DE2501344C2 - Halbleiterlaser mit Doppelheterostruktur - Google Patents
Halbleiterlaser mit DoppelheterostrukturInfo
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Description
m Αι.
erfüllt, wobei bedeuten.
wm die maximale Breite des mittleren Teils (32) der
aktiven Zone, für welche die Strahlung bei gegebener Dicke der aktiven Zone und ihres mittleren Teils
auf einen einzigen Transversal moden beschränkt ist, und
Air die transversale Wellenzahl des parallel zur
Ebene des Übergangs verlaufenden transversalen Grundmoden für das optische Feld außerhalb fies
mittleren Teils der aktiven Zone.
5. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (14) n-leitendes
AItGa, . x As, die zweite Schicht (18) p-Ieitendes
ALGa, _ .As und die aktive Zone (16) einschließlich ihres mittleren Teils (32) AL-Ga1 ,,As aufweist,
wobei 0 <y< χ und ζ ist.
6. Halbleiterlaser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Zone (16) einschließlich
ihres mittleren Teils (32) p-leitendes GaAs aufweist.
Die Erfindung betrifft einen Halbleiter mit Doppelheterostruktur der im Oberbegriff des Anspruches 1
angegebenen Art. Ein solcher Laser ist aus IEEE Jour- <*
nal of Quantum Electronics QE-9 (1973), Nr. 2, Seiten bis 361 bekannt.
In einem solchen Laser enthält die Ausgangsstrahlung Transversalmoden, die sowohl parallel als auch
senkrecht zur Ebene des pn-Übergangs schwingen. Aus <>5
bekannten Gründen ist es erwünscht, die Laserschwingung auf lediglich den transversalen Grundmoden zu
beschränken. In dieser Hinsicht sind zahlreiche Vorschläge gemacht worden, um einen transversalen
Grundmodenbetrieb senkrecht zur Übergangsebene zu erzeugen. Es ist jedoch ein wohlbekanntes Problem,
daß eine Wellenleitung in der Ebene des Übergangs relativ schlecht ist, und folglich ist der Erhalt eines
transversalen Grundmodenbetriebes parallel zur Übergangsebene relativ schwer zu erzielen. Die gebräuchlichste
Methode zur Steuerung parallel zur Übergangsebene verlaufender Moden besteht in der Verwendung
eines streifenförmigen elektrischen Kontaktes, der üblicherweise etwa 12 Mikrometer breit ist (siehe IEEE
QE-9 a. a. O.). Solche Kontakte bewirken jedoch die Erzeugung des erwünschten Grundmodenbetriebes
lediglich bei relativ niedrigen Anregungsstromwerten. Wenn der Anregungsstrom merklich über einen
Schwellenwert erhöht wird, besteht keine Garantie, daß parallel zur Übergangsebene verlaufende Moden höherer
Ordnung unterdrückt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, solche unerwünschten Moden zuverlässig zu unterdrücken.
Diese Aufgabe ist fiii den vorausgesetzten Laser mit
den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst und mit jenen der Unteransprüche vorteilhaft
weitergebildet.
In der Zeichnung zeigt
In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiels eines Doppelheterostruktur-ÜbergangsIasers;
Fig. 2 eine grafische Darstellung der maximalen Breite wm der rechtwinkeligen Stufe in Abhängigkeit
von der Stufenhöhe h Tür den Aufbau der Fig. 1;
Fig. 3 eine grafische Darstellung der transversalen Wellcnzahl ßx , (des parallel zur Übergangsebene und
innerhalb der mittleren Stufenzone der Breite wm verlaufenden
transversalen Grundmoden) in Abhängigkeit von der Stufenhöhe Λ; und
Fig. 4 eine grafische Darstellung der transversalen Wellenzahl ßlU (des transv»nsa!en Grundmoden, der
parallel zur Übergangsebene unci außerhalb der mittleren Stufenzone der F ig. 1 verläuft) in Abhängigkeit von
der Stufenhöhe //.
