DE3685755T2 - Streifenlaser mit transversalem uebergang. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf einen aus einer Halbleiterheterostruktur bestehenden Streifenlaser mit transversalem Übergang (TJS), der Claddingschichten mit großem Bandabstand und eine dazwischen gelegte aktive Schicht mit geringem Bandabstand aufweist, wobei diese Schichten auf eine Oberfläche eines Halbleitersubstrats aufgebracht werden. Außerdem wird die Nutzung derartiger Laser in 1- oder 2-dimensionalen Arrays vorgeschlagen, um eine hohe optische Leistungsabgabe zu erreichen. Die Struktur ist speziell für Bauteile der GaAs-Technologie geeignet.
• Datenübertragung mit optischen Lichtwellen ist in den letzten Jahren sowohl für die Datenfernübertragung als auch für die Datenübertragung innerhalb von Datenverarbeitungssystemen immer wichtiger geworden. Lichtstrahlen werden erzeugt, moduliert, um optische Signale zu erzeugen, die den zu übertragenden Daten entsprechen, weitergeleitet und demoduliert, ehe sie der elektronischen Schaltlogik zur Verarbeitung zugeführt werden. Eines der wesentlichen Elemente in diesen optischen Systemen ist eine Quelle für den Lichtstrahl. Hier wurden mit großem Erfolg Laser mit ganz verschiedenen Strukturen, Materialien und Konzepten verwendet.
• Immer wichtiger sind wegen ihrer kompakten Größe und weil ihre Technologie mit der der zugeordneten elektronischen Schaltlogik kompatibel ist, Halbleiterlaser mit p-n-Übergang. In diesen Bauteilen wird die Wirkung des Lasers durch einfachen Durchgang eines Stroms in Durchlaßrichtung durch den p-n-Übergang, der eine Diode darstellt, ausgelöst. Wenn der Schwellwertstrom erreicht wird, tritt induzierte Emission auf und ein monochromatischer und starker Richtstrahl aus Licht wird von dem Übergang emittiert. Diese Laser können leicht durch Modulation des Stromes moduliert werden; da die Photonenlebensdauer in diesen Lasern sehr kurz ist, kann eine Modulation bei hohen Frequenzen erzielt werden. Jedoch ist für Laser mit einer Grenzschicht (Homojunction-Laser), die z.B. einen GaAs-p-n-Übergang aufweisen, herausgefunden worden, daß die Schwellstromdichte überaus groß ist und sich mit steigender Temperatur schnell vergrößert. Das schafft ernsthafte Schwierigkeiten beim Dauerbetrieb des Lasers bei Raumtemperaturen.
• Um die Schwellstromdichte zu verringern, wurden mehrschichtige Heterostrukturen vorgeschlagen, und es wurden sowohl einfache Heterostrukturen (z.B. n-GaAs/p-GaAs/p-AlGaAs) als auch doppelte Heterostrukturen (z.B. n-AlGaAs/p-GaAs/p-AlGaAs) entworfen. Diese werden durch Wachstum von aufeinanderfolgenden epitaktischen Schichten mit verschiedenen Legierungszusammensetzungen und Dotierungen auf erstklassigen Halbleitersubstraten hergestellt. Molekularstrahlenepitaxie (MBE)-Prozesse wurden genutzt. Solche Heterostrukturlaser erfordern nur niedrige Schwellstromdichten wegen (1) der Trägerbegrenzung, die sich durch die Energieschwelle des Materials mit höherem Bandabstand um das aktive Gebiet herum ergibt, und (2) der optischen Begrenzung durch die plötzliche Verringerung des Brechungsindex außerhalb des aktiven Gebiets.
• Die meisten Heterostrukturlaser sind in Streifenform angelegt, wobei die Laserfläche auf ein schmales Gebiet unter einem Streifenkontakt begrenzt ist. Die Vorteile der Streifenform schließen (1) eine Verringerung der Querschnittsfläche, die wiederum den erforderlichen Arbeitsstrom verringert, und (2) eine verbesserte Antwortzeit infolge kleiner Übergangskapazitäten ein.
• In diesen epitaktisch gewachsenen Heterostrukturlasern werden die p-n-Übergänge gewöhnlich an den horizontalen Grenzschichten zwischen der aktiven n-leitenden Schicht und einer benachbarten p-leitenden Schicht gebildet, wobei der Strom senkrecht dazu fließt. Jedoch sind in neuerer Zeit sogenannte Laser mit transversalem Übergangsstreifen (TJS) beschrieben worden, die ebenfalls aus einer epitaktisch gewachsenen Folge von verschieden zusammengesetzten und/oder dotierten Halbleiterschichten besteht, aber mit seitlicher Trägerinjektion in und durch die aktive Schicht, in der sich ein vertikaler p-n-Übergang mit einer Grenzschicht ergibt. Der Hauptvorteil, der sich durch diese TJS- Laser gegenüber herkömmlichen Trägerinjektionsmethoden ergibt, besteht darin, daß Träger- und optische Begrenzung nicht nur in der vertikalen Richtung (durch die AlGaAs-GaAs-Grenzfläche), sondern auch in der Querrichtung (durch die p&spplus;-p-n&spplus;-Grenzfläche) erreicht wird. Dies führt wiederum zu noch niedrigeren Schwellwertströmen und weiter verringerten Kapazitäten.
• In bisher bekannten TJS-Lasern wird der p-n-Übergang in der aktiven Schicht durch eine Zn-Diffusion gebildet, die einen Teil der geschichteten n-leitenden Struktur in p-leitende umwandelt. Die Injektion erfolgt dann von der aktiven n-leitenden GaAs- Schicht zu der Zn-diffundierten p-leitenden GaAs-Schicht. Solche TJS-Laser-Strukturen sind z.B. in einer Veröffentlichung "New Structures of GaAlAs Lateral-Injection Laser for Low-Threshold and Single-Mode Operation" von W.Susaki u.a. (IEEE Journal of Quantum Electronics, Bd. QE-13, Nr. 8, August 1977, S. 587-591) und in einer weiteren Veröffentlichung "Transverse-junction- stripe-geometry double-heterostructure lasers with very low threshold current" von H. Namizaki u.a. (Journal of Applied Physics, Bd.45, Nr. 6, Juni 1974, S. 2785/86) und in EP-A-0103415 beschrieben worden.
