DE2501344C2 - Halbleiterlaser mit Doppelheterostruktur - Google Patents

Description

^m Αι.

erfüllt, wobei bedeuten.

w_m 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 AI_tGa, . _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

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels eines Doppelheterostruktur-ÜbergangsIasers;

Fig. 2 eine grafische Darstellung der maximalen Breite w_m der rechtwinkeligen Stufe in Abhängigkeit von der Stufenhöhe h Tür den Aufbau der Fig. 1;

Fig. 3 eine grafische Darstellung der transversalen Wellcnzahl ß_x , (des parallel zur Übergangsebene und innerhalb der mittleren Stufenzone der Breite w_m verlaufenden transversalen Grundmoden) in Abhängigkeit von der Stufenhöhe Λ; und

Fig. 4 eine grafische Darstellung der transversalen Wellenzahl ß_lU (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 A_r aufweisen. Somit ist die Höhe der rechtwinkeligen Stufe Δ h = h - h_c. 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 A_r eine maximale Breite w_m 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 w_m 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 Wellenzahlß_xu 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 ß_x , _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 h_c — 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/h_c (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 w_m der rechteckigen Stufe von 2,95 μηι. Aus Fig. 2 ergibt sich die transversale WellenzahlAi = 0,634 μπΓ¹, so daß Cosinus <ß_xl w_m/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 h_c = 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 tv_m = £<36 μπι, A, = 0,20 μηΤ¹, Aic = 0,27 μπΓ\ cos (ß_x\ 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 h_c = 0,49 μπι, was typische Werte für Dauerstrichbetrieb bei Raumtemperatur darstellt. Dann ist 0,98 h/h_c = 1,08, w_m = 2,0 μπι, Ai =0,95 um"¹, Au= 1,26 μπΓ¹, cos (ß_xl 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

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