DE2137892B2

DE2137892B2 - Halbleiterlaser

Info

Publication number: DE2137892B2
Application number: DE19712137892
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dipl.-Phys 7901 Unterkirchberg; Specovius Joachim 7900 Ulm Gottsmann
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1971-07-29
Filing date: 1971-07-29
Publication date: 1977-09-22
Also published as: DE2137892C3; DE2236147A1; DE2236147C2; DE2137892A1

Description

sers an beispielsweise eine zur Weiterleitung des Lichts vorgesehene Lichtleitfaser verbunden mit einer Reduzierung desSchwellenstroms noch nicht in befriedigender Weise gelöst werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterlaser der eingangs näher bezeichneten Art anzugeben, bei dem im Vergleich zu bekannten Halbleiterlasern mit Begrenzung des Siromwegs du>ch eine verbesserte Begrenzungswirkung eine weitere Reduzierung des Schwellenstroms erreicht wird. Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Die Vorteile der erlindungsgemäßen Lösung sind insbesondere dazu zu sehen, daß durch die in den Strompfaden entstehenden hohen Stromdichten einmal die Anregung von Laserstrahlung schon mit geringen Ansteuerströmen der Diode möglich ist, zum anderen der zur Strahlung anregbare Bereich äuP^rst schmal gehalten werden kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezug aut die Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel mit Begrenzung des Stromweges durch isolierende Bereiche und Diffusionsgebiete,

F i g. 2 einen Halbleiterlaser mit Begrenzung des Stromweges durch in das Halbleitermaterial eingebrachte Rinnen und durch Diffusionsgebiete.

Die Einengung der Strombahnen kann zweckmäßig durch verschieden dotierte oder isolierende Bereiche erreicht werden, wie z. B. aus der F i g. 1 ersichtlich ist. Hier ist eine Heterostrukturdiode dargestellt, die zunächst aus einem Substrat S, beispielsweise aus GaAs bestehen soll in das Bereiche D eindiffundiert werden. Auf dieser Unterlage erfolgt dann das Aufwachsen der Schichten v, a, w und d a soll die aktive Zone darstellen, während ν und w Schichten mit größerem Bandabstand sind. Bandabstandssprünge lassen sich durch Mischkristallschichten, beispielsweise Ga Al As verschiedener Zusammensetzung herstellen. 1st die am Substrat S angrenzende Schicht ν η-leitend, dann wird D p-leitend, bei p-leitender Schicht ν wird D dagegen n-leitend gewählt, so daß im Betrieb die Grenze D-v stets ein gesperrter pn-Übergang ist. d ist lediglich eine Deckschicht, die erforderlich ist, falls w nicht korrosionsfest ist. Zur Herstellung der Bereiche F, G, von denen mindestens F isolierend sein muß, wird auf die Oberfläche ebenfalls eine Maske aufgebracht, die den seitlichen Begrenzungen der stromführenden Bereiche entspricht. Die nicht abgedeckten Oberflächeiiteile S werden durch ein Ätzverfahren abgetragen, wobei die Tiefe der so gewonnenen Rinnen beliebig sein und sich sogar bis in das Substrat S erstrecken kann. Danach werden die Rinnen mit einer Schutzschicht F, die vorzugsweise hochohmig ist, und/oder einer weiteren

ίο Schicht G aufgefüllt. Als isolierende Substanzen können Materialien gewählt werden, die einen kleineren Brechungsindex aufweisen als ζ. B. die Zone a, wodurch eine seilliche Wellenführung der Laserstrahlen infolge Totalreflexion in der Zone a möglich ist. Fkann auch aus dem selben Material wie a bestehen, muß dann jedoch undotiert sein, wenn wieder ein Brechungsindexsprung zwischen Fund a angestrebt werden soll.

In F i g. 2 werden die geätzten Rinnen R nicht wieder mit Material aufgefüllt. Zur mechanischen Stabilität bleiben außen Stützen stehen. Der Stromfluß durch diese Stützen wird durch die Diffusionsstrukturen D entsprechend F i g. 1 unterdrückt. Der Querwiderstand der Schicht ν ist wegen der geringen Schichtdicke groß. Die Rinnen müssen mindestens bis an die Schicht ν eingeätzt werden, sie können sich aber auch bis ins Substrat Serstrecken.

