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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Erfindungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine oberflächenemittierende Halbleitervorrichtung und genauer erläutert eine oberflächenemittierende Halbleitervorrichtung, die ohne Verschlechterung der optischen Ausgangsleistungseigenschaften die Steuerspannung reduzieren kann.
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Stand der Technik
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In letzter Zeit wurde ein Studie zur Verwirklichung des Aufbaus eines optischen Kommunikationsnetzes mit einer großen Kapazität oder des Aufbaus von optischen Datenübertragungssystemen wie beispielsweise eines optischen Verbindungssystems, eines optischen Rechensystems und dergleichen vorangetrieben, und als solche Lichtquellen wurden oberflächenemittierende Halbleiterlaservorrichtungen in Betracht gezogen.
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Ein Beispiel für solche oberflächenemittierenden Halbleiterlaservorrichtungen wird in 1 gezeigt.
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In dieser Vorrichtung wird als erstes eine untere Reflexionsschichtstruktur 2 auf einem Substrat ausgebildet, das beispielsweise aus einem n-leitenden GaAs besteht.
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Diese untere Reflexionsschichtstruktur 2 ist ein sogenannter DBR(verteilter Bragg-Reflektor)-Mehrschichtfilm, der gebildet wird, indem gepaarte Schichten abwechselnd laminiert werden, in denen zwei Halbleitermaterialien, die über voneinander unterschiedliche Zusammensetzungen verfügen und solchermaßen verschiedene Brechungsindizes aufweisen, mittels eines Hetero-Übergangs miteinander verbunden werden, um ein Schichtenpaar zu bilden, und eine Vielzahl von Schichtenpaaren wird abwechselnd laminiert.
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Auf dieser unteren Reflexionsschichtstruktur 2 werden aufeinanderfolgend eine untere Mantelschicht 3a, die beispielsweise aus nicht-dotiertem AlGaAs besteht, eine licht-emittierende Schicht 4 aus einer Potentialtopf-Struktur, die aus GaAs/AlGaAs besteht, und eine obere Mantelschicht 3b laminiert, die aus einem nicht-dotierten AlGaAs besteht. Weiterhin wird auf der oberen Mantelschicht 3b eine DBR-Mehrschichtstruktur gebildet, die durch abwechselnde Hetero-Übergänge von Halbleitermaterialien, die unterschiedliche Zusammensetzungen d. h. Brechungsindizes aufweisen, und auf der Oberfläche der am weitesten oben befindlichen Schicht dieser oberen Reflexionsschichtstruktur 5 wird eine p-leitende GaAs-Schicht (Deckschicht) 6 gebildet, wodurch eine ganze Schichtstruktur gebildet wird. Weiterhin wird ein Randabschnitt der Schichtstruktur oder der Abschnitt, der sich mindestens zur oberen Seite der unteren Reflexionsschichtstruktur 2 erstreckt, geätzt, so dass in der Mitte der Struktur eine Säulenschichtstruktur gebildet wird.
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Eine ringförmige obere Elektrode 7a, die beispielsweise aus AuZn gebildet ist, wird in der Nähe des Randabschnitts der oberen Oberfläche der Deckschicht 6 in der in der Mitte positionierten Säulenschichtstruktur gebildet. Auf der Rückseite des Substrats 1 wird auch eine untere Elektrode 7b gebildet, die beispielsweise aus AuGeNi/Au hergestellt wird.
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Von allen Oberflächen der Struktur werden eine Seitenfläche 5a des Säulenabschnitts und ein Randabschnitt 6b, der außerhalb der oberen Elektrode 7a der Oberflächen der Deckschicht 6 positioniert wird, mit einer dielektrischen Schicht 8 bedeckt, die beispielsweise aus Siliziumnitrid (z. B. Si3N4) gebildet ist, so dass die mittlere Oberfläche der Deckschicht 6 – d. h. der innere Abschnitt der oberen Elektrode 7a – als ein Laserstrahl-Emissionsfenster gebildet wird. Weiterhin werden die Oberflächen der oberen Elektrode 7a und der dielektrischen Schicht 8 bedeckt, um einen Metallschichtanschluss 9 zu bilden, damit die beispielsweise aus Ti/Pt/Au hergestellte obere Elektrode 7a geführt wird.
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Weiterhin wird in dieser Laservorrichtung die unterste Schicht der oberen Reflexionsschichtstruktur 5 – d. h. die am nächsten an der licht-emittierenden Schicht 4 befindliche Schicht 5a – beispielsweise aus einem p-leitenden AlAs gebildet.
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Der äußere Abschnitt der oben beschriebenen Schicht 5a ist ein Isolierbereich 5b, der hauptsächlich aus Al2O3 gebildet ist und in einer Draufsicht ringförmig ist. Dieser Isolierbereich 5b wird gebildet, indem selektiv der äußere Abschnitt des die Schicht 5a bildenden AlAs oxidiert wird.
