DE68915699T2 - Halbleiterlaservorrichtung. - Google Patents
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Description
- Diese Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiterlaservorrichtung mit einem Beugungsgitter, die Laser-Oszillation in einer einzigen Longitudinalmode bei einer Wellenlänge von 580 bis 890 nm erreicht, wie etwa eine Halbleitervorrichtung mit verteilter Rückkopplung und eine Halbleiterlaservorrichtung mit verteilter Bragg-Reflexion.
- In Fällen, in denen Halbleiterlaservorrichtungen als eine Lichtquelle in einem optischen Informationsübertragungssystem, optischen Meßsystem oder irgendeinem anderen mit optischen Fasern arbeiteten System verwendet werden, sollten diese Halbleiterlaservorrichtungen vorzugsweise eine solche Betriebscharakteristik haben, daß sie in einer einzigen Longitudinalmode oszillieren. Beispiele der wohlbekannten Halbleiterlaservorrichtungen, die Lase-Oszillation in einer einzigen Longitudinalmode erreichen, sind Halbleiterlaservorrichtungen mit verteilter Rückkopplung und Halbleiterlaservorrichtungen mit verteilter Bragg-Reflexion, in denen ein Beugungsgitter mit einem periodisch geriffelten Muster über dem aktiven Gebiet bzw. in der Nähe des aktiven Gebietes ausgebildet ist.
- Figur 2 zeigt eine herkömmliche Halbleiterlaservorrichtung mit verteilter Rückkopplung, bei der auf der Ebene eines Substrats 11 aus n-InP nacheinander eine erste Hüllschicht (d.h. Pufferschicht) 12 aus n-InP, eine undotierte aktive Schicht 13 aus InGaPAs, eine optische Leitschicht 14 aus p-InGaPAs, eine zweite Hüllschicht 15 aus p-InP und eine Deckschicht 16 aus p-InGaPAs aufgewachsen sind. Auf der Oberseite der Deckschicht 16 und der Rückseite des Substrats 11 sind p-seitige und n-seitige Ohmsche Elektroden 17 bzw. 18 ausgebildet. Die optische Leitschicht 14 hat auf ihrer Oberfläche ein Beugungsgitter für Laser-Oszillation.
- Solch eine herkömmliche Vorrichtung wird beschrieben in EP-A- 0 182 508. Der Oberbegriff des Anspruchs 1 beruht auf dieser Veröffentlichung.
- Eine solche InGaPAs/InP-Laservorrichtung, die unter Halbleiterlaservorrichtungen Laser-Oszillation bei einer längeren Wellenlänge von 1300 nm erreichen kann, ist in der optischen Faserkommunikation verwendet worden.
- Andererseits können auch Halbleiterlaservorrichtungen mit verteilter Rückkopplung und verteilter Bragg-Reflexion mit einem ähnlichen Aufbau in Betracht gezogen werden, die eine Oszillations-Wellenlänge von 890 nm oder weniger haben. Diese Halbleiterlaservorrichtungen können einen Aufbau haben, in dem auf die Ebene eines n-GaAs-Substrats nacheinander eine erste Hüllschicht aus n-AlxGa1-xAs, eine undotierte aktive Schicht aus AlxGa1-xAs, eine optische Leitschicht aus p-AlxGa1-xAs, eine zweite Hüllschicht aus p- AlxGa1-xAs und eine Deckschicht aus p-GaAs aufgewachsen sind. Bei einem solchen Aufbau muß die zweite Hüllschicht aus p-MxGa1-xAs auf das Beugungsgitter aufwachsen, das auf der Oberfläche der optischen Leitschicht aus p-AlxGa1-xAs ausgebildet worden ist. Es ist deshalb angenommen worden, daß das Wachstum von Halbleiterkristallen auf der AlxGa1-xAs-Schicht schwierig ist, weil Halbleiterkristalle, die Aluminium (Al) enthalten, wie etwa AlxGa1-xAs an Luft zur Oxidation neigen und einen Oxidfilm auf ihrer Oberfläche bilden. Die Erfinder haben jedoch gefunden, daß auf der AlxGa1-xAs- Schicht mit einem Beugungsgitter (deren Al-Molgehalt x die Beziehung 0≤x≤0,4 erfüllt) exzellentes Kristallwachstum durch Epitaxie aus der Flüssigphase ohne jegliches Sauerstoff-Leck erreicht werden kann. Unter Verwendung dieser Technik haben die Erfinder eine AlxGa1-xAs-Laservorrichtung mit verteilter Rückkopplung realisiert, die eine Oszillations-Wellenlänge von 780 nm hat.
