasers, d.w.z. W groter ' dan micrometer, is de verliesstabilisatie zwak en andere effecten, zo-als een niet-uniforme dragerdichtbeid en kristal-defecten, bepalen de lasermodus van de drempelwaarde.

8202385

Claims (5)

1. Lichtuit stralende structuur, omvattende een actieve laag, eerste en tweede halfgeleiderlagen aan tegenover gelegen zijden van de actieve laag en een derde laag, die contact maakt met tegenover gelegen zijvlakken van de actieve en de eerste en tweede golfgeleider-5 lagen, met het kenmerk, dat de actieve laag een bandafstand bezit, die kleiner is dan de bandafstanden van de eerste en tweede halfgeleiderlagen en dat de derde laag een halfgeleiderlaag is met een brekingsin-dex, die ten minste ongeveer k% kleiner is dan de brekingsindex van de actieve laag.

2. Structuur volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat eer ste en tweede geleidingsiagene(5, 9) gelegen zijn tussen resp. de actieve laag en de eerste halfgeleiderlaag en de actieve laag en de tweede halfgeleiderlaag.

3. Structuur volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de 15 lagen materialen omvatten'uit groep III - V. U* Structuur volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de halfgeleider A1 Ga1 As onrvat, waarbij x van de derde laag ten minste on-geveer 20# groter is dan x^^ van de mesa. : 5. Structuur volgens conclusie U, met het kenmerk, dat 20 de actieve laag een breedte bezit tussen ongeveer 2,0 micrometer en 3,0 : micrometer.

6. Structuur volgens conclusie 5» met het kenmerk, dat x v voor de derde laag ongeveer 0,65 is. • ; 7. Structuur volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat x : I ' ; |25! voor de eerste laag ongeveer 0,3 is. 8. ¥erkwijze voor het fabriceren van ten . minste een be- graven dubbele heterostructuurlaser, gekenmerkt door stappen, waarbij achtereenvolgens een eerste (5)» een tweede (7) en een derde (9) halfgeleiderlaag aangroeit op een halfgeleidersubstraat (1), waarbij de 30 tweede laag (7) een bandaf stand bezit, die kleiner is dan de bandaf standen van de eerste en de derde laag en waarbij de tweede laag een actieve laag is; door het etsen van een mesa met breedtefluctuaties door het ver-. wijderen van gedeelten van de eerste, de tweede en de derde halfgeleider- - lagen, waardoor het substraat wordt blootgelegd en door het laten aan- 8202385 \ * - y - * groeien van een vierde halfgeleiderlaag, waarbij de vierde laag contact maakt met tegenover gelegen zijvlakken van de eerste, tweede en derde halfgeleiderlagen. - 9· ¥erkwijze volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat bij 5 het etsen gehruik vordt gemaakt van een masker. 10. ¥erkwijze volgens conclusie 9» met het kenmerk, dat de randen'van het masker raw gemaakt zijn, : 11. ¥erkwijze volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat ten minste een eerste en een tweede dubbele heterostructuurlaser ge-10 vormd wordt, waarbij de eerste en tweede dubbele heterostructuurlasers op een afstand van ongeveer 15 micrometer van elkaar gelegen zijn.

12. Werkvijze volgens conclusie 8 of 11, gekenmerkt door verdere stappen waarbij de derde laag gemaskeerd wordt om geselecteerde gedeelten van deze laag blootgesteld te laten, door het etsen in de der-15 de laag om de actieve laag bloot te leggen en door het plaatsen van een masker over de geetste sleuven. vocraf aan het etsen van de mesa. | ; l i I v \ ;. ** ! ! i ! ·- ! ' · - : - ί ! ! ί l f t f I [ 8202385 1 |