Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung:
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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Hochleistungs-Halbleiterlaservorrichtung, bei welcher die Laserlichtdichte innerhalb der
aktiven Schicht in der unmittelbaren Nähe der
Resonator-Kristallflächen reduziert ist.
2. Beschreibung des bisherigen Standes der Technik:
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In den jüngsten Jahren sind Halbleiterlaservorrichtungen
weitgehend als Lichtquelle für optische Plattenspieler und optische
Kommunikationssysteme verwendet worden. Bei den
Halbleiterlaservorrichtungen für diese Anwendungen ist es erforderlich, daß sie
Laserlicht mit einer hohen Ausgangsleistung abstrahlen. Jedoch
beträgt die Ausgangsleistung von Halbleiterlaservorrichtungen,
welche zur praktischen Anwendung gebracht worden sind, nicht
mehr als 50 mW. Ein möglicher Grund dafür, daß eine hohe
Ausgangsleistung nicht erreicht werden kann, ist die
Kristallalterung an den Resonator-Kristallflächen. Um die Kristallalterung
herabzusetzen, wird Flüssigphasenepitaxie (LPE) verwendet, um
die Dicke einer aktiven Schicht in der unmittelbaren Nähe der
Kristallflächen geringer als innerhalb der Einrichtung zu machen
und dadurch die Laserlichtdichte innerhalb der aktiven Schicht
in der unmittelbaren Nähe der Kristallflächen herabzusetzen.
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Fig. 5c zeigt eine konventionelle Halbleiterlaservorrichtung mit
einer aktiven Schicht mit einer vom Dicken zum Dünnen sich
verjüngenden (T³-) Struktur, welche als Einrichtung dieses Typs
allgemein bekannt ist (siehe z.B. Technical Report of Mitsubishi
Denki Co., Ltd., Band 62, Nr. 7, 14(566), 1988 und I.E.E.E.
Journal of Quantum Electronics, Band QE-23, Nr. 6, Juni 1987,
Seiten 712 - 719). Fig. 5d ist eine Draufsicht, die die
Halbleiterlaservorrichtung zeigt, bei welcher eine
Stegleiterkonfiguration durch unterbrochene Linien angezeigt wird. Fig. 5a und 5b
sind perspektivische Ansichten, die die Herstellung der
Halbleiterlaservorrichtung zeigen.
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Die Halbleiterlaservorrichtung von Fig. 5c wird wie folgt
hergestellt: Auf der Ebene eines p-GaAs-Substrats 21 wird ein
Stegleiterteil 32 mit einer Höhe von 2 µm mit Hilfe einer Ätztechnik
gebildet.
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Die Breite des Stegleiterteils 32 ist klein in der unmittelbaren
Nähe der Kristallflächen und groß in der Innenseite der
Einrichtung, wie in Fig. 5a gezeigt. Dann wird auf der gesamten
Oberfläche des Substrats 21 einschließlich des Stegleiterteils 32
eine n-GaAs-Stromsperrschicht 22 mit Hilfe eines
Kristallwachstumsverfahrens gebildet und auf der Mitte des Stegleiterteils 32
eine V-förmige Streifennut 31 mit Hilfe einer Ätztechnik durch
die Stromsperrschicht 22 gebildet, wie in Fig. 5b gezeigt.
Außerdem werden auf der gesamten Oberfläche der Stromsperrschicht
22 einschließlich der V-Streifennut 31 eine erste
p-AlGaAs-Hüllschicht 23, eine aktive AlGaAs-Schicht 24, eine zweite n-GaAlAs-
Hüllschicht 25 und eine n-GaAs-Deckschicnt 26 nacheinander durch
Flüssigphasenepitaxie gezüchtet, was zu einer in Fig. 5c
gezeigten Doppel-Heterostruktur führt.
