DE2856507A1 - Halbleiter-laserdiode - Google Patents

Halbleiter-laserdiode

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DE2856507A1 DE19782856507 DE2856507A DE2856507A1 DE 2856507 A1 DE2856507 A1 DE 2856507A1 DE 19782856507 DE19782856507 DE 19782856507 DE 2856507 A DE2856507 A DE 2856507A DE 2856507 A1 DE2856507 A1 DE 2856507A1
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Description

2356507
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 78 P 3 0 6 1 BRO
Halbleiter-La serdiode.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine leiter-La serdiode, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben ist.
Aus dem Stand der Technik sind Halbleiter-Streifenlaserdioden bekannt, bei denen in einem Halbleiterkör-. per mit vorgegebener Schichtfolge aus N- und P-leitendem Halbleitermaterial ein Bereich derart ausgebildet ist, daß praktisch nur innerhalb dieses Bereichs die einer Laserdiode entsprechende Verstärkung kohärenter Strahlung erfolgt. Sinn und Zweck einer derartigen Streifenform einer Halbleiter-Streifenlaserdiode ist, die bezüglich anderer als der gewünschten Ausbreitungsrichtung der erzeugten Laserstrahlung auftretenden transversalen Moden und/oder einen zu dieser gewünschten Strahlungsrichtung seitlich zu breit ausgedehnten Stromfluß zwischen den Elektroden der Halbleiter-Laserdiode durch deren Halbleiterkörper hindurch einzudämmen.
Bts 1 ßla /27.12.7S30029/0107
2356507 -i- 78 P δ 3 6 1 BRD
Derartige Halbleiter-Streifenlaserdioden, d.h. HaIbleiter-Lasördioden mit einem seitlich eng begrenzten, nur streifenförmig ausgebildeten laseraktiven Bereich, sind bisher in der Weise realisiert worden, daß ein solcher Bereich mit Hilfe der aufwendigen Protonenimplantation erzeugt worden ist oder daß entsprechend älterem Entwicklungsstand im Halbleiterkörper sperrende PN-Übergänge vorgesehen worden sind. Andere Aufbauformen einer derartigen Laserdiode sind der mit Hilfe zweifacher Epitaxie hergestellte sogenannte Buried-Laser mit einer vergrabenen laseraktiven Schicht oder der channeled-substrate-planar-Laser, bei dem aufgrund seines Aufbaues im wesentlichen nur eine Kontrolle der Ausbildung der Schwingungsmoden erreicht ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen vereinfachterweise herstellbaren Aufbau einer Halbleiter-Laserdiode anzugeben. v
Diese Aufgabe wird für eine Laserdiode nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst, wie dies im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegeben ist. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Der Erfindung liegt die Anwendung einer besonderen Eigenschaft eines Chrom-üold-Kontakts auf Halbleitermaterial wie Galliumarsenid zugrunde. Wie an sich prinzipiell bekannt, ist ein Cr-Au-Kontakt auf hochdotiertem P-üalliumarsenid mit einer (P-,) Dotierung von z.B.
19 —3
>10 cm niederohmig, hat jedoch auf dagegen weniger hochdotiertem P-Galliumarsenid mit einer Dotierung von z.B. 10 cm~"^ einen sehr hochohmigen, sperrenden Kontakt." Die erwähnte nochohmigkeit des Kontakts wird durch das Entstehen von Blockierspannungen bei niedrig dotiertem
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2 8 S :3 78 P 8 0 6 1 BRD
GaAlAs vergrößert.
Mit der Erfindung ist eine Halbleiter-Laserdiode geschaffen, zu deren Herstellung- keine Protonenimplantation, auch nicht die zweifache Epitaxie mit zwischen den Epitaxieschritten auszuführenden üearbeitungsvorgängen und weder Diffusionsschritte noch Oxidationsschritte benötigt werden, mit denen Begrenzungen der laseraktiven Zone erreicht werden. Eine nalbleiter-Laserdiode nach der vorliegenden Erfindung , bei der eine Eingrenzung des Strompfades mit Hilfe eines besonderen halbleiterspezifischen Sperreffekts erreicht wird, läßt sich dagegen in wesentlich vereinfachter Weise herstellen.
Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der anhand der beigefügten Figuren gegebenen, nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung hervor.
