DE68918884T2

DE68918884T2 - Halbleiterlaser-Vorrichtung.

Info

Publication number: DE68918884T2
Application number: DE68918884T
Authority: DE
Inventors: Genichi C O Patent D Hatakoshi; Masayuki C O Patent D Ishikawa; Kazuhiko C O Patent Divi Itaya; Yoshihiro C O Patent D Kokubun; Shigeya C O Patent D Naritsuka; Yasuo C O Patent Division Ohba; Hajime C O Patent Divisi Okuda; Hideo C O Patent Divi Shiozawa; Yutaka C O Patent Divi Uematsu; Yukio C O Patent Divi Watanabe
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-03-14
Filing date: 1989-03-14
Publication date: 1995-03-16
Anticipated expiration: 2009-03-15
Also published as: DE68918884D1; US4893313A; US5036521A; EP0333418A2; EP0333418B1; EP0333418A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiterlaservorrichtung zur Verwendung in einem optischen Informationsverarbeitungsgerät, einem optischen Meßgerät oder dergleichen und insbesondere auf eine Halbleiterlaservorrichtung, die eine Doppel-Heterostruktur mit einer optimalen Schichtdicke besitzt.
In den letzten Jahren ist eine Entwicklung von Kurzwellen-Halbleiterlasern zur Verwendung in optischen Plattensystemen mit hoher Dichte, Hochgeschwindigkeits- Laserdruckern, Balkencode-Lesevorrichtungen oder dergleichen vorangetrieben bzw. gemacht worden. Von diesen Halbleiterlasern kann der InGaAlP-Laser, der einen Strahl mit einer Wellenlänge von 0,6 um (Bereich des roten Lichts) emittiert, anstelle des existierenden He-Ne-Gaslasers für eine Reihe von Anwendungen benutzt werden. Daher wird dem InGaAlP-Laser in den Bereichen einer optischen Datenverarbeitung und optischer Meßverfahren viel Aufmerksamkeit gewidmet, weil er eine kleine, leichte Lichtquelle mit niedrigem Energieverbrauch sein kann. Dieser Halbleiterlaser muß so gute Charakteristiken und eine so gute Zuverlässigkeit wie diejenigen der herkömmlichen GaAlAs-Laser besitzen, falls er in der Praxis verwendet werden soll.
GaAlAs-Laser verschiedener Strukturen sind entwickelt worden. Jeder dieser Laser besitzt spezifische strukturelle Parameter und weist gewünschte Charakteristiken vermöge dieser strukturellen Parameter auf. Mit anderen Worten sind optimale strukturelle Parameter für jeden Typ eines GaAlAs-Lasers bekannt. Im Gegensatz dazu sind keine strukturellen Parameter, die für einen InGaAlP-Laser die wünscheswertesten scheinen, vorgeschlagen worden. Dies verhält sich so, weil der InGaAlP-Laser ein ziemlich neuartiger Typ eines Halbleiterlasers ist, und die physikalischen Eigenschaften experimenteller InGaAlP-Laser noch vollständig ausgewertet bzw. beurteilt werden müssen.
Die Experimente, welche die Erfinder hiervon durchgeführt haben, zeigen, daß der Oszillations-Schwellenwert eines InGaAlP-Lasers sehr von der Dicke seiner aktiven Schicht abhängt. Die Experimente lassen ebenfalls darauf schließen, daß ein InGaAlP- Laser nicht ausreichend zuverlässig sein kann, es sei denn, seine aktive Schicht hat eine optimale Dicke. Daher ist es erforderlich, daß die aktive Schicht eines InGaAlP-Lasers eine optimale Dicke aufweist.
Ein InGaAlP-Material ist in seinem Wärmewiderstand von einem GaAlAs- Material sehr verschieden. Zum Beispiel weisen GaAs und Ga0,6A10,4As die Wärmewiderstände von 2 K cm/W beziehungsweise 8 K cm/W auf, wohingegen In0,5(Ga0,3Al0,7)0,5P den Wärmewiderstand von 17 K cm/W besitzt. Wenn die Überzugsschicht eines Halbleiterlasers aus InGaAlP hergestellt wird, weist der Laser einen hohen Wärmewiderstand auf. Somit wird während des Betriebs des Lasers seine aktive Schicht auf eine hohe Temperatur erwärmt werden, und der Schwellenstrom des Lasers wird unvermeidlich zunehmen. Daher besitzt der InGaAlP-Laser instabile thermische Charakteristiken und eine mangelhafte Zuverlässigkeit.
Wie allgemein bekannt ist, werden die Charakteristiken eines GaAlAs-Lasers mehr durch die Streifenbreite und die Hohlraumlänge als durch die anderen strukturellen Parameter beeinflußt (siehe W.B. Joice et.al., Journal of Applied Physics, Vol. 46, S. 855 - 862, 1975.) In dem Fall eines InGaAlP-Lasers ist die Dicke der Überzugsschicht einer der strukturellen Parameter, welche den Wärmewiderstand des Lasers sehr beeinflussen. Die Überzugsschicht der meisten herkömmlichen Halbleiterlaser besitzt eine Dicke von 1 um oder mehr, wobei sie dick genug ist, um zu verhindern, daß die Wellenführungs- bzw. Wellenleitermode durch das Substrat oder die Kontaktschicht beeinflußt wird. In dem Fall eines InGaAlP-Lasers nimmt, wie die Ergebnisse der durch die Erfinder hiervon durchgeführten Experimente offenbart haben, wenn die Überzugsschicht 1 um oder mehr dick ist, der Schwellenstrom für eine CW-Operation zu sehr zu im Gegensatz zu dem Fall für einen gepulsten Betrieb. Folglich ist es dem InGaAlP-Laser nicht möglich, gute thermische Charakteristiken oder eine ausreichende Lebensdauer aufzuweisen.
Verschiedene Verfahren zum Reduzieren des Wärmewiderstands des InGaAlP- Lasers sind vorgeschlagen worden. Die japanischen Patentoffenbarungen Nr. 61-280694 und Nr. 62-81783 offenbaren einen InGaAlP-Laser, dessen Überzugsschicht aus zwei Schichten besteht, wobei die äußere hiervon aus einem Material mit einem niedrigen Wärmewiderstand hergestellt ist. Die japanischen Patentoffenbarungen Nr. 62-51282 und Nr. 62-51283 offenbaren einen InGaAlP-Laser, der eine aus einem Übergitter gebildete Überzugsschicht enthält. Jeder InGaAlP-Laser besitzt eine komplexe Struktur, und viele Grenzflächen spielen beim Züchten von Kristallen eine Rolle. Daher mussen viele Herstellungsparameter geregelt werden, um den Laser herzustellen. Folglich kann der InGaAlP-Laser nicht mit einer hohen Ausbeute hergestellt werden oder eine ausreichende Zuverlässigkeit zeigen.
Wie ausgeführt worden ist, müssen die strukturellen Parameter eines InGaAlP- Halbleiterlasers noch optimiert werden. Ist insbesondere die Dicke der aktiven Schicht nicht optimal, wird der Oszillations-Schwellenwert des Lasers übermäßig groß. Ferner versagt der InGaAlP-Laser dabei, gute thermische Charakteristiken oder eine ausreichende Zuverlässigkeit aufzuweisen, weil die Dicke der Überzugsschicht nicht optimal ist.
Wenn ein Halbleiterlaser als eine Lichtquelle in einem optischen Informationsverarbeitungsgerät verwendet wird, muß seine Transversalmode geregelt werden. Als ein InGaAlP-Laser, dessen Transversalmode geregelt werden kann, ist ein Steg-Streifen- SBR-Laser bekannt. (Siehe erweiterte Übersichten, 19. Konf. Solid/State Devices and Materials, Tokyo, 1987, S. 115 - 118.) Dieser Laser kann einen Strahl wegen seiner spezifischen strukturellen Parameter in einer Haupt-Transversalmode emittieren. Die strukturellen Parameter des Steg-Streifen-SBR-Lasers sind jedoch nicht optimiert worden, um einen Astigmatismus zu reduzieren oder die Transversalmode zu stabilisieren. Die optischen Charakteristiken des Lasers ändern sich gemäß den Zusammensetzungen bzw. Strukturen, welche die Laser bilden, der Dicke der aktiven Schicht, der Breite des Streifens und dergleichen sehr. Zum Beispiel kann kein Unterschied zwischen den Schichten im effektiven Brechungsindex hinsichtlich der horizontalen Richtung gemacht werden. Folglich funktioniert der Steg-Streifen-SBR-Laser nahezu in der gleichen Weise wie ein Verstärkungs-Wellenleiter-Laser, wodurch der Astigmatismus unvermeidlich zunimmt. Ferner arbeitet er in einer Mode einer höheren Ordnung, es sei denn, die Streifenbreite und einige andere strukturelle Parameter sind optimiert. Falls dies der Fall ist, ändert sich die Strom-Leistung-Charakteristik in einem Bereich niedriger Energie drastisch, und der Laser kann in einigen Typen von optischen Plattengeräten nicht verwendet werden. Es ist keine quantitative Analyse der Abhängigkeit der Strom-Leistung-Charakteristik von den strukturellen Parametern vorgenommen worden. Daher sind keine Bereiche bekannt, in die die strukturellen Parameter fallen sollten, so daß der Steg-Streifen-SBR-Laser eine gute Strom-Leistung-Charakteristik aufweisen kann.
Die Erfinder hiervon haben Forschungsarbeiten durchgeführt, um einen Halbleiterlaser zu schaffen, welcher eine InGaAlP-Schicht und eine GaAs-Schicht, die beide durch ein MOCVD-Verfahren gebildet werden, und eine einzelne Hauptmode aufweist. Die Erfinder haben festgestellt, daß ein Halbleiterlaser der herkömmlichen Struktur, der eine Überzugsschicht mit Streifen und stromblockierende Schichten, die sich neben den Streifen erstrecken, enthält, kaum zuverlässig arbeiten oder mit einer hohen Ausbeute hergestellt werden kann. Dies verhält sich so, weil ein Verluststrom in den stromblockierenden Schichten fließt, was den Laser außer Stande setzt, einen genügend intensiven Strahl zu emittieren. Die Erfinder haben ebenfalls festgestellt, daß Selen, das der Dotierstoff vom n-Typ ist, der in den stromblockierenden Schichten enthalten ist, in die Überzugsschicht vom p-Typ diffundiert, die auf der aktiven Schicht gebildet ist, wobei die Überzugsschicht zum n-Typ unvermeidlich gemacht wird, und ferner in die Überzugsschicht vom n-Typ diffundiert, die unterhalb der aktiven Schicht gebildet ist. Daher können die stromblockierenden Schichten einen Strom nicht länger in einem genügenden Maße blockieren, was den Laser außer Stande setzt, einen ausreichend intensiven Strahl zu emittieren.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine InGaAlP-Halbleiterlaservorrichtung zu schaffen, die optimale strukturelle Parameter und daher einen kleinen Schwellenstrom besitzt und ausreichend zuverlässig ist.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist, eine InGaAlP-Halbleiterlaservorrichtung zu schaffen, die optimale strukturelle Paraineter besitzt und daher gute thermische Charakteristiken und eine hohe Zuverlässigkeit aufweist.
Noch eine andere Aufgabe dieser Erfindung ist, eine InGaAlP-Halbleiterlaservorrichtung zu schaffen, welche eine strombeschränkende Struktur besitzt und ziemlich zuverlässig arbeiten kann.
Die vorliegende Erfindung wird durch die Ansprüche 1, 3 und 4 definiert. Vorrichtungen gemäß dem Oberbegriff dieser Ansprüche sind im Japanese Journal of Applied Physics/Supplements, Vol. 26, Suppl. 26-4, 1987, S. 101 - 105, beschrieben.
Diese Erfindung kann vollständiger aus der folgenden ausführlichen Beschreibung verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen vorgenommen wird, in welchen:
Figur 1 eine Schnittansicht ist, die einen Halbleiterlaser gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Figur 2 ein Diagramm ist, das bei verschiedenen Werten für die Differenz Δ des spezifischen Brechungsindex darstellt, wie die Schwellenstromdichte Jth des in Figur 1 dargestellten Lasers sich mit der Dicke d der aktiven Schicht des Lasers ändert;
die Figuren 3A und 3B schematisch den Dreischichten-Wellenleiter veranschaulichen, der in den in Figur 1 dargestellten Halbleiterlaser eingebaut ist;
Figur 4 ein charakteristisches Diagramm ist, welches die Beziehung zeigt, die die Differenz Δ und Dicke d besitzen, wenn die Schwellenstromdichte Jth minimal ist;
Figur 5 ein Diagramm ist, welches bei verschiedenen Werten für die Dicke d der aktiven Schicht zeigt, wie der Energieverlust α sich mit der Dicke H der Überzugsschicht ändert;
Figur 6 ein Diagramm ist, welches darstellt, wie die Dicke H der Überzugsschicht sich mit der Dicke d der aktiven Schicht derart ändert, daß der Energieverlust α in einen vorgeschriebenen Bereich fällt;
Figur 7 ein Diagramm ist, das darstellt, wie die Dicke H der Überzugsschicht sich mit der Differenz Δ derart ändert, daß der Energieverlust α in einen vorgeschriebenen Bereich fällt;
Figur 8 ein charakteristisches Diagramm ist, das bei verschiedenen Werten für die Dicke d der aktiven Schicht zeigt, wie sehr sich die Temperatur der aktiven Schicht mit der Dicke H der Überzugsschicht ändert;
Figur 9 ein Diagramm ist, welches bei verschiedenen Werten für die Dicke d der aktiven Schicht darstellt, wie sich der Schwellenstrom Ith mit der Dicke H der Überzugsschicht ändert;
Figur 10 eine Schnittansicht ist, die einen Halbleiterlaser gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Figur 11 ein Diagramm ist, das darstellt, wie die Dichte Jth des Schwellenstroms der Doppel-Hetero-(InGaP/InGaAlP)-Struktur, die in Figur 10 dargestellt ist, sich mit der Dicke d der aktiven Schicht des Lasers ändert;
Figur 12 ein charakteristisches Diagramm ist, welches zeigt, wie die Dicke d der aktiven Schicht gemäß dem Aluminiumverhältnis der aktiven Schicht bestimmt werden sollte, um dadurch die Dichte Jth der Schwellenstromdichte Jth zu minimieren;
Figur 13 ein Diagramm ist, das die berechnete Abhängigkeit des Stromdivergenzwinkels von dem Aluminiumverhältnis der Überzugsschicht darstellt, welche mit dem in Figur 10 dargestellten Halbleiterlaser beobachtet werden kann;
Figur 14 ein Diagramm ist, das auf Experimenten beruhend angefertigt wurde und darstellt, wie das Aluminiumverhältnis der Überzugsschicht, die in dem in Figur 10 dargestellten Laser verwendet wird, die Stromdichte in der aktiven Schicht, die Temperatur der aktiven Schicht beeinflußt, und die maximale Temperatur, die die aktive Schicht aufweisen kann, während ein Strahl kontinuierlich emittiert wird;