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Der mittlere Abschnitt der Schicht 5a ist ein Strominjektionsweg 5c, der aus nicht-oxidiertem AlAs gebildet wird, so dass eine Stromsperrstruktur für die licht-emittierende Schicht 4 als ein Ganzes gebildet wird.
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In dieser Laservorrichtung wird mittels des Anlegens einer Spannung an der oberen Elektrode 7a und der unteren Elektrode 7b die Lichtemission an der licht-emittierenden Schicht 4 zwischen dem oben beschriebenen Paar von Reflexionsschichtstrukturen 2 und 5 erregt, um eine Laserschwingung zu erzeugen, und der Laserstrahl wird durch die Deckschicht 6 geleitet, und vom Oberflächenabschnitt 6a (dem Emissionsfenster des Laserstrahls) in Schwingung versetzt, und zwar wie durch einen Pfeil gezeigt – d. h. mit Bezug auf das Substrat 1 senkrecht nach oben.
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Da jede der oben beschriebenen Reflexionsschichtstrukturen eine Schichtstruktur ist, die durch abwechselnde Hetero-Übergänge der Halbleitermaterialien gebildet wird, die voneinander unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen (die verschiedene Zusammensetzungen haben), ist der elektrische Widerstand in einer Richtung der Schichtdicke im allgemeinen hoch. Wenn ein Steuerstrom, der zum Zwecke der Schwingung einer hohen optischen Ausgangsleistung zugeführt wird, erhöht wird, wird solchermaßen auch die Widerstandswärme erhöht, so dass die optische Ausgangsleistung der Vorrichtung beträchtlich verringert wird. Aus diesem Grund ist es vorzuziehen, eine Reflexionsschichtstruktur herzustellen, die einen geringen Widerstand hat.
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Ein Verfahren zum Verwirklichen einer Reflexionsschichtstruktur, die einen geringen Widerstand hat, ist aus dem folgenden Verfahren bekannt.
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Das bedeutet, dass ein Verfahren daraus besteht, dass eine Störstelle wie beispielsweise Kohlenstoff (C) mit einer hohen Dichte in der Nähe einer Hetero-Übergangsschnittstelle in einer Halbleiterschicht dotiert wird, die über einen breiteren Energie-Band-Abstand der Halbleitermaterialschichten verfügt, die mittels eines Hetero-Übergangs aneinander angrenzend verbunden werden, und zwar in einer Richtung der Schichtdicke. Dieses Verfahren wurde bereits implementiert.
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Wenn jedoch die Störstellendotierungsdichte in einem Bereich erhöht wird, der in der Nähe der licht-emittierenden Schicht in der Reflexionsschichtstruktur gelegenen ist, wird die Lichtabsorption im Bereich bedeutsam. Als Ergebnis entsteht ein Problem, dass sich die optischen Ausgangsleistungseigenschaften der Vorrichtung verschlechtern.
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Wie oben erläutert, kann eine Reflexionsschichtstruktur mit einem geringen Widerstand realisiert werden, wenn Störstellen mit einer hohen Dichte in dem Bereich dotiert werden, der in der Nähe der licht-emittierenden Schicht in der Reflexionsschichtstruktur befindlich ist. In einem solchen Fall werden jedoch die optischen Ausgangsleistungseigenschaften der Vorrichtung verschlechtert. Wenn die Dotierungsdichte der Störstellen vermindert wird, um die Verschlechterung der optischen Ausgangsleistungseigenschaften zu unterdrücken, entsteht im Gegensatz dazu ein Problem, dass die Reflexionsschichtstruktur einen hohen Widerstand zeigt und der Steuerstrom nicht reduziert werden kann.
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Die Druckschrift
DE 197 08 992 A1 beschreibt einen oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Hohlraum. Der Laser ist aus mehreren definierten Gebieten oder Regionen hergestellt, so dass ein Bragg-Reflektor, der eine Vielzahl alternierender Schichten hat, ein Abdeckungsgebiet, ein aktives Gebiet, ein weiteres Abdeckungsgebiet, einen weiteren Bragg-Reflektor, der eine Vielzahl wechselnder Schichten hat, und ein Kontaktgebiet, ausgebildet sind. Die Druckschrift
DE 691 05 037 T2 beschreibt einen oberflächenemittierenden Laser mit vertikaler Kavität mit elektrisch leitfähigen Spiegeln. Die
DE 197 23 677 A1 beschreibt ein optoelektronisches Halbleiterbauelement mit einer aktiven Zone, innerhalb der bei Stromfluss elektromagnetische Strahlung erzeugt wird und die zwischen mindestens einer ersten Resonatorspiegelschicht und mindestens einer zweiten Resonatorspiegelschicht angeordnet ist.
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AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, die oben beschriebenen Probleme zu lösen, die herkömmlicherweise zum Zeitpunkt der Dotierung von Störstellen an der Reflexionsschichtstruktur auftraten, und eine neue oberflächenemittierende Halbleiterlaservorrichtung bereitzustellen, die dafür sorgen kann, dass die Schichtstruktur einen geringen Widerstand zeigt, ohne die Verschlechterung der optischen Ausgangsleistungseigenschaften der Laservorrichtung zu bewirken.
