DE3786339T2 - Halbleiterlaservorrichtung. - Google Patents

Halbleiterlaservorrichtung.

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Description

    1. Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiter-Laser, der eine Laserschwingung bei einem extrem hohen Schwellenspannungspegel erreicht.
  • 2. Beschreibung des bisherigen Standes der Technik
  • Konventionelle Halbleiter-Laser werden in zwei Gruppen eingeteilt, verstärkungsgesteuerte Halbleiter-Laser und indexgesteuerte Halbleiter-Laser, je nach ihrem optischen Wellenleitungsmechanismus. Indexgesteuerte Halbleiter-Laser sind verstärkungsgesteuerten Halbleiter-Lasern hinsichtlich der Stabilisation der transversalen Eigenschwingung, die bei der praktischen Anwendung wichtig ist, überlegen. Indexgesteuerte Halbleiter-Laser, die eine Vielfalt bezüglich der Struktur haben, sind vorgeschlagen worden, bei denen Licht und Strom innerhalb einer schmalen Erregungsregion begrenzt sind, so daß der Schwellenwertpegel für eine Laserschwingung reduziert werden kann. Typische Beispiele für solche Halbleiter-Laser, die einen niedrigen Schwellenstrompegel erreichen, sind die Laser mit eingebetteter Heterostruktur (BH-Laser) und Steghohlleiter-Laser.
  • Fig. 2 zeigt einen Halbleiter-Laser mit eingebetteter Heterostruktur, welche wie folgt hergestellt wird:
  • Eine Doppel-Heterostruktur, bei welcher eine aktive Schicht 3 für die Laserschwingung zwischen einem Paar Auskleidungsschichten 2 und 4 eingeschlossen ist, wird auf einem Substrat 1 gebildet, wobei dann eine Deckschicht 5 gebildet wird, der ein Ätzen folgt, um eine streifenförmige Mesa zu bilden. Der Bereich außerhalb der Mesa wird mit einem Material 6 abgedeckt, das einen niedrigen Brechungsindex hat, was zu einem Wellenleiter mit einer Breite w führt, die nur ungefähr 2 im schmal ist, so daß die transversale Grund-Eigenschwingung bei einem niedrigen Schwellenwertpegel von ungefähr 10 mA oder weniger erreicht werden kann. Um den Strom innerhalb der Mesaregion wirksam einzugrenzen, die für eine Laserschwingung wesentlich ist, muß die Bettungsschicht 6 durch eine Schicht mit hohem spezifischem Widerstand oder durch eine Mehrfachschicht gebildet werden, welche einen pn-Übergang hat, der umgekehrt wie der der Mesaregion ist.
  • Da jedoch die Bettungsschicht 6 nach der Bildung der Mesaregion gezüchtet wird, entsteht ein Energiepegel an der Grenzschicht zwischen der Einbettungsschicht 6 und der Mesaregion, welcher einen uneffektiven Strom von ungefähr 2-10 mA erzeugt, der durch diese Grenzschicht fließt, ohne durch die aktive Region zu fließen. Das Verhältnis des uneffektiven Stroms zu einem Gesamt- Strombetrag nimmt mit einer Abnahme bei der Breite w des Wellenleiters zu, was eine Beschränkung der Absenkung des Schwellenstrompegels des Lasers verursacht.
