DE68914980T2

DE68914980T2 - Lichtausstrahlende anordnung und verfahren zur herstellung.

Info

Publication number: DE68914980T2
Application number: DE68914980T
Authority: DE
Inventors: Hideaki Iwano; Katsuhiro Teraishi; Yasuji Yamazaki
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1988-09-01
Filing date: 1989-08-22
Publication date: 1994-09-22
Anticipated expiration: 2009-08-23
Also published as: DE68914980D1; US5179566A; EP0383943A1; EP0383943B1; EP0383943A4; WO1990003055A1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen einer Halbleiterlaserstrahlung und außerdem auf ein Verfahren zur Herstellung solch einer integrierten Vorrichtung. Ferner bezieht sich die Erfindung auf Anwendungsvorrichtungen.

Stand der Technik

Eine herkömmliche Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen einer Halbleiterlaserstrahlung ist in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 142,284/1976 beschrieben. Diese bekannte Vorrichtung ist in Fig. 10 dargestellt und ist eine integrierte Hybridvorrichtung, die aus einem Halbleiterlaser 1001 aus AlGaAs und einer Vorrichtung 1002 zur Erzeugung der zweiten Harmonischen besteht. Die Vorrichtung 1002 ist ein optischer Dünnfilmwellenleiter aus LiNbO&sub3; oder ähnlichem. Die von dem Halbleiterlaser 1001 ausgesandte Laserstrahlung einer Wellenlänge von 870 nm tritt in die Vorrichtung 1002 zur Erzeugung der zweiten Harmonischen ein. Die Strahlung wird dann durch den nicht-linearen optischen Effekt des Dünnfilms aus LiNbO&sub3; zu einer solchen mit der halben Wellenlänge der Laserstrahlung, d.h. 435 nm umgesetzt und als Ausgangsstrahlung 1003 abgegeben.
Eine andere bekannte Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen einer Halbleiterlaserstrahlung ist in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 112,023/1985 beschrieben und in Fig. 11 dargestellt. Diese Vorrichtung ist eine integrierte Hybridvorrichtung, die aus einem Halbleiterlaser 1101 aus AlGaAs und einer Vorrichtung 1102 zur Erzeugung der zweiten Harmonischen besteht. Bei der Vorrichtung 1102 handelt es sich um einen optischen Dünnfilmwellenleiter aus LiNbO&sub3; oder ähnlichem. Eine Kondensorlinse 1103 ist zwischen ihnen angeordnet, um das Licht von dem Laser wirksam in den optischen Wellenleiter einzuführen. Wenn der Auftreffpunkt an den Wellenleiter angepaßt ist, kann die optische Dichte innerhalb des Wellenleiters erhöht werden. Dies erhöht den Wirkungsgrad, mit dem das Laserlicht zu Licht mit der Hälfte der ursprünglichen Wellenlänge umgesetzt wird.
Diese bekannten Techniken haben folgende Probleme. Bei der in Fig. 10 gezeigten Vorrichtung ist es ziemlich schwierig, die aktive Laserschicht bündig mit dem optischen Dünnfilmwellenleiter zu bekommen. Darüberhinaus wird ihre relative Lage leicht von Änderungen der Umgebungstemperatur und anderen Änderungen beeinflußt. Wenn ihre positionielle Integrität ganz verloren geht, wird das Laserlicht nicht in den Wellenleiter eingeführt. Darüberhinaus ist der Kopplungswirkungsgrad des Wellenleiters gering, da die ausgesandte Halbleiterlaserstrahlung aufgefächert ist. Auch dies führt zu einer Verminderung des Umwandlungswirkungsgrads. Bei der in Fig. 11 gezeigten Vorrichtung kann die optische Dichte innerhalb des von einem Dünnfilm gebildeten optischen Wellenleiters durch die Kondensorlinse erhöht werden. In diesem Fall ist es notwendig, daß die Laserstrahlung auf den Wellenleiter fokussiert wird, der eine Dicke in der Größenordnung von 1 um aufweist. Diese Ausrichtung ist daher sehr schwer auszuführen. Ferner wird die positionielle Integrität durch Änderungen der Umgebungstemperatur leicht zerstört.
