DE3221497A1 - Stabilisierter halbleiterlaser - Google Patents

Description

Beschreibung Stabilisierter Halbleiterlaser

Die Erfindung bezieht sich auf ein lichtemittierendes Bauelement der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art sowie auf ein Verfahren zum Herstellen wengistens eines vergrabenen Doppelheterostrukturlasers der im Oberbegriff des Anspruchs 8 angegebenen Art.

Die derzeitigen optischen Übertragungsanlagen benutzen eine Lichtquelle und einen Fotodetektor, die durch eine Glas*- übertragungsleitung, üblicherweise eine optische Faser, miteinander optisch gekoppelt sind. Zwei Bauelementtypen, nämlich lichtemittierende Dioden und Laser, haben sich vor allem als Kandidaten für die Lichtquelle empfohlen. Der Laser wird dabei generell als die überlegene Vorrichtung insbesondere bei hohen Datenübertragungsgeschwindigkeiten betrachtet.

Viele Halbleiterlaser-Bauelemente sind als mögliche Lichtquelle in solchen optischen Übertragungsanlagen in Betracht gezogen worden. Derzeit werden übereinstimmend vergrabene Hetero^- Strukturlaser {sog. BH-Laser) als führende Kandidaten für optische Übertragungsanlagen angesehen, und zwar wegen ihrer niedrigen Schwellenwertströme und ihres stabilen Betriebes auch

bei hohen Leistungen. Ein BH-Laser wird üblicherweise herge^· stellt durch Aufwachsenlassen eines Doppelheterostrukturlasers, Ätzen einer Mesa und Ummanteln der Mesa-Seiten mit Halbleitermaterial, das während eines zweiten Wachstumsprozesses aufwachsen gelassen wird. Der resultierende Laser ist brechungsindexgeleitet mit Ladungsträgereingrenzung auf die aktive Schicht in beiden Querrichtungen. Solche BH-Laser haben wünschenswerte Eigenschaften wie eine lineare Licht/ Strom-Kennlinie, Stabilität gegen Pulsieren bei fehlenden gröberen Defekten und keinen optischen Astigmatismus.

Frühe BHrLaser sind in Journal of Applied Physics, 45 (1974) 4899, beschrieben.:/Dort wird;.--ein:.:Äl„Gä... ' ■As>?Ga.Äs<-BH*L-aser beschrieben, mit dem Niedrigstmodenbetrieb erreichbar war. Ein solcher Betrieb ist wünschenswert, da er sicherstellt, daß sich das Lichtemissionsmuster und damit der Kopplungswirkungs-r grad zwischen Laser und optischer Faser nicht ändern werden. Dieser Betrieb wurde erhalten unter Verwendung einer sehr schmalen und dünnen aktiven Zone, deren Höhe und Breite vorteilhaft je kleiner als 0,4 μια sind und die von einem Material eines Brechungsindex umgeben ist, das sich um nicht mehr als 5% von dem der aktiven Schicht unterscheidet. Diese Dimensionsbegrenzungen verhindern einen praktikablen Weg für einen zuverlässigen Aufbau des Lasers und führen auch zu geringen Nennleistungen.

Eine spätere Struktur, die als BH-Laser mit vergrabener optischer Wellenleitung (BOG) bezeichnet wird, ist in , Applied Physics Letters 35 (1973) 513 beschrieben. Dieses Bauelement benutzt eine wellenleitende Schicht, die zur aktiven Schicht benachbart -ist, um das Nahfeldmuster senkrecht zur übergangsebene zu verbreitern und damit die Leistung zu erhöhen, die in einen optischen Film gekoppelt werden kann. Das Bauelement kann mit einer Streifenbreite von bis zu 4 μΐη arbeiten. Eine solche Abmessung wird nur erhalten, wenn die vergrabene Schicht einen Brechungsindex besitzt, der dem der wellenleitenden Schicht sehr eng angepaßt ist.

Ein BH-Laser, der den derzeitigen Stand der Technik repräsentiert, ist der vergrabene Laser mit optischer Wellenleitung (BOG-Laser), der in IEEE Journal of Quantum · Electronics, QE-16 (1980) 205, beschrieben ist. Dieser Laser ist mit einem passiven optischen Wellenleiter verknüpft und die Gesamtanordnung besitzt einen hohen differentiellen Quantenwirkungsgrad, eine geringe Fernfeldausbrextung und hohe Grenzen für optische Zerstörung. Mit dem BOG-Laser sind Schwellenwertströme bis herab zu IOmA/μπι Streifenbreite erreicht worden.

