DE69201908T2

DE69201908T2 - Laserdiode mit zu den Epitaxieschichten im wesentlichen senkrecht verlaufendem Ausgangsstrahl.

Info

Publication number: DE69201908T2
Application number: DE69201908T
Authority: DE
Inventors: Masao Makiuchi
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1991-05-15
Filing date: 1992-05-15
Publication date: 1995-08-03
Anticipated expiration: 2012-05-16
Also published as: JPH0555703A; US5309468A; DE69201908D1; EP0514283B1; EP0514283A3; EP0514283A2

Description

TECHNISCHER HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Halbleitervorrichtungen und insbesondere eine Laserdiode, die einen optischen Strahl in einer im wesentlichen senkrechten Richtung zu den Epitaxialschichten, die die Laserdiode bilden, erzeugt.
In der Laserdiode wird die gespaltene Oberfläche der Epitaxialschichten allgemein zur Bildung des optischen Hohlraumes verwendet. In derartigen gewöhnlichen Laserdioden wird daher der optische Strahl in der zu den gespaltenen Oberflächen im wesentlichen senkrechten Richtung und somit in der zu den Epitaxialschichten im wesentlichen parallelen Richtung erzeugt. Bei der Massenfertigung von derartigen gewöhnlichen Laserdioden tritt das Problem auf, daß jede Laserdiode einzeln geprüft werden muß. Ein derartiger Prüfprozeß erfordert jedoch beträchtliche Zeit und erhöht die Kosten der Vorrichtung.
Andererseits wird eine Laserdiode vorgeschlagen, die Oberflächenstrahlungstyp genannt wird, welche den abgegebenen optischen Strahl in der im wesentlichen senkrechten Richtung zu den Epitaxialschichten erzeugt, die die Laserdiode bilden. Bei diesem Typ von Laserdiode ist es möglich, die Prüfung der Vorrichtungen in dem Zustand durchzuführen, in dem die Vorrichtungen auf einem Wafer ausgebildet sind. Genauer wird die Prüfung der Laserdioden effizient durch Bewegen einer Sonde der Prüfmaschine über die Oberfläche des Wafers erreicht. Dadurch können die Kosten der Vorrichtung beträchtlich gesenkt werden.
Eine derartige Laserdiode des Oberflächenstrahlungstyps ist ebenfalls beim Aufbau von verschiedenen Verarbeitungssystemen und Computern durch Stapeln einer Anzahl von Platinen nützlich, die verschiedene Halbleitervorrichtungen tragen.
Unter Verwendung der Laserdioden des Oberflächenstrahlungstyps kann die Verbindung zwischen den Platinen problemlos und effizient durch den optischen Strahl erzielt werden. Ferner kann man durch Anordnen derartiger Laserdioden in Form einer Reihen- und Spaltenanordnung ein Bild durch ein Leuchtmuster darstellen. Eine derartige Anordnung ist nützlich bei der Wiederherstellung eines Bildes, das während der Übertragung eine Abänderung erfahren hat.
Ein oberflächen-emittierender Laser mit strombegrenzender Struktur ist im Journal of Light Wave Technology, Band LT-4, Nr. 7, Juli 1986, New York, US, Seiten 846-850 aufgezeigt.
Fig. 1(A) zeigt eine herkömmliche Laserdiode 10 des Oberflächenstrahlungstyps in Schnittansicht, während Fig. 1(B) dieselbe Vorrichtung in Draufsicht zeigt.
Wie Fig. 1(A) und 1(B) zeigen, enthält die Laserdiode ein Substrat 11 aus InP, das als n&spplus;-Typ dotiert ist. Auf dem Substrat 11 ist eine aktive Schicht undotiertes InGaAs vorgesehen, die epitaxial auf dem Substrat 11 gewachsen ist. Wie die Draufsicht von Fig. 1(B) zeigt, hat die aktive Schicht 12 eine zylindrische Form mit einem verringerten Durchmesser zum Konzentrieren von Ladungsträgern darin, um eine effiziente stimulierte Emission zu erreichen. Auf der oberen Hauptoberfläche der aktiven Schicht 12 ist eine Kontaktschicht 13 aus als P&spplus;-Typ dotiertem InP vorgesehen. Ferner wird die aktive Schicht 12 seitlich durch eine Isolierschicht 14 gehalten, die ein Harz, wie z.B. Polyimid, oder ein Halbleitermaterial sein kann, das so bearbeitet wurde, daß es nichtleitend wird. Ferner ist eine ringförmige Ohm'sche Elektrode 15 auf der oberen Hauptoberfläche der Kontaktschicht 13 vorgesehen. Dort definiert die Elektrode 15 eine freiliegende obere Hauptoberfläche der Schicht 13. In ähnlicher Weise ist eine weitere Ohm'sche Elektrode 16 an der unteren Hauptoberfläche des Substrats 11 vorgesehen. Wie die Draufsicht in Fig. 1(B) zeigt, enthält die Elektrode 16 zwei rechteckige Leiterstücke, die voneinander in Übereinstimmung mit der aktiven Schicht 12 getrennt sind. Dadurch wird eine freiliegende untere Hauptoberfläche des Substrats 11 zwischen den beiden Elektrodenstücken 16a und 16b definiert. Die freiliegende obere Hauptoberfläche der Kontaktschicht 13 sowie die freiliegende untere Hauptoberfläche des Substrats 11 schaffen einen Kanal für den optischen Strahl, der durch die Laserdiode erzeugt wird. Dadurch tritt der optische Strahl in der zu den Epitaxialschichten senkrechten Richtung aus.
In der Laserdiode von Fig. 1(A) ist festzustellen, daß ein Paar von einander gegenüberliegenden Spiegeloberflächen jeweils entsprechend der Grenzfläche zwischen dem Substrat 11 und der aktiven Schicht 12 und entsprechend der freiliegenden oberen Hauptoberfläche der Kontaktschicht 13 gebildet ist. Dadurch wird ein der aktiven Schicht 12 und der Kontaktschicht 13 entsprechender optischer Hohlraum gebildet und die in der aktiven Schicht 12 erzeugte optische Strahlung wird durch die stimulierte Emission verstärkt, wenn sie zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Spiegeloberflächen hin und her reflektiert wird. Der auf diese Weise als Resultat der stimulierten Emission erzeugte optische Strahl tritt wie bereits erwähnt durch die freiliegende obere Hauptoberfläche der Kontaktschicht 13 sowie durch die freiliegende untere Hauptoberfläche des Substrats 11 in der zu den Epitaxialschichten senkrechten Richtung aus.
In der in Fig. 1(A) und 1(B) gezeigten Laserdiode 10 ist die Differenz des Brechungsindex zwischen dem Substrat 11 und der aktiven Schicht 12 nicht groß genug, um eine ausreichende optische Rückkopplung zu verursachen. Um eine stärkere Reflexion zu erreichen, ist es bevorzugt, die freiliegende untere Hauptoberfläche des Substrats 11 als Spiegel zu verwenden. Andererseits ist der Abstand zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Spiegeln des optischen Hohlraums durch die Wellenlänge der optischen Strahlung bestimmt und somit kann ein Fall auftreten, in welchem die Verwendung der unteren Oberfläche des Substrats 11 als Spiegel nicht möglich ist.