- Doch selbst wenn ein Beugungsgitter aus AlxGa1-xAs (x=0,3) verwendet wird, das unter den AlxGa1-xAs-Kristallen, die in der Lage sind, exzellentes Kristallwachstum zu ergeben, die größte Bandlücke hat, kann keine Laser-Oszillation bei einer Wellenlänge von weniger als 740 nm erreicht werden, da die Bandlücke der aktiven Schicht kleiner wird als die der optischen Leitschicht, die das Beugungsgitter aufweist. Deshalb ist die Technik zur Herstellung einer Halbleiterlaservorrichtung mit einem Beugungsgitter, die Laser-Oszillation bei einer Wellenlänge von 740 nm oder weniger erreicht, noch nicht ausgearbeitet worden. Andererseits haben im Fall von Halbleiterlaservorrichtungen mit verteilter Rückkopplung mit einer Oszillation-Wellenlänge von 740 nm oder mehr, in denen eine optische Leitschicht aus AlxGa1-xAs mit einem Beugungsgitter in der Nähe der aktiven Schicht angeordnet ist, diese Halbleiterlaservorrichtungen eine schlechte Temperaturcharakteristik, da die optische Leitschicht einen kleinen Al-Molgehalt und deshalb eine kleine Bandlücke hat, so daß keine zufriedendenstellenden Ladungsträger-Einschlußeffekte erreicht werden können.
- Erfindungsgemäß wird eine Halbleiterlaservorrichtung geschaffen mit: - einer ersten Hüllschicht, einer zweiten Hüllschicht, einer zwischen der ersten Hüllschicht und der zweiten Hüllschicht angeordneten akuven Schicht, die hergestellt ist aus einem zusammengesetzten Halbleitermaterial, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, die AlxCa1-xAs (0≤x≤0,4) und GaxIn1-xP1-yAsy einschließt, einer zwischen der aktiven Schicht (3) und einer der Hüllschichten angeordneten optischen Leitschicht deren Bandlücke und Brechungsindex beide zwischen denen der aktiven Schicht und der Hüllschichten liegen, und einem auf der optischen Leitschicht ausgebildeten Beugungsgitter, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht aus einem zusammengesetzten Halbleitermaterial hergestellt ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus (AlxGa1-x)0,5In0,5P (0≤x≤0,7), AlxGa1-xAs (0≤x≤0,4) und GaxIn1-xP1-yAsy (0,5≤x≤1, 0≤y≤1 und y=2x-1), daß die optische Leitschicht aus (AlxGa1-x)0,5In0,5P (0≤x≤1) hergestellt ist und daß die Halbleiterlaservorrichtung Laser-Oszillation bei einer Wellenlänge von 580 bis 890 nm erreichen kann.
- In einer bevorzugten Ausführungsform ist die optische Leitschicht über der aktiven Schicht angeordnet.
- In einer bevorzugten Ausführungsform ist die optische Leitschicht auf dem Teil der aktiven Schicht außerhalb des aktiven Gebietes derselben angeordnet.
- Somit macht es die hier beschriebene Erfindung möglich, eine Halbleiterlaservorrichtung, wie etwa eine Halbleiterlaservorrichtung mit verteilter Rückkopplung oder mit verteilter Bragg-Reflexion, mit exzellenter Temperaturcharakteristik zu schaffen, die Laser-Oszillation in einer Einzel-Longitudinalmode bei einer Wellenlänge von 580 bis 890 nm erreichen kann.