  • Fig. 3 zeigt einen Laser mit Steghohlleiter, welche wie folgt hergestellt wird:
  • Eine Doppel-Heterostruktur, bei welcher eine aktiver Schicht 3 zwischen die n- und p- Auskleidungsschicht 2 und 4 eingelagert ist, wird auf einem Substrat 1 gebildet, und dann wird eine Abdeckschicht 5 gebildet, wonach dann ein Ätzen folgt, um Teile zu entfernen, die die p-Auskleidungsschicht 4 erreicht, die über der aktiven Schicht 3 positioniert ist, was zu einer streifenförmigen Mesa führt, so daß der effektive Brechungsindex des Teils der p-Auskleidungsschicht 4, der nicht zur Mesa gehört, kleiner als der der Mesa wird. Der Hableiterlaser mit Steghohlleiter unterscheidet sich von dem BH-Halbleiter-Laser insofern, als der gesamte Bereich der aktiven Schicht 3 ungeätzt bleibt und dementsprechend Strom, der in den Halbleiter-Laser mit Steghohlleiter eingeleitet wird, durch die aktive Schicht 3 fließt. Da jedoch ein Teil der p-Auskleidungsschicht 4 des Halbleiter-Lasers mit Steghohlleiter außerhalb der Mesa existiert, diffundiert Strom, der in den Halbleiter-Laser mit Steghohlleiter eingeleitet wird, von der Mesa der p-Auskleidungsschicht 4 in den Teil der p-Auskleidungsschicht 4, der nicht zur Mesa gehört, wie durch Pfeilmarken in Fig. 3 angezeigt wird. Eine Strommenge, welche in einen anderen Teil als den Teil der aktiven Schicht 3 fließt, die unterhalb der Mesa positioniert ist, innerhalb welcher Laserlicht eingegrenzt wird, wird uneffektiver Strom, was eine Erhöhung bei dem Schwellenstrompegel des Halbleiter-Lasers mit Steghohlleiter verursacht.
  • "Electronic Letters" 21, 1025 (1985) offenbart einen GaAs /GaAlAs-Heterostruktur-Halbleiter-Laser mit Steghohlleiter und gesonderter Begrenzung, der Führungsschichten zwischen der aktiven Schicht und den Auskleidungsschichten hat. Diese Strukturen haben einen minimalen Schwellenstrom von 8 mA bei einer Resonatorlänge von 300 nn. Der Schwellenstrom kann durch Einfügen einer Überstrukturgitter-Pufferschicht in die Laserstruktur herabgesetzt werden.
  • GB-A-2 100 501 offenbart einen Laser mit eingebetteter Heterostruktur, der Führungsschichten zwischen der aktiven Schicht und den Auskleidungsschichten beinhaltet.
  • Bei diesen beiden Dokumenten haben beide Führungsschichten denselben Dotierpegel, obwohl die über der aktiven Schicht positionierte Führungsschicht als p-Typ dotiert ist, wohingegen die unter der aktiven Schicht positionierte Führungsschicht als n- Typ dotiert ist.
  • "Soviet Technical Physics Letters" 12, 574 (1986) offenbart einen pbS/pbSSe/PbSnSe-Heterostrukturlaser, der Führungsschichten zwischen der aktiven Schicht und den Auskleidungsschichten benutzt, wobei eine obere Führungsschicht als p-Typ dotiert ist (p = 8 · 10¹&sup7; cm&supmin;³) und eine untere Führungsschicht als n-Typ dotiert ist (n = 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³).
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Ein Halbleiter-Laser entsprechend dieser Erfindung, welcher die vorstehend diskutierten und zahlreiche andere Nachteile und Mängel überwindet, umfaßt eine Doppel-Heterostruktur, die aus einer aktiven Schicht und einem Paar Auskleidungsschichten gebildet ist, zwischen denen die aktive Schicht eingeschlossen ist; einer Streifenstruktur, bei der in den Laser injizierter Strom eingeschlossen ist, wobei die Streifenstruktur durch einen Teil von einer der beiden Auskleidungsschichten gebildet ist; einer ersten optischen Führungsschicht, die zwischen der anderen Auskleidungsschicht und der aktiven Schicht liegt und einer zweiten optischen Führungsschicht besteht, die zwischen der anderen Auskleidungsschicht und der aktiven Schicht liegt, wobei der Halbleiter-Laser dadurch gekennzeichnet ist, daß der elektrische Widerstand der optischen Führungsschicht näher an der Streifenstruktur höher als der Widerstand der optischen Führungsschicht in größerem Abstand zu der Streifenstruktur ist; und dadurch, daß die Dicke eines Teils einer Auskleidungsschicht außerhalb der Streifenstruktur 50 nm oder kleiner ist, wobei die Auskleidungsschicht an der Seite der Streifenstruktur liegt.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Streifenstruktur zu einer Mesa oder einem Steg ausgebildet.