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Um die oben erwähnte Aufgabe zu erzielen, stellt die vorliegende Erfindung eine oberflächenemittierende Halbleiterlaservorrichtung bereit, die folgendes umfasst:
liegende Erfindung eine oberflächenemittierende Halbleiterlaservorrichtung bereit, die folgendes umfasst:
ein Substrat; eine Schichtstruktur, die auf dem Substrat gebildet ist, wobei die Schichtstruktur eine licht-emittierende Schicht umfasst, die von einem Paar von Reflexionsschichtstrukturen eingeschlossen ist, die jeweils mittels eines Hetero-Übergangs einer Vielzahl von Halbleitermaterialien gebildet werden, wobei Störstellen in jede der Reflexionsschichtstrukturen dotiert werden;
wobei jede der Reflexionsschichtstrukturen folgendes umfasst:
einen ersten Bereich nahe der licht-emittierenden Schicht, und
einen zweiten Bereich fern der licht-emittierenden Schicht, so dass der erste Bereich von der licht-emittierenden Schicht und dem zweiten Bereich eingeschlossen ist, wobei eine erste Dotierungsdichte der Störstellen in dem ersten Bereich kleiner als eine zweite Dotierungsdichte der Störstellen in dem zweiten Bereich ist,
eine erste Energiebandlückendifferenz (Eg) zwischen den Halbleitermaterialien in dem ersten Bereich kleiner als eine zweite Energiebandlückendifferenz (Eg) zwischen den Halbleitermaterialien in dem zweiten Bereich ist, und
eine Differenz zwischen der ersten Energiebandlückendifferenz (Eg) und der zweiten Energiebandlückendifferenz (Eg) gleich oder größer als eine Energie ist, die äquivalent zu einer Erhöhung der Betriebsspannung ist, die einer Differenz zwischen der ersten Dotierungsdichte und der zweiten Dotierungsdichte entspricht.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Schichtstruktur einer oberflächenemittierenden Halbleiterlaservorrichtung zeigt;
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2 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel für eine oberflächenemittierende Halbleiterlaservorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3 ist eine schematische Ansicht, die einen Zustand der Störstellendotierungsdichte in der Schichtstruktur aus 2 zeigt;
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4 ist ein Graph, der die Strom-Spannungseigenschaften zeigt;
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5 ist ein Graph, der den Strom in Bezug zu den optischen Ausgangsleistungseigenschaften zeigt; und
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6 ist ein Graph, der das Ergebnis eines Stromführungstests einer Vorrichtung zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Ein detailliertes Beispiel für eine Laservorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die gesamte Schichtstruktur grundsätzlich dieselbe ist wie die in der 1 gezeigte, und wobei ein n-leitendes GaAs-Substrat als das Substrat und AlxGa1-xAs (0 ≤ x ≤ 1) als ein Halbleitermaterial verwendet wird, wird in der 2 gezeigt.
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In der 2 stellt die horizontale Achse die zwischen dem n-leitenden GaAs-Substrat 1 und der p-leitenden GaAs-Deckschicht 6 gebildeten Schichtstrukturtypen dar, und die senkrechte Achse stellt die Zusammensetzung der die jeweiligen Halbleiterschichten bildenden Halbleitermaterialien und den Grad zwischen den Energie-Abständen in jeder Schicht dar.
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In dieser Laservorrichtung werden aufeinanderfolgend auf dem n-leitenden GaAs-Substrat 1 eine n-leitende untere Reflexionsschichtstruktur 2, eine n-leitende untere Mantelschicht 3a, eine nicht-dotierte licht-emittierende Schicht 4, die aus einer Brunnenschicht 4A und einer Sperrschicht 4B besteht und drei Potentialtöpfe aufweist, eine p-leitende obere Mantelschicht 3b und eine p-leitende obere Reflexionsschichtstruktur 5 laminiert. Die oben beschriebene licht-emittierende Schicht 4 wird zwischen dem Paar von Reflexionsschichtstrukturen 2 und 5 angeordnet. Weiterhin wird eine aus einem p-leitenden GaAs gebildete Deckschicht 6 auf der Reflexionsschichtstruktur 5 gebildet.
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In der vorliegenden Erfindung verfügen in den oben beschriebenen Schichtstrukturen die untere Reflexionsschichtstruktur 2 und die obere Reflexionsschichtstruktur 5 jeweils über einen Bereich, der in der Nähe der licht-emittierenden Schicht befindlich ist (hiernach als naher Bereich bezeichnet), und über einen Bereich, der außerhalb des nahen Bereichs befindlich ist (ein entfernter Bereich).
