DE2607708A1

DE2607708A1 - Laserdiode mit verteilter rueckkopplung

Info

Publication number: DE2607708A1
Application number: DE19762607708
Authority: DE
Inventors: Robert D Burnham; Donald R Scifres
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1975-04-25
Filing date: 1976-02-25
Publication date: 1976-11-04
Also published as: JPS51128283A; GB1534577A; CA1058308A; US3983509A

Description

Xerox Corporation, Rochester, N.Y./U.S.A.

Laserdiode mit verteilter Rückkopplung

Die Erfindung betrifft eine elektrisch gepumpte vielschichtige Laserdiode.

In der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 499 vom 22. August 1974 ist eine elektrisch gepumpte HeteroÜbergangs -Festkörperlaserdiode mit verteilter Rückkopplung beschrieben, bei der ein Gitter oder ein periodisches Gebilde verwendet wird, das an der HeteroÜbergangs-Grenzschicht liegt. Das periodische Gebilde steht in Wechselwirkung mit dem von dem aktiven Lasermedium erzeugten Licht, um die für Laserwirkung erforderliche Rückkopplung zu bilden. Das periodische Gebilde wird durch eine interferometrische Belichtungstechnik erzeugt, bei der ein Strahlteiler und zwei Spiegel eingesetzt werden, um zwei Laserlichtstrahlen gleicher Intensität und gleicher Polarisation auf ein Photoabdeckmaterial mit gleichen Einfallswinkeln zu richten. Es leuchtet ein, daß ein periodisches Gebilde mit einer Periode in der Größenordnung von 3.600 A* schwierig herzustellen ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Hetereoübergangs-Laserdicde zu schaffen, insbesondere eine solche, die elektrisch gepumpt werden kann. '

609845/0656

Diese Aufgabe wird durch eine elektrisch gepumpte vielschichtige Laserdiode gelöst _s die gemäß der Erfindung gekennzeichnet ist durch eine erste Mehrzahl von Schichten aus einem ersten Halbleitermaterial_f eine zweite Mehrzahl von Schichten aus einem zweiten Halbleitermaterial_? wobei die zweite Mehrzahl von Schichten mit der ersten Mehrzahl von Schichten verschachtelt ist, so daß abwechselnde Schichten des Lasers aus verschiedenem Halbleitermaterial sind, wobei jede der Mehrzahl von verschachtelten Schichten eine Dicke t entsprechend der Beziehung t = aufweist, worin m eine ganze Zahl ist, die gleich dem Modus der Laserschwingungen ist, die Wellenlänge der in der ersten Mehrzahl von Schichten bei elektrischem Pumpen derselben erzeugten Lichtphotonen ist und η der Brechungsindex des Materials jeder Schicht ist, einen Gleichrichterübergang, der sich wenigstens durch die erste Mehrzahl von Schichten hindurch erstreckt, und eine Einrichtung zum elektrischen Pumpen der ersten Mehrzahl von Schichten zur Erzeugung der Lichtphotonen mit der Wellenlänge, wobei die Lichtphotonen gekoppelt und in Phase durch die zweite Mehrzahl Von Schichten verstärkt werden, so daß dadurch ein kohärenter Ausgangsstrahl erzeugt wird.

Verteilte Rückkopplung in einer elektrisch gepumpten Festkörper-Heteroübergangs-Laserdiode wird gemäß der Erfindung durch Vielfachschichten aus einem Material erzeugt, die verschiedene Brechungsindices und verschiedene Bandlücken aufweisen. Diese zwei Eigenschaften liegen bei GaAs und GaAlAs vor, und der Laser kann aus Schichten aus GaAs, die mit Schichten aus GaAlAs verschachtelt sind, bestehen. Ein PN-Übergang ist rechtwinklig zu den Ebenen der verschachtelten Schichten gebildet, und wenn der Laser gepumpt wird, so erzeugen die verschachtelten Schichten eine Gegenkopplung, wenn die Dicke der Schichten mit der Laserwellenlänge Λ nach der Beziehung t = ^—- zusammen-

609845/0655

hängt, worin m eine ganze Zahl ist, die den Lasermode betrifft und η der Brechungsindex des Materials einer besonderen Schicht ist.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht eines Endes einer erfindungsgemäßen Laserdiode;

Fig. 2 eine Ansicht eines Endes einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserdiode;

Fig. 3 eine Ansicht eines Endes einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserdiode; und

Fig. 4 eine Ansicht eines Endes einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserdiode.