Während der bekannte BOG-Laser für viele Zwecke befriedigend ist, hat er den Nachteil, daß einzelne Schritte seiner Herstellung äußerst kritisch sind. Obgleich es relativ

fach ist, BH- oder BOG-Laser mit Multimoden-Wellenleitern zu züchten, weil wenig Beschränkungen für die zweite oder Wiederaufwachs-Zusammensetzung gegeben sind, ist es schwierig, BH- oder BOG-Laser mit Wellenleitern herzu<stellen, die entweder Einzelmoden-Wellenleiter sind oder mit einer Transversalgrundmodenverstärkung, die beträchtlich größer als die Verstärkung aller anderen Moden ist, verknüpft sind, ohne daß kritische Anforderungen hinsichtlich Zusammensetzung, Abmessungen usw, auftreten. Bei den BH- und den BOG-Lasern wird der gewünschte Niedrig*- Modenbetrieb erhalten durch Wahl des Brechungsindex der zweiten Aufwachsschicht, der äußeren Ummantelungsschicht, dergestalt, daß der Brechungsindex nur sehr wenig kleiner ist als der effektive Brechungsindex der Mesa-Schichten. Dieses bedingt sehr kritische Grenzen für die Zusammensetzung der Wiederauf wachsschicht. Beispielsweise hat für 2-3 μΐη breite BOG-Laser der Wert χ der Al₁₁Ga₁ As-Wiederaufwachsschicht nur um etwa 1 bis 2% größer zu sein als der effektive Wert von χ (χ _ffJ für die Mesa-Schichten. Da χ _ff eine Funktion der Abmessungen und der Zusammenr Setzungen der Schichten der zentralen Mesa ist, müssen auch diese Schichten innerhalb enger Grenzen gehalten werden., Die prozentuale Änderung des Brechungsindex η ist etwa der prozentualen Änderung in x, d. h. wenn sich η um 1 % ändert, ändert sich χ um 5%.

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Gemäß der Erfindung wird dieser Problerakreis für eine lichtemittierende Struktur mit einer aktiven Schicht, einer ersten und einer zweiten Halbleiterschicht auf . gegenüberliegenden Seiten dsr aktiven Schicht und einer dritten Schicht, die gegenüberliegende Seitenflächen der aktiven, der ersten und der zweiten Halbleiterschicht kontaktiert, dadurch angegangen, daß die aktive Schicht einen Bandabstand hat, der kleiner ist als die Bandabstände der ersten und der zweiten Halbleiterschicht und die dritte Schicht eine Halbleiterschicht ist, deren Brechungsindex um wenigstens 4% kleiner ist als der Brechungsindex der aktiven Schicht.

Es wurde gefunden, daß ein vergrabener Einzelmoden-Heterostrukturlaser ohne jede kritische Herstellungsschritte erzeugt werden kann. Das Fehlen kritischer Herstellungsschritte und die Einfachheit des Aufwachsenlassens rührt davon her, daß nicht versucht wird, eine Einzelmoden-Struktur durch sorgfältige Steuerung von Abmessungen und Zusammensetzung aufzuwachsen, sondern eine Vielfachmoden-Wellenleitung durch Aufwachsen einer begrabenden Schicht einer Zusammensetzung erzeugt wird, die eine große Brechungsindexdiskontinuität zwischen der Mesa und der begrabenden Schicht erzeugt. Die Brechungsindex-Diskontinuität und, wie weiter gefunden wurde, eine Rauhigkeit der Ilesa-Wände führen zu Dämpfungen, die mit

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der Modenzahl stark zunehmen und effektiv zu einem Niedrigstmodenbetrieb führen.

Ein bevorzugtes Herstellungsverfahren für das lichtemittierende Bauelement der in Rede stehenden Art ist Gegenstand des Anspruches 8.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines dämpfungsstabilisierten vergrabenen Heterostrukturlasers gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit' des errechneten Grenzflächenstreuverlustes (Ordinate) von der Mesa<-Breite (Abszisse) für einen erfindungsgemäßen Laser und

Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung des Streuungsverlustes (Ordinate) von der Brechungsindexdiskontinuität (Abszisse) für die beiden niedrigsten Moden für einen erfindungsgemäßen Laser.

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäß ausgebildetes Bauelement 100. Das Bauelement 100 weist ein Substrat 1 auf, und auf diesem eine erste Mantelschicht 3, eine erste Wellenleitschicht 5, eine aktive Schicht 7, eine zweite Wellenleitschicht 9 und eine zweite Mantelschicht 11. Die durch die Schichten 3, 5, 7, 9 und 11 gebildete Mesa ist innerhalb einer allgemein mit 110 bezeichneten Schicht eingebettet, die_f wie dargestellt, gegenüberliegende Seitenflächen der Schichten 3, 5, 7, 9 und 11 ebenso das Substrat 1 berührt. Die Schicht 110 ist ihrerseits aus den Schichten 19/ 21 und 23 aufgebaut. Auf der Schicht 11 und der Schicht 23 befindet sich eine Diffusionsschicht 13 und Metallschichten 15 und 17. Eine Schicht 25 befindet sich auf der Oberfläche des Substrats gegenüber den Schichten 3 und 19.