Figur 15 ein Diagramm ist, das auf Experimenten beruhend angefertigt wurde und darstellt, wie die Temperatur der aktiven Schicht, die in dem in Figur 10 dargestellten Laser verwendet wird, von der Dicke der aktiven Schicht abhängt;
Figur 16 ein Diagramm ist, das ebenfalls auf Experimenten beruhend angefertigt wurde und die Abhängigkeit eines Astigmatismus von der Differenz Δ des Brechungsindex der Überzugsschicht zeigt;
Figur 17 ein Diagramm ist, das die abgeschätzte Beziehung zeigt, welche die Dicke der aktiven Schicht und der Abstand h&sub0; zwischen der aktiven Schicht und der strahlabschirmenden Schicht in dem Laser von Figur 10 bei verschiedenen Werten für ΔN besitzen;
Figur 18 ein Diagramm ist, das die abgeschätzte Beziehung darstellt, welche der Abstand h&sub0; und Δx in dem Laser von Figur 10 bei verschiedenen Werten für ΔN aufweisen;
Figur 19 ein Diagramm ist, das die abgeschätzte Beziehung zeigt, welche h&sub0; und die Breite W des Streifens in dem in Figur 10 dargestellten Laser bei verschiedenen Werten für die Differenz Δα eines Modenverlustes aufweisen;
Figur 20 ein Diagramm ist, das die abgeschätzte Beziehung zeigt, welche h&sub0; und die Breite W des Streifens in dem in Figur 10 dargestellten Laser bei verschiedenen Werten für die Differenz bzw. den Unterschied α&sub0; eines Hauptmodenverlustes aufweisen;
die Figuren 21 und 22 Schnittansichten sind, welche jeweils zwei Modifikationen des in Figur 10 dargestellten Halbleiterlasers zeigen;
Figur 23 ein Diagramm ist, das die berechneten Abhängigkeiten von Δα und α&sub0; von der Dicke t der zweiten Überzugsschicht zeigt, die in dem in Figur 21 dargestellten Laser beobachtet werden können;
Figur 24 ein Diagramm ist, das die berechnete Abhängigkeit des Oszillations- Schwellenwertes von der Dicke t der zweiten Überzugsschicht zeigt, die in dem in Figur 21 dargestellten Laser beobachtet werden kann;
Figur 25 eine Schnittansicht ist, welche eine dritte Modifikation des in Figur 10 dargestellten Halbleiterlasers veranschaulicht;
Figur 26 eine Schnittansicht ist, welche schematisch einen Halbleiterlaser gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Figur 27 eine Schnittansicht des stromblockierenden Abschnitts des in Figur 26 dargestellten Halbleiterlasers ist;
Figur 28 ein Diagramm ist, das die Beziehung zwischen der Haltespannung und der Trägerkonzentration der stromblockierenden Schicht des in Figur 26 dargestellten Lasers zeigt;
Figur 29 ein Diagramm ist, das sowohl die Strom-Leistung-Charakteristik als auch die Strom-Spannung-Charakteristik des in Figur 26 dargestellten Halbleiterlasers veranschaulicht;
Figur 30 eine Schnittansicht ist, welche einen Halbleiterlaser gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
die Figuren 31A bis 31F Schnittansichten sind, welche erklären, wie der in Figur 30 dargestellte Halbleiterlaser hergestellt wird.
Figur 1 veranschaulicht schematisch einen Halbleiterlaser gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie diese Figur zeigt, ist eine In0,5(Ga1-xAlx)In0,5P-Überzugsschicht 11 vom n-Typ auf einem GaAs-Substrat 10 vom n-Typ gebildet. Eine nicht dotierte aktive InGaP-Schicht 12 ist auf der Überzugsschicht 11 gebildet. Ferner ist eine In0,5(Ga1-xAlx)0,5P-Überzugsschicht 13 vom p-Typ auf der aktiven Schicht 12 gebildet, wodurch die Schichten 11, 12 und 13 eine Doppel-Heterostruktur bilden. Eine InGaP-Deckschicht 14 vom p-Typ ist auf der Überzugsschicht 13 gebildet. Eine GaAs-Schicht 15 vom n-Typ ist zur Beschränkung eines elektrischen Stroms auf der Deckschicht 14 gebildet. Die Schicht 15 weist einen Schlitz auf, wodurch ein Teil der Deckschicht 14 freigelegt wird. Eine Kontaktschicht 16 ist auf dem freigelegten Teil der Deckschicht 14 und ebenfalls auf der Strombeschränkungsschicht 15 gebildet. Eine Elektrode 17 vom n-Typ ist auf der unteren Oberfläche des Substrats 10 ausgebildet, und eine p-Elektrode 18 ist auf der oberen Oberfläche der Kontaktschicht 16 ausgebildet. Das Aluminium- Zusammensetzungsverhältnis x der Überzugsschicht 11 beträgt 0,7. Die aktive Schicht 12 besitzt eine Dicke d von 0,06 um. Beide Überzugsschichten 11 und 13 weisen die gleiche Dicke H von 0,85 um auf.
Die Parameter, welche die spezifische Struktur des Halbleiterlasers bestimmen, werden erklärt werden.
Im allgemeinen ist Schwellenstromdichte Jth eines Halbleiterlasers wie folgt gegeben:
Jth = J&sub0;d/ηi + {d/(ηiΓaβ)}{αi + (1/L)ln(1/R)} ...(1)
wobei ηi die interne Quanteneffizienz ist, Γa der Lichtbegrenzungsfaktor der aktiven Schicht ist, αi die Summe aus dem freien Trägerverlust und dem Wellenleitermodenverlust ist, L die Länge des Hohlraums ist, R das Reflexionsvermögen einer Seite bzw. Kristallfläche ist, J&sub0; und β Koeffizienten sind, welche die Verstärkungs-Charakteristiken des Lasers repräsentieren, die beide durch die Materialien des Lasers bestimmt sind. αi kann unter Verwendung der Abhängigkeit der externen Quanteneffizienz von der Hohlraumlänge erhalten werden, und ηi kann aus der Lebensdauer einer nichtstrahlenden Rekombinations- und der strahlenden Rekombinationskonstante für spontane Emission erhalten werden. (Die nichtstrahlende Rekombinations-Lebensdauer ist aus der Verzögerungszeit der Oszillation berechnet worden.) Gleichung (1) repräsentiert eine Definition von J&sub0; und β, so daß diese Parameter experimentell erhalten werden können, indem die Abhängigkeit von Jth von der Hohlraumlänge abgeschätzt wird. Γa und R werden durch die Wellenleiterstruktur bestimmt, hauptsächlich durch die Brechungsindizes und Dicken der aktiven Schicht 12 und der Überzugsschichten 11 und 13. Sie sind als die Funktionen der Dicke d der aktiven Schicht und der Differenz der spezifischen Brechungsindizes gegeben, vorausgesetzt, daß die Überzugsschicht 11 ausreichend dick ist und der Brechungsindex der aktiven Schicht 12 von der Zusammensetzung der Schicht 12 wenig abhängt. Die Differenz Δ ist durch die folgende Gleichung definiert:
wobei na und nc Brechungsindizes der aktiven Schicht 12 beziehungsweise der Überzugsschichten 11 und 13 sind.
Wenn die Hohlraumlänge unverandert bleibt, ist die Schwellenstromdichte Jth als die Funktion d und Δ gegeben. Daher kann die optimale Dicke d der aktiven Schicht 12, die die Schwellenstromdichte Jth für gegebenes Δ minimiert, bestimmt werden wenn die Werte für αi, ηi, J&sub0; und β bekannt sind. Ein Halbleiterlaser der in Figur 1 dargestellten Struktur wurde tatsächlich hergestellt, und dessen Parameter wurden ermittelt. Die Ergebnisse waren: αi = 10 cm&supmin;¹; ηi = 0,61; J&sub0; = 9 x 10³ A/cm²/um; und β = 2,1 x10&supmin;² cm um/A. Die Schwellenstromdichte Jth wurde aus diesen Werten unter der Annahme berechnet, daß L = 300 um gilt und die Differenz Δ sich von 0,01 bis 0,10 erstreckt. Es ergaben sich die Ergebnisse, wie sie in Figur 2 dargestellt sind. Die Überzugsschichten 11 und 13 des Lasers, welche aus In0,5(Ga1-xAlx)0,5P hergestellt wurden, wiesen einen Brechungsindex n auf, der wie folgt gegeben ist:
n = 3, 65 - 0,38x ...(3)
Daher verhält sich die Differenz Δx zwischen dem Aluminium-Zusammensetzungsverhältnis der aktiven Schicht 12 und dem der Überzugsschichten 11 und 13 gegenüber der Differenz Δ des spezifischen Brechungsindex wie folgt:
Δ = 0,1Δx ...(4)
Wie aus Figur 2 verstanden werden kann, gibt es einen optimalen Wert für die Dicke d der aktiven Schicht 12, der Jth bei einem gegebenen Wert der Differenz Δ minimiert. Um die Beziehung zwischen der optimale Dicke d und der Differenz Δ qualitativ zu erklären, wird diskutiert werden, welche Beziehung d und Γa aufweisen. Zum Zwecke der Vereinfachung wird die Diskussion auf den in Figur 3A dargestellten Dreischichten- Wellenleiter beschränkt, der aus einer aktiven Schicht 20 und zwei Überzugsschichten 21 und 22 besteht. Die Modenfunktion dieses Wellenleiters möge bezeichnet werden als:
Der Begrenzungsfaktor bzw. Einschlußfaktor Γa ist dann gegeben als:
Die Werte von κ und γ sind-infolge der Randbedingungen und dergleichen wie folgt gegeben:
tan(κd/2) = γ/κ ...(7)
Somit kann, wenn sowohl d als auch Δ klein sind, γ wie folgt genähert werden:
wobei k&sub0; = 2π/λ gilt, worin λ die Wellenlänge des Laserstrahls ist. Unter der Annahme, daß d ausreichend klein ist, können wir die folgende Gleichung durch Substituieren von Gleichung (9) in Gleichung (6) erhalten:
Gleichung (10) wird in Gleichung (1) substituiert, und dann wird die Gleichung bezüglich d differenziert. Indem die differenzierte Funktion gleich 0 gesetzt wird, wird die Dicke d, welche Jth auf ein Minimum reduzieren wird, erhalten. Nämlich:
Hier wird angenommen, daß d von dem Reflexionsvermögen R der Kristallfläche nicht sehr abhängt. Die Dicke d, welche Jth minimiert, ist gegeben als:
d//λ = Δ-1/2{αi + (1/L)ln(1/R)}/(J&sub0;β)1/2/2πna ...(12)
Wenn L = 300 um und R = 34% gelten, ergibt sich dann:
d/λ = 0,022Δ ...(13)
Die Hohlraumlänge reicht in den meisten Halbleiterlasern von 200 bis 400 um. Daher repräsentiert die in Gleichung (13) dargestellte Dicke d die optimale Dicke der aktiven Schicht, welche die Schwellenstromdichte Jth minimieren wird.
Ein ähnliches Ergebnis wird direkt aus Gleichung (1) erhalten werden. Die in Figur 4 dargestellte unterbrochene Linie repräsentiert die Beziehung zwischen der Dicke d und der Differenz Δ, welche Jth auf ein Minimum reduzieren wird. In Figur 4 zeigt das schraffierte Gebiet den Bereich für die Dicke d an, in welchem Jth höchstens gleich dem 1,05-fachen des Minimalwertes ist. Die unterbrochene Linie und die zwei durchgezogenen Linien, welche die oberen und unteren Grenzen des Dickenbereichs zeigen, besitzen eine Neigung von annähernd -1/2, wenn sowohl d als auch Δ in logarithmischen Skalen aufgetragen werden. Wie aus Gleichung (13) offensichtlich ist, gilt d α Δ-1/2. Ferner fällt, wie aus Figur 4 verstanden werden kann, d/λ in den folgenden Bereich, wenn Δ von 0,05 bis 0,1 reicht:
0,015Δ-1/2 < d/λ < 0,028Δ-1/2 ...(14)
Gleichung (14) läßt darauf schließen, daß die Schwellenstromdichte Jth nicht über das 1,05-fache ihres Minimalwertes zunimmt, wie aufgezeigt worden ist. Die Zunahme in dem Schwellenstrom, welche diese kleine Zunahme von Jth zur Folge hat, kann vernachlässigt werden. Es folgt, daß, wenn die aktive Schicht eine Dicke d aufweist, die in den durch Gleichung (14) gegebenen Bereich fällt, der InGaAlP-Halbleiterlaser einen ausreichend kleinen Schwellenstrom aufweist. Gleichung (13) zeigt den Wert für die Differenz Δ der spezifischen Brechungsindizes, der im wesentlichen in der Mitte zwischen den unteren und oberen Grenzen von Δ liegt, wie aus der Darstellung von Figur 4 offensichtlich ist.
Die Optimierung der Dicke der Überzugsschichten 11 und 13 wird diskutiert werden. InGaAlP unterscheidet sich von GaAs und GaAlAs, weil es einen hohen Wärmewiderstand besitzt. Zum Beispiel weist In0,5(Ga0,3Al0,7)0,5P einen Wärmewiderstand von 17 K cm/W auf, wohingegen GaAs und Ga0,6Al0,4As Wärmewiderstände von 2 K cm/W beziehungsweise 8 K cm/W besitzen. Somit beeinflussen, weil die Überzugsschichten 11 und 13 aus InGaAlP hergestellt sind, ihre Dicken die thermische Charakteristik des Halbleiterlasers sehr. Je dicker die Schicht 13 ist, desto höher ist ihr Wärmewiderstand. Zusätzlich weist die Überzugsschicht 13, die eine Schicht vom p-Typ ist, einen hohen elektrischen Widerstand auf, und Wärme wird innerhalb der Schicht 13 erzeugt, wenn ein Strom durch die Schicht 13 fließt. Die aktive Schicht 12, welche die Überzugsschicht 13 berührt, wird unvermeidlich auf eine so hohe Temperatur erwärmt, daß der Schwellenstrom zu sehr anwächst. Im Hinblick auf die thermische Charakteristik des Lasers ist es umso günstiger, je dünner die Überzugsschichten 11 und 13 sind. Allerdings erreicht, wenn die Schicht 11 oder 13 zu dünn ist, der Schwanz des Wellenleiters bzw. der Wellenführung die GaAs-Schicht. Ein Teil der optischen Energie wird durch das GaAs-Substrat 10 und die Kontaktschicht 16 absorbiert, und die Schwellenstromdichte Jth nimmt zu. Als eine Folge erhöht sich die Temperatur der aktiven Schicht 12.
Daher ist es wünschenswert, daß die Überzugsschichten 11 und 13 so dünn als möglich, aber dick genug sind, um zu verhindern, daß optische Energie in das Substrat 10 oder die Kontaktschicht 16 absorbiert wird.
Es wird nun erklärt werden, welche Beziehung die Dicke H der Überzugsschichten 11 und 13 mit den anderen strukturellen Parametern des in Figur 1 veranschaulichten Halbleiterlasers aufweisen.
Figur 3B zeigt einen anderen Wellenleiter, welcher zwei Schichten besitzt, die auf beiden Seiten des Dreischichten-Wellenleiters angeordnet sind. Zwei äußere Schichten wirken als eine lichtabsorbierende Schicht. In dem Falle dieses Fünfschichten- Wellenleiters ist der optische Verlust α für die Wellenleitermode infolge der lichtabsorbierenden Schichten gegeben als:
α = Γ'c α&sub1;