In Figur 1 ist eine elektrisch gepumpte Festkörper-Heteroübergangs-Laserdiode 2 mit verteilter Rückkopplung dargestellt. Die Laserdiode bzw. der Laser 2 enthält Schichten 4 aus GaAs, die mit Schichten 6 aus GaAlAs verschachtelt sind. Die Schichten 4 und 6 sind gedopt, um einen PN-Übergang 8 rechtwinklig zu den Ebenen der Schichten 4 und 6 zu bilden.

Damit die Vorrichtung von Figur 1 Laserwirkung bei verteilter Rückkopplung zeigt, müssen abwechselnde Bereiche der Verstärkung und des Brechungsindex rechtwinklig zur Ebene des PN-Übergangs 8 vorgesehen sein. Die GaAs-Schichten 4 und die GaAlAs-Schichten 6 liefern diese zwei unterschiedlichen Eigenschaften.

17 3

GaAs hat zunächst bei einem Dotierungsniveau von 10 /cm einen Brechungsindex von etwa 3,6, welcher größer ist als der Bre-

60984B/0655

chungsindex 3,4 des Ga .,AL- ,As bei demselben Dotierungs-

U , / U, J

niveau. Die Größe des Unterschieds ändert sich mit der Änderung der Konzentration des Aluminiums in den GaAlAs-Schichten 6, wobei Aluminiumkonzentrationen zwischen O_#O4 und 0,9 befriedigende Ergebnisse liefern. Ferner besitzt GaAs eine Bandlücke von 1,41 eV, was beträchtlich niedriger liegt als die 1,8 eV-Bandlücke des GaAlAs.

Wenn der Laser von Figur 1 elektrisch gepumpt wird, indem beispielsweise 0,5-Mikrosekunde-Impulse von etwa 7 Ampere und 15 Volt mit einer Impulsfrequenz von einem Impuls pro 10 Sekunden an Elektrode 10 angelegt werden und die Elektrode 12 geerdet ist, so leiten die GaAs-Schichten 4 Strom und senden Licht aus. Die GaAlAs-Schicht 6 emittiert kein Licht aufgrund der höheren Bandlücke dieser Schichten. Das durch die Schichten 4 erzeugte Licht durchläuft den gesamten Bereich zwischen der oberen Oberfläche 2a und der unteren Oberfläche 2b des Lasers 2, da die GaAlAs-Schichten 6 bei der von den GaAs-Schichten 4 ausgesandten Wellenlänge nicht absorbieren. Um Laserwirkung zu ergeben, muß eine konstruktive Rückkopplung des von den Schichten 4 ausgesandten Lichtes stattfinden. Rückkopplung wird dadurch erreicht, daß jede der GaAs-Schichten 4 bezüglich ihrer Dicke die Beziehungen

^¹¹GaAs
erfüllt und jede der GaAlAs-Schichten 6 die Dickenbeziehung

SaAlAs = (2)

¹¹GaAlAs

erfüllt, worin λ die Wellenlänge 4es von den GaAs-Schichten 4 emittierten Lichtes ist und in eine kleine ganze Zahl ist, die der Bragg'sehen Ordnung entspricht, und wobei n_G _ und n

609845/0655

■— 5 —

die Brechungsindices der Schichten 4 bzw. 6 sind. Bei diesen Dicken werden die nach oben und nach unten laufenden Lichtwellen, die von den GaAs-Schichten 4 ausgesandt werden, gekoppelt und in kohärenter Weise verstärkt durch die GaAlAs-Schichten 6, so daß die Reflektionen in Phase sind, wodurch Laserbetrieb bei Abwesenheit von Endspiegeln möglich ist. Wenn m gleich 1 ist und die Wellenlänge des von den GaAs-Schichten 4 ausgesandten Lichtes 8.500 Ä ist, so besitzen die Schichten 4 eine Dicke von etwa 1.180 R und die Schichten 6 eine Dicke von etwa 1.250 S. Für ausreichende Rückkopplung zur Laserwirkung wird angenommen, daß die Anzahl der Schichten aus verschiedenem Material in der Größenordnung von 20 oder mehr liegen sollte.