  • So macht die hierin beschriebene Erfindung das Erreichen folgender Ziele möglich: (1) Bereitstellen eines Halbleiter-Lasers mit einem Strompfad in der Form eines Steghohlleiters oder einem Strompfad in der Form einer Mesa, bei welchem die Diffusion von Strom, der in diesen Laser in Querrichtung eingeleitet wird, unterdrückt wird, so daß ein uneffektiver Strom, der keinen Beitrag zur Laserschwingung leistet, minimal wird, wodurch man ein Absenken des Schwellenstrompegels dieses Lasers erreicht und (2) Bereitstellen eines Halbleiter-Lasers, bei welchem, da ja die ungeätzte aktive Schicht verwendet wird und an der Grenzschicht zwischen der aktiven Schicht und der einbettenden Schicht kein Energiepegel entsteht, eine hohe Ausbeute dieses Lasers und eine hohe Zuverlässigkeit erreicht werden kann, was bei praktischen Anwendungen nützlich ist.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Diese Erfindung kann durch Verweise auf die beigefügten Zeichnungen besser verstanden werden, und dadurch werden ihre zahlreichen Gegenstände und Vorteile für jene offensichtlich, die mit der Technik vertraut sind.
  • Fig. 1 ist eine Schnittansicht von vorn, die den Halbleiter-L- aser dieser Erfindung zeigt.
  • Fig. 2 ist eine Schnittansicht von vorn, die einen konventionellen BH-Halbleiter-Laser zeigt.
  • Fig. 3 ist eine Schnittansicht von vorn, die einen konventionellen Steghohlleiter-Halbleiter-Laser zeigt.
  • Fig. 4 ist eine Schnittansicht von vorn, die einen anderen Halbleiter-Laser dieser Erfindung zeigt.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen Beispiel 1
  • Fig. 1 zeigt einen Halbleiter-Laser, welcher wie folgt hergestellt wird:
  • Auf einem n-GaAs-Substrat (Si = 2 · 10¹&sup8; cm&supmin;³) 11 werden eine n- GaAs-Pufferschicht (Si = 2 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ mit einer Dicke von 0,5 m) 12, eine n-Al0,7Ga0,3As-Auskleidungsschicht (Si = 2 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ mit einer Dicke von 1,4 um) 13, eine n-AlxGa1-xAs-GRIN- (klassierte Index-) Schicht (Si = 5 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ mit einer Dicke von 0,2 um) 14, eine undotierte aktive GaAs-Quantenquellenschicht (deren Dicke 60 Å (1 Å 0,1 nm) beträgt) 15, eine unabsichtlich dotierte AlxGa1-xAs-GRIN-Schicht (p 10¹&sup5; cm&supmin;³ mit einer Dicke von 0,2 um) 16, eine p-Al0,7Ga0,3As-Auskleidungsschicht (Be = 5 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ mit einer Dicke von 1,4 um) 17 und eine p-GaAs-Deckschicht (Be = 5 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ mit einer Dicke von 0,5 um) 18 nacheinander mittels Molekularstrahlepitaxie gezüchtet. Der AlAs-Molanteil x der GRIN-Schichten 14 und 16 steigt parabolisch im Bereich von 0,2 bis 0,7 mit dem Abstand in Richtung auf die Auskleidungsschichten 13 und 17 von der aktiven Quantenquellenschicht an. Die GRIN-Schichten 14 und 16 funktionieren als optische Führungsschicht. Die unbeabsichtigt dotierte AlGaS-Schicht 16, die mittels Molekularstrahlenepitaxie gezüchtet wird, ist vom p-Typ mit p 10¹&sup5; cm&supmin;³ wegen der restlichen Kohlenstoff-Verunreinigungen.