wobei α&sub1; der Absorptionskoeffizient irgendeiner Schicht ist und Γ'c der optische Begrenzungsfaktor irgendeiner Schicht ist. Γ'c ist annähernd:
α = Γ'c = Γcexp(-2γH) ...(16)
wobei Γc der Begrenzungsfaktor der Überzugsschichten 11 und 13 ist und annähernd als
gegeben ist.
Γc beträgt etwa 1, wenn A < 1 und d/λ < 1 gelten. Der optische Verlust α wird bestimmt durch γH wie aus den Gleichungen (15) und (16) verstanden werden kann. Vermöge der Gleichung (9) wird γH dargestellt als:
Offensichtlich ist der (optische) Verlust α umso geringer, je größer das Produkt von Δ, d und H ist. Daher muß, wenn d oder Δ klein ist, H umgekehrt groß sein, um den (optischen) Verlust α bei einem vorher bestimmten Wert zu halten.
Figur 5 ist ein Diagramm, welches angefertigt wurde, indem ein Wellenleitermodell mit einem komplexen Brechungsindex simuliert wurde, und repräsentiert die Beziehung zwischen dem (optischen) Verlust α und der Dicke H der Überzugsschichten 11 und 13. Wie aus Figur 5 offensichtlich ist, ist, wenn ein spezifischer Wert fur α einmal gegeben ist, die Dicke H der Überzugsschichten 11 und 13 bezüglich der Dicke d der aktiven Schicht bestimmt. Es wird diskutiert werden, welchen Wert der (optische) Verlust α aufweisen muß, um den Schwellenstrom des Halbleiterlasers nicht zu beeinflussen. Der letzte Term von Gleichung (1), d.h. (1/L)ln(1/R), ist der (optische) Verlust infolge der Reflexion von Licht an zwei Kristallflächen des Lasers. Dieser (optische) Verlust hat den unten angegebenen Wert, weil L = 300 um und R = 34% in dem in Figur 1 dargestellten Halbleiterlaser gelten;
(1/L)ln(1/R) = 36cm&supmin;¹ ...(19)
Augenscheinlich wird die Schwellenstromdichte Jth umso weniger beeinflußt je geringer der Energieverlust α ist. Daher wird die obere Grenze von α bei 20 cm&supmin;¹ oder nur etwa der Hälfte des Wertes von Gleichung (19) eingestellt. Wenn die Dicke H der Überzugsschichten 11 und 13 derart ausgewählt wird, daß der Energieverlust α gleich oder geringer als 20 cm&supmin;¹ ist, wird die Schwellenstromdichte Jth nicht übermäßig beeinflußt. Nichtdestoweniger nimmt, wie bemerkt worden ist, der thermische Widerstand der Überzugsschicht 13 zu, wobei unvermeidlich der Schwellenstrom erhöht wird, wenn die Schicht 13 zu dick ist. Um die Dicke H zu begrenzen, wird die untere Grenze von α bei 1 cm&supmin;¹ eingestellt. Dieser Wert von 1 cm&supmin;¹ ist viel geringer als der Wert, der in Gleichung (19) spezifiziert wird. Somit kann man sich überlegen, daß der Energieverlust den Schwellenstrom des Halbleiterlasers wenig beeinflußt. Sogar falls α bei einem niedrigeren Wert als 1 cm&supmin;¹ eingestellt wird, werden keine Vorteile erzielt werden. Daher gilt in dieser Ausführungsform:
1 cm&supmin;¹ < α < 20 cm&supmin;¹ ...(20)
Figur 6 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Dicke H der Überzugsschichten und der Dicke d der aktiven Schicht 12 repräsentiert. Genauer zeigt die obere Kurve die Beziehung, welche H und d aufweisen, wenn α 1 cm&supmin;¹ beträgt und die untere Kurve zeigt die Beziehung, welche H und d aufweisen, wenn α 20 cm&supmin;¹ beträgt. Um der Gleichung (20) zu genügen, muß die Dicke H in dem schraffierten Gebiet liegen, das durch die zwei Kurven definiert wird. Beide in Figur 6 dargestellten Kurven, welche die oberen und unteren Grenzen der Dicke H repräsentieren, besitzen eine Neigung von annähernd -1/2, weil sowohl d als auch H in logarithmischen Skalen aufgetragen sind. Daher weisen, solange α ungeändert bleibt, H und d die folgenden Beziehung auf:
H α d-1/2 ...(21)
Figur 6 zeigt die Beziehung, welche die Dicken H und d aufweisen, wenn Δ konstant ist (= 0,07). Wenn die Dicke d konstant ist (= 0,06 um), werden dann H und Δ solch eine Beziehung aufweisen, wie in Figur 7 veranschaulicht ist. Die in dieser Figur dargestellte H-Δ-Beziehung befaßt sich mit dem Fall, in welchem die InGaP-Schicht 12 einen Brechungsindex na von 3,65 aufweist und die In0,5(Ga1-xAlx)0,5P-Schicht 11 einen Brechungsindex von nc von (3,65 - 0,38 x) besitzt. Ebenfalls in Figur 7 aufgetragen ist die Differenz Δx zwischen den Aluminiumverhältnissen der Schichten 11 oder 13 und 12. Die in Figur 7 dargestellten zwei Kurven, welche die oberen und unteren Grenzen der Dicke H repräsentieren, besitzen eine Neigung von annähernd -1/2. Daher weisen, solange α ungeändert bleibt, H und Δ die folgende Beziehung auf:
H α Δ-1/2 ...(22)
Aus den Gleichungen (21) und (22) kann die Beziehung zwischen H, d und Δ wie folgt dargestellt werden:
H α (Δd)-1/2 ...(23)
Wenn sowohl H als auch d in Einheiten von Wellenlängen normiert sind, kann dann der Wert für H, welcher der Gleichung (20) genügt, wie folgt aus den in den Figuren 6 und 7 dargestellten Daten erhalten werden:
0,08(Δd/λ)-1/2 < H/λ < 0,12(Δd/λ)-1/2 ...(24)
Daher weist, wenn H innerhalb dieses Bereichs eingestellt wird, der Halbleiterlaser keinen optischen Energieverlust infolge der Energieabsorption in dem GaAs-Substrat 10 auf, und der thermische Widerstand der Überzugsschicht 13 wird auf ein Minimum reduziert. Zum Beispiel wird, wenn λ = 0,67 um, d = 0,06 um und Δ = 0,07 gelten, die Dicke H, die der Gleichung (20) genügt,
0,68 um < H < 1,0 um ...(25)
betragen.
Um festzustellen bzw. nachzuweisen, daß der Bereich von α, der durch die Gleichung (20) definiert wird, vernünftig ist, wurden der Temperaturanstieg ΔT der aktiven Schicht 12 und der Schwellenstrom Ith berechnet, indem ein thermisches Wärmeleitungsmodell simuliert wurde. Die Figuren 8 und 9 zeigen die Abhängigkeiten von ΔT und Ith von der Dicke H der Überzugsschichten 11 und 13. Wie aus diesen Figuren offensichtlich ist, muß es solch einen spezifischen Wert von H für jede aktive Schicht mit einer unterschiedlichen Dicke d geben, welcher entweder ΔT oder Ith minimieren würde. Die Beziehung, die in Figur 9 dargestellt ist und die H und d aufweisen, um Ith auf ein Minimum zu reduzieren, wird durch die in Figur 6 dargestellte unterbrochene Kurve angezeigt. Wie aus Figur 6 und Figur 9 verstanden werden kann, ist der Wert von H, welcher Ith minimieren würde, nahe dem Mittelpunkt irgendeiner Kurve (Figur 6) aufgetragen, die die Beziehung darstellt, welche H und d aufweisen, wenn α 1 cm&supmin;¹ oder 20 cm&supmin;¹ beträgt. Daher ist der Bereich von α, der durch Gleichung (20) definiert wird vernünftig.
Aus der in Figur 6 dargestellten unterbrochenen Kurve ist der Wert von H, der Ith minimiert, wie folgt gegeben:
H/λ 0,1(Δd/λ)-1/2 ...(26)
Figur 9 zeigt, daß der Schwellenstrom Ith minimal ist, wenn die Überzugsschichten 11 und 13 Dicken H von 0,85 um aufweisen. Die Überzugsschichten der meisten herkömmlichen GaAlAs-Laser besitzen eine Dicke von 1 um oder mehr. Im Gegensatz dazu ist die optimale Dicke H der Überzugsschicht des InGaAlP-Lasers etwas geringer als 1 um, wie gerade diskutiert worden ist. Daher beträgt gemäß der vorliegenden Erfindung die Dicke der Überzugsschichten 11 und 13 1 um oder weniger. Aus den Gleichungen (13) und (26) kann die Beziehung zwischen H und Δ wie folgt repräsentiert werden:
H/λ 0, 67Δ-1/4 ...(27)
Die obige Beschreibung ist auf die Fälle begrenzt, in denen die Überzugsschichten 11 und 13 das gleiche Aluminiumverhältnis aufweisen. Wenn die Schichten 11 und 13 verschiedene Aluminiumverhältnisse aufweisen, insbesondere wenn die Schicht 11 aus In0,5(Ga1-xAlx)0,5P mit einein Brechungsindex von nc1 hergestellt ist und die Schicht 13 aus In0,5(Ga1-xAlx)0,5P mit einem Brechungsindex von nc2 hergestellt ist, wird das in der Gleichung (10) definierte Γa wie folgt genähert werden:
wobei gelten
Wenn die Differenz bzw. der Unterschied zwischen nc1 und nc2 gering ist, kann Δ' durch den Mittelwert für Δ&sub1; und Δ&sub2; genähert werden. Nämlich:
Δ' (Δ&sub1; + Δ&sub2;)/2
In diesem Fall genügt es, Δ' für Δ in den Formeln (11) bis (14) zu substituieren. Die Ungleichung (24) kann durch die folgenden Ungleichungen ersetzt werden, welche die Dicke H&sub1; der Überzugsschicht 11 und die Dicke H&sub2; der Überzugsschicht 13 definieren;
0,08 (Δ&sub1;d/λ)-1/2 < H&sub1;/λ < 0,12 (Δ&sub1;d/λ)-1/2
und
0,08 (Δ&sub2;d/λ)-1/2 < H&sub2;/λ < 0,12 (Δ&sub2;d/λ)-1/2
Wie erklärt worden ist, kann der Schwellenstrom des InGaAlP-Halbleiterlasers genügend reduziert werden, wenn die aktive Schicht die Dicke d besitzt, die durch Gleichung (14), genauer durch Gleichung (13), spezifiziert wird. Ferner kann der Anstieg der Temperatur der aktiven Schicht minimiert werden, und der Laser kann somit zuverlässig arbeiten, wenn die Überzugsschicht die Dicke H besitzt, welche durch Gleichung (24), genauer durch Gleichung (26), gegeben ist. Diese sind durch die Ergebnisse des Tests festgestellt worden, der an den tatsächlich hergestellten und zu der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform identischen Vorrichtungen ausgeführt wurde.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform begrenzt. Zum Beispiel müssen die Materialien der Doppel-Heterostruktur nicht InGaP und In0,5(Ga0,3Al0,7)0,5P sein. Es genügt, daß die aktive Schicht 12 und die Überzugsschichten 11 und 13 aus In(Ga1-yAly)P beziehungsweise In(Ga1-xAlx)P hergestellt werden, wobei 0 ≤ y ≤ x ≤ 1 gilt. Ferner muß die Doppel-Heterostruktur nicht auf einen inneren Streifen, welcher in Figur 1 gezeigt wird, begrenzt werden; sie kann irgendeine verstärkungsleitende bzw. -führende Struktur oder indexleitende bzw. -führende Struktur sein. Ferner muß das Material der Überzugsschicht, deren Dicke H optimiert werden muß, nicht InGaAlP sein. Irgendein anderes Material kann verwendet werden, das weder dem Substrat noch der Kontaktschicht ermöglicht, Energie zu absorbieren.
Wie ausführlich beschrieben worden ist, kann die vorliegende Erfindung einen JnGaAlP-Halbleiterlaser schaffen, welcher einen kleinen Schwellenstrom, ausgezeichnete thermische Charakteristiken und eine hohe Zuverlässigkeit aufweist.
Ein Halbleiterlaser gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf Figur 10 bis Figur 27 beschrieben werden.
Figur 10 ist eine Schnittansicht, die schematisch die zweite Ausführungsform der Erfindung zeigt. In dieser Figur bezeichnen die gleichen Bezugsziffern die gleichen Komponenten wie diejenigen der ersten Ausführungsform, die in Figur 1 dargestellt ist. Eine Überzugsschicht 11 von n-Typ ist auf einem Substrat 10 gebildet. Das Aluminiumverhältnis x dieser Überzugsschicht 11 oder 13 beträgt 0,7. Eine aktive Schicht 12 ist auf der Überzugsschicht 11 gebildet und besitzt eine Dicke d von 0,06 um. Eine Überzugsschicht 13 vom p-Typ ist auf der aktiven Schicht 12 gebildet. Diese Überzugsschicht 13 besitzt einen stegförmigen Teil 19. Eine lichtbegrenzende Schicht 15 ist auf der gesamten oberen Oberfläche der Überzugsschicht 13 mit Ausnahme des stegförmigen Teils 19 gebildet. Der Abstand h&sub0; zwischen der aktiven Schicht 12 und der lichtbegrenzenden Schicht 15 beträgt 0,2 um. Der Steg 19 besitzt an der Basis eine Breite W von 5 um. Die Überzugsschicht 11 vom n-Typ besitzt eine Dicke H&sub1; von 0,8 um. Der Teil bzw. das Teilstück 19 der Überzugsschicht 13 vom p-Typ besitzt die gleiche Dicke H&sub2; von 0,8 um.
Die lichtbegrenzende n-GaAs-Schicht 15 ist in diesem Laser ebenfalls nahe der aktiven Schicht 12 angeordnet und absorbiert das Licht, das von der aktiven Schicht 12 emittiert wird, in dem Bereich außerhalb des Stegs. Als eine Folge besitzen die Doppel-Heterostruktur bei dem stegförmigen Teil 19 und die bei äußeren Teilen verschiedene effektive komplexe Brechungsindizes. Infolge der Differenz in den komplexen Brechungsindizes ist das Licht in dem Streifenabschnitt in der horizontalen Richtung begrenzt. Die lichtbegrenzende Schicht 15 erfüllt die gleiche Funktion wie die Strombeschränkungsschicht 15, die in dem in Figur 1 veranschaulichten Laser verwendet wird. Genauer fließt infolge der Existenz der Schicht 15 ein elektrischer Strom nur in dem stegförmigen Teil 19. Daher besitzt der Laser einen kleinen Schwellenstrom.
Der Halbleiterlaser der zweiten Ausführungsform (Figur 10) ist entworfen bzw. konstruiert, um die Transversalmode zu regeln, und er kann keine stabile Transversalmoden-Oszillation erreichen, wobei ein Astigmatismus soweit als möglich begrenzt wird, es sei denn, er besitzt optimale strukturelle Parameter. Die oben spezifizierten Parameter sind nichts anderes als einige wenige Beispiele. Die bestmöglichen strukturellen Parameter dieses Lasers werden nun diskutiert werden.
Das charakteristische Merkmal eines Halbleiterlasers, welches zuerst in Betracht gezogen werden muß, ist dessen Schwellenstrom für eine Oszillation. Dieser Wert ist beinahe ausschließlich durch die Dichte des Schwellenstroms in der Doppel-Heterostruktur bestimmt, die der Hauptabschnitt des Lasers ist. In dem Fall eines transversalmodenstabilisierten Lasers ist der Schwellenstromwert nicht nur durch die Schwellenstromdichte, sondern auch durch den Energieverlust der Wellenleitermode bestimmt.