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Hierin verfügen die entfernten Bereiche 2B (5B) in der unteren und oberen Reflexionsschichtstruktur 2 und 5 jeweils über eine Schichtstruktur, in der eine Vielzahl von gepaarten Schichten mittels des Hetero-Übergangs gebildet werden, der eine aus Al0,9Ga0,1As gebildete weite Energie-Band-Abstand-Schicht 2B 1 (5B 1) und eine aus Al0,2Ga0,8As gebildete schmale Energie-Band-Abstand-Schicht 2B 2 (5B 2) aufweist. Zwischen der Schicht 2B 1 (5B 1) und 2B 2 (5B 2) werden zwei Quasi-Struktur-geordnete Schichten, die Al0,7Ga0,3As und Al0,5Ga0,5As verwenden, eingefügt, wie durch die zwei Schritte in der 2 gezeigt wird.
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Der nahe Bereich 2A der unteren Reflexionsschichtstruktur 2 hat eine Schichtstruktur, in der eine Vielzahl von gepaarten Schichten mittels des Hetero-Übergangs gebildet werden, der eine aus Al0,2Ga0,8As gebildete schmale Energie-Band-Abstand-Schicht 2A 2 und eine aus Al0,7Ga0,3As gebildete breite Band-Abstand-Schicht 2A 1 aufweist. Zwischen die jeweiligen Schichten wird als eine Struktur-geordnete Schicht jeweils eine Schicht aus Al0,5Ga0,5As gefügt.
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Der nahe Bereich 5A der oberen Reflexionsschichtstruktur 5 verfügt auch über eine Schichtstruktur, in der eine Vielzahl von gepaarten Schichten gebildet werden, und zwar mittels des Hetero-Übergangs einer Al0,7Ga0,3As breiten Band-Abstand-Schicht 5A 1 und einer Al0,2Ga0,8As schmalen Energie-Band-Abstand-Schicht 5A 1 gebildet werden. Zwischen die jeweiligen Schichten wird als eine Struktur-geordnete Schicht jeweils eine Schicht aus Al0,5Ga0,5As eingefügt. Jedoch ist im Fall der Schicht 5A 1, die unmittelbar oberhalb der oberen Mantelschicht 3b in diesem nahen Bereich 5A befindlich ist, die unterste Schicht eine AlAs-Schicht 5a, die eine oben erwähnte Stromsperrstruktur bilden kann.
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Es wird vermerkt, dass in der Schichtstruktur aus 2, die zwischen der unteren Reflexionsschichtstruktur 2 und der oberen Reflexionsschichtstruktur 5 angeordnete licht-emittierende Schicht 4 über eine Potentialtopf-Struktur verfügt, die aus einer Brunnenschicht 4A eines nicht-dotierten GaAs und einer Sperrschicht 4B eines nicht-dotierten Al0,2Ga0,8As besteht, und wobei die obere Mantelschicht 3b und die untere Mantelschicht 3a, die jeweils aus nicht-dotiertem Al0,3Ga0,7As gebildet sind, auf und unterhalb dieser licht-emittierenden Schicht 4 angeordnet werden.
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Im Falle der Laservorrichtung der vorliegenden Erfindung hat die oben beschriebene Schichtstruktur folgende Eigenschaften.
- (1) Als erstes ist in der einzelnen Reflexionsschichtstruktur die Störstellendotierungsdichte im nahen Bereich im Vergleich zur Störstellendotierungsdichte im entfernten Bereich relativ niedrig. Ein Beispiel für die Struktur wird in 3 gezeigt.
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Im Falle der 3 werden im entfernten Bereich 2B der unteren Refraktionsschichtstruktur 2 n-leitende Störstellen wie beispielsweise Silizium (Si) oder dergleichen in die jeweiligen Halbleiterschichten dotiert, und die Dichte im Bereich beträgt 1 × 1018 cm–3. Weiterhin beträgt im nahen Bereich 2A, der sich über dem entfernten Bereich 2B befindet, die Dotierungsdichte der n-leitenden Störstellung 5 × 1017 cm–3.
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Im Falle der oberen Reflexionsschichtstruktur 5 werden auch p-leitende Störstellen wie beispielsweise Kohlenstoff (C) oder dergleichen in den nahen Bereich 5A dotiert, und die Dichte der dotierten Störstellen beträgt 5 × 1017 cm–3. Weiterhin wird im darauf befindlichen entfernten Bereich 5B eine p-leitende Störstellendotierungsdichte auf 1 × 1018 cm–3 eingestellt. Die Spitzenwerte hoher Dichte im entfernten Bereich 5B werden bereitgestellt, um eine Spitze zu reduzieren.
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Hierin hat der nahe Bereich 2A (5A) die Paarnummer von 2 bis 5, wobei jedes Paar wie oben erwähnt mittels Hetero-Übergangs gebildet wird, und es ist wünschenswert, dass die Gesamtdotierung in jedes Paar bei einer niedrigen Dichte durchgeführt wird. Der Grund dafür liegt darin, dass, wenn dieser nahe Bereich 2A (5A) von zu vielen Paaren gebildet wird, die Reflexionsschichtstruktur einen hohen Widerstand aufweist und die Verschlechterung der optischen Ausgangsleistungseigerschaften durch die Wärmeerzeugung eingeleitet wird.