Der besseren Klarheit halber sind die einzelnen Bestandteile des Bauelementes nicht maßstabsgerecht gezeichnet« Die aktive Schicht hat einen Bandabstand, der kleiner ist als die Bandabstände der Schichten 3 und 11 und der Schichten 5 und 9. Außerdem ist eine große Diskontinuität im Brechungsindex zwischen den Mesa-Schichten und der Schicht 110 vorhanden. Der Brechungsindex der Schicht 110 ist generell wenigstens 4% kleiner als der effektive Brechungsindex der Mesa-Schichten.

Die Brechungsindexdiskontinuität trägt, wie noch beschrieben wird, zu Verlusten bei, die sich mit zunehmender Modenzahl stark erhöhen und einen Selektionsmechanismus für einen Betrieb im niedrigsten Mode liefern. Dieses wird ohne kritische und bei der Herstellung nur schwierig zu realisierende Einschränkungen für die maximalen Abmessungen der aktiven Schicht oder für die Zusammensetzung der begrabenden Schicht erreicht.

Das Substrat 1 und die Schichten 3 und 5 sind von einem ersten Leitungstyp, und die Schichten 9 und 11 sind von einem..zweiten Leitungstyp, so daß ein pn-übergang innerhalb der aktiven Schicht gebildet wird. Die aktive Schicht kann von jedem der beiden Leitungstypen sein. Die Schicht 21 ist vom zweiten Leitungstyp, und die Schichten 19 und 23 sind vom ersten Leitungstyp. Bei einer bevorzugten Ausführungsform steht der erste Leitungstyp für n-Leitfähigkeit und der zweite Leifcungstyp für p*-Leitfähigkeit.

Die Halbleitermaterialien können aus den Ill-V-Verbindungshalbleitern ausgewählt sein. Beispielsweise kann Al Ga₁ As

X I —X

oder InGaAsP benutzt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Halbleiterschichten aufgebaut aus Al Ga_1-As mit x=0 für das Substrat 1 und die Schicht 7, χ = 0,30 für die Schichten 3 und 11, χ = 0,15 für die Schichten 5 und 9, und χ = 0,65 für die Schichten 19, 21 und 23. Dabei sind die Schichten 3 und 5 η-leitend und die Schichten 7,

und 11 p-leitend. Ferner sind die Schichten 19 und 23 nleitend und ist die Schicht 21 p-leitend.

Die vorliegenden Laser werden zweckmäßig nach einem Verfahren hergestellt _T das eine Modifikation des allgemein bekannten zweistufigen Flüssigphasenepitaxieverfahrens ist und das an Hand der Herstellung von Al Ga., As-Laser beschrieben wird. Im ersten Schritt wird die gewünschte Laserstruktur aufgewachsen und die Gesamtdicke der epitaktischen Schichten ist typischerweise etwa 4 μΐη. Es ist notwendig, durch die epitaktischen Schichten hindurch in das Substrat zu ätzen, um die Mesen auszubilden, wobei die Masken bekanntlich nach geeigneten kristallographischen Orxentierungen ausgerichtet werden, so daß eine Mesa in der dargestellten Form erzeugt wird. Eine 12 μπι breite Streifenmaske diente zur Erzeugung von Mesen mit einer Breite von 4μπι an der Oberseite. Die Breite der Maske ist im allgemeinen etwa 3 mal so groß wie die Breite des schmalen Teils der Mesa. Ein geeignetes Ätzmittel ist H₂SO₄JH₂O₂ (30%)ί H₂O = 1:8:10 bei 24⁰C. Die Streifen waren längs den <110 >- oder <00T ^Kristallrichtungen orientiert, um schmale taillierte Mesen zu erzeugen, wobei die Breite der Mesa bei der aktiven Schicht aus noch zu erörternden Gründen generell kleiner als .3μιη ist. Das Ätzen wird zweckmäßig überwacht durch

Beobachten der Breite der Mesa-Oberseite durch die transparente Fotoresistmaske hindurch. Beispielsweise kann eine Shipley-1350J-Fotoresistmaske benutzt werden.