Wie aus Figur 10 verstanden werden kann, bilden die aktive InGaP-Schicht 12, die In0,5(Ga1-xAlx)0,5P-Überzugsschicht 11 vom n-Typ und die In0,5(Ga1-xAlx)0,5P- Überzugsschicht 13 vom p-Typ eine Doppel-Heterostruktur. Wie Figur 2 zeigt Figur 11 die Abhängigkeit der Schwellenstromdichte Jth in der Doppel-Heterostruktur von der Dicke d der aktiven Schicht 12 bei verschiedenen Aluminiumverhältnissen x der Überzugsschichten 11 und 13. Wie aus Figur 11 offensichtlich ist, gibt es einen optimalen Wert für die Dicke d der aktiven Schicht 12, der Jth bei einem gegebenen Aluminiumverhältnis minimiert. Die in Figur 12 dargestellte unterbrochene Linie repräsentiert die Beziehung zwischen der Dicke d, welche die Dichte Jth minimiert, und dem Aluminiumverhältnis x. In Figur 12 zeigt das schraffierte Gebiet den Bereich für die Dicke d an, in dem Jth 2 kA/cm² oder weniger beträgt. Das Diagramm von Figur 12 findet auf den Fall Anwendung, in welchem die aktive Schicht 12 aus InGaP hergestellt ist. Nichtsdestoweniger kann es auf den Fall angewandt werden, in dem die Schicht 12 aus In0,5(Ga1-yAly)0,5P hergestellt ist. In diesem Fall ist, was auf der horizontalen Achse aufgetragen ist, die Differenz Δx zwischen dem Aluminiumverhältnis x der Überzugsschicht 11 und dem Aluminiumverhältnis y der aktiven Schicht 12. Wie aus Figur 11 klar ist, nimmt die Dichte Jth im umgekehrten Verhältnis zu dem Aluminiumverhältnis x oder der Differenz Δx deutlich zu.
Je größer das Aluminiumverhältnis x ist, desto besser ist es im Hinblick auf die Reduktion der Schwellenstromdichte. Jedoch nimmt, wenn das Aluminiumverhältnis x groß ist, die Differenz bzw. der Unterschied zwischen dem Brechungsindex der Überzugsschicht 11 oder 13 und dem der aktiven Schicht 12 proportional zu. Folglich begrenzen die Überzugsschichten 11 und 13 das Licht innerhalb der aktiven Schicht 12 in einem größeren Maße, und der Strahldivergenzwinkel nimint so sehr zu, daß der Laser nicht länger anwendbar sein kann.
Figur 13 ist ein Diagramm, das die Beziehung repräsentiert, die der Strahldivergenzwinkel θ und das Aluminiumverhältnis x aufweisen, wenn die aktive Schicht 12 0,06 um dick ist. Wie aus Figur 13 verstanden werden kann, ist der Strahldivergenzwinkel θ dem Aluminiumverhältnis x im wesentlichen proportional. Eine Linse mit einer großen NA (numerische Apertur) ist erforderlich, um den Strahl parallel zu richten bzw. einzustellen, der von einem Halbleiterlaser emittiert wird und unter einem großen Winkd divergiert. Im allgemeinen ist es schwierig, eine Linse mit einer großen NA zu verwenden. Insbesondere ist es schwierig, eine Linse mit einer NA größer als 0,3 einzustellen, und sie ruft auch einen Astigmatismus hervor. Ferner ist solch eine Linse teuer, und ein optisches System, das diese Linse einschließt, ist ebenfalls teuer. Eine NA von 0,3 ist einem Strahldivergenzwinkel von 35º, d.h. 2sin&supmin;¹(0,3), äquivalent. Daher muß der Strahldivergenzwinkel θ , um eine Linse zu verwenden, deren NA 0,3 oder weniger beträgt, 35º oder weniger betragen. Aus Figur 13 ist offensichtlich, daß das Aluminiumverhältnis x 0,8 oder weniger betragen muß, um zu verhindern, daß der Strahldivergenzwinkel θ auf über 35º zunimmt.
Es ist aus den Figuren 12 und 13 offensichtlich, daß Jth ≤ 2kA/cm² und θ ≤ 35º gelten. Die Bereiche für x und d sind:
0 55 ≤ x ≤ 0,8 ...(28)
0,02 um ≤ d ≤ 0,1 um ...(29)
Diese sind die Ergebnisse einer Simulationsanalyse. Diese Bereiche für x und d müssen in der Praxis wegen verschiedener Probleme, wie zum Beispiel des beschränkten Dotierungspegels der Überzugsschicht, der Abnahme der charakteristischen Temperatur infolge eines Trägerüberschusses und der Abnahme der maximalen Oszillationstemperatur, enger sein.
Figur 14 ist ein Diagramm, das auf den Ergebnissen von Experimenten beruhend angefertigt wurde und darstellt, wie die Schwellenstromdichte Jth, die charakteristische Temperatur T&sub0; und die maximale Oszillationstemperatur Tmax von dem Aluminiumverhältnis x der Überzugsschichten 11 und 13 abhängen.
Wie aus Figur 14 offensichtlich ist, ist die Schwellenstromdichte Jth zu hoch, etwa 3 kA/cm², wenn das Aluminiumverhältnis x 0,4 beträgt. Sogar wenn x 0,5 beträgt, ist Jth noch hoch, d.h. 1,8 kA/cm². Wenn jedoch x 0,7 beträgt, ist Jth auf 1,3 kA/cm² reduziert. Daher sollte das Aluminiumverhältnis x besser 0,7 als 0,4 bis 0,5 betragen.
Wie ebenfalls aus Figur 14 deutlich wird, nimmt die charakteristische Temperatur T&sub0; mit dem Aluminiumverhältnis x zu. Wenn x von 0,5 auf 0,7 zunimmt, erhöht sich die charakteristische Temperatur T&sub0; von 70 K bis 85 K, und die maximale Oszillationstemperatur Tcwmax nimmt ebenfalls um etwa 20º C zu. Die Temperatur Tcwmax ist eine der Betriebs-Charakteristiken eines Halbleiterlasers. Je höher die Temperatur Tcwmax ist, desto besser. Der Test von InGaAlP-Halbleiterlasern, welche die Erfinder hiervon durchgeführt haben, zeigte, daß, wenn die Laser bei 50º C betrieben wurden, sie keine stabilen Strahlen emittieren konnten, es sei denn, Tcwmax betrug mindestens 70º C. Tmax ist niedriger als 70º C, wenn das Aluminiumverhältnis x weniger als 0,6 beträgt, wie aus Figur 14 verstanden werden kann.
Daher ist, wenn das Aluminiumverhältnis x der Überzugsschicht 11 oder 13 0,65 oder mehr beträgt, nicht nur die Schwellenstromdichte Jth ausreichend niedrig, sondern der Laser kann auch einen stabilen Strahl kontinuierlich emittieren.
Figur 15 ist ein Diagramm, das ebenfalls auf den Ergebnissen von Experimenten beruhend angefertigt wurde und die Abhängigkeit der charakteristischen Temperatur T&sub0; von der Dicke d der aktiven Schicht 12 darstellt. Wie dieses Diagramm zeigt, war die Temperatur T&sub0; sehr niedrig, wenn die Dicke d weniger als 0,03 um betrug. Die Ergebnisse der Experimente zeigten, daß die maximale Oszillationstemperatur Tcwmax zu niedrig war, wenn die Dicke d weniger als 0,03 um betrug. Die Ergebnisse der Experimente und Gleichungen (28) und (29) lassen darauf schließen, daß der Laser einen genügend kleinen Schwellenstrom und ausgezeichnete thermische Charakteristiken besitzt, wenn das Aluminiumverhältnis x der Überzugsschichten 11 und 13 und die Dicke d der aktiven Schicht 12 in die folgenden Bereiche fällt:
0,65 ≤ x ≤ 0,8 ...(30)
0,03 um ≤ d ≤ 0,1 um ...(31)
Die Beziehung zwischen dem Aluminiumverhältnis x und der Trägerkonzentration vom p-Typ in der Überzugsschicht 13 vom p-Typ wird kurz diskutiert werden. Weder Zn noch Mg kann als der Dotierstoff vom p-Typ verwendet werden. Durch Experimente ist festgestellt worden, daß, wenn Mg verwendet wird, es schwierig ist, die Bildung einer PN-Verbindung bzw. eines PN-Übergangs zu regeln. Daher wird in der vorliegenden Erfindung Zn verwendet. Die durch die Erfinder durchgeführten Experimente zeigten, daß, wenn das Aluminiumverhältnis x 0,8 betrug, die Trägerkonzentration vom p-Typ nur 1 x 10¹&sup7; cm&supmin;³ betrug und sowohl die charakteristische Temperatur T&sub0; als auch die maximale Oszillationstemperatur Tcwmax auf zu niedrige Werte abfielen. Wenn das Aluminiumverhältnis x 0,75 betrug, nahm die Trägerkonzentration vom p-Typ auf 2 x 10¹&sup7; cm&supmin;³, und die charakteristische Temperatur stieg auf 90 K. Daher beträgt in der vorliegenden Erfindung, wenn Zn als der Dotierstoff in der Überzugsschicht 13 vom p-Typ verwendet wird, das Aluminiumverhältnis x 0,75 oder weniger.
Die strukturellen Parameter, welche dem in Figur 10 dargestellten Halbleiterlaser ermöglichen, in einer stabilen Haupt-Transversalmode zu arbeiten, werden diskutiert werden. Um Licht, das sich in dem Halbleiterlaser ausbreitet, zu begrenzen bzw. einzuschließen, ist es erforderlich, daß der effektive Brechungsindex in der horizontalen Richtung variiert. Diese Variation des Brechungsindex muß groß genug sein, um die Variation des Brechungsindex zu kompensieren, welche sich aus dem Plasmaeffekt, der die Trägerinjektion begleitet, ergeben hat. In dem Fall eines GaAlAs-Halbleiterlasers oder eines InGaAsP-Halbleiterlasers liegt die sich aus dem Plasmaeffekt ergebende Variation des Brechungsindex in der Größenordnung von 10&supmin;³. Es kann angenommen werden, daß der Brechungsindex um einen ähnlichen Wert in einem InGaAlP-Halbleiterlaser ebenfalls variiert. Wenn die Änderung oder Differenz ΔN des effektiven Brechungsindex weniger als 10&supmin;³ beträgt, wird der Effekt der Verstärkungsleitung -bzw. -führung vorherrschend, und die Phase der Strahlwelle wird infolge der Verstärkungsverteilung des Wellenleiters verzögert. Wegen der Phasenverzögerung weicht der Mittelteil des Strahls, der von dem Laser emittiert wird sehr von der strahlemittierenden Seite bzw. Kristallfläche des Lasers ab. Mit anderen Worten wird der Astigmatismus auffallend bzw. markant.
Figur 16 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Astigmatismus Δz und der Differenz ΔN des effektiven Brechungsindex darstellt, die in einem Halbleiterlaser mit einer Streifenbreite W von 5um beobachtet wurde. Wie aus Figur 16 offensichtlich ist, nimmt der Astigmatismus Δz in einem umgekehrten Verhältnis zu der Differenz ΔN drastisch zu. Dieser Halbleiterlaser arbeitete nahezu in der gleichen Weise wie ein Verstärkungsleitertyp in dem Bereich, in welchem ΔN weniger als 2 x 10&supmin;³ beträgt. Daher muß die Differenz ΔN des effektiven Brechungsindex 2 x 10&supmin;³ oder mehr betragen, so daß die sich ausbreitende Lichtwelle in der horizontalen Richtung begrenzt bzw. eingeschlossen ist. Wenn die Differenz ΔN 5 x 10&supmin;³ oder mehr betrug, wurde das Licht effektiver begrenzt bzw. eingeschlossen, wobei der Astigmatismus Δz auf 15 um oder weniger reduziert wurde.
In dem in Figur 10 dargestellten Halbleiterlaser ist ΔN die Differenz im effektiven Brechungsindex zwischen dem stegförmigen Teil 19 und den anderen Teilen bzw. Teilstücken. Der effektive Brechungsindex der anderen Teile hängt sehr von dem Abstand h&sub0; zwischen der aktiven Schicht 12 und der lichtbegrenzenden GaAs-Schicht 15 ab.
Figur 17 zeigt die abgeschätzte Beziehung, welche die Dicke d der Schicht 12 und der Abstand h&sub0; bei verschiedenen Werten für ΔN aufweisen. Wie aus dieser Figur verstanden wird, nimmt ΔN im inversen Verhältnis zu der Dicke d und dem Abstand h&sub0; ab. Die Beziehung, welche die Dicke d und der Abstand h&sub0; bei einem gegebenen Wert von ΔN aufweisen, wird als h&sub0; α d-1/2 dargestellt.
Figur 18 repräsentiert die abgeschätzte Beziehung, welche der Abstand h&sub0; und die Differenz Δx im Aluminiumverhältnis x bei verschiedenen Werten für ΔN aufweisen. Wie aus Figur 18 offensichtlich ist, wird die Beziehung zwischen dem Abstand h&sub0; und der Differenz Δx bei einem gegebenen Wert ΔN dargestellt als: h&sub0; α Δx-1/2.
Wenn der Abstand h&sub0; und die Dicke d in Einheiten der Oszillationswellenlänge λ normiert sind, werden der Abstand h&sub0;, welcher ΔN konstant macht, die Dicke d und die Differenz Δx die folgende Beziehung aufweisen:
h&sub0;/λ α (Δxd/λ)-1/2 ...(32)
Wenn ΔN ≤ 2 x 10&supmin;³ gilt, kann der folgende Zusammenhang aus den Figuren 17 und 18 erhalten werden:
h&sub0;/λ ≤ 0,13 (Δxd/λ)-1/2 ...(33)
Wenn ΔN ≤ 5 x 10&supmin;³ gilt, kann der folgende Zusammenhang aus den Figuren 17 und 18 erhalten werden:
h&sub0;/λ ≤ 0,09 (Δxd/λ)-1/2 ...(34)
Der Abstand h&sub0; muß der Ungleichung (33) sogar genügen, falls der Brechungsindex sich infolge des Plasmaeffektes ändert, um zu verhindern, daß der Laser als ein Verstärkungsleitertyp arbeitet. Um dem Laser zu ermoglichen, die Vorteile zu erreichen, welche mit einer Indexführungsstruktur möglich sind, genügt es, daß der Abstand h&sub0; der Ungleichung (34) genügt. Zum Beispiel wird, wenn = 0,67 um, Δx = 0,7 und d = 0,06 um gelten, der Abstand h&sub0; die folgenden Werte aufweisen, um der Ungleichung (33) und der Ungleichung (34) zu genügen:
h&sub0; ≤ 0,35 um ...(35)
h&sub0; ≤ 0,24 um ...(36)
Theoretisch ist die untere Grenze des Abstandes h&sub0; 0. In der Praxis jedoch kann der Abstand h&sub0; nicht 0 sein. Wenn h&sub0; nahezu gleich 0 ist, kann der Strom in den Teilen außerhalb des stegformigen Teils nicht ausreichend blockiert werden. Folglich fließt ein Verluststrom, wobei die Strom-Spannung-Charakteristik des Halbleiterlasers verschlechtert bzw. beeinträchtigt wird.
Gemäß den Ergebnissen der Experimente, die durch die Erfinder durchgeführt wurden, floß ein Verluststrom, wenn der Abstand h&sub0; weniger als 0,1 um betrug. Daher sollte der Abstand h&sub0; 0,1 um oder mehr betragen, um solch einen Verluststrom zu verhindern.