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Weiterhin erzeugen zwei zu hohe Dotierungen in jedem der Bereiche – dem entfernten Bereich und dem nahen Bereich – eine Reflexionsschichtstruktur geringen Widerstands. Andererseits führt die höhere Dotierungsdichte zu einem Funktionsverlust, wie die Reflexionsschichtstruktur eines DBR-Mehrschichtenfilms. Entsprechend ist es vorzuziehen, dass die Dotierungsdichten im entfernten Bereich und im nahen Bereich jeweils auf etwa 0,5–5 × 1018 cm–3 und 1–5 × 1017 cm–3 unterdrückt werden.
- (2) Ein weiteres Merkmal liegt, wie in der 2 gezeigt, darin, dass die Energie-Abstand-Differenz ΔEg(2A, 5A) zwischen der den nahen Bereich 2A (5A) bildenden Schicht 2A 1 (5A 1) und der Schicht 2A 2 (5A 2) relativ kleiner ist als die Energie-Abstand-Differenz ΔEg(2B, 5B) zwischen der den entfernten Bereich 2B (5B) bildenden Schicht 2B 1 (5B 1) und der Schicht 2B 2 (5B 2).
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Wenn man der Energie des ⌈ Punktes Beachtung schenkt, der die elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften steuert, werden die oben beschriebenen ΔEg(2B, 5B) und ΔEg(2A, 5A) jeweils auf 1 eV und 0,7 eV eingestellt, und es ist wünschenswert, dass die Differenz dazwischen auf mindestens 0,2 eV oder mehr eingestellt wird.
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Der Grund dafür ist der, dass bei der Dotierungsreduzierung im nahen Bereich eine Erhöhung in der Steuerspannung von etwa 0,2 V erzeugt wird, und eine Erhöhung in der Steuerspannung verhindert werden kann, wenn die Engergiedifferenz zwischen ΔEg(2B, 5B) und ΔEg(2A, 5A) auf 0,2 eV oder mehr eingestellt ist.
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Es wird vermerkt, dass die Steuerung dieser Energie-Abstand-Differenzen auf eine richtige Art und Weise geleitet werden kann, indem die Zusammensetzung der beim Bilden der Schichtstruktur verwendeten Halbleitermaterialien bestimmt wird.
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In der vorausgehenden Beschreibung wird GaAs als Beispiel für das die licht-emittierende Schicht bildende Halbleitermaterial genommen, aber für diesen Zweck kann man alternativ auch GaInNAs verwenden, wobei in diesem Fall die entstehende Laservorrichtung ein Lasertätigkeitswellenlängenband von 1300 nm aufweist.
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Auch können die obere und untere Reflexionsschichtstruktur anstatt aus AlGaAs mittels der Verwendung von GaInAsP gebildet werden.
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Beispiele
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1. Herstellung der Laservorrichtung
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Die Laservorrichtung der in den 2 und 3 gezeigten Schichtstruktur wurde durch die folgenden Schritte hergestellt.
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Als erstes wurden mittels eines MOCVD-Verfahrens 30,5 gepaarte Schichten, von denen ein Paar von Schichten (Dicke: 111 nm) mittels des Hetero-Übergangs von Al0,9Ga0,1As (Dicke: 48 nm) und Al0,2GA0,8As (Dicke 43 nm) gebildet wurde, auf das n-leitende GaAs-Substrat 1 laminiert, und gleichzeitig wurde der entfernte Bereich 2B, der die Dotierungsdichte von 1 × 1018 cm–3 hat gebildet, indem Si als die n-leitende Störstelle verwendet wurde. Auf die erhaltene Struktur 5.5 wurden darüber hinaus gepaarte Schichten laminiert, von denen ein Paar von Schichten (Dicke 109 nm) mittels des Hetero-Übergangs von Al0,7Ga0,3As (Dicke: 46 nm) und Al0,2GA0,8As (Dicke 43 nm) gebildet wurde, und gleichzeitig wurde der entfernte Bereich 2A, der die Dotierung von 5 × 1017 cm–3 hat, gebildet, indem Si als die n-leitende Störstelle verwendet wurde, so dass die untere Reflexionsschichtstruktur gebildet wurde.
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Es wird vermerkt, dass in der Schichtstruktur die oben erwähnte Energie-Abstand-Differenz ΔEg(2B) im entfernten Bereich 2B 1,06 eV und der oben erwähnte Energie-Abstand-Differenz ΔEg(2A) im nahen Bereich 2A 0,65 eV ist.
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Daraufhin wurde auf der unteren Reflexionsschichtstruktur 2 nacheinander folgendes gebildet: die untere Mantelschicht 3a (Dicke: 93 nm), die aus einem nicht-dotierten Al0,3Ga0,7As gebildet wurde; die licht-emittierende Schicht 4, die sich aus einer Potentialtopf-Struktur einer dreischichtigen nicht-dotierten GaAs-Brunnenschicht 4A (Dicke einer jeden Schicht: 7 nm) und einer vierschichtigen nicht-dotierten Al0,2Ga0,8As Sperrschicht 4B (Dicke einer jeden Schicht: 10 nm) zusammensetzt; und die obere Mantelschicht 3b (Dicke: 93 nm), die aus einem nicht-dotierten Al0,3Ga0,7As gebildet wurde.