Der Einbau isolierender oder verschieden dotierter Bereiche läßt sich an Laserdioden vornehmen, bei denen die Elektroden die Außenflächen der beiden jeweils

jo äußersten Schichten ganz bedecken, oder bei denen die Elektroden schon eine besondere Form etwa die Form eines Streifens aufweisen. Bei dieser letztgenannten Ausführungsform der Diode werden die Bereiche vorzugsweise derart in die Schicht eingebracht, daß die freibleibenden Strompfade unter die streifenförmige Elektrode zu liegen kommen, wodurch die Stromdichte dort noch weiter erhöht werden kann.

Durch die beschriebenen Anordnungen können Strompfade erzeugt werden, deren seitliche Abmessungen in der Größenordnung μηι liegen, also in der gleichen Größenordnung wie etwa der Kerndurchmesser einer Lichtleitfaser. Auch ist es hierdurch möglich, in einem Halbleiterlaser einen Transversalmode anzuregen, der für die Einkopplung in eine Lichtleitfaser besonders gut geeignet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

i. Haibieiteriaser mit einer in Form einer Hetcrostrukturdiode ausgebildeten Schichtenfolge, s bei der eine laseraktive Zone beidseitig von jeweils zwei unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten eingeschlossen ist, mit Mitteln zur Einengung des in Durchlaßrichtung der Diode fließenden Stroms auf einen schmalen, streifenförmigen Bereich der laseraktiven Zone, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens eine der auf der einen Seite der laseraktiven Zone (a) liegenden Halbleiterschichten (S, v) durch Sperrschichten von den Halbleiterschichten (S, v) abgetrennte, entgegengesetzt dotierte halbleitende Bereiche (D) mit Abstand voneinander derart in der Halbleiterschicht (S, ν) eingelagert sind, daß sie einen ersten schmalen streifenförmigen Bereich dieser Schichten zwischen sich einschließen, und daß in die laseraktive Zone und in die auf der anderen Seite der laseraktiven Zone ^des Halbleiterlasers liegenden Schichten (w, d) isolierende Bereiche (R) oder zumindest durch eine Isolierschicht (F) vom Schichtaufbau der Heterostrukturdiode abgetrennte Bereiche (G) eingelagert sind, die einen zweiten schmalen streifenförmigen Bereich in diesen Schichten (a, w. d) beidseitig begrenzen, wobei die beiden streifenförmigen Bereiche im wesentlichen deckungsgleich übereinander liegen.
2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführungskontakte auf den Außenflächen der beiden jeweils äußersten Schichten als streifenförmige Elektroden ausgebildet sind und daß die isolierenden oder verschieden dotierten Bereiche derart in die Schichten eingebracht sind, daß die freibleibenden Strompfade unter die streifenförmige Elektrode zu liegen kommen.
3. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in ein Halbleitersubstrat (S) eines ersten Leitungstyps durch Diffusion halbleitende Bereiche (D) des entgegengesetzten Leitungstyps eingebracht werden, die mit Abstand voneinander derart angeordnet werden, daß sie einen dazwischen liegenden ersten schmalen streifenförmigen Bereich des Substrats (S) beidseitig begrenzen, daß darauf mittels Epitaxieverfahren die eine Heterostrukturdiode darstellende Schichtenfolge (v, a, w, d) abgeschieden wird, daß diese Schichtenfolge nach Verfahren der Fotolack- und Ätztechnik selektiv derart abgetragen wird, daß zwischen zwei im wesentlichen parallel verlaufenden Ätzgräben im Zentrum des Schichtaufbaus ein zweiter, schmaler, streifenförmiger Bereich der Schichtenfolge (v, a, w, d) erhalten bleibt, der im wesentlichen deckungsgleich über dem durch die Bereiche (D) abgegrenzten streifenförmigen Bereich des Substrats (S) liegt, und daß anschließend der aus Schichten bestehende Halbleiterkörper auf einer Wärmesenke (M) befestigt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätzgräben mit einer Isolierschicht (F) abgedeckt werden, die einen kleineren Brechungsindex hat als die Zone (s), und daß die Ätzgräben sodann mit einem isolierenden Material ICJ aufgefüllt werden.