• Diese TJS-Laser-Strukturen sind für Laser-Dioden mit niedrigem Schwellwert und mit guten Alterungseigenschaften erfolgreich genutzt worden. Jedoch ist der Herstellungsprozeß zur Bildung des transversalen p-n-Übergangs in der aktiven Schicht sehr kompliziert und schwierig zu steuern. Außerdem ergibt sich in der Transversalrichtung eine nicht stabile Wellenführung, da ein transversaler p-n-Übergang mit einer Grenzschicht benutzt wird. Daher ist ein komplizierter Diffusionsprozeß mit einem stufenweisen Dotierungsprofil zum Aufbau einer geringen Differenz des optischen Index zwischen p- und n-Gebiet erforderlich. Da dieser Brechungsindex nicht nur materialabhängig ist, sondern auch von den injizierten Trägerdichten auf der p-n-Grenzfläche abhängt, kann die Laserdiode zu Schwingungen in transversalen Schwingformen höherer Ordnung bei erhöhtem Treiberstrom übergehen. Dies verursacht dann starke Nichtlinearitäten in der Licht-Strom- Kennlinie und beachtlich erhöhte optische Rauschpegel.
• Diese Hindernisse werden durch die Laserstruktur der vorliegenden Erfindung vermieden, welche auf der Beobachtung gründet, daß mit einem amphoteren Dotierstoff, wie Silizium (Si), dotiertes und durch einen MBE-Prozeß gewachsenes GaAs eine Leitfähigkeit zeigt, die von der kristallographischen Orientierung des GaAs- Substrats abhängt. Zum Beispiel kann die Dotierung eines epitaktischen GaAs-Films mit Si auf einer (111A)-Oberfläche zu p-Leitfähigkeit und auf einer (100)-Oberfläche zu n-Leitfähigkeit führen. Das bedeutet, daß auf verschieden orientierten GaAs- Kristallebenen gewachsenes GaAs zu gleichzeitigem Aufbringen von p- und n-leitendem Material und zu der Bildung von p-n-Übergängen an den Schnittstellen der Gebiete mit verschiedener Dotierung führt.
• Dieser Effekt der "kristallebenenabhängigen Dotierung" ist in der Veröffentlichung "Lateral p-n junction formation in GaAs molecular beam epitaxy by crystal plane dependent doping" von D.L. Miller (Applied Physics Letters, Bd. 47, Nr. 12, Dezember 1985, S. 1309-1311) und in einer anderen Veröffentlichung "Crystal orientation dependence of silicon doping in molecular beam epitaxial AlGaAs/GaAs heterostructures" von W.I. Wang u.a. (Applied Physics Letters, Bd.47, Nr.8, Oktober 1985, S. 826-828) beschrieben worden.
• Diese Literaturangaben sind repräsentativ für den derzeitigen Stand der Technik. Sie beschreiben die Auswirkung der Kristallorientierung auf die Dotierung, aber sie zeigen oder empfehlen nicht das Konzept oder die Strukturen der vorliegenden Erfindung.
• Hierin wird ebenfalls die Anwendung des Lasers der vorliegenden Erfindung auf 1- oder 2-dimensionale Arrays phasengekoppelter Laser vorgeschlagen. Solche Arrays sind geeignet, hochintensive Lichtstrahlung zu erzeugen, wie sie z.B. für optische Aufzeichnungsverfahren benötigt wird. Die geforderten Intensitätspegel können zur Zeit nicht durch einfache Diodenlaser ohne das Risiko einer potentiellen Spiegelbeschädigung oder Verringerung der Lebensdauer erzeugt werden.
• Um eine höhere Leistungsabgabe zu erreichen, sind lineare 1-dimensionale Laser-Arrays vorgeschlagen und analysiert worden, z.B. in einer Veröffentlichung "Experimental and Analytic Studies of Coupled Multiple Stripe Diode Lasers" von D.R. Scifres u.a. (IEEE Journal of Quantum Electronics, Bd.QE-15, Nr.9, September 1979, S. 917-922). Gegenstand dieser Studie waren gekoppelte phasenverkettete Raumtemperatur-Mehrstreifen-Laser, die gut gebündelte höherintensive Strahlen erzeugen.
• Im Unterschied zu den bekannten Strukturen kann das im folgenden vorgeschlagene Laser-Array zu einer 2-dimensionalen Struktur erweitert werden, was eine weitere Erhöhung der Strahlintensität ergibt.
• Es ist ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung, einen Halbleiterlaser mit hoher Schwingungsstabilität zum kontinuierlichen Betrieb bei Raumtemperatur zu erzeugen.
• Ein anderes Ziel ist es, einen GaAs/AlGaAs-Heterostrukturlaser mit transversalen Übergangsstreifen (TJS) zu erzeugen, der durch die Nutzung bestehender, unkritischer Herstellungsprozesse hergestellt werden kann.
• Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Laserarray, das einen stark gebündelten hochintensiven Strahl herstellen kann, zu erzeugen.
• Die Erfindung, wie beansprucht, beabsichtigt, diese Ziele zu erfüllen und die Hindernisse und Mängel der bekannten Laserbauteilen zu überwinden. Sie löst die bis jetzt aufgetretenen Probleme der leicht zu fertigenden, bei gleichmäßiger Raumtemperatur arbeitenden Laserstrukturen durch Erzeugen einer TJS-Struktur, indem die Methode der Bildung von p-n-Übergängen durch kristallebenenabhängige Dotierung genutzt wird. Die Probleme beim Erzeugen von hochintensiven, kohärenten und gebündelten Strahlen werden durch ein 2-dimensionales Array dieser Laser gelöst, in denen die geforderte Phasenbeziehung zwischen benachbarten Lesern zuverlässig gesteuert werden kann.