Im wesentlichen wird vorliegend ein transversaler Grundmodenbetrieb parallel zur Übergangsebene
eines streifenförmigen Doppelheterostrukturlasers durch eine rechtwinkelige Stufe in der aktiven Zone
erreicht, die zum Streifenkontakt ausgerichtet ist. Breite und Dicke der rechtwinkeligen Stufe sind zueinander
derart gewählt, daß der gewünschte Grundmodenbetrieb parallel zur Übergangsebene erzeugt wird. Für
Transversalmoden senkrecht zur Übergangsebene kann jede bekannte Methode verwendet werden.
In Fig. 1 ist ein Doppelheterostruktur-Übergangslaser dargestellt, der grundsätzlich von der in der US-PS
58 875 beschriebenen Art ist. Zur Vereinfachung und leichteren Erläuterung ist Fig. 1 nicht maßstabsgerecht
gezeichnet. Der Laser 10 umfaßt ein Substrat 12, auf welchem folgende Schichten in der Reihenfolge
ihrer Aufzählung gezüchtet sind: eine erste Schicht 14 großen Bandabstandes, eine aktive Zone 16 kleineren
Bandabstandes (die mehr a!§ eine Schicht umfassen kann), eine zweite Schicht 18 größerer Bandbreite und
eine Kontaktierungsschicht 20.
Die Schichten 14 und 18 weisen generell zueinander entgegengesetzte Leitfähigkeit auf, während die Zone
η-leitend, p-leitend, beides oder kompensiert sein kann. Die Grenzflächen zwischen Schichten 14 und 16
und zwischen den Schichten 16 und 18 bilden HeteroÜbergänge, die zur Begrenzung der Strahlung in der
5-Richtung, d. h. senkrecht zur Übergangsebene, dienen.
Die Zone 16 enthält einen pn-Übergang (nicht dargestellt), der irgendwo zwischen den Hetero-Übergängen
angeordnet sein kann oder mit einem von diesen zusammenfällt. Die Zone 16 bildet somit die aktive
Zone des Lasers, in welcher die Rekombination von Löchern und Elektronen eine Laserstrahlung erzeugt,
wenn der pn-Übergang in Durchlaßrichtung mit mehr
als der Laserschwellenwertstromdichte vorgetrieben ist. Dieses geschieht mittels einer Stromquelle 30,
die zwischen einem auf dem Substrat gebildeten breitflächigen Kontakt 22 und einem auf der Kontaktierungsschicht
20 gebildeten streifeniormigen Kontakt 24 angeschlossen ist. Die Schicht 20 kann wahlweise vorgesehen
sein, was von der Schwierigkeit abhängt, einen haftenden Kontakt direkt auf Schicht 18 zu bilden.
(Wenn es sich bei der Schicht beispielsweise um AlGaAs handelt, haften bekannte Metallkontakte
üblicherweise schlecht.) Der streifenformige Kontakt 24 kann durch Maskieren und Ätzen einer SiO2-Schicht
(nicht dargestellt) in bekannter Weiss gebildet werden oder durch Protonenimplantation, dem die ar den Kontakt
24 angrenzenden Seitenzonen 25 ausgesetzt werden.
Gegenüberliegende Stirnflächen 26 und 28, typischerweise Spaltflächen, sind parallel zueinander und
bestimmen den optischen Resonator zur Aufrechterhaltung der in der aktiven Zone erzeugten Strahlung.
Solche Spaltflächen sind teilweise durchlässig und erlauben somit die Auskopplung eines Teils der Strahlung
vom Resonator zur weiteren Verwendung.
Um Wärmeabfuhr vom Bauelement während eines Dauerstrich- oder Impulsbetriebes zu ermöglichen,
kann eine Wärmeableitung thermisch mit der oberen Fläche des Lasers, d. h. über den Kontakt 24, verbunden 3=,
werden.