Fig. 2 zeigt als Beispiel eine Vorrichtung 20, die einen Aufbau zum Erzielen einer stärkeren Reflexion in dem optischen Hohlraum aufweist.
Wie Fig. 2 zeigt, hat die Vorrichtung 20 insofern einen Aufbau ähnlich der Vorrichtung 10, als die Vorrichtung auf einem Substrat 21 aufgebaut ist, das dem Substrat 11 entspricht. Auf dem Substrat 21 ist eine Pufferschicht 22 aus InP des n&spplus;-Typs vorgesehen und eine aktive Schicht 23 entsprechend der aktiven Schicht 12 ist auf der Pufferschicht 22 vorgesehen. Ferner ist auf der aktiven Schicht 23 eine Kontaktschicht 24 entsprechend der Kontaktschicht 13 vorgesehen und eine ringförmige Elektrode 26 ist auf der Kontakt schicht 13 entsprechend der Elektrode 15 vorgesehen. Die aktive Schicht 23 sowie die Kontaktschicht 24 sind seitlich durch eine Isolierschicht 25 umgeben, die der Isolierschicht 14 entspricht.
In der Vorrichtung 20 von Fig. 2 ist eine Öffnung 21a auf der unteren Hauptoberfläche des Substrats 21 in der Weise vorgesehen, daß die Öffnung 21a die untere Hauptoberfläche der Pufferschicht 22 freiläßt. Dadurch sind zwei einander gegenüberliegende Spiegeloberflächen ausgebildet, eine entsprechend der freiliegenden oberen Hauptoberfläche der Kontaktschicht 24 und die andere entsprechend der freiliegenden unteren Hauptoberfläche der Pufferschicht 22. Durch Einstellen der Stärke der Schichten 22, 23 und 24 in geeigneter Weise ist es möglich, eine starke Laserschwingung durch die Vorrichtung nach Fig. 2 zu erreichen.
Fig. 3 zeigt eine weitere nach dem Stand der Technik vorgeschlagene Laserdiode 30, die den optischen Strahl in der zu den Epitaxialschichten senkrechten Richtung erzeugt.
Wie Fig. 3 zeigt, ist die Laserdiode 30 auf einem Substrat 31 ensprechend dem Substrat 21 der Vorrichtung aus Fig. 2 aufgebaut, und es ist eine Pufferschicht 32 entsprechend der Pufferschicht 22 auf dem Substrat 31 vorgesehen. Auf der Pufferschicht 32 ist eine aktive Schicht 33 ähnlich der aktiven Schicht 23 vorgesehen, mit der Ausnahme, daß die aktive Schicht 33 die gesamte obere Hauptoberfläche der Pufferschicht 32 bedeckt. Ferner ist eine Kontaktschicht 34 entsprechend der Kontaktschicht 24 vorgesehen, um die gesamte obere Hauptoberfläche der aktiven Schicht 33 zu bedecken. Auf der oberen Hauptoberfläche der Kontaktschicht 34 ist eine Ohm'sche Elektrode 36 vorgesehen, während eine Ohm'sche Elektrode 37 auf der unteren Hauptoberfläche des Substrats 31 vorgesehen ist. Somit hat die Vorrichtung 30 nach Fig. 3 einen Aufbau ähnlich der gewöhnlichen Laserdiode, die die gespaltenen Oberflächen als optischen Hohlraum nutzt, mit der Ausnahme, daß eine schräge Nut 35 vorgesehen ist, die die aktive Schicht 33 in einem Winkel von 45 Grad schneidet. Hier wird der optische Strahl, der in der aktiven Schicht 33 erzeugt wird, senkrecht nach Reflexion auf der Oberfläche der Nut 35 umgelenkt und der optische Strahl tritt in der zu der oberen Hauptoberfläche der Schicht 34 senkrechten Richtung aus. Dadurch wirken die gespaltene Oberfläche b und die obere Hauptoberfläche a der Schicht 34 als die Spiegeloberflächen zur Hin- und Herreflexion des optischen Strahles zur optischen Verstärkung. Offensichtlich erfordert diese Vorrichtung den Spaltungsprozeß, damit die Vorrichtung betriebsfähig wird. Mit anderen Worten ist die Vorrichtung 30 nicht für die Prüfung in dem Zustand unmittelbar nach der Formung geeignet.
Bei jeder der Vorrichtungen 10 und 20 sei angemerkt, daß die aktive Schicht 12 oder 23 einen verringerten Durchmesser in der Größenordnung von 4 - 10 um zur Konzentration der Ladungsträger in dieser hat. Dadurch tritt, obgleich ein derartiger Aufbau zur Senkung der Schwelle der Laserschwingung bevorzugt sein mag, das Problem auf, daß der optische Strahl dazu neigt, mit einem großen Raumwinkel gestreut zu werden. Mit anderen Worten ist es schwierig, mit diesen Vorrichtungen einen in hohem Maß kohärenten parallelen optischen Strahl zu erzielen, der für verschiedene Anwendungen bevorzugt ist. Ferner tritt eine derartige Streuung des optischen Strahles auch in der Pufferschicht 22 auf, wenn der optische Strahl aus der aktiven Schicht austritt, die von der Isolierschicht 25 umgeben ist, welche einen niedrigen Brechungsindex hat. Es sei angemerkt, daß die optische Begrenzung, die in der aktiven Schicht durch die Isolierschicht 25 erreicht wird, nicht in der Pufferschicht 22 auftritt, der die Schicht mit niedrigem Brechungsindex fehlt. Dadurch wird der divergierende optische Strahl jedesmal gestreut, wenn er an der freiliegenden unteren Hauptoberfläche der Pufferschicht 22 reflektiert wird, und die Effizienz der Laserschwingung wird unvermeidlich verschlechtert.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Demgemäß ist es eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue und nützliche Laserdiode zu schaffen, bei der die vorstehenden Probleme eliminiert sind.