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Fig.1 zeigt einen nur schematisch wiedergegebenen 4-Schicht-Doppelhetero-Aufbau einer üaAlAs-uaAs-Laserdiode.
Fig.2 zeigt eine nach der Erfindung aufgebaute Doppelhetero-Laserdiode.
Der Aufbau der bekannten Doppelhetero-Laserdiode nach Fig.1 hat einen N-leitenden Halbleiter-Substratkörper aus z.B. Galliumarsenid. Auf der einen Oberfläche sind nacheinander aufeinanderfolgend eine N-leitende Gallium-Aluminiumarsenid-Schicht 3, eine P- oder gegebenenfalls auch N-leitende Galliumarsenid-Schicht 4, weiters eine P-leitende Gallium-Aluminiumarsenid-Schicht 5 und schließlich eine hochdotiert CP+)P-Ieitende Galliumar-
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78 P 3 0 6 1 BRQ
arsenid-Schicht 6 aufgebracht. Mit 7 und 8 sind ElektrodenbeSchichtungen bezeichnet.
Der Stromfluß zwischen den Elektroden 7 und 8 durchflutet den gesamten Halbleiterkörper, bestehend aus dem Substrat 2 und den darauf befindlichen Schichten 3 bis 6 in seinem gesamten (zur Durchflutungsrichtung orthogonalen) Querschnitt. Die gewünschte Ausbreitungsrichtung der mit dieser bekannten Diode zu erzeugenden Laserstrahlung ist senkrecht zur Darstellungsebene der Fig.1. Der Halbleiterkörper der bekannten Diode der Fig.1 hat in dieser Richtung eine Abmessung τοη z.B. 300/um. In der dazu und zur Durchflutungsrichtung zwischen den Elektroden 7 und 8 senkrechten Richtung (Breite in der Fig.1) läßt sich ein solcher Halbleiterkörper schon allein aus Stabilitäts- und/oder Kontaktierungsgründen nicht beliebig schmal, und zwar so schmal ausführen, daß einerseits eine möglichst effektive Strahlungserzeugung für die Laserstrahlung erfolgt und andererseits diese Strahlung möglichst frei τοη transversalen Moden ist. Aus diesem Grund sind die oben bereits erwähnten, hier jedoch nicht weiter dargestellten Maßnahmen zu bekannten Laserdioden ergriffen worden, die Durchflutung "des" Halbleiterkörpers zwischen den Elektroden in der Breite einzuschnüren.
Fig.2 zeigt nun einen nach der Erfindung aufgebauten Streifenlaser-Halbleiterkörper 10. Dieser umfaßt einen Substratkörper 12 aus z.B. n+-leitendem Galliumarsenid. Die in (Richtung zur Darstellungsebene in Fig.2 senkrechter) Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung gewählte Abmessung des Halbleiterkörpers beträgt z.B. 200/um. Seine dazu (in der Darstellung der Fig.2 als Breite vorliegende) laterale Abmessung beträgt z.B. 200/um. Die Dicke (Höhe in der Fig.2) des Substratkörpers 12 beträgt z.B. 80/um. Wie aus der Fig.2 ersicht-
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2356507 78 P 3 0 8 1 BRD
lieh, befinden sich auf diesem Substratkörper .12 -eine erste Schicht 13 aus z.B. N-Ga 5Al0 ,-As mit einer M-Dotierung von z.B. r1*Hö17cm . *Die Dicke dieser Schicht 13 beträgt z.B. 0,9/um. Die weitere darauf befindliche im Betrieb laseraktiv wirksame Schicht 14 besteht z.B, aus wahlweise P- oder iM-leitendem GaAs mit einer P- oder
17 "7J
JN-Dotierung von*1-10 'cm . Die wiederum darauf befindliche Schicht 15, die zunächst vergleichsweise in der Fig.1 mit ganzflächig gleichmäßiger Dicke von z.B. 0,8 ,um auf der gesamten Schicht 14 vorhanden ist, besteht dann aus P-leitendem Al-Galliumarsenid, z.B. aus
17 -1^ GaQ 5AI «As, dessen P-Dotierung etwa 1.10 'cm ist.