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Dann wurden auf die obere Mantelschicht 3b fünf gepaarte Schichten laminiert, von denen ein Paar von Schichten (Dicke: 109 nm) mittels des Hetero-Übergangs von Al0,7Ga0,3As (Dicke: 46 nm) und Al0,2Ga0,8As (Dicke: 43 nm) gebildet wurde, und gleichzeitig wurde der nahe Bereich 5A gebildet, der die Dotierungsdichte von 5 × 1017 cm–3 hat, indem C als die p-leitende Störstelle verwendet wurde. Weiterhin wurden auf die erhaltene Struktur zwanzig gepaarte Schichten laminiert, von denen ein Paar von Schichten (Dicke: 111 nm) mittels des Hetero-Übergangs von Al0,9Ga0,1As (Dicke: 48 nm) und Al0,2Ga0,8As (Dicke: 43 nm) gebildet wurde, und gleichzeitig wurde der entfernte Bereich 5B gebildet, der die Dotierungsdichte von 1 × 1018 cm–3 hat, indem C als die p-leitende Störstelle verwendet wurde, so dass die obere Reflexionsschichtstruktur 5 gebildet wurde.
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Es wird angemerkt, dass die unterste Schicht im nahen Bereich 5A aus einer 20 nm dicken AlAs-Schicht 5a gebildet wurde. Im Falle dieser Schichtstruktur ist weiterhin die Energie-Abstand-Differenz ΔEg(5B) zwischen den Hetero-Übergangsschichten im entfernten Bereich 5B 1,06 eV und die Energie-Abstand-Differenz ΔEg(5A) zwischen den Hetero-Übergangsschichten im nahen Bereich 5A 0,65 eV.
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Weiterhin wurden zwischen der Schicht 2B 1 (5B 1) und der Schicht 2B 2 (5B 2) im entfernten Bereich 2B (5B) zwei Quasi-Struktur-geordnete Schichten einer 10 nm dicken Al0,7Ga0,3As-Schicht und einer 10 nm dicken Al0,2Ga0,5As-Schicht eingefügt, und zwischen der Schicht 2A 1 (5A 1) und der Schicht 2A 2 (5A 2) im nahen Bereich 2A (5A) wurde eine 20 nm dicke Al0,5Ga0,5As-Schicht als eine Struktur-geordnete Schicht eingefügt.
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Dann wurde auf der oberen Reflexionsschichtstruktur 5 als Deckschicht 6 eine 20 nm dicke p-leitende GaAs-Schicht gebildet, indem C als die p-leitende Störstelle verwendet wurde.
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Danach wurde mittels eines Plasma-CVD-Verfahrens eine Si3N4-Dünnfilm auf der Deckschicht 6 der oben beschriebenen Schichtstruktur gebildet, und ein kreisförmiges Lackmuster, das einen Durchmesser von etwa 45 μm hat, wurde mittels Verwendung eines gewöhnliches Fotolacks durch ein Fotolithographieverfahren gebildet.
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Nachdem dann alle anderen Si3N4-Dünnfilme außer des unmittelbar unterhalb des oben erwähnten Lackmusters befindlichen Si3N4-Dünnfilms mittels eines RIE-Verfahrens unter Verwendung von CF4 abgeätzt wurden, wurde mittels der Verwendung einer Mischlösung aus Phosphorsäure, vom wässrigen Wasserstoffperoxid und vom Wasser eine Nassätzung durchgeführt, indem der übrige Si3N4-Dünnfilm als eine Maske verwendet wurde, um eine Säulenstruktur zu bilden, deren Basis sich zur unteren Reflexionsschichtstruktur 2 erstreckt.
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Danach wurde die erhaltene Gesamtstruktur etwa 25 Minuten lang in einer verdampften Wasseratmosphäre bei einer Temperatur von 400°C erhitzt. Als Ergebnis wurde nur die Außenseite der p-leitenden AlAs-Schicht 5a wahlweise in eine ringförmige Form oxidiert, so dass ein Stromeinführungsweg 5c, der einen Durchmesser von 15 μm hat, in der Mitte der ringförmigen Struktur gebildet wurde (1).
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Nachdem die Si3N4-Dünnfilme durch ein RIE-Verfahren vollständig entfernt wurden, wurde danach die gesamte Oberfläche der Struktur mittels eines Plasma-CVD-Verfahrens neuerlich mit einem Si3N4-Dünnfilm 8 bedeckt, wonach anschließend der mittlere Abschnitt des oben auf der Deckschicht 6 gebildeten Si3N4-Dünnfilms 8, der einen Durchmesser von 45 μm hat, kreisförmig entfernt wurde, um die Oberfläche der Deckschicht 6 freizulegen.