Eine weitere und genauer bestimmte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Laserdiode zu schaffen, die einen im wesentlichen parallelen abgegebenen optischen Strahl in einer zu den Epitaxialschichten der Laserdiode senkrechten Richtung erzeugt.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Laserdiode zu schaffen, die einen abgegebenen optischen Strahl in einer zu den Epitaxialschichten der Laserdiode senkrechten Richtung mit einer verbesserten Effizienz der Laserschwingung erzeugt.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Laserdiode, umfassend ein Substrat, das eine obere Hauptoberfläche und eine untere Hauptoberfläche hat, welches Substrat einen Einkristall aus einem ersten Halbleitermaterial umfaßt, das einen ersten Leitfähigkeitstyp hat, welches Substrat von einer ersten Seitenwand mit einer ersten seitlichen Größe umgeben ist; eine aktive Schicht, die eine obere Hauptoberfläche und eine untere Hauptoberfläche hat und auf der oberen Hauptoberfläche des Substrats epitaxial vorgesehen ist, welche aktive Schicht von einer zweiten Seitenwand umgeben ist und eine zweite seitliche Größe hat, die wesentlich kleiner als die erste seitliche Größe ist, welche aktive Schicht einen undotierten Einkristall aus einem zweiten Halbleitermaterial umfaßt, das von dem ersten Halbleitermaterial verschieden ist und einen optischen Strahl durch eine stimulierte Emission erzeugt, welche aktive Schicht einen ersten Brechungsindex hat; eine Kontaktschicht, die eine obere Hauptoberfläche und eine untere Hauptoberfläche hat und auf der oberen Hauptoberfläche der aktiven Schicht epitaxial vorgesehen ist, welche Kontaktschicht von einer dritten Seitenwand umgeben ist und eine dritte seitliche Größe hat, die wesentlich kleiner ist, als die erste seitliche Größe, welche Kontaktschicht ein drittes Halbleitermaterial umfaßt, daß von dem zweiten Halbleitermaterial verschieden ist und auf den ersten Leitfähigkeitstyp dotiert ist, welche obere Hauptoberfläche der Kontaktschicht als eine Spiegeloberfläche zur Reflexion des in der aktiven Schicht erzeugten optischen Strahles wirkt, welche Kontaktschicht einen zweiten Brechungsindex hat; eine auf der oberen Hauptoberfläche des Substrats vorgesehene optische Begrenzungseinrichtung in Kontakt mit der zweiten und der dritten Seitenwand zum Begrenzen des optischen Strahles in der aktiven Schicht und in der Kontaktschicht, welche optische Begrenzungseinrichtung ein Material umfaßt, das einen dritten Brechungsindex hat, der kleiner ist als jeder des ersten und des zweiten Brechungsindex; eine erste Elektrodeneinrichtung, die auf der oberen Hauptoberfläche der Kontaktschicht vorgesehen ist, um Ladungsträger einer ersten Polarität zu injizieren; eine zweite Elektrodeneinrichtung, die auf der unteren Hauptoberfläche des Substrats vorgesehen ist, um Ladungsträger einer zweiten, entgegengesetzten Polarität zu injizieren; einen konvexen Spiegelteil, der auf der unteren Hauptoberfläche des Substrats so vorgesehen ist, daß er nach außen von dem Substrat in einer im wesentlichen senkrecht zu der unteren Hauptoberfläche des Substrats verlaufenden Richtung vorragt, welcher konvexe Spiegelteil eine sphärische Oberfläche zur Reflexion des optischen Strahles und zum Konzentrieren desselben in der aktiven Schicht umfaßt; und eine optische Kanaleinrichtung, die an wenigstens einer der sphärischen Oberfläche des konvexen Spiegelteiles und der oberen Hauptoberfläche der Kontaktschicht zum Emittieren des optischen Strahles vorgesehen ist. Gemäß vorliegender Erfindung wird der optische Strahl zwischen der oberen Hauptoberfläche der Kontaktschicht und der sphärischen Oberfläche hin- und herreflektiert. Dadurch wird der optische Strahl in der aktiven Schicht auch dann konzentriert, wenn der optische Strahl durch Brechung bei dem Austritt von der aktiven Schicht zu dem Substrat gestreut wird. Eine derartige gesteigerte optische Intensität in der aktiven Schicht erhöht selbstverständlich die Effizienz der stimulierten Emission, die in der aktiven Schicht auftritt. Ferner ist es durch Vorsehen der optischen Kanaleinrichtung in Übereinstimmung mit der sphärischen Oberfläche des konvexen Spiegelteiles möglich, den optischen Strahl als einen parallelen optischen Strahl mit einem großen Strahldurchmesser zu bilden. Dadurch wird ein derartiger optischer Strahl durch die Brechung wenig gestreut und verbreitet sich gerade ohne bedeutenden Intensitätsverlust.
Verschiedene Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt. Weitere Aufgaben und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich, wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1(A) und 1(B) sind Darstellungen, die eine herkömmliche Laserdiode des Oberflächenstrahlungstyps in einer Schnittansicht bzw. in einer Draufsicht zeigen;
Fig. 2 ist eine Darstellung, die eine weitere herkömmliche Laserdiode des Oberflächenstrahlungstyps in einer Schnittansicht zeigt;
Fig. 3 ist eine Darstellung, die eine weitere herkömmliche Laserdiode des Oberflächenstrahlungstyps in einer Schnittansicht zeigt;
Fig. 4(A) ist eine Darstellung, die eine Laserdiode des Oberflächenstrahlungstyps gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 4(B) ist eine Darstellung, die das Intensitätsprofil des durch die Vorrichtung von Fig. 4(A) erhaltenen optischen Strahles zeigt;
Fig. 4(C) ist eine Darstellung, die die Vorrichtung von Fig. 4(A) in einer Unteransicht zeigt;
Fig. 5(A) - 5(D) sind Darstellungen, die den Prozeß zur Bildung eines konvexen Linsenteiles in der Vorrichtung von Fig. 4(A) zeigt;
Fig. 6 ist eine Darstellung, eine Laserdiode des Oberflächenstrahlungstyps gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 7(A) und 7(B) sind Darstellungen, die die Bandstruktur einer aktiven MQW-Schicht zeigt, die in der Vorrichtung von Fig. 6 verwendet wird;
Fig. 8(A) bis 8(E) sind Darstellungen, die den Prozeß zur Bildung des wesentlichen Teiles der Vorrichtung von Fig. 6 zeigen;
Fig. 9 ist eine Darstellung, die eine Abänderung der Vorrichtung von Fig. 6 zeigt; und
Fig. 10 ist eine Darstellung, die eine Laserdiode gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Schnittansicht zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 4(A) zeigt eine Laserdiode 40 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Schnittansicht, während Fig. 4(C) dieselbe Laserdiode 40 in einer Unteransicht zeigt.
Wie Fig. 4(A) zeigt, ist die Vorrichtung 40 aus einem Einkristall-InP-Substrat 41 des n&spplus;-Typs aufgebaut, das eine obere Hauptoberfläche hat, die von einer Puffer-InP-Schicht 42 des n&spplus;-Typs bedeckt ist, die auf dem Substrat 41 epitaxial gewachsen ist. Das Substrat 41 hat eine Dicke von 150 - 170 m und hat eine untere Hauptoberfläche, auf der eine Mikrolinse 41a, die den wesentlichen Teil der vorliegenden Erfindung bildet, mit einem Durchmesser von etwa 80 um vorgesehen ist. Hier hat die Mikrolinse 41a eine sphärische Oberfläche mit einem Krümmungsradius von etwa 100 - 120 um und ragt in Abwärtsrichtung mit einer Distanz von etwa 7 - 10 um vor. Die Pufferschicht 42 andererseits hat eine im wesentlichen flache obere und untere Hauptoberfläche, die mit einer Dicke von etwa 2 um getrennt sind, und hat ein Verunreinigungskonzentrationsniveau von 1 X 10¹&sup8; cm&supmin;³ - 7 x 10¹&sup8; cm&supmin;³.
