DE2416147C2

DE2416147C2 - Heteroübergangsdiodenlaser

Info

Publication number: DE2416147C2
Application number: DE2416147A
Authority: DE
Inventors: William Paul Chappaqua N.Y. Dumke; Jerry MacPherson Hartsdale N.Y. Woodall
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-04-12
Filing date: 1974-04-03
Publication date: 1983-08-25
Also published as: US3893044A; FR2225855A1; CA1023834A; IT1010745B; FR2225855B1; JPS49131687A; JPS5238393B2; DE2416147A1; GB1461172A

Description

a) daß eine der zu allen schichtförmig übereinanderliegenden Halbleiterzonen (30 bis 34) ,=> senkrecht verlaufenden Seitenflächen des Halbleiterbauelements mit einer vierten Halbleiterzone (35) überdeckt ist, die einen größeren Bandabstand als die aktive Laserzone (37) aufweist und mit einem den zur ersten bis dritten Halbleiterzone (33, 32, 34) entgegengesetzten Leitungstyp verursachenden Fremdstoff unter Entartungskonzentration dotiert ist,

b) daß sich die an die vierte Halbleiterzone (35) in Richtung an das Innere des Halbleiterbauelements eine durch Fremdstoff-Ausdiffusion aus der vierten Halbleiterzone in die übereinanderliegenden schichtförmigen Halbleiterzonen (30 bis 34) entstandene fünfte Halbleiterzone anschließt, welche denselben Leitungstyp wie » die vierte Halbleiterzone und das Substrat (30) aufweist, durch einen senkrecht durch die erste, zweite un^ dritte Halbleiterzone verlaufenden HomoÜbergang (3$) begrcrzt ist und mit ihrem aus der ersten Halbleüerzone (33) hervorgegangenen Teilbereich die akth r Laserzone (37) bildet,

c) daß zwischen zweiter Halbleiterzone (32) und Substrat (30) eine schichtförmige sechste Halbleiterzone (31) angebracht ist, deren Leitungstyp dem der zweiten Halbleiterzone (32) entgegengesetzt ist und deren Bandabstand größer ist als der der zweiten Zone.

2. Laser nach Anspruch 1, dessen zweite und dritte Halbleiterzone (32, 34) aus Gallium-Aluminium-Arsenid bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß bei unmittelbar mit einer Elektrode (40) bedeckter dritter Halbleiterzone (34), die sich an das Substrat (30) vom gleichen Leitungstyp anschließende sechste ίο Halbleiterzone (31) relativ dünn ist und ebenfalls aus einer Gallium-AIuminium-Arsenid-Legierung besteht.

3. Verfahren zur Herstellung eines Lasers nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß unter Anwenden eines Flüssigphasen-Epitaxieverfahrens auf das Substrat (30), bestehend aus einem Gal!ium-Arsenid-P-Halbleiter,die P-Ieitendesechste Halbleiterzone (31) aufgebracht wird, die anschließend mit der N-Ieitenden zweiten Halbleiterzone w) (32) bedeckt wird, die ihrerseits mit der ersten, aus Galliurn-Arsenid bestehenden, einige μπι dicken N-Ieitenden Halbleiterzone (33) überzogen wird, um hierauf die N-leitende dritte Halbleiterzone (34) aufzutragen, daß dann in eine der Seitenflächen des ir, Halbleiter-Bauelements eine P ⁺ -leitende, aus mit Zink dotiertem Gallium-Aluminium-Arsenid bestehende fünfte Halbleiterzone (35) eingebracht wird.