Eine Vorrichtung umfassend einen laminierten, Laserlicht emittierenden Teil, der auf einem Einkristallsubstrat eines Halbleiters von Gruppe III-V Verbindungen ausgebildet ist, und einen nicht-linearen optischen Wellenleiter zur Erzeugung der zweiten Harmonischen, der aus einem dünnen, auf dem Substrat ausgebildeten laminierten Film eines Einkristalls eines Halbleiters von Gruppe II-VI Verbindungen hergestellt ist, wobei der Laserlicht emittierende Teil und der nicht- lineare optische Wellenleiter im wesentlichen miteinander fluchten, ist in den Dokumenten JP- A-63 164379 und JP-A-62 86881 offenbart. Das Dokument "Second Harmonic Light Wave Generation from DFB Lasers", Xerox Disclosure Journal, Band 4, Nr. 3, Mai/Juni 1979, Seiten 365 - 366 offenbart ebenfalls eine solche Vorrichtung, bei der die Filmdicke des nicht-linearen optischen Wellenleiters so eingestellt ist, daß die Grundwelle und die zweite harmonische Welle phasenangepaßt sind. Bei diesen Stand-der-Technik-Dokumenten stehen die gegenüberliegenden Endflächen des Lasers und des Wellenleiters in direktem Kontakt miteinander.
Es ist demgemäß eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine monolithisch integrierte Vorrichtung zu schaffen, die sich aus einem Halbleiterlaser und einer Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen zusammensetzt und bei der die Laserstrahlung mit hohem Wirkungsgrad auf die Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen gekoppelt wird, die optische Dichte in dem von einem Dünnfilm gebildeten optischen Wellenleiter hoch ist, die integrierte Vorrichtung die Laserstrahlung mit hohem Wirkungsgrad zur zweiten Harmonischen umsetzt und der Kopplungswirkungsgrad von Umgebungsänderungen unbeeinflußt ist.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung der gerade beschriebenen integrierten Vorrichtung zu schaffen.
Diese Aufgaben werden mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bzw. einem Verfahren gemäß Anspruch 13 gelöst.
Spezielle Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht der Lichterzeugungsvorrichtung gemäß der Erfindung,
Fig. 2 ist ein Querschnitt längst der Linie A-A' in Fig. 1 zur Darstellung des Aufbaus des Halbleiterlaserteils der Lichterzeugungsvorrichtung,
Fig. 3 ist ein Querschnitt längst der Linie B-B' in Fig. 1 zur Darstellung des Aufbaus des optischen Wellenleiterteils zur Erzeugung der zweiten Harmonischen der Lichterzeugungsvorrichtung,
Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht einer anderen Lichterzeugungsvorrichtung gemäß der Erfindung,
Fig. 5 ist ein Querschnitt längst der Linie A-A' in Fig. 4 zur Darstellung des Aufbaus des Halbleiterlaserteils der Lichterzeugungsvorrichtung,
Fig. 6 ist ein Querschnitt längst der Linie B-B' in Fig. 4 zur Darstellung des Aufbaus des optischen Wellenleiterteils zur Erzeugung der zweiten Harmonischen der Lichterzeugungsvorrichtung,
Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht des optischen Wellenleiterteils zur Erzeugung der zweiten Harmonischen einer weiteren Lichterzeugungsvorrichtung gemäß der Erfindung,
Fig. 8(a)-(g) zeigen Schritte, die zur Herstellung einer Lichterzeugungsvorrichtung gemäß der Erfindung durchgeführt werden,
Fig. 9 ist ein schematisches Diagramm eines optischen Speichers gemäß der Erfindung,
Fig. 10 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer bekannten Vorrichtung, die blaues Licht abstrahlt, und
Fig. 11 ist ein schematisches Diagramm einer anderen bekannten Vorrichtung, die blaues Licht abstrahlt.
101, 201, 301, 401, 501, 601, 801: Einkristallsubstrate aus n-GaAs
102, 402: Halbleiterlaser
103, 403: optische Wellenleiter zur Erzeugung der zweiten Harmonischen
104: dielektrischer Mehrschichtfilm
105: dielektrischer Film
202, 602, 802: n-GaAs Pufferschichten
203, 603, 803: n-AlxGa1-xAs Mantelschichten
204, 604, 804: aktive GaAs Schichten
205, 605, 805: p-AlxGa1-xAs Mantelschichten
206, 502, 807: vergrabene Schichten aus ZnSxSe1-x
207, 606, 806: p-GaAs Kontaktschichten
208: p-leitende ohmsche Elektrode
209: n-leitende ohmsche Elektrode
302, 304, 608, 610: ZnSxSe1-x Mantelschichten
303, 609: nicht-lineare optische Wellenleiterschichten aus ZnSe
305: ZnSxSe1-x Schichten
701, 703: ZnS Mantelschichten
702: nicht-lineare optische Mehrschicht-Übergitter-Wellenleiterschicht
901: blaues Licht emittierende Vorrichtung
902: Kollimatorlinse
903: Beugungsgitter
904: Halbprisma
905: Kondensorlinse
906: optische Speicher-Disk
1001, 1101: Halbleiterlaser
1002, 1102: Vorrichtungen zur Erzeugung der zweiten Harmonischen
1003: Ausgangslicht
1103: Kondensorlinse