- Diese Erfindung wir besser verständlich, und ihre zahlreichen Ziele und Vorteile werden dem Fachmann deutlich anhand der beigefügten Zeichnungen, wie folgt:
- Fig. 1 ist eine aufgeschnittene Frontansicht einer Halbleiterlaservorrichtung mit verteilter Rückkopplung gemäß der Erfindung.
- Fig. 2 ist eine aufgeschnittene Frontansicht einer herkömmlichen Halbleiterlaservorrichtung mit verteilter Rückkopplung.
- Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Halbleiterlaservorrichtung mit verteilter Rückkopplung, die wie folgt hergestellt wird: Auf der Ebene eines n-GaAs- Substrats 1 läßt man nacheinander eine erste Hüllschicht 2 aus n- (AlxGa1-x)0,5In0,5P (x=0,5), eine undotierte aktive Schicht 3 aus (AlxGa1-x)0,5In0,5P (x=0) und eine optische Leitschicht 4 aus p- (AlxGa1-x)0,5In0,5P (x=0,25) aufwachsen. Die optische Leitschicht 4 besteht aus quaternären Mischkristallen mit einer Bandiücke und einem Brechungsindex, die beide zwischen denen der aktiven Schicht 3 und der Hüllschicht 2 liegen.
- Dann wird auf der oberen Oberfläche der optischen Leitschicht 4 nach dem Interferrenzbelichtungsverfahren mit einem Ultraviolet-Laser eine Photoresist-Schicht mit einem Riffelmuster mit einer Periode von 1900 Å erzeugt. Die Oberfläche der optischen Leitschicht 4 wird chemisch geätzt, wobei die Photoresist-Schicht mit der oben beschriebenen periodischen Riffelung als Maske verwendet wird, so daß man ein periodisch geriffeltes Muster (d.h. ein Beugungsgitter) auf der Oberfläche der optischen Leitschicht 4 erhält. Die Teilung des Beugungsgitters beträgt 1900 Å. Nach Entfernen der Photoresist- Schicht läßt man auf der Oberfläche der optischen Leitschicht 4, die ein Beugungsgitter aufweist, nacheinander eine Hüllschicht 5 aus p-(AlxGa1-x)0,5In0,5P (x=0,5) und eine Deckschicht 6 aus p-GaAs aufwachsen, mit nachfolgender Ausbildung Ohmscher Metallelektroden 7 und 8 auf der Oberseite der Deckschicht 6 bzw. der Rückseite des Substrats 1.
- In dem oben beschriebenen Beispiel ist jede der Halbleiterschichten, die eine Mehrschicht-Kristallstruktur für Laserbetrieb der Laservorrichtung mit Doppel-Heterostruktur bilden, aus (AlxGa1-x)0,5In0,5P (0≤x≤1) aufgebaut, und insbesondere ist die aktive Schicht 3 aufgebaut aus (AlxGa1-x)0,5In0,5P (x=0), so daß die Oszillations-Wellenlänge etwa 670 nm wird. Die optische Leitschicht 4 ist so ausgebildet, daß sie eine Bandlücke und einen Brechungsindex aufweist, die beide zwischen denen der aktiven Schicht 3 und der Hüllschichten 2 und 5 liegen.
- Als ein Verfahren für das Wachstum der (AlxGa1-x)0,5In0,5P-Schichten können Molekularstrahl-Epitaxie und metallorganische Dampfphasen-Epitaxie genannt werden. Die Erfinder haben gefunden, daß man die aufeinanderfolgenden (AlxGa1-x-0,5In0,5P-Schichten auf die (AlxGa1-x)0,5In0,5P-Lichtleitschicht mit einem Beugungsgitter bei irgendeinem Al-Molgehalt x durch Molekurlarstrahl-Epitaxie oder metallorganische Dampfphasen-Epitaxie aufwachsen lassen kann, vorausgesetzt, daß die Oberfläche der Lichtleitschicht unmittelbar vor dem Wachstum einer Dampfphasen-Ätzung unterzogen wird. Deshalb ist es möglich, Halbleiterlaservorrichtungen mit verteilter Rückkopplung herzustellen, bei denen die aktive Schicht aus (AlxGa1-x)0,5In0,5P mit irgendeinem Al-Molgehalt x besteht.