Diese Prozedur liefert die gewünschten Mesen leicht, wobei die bis ins Substrat geätzten Mesen in ihrer oberseitigen Breite als Folge der extensiven Ätzbehandlung etwas schwanken. Auf Grund visueller Prüfungen wurde geschätzt, daß sich die oberseitige Mesa'-Breite im allgemeinen schwach über Entfernungen von 10 um änderte und daß die maximale Breitenänderung typischerweise etwa 0,3 μπι betrug, während der quadratische Mittelwert (RMS) der Amplitude A der Schwankungen in der Lage jeder MesarSeitenwandfläche etwa 0,1 lim betrug. Die Fotoresistmaske wurde in einer üblichen Fotoresistabstreiflösung entfernt, wonach als letzter Reinigungsschritt ein genetisches Oxid auf der Probenoberfläche gezüchtet wurde. Die Schichten 19, 21 und 23 wurden dann durch epitaktisches Wiederaufwachsen erzeugt. Vor dem Wiederaufwachsschritt wurde das genetische Oxid durch kurzes Eintauchen in eine Lösung aus gleichen Teilen Ammoniumhydroxid und Wasser entfernt.

Statt der beschriebenen aufrauhenden Ätzung kann auch alternativ eine Aufrauhungsmaske benutzt werden, d. h. eine Streifenmaske mit Schwankungen in ihrer Breite. Die

Mesa-Ätzung kann auch wie folgt ausgeführt werden. Zunächst wird die obere Mantelschicht selektiv über Abstände von etwa 100 μΐη, die durch Abstände von etwa 280 μΐη getrennt sind, entfernt, so daß nach dem Wiederaufwachsen und Reinigen in den passiven ΙΟΟ-μΐη-Zonen Laser mit Spiegeln in den passiven Zonen gebildet werden. Dieses geschieht im Wege einer Maskierung, um Schlitze mit Abmessungen von 5 μπι und 100 um in der Heterostruktur-Oberfläche exponiert zurückzulassen, durch die die obere Mantelschicht bis zur aktiven Schicht durchgeätzt wird. Die Oberfläche wird dann gereinigt, die Streifenmaske wird den geätzten Schlitzen überlagert und die Mesaätzung wird ausgeführt.

Eine bequeme Zusammensetzung zum Ummanteln der Mesen, d, h. zum Erzeugen der Schicht 110, ist Al-. gcGa» ,.As, da dieses Material zu ausgezeichneten Stromeingrenzungseigenschaften führt, obgleich jede Al Ga₁ As-Zusammensetzung benutzt wer-

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den kann, bei der der Wert von χ wenigstens um etwa 20% größer als der effektive Wert von χ der Mesa-Struktur ist. Die ausgezeichnete Stromeingrenzung ergibt sich deswegen, weil es sehr schwierig ist, diese Konzentration im Flüssigphasenepitaxieverfahren sowohl p^leitend mit Germanium als auch η-leitend mit Zinn zu dotieren, und sich Mehrfach-pn-Übergänge beim Aufwachsen bei dieser Zusammensetzung zu bilden suchen. Zur Verstärkung dieser Eigenschaft wurden sowohl p-leitende (0,1 Atomprozent Ge) als auch n-^leitende

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(0/4 Atomprozent Sn) Schichten aufwachsen gelassen, und die Abkühlgeschwindigkeit wurde auf 0,4⁰C pro Minute erhöht, ein Wert, der doppelt so groß wie die normale Abkühlgeschwindigkeit ist. Dieses Aufwachsverfahren lieferte eine ausgezeichnete, reproduzierbare Stromeingrenzung mit einer Vielzahl pn-übergängen, die im zweiten Aufwachsschritt d. h. im Wiederaufwachsschritt erzeugt wurden.

Die Zusammensetzung der Schmelzen wurde so eingestellt, um Α1_Λ ,-Ga. -,c^As i^m Wiederaufwachsschritt aufwachsen zu lassen. Die Probe wurde im Aufwachs-Schiffchen bei: konstanter Temperatur (75O⁰C) unter der ersten Schmelze angeordnet. Zum Erhalt einer guten Benetzung wurde die Ofentemperatur 30 Minuten lang um 1°C erhöht. Das resultierende Rückschmelzen, das auf nicht mehr als etwa 0,2 μΐη geschätzt wurde, hilft die geätzte Oberfläche zu reinigen und verringert strahlungslose Rekombination an den Mesa/Wiederaufwachsschicht-Grenzflachen. Nach diesem Rückschmelzr· schritt wurde die Ofentemperatur mit 0,4⁰C pro Minute abgesenkt, um eine etwa 1 μπι dicke Schicht zu züchten. Diese Schicht wurde mit Sn - 0,4 Atomprozent - dotiert, so daß, wenn die Mesa-Seiten benetzt wären und bis zur oberen p-leitenden Mantelschicht in der Mesa wieder aufτ wüchsen, der Stromfluß besser durch den so gebildeten pn-Heteroübergang als durch einen pp-Heteroübergang blockiert sein würde. Die Probe wurde dann unter die zweite Schmelze -