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In Fällen, in welchen das Kristallwachstum auf dem Substrat,
welches den Stegleiterteil hat, wie vorstehend beschrieben durch
Flüssigphasenepitaxie durchgeführt wird, wird das
Kristallwachstum an den Seitenf lächen des Stegleiterteils gefördert,
wohingegen das Kristallwachstum an der oberen Fläche des
Stegleiterteils
unterdrückt wird. Diese Erscheinung ist als
Kristallwachstums-Anisotropie allgemein bekannt, und diese Eigenschaft
bewirkt, daß eine bedeutend dünnere Schicht auf der Oberseite, als
an den Seitenflächen des Stegleiterteils gezüchtet wird.
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Unter Nutzung der Kristallwachstums-Anisotropie kann die Dicke
einer auf dem Stegleiterteil gebildeten Schicht durch eine
Änderung bei der Breite des Stegleiterteils gesteuert werden. Das
heißt, die gezüchtete Schicht wird dick im breiten Bereich und
wird dünn im schmalen Bereich des Stegleiterteils. Deshalb wird,
wenn mehrere Schichten einschließlich der aktiven Schicht 24 auf
dem Stegleiterteil 32 einer in Fig. ba gezeigten Konfiguration
durch Flüssigphasenepitaxie gebildet werden, die aktive Schicht
24 dünn in der unmittelbaren Nähe der Kristallflächen, wird aber
dick in der Innenseite der Einrichtung. Bei der auf eine solche
Weise hergestellten T³-Halbleiterlaservorrichtung tritt, weil
die aktive Schicht 24 in der unmittelbaren Nähe der
Kristallflächen dünn ist, ein Teil des Laserlichts in die erste
Hüllschicht 23 und in die zweite Hüllschicht 25 in der unmittelbaren
Nähe der Kristallflächen ein und reduziert dadurch die
Laserlichtdichte innerhalb der aktiven Schicht 24. Folglich kann die
optische Ausgangsleistung an der Zerstrahlungsgrenze verbessert
werden, um einen Betrieb mit hoher Leistung zu erreichen.
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Bei der wie vorstehend hergestellten
T³-Halbleiterlaservorrichtung sollte die erste Hüllschicht 23 vor dem Züchten der aktiven
Schicht 24 gezüchtet werden, und daraus entstehen ernsthafte
Probleme.
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Die erste Hüllschicht 23 ist wegen des Züchtens mittels
Flüssigphasenepitaxie dünn in der unmittelbaren Nähe der
Kristallflächen und dick in der Innenseite der Einrichtung. Eine solche
Differenz bei der Dicke der ersten Hüllschicht wird nicht
bevorzugt, weil die Dicke der ersten Hüllschicht 23 auf einen Wert
eingestellt werden sollte, der für die Bildung eines
zweckmäßigen Index-Leitungsmechanismus geeignet ist.
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Die aktive Schicht 24 ist auch nicht eben und hat
Unregelmäßigkeiten bis zu 0,2 µm, weil sie auf der unebenen ersten
Hüllschicht 23 durch Flüssigphasenpitaxie gebildet wird. Diese
Situation wird in einer Schnittansicht von Fig. 6 gezeigt, welche
entlang der Linie VI-VI von Fig. 5d vorgenommen ist. Folglich
verursachen die Unregelmäßigkeiten der aktiven Schicht 24 das
Auftreten von Teilspitzen in der vertikalen Richtung des
Fernfeld-Strahlungsdiagramms des abgestrahlten Lichts, was zu einer
Verschlechterung der Kennwerte der Einrichtung führt.
Zusammenfassung der Erfindung
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Die Halbleiterlaservorrichtung dieser Erfindung, welche die
vorstehend diskutierten und zahlreiche weitere Nachteile und
Mängel des bisherigen Standes der Technik überwindet, umfaßt
ein Halbleitersubstrat, das einen Stegleiterteil hat, wobei die
Breite des Stegleiterteils in der unmittelbaren Nähe der
Kristallflächen kleiner als im Innern der Einrichtung ist; eine
Stromsperrschicht, die auf dem Substrat einschließlich des
Stegleiterteils gebildet ist; mindestens eine Streifennut, die in
der Mitte des Stegleiterteils durch die Stromsperrschicht
gebildet ist; und eine Mehrschichtstruktur, die auf der
Stromsperrschicht angeordnet ist, wobei die Mehrschichtstruktur
nacheinander eine erste Hüllschicht, eine aktive Schicht für eine
Laserschwingung und eine zweite Hüllschicht hat; wobei mindestens
zwei Seitennuten symmetrisch auf beiden Seiten des
Mittelbereichs des Stegleiterteils gebildet werden, wodurch die Breite
des Stegleiterteils in den Bereichen in der Nähe der
Kristallflächen dieselbe ist, wie die des Stegleiterteils in dem
zwischen den Seitennuten angeordneten Mittelbereich.