  • Dann wird die Halbleiterscheibe durch eine reaktive Ionenstrahl- Ätztechnik unter Verwendung von Cl&sub2;-Gas in einer solchen Art und Weise geätzt, daß der geätzte Teil die p-Auskleidungsschicht 17 erreicht, was zu einer Streifenmesa 100 führt. Die Dicke des Teils der p-Auskleidungsschicht 17 außerhalb der Streifenmesa 100 ist 500 Å oder kleiner. Dann wird eine SiNx-Schicht 19 durch plasmagestütztes chemisches Vakuum-Aufdampfen auf der Halbleiterscheibe mit Ausnahme der Deckschicht 18 gebildet. Eine p- Seitenelektrode 20 aus AuZn/Au und eine n-Seitenelektrode 21 aus AuGe/Ni/Au werden auf der Oberseite der SiNx-Schicht 19, die die Deckschicht 18 einschließt, beziehungsweise der Rückseite des Substrats 11 gebildet, was zu einem Halbleiter-Laser führt. Wenn die Breite des unteren Teils der Streifenmesa und die Resonatorlänge des Halbleiter-Lasers 3,5 um beziehungsweise 250 um war, dann erreichte der Halbleiter-Laser eine Laserschwingung mit einer Schwingungs-Wellenlänge von 840 nm bei einem Schwellenstrom von 4 mA.
  • Da nun der Halbleiter-Laser so gestaltet ist, daß die GRIN- Schicht 16, die einen verhältnismäßig hohen spezifischen Widerstand (p ≤ 1 · 10¹&sup5; cm&supmin;³) hat, über der aktiven Schicht 15 liegt und außerdem die GRIN-Schicht 14 und die AlGaAs-Auskleidungsschicht 13, welche beide einen spezifischen Widerstand haben, der kleiner als der der GRIN-Schicht 16 ist, beide unter der aktiven Schicht 15 liegen, kann die Diffusion von Strom, der in die aktive Schicht 15 eingeleitet wird, durch die Streifenmesa 100 effektiv unterdrückt werden.
  • Folglich kann ein Quantenquellen-Halbleiter-Laser mit der vorstehend angeführten GRIN-SCH-Struktur eine Laserschwingung bei einem niedrigen Schwellenstrompegel erreichen.
  • Beispiel 2
  • Fig. 4 zeigt einen weiteren Halbleiter-Laser dieser Erfindung, welcher wie folgt hergestellt wird:
  • Eine Mehrschichtstruktur, die eine aktive Schicht 15 hat, die durch eine Doppel-Heterostruktur definiert ist, wird auf einem n-GaAs-Substrat 11 mittels Molekularstrahlepitaxie in derselben Weise wie jene gebildet, die in Fig. 1 gezeigt wird. Dann wird ein Streifensteg 101 durch Verwendung einer SiO&sub2;-Schicht (nicht gezeigt) gebildet, die als Maske funktioniert, und dann wird auf der Halbleiterscheibe mit Ausnahme der Oberseite der Deckschicht 18 des Stegs 101 eine n-GaAs-Stromsperrschicht (Si = 2 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ mit einer Dicke von 2 um) 30 gezüchtet. Dann wird die SiO&sub2;- Schicht entfernt, wonach dann die Bildung einer p-Seitenelektrode 20 aus AuZn/Au und einer n-Seitenelektrode 21 aus AuGe/- Ni/Au auf der Oberseite der Stromsperrschicht 30 einschließlich der Deckschicht 18 beziehungsweise der Rückseite des Substrats 11 erfolgt, was zu einem Halbleiter-Laser mit Steghohlleiter führt. Wenn die Breite des unteren Teils des