p-leitend mit 0,1 Atomprozent Ge - geschoben und nach einem Aufwachsen von etwa 2 μπι wurde eine weitere n-leitende' Schicht (0/4 Atomprozent Sn) in einer Dicke von etwa 2 um aufgewachsen. Es wurde als vorteilhaft gefunden, die ungefähre Zusammensetzung Al_Q gcGa_{Q 35}As zur Einleitung des Wiederaufwachsschrittes selbst dann zu benutzen, wenn die begrabende Schicht nicht diese ungefähre Zusammensetzung haben soll, weil diese Zusammensetzung sehr gute Benetzungseigenschaften besitzt.

Die Probe wurde dann von oberflächigen Galliumtröpfchen durch sukzessive Anodisierungen gereinigt, in deren Verlauf das Gallium in Oxide umgesetzt wird, die dann von der Oberfläche leicht abgewischt werden können. Es leuchtet ein, daß nach der anfänglichen Anodisierung sich das genetische Oxid nur auf den Mesaoberseiten ausbildet, während nur wenig genetisches Oxid zwischen den Mesen als Folge des durch das Wiederaufwachsen gebildeten hochohmigen Stromweges entsteht.

Da der einzige vertikale Leitungsweg durch das Bauelement durch die Mesa geht, kann dieser Leitungsweg vorteilhaft bei der Herstellung von Feldern aus isolierten und einzeln Jcontaktierbarer Laser benutzt werden. Der Abstand von Laser zu Laser ist durch den Abstand der Streifen in der zur Aus-

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bildung der Mesen benutzten Ätzmaske bestimmt. Wenn die oben beschriebene 12 μηι breite Streifenmaske benutzt wird, dann könnte der Abstand von Laser zu Laser bis auf 15 μη verkleinert werden, da der unmaskierte Abstand von 3 μιη zwischen den maskierten Streifen ausreicht, um die Mesa-A'tzung auszuführen.

Das Bauelement wird dann einer kurzen Zinkdiffusion zum Erhalt einer etwa 0,3 μΐη dicken diffundierten ρ -Schicht unterworfen. Die Metallisierung bestand aus 10 Nanometer Titan (Schicht 15) und 200 Nanometer Au (Schicht 17) auf der p-Seite und aus 30 Nanometer Sn, 50 Nanometer Au und 100 Nanometer Ni (Schicht 25) auf der η-Seite. Unter Verwendung derselben fotolithographischen Methoden wie bei der Mesa-Ä'tzung wurden in das Gold auf der p-Oberfläche 10 bis 25 μιη breite Fenster geätzt, um die Lumineszenz der aktiven Schicht beobachten zu können. Die Metallisierungen wurden legiert, um Ohm^Jsehe Kontakte zu erhalten. Dieses geschah durch kurzes Erhitzen auf 510⁰C, Die Laser wurden durch übliches Spalten hergestellt,

Die in der Laserstruktur benutzten Dotierstoffe liegen bei

Konzentrationen von 3x10 /cm³. Die nominellen Schichtdicken sind: aktive Schicht 0,15 μιη; Wellenleitungsschichten 0,5 μιη;und die obere und die untere Mantelschicht je 1 ,5 μπι.

r. 19 -τ

Der in Fig. 1 dargestellte Laser kann durch Weglassen der Wellenleitungsschichten oder durch Versehen mit nur einer einzigen Wellenleitungsschicht modifiziert werden. Weitere Abwandlungsformen sind ebenfalls möglich. Beispielsweise kann die aktive Schicht aus InGaAsP aufgebaut sein, und die Mantel- und Wellenleitungsschichten aus InP. Außerdem kann die Schicht 110 nur einen einzigen Leitungstyp haben.

Typische Schwellenwertströme waren 7ΐηΑ/μΐη für Laser ohne •Wellenleitungsschichten und 10 mA/μΐη für Laser mit Wellenleitungsschichten,

Die Licht/Stromr-Kennlinie für die dämpfungsstabilisierten vergrabenen Laser mit optischer Wellenleitung war nahezu linear, wobei die differentiellen Quanten-Wirkungsgrade etwa 50 bis 60% betrugen. Die Licht/Strom-Kennlinien für die dämpfungsstabilisierten vergrabenen Heterostrukturlaser waren schwach sublinear, wobei differentielle Quantenwirkungsgrade von annähernd 25 bis 35% verzeichnet wurden. Dieser Umstand macht die vergrabenen Laser mit optischer Wellenleitung den vergrabenen Heterostrukturlasern im allgemeinen überlegen.