Beste Art der Ausführung der Erfindung

Es wird nun auf Fig. 1 Bezug genommen, die eine monolithisch integrierte Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigt. Die integrierte Vorrichtung umfaßt ein n-GaAs Substrat 101, einen Doppel- Heterojunction-Halbleiterlaser 102 aus AlxGa1-xAs und einen rippenartigen optischen Wellenleiter 103 aus ZnSxSe1-x. Der Laser 102 und der Wellenleiter 103 sind auf dem Substrat 101 ausgebildet. Eine Endfläche des Lasers 102 ist in Kontakt mit einer Endfläche des Wellenleiters 103. Ein dielektrischer Mehrschichtfilm 104, der für die Wellenlänge λ der Laserstrahlung ein hohes Reflexionsvermögen aufweist, ist auf der Rückseite des Lasers 102 ausgebildet. Ein dielektrischer Film 105, der für die Wellenlänge λ/2 durchlässig ist, ist an einer Seitenendfläche des Wellenleiters 103 ausgebildet. Ein Laserresonator wird zwischen den reflektierenden Spiegeln dieser dielektrischen Filme gebildet. Die Dichteverteilung ist derart, daß die optische Energie innerhalb des Wellenleiters 103 hoch ist.
Fig. 2 ist ein Querschnitt längst der Linie A-A' durch den Halbleiterlaser 102. Fig. 3 ist ein Querschnitt längst der Linie B-B' durch den optischen Wellenleiter 103. Der Aufbau des in Fig. 2 gezeigten Halbleiterlasers wird nun beschrieben. Dieser Laser umfaßt ein Substrat 201 aus einem n-GaAs-Einkristall, eine Pufferschicht 202 aus n-GaAs, die auf dem Substrat 201 ausgebildet ist, eine Mantelschicht 203 aus n-AlxGa1-xAs (x=0,35), die auf der Pufferschicht 202 ausgebildet ist, eine aktive Schicht 204 aus GaAs, die auf der Mantelschicht 203 ausgebildet ist, eine weitere Mantelschicht 205, die auf der aktiven Schicht 204 ausgebildet ist, und eine Kontaktschicht 207 aus p-GaAs. Die Mantelschicht 205 hat die Form einer Rippe, ist vom umgekehrten Mesa-Typ und besteht aus pAlxGa1-xAs (x=0,35). Beide Enden der Rippe sind in einem dreidimensionalen Mischkristall 206 eines Halbleiters ZnSxSe1-x (x=0,06) von Gruppe II-VI Verbindungen vergraben.
Die ZnSxSe1-x Schicht auf der oberen Fläche der Kontaktschicht 207 wird weggeätzt. An ihrer Stelle wird eine p-leitende ohmsche Elektrode 208 ausgebildet. Eine n-leitende ohmsche Elektrode 209 wird an der unteren Fläche des Substrats 201 ausgebildet. Es wird veranlaßt, daß elektrischer Strom in Durchlaßrichtung zwischen den Elektroden 208 und 209 fließt, um elektrische Ladungen in die aktive Schicht 204 zu injizieren. Wenn Ladungsträger rekombinieren, wird Licht abgestrahlt. Dieses Licht wird zwischen den Endflächen des Resonators verstärkt. Als Ergebnis wird eine Laserstrahlung emittiert.
Da die ZnSxSe1-x Schicht 206 einen über 10 MΩ cm hinausgehenden spezifischen Widerstand aufweist, fließt der injizierte Strom kaum an anderen Stellen als der Lage der Rippe. Daher tritt die Laserschwingung nur in der aktiven Schicht auf, die sich unmittelbar unterhalb der Rippe befindet, wodurch der Schwellenstrom für die Schwingung vermindert wird. Der Schwellenstrom wird mit Ith bezeichnet. Der Brechungsindex von ZnSxSe1-x (x=0,06) beträgt 2,53 und ist damit geringer als der Brechungsindex 3,4 von GaAs.
Bei dem in Fig. 2 gezeigten Halbleiterlaser besteht eine effektive Stufe der Brechungsindex zwischen der aktiven Laserzone und der Mischkristallschicht 206 aus ZnSxSe1-x (x=0,06), in der beide Enden der Rippe vergraben sind. Folglich ist die Laserstrahlung wirksam auf die aktive Laserzone (lasing region) beschränkt. Auch dies vermindert den Schwellenwert Ith. Zusätzlich kann der differentielle Quantumwirkungsgrad verbessert werden. Wegen dieser Effekte kann der Wert des Treiberstroms verringert werden, und es wird eine Lichtemission des Halbleiterlasers mit hoher Energie erlaubt. Dadurch kann die Energie der erzeugten zweiten Harmonischen erhöht werden.
Da ZnSxSe1-x hinsichtlich der Gitterkonstante mit AlxGa1-xAs übereinstimmt, ist es unwahrscheinlich, daß infolge fehlangepaßter Gitterkonstanten an der Grenzfläche Versetzungen oder andere unerwünschte Erscheinungen auftreten. Aus diesem Grund wird ein Kristall recht hoher Qualität erhalten. Damit werden ein Verlust an injizierten Ladungsträgern und ein Verlust von Licht in dem Wellenleiter verhindert. Wegen dieser verschiedenen Vorteile beträgt der Schwellenstrom Ith des Halbleiterlasers nur 15 bis 20 mA. Die Ausgangsleistung der Schwingung bei einer Wellenlänge von 870 nm liegt über 100 mW.