aus der in einem Aufheizverfahrensschritt die aktive Laserzone (37) durch Ausdiffundieren von Zink zur Bereitstellung des HomoÜbergangs (38) in der ersten Halbleiterzone (33) gebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenfläche des Halbleiterbauelements durch Abspalten erzeugt wird, daß auf dieser Abspaltfläche eine verhältnismäßig dünne Schicht, bestehend aus einer Zink-Aluminiummischung aufgetragen wird, daß diese Materialien umer Anwendung einer Temperatur im Bereich zwischen 650—850⁰C lediglich in die hierzu benachbarten Bereiche der schichtförmig übereinanderliegenden Zonen (31—34) einlegiert werden, so daß als Legierungsbereich die fünfte Zone (35) definierter Dicke entsteht, daß die Temperatur anschließend auf einen Wert unmittelbar unterhalb der Legierungstemperatur der beteiligten Halbleitersubstanzen abgesenkt wird, um die Nachdiffusion von Zinkatomen in einen Zonenbereich herbeizuführen, der seinerseits der fünften Zone (35) benachbart ist, so daß in der ursprünglich N-Ieitenden ersten Zone (33) eine P-ieitende Zone (37) ais -aktive Laserzone infolge der eindiffundierten Zinkatome entsteht.

Die Erfindung betrifft einen Heteroübergangs-Diodenlaser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Hetenübergangs-Diodenlaser mit einfachem und doppeltem HeteroÜbergang können in einer ersten Ausführungsart aus Vielschicht-Halbleiter-Bauelementen bestehen, die Ladungsträger über planare parallele Oberflächen in die aktive Laserzone injizieren. Hierbei reicht die aktive Laserzone nach allen Seiten und Richtungen bis an die Grenzflächen des jeweiligen Halbleiter-Bauelements hinaus. Anordnungen dieser Art sind in den US-PS 35 37 029 und 36 04 991 beschrieben. Derartige Hete.-oübergafigs-Diodenlaser besitzen jedoch unter anderem den erheblichen Nachteil, daß ihr Betrieb bei Raumtemperatur nur unter erschwerten Bedingungen möglich ist, so daß sich allein schon aus diesem Grund eine Verwendung zusammen mit anderen Heteroübergangs-Diodenlasern in einer Matrix nicht ohne weiteres als praktisch durchführbar erweist.

Um in etwa Abhilfe schaffen zu können, ist bereits seit längerem zu einem Diodenlaser-Halbleiterbauelement übergegangen worden, bei dem eine wirksame Kühlung zur Vermeidung von Wärmestau ermöglicht wird, wie es zum Beispiel der DE-OS 14 39 316 zu entnehmen ist. Als nachteilig ist hier jedoch zu verzeichnen, daß, wie bei allen herkömmlichen Diodenlasern, Ladungsträger nur über einen Bruchteil der Anzahl von die aktive Laserzone begrenzenden Seitenflächen injiziert werden, nämlich über zwei einander gegenüberliegende Seitenflächen. Dadurch ist natürlich die Ausbeute an induzierter Laserstrahlungsemission entsprechend begrenzt.

Andererseits ist aus der DE=OS 2137 892 ein Heteroübergangs-Diodenlaser gemäß der eingangs genannten Art bekannt, der u.a. aktive Laserzonen zeigt, die nicht vollständig im Halbleiter eingebettet sind. Darüber hinaus ist dieser sowohl durch Schichtabscheidung wie durch Zonendiffusion hergestellte Diodenlascr nur unter Anwendung komplizierter Ätzver-

fahrensschritte in jeweils ausgewählten Halbleiterbereichen herzustellen.

Mit beiden vorbekannten Heteroübergangs-Dioden-Iasern ist ferner allgemein der Nachteil verbunden, daß die mit Stromdurchgang verbundenen Wärmeprobleme nicht optimal bewältigt werden können.

Angesichts dieses Standes der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, unter Vermeiden von Ätzvorgängen einen allein durch Schichtabscheidungsund Diffusionsverfahren hergestellten, bei Raumtemperatur optimal zu betreibenden Heteroübergangs-Diodenlaser gemäu dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit äußerst wirksamer Wärmeableitung unter möglichst großer Ausbeute an Laserstrahlung bereitzustellen. Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe gelöst wie es dem Kennzeichen des Ppientanspruches 1 zu entnehmen ist.