• Die hauptsächlich durch die Erfindung gebotenen Vorteile sind, daß die TJS-Laserstruktur hergestellt werden kann, indem die schwierige tiefe Diffusion vermieden und durch die kristallebenenabhängige Dotierungstechnologie ersetzt werden kann, welche das gleichzeitige Wachstum von p- und n-Gebieten in der aktiven Laserschicht gestattet, und daß die neue Laserstruktur eine stabile dielektrische Wellenleitung entlang der aktiven Laserschicht ergibt, was zu einer verbesserten Wellenstabilität führt. Der vorgeschlagene TJS-Laser gestattet wegen seiner kompakten Struktur und der benutzten Herstellungsmethode auch den Aufbau eines 2-dimensionalen Laserarrays mit hochintensiver Ausgabe.
• Die Erfindung wird unten detailliert mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, die spezielle Verwirklichungen der Erfindung abbilden und in denen:
• Fig. 1 eine schematische Abbildung der Basiselemente einer ersten Verwirklichung der erfundenen Laserstruktur ist,
• Fig. 2 eine detailliertere Querschnittsdarstellung der Verwirklichung der in Fig. 1 abgebildeten erfundenen Laserstruktur ist,
• Fig. 3 eine schematische Abbildung der Basiselemente eines 1-dimensionalen Arrays von Lasern ist, das in Übereinstimmung mit der Erfindung strukturiert ist,
• Fig. 4 eine schematische Abbildung der Basiselemente eines weiteren 1-dimensionalen Arrays von Lasern ist, das in Übereinstimmung mit der Erfindung strukturiert ist,
• Fig. 5 eine schematische Abbildung der Basiselemente eines 2-dimensionalen Arrays von Lasern ist, das in Übereinstimmung mit der Erfindung strukturiert ist, und
• Fig. 6 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild für das in Fig. 5 abgebildete Laserarray ist.
• Bezieht man sich nun detaillierter auf die Zeichnungen und davon zuerst auf Fig. 1, so wird dort eine schematische Querschnittsabbildung der Basisstruktur einer Verwirklichung des erfundenen Lasers gezeigt. Diese Figur wird auch zur Erklärung des Stromflusses innerhalb der Laserstruktur benutzt, der durch die Spannung, die der Anoden- und der Kathodenelektroden zugeführt wird, und durch die innerhalb der aktiven Schicht des Bauteils gebildeten p-n-Übergänge bestimmt ist.
• Der Laser 10 umfaßt ein Halbleitersubstrat 11, das aus halbisolierendem Galliumarsenid (SiGaAs) besteht. Auf diesem Substrat ist eine Heterostruktur von nachfolgend aufgebrachten Schichten 12, 13 und 14 aufgewachsen: die aktive "Laser"-Schicht 13 und die optischen Claddingschichten 12 und 14 mit der dazwischengelegten Schicht 13. Die Claddingschichten bestehen aus Material mit höherem Bandabstand als die aktive Schicht. In dem Beispiel ist GaAs für die aktive Schicht 13 ausgewählt worden, wohingegen die Schichten 12 und 14 aus AlGaAs hergestellt sind. Diese drei Schichten sind in einem MBE-Prozeß mit einem amphoteren Dotierstoff, in dem Beispiel mit Si, aufgewachsen. Eine Kathode 22 ist an der Oberseite der oberen Claddingschicht 14 angeordnet und an jeder Seite davon die Anoden 20 und 21. Diese Elektroden sind, wie gekennzeichnet, verbunden, um eine negative oder positive Spannungsquelle bereitzustellen.
• Die Oberfläche des Substrats 11 ist so gestaltet, daß sie einen herausragenden Grat mit horizontaler Oberfläche und abfallenden Flanken aufweist, der zu den niedrigeren horizontalen Ebenen der benachbarten Vertiefungen oder Kerben führt. Die horizontalen Oberflächenabschnitte sind von einer ersten kristallographischen Orientierung, in dem Beispiel (100), wohingegen die Flanken eine davon verschiedene höhere Orientierung des kristallographischen Index aufweisen, in dem Beispiel (111A). Infolge des oben erwähnten Effekts, daß die Leitfähigkeit von epitaktisch gewachsenem GaAs von der kristallographischen Orientierung des darunterliegenden Substrats abhängt, wenn es mit einem amphoteren Dotierstoff dotiert wird, sind die Abschnitte der Schichten 12,13 und 14 über den horizontalen Oberflächen n-leitfähig und bilden n-Kolonnen, wohingegen die Abschnitte dieser Schichten über den Flanken p-leitend sind und p-Kolonnen bilden. Dies führt zur Bildung der p-n-Übergänge 15 bis 18 an den Schnittpunkten der n- leitenden und p-leitenden Abschnitte innerhalb der aktiven Schicht 13. Durch Nutzung der bekannten Spaltungs- und Ätzungsprozesse wird die Laserstruktur vervollständigt, indem an beiden Enden der Laserstruktur Spiegel erzeugt werden, d.h. in Flächen parallel zu denen der Zeichnung, die die Länge des Bauteils und so die Länge der Laserwellenleitung bestimmen.