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird als nächstes der Querschnittsaufbau des optischen Wellenleiters zur Erzeugung der zweiten Harmonischen beschrieben. Der rippenartige optische Wellenleiter umfaßt ein Substrat 301 aus n-GaAs, eine Mantelschicht 302, die auf dem Substrat 301 ausgebildet ist und aus ZnSxSe1-x (x=0,5 bis 1,0) besteht, eine nicht-lineare, optische Wellenleiterschicht 303 aus ZnSe und eine Mantelschicht 304 aus ZnSxSe1-x (x=0,5 bis 1,0). Das ganze ist mit ZnSxSe1-x (x=0,1) bedeckt. Die Wellenleiterschicht 303 fällt genau oder im wesentlichen mit der Lage der aktiven GaAs Schicht 205, die in Fig. 2 gezeigt ist, zusammen. Daher tritt die Laserstrahlung im wesentlichen ohne Verlust in die Wellenleiterschicht 303 ein. Während sich das einfallende Licht durch den rippenartigen Streifen fortpflanzt, interferiert es nicht-linear mit dem Medium aus ZnSe, um die zweite Harmonische zu erzeugen, deren Wellenlänge die Hälfte der Wellenlänge des einfallenden Lichts beträgt. Beim vorliegenden Beispiel betrug die Wellenlänge des einfallendes Lichts 870 nm, und blaues kohärentes Licht eine Wellenlänge von 435 nm wurde erhalten. Der Umwandlungswirkungsgrad lag zwischen 5 % und 7 %. Wenn der Halbleiterlaser mit 100 mW oszillierte, ergab sich blaues Licht mit 5 bis 7 mW. Damit eine ausreichende nicht-lineare Wechselwirkung des Lichts bewirkt wird, ist es nötig, daß die optische Energiedichte innerhalb des optischen Wellenleiters ausreichend groß ist. Beim vorliegendem Beispiel wird das Licht auch in der Richtung der Fläche des Substrats eingegrenzt, da der Wellenleiter ein Dünnfilm ist und die Form eines rippenartigem Streifens annimmt. Folglich konnte eine große optische Energiedichte erzeugt werden.
Da die Schicht aus ZnSe und die Schicht aus ZnSxSe1-x je aus einem Einkristalldünnfilm bestehen, ist der Verlust an blauem Licht an der Austrittsendfläche des Wellenleiters gering. Auch dies erhöht den Umwandlungswirkungsgrad.
Der Halbleiterlaser und der optische Wellenleiter sind so ausgebildet, daß sie voneinander beabstandet sind. Ein Film aus Al&sub2;O&sub3; ist auf jede der gegenüberliegenden Endflächen des Lasers und des Wellenleiters geschichtet. Wenn die Gesamtdicke der Al&sub2;O&sub3; Filme gleich der Hälfte der Schwingungswellenlänge von 870 nm des Lasers geteilt durch den Brechungsindex 1,76 von Al&sub2;O&sub3;, d.h. 247 nm beträgt, tritt kein Reflexionsverlust an dieser Fläche auf. Dies erhöht den Gesamtwirkungsgrad weiter. Ein ähnlicher Vorteil kann dadurch erreicht werden, daß der Halbleiterlaser und der optische Wellenleiter um eine Entfernung gleich der Hälfte der Schwingungswellenlänge beabstandet werden.
Um eine ausreichende nicht-lineare Wechselwirkung des Lichts zu erlauben, muß, wie oben beschrieben, die optische Energiedichte groß sein. Darüberhinaus muß die Grundwelle in der Phasengeschwindigkeit mit der zweiten harmonischen Welle innerhalb des Mediums übereinstimmen. Diese Forderung wird Phasenanpassung genannt und kann dadurch erfüllt werden, daß die Dicke der nicht-linearen optischen Wellenleiterschicht geeignet gewählt wird. Beim vorliegendem Beispiel beträgt der Brechungsindex der ZnS Mantelschicht 2,32 bei der Wellenlänge 870 nm. Der Brechungsindex des nicht-linearen Mediums aus ZnSe beträgt 2,53 bei der Wellenlänge 870 nm. Die Stufe des Brechungsindex ist nahe bei 10 %. Durch Einstellung der Dicke der ZnSe Schicht auf 800 Å kann die Phase zwischen der TE&sub0; Mode und der TE&sub1; Mode der zweiten Harmonischen angepaßt werden.
Der rippenförmige Streifen ist mit einer Schicht 305 aus ZnSxSe1-x (x=0,1) bedeckt. Eine Brechungsindexstufe von 0,01 existiert in der Richtung der Ebene des Substrats. Das blaue Licht wird mit einem einzigen Fleck abgestrahlt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 4 wird nun eine andere Vorrichtung gemäß der Erfindung beschrieben. Diese Vorrichtung ist eine monolithisch integrierte Vorrichtung umfassend ein Substrat 401 aus n-GaAs, eine Doppel-Heterojunction-Halbleiterschicht 402, die aus AlxGa1-xAs besteht und auf dem Substrat ausgebildet ist, und einen vergrabenen optischen Wellenleiter 403, der aus ZnSxSe1-x besteht. Fig. 5 zeigt einen Querschnitt längst der Linie A-A', um den Querschnittsaufbau des Halbleiterlasers darzustellen. Fig. 6 zeigt einen Querschnitt längst der Linie B-B', um den Querschnittsaufbau des optischen Wellenleiters darzustellen. Der Halbleiterlaser ist im Querschnittsaufbau identisch mit dem bereits in Verbindung mit Fig. 2 beschriebenen Laser.
Unter Bezugnahme auf Fig. 6 wird der optische Wellenleiter gebildet von einer Pufferschicht 602 aus n-GaAs, einer Mantelschicht 603 aus n-AlxGa1-xAs (x=0,35), einer aktiven Schicht 604 aus GaAs, einer p-Mantelschicht 605 aus AlxGa1-xAs (x=0,35) und einer p-GaAs Mantelschicht 606 auf einem n-GaAs Substrat 601. Das Laminat weist einen Doppel-Heteroübergang (Doppel-Heterojunction) auf. Ein Kanal 607 wird gebildet. Dann werden eine optische Wellenleiterschicht als Dünnfilm umfassend eine Mantelschicht 608 aus ZnSxSe1-x (x=0,5 bis 1,0), eine nicht-lineare, optische Wellenleiterschicht 609 aus ZnSe und eine Mantelschicht 610 aus ZnSxSe1-x (x=0,35) gebildet. Da die Wellenleiterschicht 609 mit der aktiven GaAs Schicht 604 fluchtet, wird das von dem Laser 402 abgestrahlte Licht im wesentlichen ohne Verlust in die Wellenleiterschicht eingeführt. Bei dem vorliegendem Beispiel kann eine ausreichend große optische Energiedichte in dem Wellenleiter erreicht werden.