Die wiederum darauf befindliche, ebenfalls zunächst wie die Schicht 15 ganzflächig vorhandene Schicht 16 besteht, angepaßt zu den vorangehenden Schichtn, z.B. aus P+-leitendem Galliumarsenid mit einer Dotierung von z.B. 2-1019cm"3. Die Dicke der Schicht 16 liegt vorteilhafterweise zwischen 0,3 und 0,5/um, bevorzugt bei 0,3 am. Die Dicke der Schicht 16 soll im Verhältnis zur Dicke der Schicht 15 dünn sein, z.B. einem Verhältnis von 1:2 bis 1:5 entsprechen. Damit vereinfacht sich das Herstellungsverfahren, wie aus der nachfolgenden Beschreibung noch näher hervorgeht.
Wie aus der perspektivischen Ansicht der Fig.2 erkennbar, müssen von der Schicht 16 die seitlichen Anteile in ihrer Gesamtheit beseitigt sein und vorteilhafterweise sind von der Schicht 15 seitliche Anteile bis zu einer verbleibenden Restdicke entfernt. Diese Restdicke beträgt z.B. noch 0,4/um und reicht damit aus, daß kein elektrischer Kontakt zur benachbarten Schicht 14 auftritt. Die verbliebenen Restdickenanteile der ursprünglichen Schicht 15 sind mit 151 und 152 bezeichnet. Dieses Entfernen von Halbleitermaterial der Schichten 16 und 15 erfolgt vorzugsweise mittels Fotoresist- und Atz-
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technik. Der von der Schicht 16 verbliebene streifenförmige Anteil hat eine wie aus der Fig.2 ersichtliche, dem Substratkörper 11 gegenüber verringerte Breite von z.B. nur noch 3 bis 10 Aim. Der sich aus der verringerten Breite und der unverändert gebliebenen Länge (200 /um; ergebende, für die Stromdurchflutung wirksame Querschnitt bestimmt die Streifenform bzw. -fläche des laseraktiven Bereichs im gesamten Halbleiterkörper 10. Der eigentliche Cstreifenförmige; laseraktive, mit 21 angedeutete Bereich liegt jedoch in der Schicht 14.
Eine erfindungsgemäße Diode ist mit ihren Elektroden an die Versorgungsspannung so anzuschließen, daß diese Diode (mit der an sich bekannten Schichtfolge; in Flußrichtung betrieben ist. Vie aus der Fig.2 ersichtlich, befindet sich auf der nach dem Entfernen von Material der Schichten 16 und 15 verbliebenen Oberfläche des Halbleiterkörpers 10 eine über den verbliebenen Anteil der Schicht 16 seitlich hinausgreifende Elektrodenschicht 18 aus einer Chrom-Gold-Legierung, wobei diese jyiaterialauswahl auf das Galliumarsenid bzw. Gallium-Aluminiumarsenid der Schichten 16 und 15 abgestimmt ist. Zwischen der Schicht 16 und der Elektrode 18 liegt ein sehr niederohmiger Übergangswiderstand vor. Dagegen weist der Übergang zwischen der Elektrode 18 und der Schicht 15 eine aus Sperreffekt und Hochohmigkeit gebildete Eigenschaft auf. Die vorstehend erörterte Unterschiedlichkeit der übergänge führt dazu, daß nur in dem für die Erzeugung der Laserstrahlung entseheindenden Streifenbereich des Halbleiterkörpers 10 ein für diese Erzeugung der Laserstrahlung ausreichender Stromfluß (größer als der Schwellenstrom; vorliegt. In den Bereichen 151 und 152, in denen unmittelbare Berührung zwischen der Kontaktschicht 18 und dem lxiaterial der Schicht 15 vorliegt, tritt dagegen vergleichsweise kein
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Stromfluß auf, so daß in seitlich zum Bereich 21 gelegenen .tiereichen des Halbleiterkörpers 10 keine Erzeugung von Laserstrahlung stattfindet. Diese Eingrenzung in der breite führt auch zu einer Verringerung der Aus-"bildung transversaler Schwingungsmoden der erzeugten Laserstrahlung.
Das eigentliche laseraktive Gebiet ist hier mit Schraffur angedeutet und mit 22 bezeichnet. Entsprechend einem Abfall der Stromdichte in seitlicher Richtung (Breite in Fig.2) kann das eigentliche laseraktive Gebiet 22 gegen dem Stromflußbereich 21 noch eingegrenzt sein.