Der Laser 10 kann aus einer AlGaAs-Struktur hergestellt sein, wobei der Aufbau beispielsweise folgende
Schichten umfaßt: ein η-leitendes GaAs-Substrat 12, eine n-leiterde AL-Ga1 -x As-Schicht 14, eine Zone 16
mit einer einzigen p-leitenden GaAs-Schicht, eine p-leitende
ALGa, ^.As-Schicht 18 (mit üblicherweisey = x)
und eine p-leitende GaAs-Schicht 20. Nicht dargestellt ist eine dünne p-leitende GaAs-Schicht hoher Leitfähigkeit,
die auf der oberen Fläche der Schicht 20 wie j-,
bekannt durch Ein diffundieren vor Zinkatomen gebildet
ist.
Neben den obigen Elementen eines Doppelheterostruktur-Übergangslasers
weist der Aufbau einen mittleren Teil 32 erhöhter Dicke auf, der die Form einer v>
langgestreckten rechtwinkeligen Stufe hat und sich zwischen der Spiegelflächen 26 und 28 und entlang der
dadurch gebildeten Resonatorachse erstreckt. Der mittlere Teil 32, welcher zur aktiven Zone des Bauelementes
gehört, hat eine Dicke A, während die dünneren Sei- ,-,
tenteile der Zone 16 eine Dicke Ar aufweisen. Somit ist
die Höhe der rechtwinkeligen Stufe Δ h = h - hc. Die
Breite der rechtwinkeligen Stufe und diejenige des Streifenkontaktes sind w bzw. 5.
Bei Verwendung der üblichen Gleichungen zur Lösung des mit dem Aufbau der Fig. 1 verbundenen
Grenzwertproblems kann gezeigt werden, daß für jeden Wert von A und Ar eine maximale Breite wm der rechteckigen
Stufe existiert, für welche lediglich ein transversaier Grundmode parallel zur Übergangsebene
schwingt. Wird beispielsweise angenommen, daß die Zone 16 aus einer einzigen GaAs-Schicht (im folgenden
»Schicht 16«) mit ejuem Brechungsindex von 3.6
besteht, die Schichten 14 und 18 AlGaAs mit einem Brechungsindex von 3,42 aufweisen und die Wellenlänge
der Laserstrahlung irr» freien Raum etwa 0,9 μΓΒ
ist, dann kann eine Kurvenschar berechnet und dargestellt werden, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist. Fig. 2
zeigt die maximale Stufenbreite wm in Abhängigkeit
vom Verhältnis 0,98 Mic. In gleicher Weise kann die
Form des optischen Feldes innerhalb der rechteckigen Zone der Schicht 16 gekennzeichnet werden durch ihre
transversale Wellenzahlßxu wie diese in Fig. 3 dargestellt
ist. Dieser Parameter ist ein Maß für den Grad, mit welchem das optische Feld des transversalen Grundmoden
parallel zur Übergangs;ebene auf die rechteckige Stufenzone begrenzt ist. Die entsprechende transversale
Wellenzahl ßx , c für das Feld außerhalb der rechteckigen
Stufenzone ist in Fig. 4 dargestellt.
Es sei ein Ausführungsbeispiel betrachtet, bei welchem
die Schicht 16 eine Dicke hc — 0,98 μπι aufweist,
einen für Dauerstrichbetrieb bei Raumtemperatur geeigneten Wert. Weiter sei angenommen, daß die Dicke
der Schicht 16 im Bereich der /.achteckigen Stufe A= Ι,ΙμΓη ist, so daß das Verhäitnir 0,98 h/hc (die
Abszisse der Fig. 2-4) 1,1 ist. Dann ergibt sich aus Fig. 2 für einen transversalen Grundmodenbetrieb
parallel zur Übergangsebeme eine maximale Breite wm
der rechteckigen Stufe von 2,95 μηι. Aus Fig. 2 ergibt
sich die transversale WellenzahlAi = 0,634 μπΓ1, so
daß Cosinus <ßxl wm/2) = 0,594 ist, was die Form des
Feldes innerhalb der rechteckigen Stufe festlegt. Für den Bereich außerhalb der rechteckigen Stufenzone
ergibt Fig. 4 Au = 0,86 μΐη"1, woraus berechnet werden
kann, daß das Feld außerhalb der rechteckigen Stufenzone bei 1,16 μηι auf den 1/e-fachen Betrag seines
Spitzenwertes abgefallen ist.