Infolge der Krümmung des optischen Wellenleiters besteht eine Brechungsindexstufe in der Richtung der Fläche des Substrats. Das Licht wird auch in dieser Richtung eingegrenzt. Da bei diesem Beispiel die Wellenlänge des einfallenden Lichts 870 nm betrug, wurde blaues kohärentes Licht einer Wellenlänge von 435 nm erhalten. Der Umwandlungswirkungsgrad betrug zwischen 6 % und 8 %. Wenn der Halbleiterlaser bei 100 mW oszillierte, wurde 6 bis 8 mW blaues Licht erzeugt.
Fig. 7 zeigt den Querschnitt des nicht-linearen, optischen Wellenleiters einer anderen Vorrichtung gemäß der Erfindung. Der Halbleiterlaser dieses Beispiels ist genau der gleiche wie der in Fig. 2 gezeigte Laser. Ähnlich dem in Fig. 3 gezeigten Aufbau ist eine nicht-lineare, optische Wellenleiterschicht 702 sandwichartig zwischen Mantelschichten 701 und 703 aus ZnS eingeschlossen. Bei diesem Beispiel hat die Mantelschicht 702 einen Mehrschicht-Übergitteraufbau bestehend aus ZnSe und ZnSxSe1-x (x=0,5) . Genauer, sind eine Schicht aus ZnSe mit 100 Å Dicke und eine Schicht aus ZnSxSe1-x mit 100 Å Dicke abwechselnd aufeinander geschichtet, so daß jede Schicht viermal vorhanden ist. Wegen dieses Übergitteraufbaus, wird die sekundäre nicht-lineare, optische Konstante verbessert und der Wirkungsgrad der Erzeugung der zweiten Harmonischen verbessert. Bei dem vorliegendem Beispiel wurde blaues kohärentes Licht einer Wellenlänge von 475 nm bei einem Umwandlungswirkungsgrad von 9 bis 10 % erhalten. Die Gesamtdicke des Mehrschichtübergitters beträgt 800 Å. In gleicher Weise wie bei dem obigen Beispiel ist die Phasenanpassung erfüllt und damit die nicht-lineare Wechselwirkung ermöglicht.
Bei dem obigem Beispiel hat der Halbleiterlaser eine Schwingungswellenlänge von 870 nm und ist aus AlGaAs hergestellt. Wenn ein Doppel-Heterojunction, gebildet aus GalnAsP und InP verwendet wird, beträgt die Schwingungswellenlänge 1 bis 1,5 um. Bei einem Aufbau ähnlich dem Aufbau des obigen Beispiels erhält man kohärentes Licht einer Wellenlänge von 500 bis 750 nm, d.h. von grün bis rot.
Ein Verfahren zur Herstellung der oben beschriebenen Vorrichtung, die blaues Licht erzeugt, wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 8 beschrieben. Eine Schicht 802 aus n-GaAs, eine Mantelschicht 803 aus n-AlxGa1-xAs (x=0,35), eine aktive Schicht 804 aus GaAs, eine Mantelschicht 805 aus p-AlxGa1-xAs (x=0,35) und eine Kontaktschicht 806 aus p-GaAs werden nacheinander auf einem Substrat 801 aus einem n-GaAs Einkristall aufgewachsen, und zwar durch Flüssigphasen-Epitaxialwachstum, metallorganische Dampfphasenbeschichtung (MOCVD) oder Molekular Strahl-Epitaxie (MBE) (Fig. 8-a). MOCVD bietet eine gleichförmige Filmdicke, erlaubt das Aufwachsen von extrem dünnen Filmen und ermöglicht eine Massenproduktion. Beim vorliegendem Beispiel werden die Kristalle durch MOCVD aufgewachsen. Als Elemente der Gruppe III werden Trimethylgallium und Trimethylaluminium verwendet. AsH&sub3;-Gas wird als ein Element der Gruppe V eingesetzt. Hochreiner Wasserstoff passiert einen Film aus Palladium und wird als Trägergas in eine Reaktionsröhre eingeführt, wo die zuvor genannten Rohmaterialien angeordnet sind. Das Substrat aus GaAs wird auf einer Graphitaufnahme plaziert und durch radiofrequente Induktionsheizung erhitzt. Die Temperatur des Substrats beträgt 700ºC bis 800ºC während die Filme aufgewachsen werden. Der Druck innerhalb der Reaktionsröhre beträgt 70 bis 200 Torr. Der n-Dotierstoff ist Se, während der p-Dotierstoff Zn ist. Es werden dann die beiden Enden des rippenartigen Streifens des Halbleiterlasers bis zu einer zwischenliegenden Tiefe in der p-Mantelschicht 805 mit Ausnahme der Rippe selbst weggeätzt (Fig. 8-b). Die beiden Seitenenden der Rippe werden in der Schicht 807 aus ZnSxSe1-x (Fig. 8-c) eingebettet, indem ZnSxSe1-x durch MOCVD selektiv epitaxial aufgewachsen wird. Ein dünner Film aus SiO&sub2; wird auf der oberen Fläche des rippenartigen Streifens gelassen. Unter diesen Bedingungen wird eine Schicht aus Dimethylzink, Dimethylselen und Dimethylschwefel durch MOCVD aufgewachsen. Die Temperatur des Substrats beträgt 600ºC. Der Druck des Reaktionsgases beträgt 70 Torr. Die Mischung aus Dimethylselen, Dimethylschwefel und Dimethylzink wird mit einem Molverhältnis von 1:2 zugeführt (Dimethylselen + Dimethylschwefel: Dimethylzink = 1:2). Auf dem Film aus SiO&sub2; wird kein Material abgeschieden. Ein Kristall wächst nur an den Seitenende der Rippe. Daher wird die Rippe flach eingebettet. Durch Wegätzen des Films aus SiO&sub2; kann ein Kontakt hergestellt werden. Dann wird das Laminat, das die aktive Schicht 804 einschließt, mit Ausnahme des Halbleiterlasers geätzt (Fig. 8-d). Zur Reduzierung des Lichtverlustes ist es nötig, daß die geätzte Oberfläche der aktiven Schicht einen vertikalen Schnitt darstellt und glatt ist. Aus diesem Grund wird der Ätzprozeß durch reaktives Ionenstrahlätzen unter Verwendung eines Strahls von Clorionen durchgeführt. Die Endflächen werden durch anisotropes Ätzen ausgebildet. Da die aktive Schicht in der Richtung der Bewegung des Ionenstrahls geätzt wird, wird ein vertikaler glatter Querschnitt erzeugt. Ein Dünnfilm aus SiO&sub2;, Si&sub3;N&sub4; oder anderem dielektrischen Material wird über der gesamten vertikalen Oberfläche ausgebildet. Der dielektrische Film wird längs dem Streifen des Halbleiterlasers weggeätzt, damit ein Streifen von im wesentlichen gleichförmiger Breite ausgebildet wird (Fig. 8-e). Dann wird ein Kristall aus einem Halbleiter von Gruppe II-VI Verbindungen lediglich auf dem Streifen durch selektive Epitaxie unter Verwendung des vorerwähnten MOCVD aufgewachsen (Fig. 8-f). Da kein Material auf dem dielektrischen Film abgeschieden wird, erhält der Dünnfilm die Form eines rippenartigen Streifens, wie in Fig. 8-f gezeigt. Die selektive Epitaxie wird ähnlich zu dem vorgenannten Prozeß ausgeführt. D.h., Dimethylzink und Dimethylselen werden als Rohmaterialien verwendet. Die Substrattemperatur beträgt 300 bis 700ºC. Der Druck des Reaktionsgases ist geringer als 300 Torr. Das Molverhältnis des zugeführten Mischung als Dimethylselen und Dimethylschwefel zum zugeführten Dimethylzink ist geringer als 6. Unter diesen Bedingungen ist die oben beschriebene selektive Epitaxie möglich. Eine Mantelschicht aus ZnSxSe1-x (x=0,5 bis 1,0), eine nicht-lineare optische Wellenleiterschicht aus ZnSe und eine Mantelschicht aus ZnSxSe1-x (x=0,5 bis 1,0) werden nacheinander epitaxial aufgewachsen. Die Zusammensetzung von ZnSxSe1-x kann dadurch beliebig eingestellt werden, daß das Molverhältnis der zugeführten Rohmaterialien justiert wird. Auf diese Weise wird eine {111} Kristallfläche an den Seitenflächen des aufgewachsenen rippenartigen Streifens ausgebildet, so daß flache Seitenwände gebildet werden.
Dies vermindert eine Streuung des geführten Lichts an den Seitenflächen, was in einer Zunahme des Wirkungsgrads der Erzeugung der zweiten Harmonischen resultiert. Nachfolgend wird eine Schicht aus ZnSxSe1-x (x=0,1) auf dem optischen Wellenleiter durch MOCVD in gleicher Weise wie bei dem oben beschriebenen Prozeß ausgebildet. Als Ergebnis wird der Brechungsindex horizontal gleichförmig (Fig. 8-g). Dann werden p- und n-leitende Elektroden zur Schaffung einer blaues Licht emittierenden Vorrichtung ausgebildet.
Wenn die nicht-lineare optische Wellenleiterschicht mit einem Übergitteraufbau versehen werden soll, werden eine Schicht aus ZnSe mit 100 Å Dicke und eine Schicht aus ZnSxSe1-x mit 100 Å Dicke abwechselnd aufgewachsen. Da eine steile Grenzfläche durch MOCVD ausgebildet werden kann, kann ein nicht-linearer optischer Wellenleiter mit einer großen nicht-linearen optischen Konstante realisiert werden.
Wenn der nicht-lineare optische Wellenleiter vergraben wird, nachdem der Laser ausgebildet wurde, wird ein Kanal geformt. Dann wird eine Mantelschicht selektiv epitaxial aufgewachsen, um die nicht-lineare optische Wellenleiterschicht zu vergraben.
Fig. 9 zeigt schematisch einen optischen Aufnehmer zur Verwendung mit einer optischen Compact Disk, wobei der Aufnehmer von der blaues Licht emittierenden neuen Vorrichtung Gebrauch macht. Die blaues Licht emittierende Vorrichtung 901 strahlt Licht der Wellenlänge 435 nm mit einer Ausgangsleistung von 5 mW ab. Das Licht tritt in eine Kollimatorlinse 902 ein und wird durch ein Beugungsgitter 903 in drei Strahlen aufgeteilt. Die Strahlen durchlaufen ein Halbprisma 904 und werden mittels einer Kondensorlinse 905 auf eine Disk 906 fokusiert. Der Durchmesser jedes Flecks auf der Disk beträgt etwa 0,5 um. Der Hauptstrahl wird durch die in der Oberfläche der Disk ausgebildeten Pits gebeugt. Änderungen in der Menge des reflektierten Lichtes werden zum Auslesen der Information detektiert. Die beiden Hilfsstrahlen werden als Spurführungssteuersignale verwendet. Da der Fleck- oder Punktdurchmesser verglichen mit dem herkömmlichen Fall, wo ein Licht mit einer Wellenlänge von 780 nm emittierender Halbleiterlaser eingesetzt wird, halbiert ist, kann die Speicherkapazität der Disk um einen Faktor 4 erhöht werden.