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Entsprechend einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung
wird für eine Halbleiterlaservorrichtung gesorgt, die umfaßt:
ein Halbleitersubstrat (l), das einen Stegleiterteil (9) hat,
wobei die Breite dieses Stegleiterteils kleiner in der
unmittelbaren Nähe der Kristallflächen, als im Innern der Einrichtung
ist; eine Stromsperrschicht (2), die auf dem Substrat
einschließlich des Stegleiterteils gebildet ist; mindestens eine
Streifennut (11), die auf der Mitte des Stegleiterteils durch
die Stromsperrschicht gebildet ist; und eine Mehrschichtstruktur
(3, 4, 5), die auf der Stromsperrschicht gebildet ist, wobei
diese Mehrschichtstruktur nacheinanderfolgend hat: eine erste
Hüllschicht (3), eine aktive Schicht (4) für eine
Laserschwingung und eine zweite Hüllschicht (5); dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens zwei Seitennuten (10) symmetrisch auf beiden
Seiten des Mittelbereichs des Stegleiterteils gebildet sind,
wobei die Breite des Stegleiterteils in dem zwischen den Nuten
(10) angeordneten Mittelbereich größer als die Breite des
Stegleiterteils in der unmittelbaren Nähe der Kristallflächen ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Oberseite der
ersten Hüllschicht im wesentlichen eben.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Dicke der aktiven
Schicht kleiner in der unmittelbaren Nähe der Kristallflächen,
als im Innern der Einrichtung.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die
Mehrschichtstruktur durch Flüssigphasenepitaxie gebildet.
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Ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterlaservorrichtung
dieser Erfindung umfaßt die folgenden Schritte: Bildung eines
Stegleiterteils auf einem Halbleitersubstrat; Bildung von
mindestens zwei Seitennuten symmetrisch auf beiden Seiten des
Mittelbereichs des Stegleiterteils, wodurch die Breite des
Stegleiterteils in dem Bereich in der Nähe der Kristallflächen dieselbe
ist, wie die des Stegleiterteils in dem zwischen den Seitennuten
angeordneten Mittelbereichs; Züchten einer Stromsperrschicht auf
der gesamten Oberfläche des Substrats einschließlich des
Stegleiterteils; Bildung von mindestens einer Streifennut in der
Mitte des Stegleiterteils durch die Stromsperrschicht; und
Bildung einer Mehrschichtstruktur auf der Stromsperrschicht, wobei
die Mehrschichtstruktur aufeinanderfolgend eine erste
Hüllschicht,
eine erste aktive Schicht für eine Laserschwingung und
eine zweite Hüllschicht hat.
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Entsprechend einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung
wird für ein Herstellungsverfahren für eine
Halbleiterlaservorrichtung gesorgt, welches die folgenden Schritte umfaßt: Bildung
eines Stegleiterteils (9) auf einem Halbleitersubstrat (1);
Bildung von mindestens zwei Seitennuten (10) symmetrisch auf
beiden Seiten eines Mittelbereichs dieses Stegleiterteils (9),
wobei die Breite des Stegleiterteils in dem zwischen den
Seitennuten (10) angeordneten Mittelbereich größer als die Breite des
Stegleiterteils in der unmittelbaren Nähe der Kristallflächen
ist; Züchten einer Stromsperrschicht (2) auf der gesamten
Oberfläche des Substrats einschließlich des Stegleiterteils; Bildung
von mindestens einer Streifennut (11) in der Mitte des
Stegleiterteils durch die Stromsperrschicht; und Bildung einer
Mehrschichtstruktur (3, 4, 5) auf der Stromsperrschicht (2), wobei
diese Mehrschichtstruktur aufeinanderfolgend hat: eine erste
Hüllschicht (3), eine aktive Schicht (4) für eine
Laserschwingung und eine zweite Hüllschicht (5).