Die Temperaturabhängigkeit des Schwellenwertstroms I.« konnte annähernd gleich exp(T/T_Q) gemacht werden, wobei T₀ = 167 ⁰K im Niedrigtemperaturbereich, in dem T kleiner als 325 ⁰K ist, und T_Q = 57 ⁰K im Hochtemperaturbereich, in dem T größer als 350 ⁰K ist, betrug. Die Daten für dämpfungsstabilisierte vergrabene Heterostrukturlaser waren ähnlich. Die genaue Ursache für die abrupte Änderung von T₀ wird nicht vollständig verstanden, es wird aber angenommen, daß dieses eine Folge einer erhöhten Stromleitung um den-aktiven Streifen herum ist. Es wurde be·^ merkt, daß die Stromzunahme mit der Temperatur bei Temperaturen auftritt, die höher sind als jene, bei denen die meisten Laser eigentlich betreibbar sind.

Der dämpfungsstabilisierte Laser wird entweder in einem Transversaleinzelmoden mit entweder einem Longitudinalmoden oder in einigen wenigen dicht beabstandeten Longitudinalmoden betrieben. Jedoch pflegten sich bei hohen Strömen (von im allgemeinen mehr als 2,5 I_th^' ^ie Spektren zuweilen zu verbreitern, und gelegentlich pflegte eine zweite Modengruppe zu erscheinen. In einem Fall, in welchem I.. annähernd 22 mA betrug und eine zweite Modengruppe bei annähernd 70 mA erschien, wurde das Fernfeldmuster durch einen Spektrometer gemessen, und die Laserlinien wurden als dem niedrigsten und ersten angeregten Transversalmode, d. h. TE₀₀ und TE₀₁, zugeordnet identifiziert, wobei der TE».-Mode beim höheren

Strom auftritt. Die gemessenen vollen Winkel bei der halben Intensität waren 21° und 48°. Die Energie des TE_Q1^-Mode ist in der Fotonenenergie um 35cm" höher als die Energie des TE₀₀<-Mode. Dieses ist ein Beweis dafür, daß die Dämpfung des TE₀.'-Mode, wenn der Strom oberhalb des Schwellenwerts von 70 mA für den TE₀₁-Mode liegt, größer ist als die des TE_Q0-Mode. Stimulierte Emission (LaserrAktivität) findet bei einem Wert von hv statt, für den die Verstärkungskurve ein Maximum ist. Wenn die Verstärkung als Folge erhöhter Ladungsträgerdichte zunimmt, dann verschiebt sich das Maximum der Verstärkungskurve zu höheren Energien.

Die große Brechungsindexdiskontinuität von wenigstens 4% zwischen der Schicht 110 und den die zentrale Mesa bildenden Schichten verursacht zusammen mit der Rauhigkeit der geätzten Mesa-Wände Verluste, wenn im Wege einer Gfenzflächenstreuung Licht vom anfanglichen Mode in andere Moden gekoppelt wird. Diese Verluste nehmen, wie sich aus der Erörterung von Fig. 2 ergibt, mit der Modenzahl stark zu und liefern einen Selektionsmechanismus, der den Laser verursacht, im niedrigsten Mode zu arbeiten.

Die Streuverlustkoeffizienten wurden entsprechend der detaillierten Theorie der Grenzflächenstreuung nach D. Marcuse in Bell System Technical Journal 48 (1969) 3187 errechnet. Die Streuverlust-Formel wurde zur Errech-

nung der Streuverluste sowohl für den Mode niedrigster Ordnung als auch für Moden höherer Ordnung benutzt. In Fig. 2 ist der Streuungsverlust auf der Ordinate in cm aufgetragen, während die Streifenbreite in μιη auf der Abszisse aufgetragen ist. Die mit 1, 2, 3, 4 und 5 bezeichneten Kurven stellen die TE_Q0, TE_Q1, TEq^/ ^teo3 bzw. TE«. Moden dar. Die mittlere Amplitude (quadratischer Mittelwert) der Breitenschwankungen, definiert als A, betrug 0,1 μιη, und die Kohärenzlänge der Schwankungen betrug 10 μιη. Diese Werte beruhten auf Näherungsmessungen geätzter Mesen. Die Schicht 110 hatte eine Zusammensetzung von Al₀ ß5^Fan 35^{As un}^ ^^e effektive Zusammensetzung der zentralen Mesa war Α1_Λ ^_o ^Gan _QO ^As· Für diesen Fall ist die Brechungsindexdiskontinuität etwa 10%. Die errechneten Unterschiede zwischen den Schwellenwertströmen für den zweiten Mode und den ersten Mode sind auf Kurve 2 für verschiedene Streifenbreiten W angegeben. Es sei bemerkt, daß für kleine Breiten, beispielsweise 2,5 μπι, der Unterschied im Streuungsverlust für den niedrigsten und den ersten Mode beträchtlich ist und daß der Unterschied zwischen dem Schwellenwertstrom für den zweiten und den ersten Mode ebenfalls beträchtlich ist. Im dargestellten Fall, d. h. einem Wellenleiter mit vielen diskreten Moden, waren über 90% des Streuungsverlustes das Resultat einer Lichtkopplung in gebundene Moden, wobei die restlichen