Streifenstegs 101 und die Resonatorlänge dieses Halbleiter-Lasers auf 4 im beziehungsweise 250 um gesetzt wurden, dann erreichte der Halbleiter- Laser eine Laserschwingung mit einer Schwingungs-Wellenlänge von 840 nm bei einem Schwellenstrompegel von 8 mA. Da nun dieser Halbleiter-Laser so gestaltet ist, daß die Dicke des Teils der p-Auskleidungsschicht 17 mit Ausnahme des Streifenstegs 101 nur 500 Å dick oder geringer ist, kann die Diffusion von Strom ebenfalls effektiv unterdrückt werden. Bei diesem Beispiel wird Licht durch die n-GaS-Schicht 30 absorbiert, wodurch eine Stabilisierung einer Transversalschwingung erreicht wird, und folglich wird eine Laserschwingung in Grund-Transversalform erreicht, wenn die Breite des Streifenstegs 101 des Halbleiter- Lasers maximal auf ungefähr 5 um gesetzt wird. Jedoch entsteht ein Verlust der Lichtabsorption in starkem Ausmaß in dem Halbleiter-Laser, so daß der Schwellenstrompegel, bei welchem eine Laserschwingung erreicht wird, höher als der des in Fig. 1 gezeigten Lasers von Beispiel 1 wird.
  • Obwohl die vorstehend angeführten zwei Beispiele offenbaren, daß die an der Seite der n-Auskleidungsschicht liegende optische Führungsschicht 14 mit einem Si-Dotiermittel in einer Konzentration von 5 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ dotiert ist (d. h. Si = 5 · 10¹&sup7; cm&supmin;³) und sich die optische Führungsschicht 16, die auf der Seite der p- Auskleidungsschicht liegt, unbeabsichtigt so dotiert ist, daß sie eine p-Schicht mit p 10¹&sup5; cm&supmin;³ ist, kann die Trägerkonzentration der n-seitigen optischen Führungsschicht auf 10¹&sup7; cm&supmin;³ oder mehr gesetzt werden und kann die Trägerkonzentration der pseitigen optischen Führungsschicht auf 10¹&sup6; cm&supmin;³ oder kleiner gesetzt werden, so daß der Widerstand der p-seitigen optischen Führungsschicht höher als der der n-seitigen optischen Führungsschicht wird, und die Diffusion von Strom in Querrichtung, der in die aktive Schicht durch die Streifenmesa oder den Steg eingeleitet wird, kann unterdrückt werden.
  • Darüberhinaus kann durch die Molekularstrahlenepitaxie, bei der das Wachstum von Schichten mit einer hohen Kristallreinheit erreicht wird, wie sie beispielsweise bei den vorstehend angeführten Beispielen verwendet wird, unbeschadet der Tatsache, daß die Wachstumsschichten nicht mit Dotiermitteln dotiert sind, eine p-Wachstumsschicht mit p 10¹&sup6; cm&supmin;³ erreicht werden. Selbst dann, wenn andere Kristallschicht-Wachstumstechniken, wie beispielsweise die Flüssigphasenepitaxie usw. zur Anwendung kommen, können wenn n- oder p-Wachstumsschichten mit n 10¹&sup6; cm&supmin;³ oder p 10¹&sup6; cm&supmin;³ unbeschadet der Tatsache erreicht werden, daß diese Wachstumsschichten nicht mit Dotiermitteln dotiert sind, undotierte optische Führungsschichten bei Bedarf verwendet werden.