Für ein zweites Ausfühningsbeispiel sei angenommen,
daß hc = 3,92 μπι und h = 4,4 um ist, was geeignete
Werte für einen Impulsbetrieb hoher Leistung darstellt. Wieder ist das Verhältnis 0,98 AZIj1.= 1,1. Aus den
Fig. 2-4 kann bestimmt werden, daß tvm = £<36 μπι,
A, = 0,20 μηΤ1, Aic = 0,27 μπΓ\ cos (ßx\ YiJl)
= 0,593 ist und das Feld außerhalb der rechteckigen Stutenzone bei 3,7 μΐη auf den 1/e-fachen Betrag des
Spitzenwertes abfällt.
Bei einem weiteren Ausfühningsoeispiel ist
A = 0,54 μπι und hc = 0,49 μπι, was typische Werte für
Dauerstrichbetrieb bei Raumtemperatur darstellt. Dann ist 0,98 h/hc = 1,08, wm = 2,0 μπι, Ai =0,95 um"1,
Au= 1,26 μπΓ1, cos (ßxl wJl) = 0,566, und das Feld
außerhalb der rechteckigen Stufe fällt bei 0,79 μπι auf den 1/e-fachen Betrag seines Spitzenwertes ab.
Ein weiteres Merkmal beruht auf der Erkenntnis, daß es zur Begrenzung praktisch des gesamten optischen
Feldes auf einen Bereich innerhalb einer Zone, in velc'itT elektronische Verstärkung auftritt, wünschenswert
ist, einen streifeniormigen Kontakt mit einer Breite s zu verwenden, der näherungsweis-τ die Beziehung
Ic
erfüllt. In den oben beschriebenen drei Ausrührungsformen errechnet sich die Streifenbreite gemäß Gleichung
(1) zu S - 5,3 μΐη, 5 = 16,7 μπι, bzw. S = 3,6 μπι.
Diese Anordnungen, bei welchen die Breite des Streifenkontaktes größer als diejenige der rechtwinkligen
Stufenzone 32 ist, stellt geringe Verluste oder sogar Gewinn in den Zonen der Schicht 16 sicher, die außer-
halb der rechteckigen Stufenzone 32 und an diese
angrenzend liegen.
Ein Vorteil der obigen Ausführungsformen besteht darin, daß jede gekennzeichnet is;t durch die Eigenschaft positiver passiver Leitung unabhängig vom An-
rcgungsstromwert oberhalb des Laserschwellenwertes. Außerdem ist zu erwarten, daß die Strukturen Laserschwellcnwerte bei niedrigeren Stromdichten als
bekannte Anordnungen ergeben.
Claims (4)
1. Halbleiterlaser mit Doppelheterostruktur mit einer ersten und einer zweiten Schicht großen Ener-
> giebandabstandes, einer zwischen den beiden Schichten angeordneten und an diese angrenzenden
aktiven Zone vergleichsweise niedrigen Energiebandabstandes und einem in der aktiven Zone
angeordneten oder mit einem der die aktive Zone ι ο begrenzenden HeteroÜbergänge zusammenfallenden
pn-übergang, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Zone (16) einen mittleren, sich längs
der Resonatorachse erstreckenden Teil (32) erhöhter Dicke aufweist, dessen Dicke und Breite so bemes- '■ ■
sen sind, daß die Laserstrahlung auf einen einzigen transversalen Moden begrenzt ist.
2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Teil (32) öer aktiven
Zcrnti deren benachbarte Teile in Form einer -h>
rechtwinkligen Stufe überragt.
3. Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er einen langgestreckten,
zum mittleren Teil (32) der aktiven Zone ausgerichteten, streifenfönnigen elektrischen Kontakt -1J
(24) aufweist.
4. Halbleiterlaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite ides Kontaktes (24)
näherungsweise die Bezienung
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