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser mit einer in Form einer Heterostrukturdiode ausgebildeten Schichtenfolge, bei der eine laseraktive Zone beidseitig von jeweils zwei unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten eingeschlossen ist, mit Mitteln zur Einengung des in Durchlaßrichtung der Diode fließenden Stroms auf einen schmalen, streifenförmigen Bereich der laseraktiven Zone (vgl. Applied Physics Letters, Vol. 18 (1971), No. 4, S. 155-157)

Bei der Einkopplung von Lichtenergie aus einem Halbleiterlaser in eine Lichtleitfaser treten im allgemeinen Verluste auf, die hauptsächlich auf eine Modenfehlanpassung zwischen Laser und Faser zurückzuführen sind. In einer Lichtleitfaser, deren Kerndurchmesser in der Größenordnung der Wellenlänge der emittierten Strahlung liegt, ist in der Regel nur ein Grundmode ausbreitungsfähig, während die Halbleiterlaser bekannter Bauart eine große Anzahl von Moden ausstrahlen.

Halbleiterlaser sind bekannt als diffundierte Dioden, Epitaxiedioden oder als Heterostrukturdioden, die in einer aktiven Zone, welche sich zwischen entgegengesetzt dotierten halbleitenden Schichten z. B. aus n- und p-Ieiiendem Material befindet, zur Umwandlung von elektrischer Energie in Strahlungsenergie fähig sind. Die bei einer bestimmten Schwellstromdichte beginnende Laserstrahlung tritt hierbei aus einem dünnen zwischen diesen halbleitenden kristallinen Schichten liegenden Bereich (aktive Zone) aus dem Laserresonator aus, der durch die Spaltflächen an den Kristallenden begrenzt ist. Infolge der senkrecht zur Scheibenebene zwar geringen, parallel zu dieser Ebene jedoch großen Ausdehnung der aktiven Zone ist die Austrittsfläche der Laserstrahlung wesentlich größer als die Einkoppelfläche beispielsweise einer Lichtleitfaser, so daß zum Ausgleich der dabei entstehenden Verluste hohe Lichtenergien und damit verbunden hohe Stromdichten erforderlich sind. Hinzu kommt bei solchen hohen Stromdichten die Notwendigkeit, besondere Maßnahmen für die Ableitung der entstehenden Wärme vorzusehen.

Es hat nicht an Versuchen gefehlt, die Breite der lichtemittierenden Zone eines Halbleiterlasers zu begrenzen.

So ist aus GB-PS 9 95 121 ein Halbleiterinjektionslaser mit großflächigen Stromzuführungskontakten bekannt, bei dem die Breite der lichtemittierenden aktiven Zone durch zwei parallel verlaufende Gräben bestimmt ist, die sich senkrecht zu den Kontaktflächen erstrecken.

Weiterhin ist aus der DT-OS 18 02 618 eine lichtemittierende Diode mit großflächigen Stromzuführungskontakten bekannt, bei der durch unterschiedlich dotierte Halbleiterbereiche, die in Sperrichtung gepolt sind, der Betriebsstrom auf einen relativ schmalen Bereich der Diodensperrschicht zusammengedrängt wird.

Schließlich ist aus Applied Physics Letters, Bd. 18, No. 4, 15. Feb. 1971, S. 155-157 ein in Form einer Doppelheterostrukturdiode aufgebauter Halbleiterlaser bekannt, bei dem ein erster metallischer Kontakt eine erste Außenfläche des Halbleiterlasers ganzflächig kontaktiert und bei dem auf einer zweiten, gegenüberliegenden Fläche des Halbleiterlasers ein zweiter metallischer Kontakt derart auf einer unmittelbar darunterliegenden isolierenden Schicht angeordnet ist, daß die Stromzufuhr zum Halbleiterkörper nur über einen schmalen Streifen dieser zweiien Koniakifiäche erfolgt.

Mit diesen bekannten Vorschlägen konnte das Problem einer optimalen Anpassung eines Halbleiteria-