Nun wird die Beziehung zwischen der Streifenbreite W und der Transversalmode diskutiert werden. Wie beschrieben worden ist, hängt der Grad einer Lichtbegrenzung sehr von ΔN ab, das durch h&sub0;, d und Δx bestimmt ist. Die Ungleichungen (33) und (34) ergeben die unteren Grenzen von ΔN. Wenn ΔN zu groß ist, ist es wahrscheinlich, daß der Laser eine Oszillation einer Mode höherer Ordnung ausführt, die von der Streifenbreite W abhängt. Weil der in Figur 10 dargestellte Laser vom Verlustleiter- bzw. -führungstyp ist, führt er keine Oszillation einer Mode höherer Ordnung aus, sogar falls eine Lösung für die Mode höherer Ordnung existiert, solange der Laser mit einem Strom versorgt wird, der nahezu gleich dem Schwellenwert ist. Dies verhält sich so, weil die Verstärkung der Hauptmoden-Oszillation größer als die einer Mode höherer Ordnung bei dem Strom ist, der dem Schwellenwert gleich ist. Wenn der dem Laser zugeführte Strom über den Schwellenwert zunimmt, gleichen sich die Verstärkung der Oszillation einer Mode höherer Ordnung und deren Verlust aus. Falls dies der Fall ist, führt der Laser die Oszillation einer Mode höherer Ordnung aus. Je kleiner die Differenz zwischen dem Verlust der Oszillation einer Mode höherer Ordnung und dem der Hauptmoden-Oszillation ist, die beide bei dem Schwellenstrom ausgeführt werden, desto wahrscheinlicher führt der Laser eine Oszillation einer Mode höherer Ordnung in einem Bereich niedriger Leistung aus. Figur 19 zeigt die abgeschätzte Beziehung, welche h&sub0; und W in dem Laser (Figur 10) bei verschiedenen Werten für die Differenz Δα zwischen dem Verlust der ersten Modenoszillation und dem der Hauptmoden-Oszillation aufweisen. Sowohl h&sub0; als auch W sind an den logarithmischen Skalen aufgetragen, und die Linien, welche die h&sub0;-W-Beziehungen bei verschiedenen Werten für Δα zeigen, weisen eine Neigung von annähernd 1/3 auf. Soinit weisen, solange Δα ungeändert bleibt, h&sub0; und W die folgende Beziehung auf:
W α h1/3&sub0; ...(37)
Diese Differenz Δα kann im wesentlichen durch die Differenz ΔN der effektiven Brechungsindizes und der Streilenbreite W des Stegteils 19 bestimint werden. Daher wird davon ausgegangen, daß die Differenz Δα von den anderen Parametern, d.h. der Dicke d und der Differenz Δx von Aluminiumverhältnissen, gerade in der gleichen Weise abhängt, wie es für die Differenz ΔN gilt. Ans der Beziehung (32) kann ΔN als eine Funktion von [(h&sub0;/λ)(Δxd/λ)1/2] dargestellt werden. Daher sollten, wenn die Beziehung (37) in Betracht gezogen wird, W, h&sub0;, d und Δx die folgende Beziehung aufweisen, um Δα konstant wiederzugeben bzw. zu machen:
W/λ α [(h&sub0;/λ)(Δxd/λ)1/2]1/3 ...(38)
Hier möge die Differenz Δα, welche erforderlich ist, um eine stabile Hauptmoden- Oszillation zu erreichen, bei 20 cm&supmin;¹ eingestellt sein. Dieser Wert ist der Hälfte des Hohlraumverlustes (1/L) ln(1/R) äquivalent, der aus der Reflexion des Strahls bei den Laserseiten bzw. -kristallflächen resultiert. Falls die Differenz diesen Wert aufweist, kann, wenn der Strom, der dem Laser zugeführt wird das 1,5-fache des Schwellenwertes Ith ist, die Oszillation einer Mode höherer Ordnung unterdrückt werden.
Aus der Beziehung (38) können wir wie folgt den Bereich bestimmen, in den die Streifenbreite W fallen sollte, um die Differenz Δα gleich 20 cm&supmin;¹ oder größer wiederzugeben.
W/λ ≤ 20 [(h&sub0;/λ)(Δxd/λ)1/2]1/3 ...(39)
Zum Beispiel wird, wenn λ = 0,67 um, Δx = 0,7, d = 0,06 um und h&sub0; = 0,2 um gelten, die Breite W den folgenden Wert besitzen, um der Beziehung (39) zu genügen:
W/λ ≤ 5,6 um ...(40)
Figur 20 stellt dar, wie der Hauptmodenverlust α&sub0; von W und h&sub0; abhängt, wenn d = 0,06 um und Δx = 0,7 gelten. Wie aus Figur 20 offensichtlich ist, ist, es sei denn, die Breite W genügt der Beziehung (39) und ist somit nicht zu klein, der Verlust der Hauptmoden-Oszillation viel geringer als der Hohlraumverlust, und eine Zunahme des Schwellenstroms liefert kein Problem. Wenn der Modenverlust, der den Schwellenstrom beeinflussen würde, auf 20 cm&supmin;¹, annähernd die Hälfte des Reflexionsverlustes bei den Laserseiten bzw. -kristallflächen, eingestellt ist, ist der Bereich, in den W fallen sollte, um α&sub0; < 20 cm&supmin;¹ zu genügen, wie folgt gegeben:
W/λ ≤ 13 [(h&sub0;/λ)(Δxd/λ)1/2]1/3 ...(41)
Wenn λ = 0,67 um, Δx = 0,7, d = 0,6 um und h&sub0; = 0,2 um gelten, wird die Breite W den folgenden Wert besitzen, um der Beziehung (41) zu genügen:
W/λ ≥ 3,7 um ...(42)
Die obige Diskussion beruht auf den Ergebnissen der Simulation, die an einem Modell ausgeführt wurde, das in der Struktur dem Laser von Figur 10 identisch ist, worin die Dicke H&sub1; der Überzugsschicht vom n-Typ und die Dicke H&sub2; der Überzugsschicht vom p-Typ unbegrenzt groß sind.
Thermische Charakteristiken sind für einen Halbleiterlaser ebenfalls wichtig. Von den thermischen Charakteristiken ist der Wärmewiderstand des Lasers, der von der Dicke der Überzugsschichten abhängt besonders wichtig, wie oben unter Bezugnahme auf Figur 1 beschrieben ist. Der optimale Bereich einer Dicke H ist durch Gleichung (24) in Anbetracht des thermischen Widerstandes gegeben.
Die Ungleichung (24) kann mit Bezug auf die Gleichung (4) wie folgt modifiziert werden:
0,25 (Δxd/λ)-1/2 ≤ H/λ ≤ 0,38 (Δxd/λ)-1/2 ...(43)
Figur 6 zeigt die Bereiche, in die d und H fallen, wenn die Überzugsschicht 11 vom n-Typ und die Überzugsschicht 13 vom p-Typ das gleiche Aluminiumverhältnis besitzen, d.h. wenn Δx&sub1; = Δx&sub2; = Δx gilt. Wenn die Überzugsschichten 11 und 13 verschiedene Aluminiumverhältnisse x und z besitzen, gelten Δx&sub1; = x-y, Δx&sub2; = z-y. In diesem Fall genügt es, die Dicke H&sub1; der Schicht 11 und die Dicke H&sub2; der Schicht 13 innerhalb der folgenden Bereiche einzustellen:
0,25 (Δx&sub1;d/λ)-1/2 ≤ H&sub1;/λ ≤ 0,38 (Δx&sub1;d/λ)-1/2 ...(44)
0,25 (Δx&sub2;d/λ)-1/2 ≤ H&sub2;/λ ≤ 0,38 (Δx&sub2;d/λ)-1/2 ...(45)
Zum Beispiel sollte, wenn λ = 0,67 um, Δx&sub1; = Δx&sub2; = 0,7 und d = 0,06 um gelten, die Dicken H&sub1; und H&sub2; die folgenden Werte aufweisen:
0,67 um ≤ H&sub1;, H&sub2; ≤ 1,0 um ...(46)
Figur 21 veranschaulicht eine Modifikation des in Figur 10 dargestellten Halbleiterlasers. Wie aus Figur 21 verstanden werden kann, ist die Modifikation in der Struktur mit Ausnahme der Querschnittsform des Stegteils 24 dem Laser von Figur 10 identisch. Der Stegteil besitzt eine unterschiedliche Form, weil die Richtung, in die sich der Streifen erstreckt, verschieden ist. Genauer erstreckt sich der Streifen in einer (011)- Richtung, wohingegen der Streifen des Lasers von Figur 10 sich in (011) erstreckt. Die Breite des Bodens bzw. unteren Teils des Stegs 24 ist in der Modifikation ebenfalls als die Streifenbreite 147 definiert. Dies gilt, weil der effektive Brechungsindex bezüglich der vertikalen Richtung sich gemäß dem Abstand h&sub0; zwischen der aktiven Schicht 22 und der lichtabschirmenden GaAs-Schicht 25 sehr ändert. Je weiter die GaAs-Schicht 25 von der aktiven Schicht 22 entfernt angeordnet ist, desto näher ist der effektive Brechungsindex dem Wert im Mittelteil des Stegteils 24. Daher kann irgendein Teil der Deckschicht 23, der dicker als der Abstand-h&sub0; ist, als ein Stegteil betrachtet werden. Die an dem in Figur 10 dargestellten Laser vorgenommene Diskussion kann daher auf die in Figur 21 veranschaulichte Modifikation angewandt werden.
Die Querschnittsform des Stegs ist nicht auf diejenige begrenzt, welche in den Figuren 10 und 23 dargestellt ist. Der Stegteil der Deckschicht vom p-Typ kann eine unterschiedliche Querschnittsfläche aufweisen.
Figur 22 veranschaulicht eine andere Modifikation des in Figur 10 dargestellten Halbleiterlasers. Diese Modifikation unterscheidet sich von dem Laser (Figur 10) nur insofern, als die Überzugsschicht vom p-Typ aus drei Schichten besteht. Genauer ist die Überzugsschicht vom p-Typ aus einer zweiten Schicht 33 gebildet, welche aus In0,5(Ga1-xAlz)0,5 vom p-Typ hergestellt ist, einer dritten Schicht 34, die aus In0,5(Ga1-uAlu)0,5 vom p-Typ hergestellt ist und der vierten Schicht 35, welche aus In0,5(Ga1-sAls)0,5 hergestellt ist. Das Aluminiumverhältnis u der dritten Schicht 34 ist geringer als diejenigen z und s der zweiten und vierten Schicht 33 und 34, d.h. es gilt 0 ≤ u ≤ z,s. Die dritte Schicht 34 wird als eine Ätz-Stoppschicht während des chemischen Ätzens zur Bildung des Stegteils verwendet. Weil u < s gilt, ist die Ätzgeschwindigkeit von In0,5(Ga1-uAlu)0,5 relativ niedrig, und das Ätzen der In0,5(Ga1-uAlu)0,5-Schicht wird bei dem Abstand h&sub0; von der aktiven Schicht 32 gestoppt.
Weil die dritte Schicht 34 ein Aluminiumverhältnis u, welches geringer als diejenigen z und s der zweiten und vierten Schichten 33 und 35 ist, besitzt, ist ihre Dicke t wichtig. Wegen der Differenz im Aluminiumverhältnis besitzt die dritte Schicht 34 einen Brechungsindex, welcher von denjenigen der zweiten und vierten Schichten 33 und 35 verschieden ist. Ferner wird sie, wenn das Aluminiumverhältnis u der dritten Schicht 34 geringer als das der aktiven Schicht 32 ist, als eine lichtabsorbierende Schicht wirken. Daher wird sie, wenn die dritte Schicht 34 zu dick ist, die Transversalmoden- Oszillation und den Schwellenstrom des Lasers nachteilig beeinflussen. Wenn die dritte Schicht 34 zu dünn ist, kann sie nicht länger als eine Ätz-Stoppschicht fungieren. Daher muß die dritte Schicht 34 dick genug sein, um als eine Ätz-Stoppschicht zu wirken und ebenso dünn genug sein, um die Transversalmoden-Oszillation oder den Schwellenstrom des Lasers nicht nachteilig zu beeinflussen. Die Ergebnisse der Experimente, die durch die Erfinder hiervon durchgeführt worden sind, zeigen, daß, wenn die Dicke t der dritten Schicht 34 40 Å oder weniger betrug, es in einigen Fällen unmöglich war, den Abstand h&sub0; wegen der Unterschiede in der Oberflächenbedingung zwischen den Wafern korrekt zu regeln. Auf der anderen Seite konnte wenn die Dicke t 45 Å oder mehr betrug, der Abstand h&sub0; korrekt geregelt werden. Daher wird gemäß dieser Erfindung die untere Grenze der Dicke t bei 45 Å eingestellt. Um die obere Grenze der Dicke t zu bestimmen, sollte untersucht werden, wie die Dicke t den Schwellenstrom, den Energieverlust in der Hauptmoden-Oszillation und die Differenz im Energieverlust zwischen der Hauptmoden-Oszillation und der Oszillation einer Mode erster Ordnung beeinflußt.
Figur 23 ist ein Diagramm, das auf Simulationsergebnissen beruhend angefertigt wurde und zeigt, wie der Energieverlust α in der Hauptmoden-Oszillation und die Differenz Δα im Energieverlust zwischen der Hauptmoden-Oszillation und der Oszillation einer Mode erster Ordnung von der Dicke t der dritten Schicht 34 abhängen, wenn λ = 0,67 um, Δx = 0,7, d = 0,06 um und h&sub0; = 0,2 um und W = 5 um gelten. Figur 24 ist ebenfalls ein Diagramm, das auf Simulationsergebnissen beruhend angefertigt wurde und darstellt, wie der Schwellenstrom Ith von der Dicke t abhängt, wenn λ = 0,67 um, Δx = 0,7, d = 0,06 um und h&sub0; = 0,2 um und W = 5 um gelten. Wie aus den Figuren 25 und 26 offensichtlich ist, nimmt, wenn die Dicke 1 mehr als 200 Å beträgt die Differenz α auf 20 cm&supmin;¹ oder weniger ab, und sowohl der Verlust als auch der Schwellenstrom Ith nehmen zu. Daher wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Dicke t der dritten Schicht 34 eingestellt, um in den folgenden Bereich zu fallen:
45 Å ≤ t ≤ 200 Å ...(47)
Solange ihre Dicke t in diesen Bereich fällt, beeinflußt die Schicht 34 die Wellenleiter- Modenoszillation kaum und kann als eine effektive Ätz-Stoppschicht wirken.
Noch eine andere Modifikation des in Figur 10 dargestellten Halbleiterlasers wird unter Bezugnahme auf Figur 25 beschrieben werden. Wie in Figur 25 veranschaulicht ist, enthält diese Modifikation ein GaAs-Substrat 50 vom n-Typ, eine erste Überzugsschicht 51, die auf dem Substrat 50 gebildet und aus In0,5(Ga0,3Al0,7)0,5P hergestellt ist, eine aktive Schicht 52, welche auf der ersten Überzugsschicht 51 gebildet und aus nicht dotiertem InGaP hergestellt ist, eine zweite Überzugsschicht 53, welche auf der aktiven Schicht 52 gebildet und aus In0,5(Ga0,3Al0,7)0,5P vom p-Typ hergestellt ist, eine InGaP-Deckschicht 54 vom p-Typ, die auf der zweiten Überzugsschicht 53 gebildet ist, eine lichtbegrenzende Schicht 55 vom p-Typ, welche auf der Deckschicht 54 gebildet ist, eine Elektrode 56 vom n-Typ, die auf der Schicht 55 ausgebildet ist, und eine Elektrode 57 vom p-Typ, welche auf der unteren Oberfläche des Substrats 50 ausgebildet ist. Die lichtbegrenzende Schicht 55 vom p-Typ wirkt als eine strombeschränkende Schicht und eine Kontaktschicht. Es fließt nämlich kein Strom durch diesen Teil der Schicht 55 der den flachen Teil der zweiten Überzugsschicht 53 berührt, wegen der Potentialbarriere, welche durch die Diskontinuität des Valenzbandes definiert ist, das zwischen der Schicht 53 vom p-Typ und der Schicht 55 vom p-Typ existiert. Im Gegensatz dazu fließt ein Strom durch den Teil der Schicht 55, der den Stegteil der Schicht 53 berührt, wegen der Deckschicht 54, welche zwischen die Schicht 53 vom p-Typ und die Schicht 55 vom p-Typ gelegt ist und welche eine dazwischenliegende Bandlücke aufweist. (Siehe Konf., Applied Physics, Herbst 1984, 19a-ZR 6). Die in Figur 27 dargestellte Modifikation ist leichter herzustellen als der in Figur 10 veranschaulichte Laser und die in den Figuren 23 beziehungsweise 24 dargestellten Modifikationen davon, weil es genügt, ein Neuzüchten von Kristallen nur einmal durchzuführen, nachdem der Stegteil der zweiten Überzugsschicht 53 gebildet worden ist, wie in U.S. Seriennummer 83,189 ausführlich dargestellt ist, die am 8. Oktober 1987 eingereicht wurde und dem gleichen Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen wurde.