• In Betrieb werden positive und negative Spannungsquellen mit den Anoden 20 und 21 bzw. der Kathode 22 verbunden, um die Übergänge 15 und 16 in Durchlaßrichtung vorzuspannen. Dies führt zu einem Stromfluß von den Anoden 20 und 21 durch die jeweiligen Übergänge 15 und 16 zur Kathode 22, wie durch die zwei Pfeile 23 und 24 gekennzeichnet. Sobald die Ströme 23 und 24 den Laser-Schwellwertstrompegel erreicht haben, beginnt der Abschnitt der aktiven Schicht zwischen den Übergängen 15 und 16 und seine unmittelbare Umgebung zu "lasern", d.h. er emittiert Strahlung mit einer für GaAs charakteristischen Wellenlänge, die in der Größenordnung von 0,8 µ liegt. Dieses lichtemittierende Gebiet ist durch die kreuzweise schraffierte Fläche 25 gekennzeichnet. Es soll bemerkt werden, daß der Stromfluß durch die störenden AlGaAs p-n- Übergänge an den p-n-Schnittpunkten der Claddingschichten 12 und 14 niedrig ist, da die Einschaltspannung dieser Dioden höher als die der aktiven GaAs-p-n-Übergänge ist.
• Aus dem oben genannten ist ersichtlich, daß die Anoden 20 und 21 mit den über den (111A)-Flächen-Flanken des Substrats 11 gebildeten p-Kolonnen elektrisch verbunden werden müssen. Dies kann entweder durch Bildung der Anoden an den p-Abschnitten der oberen Claddingschicht 14 erreicht werden (die Anoden können sich über den unteren horizontalen n-Abschnitt erstrecken, wie in der Struktur von Fig. 1) oder durch Umwandlung eines Teils des äußeren n-leitenden Kolonnen in p&spplus;-leitende, indem ein Zn-Diffusionsprozeß mit nachfolgendem Aufbringen der Anode auf die Oberseite dieser p&spplus;-Abschnitte benutzt wird. Die letztere Möglichkeit wird in der Verwirklichung gewählt, die nun mit Hilfe von Fig. 2 beschrieben wird.
• Fig. 2 zeigt eine detailliertere Querschnittsansicht einer Verwirklichung des erfundenen Lasers, der in Übereinstimmung mit den Grundprinzipien der Erfindung strukturiert ist, die mit Hilfe von Fig. 1 umrissen wurden. Für entsprechende Elemente werden in beiden Figuren dieselben Referenznummern benutzt.
• Das halbisolierende GaAs-Substrat, auf das die Laserstruktur aufgebracht wird, ist wieder mit 11 bezeichnet. Die horizontale Oberfläche entspricht der Kristallfläche (100), die Flanken der Fläche (111A). Die flache Oberfläche des Grats ist ungefähr 4 µ breit und die Kerbenvertiefung 5 µ tief. Für die Herstellung derartig gerasterter GaAs-Oberflächen kann eine der in den folgenden Veröffentlichungen beschrieben Methoden benutzt werden:
• -"Chemical Etching Characteristics of (001) GaAs" von S. Adachi u.a. (Journal Electrochem. Soc.: Solid-State Science and Technology, Bd. 130, Nr. 12, Dezember 1985, S. 2427-2435),
• -"Localized GaAs Etching with Acidic Hydrogen Peroxide Solutions" von D.W. Shaw (Journal Electrochem. Soc.: Solid-State Science and technology, Bd. 128, Nr. 4, April 1981, S. 874-880), und
• -"GaAs Radical Etching with a Cl&sub2; Plasma in a Reactive Ion Beam Etching System" von S. Sugata u.a. (Japanese Journal of Applied Physics, Bd. 23, Nr. 8, August 1984, S. L564-L566).
• In der Praxis wird eine vollständige GaAs-Scheibe geätzt, um eine Struktur mit einer großen Anzahl von Kerbe-Grat-Kerbe-Folgen zu erzeugen. Erst nach der Fertigstellung der Schichtaufbringung und der Charakterisierung der Einheit werden die einzelnen Laserstrukturen getrennt, gewöhnlich in einem Spaltungsprozeß. Für einen einfachen Laser wird nur ein einfacher Grat mit seinen Flanken und den benachbarten horizontalen Kerbenoberflächen benötigt, und nur diese sind in Fig. 2 gezeigt.
• Ehe die Schichten 12, 13 und 14 aufgebracht werden, wird eine Pufferschicht 26 aus undotiertem GaAs mit einer Dicke von etwa 2 µ auf die Substratoberfläche aufgebracht, um die Kristallqualität zu verbessern. Die Nutzung dieser Pufferschicht ist beliebig, sie ist kein wesentliches Element der vorgeschlagenen Laserstruktur.
• Als nächstes wird die Folge der amphoterisch dotierten Schichten in einem MBE-Prozeß auf die gerasterte Oberfläche der Substrat- Pufferschichtstruktur aufgewachsen: untere Claddingschicht 12, aktive Schicht 13 und obere Claddingschicht 14. Die untere Claddingschicht 12 ist 1 µ dick und besteht aus hochdotiertem AL0.5Ga0.5As (amphoteres Si, 2x10¹&sup7; cm&supmin;³). Als nächstes folgt die aktive GaAs-Schicht 13. Sie ist 0,1 µ dick und mit amphoterem Si von 2x10¹&sup7; bis 2x10¹&sup8; cm&supmin;³ dotiert. An der Oberseite ist die obere Claddingschicht 14 aufgebracht, sie ist ebenfalls Si-dotiert (2x10¹&sup7;-2x10¹&sup8; cm&supmin;³) und besteht aus Al0.5Ga0.5As mit einer Dicke von 1 µ.
• An der Spitze der geschichteten Heterostruktur ist die Kathodenelektrode 22 und zwei Anodenelektroden 20 und 21, wie in Fig. 2 gezeigt, angeordnet. Jede Elektrode stellt eine 3-Schichten- Struktur dar, die aus Ti-Pt-Au-Filmen mit 10 nm, 10 nm bzw. 200 nm Dicke besteht.
• Innerhalb der Kathode 22 und der oberen Claddingschicht 14 ist eine n&spplus;-Kontakt-Schicht 27 (30 nm dick) aus hoch n-dotierten GaAs und eine n&spplus;&spplus;-InAs-Schicht (20 nm dick), die so hoch dotiert ist, daß ein unlegierter Kathodenkontakt hergestellt werden kann.
• Die Anoden 20 und 21 sind auf die zwei feinschraffierten p&spplus;-Kontaktgebiete 29 aufgebracht. Diese p&spplus;-Zonen sind etwa 1,5 µ tief und erstrecken sich, wie angegeben, in die untere Claddingschicht 12. Sie können durch einen herkömmlichen Zn-Diffusionsprozeß (1 Stunde bei T=700ºC) hergestellt werden.