Die Vorrichtung, von Figur 1 wird hergestellt, indem aufeinanderfolgende Schichten aus n-GaAs und n-GaAlAs bis zu jeweils der Dicke gezüchtet werden, die von den Gleichungen (1) und (2) bestimmt wird. Dies kann durch herkömmliche Flüssigkeitsphase-Epitaxialzüchtungsverfahren erreicht werden, bei denen der Laserkörper zwischen η-dotierten Schmelzen aus GaAs und GaAlAs hin und her geschwenkt wird. Nach der Bildung bzw. Züchtung der n-Typ-Vielfachschichten aus GaAs und GaAlAs wird der PN-Übergang 8 durch Diffusion eines p-Dotierungsmaterials von der rechten Kante der vielschichtigen Vorrichtung aus gebildet. Dann werden Kontakte 10 und 12 an der rechten und linken Kante der vielschichtigen Vorrichtung 2 angebracht.

Figur 2 zeigt eine weitere Ausfuhrungsform eines vielschichtigen Lasers 20, der gemäß der Erfindung ausgebildet ist. Der Laser von Figur 2 besitzt dieselben Schichtdicken und Pumpbedingungen wie der Laser von Figur 1. Nach Bildung des PN-Überganges 8 können die GaAlAs-Schichten 6 bis unter den PN-Übergang 8 fortgeätzt werden, und zwar durch eine bevorzugt wirk-

609846/0.6 55

same Ätzlösung, die mit den GaAlAs-Schichten 6 chemisch reagiert, nicht aber mit den GaAs-Schichten 4. Salpetersäure ist eine geeignete bevorzugt wirksame Ätzlösung. Wenn die GaAlAs-Schichten 6 bis unter den PN-Übergang 8 fortgeätzt worden sind, so kann kein Strom durch den PN-Übergang 8 aus einer Schicht zu der nächsten fließen. Ferner wird der Brechungsindex des Materials angrenzend an die GaAs-Schichten 4 stark erhöht. Diese Faktoren vergrößern den Betrag der konstruktiven Rückkopplung, die pro Schicht erhalten werden kann, und ermöglichen niedrigere Schwellen-Pumpstromdichten.

Figur 3 zeigt einen erfindungsgemäßen vielschichtigen Laser 22, bei dem Lichtemission über einen weiten Bereich des Lasers erzielt wird. Bei diesem Laser sind die Schichtdicken und Zusammensetzungen dieselben wie bei dem Laser nach Figur 2, wobei der Unterschied darin liegt, daß der PN-Übergang gebildet ist, nachdem Teile der GaAlAs-Schichten bevorzugt fortgeätzt worden sind. Da nun Licht aus den GaAs-Schichten über einen weiten Bereich dieser Schichten emittiert wird, kann man Laserwirkung über einen großen Bereich der Laservorrichtung 22 erzielen.

Eine weitere Ausbildung zur Erzielung von Lichtemission über einen weiten Bereich des Lasers ist in Figur 4 gezeigt. Nachdem Teile des n-GaAlAs bevorzugt fortgeätzt worden sind (wie bei der Ausbildung des Lasers nach Figur 3) , wird in den geätzten Hohlräumen eine p-Typ-Schicht aus GaAlAs gezüchtet durch ein Flüssigkeitsphase-Epitaxyverfahren zur Herstellung des Lasers 24 von Figur 4. Der Laser 24 ist mit stärkerem Rrper ausgebildet als der Laser 22 von Figur 3 und weist eine doppelte HeteroÜbergangs gestalt auf. Aufgrund der Stromeingrenzung durch die Heteroübergangsschichten sind niedrigere Schwellen möglich. Wie im Falle des Lasers 22 kann auch hier Laserwirkung über einen großen Bereich der Oberfläche erzielt werden, was zu einem Ausgangsstrahl von hoher Leistung und niedriger Divergenz führt.

609845/0665 ...

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die Verwendung von GaAs- und GaAlAs-Schichten. Es können auch andere Materialien verwendet werden/ die in der·Lage sind, in dünnen Schichten gezüchtet zu werden, wie beispielsweise GaP oder GaAlP.