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Danach wurde eine ringförmige obere Elektrode 7a, die einen Außendurchmesser von 25 μm und einen Innendurchmesser von 15 μm hat, mit AuZn gebildet, und auf der gesamten Oberfläche der erhaltenen Struktur wurde eine Ti/Pt/Au-Schicht 9, die als ein Lötauge für die Leitungen der Elektrode dient, gebildet.
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Nachdem dann die Rückseite des Substrats 1 gesäubert wurde, um die Gesamtdicke des Substrats 1 etwa 100 μm werden zu lassen, wurde AuGeNi/Au auf die gesäuberte Oberfläche des Substrats 1 verdampft, um die untere Elektrode 7b zu bilden. Als Ergebnis wurde eine Vorrichtung hergestellt, die eine in 1 gezeigte Schichtstruktur hat.
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Die solchermaßen erhaltene Vorrichtung wird als eine Beispielsvorrichtung bestimmt.
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Aus Vergleichsgründen wurde eine Laservorrichtung erzeugt, die dieselbe Schichtstruktur wie die Beispielsvorrichtung hat, wenn man davon absieht, dass die untere Reflexionsschichtstruktur gebildet wurde, indem 35,5 gepaarte Schichten laminiert wurden, wobei ein Paar von Schichten mittels des Hetero-Übergangs von Al0,9Ga0,1As und Al0,2Ga0,8As gebildet wurde, und indem Si in die Gesamtstruktur dotiert wurde, wobei die Dotierungsdichte bei 1 × 1018 cm–3 gleichmäßig war, und die obere Reflexionsschichtstruktur wurde gebildet, indem 25 gepaarte Schichten laminiert wurden, wobei ein Paar von Schichten mittels des Hetero-Übergangs von Al0,9Ga0,1As und Al0,2Ga0,8As gebildet wurde, und indem C in die Gesamtstruktur dotiert wurde, wobei die Dotierungsdichte bei 1 × 1018 cm–3 gleichmäßig war. Die solchermaßen erhaltene Laservorrichtung wird als Vergleichsbeispiel-Vorrichtung 1 bezeichnet.
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Im Vergleich zwischen der Beispielsvorrichtung und dieser Vergleichsbeispiel-Vorrichtung 1 wird/werden der nahe Bereich und/oder der entfernte Bereich gemäß der vorliegenden Erfindung in der Vergleichsbeispiel-Vorrichtung 1 nicht gebildet.
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Als weiteres Vergleichsbeispiel wurde weiterhin eine Laservorrichtung hergestellt, die dieselben Zusammensetzungen der Halbleitermaterialien wie in der Vergleichsbeispiel-Vorrichtung aufweist, die die obere und untere Reflexionsschichtstruktur bilden, wenn man davon absieht, dass die C-Dotierungsdichte an der 5,5 gepaarten Struktur in der Nähe der licht-emittierenden Schicht auf 5 × 1017 cm–3 eingestellt wurde und die C-Dotierungsdichte in anderen Dotierungsbereichen auf 1 × 1018 cm–3 eingestellt wurde. Die solchermaßen erhaltene Vorrichtung wird als eine Vergleichsbeispiel-Vorrichtung 2 bezeichnet.
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Diese Vergleichsbeispiel-Vorrichtung 2 bildet die Differenz in den Dotierungen zwischen einem in der Nähe der lichtemittierenden Schicht befindlichen Bereich und einem davon beabstandeten Bereich, weist jedoch dieselbe Energie-Abstand-Differenz zwischen den Schichten des Hetero-Übergangs in den oben erwähnten beiden Bereichen auf.
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Als weiteres Vergleichsbeispiel wurde darüber hinaus eine Laservorrichtung erzeugt, die dieselben Zusammensetzungen der Halbleitermaterialien wie in der Beispielsvorrichtung hat, die die obere und untere Reflexionsschichtstruktur bilden, mit der Ausnahme davon, dass die Dotierungsdichten in allen Bereichen konstant auf 1 × 1018 cm–3 eingestellt wurden. Die solchermaßen erhaltene Vorrichtung wird als Vergleichsbeispiel-Vorrichtung 3 bezeichnet.
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Im Vergleich zwischen der Beispielsvorrichtung und der Vergleichsbeispiel-Vorrichtung 3 sind die Schichtstrukturen der beiden Vorrichtungen in der Zusammensetzung dieselben, und die Energie-Abstand-Differenz zwischen den Schichten, die in den in der Nachbarschaft der licht-emittierenden Schicht befindlichen Bereichen angebracht sind, ist kleiner als die Energie-Abstand-Differenz zwischen den Schichten in den Bereichen, die von der licht-emittierenden Schicht beabstandet sind. Im Falle der Vergleichsbeispiel-Vorrichtung 3 gibt es jedoch keine Differenz in der Dotierungsdichte.
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2. Eigenschaften der Laservorrichtungen
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Die Strom-Spannungseigenschaften und die optischen Strom-Ausgangsleistungseigenschaften der oben beschriebenen vier Laserarten werden jeweils in den 4 und 5 gezeigt.