• Wie oben dargelegt, kann eine Mehrzahl derartiger Laserstrukturen gleichzeitig auf einer einfachen Scheibe hergestellt werden. Die Trennung der Bauteile erfolgt in einem Spaltprozeß, der auch zur Erzeugung von reflektierenden Spiegeloberflächen führt, die die optische Wellenleitung begrenzen, in welcher die Laseraktion stattfindet. Eine geeignete Wellenleitungslänge liegt zwischen 200 und 500 µ.
• Die Laserstruktur von Fig. 2 zeigt nur ein Beispiel eines Bauteils in dem das erfundene Konzept implementiert ist. Alternative Strukturen die auf das Erfindungskonzept gegründet sind, können so gestaltet sein, daß sie spezielle Anforderungen erfüllen, z.B. durch die Auswahl verschiedener Halbleitermaterialien, durch Veränderung der Ausmaße und Dotierungskonzentrationen, durch die Nutzung verschiedener Kristallorientierungen der Substratoberfläche oder durch Veränderung der elektrischen Kontaktanordnung.
• Zum Beispiel kann die Gratstruktur erweitert werden (von 4 µ auf 10 µ oder mehr) und dadurch zwei getrennte Lasergebiete in der Umgebung der Übergänge 15 bzw. 16 statt eines einfachen lichtemittierenden Gebietes 25, wie in dem Beispiel von Fig. 2, versorgen. Solche Strukturen, die zwei einzelne Laser versorgen, können bei der faseroptischen Übertragung mit Faserdurchmessern von etwa 50 µ nützlich sein, wobei der zweite Laser als überzähliges Bereitschaftsbauteil für den Versagensfall des anfänglich benutzten ersten Bauteils dienen kann.
• In anderen möglichen Entwürfen kann die Anordnungen der Anoden- und der Kathodenelektrode geändert werden, so daß die Lichtemission in dem "geneigten" Gebiet stattfindet, welches durch die Übergänge 15 und 17 definiert ist, statt im Gebiet 25, welches durch die Übergänge 15 und 16 definiert ist.
• Die aktive Schicht 13 kann auch durch eine sogenannte GRIN-SCH Quantenquellen-Struktur ersetzt werden. Solche Strukturen sind z.B. in der Veröffentlichung "Extremely low threshold (AlGa)As graded-index waveguide separate-confinement heterostructure lasers grown by molecular beam epitaxy" von W.T. Tsang, (Applied Physics Letters, Bd. 40, Nr. 3, Februar 1982, S. 217-219) beschrieben.
• Die beschriebene neue Laserstruktur dient zur stabilen Wellenleitung sowohl in der Richtung senkrecht zu den Schichten als auch in transversaler Richtung parallel zu den Schichten. Das emittierende Licht wird durch die verschiedenen Brechungsindizes begrenzt und geführt: in der vertikalen Richtung wird dies dadurch erreicht, daß der Brechungsindex der AlGaAs-Claddingschichten anders, d.h. niedriger, als der der aktiven Schicht ist, wohingegen die Brechung in der aktiven Schicht an den p-n- Schnittstellen eine Erhöhung des effektiven optischen Brechungsindex in der lateralen Richtung ergibt. Diese verbesserte Wellenleitung verhindert Schwingungs-Instabilitäten, die zu Trennungsproblemen beim Betrieb bisher bekannter TJS-Laser führten.
• Die Grundstruktur und das Konzept des oben beschriebenen Lasers kann vorteilhaft zur Gestaltung von sowohl 1-dimensionalen als auch 2-dimensionalen hochintensiven Laserarrays verwendet werden.
• Im folgenden werden Arrays phasengekoppelter TJS-Laser beschrieben, die geeignet sind, stark gebündelte Strahlen entsprechend der großen phasenkohärenten effektiven Austrittsöffnung zu erzeugen. In den unten zu beschreibenden Strukturen können die einzelnen Laser eng genug angeordnet werden, typisch in einem Abstand von 1 bis 2 µ, so daß die einzelnen optischen Schwingungen miteinander phasenverkettet sind. Verschiedene Laserformen der einzelnen p-n-Übergänge besitzen eine gesteuerte Überlappung und sind daher durch die nichtlineare Wechselwirkung mit dem Verstärkungsmittel der umgebenden Einzellaser gekoppelt. Geeignete Phasenbeziehungen zwischen benachbarten Lasern können entweder durch Variation des räumlichen Abstands oder durch geeignete Materialkombinationen, wie z.B. den Al-Gehalt der Claddingschichten, gesteuert werden.
• Fig. 3 zeigt schematisch einen Querschnitt eines 1-dimensionalen Laserarrays das im Prinzip der Struktur des oben beschriebenen Einfachlasers sehr ähnlich ist.
• Wie in der Laserstruktur von Fig. 1 wird eine Heterostruktur 30, die aus einem Paar AlGaAs-Claddingschichten 32 und 34 mit einer aktiven GaAs-Schicht dazwischen besteht, auf die gerasterte Oberfläche des GaAs-Substrats 31 aufgebracht. Die Substratoberfläche ist wie die des Einfachlasers von Fig.1 gerastert, um Gebiete mit Kristallorientierungen (100) und (111A) zu erzeugen, auf denen die amphoterisch (Si)-dotierten Schichten 32, 33 und 34 als n- bzw. p-leitendes Material aufwachsen. An den Schnittstellen dieser p- und n-leitenden Abschnitte der aktiven Schicht 33 werden die p-n-Übergänge 35, 36, 37 und 38, wie in Fig.3 gezeigt, gebildet. Die Anodenelektroden 41 und 43 sind mit den p- leitenden Flankenkolonnen verbunden, wohingegen die Kathodenelektroden 40, 42 und 44, wie gezeigt, auf die Oberseite der n- leitenden Kolonnen aufgebracht werden. Wenn positive und negative Spannungen an die Anoden bzw. Kathoden angelegt werden, werden Ströme fließen, die durch die Pfeile 45, 46, 47 und 48 gekennzeichnet sind. Einmal werden die Ströme, die durch die p-n- Übergänge fließen, den Schwellwertpegel überschreiten, und Licht wird aus den kreuzweise schraffierten Gebieten 49A, 49B und 49C emittiert, jedes von ihnen wird durch die zugeordneten Paare von p-n-Übergängen, nämlich 35-36, 35-37 bzw. 36-38, definiert. Die überlappende Beziehung zwischen diesen einzelnen Laserabschnitten dient der geeigneten Phasenkopplung.