6093^5/06 5 5

Claims

-8- 26Ü7708

Patentansprüche

Elektrisch gepumpte vielschichtige Laserdiode, gekennzeichnet durch

eine erste Mehrzahl von Schichten (4) aus einem ersten Halbleitermaterial ,

eine zweite Mehrzahl von Schichten (6) aus einem zweiten Halbleitermaterial,

wobei die zweite Mehrzahl von Schichten (6) mit der ersten Mehrzahl von Schichten -(4) verschachtelt ist, so daß abwechselnde Schichten des Lasers aus verschiedenem Halbleitermaterial sind, wobei jede der Mehrzahl von verschachtelten Schichten eine Dicke t entsprechend der Beziehung t = —rr— aufweist, worin m eine ganze Zahl ist, die gleich dem Modus der Laserschwingungen ist,Xdie Wellenlänge der in der ersten Mehrzahl von Schichten (4) bei elektrischem Pumpen derselben erzeugten Lichtphotonen ist und η der Brechungsindex des Materials jeder Schicht ist,

einen Gleichrichterübergang (8), der sich wenigstens durch die erste Mehrzahl von Schichten (4) hindurch erstreckt, und eine Einrichtung zum elektrischen Pumpen der ersten Mehrzahl von Schichten zur Erzeugung der Lichtphotonen mit der Wellenlänge, wobei die Lichtphotonen gekoppelt und in Phase durch die zweite Mehrzahl von Schichten (6) verstärkt werden, so daß dadurch ein kohärenter Ausgangsstrahl erzeugt wird.
2. Laserdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Halbleitermaterial Galliumarsenid ist und das zweite Halbleitermaterial Galliumaluminiumarsenid ist.
3. Laserdiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß.die erste Mehrzahl von Schichten (4) sich über die zweite Mehrzahl von Schichten (6) hinaus erstreckt und der Gleichrichterübergang (8) sich nur durch die erste Mehrzahl von Schichten hindurch erstreckt. 609845/0655
4. Laserdiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Mehrzahl von Schichten (4) sich über die zweite Mehrzahl von Schichten (6) hinaus erstreckt und der Gleichrichterübergang (8) sich durch die erste und zweite Mehrzahl von Schichten nahe einer Kante der ersten und zweiten Mehrzahl von Schichten hindurch erstreckt.
5. Elektrisch gepumpte vielschichtige Laserdiode, gekennzeichnet durch

eine erste Mehrzahl von Schichten aus einem ersten Halbleitermaterial mit einem Brechungsindex η^,

eine zweite Mehrzahl von Schichten aus einem zweiten Halbleitermaterial mit einem Brechungsindex n~,

wobei die zweite Mehrzahl von Schichten mit der ersten Mehrzahl von Schichten verschachtelt ist, so daß abwechselnde Schichten des Lasers aus verschiedenem Halbleitermaterial sind, wobei jede der ersten Mehrzahl von Schichten eine Dicke t entsprechend der Beziehung t = ·=£■— aufweist und jede der zweiten

Mehrzahl von Schichten eine Dicke t entsprechend der Beziehung t = ■ ■ aufweist, worin m eine ganze Zahl ist, die gleich dem Modus der Laserschwingungen ist und λ die Wellenlänge der in der ersten Mehrzahl von Schichten bei deren elektrischem Pumpen erzeugten Lichtphotonen ist,

einen Gleichrichterübergang, der sich durch die erste und zweite Mehrzahl von Schichten in einer Ebene senkrecht zu den längsgerichteten Oberflächen der ersten und zweiten Mehrzahl von Schichten hindurch erstreckt, und

eine Einrichtung angrenzend an die Ebene des Gleichrichterübergangs zum elektrischen Pumpen des vielschichtigen Lasers mit Spannungsimpulsen von derartiger Amplitude und Frequenz, daß nur die erste Mehrzahl von Schichten Lichtphotonen emittiert, wobei die Lichtphotonen eine solche Wellenlänge aufweisen, daß sie von der zweiten Mehrzahl von Schichten in Phase reflektiert werden, so daß ein kohärenter Ausgangslichtstrahl von dem Laser emittiert wird.

6098AS/.0 6B5