Wirkungen der Erfindung

Wie insoweit beschrieben, bietet die vorliegende Erfindung die vorliegenden Vorteile.
(1) Da ein Halbleiterlaser und eine Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen aus Verbindungshalbleitern mit demselben kristallinen Aufbau hergestellt sind, können sie monolithisch integriert werden. Damit kann eine recht kleine, blaues Licht emittierende Vorrichtung von etwa 1 mm² realisiert werden.
(2) Da die aktive Schicht des Halbleiterlasers und der nicht-lineare optische Wellenleiter parallel zu- und fluchtend miteinander ausgebildet werden, wird der größte Anteil der Laserstrahlung in dem nicht-linearen optischen Wellenleiter eingeführt. Folglich ist der Lichtverlust gering und intensives blaues Licht kann erzeugt werden.
(3) Da der Halbleiterlaser und die Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen monolithisch integriert sind, kann ein Schritt zur Ausrichtung der optischen Achsen, der normalerweise erforderlich wäre, um die Laserstrahlung in den Wellenleiter zu führen, entfallen. Deshalb kann eine blaues Licht emittierende Vorrichtung angeboten werden, die leicht und damit ökonomisch hergestellt werden kann und eine gute Reproduzierbarkeit aufweist.
(4) Da der Halbleiterlaser und die Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen monolithisch integriert sind, wird verhindert, daß die optische Achse von ihrer korrekten Position selbst kann abweicht, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert oder eine mechanische Schwingung auftritt. Daher erhält man eine sehr zuverlässige blaues Licht emittierende Vorrichtung.
(5) Da das in dem nicht-linearen optischen Wellenleiter geführte Licht nicht nur in der Richtung der Dicke des Films sondern auch in der Richtung der Substratoberfläche eingegrenzt ist, ist die optische Energiedichte hoch und eine nicht-lineare Wechselwirkung des Lichts ausreichend sichergestellt. Dies verbessert den Wirkungsgrad, mit dem das Laserlicht zur zweiten Harmonischen umgesetzt wird. Als eine Folge kann starkes blaues Licht erzeugt werden.
(6) Da der nicht-lineare optische Wellenleiter aus einem Dünnfilm eines Einkristalls eines Halbleiters von Gruppe II-VI Verbindungen hergestellt ist, der auf einem Einkristallsubstrat aus einem Halbleiter von Gruppe III-V Verbindungen aufgewachsen werden kann, können der Laser und der Wellenleiter monolithisch integriert werden. Das geführte Licht wird wenig absorbiert oder gestreut. Auch dies verbessert den Wirkungsgrad, mit dem das Laserlicht zur zweiten Harmonischen umgewandelt wird. Als Folge kann intensives blaues Licht erzeugt werden.
(7) Da der nicht-lineare optische Wellenleiter durch Aufwachsen von Dünnfilmen mittels MOCVD ausgebildet wird, was erlaubt, die Dicken der Dünnfilme gut zu steuern, kann die Phasenanpaßbedingung durch Steuerung der Filmdicken erfüllt werden. Daher tritt eine wirkungsvolle nicht-lineare Lichtwechselwirkung auf. Daher kann mit guter Reproduzierbarkeit eine blaues Licht emittierende Vorrichtung, bei der die Laserstrahlung mit hohem Wirkungsgrad in die zweite Harmonische umgewandelt wird, hergestellt werden.
(8) Der Halbleiterlaser ist in der Lage, mit hoher Energie abzustrahlen und hat einen Aufbau mit hohem Quantumwirkungsgrad. Folglich kann intensives blaues Licht erzeugt werden.
(9) Wo der nicht-lineare optische Wellenleiter einen Übergitteraufbau aufweist, ist die nicht-lineare optische Konstante groß. Dies verbessert weiter den Wirkungsgrad mit dem die Laserstrahlung zur zweiten Harmonischen umgesetzt wird.
(10) Da der optische Wellenleiter durch selektives epitaxiales Wachstum ausgebildet wird, sind die Seitenwände des Wellenleiters Kristallflächen und sind flach. Es ist nicht nötig, den Halbleiter der Gruppe II-VI Verbindungen zur Ausbildung des Wellenleiters zu ätzen. Aus diesen Gründen besteht eine geringere Wahrscheinlichkeit von Lichtstreuung an den Seitenwänden des Wellenleiters. Der Wellenleiter mit geringem Verlust kann leicht hergestellt werden.
(11) Da ein kohärente Lichtquelle einer kurzen Wellenlänge verwendet wird, kann die Kapazität des optischen Speichers verglichen mit dem bekannten optischen Speicher um einen Faktor 4 erhöht werden. Folglich läßt sich ein Speicher mit einer großen Kapazität realisieren.

Claims

1. Lichterzeugungsvorrichtung, umfassend

einen laminierten, Laserlicht emittierenden Teil (102, 402), der auf einem Einkristallsubstrat (101, 401) eines Halbleiters von Gruppe III-V Verbindungen ausgebildet ist, und

einen nicht-linearen optischen Wellenleiter (103, 403) zur Erzeugung der zweiten Harmonischen, der aus einem dünnen, auf dem Substrat ausgebildeten laminierten Film eines Einkristalls eines Halbleiters von Gruppe II-VI Verbindungen hergestellt ist,

wobei der Laserlicht emittierende Teil und der nicht-lineare optische Wellenleiter im wesentlichen miteinander fluchten und

die Filmdicke des nicht-linearen optischen Wellenleiters so eingestellt ist, daß die Grundwelle und die zweite harmonische Welle phasenangepaßt sind,

dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüberliegenden Endflächen des Laserlicht emittierenden Teils und des nicht-linearen optischen Wellenleiters voneinander beabstandet sind, um zwischen ihnen eine optische Länge gleich der Hälfte der Schwingungswellenlänge des von dem Laserlicht emittierenden Teil emittierten Lichts zu schaffen.

2. Lichterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der beiden gegenüberliegenden Endflächen mit einem dielektrischen Film beschichtet ist, wobei die Gesamtfilmdicke gleich der Hälfte der Schwingungswellenlänge des von dem Laserlicht emittierenden Teil emittierten Lichts geteilt durch den Brechungsindex des dielektrischen Films ist.

3. Lichterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Laserlicht emittierende Teil (102, 402) ein Dünnfilm aus einem Kristall eines Halbleiters bestehend aus Gruppe III-V Verbindungen ist, und bei der der optische Wellenleiter (103, 403) zur Erzeugung der zweiten Harmonischen ein Dünnfilm eines Kristalls eines Halbleiters bestehend aus Gruppe II-VI Verbindungen ist.

4. Lichterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der optische Wellenleiter zur Erzeugung der zweiten Harmonischen ein auf dem Halbleitersubstrat ausgebildeter rippenartiger Streifen (103) ist.

5. Lichterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der optische Wellenleiter zur Erzeugung der zweiten Harmonischen umfaßt: eine Mantelschicht (302, 304) aus einem Halbleiter bestehend aus Gruppe II-VI Verbindungen, und einen optischen Wellenleiter (303) aus einem nicht-linearen optischen Medium eines Halbleiters, der aus Gruppe II-VI Verbindungen besteht und einen kleinerem Bandabstand als der die Mantelschicht bildende Halbleiter aufweist.

6. Lichterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der optische Wellenleiter für die Erzeugung der zweiten Harmonischen einen rippenartigen Streifen (103) aufweist und aus der Mantelschicht (302, 304) und dem nicht-linearen optischen Wellenleiter (303) besteht, und bei der der rippenartige Streifen von einem Halbleiter (305) umgeben ist, der aus Gruppe II-VI Verbindungen besteht und einen kleineren Brechungsindex als der den nicht-linearen optischen Wellenleiter bildende Halbleiter aufweist.

7. Lichterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der optische Wellenleiter (403) für die Erzeugung der zweiten Harmonischen in einem in dem Halbleitersubstrat (401, 601) ausgebildeten Kanal (607) angeordnet ist und mit der Oberfläche des Substrats im wesentlichen bündig ist.

8. Lichterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der ein Laserresonator den Laserlicht emittierenden Teil (102) und einen Reflexionsspiegel mit zwei entgegensetzten Endflächen (104, 105) umfaßt, wobei sich der optische Wellenleiter (103) für die Erzeugung der zweiten Harmonischen innerhalb des Spiegels befindet.

9. Lichterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der optische Wellenleiter für die Erzeugung der zweiten Harmonischen eine Mehrschicht-Übergitterstruktur (702) bestehend aus einem Halbleiter von Gruppe II-VI Verbindungen aufweist.

10. Lichterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Halbleiterlaser eine aktive Schicht (204) aus einem Halbleiter von Gruppe III-V Verbindungen, eine Mantelschicht (203, 205) und eine Kontaktschicht (207) aufweist und einen Doppel-Heterojunction besitzt, und bei dem der Halbleiterlaser einen rippenartigen Streifen aufweist, der durch Wegätzen des Laminats bis hin zu einer mittleren Tiefe in der Mantelschicht (205), die über der aktiven Schicht (204) liegt, geformt ist, wobei beide Seitenenden der Rippe in einer Schicht (206) eines Halbleiters bestehend aus Gruppe II-VI Verbindungen vergraben ist.

11. Lichterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Schicht des Halbleiters von Gruppe III-VI Verbindungen aus einem Mischkristall aus AlGaAs besteht.

12. Lichterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Schicht des Halbleiters von Gruppe III-VI Verbindungen aus einem Mischkristall aus InGaAsP besteht.

13. Verfahren zur Herstellung der Lichterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, umfassend die Schritte

Aufwachsen eines Doppel-Heterojunction-Kristalls (802, 803, 804, 805, 806) auf einem Halbleitersubstrat (801) von Gruppe III-V Verbindungen

Wegätzen von Teilen des Doppel-Heterojunction-Kristalls einschließlich der aktiven Schicht (804) senkrecht zur Oberfläche des Substrats,

Ausbilden eines dielektrischen Films auf der geätzten Fläche des Substrats,

Wegätzen des dielektrischen Films in Richtung der Laserresonanz zur Formung des dielektrischen Films zu einem Streifen, und

Ausbilden eines optischen Wellenleiters zur Erzeugung der zweiten Harmonischen durch selektives epitaxiales Wachstum eines Halbleiters von Gruppe II-VI Verbindungen derart, daß die gegenüberliegenden Endflächen des Laserlicht emittierenden Teils und des nicht-linearen optischen Wellenleiters zur Schaffung einer optischen Länge zwischen ihnen gleich der Hälfte der Schwingungswellenlänge des von dem Laserlicht emittierenden Teils emittierten Lichts beabstandet sind.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem es sich bei dem selektiven epitaxialen Wachstum um metallorganische Dampfphasenbeschichtung unter Verwendung von organischen Verbindungen, die zu den Gruppen II bzw. VI gehören, als Rohmaterialien handelt.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem die metallorganische Dampfphasenbeschichtung unter den Bedingungen ausgeführt wird:

(1) die Temperatur des Substrats liegt zwischen 300ºC und 700ºC, wenn der Dünnfilm des Halbleiters von Gruppe II-VI Verbindungen epitaxial aufgewachsen wird,

(2) der Druck des Reaktionsgases beträgt weniger als 300 Torr, und

(3) das Molverhältnis des zugeführten Rohmaterials, das zur Gruppe VI gehört, zu dem Rohmaterial, das zur Gruppe II gehört, ist kleiner als 6.

16. Optischer Speicher (901, 902, 903, 904, 905, 906) mit einer Lichterzeugungsvorrichtung (901) nach Anspruch 1 oder 2.