Die vorliegende Erfindung kann auf irgendeinen Halbleiterlaser angewandt werden, unabhängig davon, ob die lichtabschirmende Schicht vom n-Typ oder p-Typ ist. Daher kann die obige Diskussion bezüglich der Dicke d, des Abstandes h&sub0;, der Streifenbreite W, der Dicke H&sub1; und der Dicke H&sub2; ebenfalls auf den in Figur 25 dargestellten Laser angewandt werden. Der Stegteil der zweiten Überzugsschicht 53 kann wie eine umgekehrte Mesastruktur bzw. Tafel, wie in Figur 21 veranschaulicht ist, geformt werden. Ferner kann die zweite Überzugsschicht 53 eine zweite Schicht einschließen, die als eine Ätz-Stoppschicht wirkt, gerade wie in der Modifkation von Figur 22.
Wie erklärt worden ist, kann der InGaAlP-Halbleiterlaser der vorliegenden Erfindung, worin die Transversalmoden-Oszillation geregelt werden kann, eine Transversalmoden-Oszillation bei einem kleinen Schwellenstrom nur ausführen, falls das Aluminiumverhältnis der Überzugsschicht und die Dicke d der aktiven Schicht in die Bereiche fallen, die durch die Ungleichungen (30) beziehungsweise (31) definiert sind. Ferner wird, weil der Abstand h&sub0; zwischen der aktiven-Schicht und dem Teil der lichtabschirmenden Schicht, der den flachen Teil der zweiten Überzugsschicht berührt, in den Bereich fällt, der durch die Ungleichung (33) definiert ist, bevorzugter in den Bereich, der durch die Ungleichung (34) spezifiziert ist, der Astigmatismus reduziert. Ferner kann weil die Streifenbreite 147 in den durch die Ungleichung (39) definierten Bereich fällt der Laser gemäß der Erfindung eine stabile Transversalmoden-Oszillation durchführen bzw. ausführen. Außerdem besitzt der Halbleiterlaser, weil die Dicken H&sub1; und H&sub2; der Überzugsschichten den Ungleichungen (45) und (46) genügen, gute thermische Charakteristiken. Ferner beeinflußt in dem Fall des in Figur 22 veranschaulichten Lasers die Überzugsschicht vom p-Typ, welche eine Dicke besitzt, die in den durch die Ungleichung (48) spezifizierten Bereich fällt und welche als eine Atz-Stoppschicht fungiert, den Modenverlust oder den Schwellenstrom nicht und dient dazu, die Größe des Lasers zu regeln.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen begrenzt. Zum Beispiel können die Ungleichungen (30) und (31) auf Halbleiterlaser angewandt werden, in denen die lichtabschirmende Schicht aus einem anderen Material als GaAs hergestellt ist. Ferner können in dem in Figur 10, 21 oder 22 dargestellten Halbleiterlaser die Leitfähigkeitstypen der Komponentenschichten vertauscht werden.
Wie ausführlich beschrieben worden ist, kann die vorliegende Erfindung einen transversalmoden-regelbaren InGaAlP-Halbleiterlaser schaffen, welcher eine Haupt- Transversalmoden-Oszillation bei einem kleinen Schwellenstrom bewirken kann.
Es gibt die Möglichkeit, daß die stromblockierende Schicht des Halbleiterlasers, der in Figur 10, 21 oder 23 dargestellt ist, nicht zweckmäßig funktioniert, was einem elektrischen Strom erlaubt, durch sie zu fließen. Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche eine stromblockierende Schicht besitzt, die einen elektrischen Strom zweckmäßig blockiert, wird nun unter Bezugnahme auf Figur 26 bis Figur 31 beschrieben werden.
Der in Figur 26 dargestellte Halbleiterlaser enthält ein GaAs-Substrat 111 vom n-Typ, eine GaAs-Pufferschicht 112 vom n-Typ, die auf dem Substrat 111 gebildet ist, eine Überzugsschicht 114, welche auf der Pufferschicht 112 gebildet und aus In0,5(Ga0,5Al0,7)0,5P, das mit Si in einer Konzentration von 3 bis 5 × 10¹&sup7; cm&supmin;³ dotiert ist, hergestellt ist, eine aktive Schicht 115, die auf der Überzugsschicht 113 die aus nicht dotiertem In0,5Ga0,5P hergestellt ist, gebildet ist, und eine Doppel- Heteroübergangsstruktur, welche auf der aktiven Schicht 114 ausgebildet ist. Die Doppel-Heteroübergangsstruktur besteht aus drei Überzugsschichten 116, 117 und 118. Die Schicht 116 ist aus In0,5(Ga0,5Al0,7)0,5P hergestellt, das mit Zn in einer Konzentration von 1 bis 5 × 10¹&sup7; cm&supmin;³ dotiert ist. Die Schicht 117 ist aus einem Material mit einem niedrigen Aluminiumverhältnis hergestellt oder In0,5Ga0,5P, das mit Zn in einer Konzentration von 1 bis 5 × 10¹&sup7; cm&supmin;³ dotiert ist. Die Überzugsschicht 118 ist wie ein Streifen geformt und aus In0,5(Ga0,3Al0,7)0,5P hergestellt, das mit Zn in einer Konzentration 1 bis 5 × 10¹&sup7; cm&supmin;³ dotiert ist. Die Schicht 117 wirkt als eine Ätz-Stoppschicht beim Bilden des Stegteils der Doppel-Heteroübergangsstruktur. Eine Deckschicht 119, welche aus In0,5Ga0,5P vom p-Typ hergestellt ist, ist auf der Überzugsschicht 118 ausgebildet. Die Schichten 116, 117 und 118 und die Deckschicht 119 besitzen solch ein In-Verhältnis, Ga-Verhältnis und Al-Verhältnis, daß die Schichten 116, 117 und 118 eine Gitterkonstante aufweisen, die der des Substrats 111 identisch ist, und daß die Schichten 114 und 115 Bandlückenenergien besitzen, welche größer als die der aktiven Schicht 115 sind. Eine stromblockierende Schicht 121 mit einer Dicke von 1,5 um wird an den Seiten der Doppel-Heteroübergangsstruktur und ebenfalls an den Seiten der Kontaktschicht 119 gebildet. Diese Schicht 121 ist aus GaAs, das mit Si in einer Konzentration von 3 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ dotiert ist, hergestellt. Eine aus GaAs vom p-Typ hergestellte Kontaktschicht 122 ist auf der Kontaktschicht 119 und der stromblockierenden Schicht 121 ausgebildet. Eine Metallelektrode 123 ist auf der Kontaktschicht 122 abgelagert, und eine Metallelektrode 124 ist auf der unteren Oberfläche des GaAs- Substrats 111 abgelagert.
In dem in Figur 26 veranschaulichten Laser wird ein elektrischer Strom in der Deckschicht 119 und ebenfalls in der stromblockierenden Schicht 121 blockiert. Als eine Folge werden Lichtwellen durch das Streifengebiet der Tafel-Überzugsschicht 118 geleitet bzw. geführt. Die Pufferschicht 112 wird verwendet, uin die Qualität der InGaAlP-Kristalle der InGaAlP-Schichten zu verbessern. Die Deckschicht 119 wird verwendet, um den elektrischen Widerstand zwischen der Überzugsschicht 118 und der Kontaktschicht 122 zu reduzieren. Die Deckschicht 119 besitzt eine Bandlücke, die größer als die der Kontaktschicht 122 und geringer als die der Überzugsschicht 118 ist.
Figur 27 zeigt den stromblockierenden Abschnitt des in Figur 26 veranschaulichten Lasers. Wie aus Figur 27 verstanden werden kann und wie experimentell nachgewiesen worden ist, hängt die Rückwärtsspannung des stromblockierenden Abschnitts sehr von der Trägerkonzentration der stromblockierenden Schicht 121 ab. Figur 28 stellt die Beziehung zwischen der Trägerkonzentration und der Rückwärtsspannung dar. Die "Rückwärtsspannung" ist die Spannung, welche an den stromblockierenden Abschnitt derart angelegt wird, daß die p-Typ-Seite und die n-Typ-Seite positiv beziehungsweise negativ geladen sind, um dadurch zu veranlassen, daß ein Strom von 1 mA durch den stromblockierenden Abschnitt fließt.
Gemäß den Ergebnissen der durch die Erfinder durchgeführten Experimente wurde der stromblockierende Ahschnitt leicht eingeschaltet, wenn die Trägerkonzentration der Schicht 119 1 × 1018 cm&supmin;³ oder weniger beträgt. Daher war die angelegte Spannung, nachdem der Abschnitt eingeschaltet worden war, die Haltespannung. Wie aus Figur 29 offensichtlich ist, betrug die Rückwärtsspannung höchstens 2 V, wenn die Trägerkonzentration 1 × 1018 cm&supmin;³ oder weniger betrug. Figur 31 zeigt sowohl die Strom-Leistung-Charakteristik als auch die Strom-Spannung-Charakteristik des in Figur 26 dargestellten Halbleiterlasers. Wie in Figur 29 dargestellt wird, ist es, weil der Laser seine Funktion nicht erfüllen konnte, wenn die Rückwärtsspannung 2 V oder weniger betrug, erforderlich, daß die Trägerkonzentration der stromblockierenden Schicht mehr als 1 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ beträgt. Der stromblockierende Abschnitt muß eine Rückwärtsspannung von 3 V oder mehr aufweisen, um zu ermöglichen, daß der Laser eine stabile optische Leistung erzeugt, die von 5 bis 10 mW reicht, wie aus Figur 29 offensichtlich ist. Wie aus Figur 28 klar ist, betrug die Rückwärtsspannung 3 V oder mehr, wenn die stromblockierende Schicht eine Trägerkonzentration von 1,5 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ oder mehr aufwies. Wie ebenfalls aus Figur 29 offensichtlich ist, muß der stromblockierende Abschnitt eine Rückwärtsspannung von 4 V oder mehr aufweisen, um zu ermöglichen, daß der Laser eine optische Leistung von über 20 mW erzeugt. Gemäß Figur 28 stieg die Rückwärtsspannung auf über 4 V, wenn die Trägerkonzentration 2,5 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ beträgt. Wenn die Trägerkonzentration 5 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ oder mehr betrug, konnte der stromblockierende Abschnitt kaum bzw. fast nie leicht eingeschaltet werden, und die Rückwärtsspannung stieg auf 10 V oder mehr an.
Wenn die stromblockierende Schicht 121 aus GaAs, das mit Si oder Se dotiert ist, hergestellt wurde, wurde die Trägerkonzentration leicht auf 1,5 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ bis 8 × 10¹&sup9; cm&supmin;³ erhöht. Jedoch diffundierte, wenn die Trägerkonzentration 5 × 10¹&sup9; cm&supmin;³ oder mehr betrug, der Dotierstoff, d.h. Si oder Se, voll der stromblockierenden Schicht 119 in die Überzugsschicht 115 oder 116, wobei die Haltespannung drastisch reduziert wurde. Wenn der Dotierstoff Se war, diffundierte er in einigen Fällen sogar bei der Trägerkonzentration von 1 × 10¹&sup9; cm&supmin;³. Wenn der Dotierstoff Si war, diffundierte er nicht, solange die Trägerkonzentration niedriger als 5 × 10¹&sup9; cm&supmin;³ blieb, wodurch der stromblockierende Abschnitt eine gute Haltespannung-Charakteristik zeigte.
Wie diskutiert worden ist, hängt die Rückwärtsspannung-Charakteristik des stromblockierenden Abschnitts sehr von der Trägerkonzentration der stromblockierenden Schicht 119 ab, und die Trägerkonzentration muß 1,5 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ oder mehr betragen. Ferner trat, wenn die Trägerkonzentration 5 × 10¹&sup9; cm&supmin;³ oder mehr betrug, das oben erwähnte Problem auf. Im Hinblick darauf sollte die Trägerkonzentration besser weniger als 5 × 10¹&sup9; cm&supmin;³ betragen.
Außerdem zeigen die Ergebnisse der Experimente ebenfalls, daß, wenn die stromblockierende Schicht 119 eine Trägerkonzentration aufwies, die von 2,5 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ oder mehr, aber bis unterhalb von 1 × 10¹&sup9; cm&supmin;³ reicht, der stromblockierende Abschnitt eine Rückwärtsspannung-Charakteristik besaß, welche gut genug war, um zu ermöglichen, daß der Laser eine optische Leistung von 10 mW oder mehr erzeugte und der Dotierstoff voll der Schicht 119 nicht in irgendeine Überzugsschicht diffundierte. Wenn die stromblockierende Schicht 119 vom n-Typ war, waren die Minoritätsträger der Schicht 119 Löcher, und die Diffusionslänge betrug nur 1 um oder weniger. In diesem Fall wies der stromblockierende Abschnitt auch eine ausreichend hohe Haltespannung auf, sogar wenn die Schicht 119 Licht absorbierte, vorausgesetzt, daß die Trägerkonzentration in den Bereich, der oben spezifiziert ist, fiel.
Wenn die Streifenbreite W 5 um betrug, die Hohlraumlänge 300 um betrug, führte der Laser, dessen stromblockierende Schicht eine Trägerkonzentration von 3 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ aufwies, eine einzelne Transversalmoden-Oszillation bei dem Schwellenstrom von 35 mA aus, wobei eine optische Leistung von 20 mW geliefert wurde. Dieser Laser wurde für 1000 Stunden oder mehr stabil bei 50º C und einer Leistungs- bzw. Energieversorgung von 3 mW in Betrieb gehalten.
Wie ausführlich erklärt worden ist, kann die vorliegende Erfindung einen Halbleiterlaser mit ausgezeichneten Charakteristiken liefern. In der in Figur 26 dargestellten Ausführungslorm ist der erste Leitfähigkeitstyp ein n-Typ, und der zweite Leitfähigkeitstyp ist ein p-Typ. Nichtsdestoweniger können die Leitfähigkeitstypen der Komponentenschichten vertauscht bzw. umgekehrt werden. Ferner kann auf die Ätz- Stoppschicht (d.h. die Schicht 116), die zwischen die stromblockierende Schicht 119 und die Überzugsschicht 115 vom p-Typ gelegt ist, verzichtet werden.
Der in Figur 26 dargestellte Halbleiterlaser kann bei einem kleinen Schwellenstrom zuverlässig arbeiten, weil er einen Abschnitt besitzt, welcher ohne weiteres einen elektrischen Strom blockiert.
Noch eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche ebenfalls einen stromblockierenden Abschnitt besitzt, wird nun unter Bezugnahme auf Figur 30 und die Figuren 31A bis 31F beschrieben werden.