Verluste ins Kontimium gingen. Sonach erhöht sich der lust (siehe Fig. 2) sowohl mit zunehmender Modenzahl als auch mit abnehmender Streifenbreite W. Dieser Effekt wird weiter verstärkt durch Ätzen derart, daß sich die aktive Schicht im schmälsten Teil der Mesa befindet, was die Breite des aktiven Überganges deutlich kleiner als die Streifenbreite macht, um die Modendiskrimination weiter zu erhöhen.

Im Diagramm nach Fig. 3 ist der Streuungsverlust auf der Ordinate in cm über dem Unterschied der Al-Konzentration der Schicht 110 und der der Mesa dargestellt. Die effektive Al-Konzentration in der Mesa war 0,12 und x, stellt die Al-Konzentration in der Schicht 110 dar. Die Verluste für die beiden niedrigsten Transversalmoden TE__n und TE₀₁ sind dargestellt. Die Kurven gelten für eine Mesabreite von 3 μπι, wobei der Wert von A und die Kohärenzlänge dieselben wie für Fig. 2, nämlich 0,1 μΐη bzw. 10 μπι, sind. Man sieht daher, daß für Δχ = χ.. - χ jcjc.t d.h. x, - 12% größer als oder gleich 4% die Brechungsindexdiskontinuität groß ist und eine wesentliche Modenselektion als Folge der Unterschiede im Streuungsverlust vorhanden ist. Im Gegensatz hierzu fordern die üblichen vergrabenen Heterostrukturlaser ein Δχ, das kleiner als etwa 4% ist. Mit einem ^x größer als etwa 4% kann Grenzflächenstreuung groß gemacht werden und

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die Einzelmodenstabilität üblicher vergrabener Heterostrukturlaser unterstützen.

Die Werte von A und der Kohärenzlänge wurden auf der Basis von visuellen Beobachtungen der geätzten Mesen unter dem Mikroskop gewählt. Die Dämpfungskurven in Fig. 2 und 3 sind proportional

zu A und können für andere Werte dieses Parameters maßstäblich geändert werden. Wenn die Breitenschwankungen zunehmen, wird der Unterschied im Streuverlust zwischen den Moden zunehmen. Jedoch wird auch die Dämpfung des niedrigsten Mode zunehmen und kann unerwünschte Werte erreichen. Der optimale Wert von A wird auch von der Wellenlänge der stimulierten Emission abhängen. Die Streuverluste nehmen mit dem Kehrwert der vierten Potenz der Wellenlänge ab, und bei Wellenlängen von beispielsweise 1,3 pm können größere Schwankungen erwünscht sein oder kann die Breite der aktiven Schicht verringert werden.

Wenn der Laserstrom über den Schwellenwert hinaus zunimmt, beginnt Laserbetrieb im niedrigsten Mode, im TE₀--Mode. Dieser Mode hat eine etwas höhere Besetzung der aktiven Schicht als dieses die anderen Moden haben und, was wichtiger ist, die niedrigste Dämpfung. Beim Schwellenwertstrom ist die Ladungsträgerdichte in der aktiven Schicht gleichförmig, wenn aber die Stromstärke über den Schwellenwertstrom hinaus

erhöht und die stimulierte Emission intensiv wird, dann nimmt die Ladungsträgerdichte in der Mitte des Wellenleiters ab, und zum Aufrechterhalten einer konstanten Verstärkung im niedrigsten Mode wird die Ladungsträgerdichte in der Nähe der Streifenkanten zunehmen. Diese Änderung der Ladungsdichte, die gemeinhin als Raumlochbrennen {spacial hole burning) bezeichnet wird, wird die Verstärkung beim TE_Q1~Mode erhöhen, der dann eventuell mit stimulierter Emission beginnt. Die optimale Breite ausgedrückt durch Maximierung des Dämpfungsiinterschiedes zwischen dem Mode erster Ordnung und dem Mode niedrigster Ordnung ist etwa 2 bis 3 μΐη. Die Breite sollte annähernd 4 μπι nicht überschreiten. Dieser Bereich erhöht die Dämpfung nicht auf Werte, wo Eigenschaften des niedrigsten Mode wesentlich verschlechtert werden» Für Laser mit breiten Streifen, d. h. W größer als 4 μπι, ist die Dämpfungsstabilisierung schwach und andere Effekte wie unaleichförmige Ladungsträgerdichte und Kristalldefekte bestimmen den bei Schwellenwert angeregten Mode.