• Eine andere Verwirklichung eines 1-dimensionalen Laserarrays 50 wird schematisch in Fig. 4 gezeigt. Die aus den Schichten 32, 33 und 34 bestehende Heterostruktur, die auf das Substrat 31 aufgebracht wird, entspricht der des in Fig. 3 gezeigten Arrays. Das Array von Fig. 4 unterscheidet sich von dem von Fig. 3 durch die Anordnung der Anoden- und Kathodenelektroden und den resultierenden Stromfluß. Eine einfache Anode 51 umhüllt die Oberseite der Struktur und die Kathode 52 wird, wie gezeigt, mit dem Substrat 31 verbunden. Das Anlegen einer Spannung zwischen Anode und Kathode, was die Über-Schwellwertpegelströme 55, 56, 57 und 58 veranlaßt, durch die Übergänge 37, 35, 36 bzw. 38 zu fließen, führt zu Lichtemission in den Gebieten 59A, 59B und 59C auf eine der Arbeitsweise der Laserstruktur von Fig. 3 sehr ähnlichen Art.
• Die oben beschriebene Struktur bildet auch die Basis für das in Fig. 5 gezeigte 2-dimensionale Laserarray. Die Heterostruktur 60 ist ähnlich der Struktur 50 in Fig. 4. Sie ist jedoch durch den Zusatz einer zweiten aktiven GaAs-Schicht 65 und einer zugeordneten Claddingschicht 66 erweitert, wohingegen die Schichten 62, 63 und 64 den Schichten 32, 33 und 34 des in Fig.4 gezeigten 1- dimensionalen Arrays entsprechen. Die p-n-Übergänge werden an den p-n-Schnittstellen der beiden aktiven Schichten gebildet, d.h. die Übergänge D1 bis D4 in der Schicht 65 und die Übergänge D5 bis D8 in der Schicht 63.
• In diesem Array sind alle Diodenübergänge D1 bis D8 parallel verbunden. Die Ströme I1 bis I8, die aus einer zwischen der Anode 67 und der Kathode 68 angelegten Durchlaßvorspannung resultieren, werden vertikal in die p-Kolonnen geführt und durch die Übergänge, welche die p- und n-Kolonnen der Struktur verbinden, aufgefächert. Dies wird in Fig. 6 schematisch gezeigt, in der die p-Kolonnen (gewachsen auf der (111A)-orientierten Substratoberfläche) durch senkrechte Streifen 71 und 72 repräsentiert werden, wohingegen die Streifen 73, 74 und 75 die n-Kolonnen (gewachsen auf der (100)-orientierten Substratoberfläche) repräsentieren. Die Übergänge D1 bis D8 werden als normal dicke Diodensymbole dargestellt. Das dünne "Doppellinien"-Diodensymbol zeigt die p-n-Übergänge in den AlGaAs-Claddingschichten und die störenden AlGaAs/GaAs-Heteroübergänge an den Endgebieten der p- und n-Kolonne. Der Strom durch die AlGaAs-Übergänge ist wegen der höheren Einschaltspannung dieser Übergänge, verglichen mit den aktiven GaAs-Übergängen, niedrig. Die Streuung durch die AlGaAs-GaAs Heteroübergänge kann durch Zugabe nichtamphoterisch dotierter p- und n-AlGaAs-Claddingschichten 76 und 77 an der Ober- bzw. Unterseite der geschichteten Struktur, d.h. zwischen der Anode 67 und der oberen Claddingschicht 66 und zwischen der unteren Claddingschicht 62 und dem Substrat 61, niedrig gehalten werden.
• Bezieht man sich nun wieder auf Fig. 5, wird Licht von den Gebieten L1 bis L6 emittiert, sobald der durch die Übergänge D1 bis D8 fließende Strom den Wert des Schwellwertstroms überschreitet. Zwischen den Einzellasern wird eine Phasenkopplung entsprechend der überlappenden Beziehung, die zwischen den lichtemittierenden Gebieten derselben aktiven Schicht (d.h. zwischen L1-L2 und L2-L3 in Schicht 65 und zwischen L4-L5 und L5-L6 in Schicht 63) besteht, erreicht und ebenso zwischen den angrenzenden Gebieten, die nicht derselben Schicht angehören (d.h. zwischen L1-L4, L2-L5, L3-L6). Eine Kopplung zwischen den Abschnitten der aktiven Schichten durch die Claddingschicht 64 wird dadurch ermöglicht, daß die AlGaAs-Schicht nur 0,5 µ dick gemacht wird, wobei die anderen Claddingschichten 62 und 66 eine Dicke von 1 µ aufweisen, wie in der Einfachlaserstruktur von Fig. 2.
• Die hierin beschriebenen Strukturen können hergestellt werden, indem die verfügbaren Technologien benutzt werden und indem das derzeit offenbarte Wissen und Verständnis, für welches die Publikationen, auf die sich früher bezogen wurde, repräsentativ sind, angewandt werden. Speziell sind die MBE- und auch metallorganische chemische Aufdampfungsprozesse (MOCVD) zu einem Stand entwickelt worden, wo die erforderlichen Heterostrukturen in einem einfachen Durchlauf hergestellt werden können, d.h. in demselben Vakuum ohne große Schwierigkeiten und mit ausreichender Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit. Die anderen Elemente der beschriebenen Laserstrukturen können durch die Nutzung von Aufdampfungs- oder Epitaxie-Techniken, Maskierung und Ätzungsprozesse, die derzeit gut bekannt sind, hergestellt werden.