Wie in Figur 30, worin die gleiche Ziffer den gleichen Teil oder Abschnitt wie in Figur 26 bezeichnet, dargestellt ist, enthält dieser Halbleiterlaser ein GaAs-Substrat 111 vom n-Typ, eine GaAs-Pufferschicht 112 von n-Typ, welche auf dem Substrat 111 gebildet ist, eine InGaP-Pufferschicht 113 von n-Typ, welche auf der Schicht 112 gebildet ist, eine InGaAlP-Überzugsschicht 114 von n-Typ, welche auf der Schicht 113 gebildet ist, eine aktive InGaP-Schicht 115, welche auf der Schicht 114 gebildet ist, und eine Doppel-Heteroübergangsstruktur, die auf der aktiven Schicht 115 gebildet ist. Die Doppel-Heteroübergangsstruktur besteht aus drei Überzugsschichten 116, 117 und 118 vom p-Typ - die alle aus InGaAlP vom p-Typ hergestellt sind. Die Überzugsschicht 117 kann entweder aus InGaP oder einem Material mit einem kleinen Aluminiumverhältnis hergestellt werden. Die Überzugsschicht 118 ist wie ein Streifen geformt. Der Laser enthält ferner eine InGaAlP-Deckschicht 119 vom p-Typ und eine GaAs-Kontaktschicht 120 vom p-Typ, die beide auf der Überzugsschicht 118 gebildet sind. Eine stromblockierende Schicht 121, die aus mit Si dotiertem GaAs vom n-Typ hergestellt ist, ist auf beiden Seiten der Doppel-Heteroübergangsstruktur und ebenfalls auf den Seiten der Kontaktschicht 120 gebildet. Eine GaAs-Kontaktschicht 122 vom p- Typ ist auf sowohl der Kontaktschicht 120 als auch der stromblockierenden Schicht 121 ausgebildet. Eine Metallelektrode 123 ist auf der Kontaktschicht 122 abgelagert, und eine Metallelektrode 124 ist auf der unteren Oberfläche des Substrats 111 abgelagert. In dieser Struktur sind die Stromblockierungsoperation und die Lichtführungs- bzw. -leiteroperation die gleichen wie die der Figuren 10, 22 und 26. Die Pufferschicht 113 wird verwendet, um die Qualität der InGaAlP-Kristalle der InGaAlP-Schichten zu verbessern. Die Deckschicht 119 wird verwendet, um den elektrischen Widerstand zwischen der Überzugsschicht 118 und der Kontaktschicht 120 in einer gleichen Weise wie in Figur 26 dargestellt zu reduzieren. Die Deckschicht 119 weist eine größere Bandlücke als die Kontaktschicht 120 und eine kleinere als die der Überzugsschicht 118 auf. Die Bandlücke der Deckschicht 119 kann graduell bzw. allmählich von der Überzugsschicht 118 auf die Kontaktschicht 120 zu geändert werden.
Es wird nun unter Bezugnahme aufdie Figuren 31A bis 31F erklärt werden, wie der in Figur 30 dargestellte Halbleiterlaser hergestellt wird.
Zuerst wird, wie in Figur 31A dargestellt ist, die erste Pufferschicht 112, die eine Dicke von 0,5 um besitzt und aus GaAs vom n-Typ, das mit Si oder Se in einer Konzentration von 1 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ dotiert ist, hergestellt ist, auf dem GaAs-Substrat 111 vom n-Typ durch das MOCVD-Verfahren unter einem Druck von 1 Atmosphäre oder weniger gebildet, indem ein organisches Gruppe-III-Metall auf Methylbasis, wie zum Beispiel Trimethylindium, Trimethylgallium oder Trimethylaluminium, und ein Hybnd eines Gruppe-V-Elements, wie zum Beispiel Arsin oder Phosphin, verwendet werden. Das Substrat 111 ist mit Si in einer Konzentration von 3 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ dotiert. Danach wird die zweite Pufferschicht 113, die eine Dicke von 0,5 um besitzt und aus InGaP vom n-Typ, das mit Se in einer Konzentration von 3 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ dotiert ist, hergestellt ist, auf der ersten Pufferschicht 112 gebildet. Ferner wird die erste Überzugsschicht 114, die eine Dicke von 0,8 um besitzt und aus In0,5Ga0,15Al0,35P von n-Typ, das mit Si oder Se in einer Konzentration von 1 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ dotiert ist, hergestellt ist, auf der zweiten Pufferschicht 113 gebildet. Danach wird die aktive Schicht 115, die eine Dicke von 0,06 um aufweist und aus nicht dotiertem In0,5Ga0,6P hergestellt ist, auf der Schicht 114 gebildet. Die zweite Überzugsschicht 116, die eine Dicke von 0,2 um besitzt und aus In0,5Ga0,15Al0,35P vom p-Typ, das mit Zn oder Mg in einer Konzentration 2 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ dotiert ist, hergestellt ist, auf der aktiven Schicht 115 gebildet. Ferner wird die dritte Überzugsschicht 117, die als eine Ätz- Stoppschicht fungiert, eine Dicke von 50 Å besitzt und aus InGaP vom p-Typ, das mit Zn oder Mg in einer Konzentration von 2 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ dotiert ist, hergestellt ist, auf der zweiten Überzugsschicht 116 gebildet. Die vierte Überzugsschicht 118, die eine Dicke von 0,6 um besitzt und aus In0,5Ga0,19Al0,35P von p-Typ, das mit Zn oder Mg als der dazwischenliegenden Bandlücke in einer Konzentration von 2 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ dotiert ist, hergestellt ist, wird auf der dritten Überzugsschicht 117 gebildet. Die Deckschicht 119, welche eine Dicke von 0,05 um besitzt und aus InGaP vom p-Typ, das mit Zn oder Mg in einer Konzentration von 2 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ dotiert ist, hergestellt ist, wird auf der vierten Überzugsschicht 118 gebildet. Die Kontaktschicht 120, die eine Dicke von 0,5 um besitzt und aus GaAs vom p-Typ, das mit Zn oder Mg in einer Konzentration von 2 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ dotiert ist, hergestellt ist, wird auf der Deckschicht 119 gebildet. Damit ist eine Doppel-Heteroübergangsstruktur ausgebildet bzw. geformt. Danach wird die streifenformige SiO&sub2;-Schicht 126, die eine Dicke von 0,1 um und eine Breite von 5 um besitzt, auf der Kontaktschicht 120 mittels thermischer Zerlegung des Silangases und Photoätzen gebildet.
Danach wurde wie in Figur 31B dargestellt ist, unter Verwendung des SiO&sub2; als eine Maske die Kontaktschicht 120 selektiv mit einem GaAs-selektiven Ätzmittel geätzt, wodurch die Deckschicht 119 freigelegt wird, wobei dadurch die streifenförmige GaAs- Tafel 127 mit einer Breite 3 um gebildet wird.
Anschließend wird, wie in Figur 31C veranschaulicht wird, unter Verwendung der streifenförmigen GaAs-Schicht 127 als eine Maske die erste Deckschicht 119 geätzt, und die vierte Überzugsschicht 118 wird mit einem InGaAlP-selektiven Ätzmittel geätzt, wobei dadurch die dritte Überzugsschicht 117 freigelegt wird und somit eine streifenförmige Tafel 128 gebildet wird.
Ferner wird, wie in Figur 31D dargestellt ist, die Kontaktschicht 120 mit dem GaAs- selektiven Atzmittel geätzt, wobei dadurch die Kontaktschicht 120 verengt und eine streifenförmige Tafel 129 gebildet wird. Das GaAs-selektive Atzmittel ist ein Gemisch aus 28%igem Ammoniumwasser, 35%igem Wasserstoffperoxidwasser und Wasser in dem Verhältnis voll 1 : 30 : 9 und wird bei 20º C verwendet. Das InGaAlP-selektive Mittel war Schwefelsäure oder Phosphorsaure und wird bei 40 bis 130º C verwendet.
Anschließend wird, wie in Figur 31E veranschaulicht ist, die stromblockierende Schicht 121, die eine Dicke von 1,0 um besitzt und aus GaAs vom n-Typ, das mit Si in einer Konzentration von 3 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ dotiert ist, hergestellt ist, durch das MOCVD-Verfahren unter einem reduzierten Druck abgelagert, wobei Trimethylgallium und Arsenwasserstoff bzw. Arsin als Materialien verwendet werden und wobei ebenfalls Silan (SiH&sub4;) als Dotiergas verwendet wird. Die stromblockierende GaAs- Schicht 121 wurde mit Si dotiert, indem ein Mischgas auf Wasserstoffbasis, welches 100 ppm an SiH&sub4; enthält, in einen Reaktionsofen bei der Rate von 75 cc/min zugeführt wurde. In diesem Fall wuchs die stromblockierende GaAs-Schicht vom n-Typ 121 bei der Geschwindigkeit von 3 um/H. Dieses Wachstum wurde erreicht, indem verdünntes Phosphingas in den Ofen eingeführt wurde, das Phosphingas auf 700º C erhitzt wurde, Arsingas in den Ofen eingeführt wurde, der Wafer für eine Sekunde oder zwei bis drei Sekunden stehengelassen wurde und Trimethylgalliumgas in den Ofen eingeführt wurde. Es wuchs kein GaAs auf der SiO&sub2;-Schicht 126, und der in Figur 31E dargestellte Wafer wurde erhalten.
Anschließend wurde, wie in Figur 31F dargestellt ist, die Kontaktschicht 122, die eine Dicke von 1,5 um besitzt und aus p-GaAs mit Zn oder Mg in einer Konzentration 5 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ hergestellt ist, mittels des MOCVD-Verfahrens auf der gesamten Oberfläche des Wafers gezüchtet. Die Au/Zn-Elektrode 123 und die Au/Ge-Elektrode 124 wurden auf der Kontaktschicht 122 und der unteren Oberfläche des Substrats 111 gebildet, jeweils durch das in der Technik bekannte gewöhnliche Verfahren. Somit wurde der in Figur 30 dargestellte Wafer hergestellt.
Der Wafer wurde geschnitten und unter einem Elektronenmikroskop untersucht um zu sehen, ob Silizium diffundiert war oder nicht. Es wurde keine Diffusion von Silizium beobachtet. Der Wafer wurde bearbeitet, wodurch ein Laser mit einer Resonatorlänge 250 um hergestellt wurde. Der Verluststrom wurde im Gegensatz zu dem herkömmlichen Halbleiterlaser erfolgreich unterdrückt, in dem Selen als Dotierstoff vom n-Typ in der stromblockierenden Schicht verwendet wird. Der Laser gemäß der vorliegenden Erfindung zeigte gute Charakteristiken, wie zum Beispiel einen Schwellenstrom von 60 mA und eine Quanteneffizienz von 20 % für jede Seite. Die optische Leistung erhöhte sich mit dem Steuerstrom auf 20 mW. Mit anderen Worten hatte der Laser eine ausgezeichnete Strom-Leistung-Charakteristik. Zusätzlich sollte der Laser sowohl im Nahfeldmuster als auch im Fernfeldmuster eine Lochform auswählen, und deren Mode konnte gut geregelt werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die in Figur 30 dargestellte Ausführungsform beschränkt. Es ist nicht absolut notwendig, die Ausführung zu ätzen, die zweite Kontaktschicht wird geätzt, nachdem die vierte Überzugsschicht geätzt worden ist, wobei somit die streifenformige Rippe gebildet wird. Ferner können die zweite Überzugsschicht, die aus InGaP hergestellt ist, und die dritten und vierten Überzugsschichten, die beide aus InGaAlP vom p-Typ hergestellt sind, durch eine einzige Schicht ersetzt werden. Die Konzentration des Siliziums, das in die stromblockierende Schicht dotiert wird, ist ebenfalls nicht auf 3 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ begrenzt; sie reicht von 1 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ bis 5 × 10¹&sup8; cm&supmin;³.
Eine Modifikation des in Figur 30 dargestellten Halbleiterlasers wurde hergestellt, die insofern verschieden war, als die stromblockierende GaAs-Schicht 121 vom n-Typ ungeachtet des in ihr enthaltenen Dotierstoffes 0,7 um dick war, und insofern, als der Abstand zwischen der oberen Oberfläche des flachen Teils der Schicht 121 und der oberen Oberfläche des streilenförmigen Teils der vierten Überzugsschicht 118 1,5 um oder weniger betrug.
Die Modifikation, die eine Resonatorlänge von 250 um aufwies, zeigte gute Charakteristiken, wie zum Beispiel einen Schwellenstrom von 60 mA und eine Quanteneffizienz von 20 % für jede Seite. Es trat keine Durchgreifspannung auf, um den Grad des Stromblockierung zu verringern.
Die Ergebnisse der durch die Erfinder durchgeführten Experimente zeigten, daß keine Durchgreifspannung auftrat, wenn die stromblockierende Schicht eine Dicke von 0,7 um oder mehr und eine Dotierstoff-Konzentration von 1 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ bis 5 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ aufwies. Wenn die stromblockierende GaAs-Schicht vom n-Typ 0,5 um dick war, trat eine Durchgreifspannung in vielen Laserelementen auf. Es ist aufgezeigt worden, daß der Abstand zwischen der oberen Oberfläche des flachen Teils der stromblockierenden Schicht und der oberen Oberfläche des streifenförmigen Teils der vierten Überzugsschicht 1,5 um oder weniger betragen muß. Falls dieser Abstand größer als 1,5 um ist, wird die stromblockierende Schicht so sehr wachsen, um den streifenförmigen Teil der vierten Überzugsschicht zu bedecken. In diesem Fall wird die Kontaktschicht auf dem streifenförmigen Teil wachsen, wobei keine gleichförmige Dicke erreicht oder der streifenformige Teil nicht in einer gewünschten Weise beerdigt wird.
Die vorliegende Erfindung kann auf einen Halbleiterlaser Anwendung finden, der aus anderen Materialien als diejenigen hergestellt ist, die in der soweit beschriebenen Ausführungsform verwendet werden. Zum Beispiel kann sie für GaAlAs mit einem GaAs-Substrat oder einen In GaAlAs- oder einen InGaAsP- Las er mit einem InGaAsP- oder GaAs-Substrat angewendet werden.
Wie oben beschrieben worden ist, kann die vorliegende Erfindung einen Halbleiterlaser schaffen, insbesondere einen InGaAlP-Laser, in dem der Dotierstoff von der stromblockierenden Schicht nicht in die Überzugsschicht vom p-Typ diffundiert, um den Grad einer Stromblockierung zu verringern, und der sich daher sowohl in der Stromblockierungseffizienz als auch der optischen Wellenführungs- bzw. -leitereffizienz auszeichnet. Infolge der spezifischen Dicke und Position der stromblockierenden Schicht tritt in dieser Schicht keine Durchgreifspannung auf. Daher kann der Halbleiterlaser gute Charakteristiken aufweisen und kann mit einer hohen Ausbeute und Reproduzierbarkeit hergestellt werden.