Die an dem Substratkörper 12 befindliche Gegenelektrode 17 besteht z.B. aus einer Gold-Germanium-Nickel-Legierung, deren Verwendung hierfür an sich bekannt ist und die einen nicht-sperrenden und niederohmigen Übergang vorzugsweise auf N-dotiertem Galliumarsenid bildet.
Die Ausführung nach Fig.2 enthält auch eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, die zu weiteren Verbesserungen der Lasereigenschaften führt. Diese Ausführung besteht in der vorgenommenen Beseitigung auch von Material der Schicht 15-in seitlich zum Streifenbereich 21 gelegenen Anteilen des Halbleiterkörpers 10. Damit ist nämlich auch eine seitliche Eingrenzung in der Schicht 15' erreicht. Diese seitliche Eingrenzung verringert zusätzlich eine sonst auftretende Aufweitung des Strompfades in seitlicher Richtung. Auch läßt sich damit zusätzlich eine Bevorzugung der Anregung des transversalen Grundmodes erreichen.
Bei der erfindungsgemäßen Laserdiode bedarf es vortellhafterweise keiner besonderen Sorgfalt, eine bestimmte ."""■ ' 030029/0107
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geringe Breite (21 - senkrecht zur Laserstrahlungsrichtung) des gesamten Halbleiterkörpers und/oder der Elektrode 18 einzuhalten.
Xn Fig. 2 ist mit den Pfeilen 19 die ausder erf indungsgemäßen Laserdiode 10, d.h. aus der laseraktiren Zone 22, austretende Laserstrahlung bezeichnet. Diese Pfeile geben auch die Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung innerhalb des Halbleiterkörpers bzw. der Zone 22 an.
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Claims (5)

YPA 78 P 8 0 δ 1 BRD Patentansprüche ι
1. Halbleiter-Laserdiode mit streifenförmiger laseraktiver Zone, bei der eine Metall-Elektrodenschicht, eine erste hochdotierte Halbleiterschicht und eine zweite niedriger dotierte Halbleiterschicht aufeinanderfolgen, gekennzeichnet dadurch, daß das Metall der Elektrodenschicht (18) eine Chrom-Gold-Legierung ist, daß die erste hochdotierte Halbleiterschicht (16) aus P-Galliumarsenid mit einer Dotierung höher als 5*10 cm~J und die zweiter niedriger dotierte Halbleiterschicht (15) aus Gallium (1-x)-Aluminium (x)-Arsenid mit 0<xf1 und einem solchen Grad einer P-Dotierung bestehen, die abhängig von der Größe χ mit der Chrom-Gold-Legierung einen hochohmigen und/oder sperrenden Übergang bildet, und dadurch, daß die erste Halbleiterschicht (16) seitlich zur vorgegebenen Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung (19) auf die Breite der vorgegebenen streifenförmigen laseraktiven Zone (22) abgestimmt begrenzt ist.
2. Halbleiter-Laserdiode.nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die zweite Halbleixerschicht (15) außerhalb der Breite der ersten Halbleiterschicht (16) in ihrer Dicke zu einem Anteil entfernt ist (Fig.2).
3. Halbleiter-Laserdiode nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Wert χ zwischen 0,25 und 0,6 und der Grad der Dotierung in der zweiten Ha
wählt ist.
18 -1^ zweiten Halbleiterschicht (15) kleiner als 10 cm J ge-.
4. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-Laserdiode nach Anspruch 1, 2 oder 3 gekennzeich-
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net dadurch, daß die Breitenbegrenzung der ersten Halbleiterschicht (16), die zunächst ganzflächig erzeugt wird, durch Fotoätztechnik unter Terwendung einer Maske herbeigeführt wird, die den verbleibenden Anteil der ersten Halbleiterschicht (16),(Fig.2) abdeckt.
5. Verfahren nach Anspruch 4,. gekennzeichnet dadurch, daß im selben Yerfahrensschritt des Ätzens der seitlichen Anteile der ersten Halbleiterschicht (16) auch seitliche Anteile der zweiten Halbleiterschicht (15) bis zu einer -verbleibenden Restdicke (151f 152) abgeätzt werden.
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