Claims (16)

1. Laser (10) mit transversalem Übergangsstreifen (TJS), der eine auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats (11) aufgebrachte Halbleiterheterostruktur aufweist, die aus einer aktiven Schicht (13) besteht, die zwischen Claddingschichten (12, 14) aus einem Material mit einem größeren Bandabstand als jener der aktiven Schicht gelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratoberfläche planare sowie abfallende Bereiche aufweist, wobei der kristallographische Index der planaren Bereiche verschieden von jenem der abfallenden Bereiche ist, die aktive (13)- und die Cladding (12, 14)-Schichten durch epitaktisches Wachstum mit einem amphoteren Dotierstoff auf der Substratoberfläche so aufgebracht sind, daß die Abschnitte der auf den planaren Bereichen aufgebrachten Schichten von einer ersten Leitungsart, wogegen die auf den abfallenden Bereichen aufgebrachten Abschnitte von einer zweiten Leitungsart sind, wodurch zumindest ein p-n-Übergang (15,16) bei den Schnittstellen zwischen der aktiven Schicht (13) gebildet werden und daß ohmsche Anode (20, 21 - und Kathode (22) - Kontakte vorgesehen sind, um Ströme (23, 24) zumindest Schwellwertpegel entsprechend dem p-n-Übergang zuzuführen.