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Die folgenden Eigenschaften werden aus den 4 und 5 ersichtlich.
- (1) Als erstes ist in der Beispielsvorrichtung der vorliegenden Erfindung die Dotierungsdichte im nahen Bereich zur licht-emittierende Schicht niedrig. Jedoch wird kein Anstieg in der Steuerspannung erkannt. Im Gegensatz dazu wurde im Fall der Vergleichsbeispiel-Vorrichtung 2, in der nur die Dotierungsdichte im nahen Bereich verringert wurde, die Steuerspannung um etwa 0,3 V erhöht, was verglichen mit dem Fall der Beispielsvorrichtung zu einem höheren Widerstand führt.
- (2) Wenn man in 5 der optischen Ausgangsleistung Beachtung schenkt, wird keine Sättigung der optischen Ausgangsleistung erkannt, bis der Steuerstrom sowohl in der Beispielsvorrichtung als auch in der Vergleichsbeispiel-Vorrichtung 2 30 mA wird. Im Gegensatz dazu kann im Fall der Vergleichsbeispiel-Vorrichtung 1, die keine Dotierungsdichte-Differenz zwischen dem nahen Bereich und dem von der licht-emittierenden Schicht entfernten Bereich aufweist, die Sättigung der optischen Ausgangsleistung erkannt werden, wenn der Steuerstrom 20 mA wird.
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Dieses Ergebnis zeigt an, dass, wenn die Dotierungsdichte im nahen Bereich zur licht-emittierenden Schicht vermindert wird, die Lichtabsorption im Bereich unterdrückt wird.
- (3) Obwohl weiterhin im Fall der Vergleichsbeispiel-Vorrichtung 3 die Dotierungsdichte im nahen Bereich zur licht-emittierenden Schicht nicht vermindert wird, wird der optische Ausgangsleistungsgrad gegenüber dem Fall der Vergleichsbeispiel-Vorrichtung 1 weiter erhöht. Es wird erwogen, dass dieser Grund aus den Tatsachen herrührt, dass, da im Fall der Vergleichsbeispiel-Vorrichtung 3 die Energie-Abstand-Differenz zwischen den jeweiligen Halbleiterschichten im nahen Bereich zur licht-emittierenden Schicht kleiner ist als die Energie-Abstand-Differenz zwischen den jeweiligen Halbleiterschichten im von der licht-emittierenden Schicht entfernten Bereich, die Brechungskoeffizient-Differenz zwischen beiden Bereichen klein wird, so dass das Schwinden des Lichts auftritt und daher die Lichtintensität im nahen Bereich zur licht-emittierenden Schicht reduziert wird, und dass, selbst wenn die Lichtabsorption auf der Grundlage der Störstellendotierung erhöht wird, die Wärmeerzeugung gegenüber dem Fall der Vergleichsbeispiel-Vorrichtung 1 weiter unterdrückt wird.
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In Zusammenhang mit diesen Laservorrichtungen wurden als nächstes über einen Zeitraum hinweg Änderungen in der optischen Ausgangsleistung unter konstanter Strombedingung eines Steuerstroms von 10 mA und einer Temperatur von 85°C und den Messbedingungen eines Messstroms von 15 mA und einer Messtemperatur von 25°C gemessen. Das Ergebnis wird in 6 gezeigt.
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Wie aus der 6 ersichtlich, wird in den Vergleichsbeispiel-Vorrichtungen 1 und 3, in denen jeder nahe Bereich zur licht-emittierenden Schicht kein Bereich niedriger Dotierungsdichte ist, die optische Ausgangsleistung für die Steuerzeit innerhalb von 2000 Stunden verringert. In der Beispielsvorrichtung der vorliegenden Erfindung und in der Vergleichsbeispiel-Vorrichtung 2, in denen jeder nahe Bereich zur lichtemittierenden Schicht ein Bereich niedriger Dotierung ist, wird selbst dann keine Verminderung in der optischen Ausgangsleistung erkannt, wenn die Steuerzeit 2000 Stunden übersteigt.
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Wie oben erklärt, weist die Laservorrichtung der vorliegenden Erfindung eine Differenz zwischen den Störstellendotierungsdichten im nahen Bereich zur licht-emittierenden Schicht und im von der licht-emittierenden Schicht entfernten Bereich auf, und ist gleichzeitig so eingestellt, dass die Energie-Abstand-Differenz zwischen den den nahen Bereich bildenden Halbleiterschichten kleiner ist, als die Energie-Abstand-Differenz zwischen den den entfernten Bereich bildenden Halbleiterschichten. Gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt solchermaßen keine Verschlechterung der Eigenschaften der optischen Ausgangsleistung, und die Reduzierung in der Steuerspannung kann erreicht werden. Entsprechend hat die Laservorrichtung der vorliegenden Erfindung als ein hochwirkungsvoller oberflächenemittierender Halbleiterlaser einen großen industriellen Wert.