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die
Mehrschichtstruktur durch Flüssigphasenepitaxie gebildet.
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Folglich macht die hierin beschriebene Erfindung folgende
Gegenstände möglich: (1) Bereitstellung einer
Halbleiterlaservorrichtung, welche eine Laserschwingung von hoher Ausgangsleistung
ohne Verschlechterung der Kennwerte der Einrichtung erreichen
kann; und (2) Bereitstellung eines Verfahrens für die
Herstellung einer solchen Halbleiterlaservorrichtung mit
ausgezeichneter Reproduzierbarkeit.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Diese Erfindung kann durch Verweis auf die beigefügten
Zeichnungen besser verstanden werden, und dadurch werden ihre
zahlreichen
Gegenstände und Vorteile für jene, die mit der Technik
vertraut sind, offensichtlich, wobei:
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Fig. 1 eine perspektivische Ansicht ist, die eine
Halbleiterlaservorrichtung dieser Erfindung zeigt;
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Fig. 2a bis 2e perspektivische Ansichten sind, die die
Herstellung der Halbleiterlaservorrichtung von Fig.1 zeigen;
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Fig. 3a eine perspektivische Ansicht ist, die ein Substrat für
eine andere Halbleiterlaservorrichtung dieser Erfindung zeigt,
wobei das Substrat mit einem Stegleiterteil versehen ist, das
Seitennuten hat;
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Fig. 3b eine Grundrißansicht von oben ist, die das Substrat von
Fig. 3a zeigt, wobei eine Stromsperrschicht auf der gesamten
Oberfläche des Substrats gezüchtet ist und dann drei
V-Streifennuten in der Mitte des Stegleiterteils gebildet worden sind;
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Fig. 4a und 4b Grundrißansichten von oben sind, die andere
Substrate für andere Halbleiterlaservorrichtungen dieser Erfindung
zeigen, wobei jedes Substrat mit einem Stegleiterteil versehen
ist, das Seitennuten hat und dann eine Stromsperrschicht auf der
gesamten Oberfläche davon gebildet wurde, wonach eine
V-Streifennut in der Mitte des Stegleiterteils gebildet wurde;
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Fig. 5a bis 5c perspektivische Ansichten sind, die die
Herstellung einer konventionellen T³-Halbleiterlaservorrichtung zeigen;
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Fig. 5d eine Grundrißansicht von oben ist- die die
Halbleiterlaservorrichtung von Fig. 5a bis 5c zeigt;
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Fig. 6 eine Schnittansicht entlang der Linie VI - VI von Fig. 5d
ist.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Die Halbleiterlaservorrichtung dieser Erfindung wird auf einem
Halbleitersubstrat hergestellt, das einen Stegleiterteil hat.
Die Breite des Stegleiterteils ist in der unmittelbaren Nähe der
Kristallflächen geringer als im Innern der Einrichtung. Der
Stegleiterteil ist mit mindestens zwei symmetrischen Nuten auf
beiden Seiten des Mittelteils davon versehen. Diese
Bildungsweise macht es möglich, Halbleiterschichten (z.B. eine
Stromsperrschicht und eine erste Hüllschicht) so zu züchten, daß sie
eine im wesentlichen ebene Oberfläche über dem Stegleiterteil
haben. Das heißt, während der Bildung der ersten Hüllschicht
werden die Seitennuten im wesentlichen in der ersten
Stromsperrschicht eingebettet, so daß die Oberseite der ersten Hüllschicht
im wesentlichen eben ist. Folglich kann eine aktive Schicht ohne
Unregelmäßigkeiten auf der ersten Hüllschicht derart gezüchtet
werden, daß die Dicke der aktiven Scäicht geringer in der
unmittelbaren Nähe der Kristallflächen, als im Innern der
Einrichtung ist. Aus diesem Grund kann die Halbleiterlaservorrichtung
eine Laserschwingung hoher Ausgangsleistung ohne
Verschlechterung der Kennwerte der Einrichtung erreichen.