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Claims (12)

1. BLUMBACH -WESER .""BE'ROSN · KRAMER ZWIRNER · HOFFMANN

   PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

   Patentconsult Radeckestraße43 8000 München 40 Telefon (089) 883403/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult -Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (04121) 542943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult

   Western Electric Company, Incorporated Henry 4 New York, N. Y. 10038 USA

   Patentansprüche

   nj Lichtemittierendes Bauelement mit

   - einer aktiven Schicht (7),

   - einer ersten und einer zweiten Halbleiterschicht (3, 11) auf gegenüberliegenden Seiten der aktiven Schicht und

   - einer dritten Schicht (110), die gegenüberliegende Seitenflächen der aktiven, der ersten und der zweiten Halbleiterschicht kontaktiert,

   dadurch gekennzeichnet, daß

   - die aktive Schicht einen Energiebandabstand besitzt, der kleiner als die Energiebandabstände der ersten und der zweiten Halbleiterschicht ist,

   - die dritte Schicht eine Halbleiterschicht mit einem Brechungsindex ist, der um wenigstens etwa 4% kleiner als der Brechungsindex der aktiven Schicht ist,

   München: R, Kremer Dipl.-Ing, · W. Weeer Dlpl.-Phys. Dr. rer. net. · E, Hoffmann Dlpl.-Injj. Wiesbaden: P.G. Blumbach Dlpl.-Ing. · P. Bergen Prof. Dr. Jur. Dlpl.-Ing., Pat.-As«., Pat.-Anw. Ws 1979 . G. Zwirner Dlpl.-Ing. Dlpl.-W.-Ing,

   *■ 2 ^
2. 2. Bauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

   - eine erste und eine zweite Wellenleitungsschicht (5, 9) zwischen der aktiven Schicht und der ersten Halbleiterschicht bzw. der aktiven Schicht und der zweiten Halbleiterschicht .
3. 3. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

   - die Schichten aus III-V*-Materialien aufgebaut sind.
4. 4. Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

   - Al Ga₄ As als das Halbleitermaterial vorgesehen ist,

   X ι —X

   wobei

   - die Größe χ für die dritte Schicht wenigstens um etwa 20% größer als x_eff der Mesa ist.
5. 5. Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

   - die aktive Schicht eine Breite von annähernd 2,0 bis 3,0 Mikrometer hat.
6. 6. Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß -, die Größe χ für die dritte Schicht etwa 0,65 beträgt.
7. 7. Bauelement nach Anspruch 6,

   dadurch gekennzeichnet, daß die Größe χ für die erste Schicht etwa 0/30 beträgt. ·
8. 8. Verfahren zum Herstellen wenigstens eines vergrabenen Doppelheterostruktur-r-Lasers,

   gekennzeichnet durch

   - aufeinanderfolgendes Aufwachsen einer ersten (5) _f
   einer zweiten (7) und einer dritten (9) Halbleiterschicht auf ein Halbleitersubstrat (1),

   - wobei

   *-·· die zweite Schicht (7) einen kleineren Bandabstand als die Bandabstände der ersten und der dritten
   Schicht besitzt und

   - die zweite Schicht eine aktive Schicht ist,

   «- Ätzen einer Mesa mit Breiten'-Schwankungen durch

   Entfernen von Teilen der ersten, der zweiten und der dritten Halbleiterschicht, wodurch das Substrat
   freigelegt wird, und

   - Aufwachsen einer vierten Halbleiterschicht (110),
   die gegenüberliegende Seitenflächen der ersten, der zweiten und der dritten Halbleiterschicht berührt.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 9,
   dadurch gekennzeichnet, daß

   ^ die Ätzung unter Verwendung einer MasKe ausgeführt wird.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß

    - mit einer Maske mit aufgerauhten Kanten gearbeitet wird.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß

    - wenigstens ein erster und ein zweiter Doppelheterostrukturlaser hergestellt werden, die einen Abstand von etwa 15μΐη voneinander haben.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 9 oder 1Ί, gekennzeichnet durch

    - Maskieren der dritten Schicht, um ausgewählte Teile der Schicht freigelegt zu belassen,

    - Ätzen von Schlitzen in die dritte Schicht, um die aktive Schicht freizulegen, und

    - Anordnen einer Maske über den geätzten Schlitzen vor dem Ätzen der Mesa.