Claims

1. Eine Halbleiterlaservorrichtung zum Emittieren eines Strahls mit einer Wellenlänge λ mit:

einem Halbleitersubstrat (10, 50, 111) eines ersten Leitfähigkeitstyps;

einer aktiven Schicht (12, 22, 32, 52, 115), die aus In1-v(Ga1-yAly)vP hergestellt ist und eine Dicke d besitzt und erste und zweite Oberflächen aufweist, welche der Ungleichung 0, 03 um ≤ d ≤ 0,1 um genügt;

einer ersten Überzugsschicht (11, 31, 51, 114) des ersten Leitfähigkeitstyps, die zwischen dem Substrat (10, 50, 111) und der ersten Oberfläche der aktiven Schicht (12, 22, 32, 52, 115) gebildet ist und aus In1-v(Ga1-xAlx)vP hergestellt ist, wobei v ein Zusammensetzungsverhältnis ist, das der Ungleichung 0 ≤ v ≤ 1 genügt;

einer Überzugsstruktur (13, 23, 33, 34, 35, 53, 116, 117, 118), die eine zweite Überzugsschicht (23, 33, 53, 116) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, welche auf der zweiten Oberfläche der aktiven Schicht gebildet ist, mit einem Brechungsindex nc einschließt, aus In1-v(Ga1-zAlz)vP hergestellt ist und einen flachen Teil und einen streifenförmigen Stegteil, der von dem flachen Teil vorragt, aufweist, wobei die Zusammensetzungsverhältnisse x, y und z der Ungleichung 0 ≤ y ≤ x, z ≤ 1 genügen, die Aluminiumverhältnisse x und z der zwei Überzugsschichten der Ungleichung 0,65 ≤x, z ≤0,8 genügen; und

einer Begrenzungsschicht (15, 25, 55, 121), die auf dem flachen Teil der zweiten Überzugsschicht (23, 33, 53, 116) gebildet ist, um den Laserstrahl zu begrenzen;

dadurch gekennzeichnet, daß die erste Überzugsschicht (11, 31, 51, 114) eine Dicke H&sub1; besitzt und die zweite Überzugsschicht (23, 33, 53, 116) bei dem streifenförmigen Stegteil eine Dicke H&sub2; besitzt, wobei die Dicken H&sub1; beziehungsweise H&sub2; den folgenden Ungleichungen genügen:

0,25 (Δx&sub1; d/λ)-1/2 ≤ H&sub1;/λ ≤ 0,38 (Δx&sub1; d/λ)-1/2

0,25 (Δx&sub2; d/λ)-1/2 ≤ H&sub2;/λ ≤ 0,38 (Δx&sub2; d/λ)-1/2

wobei Δx&sub1; = x - y die Differenz zwischen dem Aluminiumverhältnis der ersten Überzugsschicht (11, 31, 51, 114) und dem der aktiven Schicht (12, 22, 32, 52, 115) ist und Δx&sub2; = z - y die Differenz zwischen dem Aluminiumverhältnis der zweiten Überzugsschicht (23, 33, 53, 116) und dem der aktiven Schicht (12, 22, 32, 52, 115) ist.

2. Eine Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet, indem mindestens eine zweite Deckschicht (24, 54, 119) des zweiten Leitfähigkeitstyps einschließend, die zwischen die zweite Kontaktschicht und die Überzugsstruktur (13, 23, 33, 34, 35, 53, 116, 117, 118) gelegt ist und eine Bandlücke besitzt, die größer als die des Substrates (10, 50, 111) und geringer als die der Überzugsstruktur (13, 23, 33, 34, 35, 53, 116, 117, 118) ist.

3. Eine Halbleiterlaservorrichtung zum Emittieren eines Strahls mit einer Wellenlänge λ mit:

einem Halbleitersubstrat (10, 50, 111) eines ersten Leitfähigkeitstyps;

einer aktiven Schicht (12, 22, 32, 52, 115), die aus In1-v(Ga1-yAly)vP hergestellt ist und eine Dicke d besitzt und erste und zweite Oberflächen aufweist, welche der Ungleichung 0,03 um ≤ d ≤ 0,1 um genügt;

einer Überzugsstruktur (13, 23, 33, 34, 35, 53, 116, 117, 118), die eine zweite Überzugsschicht (23, 33, 53, 116) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, welche auf der zweiten Oberfläche der aktiven Schicht gebildet ist, mit einem Brechungsindex nc einschließt, aus In1-v(Ga1-zAlz)vP hergestellt ist und einen flachen Teil und einen streifenförmigen Stegteil, der von dem flachen Teil vorragt, aufweist, wobei die Zusammensetzungsverhältnisse x, y und z der Ungleichung 0 ≤ y ≤ x, z ≤ 1 genügen, die Aluminiumverhältnisse x und z der zwei Überzugsschichten der Ungleichung 0,65 ≤ x, z ≤ 0,8 genügen; und

einer Begrenzungsschicht (15, 25, 55, 121), die auf dem flachen Teil der zweiten Überzugsschicht (23, 33, 53, 116) gebildet ist, um den Laserstrahl zu begrenzen; dadurch gekennzeichnet, daß der flache Teil der Überzugsstruktur (13, 23, 33, 34, 35, 53, 116, 117, 118) eine Dicke h&sub0; besitzt, die der folgenden Ungleichung genügt:

h&sub0;/λ ≤ 0,13 (Δd&sub2; d/λ)-1/2,

wobei d die Dicke der aktiven Schicht (12, 22, 32, 52, 115) ist, λ die Wellenlänge des Strahls ist und Δd&sub2; (= z-y) die Differenz zwischen dem Aluminiumverhältnis der zweiten Überzugsschicht (23, 33, 53, 116) und dem der aktiven Schicht (12, 22, 32, 52, 115) ist.

4. Eine Halbleiterlaservorrichtung zum Emittieren eines Strahls mit einer Wellenlänge λ mit:

einem Halbleitersubstrat (10, 50, 111) eines ersten Leitfähigkeitstyps;

einer aktiven Schicht (12, 22, 32, 52, 115), die aus In1-v(Ga1-yAly)vP hergestellt ist und eine Dicke d besitzt und erste und zweite Oberflächen aufweist, welche der Ungleichung 0, 03 um ≤ d ≤ 0,1 um genügt;.

einer Überzugsstruktur (13, 23, 33, 34, 35, 53, 116, 117, 118), die eine zweite Überzugsschicht (23, 33, 53, 116) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, welche auf der zweiten Oberfläche der aktiven Schicht gebildet ist, mit einem Brechungsindex nc einschließt, aus In1-v(Ga1-zAlz)vP hergestellt ist und einen flachen Teil und einen streifenförmigen Stegteil der von dem flachen Teil vorragt, aufweist, wobei die Zusammensetzungsverhältnisse x, y und z der Ungleichung 0 ≤ y ≤ x, z ≤ 1 genügen, die Aluminiumverhältnisse x und z der zwei Überzugsschichten der Ungleichung 0,65 ≤ x, z ≤ 0,8 genügen; und

dadurch gekennzeichnet, daß der Stegteil, der den flachen Teil berührt, eine Breite W besitzt, die der folgenden Ungleichung genügt:

W/λ ≤ 20[(h&sub0;/λ)(Δx&sub2; d/λ)1/2]1/3,

wobei d die Dicke der aktiven Schicht (12, 22, 32, 52, 115) ist, λ die Wellenlänge des Strahls ist und Δx&sub2; (= z-y) die Differenz zwischen dem Aluminiumverhältnis der zweiten Überzugsschicht (23, 33, 53, 116) und dem der aktiven Schicht (12, 22, 32, 52, 115) ist.

5. Eine Halbleiterlaservorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 - 4, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die strahlbegrenzende Schicht (15, 25, 55, 121) aus Ga1-rAlrAs hergestellt ist, wobei 0 < r < 1 gilt.

6. Eine Halbleiterlaservorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 - 4, ferner dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (10, 50, 111) und die Laserstrahl begrenzende Schicht (23, 33, 53, 116) aus GaAs hergestellt sind.

7. Eine Halbleiterlaservorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 - 4, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Stegteil der Überzugsstruktur (13, 23, 33, 34, 35, 53, 116, 117, 118) eine dritte Überzugsschicht (34, 117) die auf der zweiten Überzugsschicht gebildet und aus In1-v(Ga1-sAls)vP hergestellt ist, und eine vierte Überzugsschicht (35, 118) einschließt, die auf der dritten Überzugsschicht (34, 117) gebildet und aus In1-c(Ga1-uAlu)vP hergestellt ist, wobei 0 ≤ u < s gilt.

8. Eine Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 7, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Überzugsschicht (34, 117) eine Dicke t besitzt, die der folgenden Ungleichung genügt:

45Å ≤ t ≤ 200Å

9. Eine Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 8, ferner dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminiumverhältnis X der ersten Überzugsschicht (11, 31, 51, 114) und das Aluminiumverhältnis y der zweiten Überzugsschicht (23, 33, 53, 116) 0,7 betragen.

10. Eine Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 8, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahl begrenzende Schicht (23, 33, 53, 116) aus Ga1-wAlwAs des ersten Leitfähigkeitstyps hergestellt ist, wobei 0 ≤ w < 1 gilt, und eine Trägerkonzentration D aufweist, die der folgenden Ungleichung genügt:

1,0 x 10¹&sup8;cm&supmin;³ ≤ D ≤ 5 × 10¹&sup9;cm&supmin;³

11. Eine Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 8, ferner dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (10, 50, 111) und die strahlbegrenzende Schicht (23, 33, 53, 116) aus GaAs vom n-Typ hergestellt sind.

12. Eine Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 9, ferner dadurch gekennzeichnet, daß Si als eine Verunreinigung in der Laserstrahl begrenzenden Schicht (23, 33, 53, 116) dotiert ist.

13. Eine Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 8, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die strahlbegrenzende Schicht (23, 33, 53, 116) eine Trägerkonzentration D besitzt, die wie folgt gegeben ist:

2,5 × 10¹&sup8;cm&supmin;³ ≤ D ≤ 1 × 10¹&sup9;cm&supmin;³

14. Eine Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 13, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die strahlbegrenzende Schicht (23, 33, 53, 116) eine Verunreinigungskonzentration besitzt, die von 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ bis 3 × 10¹&sup8; cm&supmin;³ reicht.

15. Eine Halbleiterlaservorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 - 4, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahl begrenzende Schicht (23, 33, 53, 116) eine Dicke von mindestens 0,7 um und eine Höhe besitzt, die nicht größer als 1,5 um ist, welche von dem Steg der Überzugsstruktur (13, 23, 33, 34, 35, 53, 116, 117, 118) gemessen wird.