- Die Oszillations-Wellenlänge kann man abnehmen lassen mit einer Zunahme des Al-Molgehalts x des (AlxGa1-x)0,5In0,5P, das die aktive Schicht 3 bildet.
- Die erfindungsgemäße Halbleiterlaservorrichtung, die eine aktive Schicht aus (AlxGa1-x)0,5In0,5P (0≤x≤0,7) aufweist, kann Laser-Oszillation bei einer Wellenlänge von 580 bis 670 nm erreichen. Auch in diesem Fall sind der Al-Molgehalt x und der Brechungsindex so eingestellt, daß in der Reihenfolge von der aktiven Schicht über die optische Leitschicht zu den Hüllschichten der Al-Molgehalt zunimmt und der Brechungsindex abnimmt, wodurch eine ausreichende Wellenleitung des Laserlichts in der optischen Leitschicht ermöglicht wird.
- Selbst bei der erfindungsgemäßen Halbleiterlaservorrichtung mit verteilter Rückkopplung, die eine aktive Schicht aus AlxGa1-xAs (0≤x≤0,4) aufweist und Laser-Oszillation bei einer Wellenlänge von 650 bis 870 nm erreicht, kann die Verwendung einer optischen Leitschicht aus (AlxGa1-x)0,5In0,5P (0≤x≤1) mit Beugungsgitter die Temperaturcharakteristik verbessern, wegen einer größeren Bandlücke der optischen Leitschicht im Vergleich zu der aktiven Schicht aus AlxGa1-xAs (x=0,4). Außerdem ist die Erfindung selbstverständlich auch auf Halbleiterlaservorrichtungen mit verteilter Bragg-Reflexion anwendbar.
- Es versteht sich, daß verschiedene andere Abwandlungen für den Fachmann offensichtlich sind und ohne weiteres vorgenommen werden können, ohne daß der Bereich dieser Erfindung verlassen wird. Folglich ist es nicht beabsichtigt, den Umfang der Erfindung auf die obige detaillierte Beschreibung zu beschränken.
Claims (3)
1. Halbleiterlaservorrichtung mit: - einer ersten Hüllschicht (2), einer
zweiten Hüllschicht (5), einer zwischen der ersten Hüllschicht (2) und der
zweiten Hüllschicht (5) angeordneten aktiven Schicht (3), die hergestellt ist aus
einem zusammengesetzten Halbleitermaterial, das ausgewählt ist aus einer
Gruppe, die AlxGa1-xAs (0≤x≤0,4) und GaxIn1-xP1-yAsy einschließt, einer
zwischen der aktiven Schicht (3) und einer der Hüllschlchten (2,5)
angeordneten optischen Leitschlcht (4), deren Bandlücke und Brechungsindex beide
zwischen denen der aktiven Schicht (3) und der Hüllschichten (2,5) liegen,
und einem auf der optischen Leitschicht (4) ausgebildeten Beugungsgitter,
dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht (3) aus einem
zusammengesetzten Halbleitermaterial hergestellt ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe,
die besteht aus (AlxGa1-x)0,5In0,5P (0≤x≤0,7), AlxGa1-xAs (0≤x≤0,4) und
GaxIn1-xP1-yAsy (0,5≤x≤1, 0≤y≤1 und y=2x-1), daß die optische Leitschicht
(4) aus (AlxGa1-x)0,5In0,5P (0≤x≤1) hergestellt ist und daß die
Halbleiterlaservorrichtung Laser-Oszillation bei einer Wellenlänge von 580 bis 890 nm
erreichen kann.
2. Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 1, bei der die optische
Leitschicht (4) über der aktiven Schicht (3) angeordnet ist.
3. Halbleiterlaservornchtung nach Anspruch 1, bei der die optische
Leitschicht (4) auf einem Teil der aktiven Schicht (3) außerhalb eines aktiven
Gebiets derselben angeordnet ist.
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