Auf der Pufferschicht 42 ist eine aktive Schicht 43 aus undotiertem InGaAs epitaxial mit einer Dicke von weniger als 0,5 um vorgesehen. Die aktive Schicht 43 ist als Scheibe ausgebildet und von einer Seitenwand umgeben. Siehe die Unteransicht von Fig. 4(C). Hier hat die aktive Schicht 43 einen Durchmesser von 4 - 10 um. In Reaktion auf die Bildung der scheibenförmigen aktiven Schicht 43 wird die obere Hauptoberfläche der Pufferschicht 42 freigelegt, mit Ausnahme des Teils, der durch die Schicht 43 bedeckt ist.
Auf der oberen Hauptoberfläche der aktiven Schicht 43 ist eine Kontaktschicht 44 aus InP des p&spplus;-Typs mit einer Dicke von etwa 2 um vorgesehen. Die Kontaktschicht 44 ist ebenfalls als Scheibe ausgebildet, wie in Fig. 4(C) dargestellt, wobei die Schicht 44 einen Durchmesser hat, der geringfügig größer ist als der Durchmesser der aktiven Schicht 43. Dadurch bedeckt die Kontaktschicht die gesamte obere Hauptoberfläche der aktiven Schicht 43. Bei diesem Aufbau sei angemerkt, daß ein PIN-Übergang entlang der Schicht 44, Schicht 43 und der Schicht 42 gebildet wird. Ferner wird der freiliegende Teil der Pufferschicht 42 durch eine Isolierschicht 45, wie z.B. Polyimid, in der Weise bedeckt, daß die Isolierschicht 45 die Seitenwände der Schichten 43 und 44 seitlich hält.
Auf der oberen Hauptoberfläche der Kontaktschicht 44 ist eine Ohm'sche Elektrode 46 in Ohm'schem Kontakt mit der InP- Schicht 44 des p&spplus;-Typs vorgesehen. Wie gewöhnlich wird eine Legierung aus Au-Zn/Au für die Elektrode 46 verwendet. Auf der unteren Hauptoberfläche des Substrats 41 ist andererseits eine ringförmige Ohm'sche Elektrode 49 vorgesehen, die die Mikrolinse 41a umgibt. Siehe Fig. 4(C). Eine Legierung aus Au-Ge/Au wird für die Elektrode 49 verwendet, wie es der allgemeinen Praxis entspricht. Ferner ist eine Verbindungsfläche 49a auf der unteren Hauptoberfläche des Substrats 41 vorgesehen, die die Elektrode 49 umgibt, wie in der Unteransicht von Fig. 4(C) gezeigt. Wie zu erkennen ist, zeigt die Unteransicht von Fig. 4(C), daß das Substrat 41 von einer Seitenwand 41b umgeben ist, entsprechend dem Zustand nach dem Heraustrennen der Laserdioden aus einem Wafer zu einzelnen Vorrichtungen.
Im Betrieb wird eine positive Vorspannung an die Elektrode 46 angelegt, um Löcher in die aktive Schicht 43 durch die Kontaktschicht 44 zu injizieren, während eine negative Vorspannung an die Elektrode 49 angelegt wird, um Elektronen in die aktive Schicht 43 durch das Substrat 41 und die Pufferschicht 42 zu injizieren. Dadurch werden die Ladungsträger in der undotierten aktiven Schicht 43 angesammelt, was zu einer Rekombination führt. Hier wird die optische Strahlung, die bei Rekombination der Ladungsträger freigesetzt wird, zwischen der oberen Hauptoberfläche der Kontaktschicht und der sphärischen Oberfläche der Mikrolinse 41a vor und zurück fortgepflanzt und es tritt eine stimulierte Emission in der aktiven Schicht 43 auf. Dadurch wird ein kohärenter optischer Strahl erzeugt, wie es in der Laserdiode üblich ist.
Bei der Laserdiode von Fig. 4(A) sei angemerkt, daß der optische Strahl effektiv in der aktiven Schicht 43 sowie in der Kontaktschicht 44 eingeschlossen ist, da diese Teile seitlich durch die Isolierschicht 45 umgeben sind, die einen verringerten Brechungsindex hat. Andererseits tritt dann, wenn der optische Strahl in die Pufferschicht 42 und weiter in das Substrat 41 eindringt, kein derartiger optischer Begrenzungseffekt auf und der optische Strahl wird durch Brechung gestreut. Es sei angemerkt, daß die Auswirkung der Brechung aufgrund des verringerten Durchmessers der aktiven Schicht 43 beträchtlich ist. Wenn eine flache Spiegeloberfläche entsprechend der unteren Hauptoberfläche des Substrats 41, wie bei der herkömmlichen Vorrichtung verwendet wird, wird der optische Strahl bei Reflexion weiter gestreut und die gewünschte Konzentration des optischen Strahls in der aktiven Schicht 43 wird nicht erzielt. Dadurch wird die Effizienz der Laserschwingung unvermeidlicherweise verringert.
Die vorliegende Erfindung eliminiert dieses Problem der Streuung des optischen Strahles durch Vorsehen der Mikrolinse 41a. Hier wird der divergierende optische Strahl durch die konkav ausgeführte sphärische Oberfläche der Mikrolinse 41a reflektiert und kehrt in die aktive Schicht 43 zurück, indem er den divergierenden optischen Pfad in umgekehrter Richtung durchläuft. Dadurch wird der optische Strahl in der aktiven Schicht 43 konzentriert und die stimulierte Emission wird in der aktiven Schicht 43 mit einer beträchtlich verbesserten Effizienz erzielt.
Die Vorrichtung von Fig. 4(A) bietet eine weiteres vorteilhaftes Merkmal insofern, als der Strahldurchmesser des optischen Strahls, der an der Mikrolinse 41a erzielt wird, im Vergleich mit dem optischen Strahl, der aus der aktiven Schicht 43 austritt, beträchtlich erhöht wird. Typischerweise wird ein optischer Strahl mit einem Strahldurchmesser von 70 um erzielt. Im Zusammenhang mit diesem Merkmal des erhöhten Strahldurchmessers erfährt der auf diese Weise erzielte optische Strahl eine geringe Brechung und die unerwünschte Streuung des abgegebenen optischen Strahls wird minimiert. In dem in Fig. 4(A) dargestellten Beispiel ist auf der sphärischen Oberfläche der Mikrolinse ein halbtransparenter Siliziumnitridfilm 48 vorgesehen.