Die aktive Laserzone ist also vollständig von sowohl Löcher als auch Elektronen injizierenden Halbleiterschichten umgeben, so daß Minoritätsträger vom einen Teil der Peripherie der aktiven Laserzone und Majoritätsträger vom anderen Teil der Peripherie in die aktive .Laserzone injiziert werden. Dadurch daß außerdem der strahlende PN-Übergang senkrecht zu den HeteroÜbergängen liegt, ist eine relativ hohe Ausbeute des vorliegenden Heteroübergangs-Diodenlasers sichergestellt

Dank der im Verhältnis zum gesamten Halbleiter-Bauelement verhältnismäßig geringen Raumbeanspruchung durch die aktive Laserzone und dank des außerdem vorliegenden relativ hohen elektrischen Leitvermögens sowie Wärmeableitungsvermögens in der Umgebung der aktiven Laserzone ist mit der erfindungsgemäßen Anordnung Laserbetrieb bei Raumtemperatur unter Erzielung größtmöglicher Ausbeute an Laserstrahlung ohne weiteres möglich.

Dank der geringen thermischen und elektrischen Obergangswiderstände ist optimale Betriebsweise des Heteroübergangs-Diodenlasers auch zusammen mit anderen gleicher Art in Matrixanordnung in vorteilhafter Weise möglich. Zur Bereitstellung einer derartigen Matrix werden zweckmäßigerweise die einzelnen Heteroübergangs-Diodenlaser voneinander isoliert angeordnet, um in an sich bekannter Weise einzeln erregt werden zu können, indem jeweils zugeordnete Elektroden der Heteroübergangs-Diodenlaser entsprechend beaufschlagt werden.

Aufgrund der Tatsache daß die aktive Laserzone von allen Seiten vorn Halbleiter umgeben ist, läßt sich der Laserresonator exakt definieren, so daß eine gewisse Unabhängigkeit von Gestaltung und Elektrodenanbringung vorliegt, wie es sepst bei Laser-Bauelementen zwangsläufig der Fall ist.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anschließend anhand der Figur, die einen Querschnitt durch einen Iegierungsdif fundierten Heteroübergangs-Diodenlaser zeigt, erläutert.

Bei dem dargestellten Laser ist die aktive Laserzone 32 auf drei Seiten durch Zonen mit einem Material höheren Bandabstands umgeben, wohingegen die vierte Seite über einen P-N-Homo-Übergang ebenfalls Ladungsträger injizert.

Die Struktur nach der Figur wird hergestellt durch Ablagern von Galliumarsenid- und Galliumaluminiumarsenidschichlen mit Hilfe eines Flüssigphascnepitaxieverfahrens auf ein üall'iiimarscnidsubstrat. Spezieil sind

^Bf) lä

auf einem Substrat 30 P-Ieitenden Galliumarsenids die Schichten 31,32,33 und 34, bestehend aus P-Ieitendem Gai _,AI_xAs, aus N-Ieitendem Gai_^AI₁As, aus N-leitendem Galliumarsenid bzw. aus N-Iehendem Ga₍_ ,AI₁As in der genannten Reihenfolge mit Hilfe des Flfissigphasenepitaxieverfahrens aufgebracht. In den Zonen 31, 32 und 34, die aus Galiiumaluminiumarsenid (Gai _ jAIjAs) bestehen und N-Ieitend sind kann Zinn als Dotierungsmittel Verwendung finden, und bei den P-Ieitenden Schichten ist Zink für diesen Zweck geeignet Die Dicke der Schicht 33, bestehend aus N-leitendem Galliumarsenid, bestimmt die Breite der aktiven Obergangszone, deren Dicke einige μπι betragen kann. Eine nachträglich aufgewachsene Zone 35, die nach Abspalten der linken Seite der geschichteten Struktur nach der Figur aufgetragen wird, wird abgelagert durch Auftragen einer dünnen Schicht, bestehend aus einer Mischung von Zink und Aluminium. Unter Wärmebehandlung bei erhöhten Temperaturen von 650 bis 850⁰C legiert sich die Zinkaluminiumschicht mit den Galliumaluminiumarsenid-Galliumarsenidschichten, so daß eine P⁺-Gallium-^!uminiumarsenidschicht 35 aufgewachsen wird. Wird die Struktur gemäß der Figur auf einer Temperatur gerade unterhalb der Legierungstemperatur der beteiligten Materialien gehalten, dann ergibt sich eine Diffusion von Zink in die Galliumarsenidschicht 33 und ebenso in die Gztlliumaluminiumarsenidschichten 32 und 34, so daß in diesen Zonen jeweils PN-Übergänge entstehen, wie durch die gestrichelte Linie 36 angedeutet. Als Resultat dieser Zinkdiffusion entsteht eine aktive P-Ieitende Zone 37 innerhalb der N-Ieitenden Galliumarsenidschicht 33. Auf diese Weise bildet die aktive Zone 37 einen PN-Homoübergang 38 mit der N-Ieitenden Galliumarsenidzone 33. Die verbleibende Peripherie der aktiven Zone 37 bildet ein Gai _ ^AIjAs, die sich als Resultat des Legierungs- und Diffusionsvorgangs, wie oben beschrieben, gebildet hat. Die Elektroden 39 und 40 aus Metall, die mit dem P- und N-Ieitenden Zonen verträglich sein müssen, werden dann auf die Zonen 30 bzw. 34 aufgebracht.