Beispiele
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Fig. 1 zeigt eine Halbleiterlaservorrichtung dieser Erfindung.
Diese Halbleiterlaservorrichtung wurde so hergestellt, wie in
Fig. 2a bis 2c gezeigt. Nachstehend wird die Herstellung der
Halbleiterlaservorrichtung unter Verweis auf diese Figuren
beschrieben.
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Auf der Ebene eines p-GaAs-Substrats 1 wurde ein Stegleiterteil
9 mit einer Höhe von 2 µm mittels einer Ätztechnik gebildet. Der
Stegleiterteil 9 hat eine ungleichmäßige Gestalt, seine Breite
beträgt 20 µm in den Bereichen in der Nähe der Kristallflächen
und 50 µm in dem Mittelbereich des Substrats 1. Zwischen diesen
beiden Bereichen ändert sich die Breite des Stegleiterteils 9
allmählich von 20 µm auf 50 µm. Darüberhinaus wurde der
Stegleiterteil 9 mit zwei symmetrischen Seitonnuten 10 auf beiden
Seiten des Mittelbereichs mit derselben Breite wie der der Bereiche
in der Nähe der Kristallflächen versehen, wie in Fig. 2a
gezeigt. Die Hohlraumlänge eines Resonators beträgt 250 µm. Die
beiden Bereiche mit einer Breite von 20 µm in der unmittelbaren
Nähe der Kristallflächen haben jeweils eine Länge von 40 µm in
der Resonanzrichtung; die beiden Bereiche mit einer Breite, die
allmählich geändert wird, haben jeweils eine Länge von 40 µm;
und der Mittelbereich des Resonators mit einer Breite von 50 µm
hat eine Länge von 90 µm.
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Dann wurde auf der gesamten Oberfläche des p-GaAs-Substrats 1
einschließlich des Stegleiterteils 9 eine
n-GaAs-Stromsperrschicht 2 mittels Flüssigphasenepitaxie gebildet, wie in Fig. 2b
gezeigt. Weil die Breite des Stegleiterteils 9 in den Bereichen
in der Nähe der Kristallflächen dieselbe ist, wie jene des
Stegleiterteils 9 im Mittelbereich, der zwischen den Seitennuten 10
angeordnet ist, kann die Stromsperrschicht 2 so gebildet werden,
daß sie eine gleichmäßige Dicke hat (z.B. 0,8 µm bei diesem
Beispiel). Selbst nach der Bildung der Stromsperrschicht 2
blieben die Seitennuten 10 teilweise ungefüllt. Als Alternative kann
ein metallisch-organisches chemisches Aufdampfen für das Züchten
der Stromsperrschicht 2 derselben Konfiguration verwendet
werden.
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Dann wird auf der Mitte des Stegleiterteils 9 mittels einer
Ätztechnik eine V-förmige Streifennut 11 gebildet, um das p-
GaAs-Substrat 1 durch die Stromsperrschicht 2 zu erreichen, wie
in Fig. 2c gezeigt. Die V-Streifennut 11 macht es möglich, einen
Strom, der in einen aktiven Bereich eingespeist wird,
einzugrenzen. Danach wird auf der gesamten Oberfläche eine erste p-GaA-
lAs-Hüllschicht 3 mittels Flüssigphasenepitaxie gezüchtet, wie
in Fig. 2d gezeigt. Die erste p-GaAlAs-Hüllschicht 3 hat wegen
des Vorhandenseins der Seitennuten 10 auch eine gleichmäßige
Dicke (z.B. 0,3 µm bei diesem Beispiel) sowohl in den Bereichen
in der Nähe der Kristallflächen, als auch im Mittelbereich.
Während der Bildung der ersten p-GaAlAs-Hüllschicht 3 wurden die
Seitennuten 10 vollkommen oder im wesentlichen in der ersten p-
GaAlAs-Hüllschicht 3 eingebettet, auf welcher dann die aktive
GaAlAs-Schicht 4 mittels Flüssigphasenepitaxie gebildet wurde.