Fig. 4(B) zeigt das Intensitätsprofil des optischen Strahles, der von der Mikrolinse 41a erhalten wird. Solange der Durchmesser der aktiven Schicht 43 im Bereich von 4 um - 10 um eingestellt ist, erhält man ein im wesentlichen flaches Intensitätsprofil. Zu Fig. 4(B) sei angemerkt, daß die vertikale Achse die optische Intensität in einem beliebigen Maßstab darstellt, während die horizontale Achse dem seitlichen Maßstab von Fig. 4(A) entspricht. Um eine Laserschwingung im Einzelmodus zu erhalten, ist es bevorzugt, den Durchmesser der aktiven Schicht 43 und somit den Durchmesser der Kontaktschicht 44 so klein wie möglich einzustellen. Andererseits führt die übermäßige Verringerung des Durchmessers ein Problem bei der Herstellung herbei. Es sei angemerkt, daß die Isolierschicht 45 beispielsweise durch einen Schleuderbeschichtungsprozeß mit Polyimid vorgesehen werden kann, nachdem die scheibenförmigen Schichten 43 und 44 gebildet sind. Zu Beginn kann der Durchmesser dieser Teile nicht unter 5 um verringert werden, bedingt durch die mechanische Instabilität zum Zeitpunkt der Schleuderbeschichtung.
Nachfolgend wird der Prozeß zur Herstellung der Mikrolinse 41a der Vorrichtung von Fig. 4(A) kurz unter Bezug auf Fig. 5(A) bis 5(D) beschrieben.
Wie die Zeichnungen zeigen, wird ein Fotoresist auf die flache untere Hauptoberfläche des Substrats 41 aufgetragen und nachfolgend mit einem Muster versehen, um ein scheibenförmiges Resistmuster 101a in Übereinstimmung mit der zu bildenden Mikrolinse 41a zu bilden. Ferner wird ein Resistmuster 101b gebildet, das das scheibenförmige Muster 101a umgibt. Typischerweise wird ein Fotoresist des AZ-Typs verwendet. Zu Fig. 5(A) sei angemerkt, daß das Substrat 41 auf den Kopf gestellt gezeigt ist. In der vorliegenden Ausführungsform hat das Muster 101a einen Durchmesser von etwa 80 um.
Nachfolgend wird in dem Schritt von Fig. 5(B) die Struktur von Fig. 5(A) auf eine Temperatur von etwa 200ºC erwärmt, so daß der mit einem Muster versehene Fotoresist 101a und 101b wieder fließfähig wird. Dadurch werden die scharfen Ränder der Resistmuster 101a und 101b gerundet, wie in Fig. 5(B) dargestellt. Insbesondere das scheibenförmige Muster 101a nimmt als Ergebnis des erneuten Fließens nun eine sphärische Oberfläche an.
Die auf diese Weise in dem Prozeß von Fig. 5(B) erhaltene Struktur wird nun einem Ionenstrahl-Ätzprozeß unterzogen, wie in Fig. 5(C) dargestellt, wobei die Oberfläche der Struktur von Fig. 5(B) durch beschleunigte Argon-Ionen Ar&spplus; bombardiert wird, während das Substrat um den Mittelpunkt des scheibenförmigen Musters 101a gedreht wird. Dadurch werden die freiliegende Oberfläche des Substrats 41 sowie die Oberfläche der Fotoresistmuster 101a und 101b durch die Ar- Ionen geätzt, während die allgemeine Morphologie der Muster 101a und 101b aufrechterhalten wird. Dadurch wird die Mikrolinse 41a geformt, wie in Fig. 5(D) gezeigt, so daß die vorragende Oberfläche der Mikrolinse 41a durch eine ringförmige Vertiefung 41b umgeben ist. Entsprechend dem Teil, der durch das Fotoresistmuster 101b geschützt ist, wird eine flache Oberfläche 41c erhalten.
Es wurde festgestellt, daß durch Vorsehen des Fotoresistmusters 101b, um das scheibenförmige Muster 101a zu erhalten, und durch Anwenden eines Ätzvorganges in diesem Zustand die sphärische Oberfläche der Linse 41a nicht über die Ebene der Oberfläche 41c vorragt, wie durch δ in Fig. 5(D) angegeben. Dieses Merkmal ist insbesondere vorteilhaft zum Schutz der Mikrolinse 41a in verschiedenen Situationen, zu denen der Schritt des Anordnens der Vorrichtung auf einer Trägeroberfläche in der Weise, daß die untere Hauptoberfläche 4lc mit der Trägeroberfläche in Kontakt kommt, zählt.
Der Radius der Mikrolinse 41a wird durch Auswählen der Dicke des Resistmusters 101a in geeigneter Weise bestimmt. In dem dargestellten Beispiel ist die Dicke des Resistmusters 101a auf etwa 3 um eingestellt. Wie bei der Verwendung der Mikrolinse in der Fotodiode demonstriert wurde (Makiuchi et al., Fujitsu Sci. Tech., 27, Seiten 84-91, April 1991) ist die Einstellung des Radius der Linse 41a für den Betrieb der Laserdiode nicht kritisch.
Nachfolgend wird eine Laserdiode 50 des Oberflächenstrahlungstyps gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf Fig. 6 beschrieben.
Wie Fig. 6 zeigt, enthält die Vorrichtung 50 ein InP- Substrat 52 des n&spplus;-Typs, das ähnlich dem Substrat 41 ist, und es ist eine Mikrolinse 52a auf der unteren Hauptoberfläche des Substrats 52 in Übereinstimmung mit der Mikrolinse 41a der vorstehenden Ausführungsform vorgesehen. Ferner ist ein halbtransparenter Siliziumnitridfilm 53 auf der sphärischen Oberfläche der Linse 52a entsprechend dem Siliziumnitridfilm 48 vorgesehen und eine Ohm'sche Elektrode 54 ist auf der unteren Hauptoberfläche des Substrats 52 die Mikrolinse 52a umgebend entsprechend der Ohm'schen Elektrode 49 vorgesehen. Auf der oberen Hauptoberfläche des Substrats 52 ist eine Pufferschicht 55 aus InP des n&spplus;-Typs vorgesehen, das das Verunreinigungskonzentrationsniveau von 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ - 7 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ ähnlich der Vorrichtung 40 hat, und eine undotierte Ladungsträgerstopschicht 56 aus InGaAs, die später beschrieben wird, ist auf der Pufferschicht 55 mit einer Dicke von 0,1 - 1 um gezwachsen. Die Ladungsträgerstopschicht 56 hat eine Scheibenform und eine seitliche Größe von 5 - 10 um entsprechend der aktiven Schicht 43 der Vorrichtung 40.
Auf der Stopschicht 56 ist eine scheibenförmige aktive Schicht 58 mit einem Durchmesser, der dem Durchmesser der Stopschicht 56 entspricht, vorgesehen. Mit anderen Worten hat die aktive Schicht 58 einen Durchmesser von 5 - 10 um. In der Vorrichtung 50 der vorliegenden Ausführungsform hat die aktive Schicht 58 die MQW-Struktur und enthält einen abwechselnden Stapel einer undotierten InGaAs-Quantenmuldenschicht und einer undotierten InGaAsP-Sperrschicht, wobei die Stapelung beispielsweise fünfzig Mal wiederholt ist. Typischerweise haben jede Quantenmuldenschicht und jede Sperrschicht dieselbe Dicke von 10 nm. In diesem Fall hat die Schicht 58 eine Gesamtdicke von 1 um.