Bei Vorwärtsvorspannung fließt nennenswerter Strom lediglich über den P-N-Übergang 38 in die Zone

33 aufgrund des höheren Bandabstandes und der Sperrschichten für Injektion in den Zonen 32 und 34. Der HeteroÜbergang zwischen der aufgewachsenen P-Ieitenden Galliumaluminiumarsenid-Zone 35 und der aktiven Zone 37 ist dabei in der Weise wirksam, daß Elektronen in vorgegebenen Grenzen in die letztere Zone injiziert werden. Der Verlust der kohärenten Abstrahlung aus der aktiven Zone 37 dürfte klein sein, da sie auf drei Seiten durch Galiiumaluminiumarsenid mit geringerem Brechungsindex begrenzt ist. Der elektrische Serienersatzwiderstand dürfte ebenfalls gering sein, da die Struktur gemäß der Figur ziemlich breite N- und P-Ieitende Zonen besitzt, die den Strom über den verhältnismäßig engen P-N-Übjrgang 38 leiten. In gleicher Weise wird Wärme hauptsächlich von einem ziemlich kleinen Übergangsbereich erzeugt und läßt sich in der Hauptsache radial über die restliche Struktur abführen, l'.i Zusammenhang mit der Struktur nach der Figi'r wird Gai _ ,AI₁As für die Zonen 31, 32,

34 verwendet, wobei χ die Werte 0.2 < ν < 1 erhplt. Für Gai - vAUAs zur Bildung der Zone .15 .nit großem Bandabstand ist der Wertbereich definiert durch 0,2 < y < I.

Bei Betrieb gibt a\c Struktur nach der Figur eine Strahlung ab. wenn Elektroden aus der N-Ieitenden

Schicht 33 über den P-N-Übergang 38 injiziert werden. könnte, bei denen allerdings, wie bereits erwähnt, sich

um dann mit Löchern zu rekombinieren. die über den die aktive Zone bis zur seitlichen Begrenzung der

HeteroÜbergang gelangen, der die aktive Zone 37 auf Struktur erstreckt, soll ausdrücklich darauf hingewiesen

den verbleibenden drei Seitenflächen umgibt. Während werden, daß bei diesen herkömmlichen Anordnungen

rein oberflächlich betrachtet das Ausführungsbeispiel . die Ladungsträger in die aktive Zone nicht aus der Zone

nach der Figur eine gewisse Ähnlichkeil mit Hetero- injiziert werden, aus der die aktive Zone gebildet ist.
Übergangsstrukturen herkömmlicher Art aufweisen

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Heteroübergangs-Diodenlaser, bestehend aus einem Halbleiterbauelement mit auf einem Substrat schichtförmig übereinanderliegenden Halbleiterzonen, von denen sich jeweils einer der Oberflächen der in einem Teilbereich eine aktive Laserzone enthaltenden ersten Halbleiterzone eine zweite und dritte Halbleiterzone anschließen, und mit Elektroden auf dem Substrat und der dem Substrat |₀ gegenüberliegenden äußeren Halbleiterzone, dadurch gekennzeichnet,