2. Laser nach Anspruch 1, bei welchem die Substratoberfläche planare Bereiche mit einem kritallographischen Index (100) und abfallende Bereiche mit einem Index (111A) aufweist.

3. Laser nach Anspruch 1, bei welchem die planaren Bereiche von der n-Leitungsart und die abfallenden Bereiche von der p-Leitungsart sind.

4. Laser nach Anspruch 1, bei welchem die Substratoberfläche einen Grat mit einer planaren oberen Oberfläche und abfallende Flanken und anschließende ebene Bereiche aufweist, die tiefer liegen, als die obere Oberfläche des Grats.

5. Laser nach Anspruch 1, bei welchem die aktive Schicht (13) aus GaAS und die Claddingsschichten (12, 14) aus AlGaAs bestehen.

6. Laser nach Anspruch 5, bei welchem der amphotere Dotierstoff Silizium ist.

7. Laser nach Anspruch 1, bei welchem die ohmschen Kontakte (20, 21, 22) auf der oberen Oberfläche der Heterostruktur angeordnet sind.

8. Laser nach Anspruch 7, bei welchem die Anode (20, 21) über einer von Schichtabschnitten von der p-Leitungsart gebildeten p- Kolonne, wogegen die Kathode (22) über einer von Schichtabschnitten von der n-Leitungsart gebildeten n-Kolonne angeordnet ist.

9. Laser nach Anspruch 7, bei welchem die Anode (20, 21) über einem Teil (29) der Heterostruktur angeordnet ist, der in p- Leitfähigkeit umgewandelt wurde.

10. Laser nach Anspruch 9, bei welchem die Umwandlung in p-Leitfähigkeit durch Diffusion von Zink erzielt wird.

11. Laser nach Anspruch 7, bei welchem hochdotierte Kontaktschichten (27, 28) vorgesehen sind, auf denen die ohmschen Kontakte (22) angeordnet sind.

12. Laser nach Anspruch 5, bei welchem eine aus GaAs bestehende, nicht dotierte Pufferschicht (26) auf der Substratoberfläche unterhalb der Heterostruktur aufgebracht ist.

13. Array phasengekoppelter Laser mit transversalen Übergangsstreifen, die eine auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats (31; 61) aufgebrachte Halbleiterheterostruktur aufweisen, die aus zumindest einer aktiven Schicht (33; 63, 65) besteht, die zwischen Claddingschichten (32, 34; 62, 64, 66) aus einem Material mit einem größeren Bandabstand als jener der aktiven Schicht gelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß

die Substratoberfläche planare sowie abfallende Bereiche aufweist, wobei der kritallographische Index der planaren Bereiche verschieden von jenem der abfallenden Bereiche ist, die aktive (33; 63, 65) und die Cladding (32, 34; 62, 63, 66)-Schichten durch epitaktisches Wachstum mit einem amphoteren Dotierstoff auf der Substratoberfläche so aufgebracht sind, daß die Abschnitte der auf den planaren Bereichen aufgebrachten Schichten einer ersten Leitungsart, wogegen die auf den abfallenden Bereichen aufgebrachten Abschnitte einer zweiten Leitungsart sind, wodurch eine Mehrzahl von p-n-Übergängen (35 bis 38; D1 bis D8) bei den Schnittstellen zwischen den Erste- und Zweite-Leitungsart-Abschnitten der aktiven Schicht (33; 63, 65) gebildet werden und daß ohmsche Anode (41, 43; 47)- und Kathode (40, 42, 44; 68)-Kontakte vorgesehen sind, um Ströme (45 bis 49; I1 bis I8) zumindest Schwellwertpegel entsprechend den p-n-Übergängen zuzuführen, wobei diese ohmschen Kontakte so angeordnet sind, daß die Ströme durch eine Mehrzahl von Übergängen fließen, um zumindest zwei einzelne, jedoch nahe beanstandete und phasengekoppelte Laser zu bilden.

14. Array nach Anspruch 13, bei welchem die Heterostruktur zumindest zwei aktive Schichten (63, 65) aufweist, die durch eine Mantelschicht (64) mit einer Dicke und Zusammensetzung getrennt sind, die eine Phasenkopplung benachbarter einzelner Laser (L1- L4, L2-L5, L3-L6) ergibt, die in den zumindest zwei aktiven Schichten ausgebildet sind.

15. Anordnung nach Anspruch 13, bei welcher die ohmschen Kontakte (40 bis 44) auf der oberen Oberfläche der Heterostruktur angeordnet sind.

16. Anordnung nach Anspruch 13, bei welcher einer der ohmschen Kontakte (67) auf der oberen Oberfläche der Heterostruktur angeordnet ist, wogegen der zweite der ohmschen Kontakte (68) mit einer Oberfläche des Substrats (61) verbunden ist.