Auf der aktiven MQW-Schicht 58 ist eine scheibenförmige Kontaktschicht 60 aus InP des p&spplus;-Typs entsprechend der Kontaktschicht 44 der Vorrichtung 40 vorgesehen, und eine Polyimidschicht 64 ist auf der Pufferschicht 55 zum Halten der aktiven Schicht 58 und der Kontaktschicht 60 seitlich ähnlich der Polyimidschicht 45 der Vorrichtung 40 vorgesehen. Ferner ist eine Ohm'sche Elektrode 62 auf der oberen Hauptoberfläche der Kontaktschicht 60 entsprechend der Elektrode 46 vorgesehen.
Zu der vorliegenden Ausführungsform sei angemerkt, daß die aktive Schicht 58 mit einer Diffusionszone 58a gebildet ist, so daß die Diffusionszone 58a die aktive Schicht 58 entlang der Seitenwand umgibt. Die Diffusionszone 58a ist als Resultat der Diffusion von Zn gebildet und die MQW-Struktur ist in der aktiven Schicht 58 entsprechend der Diffusionszone 58a ausgelöscht. Mit anderen Worten ist die MQW-Struktur in der aktiven Schicht 58 als Ergebnis der Bildung der Diffusionszone 58a eingeengt. Eine ähnliche Diffusionszone 60a ist gebildet, um die Kontaktschicht 60 zu umgeben. Als Ergebnis der Bildung der Diffusionszone 58a wird die starke Veränderung des Brechungsindex an der Grenzfläche zwischen der aktiven Schicht 58 und der umgebenden Polyimidschicht 64 abgemildert und die Reflexion des optischen Strahles an einer derartigen Grenzfläche wird beträchtlich verringert. Dadurch ist die Laserdiode gemäß vor liegender Ausführungsform effektiv zur Unterdrückung der Laserschwingung eines höheren Modus. In der Vorrichtung 50 von Fig. 6 wird das Merkmal der Laserschwingung im Einzelmodus weiter durch die Reduzierung des Durchmessers der MQW-Zone in der aktiven Schicht 58 verbessert.
Fig. 7(A) und 7(B) sind Darstellungen, die jeweils die Bandstruktur der aktiven Schicht 58 für die Zone, in der die ursprüngliche MQW-Struktur unverändert bleibt, bzw. für die Diffusionszone 58a, in der die MQW-Struktur als Folge der Diffusion von Zn modifiziert ist, zeigen.
In Fig. 7(A), die die bekannte Banddarstellung eines tpyischen MQW zeigt, ist ersichtlich, daß hier eine abwechselnde Wiederholung einer Sperrschicht 51&sub1; aus undotiertem InGaAsP und einer Quantenmuldenschicht 51&sub2; aus undotiertem InGaAs vorliegt, wobei die Sperrschicht 51&sub1; durch eine hohe Bandlückenenergie Eg&sub1; gekennzeichnet ist, während die Quantenmuldenschicht 51&sub2; wie gewöhnlich durch eine kleine Bandlückenenergie Eg2 gekennzeichnet ist. Ferner sind ein Quantenniveau von Elektronen und ein Quantenniveau von Löchern in jeder Quantenmuldenschicht 51&sub2; als ein Ergebnis der seitlichen Begrenzung der Ladungsträger ausgebildet. Wie in der MQW-Struktur üblich sind die Ladungsträger in der Nähe der Quantenmulden in der Vorrichtung gemäß vorliegender Ausführungsform konzentriert, und eine effiziente Schichtschwingung wird erzielt. Ferner wird die Schwingungswellenlänge der Laserdiode durch Einstellen der Dicke der Quantenmuldenschicht nach Wunsch eingestellt.
Aus der Banddarstellung von Fig. 7(B) ist andererseits ersichtlich, daß die Bandlücke als Ergebnis der Diffusion von Zn, das die Quantenmuldenstruktur auslöscht, beträchtlich gesteigert ist. In Verbindung damit wird der Brechungsindex der aktiven Schicht 58 entsprechend der Diffusionszone 58a auf einen Wert verringert, der zwischen dem Brechungsindex des MQW-Teiles der aktiven Schicht 58 und dem Brechungsindex der Polyimidschicht 64 liegt.
Als Zusammenfassung der vorstehenden Aussage erzielt die Laserdiode gemäß vorliegender Ausführungsform eine effiziente Laserschwingung als Ergebnis der Kombination der Verwendung der MQW-Struktur für die aktive Schicht 58 und der Verwendung der Mikrolinse 52a zur Konzentration des optischen Strahles in der aktiven Schicht 58. Ferner erleichtert die Vorrichtung nach vorliegender Ausführungsform die Einzelmodusschwingung durch Eliminieren der Reflexion des optischen Strahles an der Seitenwand der aktiven Schicht 58 durch Vorsehen der Diffusionszone 58a und ferner durch Verringerung des effektiven Durchmessers der MQW-Zone in der aktiven Schicht 58.
In der Vorrichtung gemäß vorliegender Ausführungsform wird die Injektion von Ladungsträgern in die aktive MQW- Schicht 58 effizient von der Seitenwand der Schicht 58 erzielt. Hier werden die Löcher, die an der Elektrode 62 injiziert werden, entlang der Diffusionszone 58a transportiert und weiter zu der MQW-Schicht 58 entlang den Quantenmuldenschichten. Hier wird der Transport der Löcher ohne Überwinden der Potentialbarriere der Sperrschicht 51&sub2; erzielt.
Es sei angemerkt, daß der Fluß der Löcher direkt von der Diffusionszone 58a zu der Pufferschicht 55 an der undotierten Ladungsträgerstopschicht 56 aus InGaAs unterbrochen wird. Obgleich hier eine Rekombination der Ladungsträger in der Ladungsträgerstopschicht 51 in einem gewissen Ausmaß auftritt, verursacht die Mehrzahl der der Ladungsträger die Rekombination in der MQW-Zone der aktiven Schicht 58 aufgrund des bevorzugten Transportes der Löcher entlang den Quantenmuldenschichten 51&sub2;.
Nachfolgend wird der Herstellungsprozeß der Vorrichtung von Fig. 6 unter Bezug auf Fig. 8(A) bis 8(E) beschrieben.
Wie Fig. 8(A) zeigt, wird die auf der MQW-Schicht 58 gewachsen Kontaktschicht 60 durch einen selektiven Ätzprozeß mit einem Muster versehen, der selektiv gegen die MQW-Schicht 58 erreicht wird. Ein derartiges selektives Ätzen kann durch Verwendung einer Ätzlösung aus HCl und H&sub2;O (HCl : H&sub2;O = 1 : 1) erreicht werden. Nachfolgend wird in dem Schritt von Fig. 8(B) die MQW-Schicht 58 einem selektiven Ätzprozeß gegen die Schichten 56 und 60 unter Verwendung einer Ätzlösung aus HNO&sub3; und HF (HNO&sub3; : HF = 1 : 1) unterzogen. Dadurch wird eine in Fig. 8(B) dargestellte umgekehrte T-Struktur erzielt. Nachfolgend wird in dem Schritt von Fig. 8(C) ein Diffusionsprozeß von Zn erreicht und eine Diffusionszone 58a wird entsprechend der gemusterten MQW-Schicht 58 gebildet. Gleichzeitig mit der Bildung der Diffusionszone 58a wird die Diffusionszone 60a entsprechend der freiliegenden Oberfläche der Kontakt schicht 60 gebildet. Ferner wird eine Diffusionszone 56a auf der freiliegenden oberen Hauptoberfläche der Stopschicht 56 gebildet.