  • Außerdem kann die p-seitige optische Führungsschicht eine n- Schicht mit n ≤ 10¹&sup7; cm&supmin;³ sein. Da positive Löcher, die in diese optische n-Führungsschicht injiziert werden, eine kleine Trägermenge sind, ist das Ausmaß der Trägerdiffusion auf eine so kurze Strecke wie 1 um oder weniger begrenzt, so daß die Diffusion von Strom effektiv unterdrückt werden kann. Zusätzlich ist wenn die Trägerkonzentration 1 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ oder kleiner ist, die Strahlungs-Wiedervereinigung in der optischen Führungsschicht kleiner als in der aktiven Schicht, und infolgedessen wird ein Verlust von Träger, der als entfernter Übergang injiziert wird, nicht groß.
  • Diese Erfindung ist nicht auf die bei den vorstehenden Beispielen offenbarten Laserstrukturen begrenzt, sondern es kann jede beliebige Struktur, bei welcher der Teil der p-Auskleidungsschicht außerhalb des schwingenden Bereichs auf eine Dicke von 500 Å oder weniger verdünnt oder entfernt ist und eine Stromsperrfunktion erreicht wird, auf diese Erfindung angewendet werden; beispielsweise kann die Stromsperrschicht 30 des in Fig. 4 gezeigten Lasers aus einem halbisolierenden Material wie beispielsweise GaAs, AlGaAs oder dergleichen oder einem isolierenden Material, wie beispielsweise Polyimidharz, hergestellt werden.
  • Obwohl die vorstehend angeführten Beispiele eine Quantenquellenstruktur, bei der die Dicke der aktiven Schicht 60 Å beträgt, offenbaren, kann eine Wachstumsschicht, die eine Dicke von mehreren hundert Å bis zu ungefähr 2000 Å hat, als aktive Schicht mittels Flüssigphasenepitaxie, organisch-chemisches Metallaufdampfen usw. gebildet werden. Darüberhinaus sind die optischen Führungsschichten nicht notwendigerweise GRlN-Schichten, sondern es können Wachstums schichten mit einer bestimmten Zusammensetzung oder GRIN-Schichten sein, deren Zusammensetzung sich entsprechend einer anderen Verteilung als einer parabolischen Verteilung ändert. Die Halbleiter-Laser-Einrichtung dieser Erfindung ist nicht auf das AlGaAs-System begrenzt, sondern ist auch auf andere Halbleitermaterialien, wie das InGaAsP-System, das InAlGaP-System, das AlGaAsSb-System, das InGaAlAs-System usw. anwendbar.

Claims (3)

1. Halbleiter-Laser mit:
einer Doppel-Heterostruktur, die aus einer aktiven Schicht (15) und einem Paar Auskleidungsschichten (13, 17) gebildet ist, zwischen denen die aktive Schicht eingeschlossen ist;
einer Streifenstruktur, bei der in den Laser injizierter Strom eingeschlossen ist, wobei die Streifenstruktur durch einen Teil von einer der beiden Auskleidungsschichten gebildet ist;
einer ersten optischen Führungsschicht (14), die zwischen der einen Auskleidungsschicht (13) und der aktiven Schicht (15) liegt und einer zweiten optischen Führungsschicht (16) besteht, die zwischen der anderen Auskleidungsschicht (17) und der aktiven Schicht (15) liegt,
wobei der Halbleiter-Laser dadurch gekennzeichnet ist, daß der elektrische Widerstand der optischen Führungsschicht (16) näher an der Streifenstruktur höher als der Widerstand der optischen Führungsschicht (14) in größerem Abstand zu der Streifenstruktur ist;
und, daß die Dicke eines Teils einer Auskleidungsschicht (17) außerhalb der Streifenstruktur 50 nm oder weniger ist, wobei die Auskleidungsschicht an der Seite der Streifenstruktur liegt.
2. Halbleiter-Laser nach Anspruch 1, wobei die Streifenstruktur in eine Mesa eingeformt ist (100).
3. Halbleiter-Laser nach Anspruch 1, wobei die Streifenstruktur in einen Grat (101) eingeformt ist.
DE87311420T 1986-12-26 1987-12-23 Halbleiterlaservorrichtung. Expired - Lifetime DE3786339T2 (de)

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