In einem frühen Stadium des Züchtens der aktiven GaAlAs-Schicht
4 wurden die Seitennuten 10 darin vollkommen eingebettet, so daß
die aktive GaAlAs-Schicht 4 dick im Mittelbereich und dünn in
den Bereichen in der Nähe der Kristallflächen wurde. Bei diesem
Beispiel betrug die Dicke der aktiven GaAlAs-Schicht 4 auf der
V-Streifennut 11 0,08 µm im Mittelbereich und 0,03 µm in den
Bereichen in der Nähe der Kristallflächen.
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Dann wurden auf der aktiven GaAlAs-Schicht 4 eine zweite
n-GaAlAs-Hüllschicht 5 und eine n-GaAs-Kontaktschicht 6 nacheinander
gezüchtet, wie in Fig. 2e gezeigt. Schließlich wurden auf der
Rückseite des p-GaAs-Substrats 1 und der Oberseite der n-GaAs-
Kontaktschicht 6 eine p-Seitenelektrode 7 und eine
n-Seitenelektrode 8 gebildet, was zu einer Halbleiterlaservorrichtung wie in
Fig. 1 gezeigt führte.
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Die Halbleiterlaservorrichtung dieses Beispiels erreichte eine
Dauer-Laserschwingung mit der maximalen optischen
Ausgangsleistung von 300 mW bei Raumtemperatur. Darüberhinaus arbeitete die
Halbleiterlaservorrichtung stabil über den langen Zeitraum von
3.000 Stunden oder mehr bei der Ausgangsleistung von 100 mW bei
50 ºC, was eine hohe Zuverlässigkeit der Einrichtung anzeigt.
Während des vorstehend erwähnten Betreibens wurde die
Laserschwingung stabil im Transversalmodus fortgesetzt, und die
Fernfeld-Strahlungscharakteristik war gegenüber einer Änderung in
der optischen Ausgangsleistung stabilisiert. Der Spreizwinkel
von Laserstrahlen, die von dieser EiPrichtung abgestrahlt
wurden, betrug ungefähr 10 Grad in einer RIchtung parallel zu den
Halbleiterschichten der Einrichtung und ungefähr 20 Grad in der
Richtung rechtwinklig dazu (wobei der Spreizwinkel in der Form
eines vollen Winkels bei halbem Maximum ausgedrückt ist).
Folglich ist das Verhältnis eines Winkels in der vertikalen Richtung
zu einem Winkel in der horizontalen Richtung klein, wodurch eine
hohe Koppelungseffektivität mit einem externen optischen System
erreicht wird.
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In derselben Art und Weise, wie vorstehend erwähnt, wurde eine
andere Halbleiterlaservorrichtung dieser Erfindung hergestellt,
mit der Ausnahme, daß ein Substrat mit einem Stegleiterteil 9
versehen wurde, das Seitennuten 10 batte, wie sie in Fig. 3a
gezeigt werden und daß nach dem Züchten der Stromsperrschicht
darauf drei V-förmige Streifennuten 11 auf dem Stegleiterteil
gebildet wurden, wie in Fig. 3b gezeigt
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Fig. 4a und 4b zeigen andere Substrate für weitere
Halbleiterlaservorrichtungen dieser Erfindung, wobei jedes Substrat mit
einem Stegleiterteil 9 versehen wurde, der Seitennuten 10 hat
und dann eine Stromsperrschicht auf der gesamten Oberfläche
davon gezüchtet wurde, wonach dann eine V-förmige Streifennut 11
auf der Mitte des Stegleiterteils gebildet wurde. Unter
Verwendung dieser Substrate wurden Halbleiterlaservorrichtungen in
derselben Art und Weise, wie vorstehend erwähnt, hergestellt.
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Die Halbleiterlaservorrichtungen, die aus den in Fig. 3b, 4a
beziehungsweise 4c hergestellt wurden, erreichten ausgezeichnete
Einrichtungs-Kennwerte ähnlich jenen der in Fig. 1 gezeigten
Halbleiterlaservorrichtung.