Nachfolgend wird die Stopschicht 56 mit einem Muster versehen, während die umgekehrte T-Struktur als eine Maske verwendet wird. Dadurch wird die in Fig. 8(D) dargestellte Struktur erhalten. Ferner wird die Polyimidschicht 64 schleuderbeschichtet und die in Fig. 8(E) dargestellte Struktur, die der Vorrichtung von Fig. 6 entspricht, wird erhalten.
Fig. 9 zeigt eine Abänderung der Vorrichtung der zweiten Ausführungsform. Die Vorrichtung hat einen Aufbau ähnlich Fig. 6 mit der Ausnahme, daß die untere Hauptoberfläche des Substrats 52 durch eine Ohm'sche Elektrode 54a bedeckt ist, die die sphärische Oberfläche der Mikrolinse 52a einschließt. Andererseits ist die Ohm'sche Elektrode an der oberen Hauptoberfläche der Kontaktschicht 60 in Ringform ausgebildet, wie durch eine Ohm'sche Elektrode 62a gezeigt, und der optische Strahl wird an der oberen Hauptoberfläche der Kontaktschicht 60 emittiert. In dieser Vorrichtung kann man noch eine effiziente Laserschwingung bedingt durch die Konzentration des optischen Strahles in der aktiven Schicht 58 durch die Reflexion an der Mikrolinse 52a erreichen. Andererseits wird der optische Strahl, der von der oberen Hauptoberfläche der Kontaktschicht 60 austritt, als Ergebnis der Brechung beträchtlich gestreut.
Fig. 10 zeigt eine Laserdiode 60 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie Fig. 10 zeigt, enthält die Vorrichtung 60a ein Substrat 61 des n&spplus;-Typs aus InP entsprechend dem Substrat 41 und eine Pufferschicht 62 aus InP des n&spplus;-Typs, die epitaxial auf dem Substrat 61 gewachsen wurde. Ferner ist in dem Substrat 61 eine Mikrolinse 61a ähnlich der Mikrolinse 41a ausgebildet. Auf der oberen Hauptoberfläche der Pufferschicht 62 ist eine aktive Schicht 63a aus undotiertem InGaAs entsprechend der aktiven Schicht 44 vorgesehen, wobei die aktive Schicht 63a eine Scheibenform ähnlich der aktiven Schicht 43 hat.
Die aktive Schicht 63a ist seitlich durch eine Polyimidschicht 65 gehalten, die eine obere Hauptoberfläche aufweist, die im wesentlichen mit der oberen Hauptoberfläche der aktiven Schicht 63a in einer Ebene liegt, und es ist eine Kontaktschicht 64a aus InP des p&spplus;-Typs auf der oberen Hauptoberfläche der aktiven Schicht 63a vorgesehen. Es sei angemerkt, daß die Kontaktschicht 64a eine sphärische obere Hauptoberfläche hat und daß eine Ohm'sche Elektrode 66a ähnlich der Ohm'schen Elektrode 46 vorgesehen ist, um die sphärische Hauptoberfläche der Kontaktschicht 64a zu bedekken. Dadurch wird der optische Strahl zwischen den beiden einander gegenüberliegenden sphärischen Oberflächen hin- und herreflektiert und wird in der aktiven Schicht 63a konzentriert, wie durch die unterbrochene Linie dargestellt, die den optischen Pfad des optischen Strahls darstellt. Ähnlich der ersten und der zweiten Ausführungsform wird ein optischer Strahl mit großem Durchmesser von der Mikrolinse 61a an der Unterseite des Substrats 61 in Form eines parallelen optischen Strahls abgegeben. Wie gewöhnlich ist auf der sphärischen Oberfläche der Mikrolinse 61a eine Antireflexionsbeschichtung 61b aus Siliziumnitrid vorgesehen. Um die Elektronen zu injizieren, ist eine Ohm'sche Elektrode 67 auf der unteren Hauptoberfläche des Substrats 61 mit Ausnahme der Mikrolinse 61a vorgesehen.
Zu der Ausführungsform von Fig. 10 sei angemerkt, daß das Substrat 61 und die Pufferschicht 62 sich seitlich erstrecken und daß eine weitere aktive Schicht 63b aus undotiertem InGaAs in der lateralen Erweiterung der Pufferschicht 62 vorgesehen ist. Die aktive Schicht 62b ist scheibenförmig ähnlich der aktiven Schicht 63a mit der Ausnahme, daß die Schicht 62b einen beträchtlich größeren Durchmesser hat und somit eine größere Oberfläche im Vergleich mit der aktiven Schicht 63b. Auf der aktiven Schicht 63b ist eine Kontaktschicht 64b in Scheibenform mit einem Durchmesser vorgesehen, der den Durchmesser der aktiven Schicht 63a übersteigt. Ähnlich der Kontaktschicht 64a enthält die Kontaktschicht 64b InP des p&spplus;-Typs. Ferner füllt die Polyimidschicht 65 den Raum zwischen der aktiven Schicht 63a und der aktiven Schicht 63b und hält die aktive Schicht 63b seitlich. Auf der oberen Hauptoberfläche der Kontaktschicht 64b ist eine ringförmige Ohm'sche Elektrode 66b vorgesehen, während die Ohm'sche Elektrode 67 die untere Hauptoberfläche des Substrats 61 entsprechend der zweiten aktiven Schicht 63b bedeckt. Dadurch wird benachbart zu der Laserdiode 60a eine zweite optische Halbleitervorrichtung 60b gebildet.
Im Betrieb wird eine positive Spannung an die Ohm'sche Elektrode 66a angelegt, während an die Ohm'sche Elektrode 66b eine negative Spannung angelegt wird. Ferner wirkt die Ohm'sche Elektrode 67 an der unteren Hauptoberfläche des Substrats 61 als gemeinsame Elektrode und wird durch Verbinden mit Erde auf Null-Spannungsniveau gesetzt. Dadurch ist die Vorrichtung 60a vorwärts vorgespannt, während die Vorrichtung 60b rückwärts vorgespannt ist, und die Vorrichtung 60a wirkt als eine Laserdiode, während die Vorrichtung 60b als ein Fotodetektor wirkt.
Bei Auftreffen eines optischen Strahles auf die obere Hauptoberfläche der Kontaktschicht 64b wandern die Löcher, die in der aktiven Schicht 63b als Folge der optischen Anregung geschaffen werden, zur Elektrode 67, während sich das beschleunigende elektrische Feld, das über die Elektrode 63b und die Elektrode 67 gebildet ist, auf sie auswirkt. Durch Einstellen einer geeigneten Vorspannung kann man einen Lawinendurchschlag in der aktiven Schicht 63b verursachen und ein derartiger Lawinendurchschlag erzeugt wiederum optische Strahlung. In der Vorrichtung von Fig. 10 tritt die auf diese Weise erzeugte optische Strahlung in die aktive Schicht 63 der Laserdiode 60a ein und verursacht ein optisches Pumpen. Ansprechend auf das optische Pumpen beginnt die Laserdiode 60a zu schwingen. Mit anderen Worten wirkt die Vorrichtung 60 von Fig. 10 als eine optische Vorrichtung, die die optische Eingabe wiederholt. Selbstverständlich können die Laserdiode 60a und die Fotodiode 60b unabhängig voneinander verwendet werden.

Claims

1. Laserdiode zur Erzeugung eines optischen Strahles in einer zu Epitaxialschichten senkrechten Richtung, umfassend:

ein Substrat (41, 42), das eine obere Hauptoberfläche und eine untere Hauptoberfläche hat, welches Substrat einen Einkristall aus einem ersten Halbleitermaterial umfaßt, das einen ersten Leitfähigkeitstyp hat, welches Substrat von einer ersten Seitenwand (41b) mit einer ersten seitlichen Größe umgeben ist; eine aktive Schicht (43), die eine obere Hauptoberfläche und eine untere Hauptoberfläche hat und auf der oberen Hauptoberfläche des Substrats epitaxial vorgesehen ist, welche aktive Schicht von einer zweiten Seitenwand umgeben ist und eine zweite seitliche Größe hat, die wesentlich kleiner als die erste seitliche Größe ist, welche aktive Schicht einen undotierten Einkristall aus einem zweiten Halbleitermaterial umfaßt, das von dem ersten Halbleitermaterial verschieden ist und einen optischen Strahl durch eine stimulierte Emission erzeugt, welche aktive Schicht einen ersten Brechungsindex hat; eine Kontaktschicht (44), die eine obere Hauptoberfläche und eine untere Hauptoberfläche hat und auf der oberen Hauptoberfläche der aktiven Schicht epitaxial vorgesehen ist, welche Kontaktschicht von einer dritten Seitenwand umgeben ist und eine dritte seitliche Größe hat, die wesentlich kleiner ist als die erste seitliche Größe, welche Kontaktschicht ein drittes Halbleitermaterial umfaßt, daß von dem zweiten Halbleitermaterial verschieden ist und auf den ersten Leitfähigkeitstyp dotiert ist, welche obere Hauptoberfläche der Kontaktschicht als eine Spiegeloberfläche zur Reflexion des in der aktiven Schicht erzeugten optischen Strahles wirkt, welche Kontaktschicht einen zweiten Brechungsindex hat; eine auf der oberen Hauptoberfläche des Substrats vorgesehene optische Begrenzungseinrichtung (45) in Kontakt mit der zweiten und der dritten Seitenwand zum Begrenzen des optischen Strahles in der aktiven Schicht und in der Kontaktschicht, welche optische Begrenzungseinrichtung ein Material umfaßt, das einen dritten Brechungsindex hat, der kleiner ist als jeder des ersten und des zweiten Brechungsindex; eine erste Elektrodeneinrichtung (46), die auf der oberen Hauptoberfläche der Kontaktschicht vorgesehen ist, um Ladungsträger einer ersten Polarität zu injizieren; und eine zweite Elektrodeneinrichtung (49), die auf der unteren Hauptoberfläche des Substrats vorgesehen ist, um Ladungsträger einer zweiten, entgegengesetzten Polarität zu injizieren;

dadurch gekennzeichnet, daß die Laserdiode weiter umfaßt:

einen konvexen Spiegelteil (41a), der auf der unteren Hauptoberfläche des Substrats so vorgesehen ist, daß er nach außen von dem Substrat in einer zu der unteren Hauptoberfläche des Substrats senkrechten Richtung vorragt, welcher konvexe Spiegelteil eine sphärische Oberfläche zur Reflexion des optischen Strahles und zum Konzentrieren desselben in der aktiven Schicht umfaßt; und

eine optische Kanaleinrichtung (48), die an wenigstens einer der sphärischen Oberfläche des konvexen Spiegelteiles und der oberen Hauptoberfläche der Kontaktschicht zum Emittieren des optischen Strahles vorgesehen ist.

2. Laserdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrodeneinrichtung eine Ohm'sche Elektrode (49) umfaßt, die in Ohm'schem Kontakt mit der unteren Hauptoberfläche des Substrats (41) in der Weise vorgesehen ist, daß die Ohm'sche Elektrode die konvexe sphärische Oberfläche freiläßt.

3. Laserdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrodeneinrichtung eine Ohm'sche Elektrode (54a) umfaßt, die in Ohm'schem Kontakt mit der unteren Hauptoberfläche des Substrats (52) in der Weise vorgesehen ist, daß die Ohm'sche Elektrode die sphärische Oberfläche bedeckt, wobei die Ohm'sche Elektrode als eine sphärische Spiegeloberfläche wirkt.

4. Laserdiode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrodeneinrichtung eine zweite Ohm'sche Elektrode (46) umfaßt, die in Ohm'schem Kontakt mit der oberen Hauptoberfläche der Kontaktschicht (44) in der Weise vorgesehen ist, daß die zweite Ohm'sche Elektrode im wesentlichen die gesamte obere Hauptoberfläche der Kontaktschicht bedeckt.

5. Laserdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrodeneinrichtung eine ringförmige Ohm'sche Elektrode (62a) umfaßt, die in Ohm'schem Kontakt mit der oberen Hauptoberfläche der Kontaktschicht (60) vorgesehen ist, wobei die ringförmige Elektrode die obere Hauptoberfläche der Kontaktschicht als einen Kanal für den optischen Strahl freiläßt.

6. Laserdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht (43) eine Scheibenform hat, die einen ersten Durchmesser hat, der der ersten seitlichen Größe entspricht, welche aktive Schicht im wesentlichen konzentrisch bezüglich der konvexen sphärischen Oberfläche vorgesehen ist, gesehen in einer zu dem Substrat (41) senkrechten Richtung.

7. Laserdiode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der konvexen sphärischen Oberfläche beträchtlich größer als der erste Durchmesser der aktiven Schicht (43) ist, gesehen in einer zu dem Substrat (41) im wesentlichen senkrechten Richtung.

8. Laserdiode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Durchmesser der aktiven Schicht (43) in einem Bereich zwischen 5 um bis 10 um eingestellt ist, während die konvexe sphärische Oberfläche einen Durchmesser von etwa 80 um hat, gesehen in einer zu dem Substrat (41) senkrechten Richtung.

9. Laserdiode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktschicht (44) eine Scheibenform hat, die einen zweiten Durchmesser hat, der der zweiten seitlichen Größe entspricht, wobei die zweite Kontaktschicht im wesentlichen konzentrisch bezüglich der aktiven Schicht (43) vorgesehen ist.

10. Laserdiode nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Durchmesser größer ist als der erste Durchmesser.

11. Laserdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der konvexe Spiegelteil (41a) eine transparente Schicht (48) umfaßt, die die sphärische Oberfläche bedeckt, um das Durchtreten des optischen Strahles durch die sphärische Oberfläche als ein paralleler optischer Strahl zu erleichtern.

12. Laserdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Hauptoberfläche der Kontaktschicht (64a) ein zweiter konvexer Spiegelteil ist, um den optischen Strahl zu reflektieren, so daß der optische Strahl in der aktiven Schicht (63a) konzentriert wird.

13. Laserdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat eine erste Schicht (41) aus InP umfaßt, die eine obere Hauptoberfläche und eine untere Hauptoberfläche hat, die mit der unteren Hauptoberfläche des Substrats zusammenfällt, und eine zweite Schicht (42) aus InP, die epitaxial auf der ersten Schicht gewachsen ist, welche zweite Schicht eine untere Hauptoberfläche hat, die mit der oberen Hauptoberfläche der ersten Schicht zusammenfällt, und eine obere Hauptoberfläche, die mit der oberen Hauptoberfläche des Substrats zusammenfällt.

14. Laserdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungseinrichtung eine Polyimidschicht (45) umfaßt, die auf der oberen Hauptoberfläche des Substrats (42) vorgesehen ist.

15. Laserdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht (58) eine Hüllzone (58a) entlang der zweiten Seitenwand enthält, um eine Reflexion des optischen Strahls an der zweiten Seitenwand zu reduzieren, welche Hüllzone einen vierten Brechungsindex hat, der zwischen dem ersten Brechungsindex und dem zweiten Brechungsindex liegt.

16. Laserdiode nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht eine Mehrfach-Quantenmuldenstruktur (58) hat, die eine Quantenmuldenschicht (51&sub2;) aus einem ersten undotierten Halbleitermaterial und eine Sperrschicht (51&sub1;) aus einer zweiten undotierten Halbleiterschicht hat, welche Quantenmuldenschicht durch diskrete Quantenniveaus gekennzeichnet ist, welche Mehrfach-Quantenmuldenstruktur entsprechend der Hüllzone (58a) modifiziert ist.

17. Laserdiode nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllzone (58a) eine Zone umfaßt, die mit einem Verunreinigungselement auf den zweiten Leitfähigkeitstyp dotiert ist.

18. Laserdiode nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht ferner eine undotierte Halbleiterschicht (56) zwischen dem Substrat (55) und der Mehrfach-Quantenmuldenstruktur (58) umfaßt.