DE69521719T2

DE69521719T2 - Halbleiter-laserelement

Info

Publication number: DE69521719T2
Application number: DE69521719T
Authority: DE
Inventors: Tsuyoshi Fujimoto; Yumi Naito
Original assignee: Mitsui Chemicals Inc
Current assignee: Mitsui Chemicals Inc
Priority date: 1994-12-28
Filing date: 1995-12-25
Publication date: 2002-04-25
Anticipated expiration: 2015-12-26
Also published as: EP0805533A1; DE69521719D1; EP0805533A4; KR100271674B1; CA2208999A1; KR987001150A; WO1996020522A1; EP0805533B1; CA2208999C; US5949807A

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiterlaservorrichtung, die zu einem Betrieb mit hoher Ausgabe bei hoher Effizienz fähig ist und die vorzugsweise zur Kommunikation, für Laserdrucker, für eine Lasermedizinbehandlung und eine Laserbearbeitung und so weiter verwendet wird.

STAND DER TECHNIK

Zum Zwecke eines Erhöhens der Ausgabe einer Halbleiterlaservorrichtung ist ein Typ von Halbleiterlaservorrichtung vorgeschlagen worden, bei welchem der Freiheitsgrad in bezug auf die Energiebandlücken von Mantelschichten, die an den Außenseiten von Trägerblockierungsschichten ausgebildet sind, durch Versehen der Trägerblockierungsschichten mit einer breiten Bandlücke und einer geringen Dicke an beiden Seiten einer aktiven Schicht erhöht wird. Bei einem solchen Aufbau begrenzen die Trägerblockierungsschichten effizient injizierte Träger in die aktive Schicht, und deshalb, weil die Trägerblockierungsschichten dünn ausgebildet sind, kann in der aktiven Schicht erzeugtes Licht auf einfache Weise dort hindurchlaufen und zu den äußeren Mantelschichten austreten. Dies verhindert eine plötzliche optische Beschädigung, die durch eine intensive Konzentration eines Laserstrahls an den Ausgabe-Endseiten der Halbleiterlaservorrichtung verursacht wird, und erhöht den COD-(katastrophalen optischen Beschädigungs-)Pegel an den Ausgabe-Endseiten, um dadurch eine höhere Laserausgabe zuzulassen.
Fig. 11(a) ist eine Querschnittsansicht einer solchen Halbleiterlaservorrichtung, Fig. 11(b) ist ein Profil von Bandlücken in ihren jeweiligen Schichten und Fig. 11(c) ist ein Profil des effektiven Brechungsindex in einem Fall, in welchem die Trägerblockierungsschichten und die aktive Schicht adäquat dünn ausgebildet sind, um den Wellenleitermode kaum zu beeinflussen. Die in Fig. 11 gezeigte Konstruktion wird im Vergleich mit einer bekannten Heterostruktur mit separater Begrenzung (SCH) perfekte SCH genannt (Internationale PCT-Veröffentlichung Nr. WO093/16513).
Gemäß Fig. 11(a) sind auf einem n-GaAs-Halbleitersubstrat (nicht gezeigt) sequentiell von unten eine zweite n-Typ- Mantelschicht (n-AlGaAs) 1, eine erste n-Typ-Mantelschicht (n-AlGaAs) 2, eine n-Typ-Trägerblockierungsschicht (n-AlGaAs) 3, eine aktive Schicht (eine GaAs/AlGaAs-Multiquanten- Wannenschicht 4, eine p-Typ-Trägerblockierungsschicht (p-AlGaAs) 5, eine erste p-Typ-Mantelschicht (p-AlGaAs) 6 und eine zweite p-Typ-Mantelschicht (p-AlGaAs) 7 ausgebildet.
Wie es in Fig. 11(b) gezeigt ist, ist die Bandlücke in jeder der Trägerblockierungsschichten 3 und 5 in bezug auf die Breite größer als diejenige in irgendeiner der aktiven Schicht 4 und den Mantelschichten 1, 2, 6 und 7, wodurch zugelassen wird, daß injizierte Träger in der aktiven Schicht 4 effektiv begrenzt werden. Demgemäß wird die Anzahl von Trägern, die die Laseroszillation stimulieren, erhöht werden, um somit die Effizienz einer Laseroszillation zu verbessern.
Wenn die Trägerblockierungsschichten und die aktive Schicht dünn genug sind, um den Wellenleitermode kaum zu beeinflussen, ist eine effektive Verteilung eines Brechungsindex, wie sie in Fig. 11(c) gezeigt ist, von einer flachen Wellenleiterstruktur, in welcher die erste n-Typ- Mantelschicht 2 bis zur ersten p-Typ-Mantelschicht 6 einen Anteil eines hohen Brechungsindex bilden und jede der zweiten n-Typ-Mantelschicht 1 und der zweiten p-Typ-Mantelschicht 7 Anteile eines niedrigen Brechungsindex bilden. Demgemäß breitet sich in der aktiven Schicht 4 erzeugtes Licht durch den gesamten Anteil mit hohem Brechungsindex aus, und als Folge wird die Spitzenintensität im Wellenleitermode niedrig, und somit tritt eine optische Beschädigung an den Ausgabe- Endseiten kaum auf, wodurch eine Halbleiterlaservorrichtung mit hoher Ausgabe realisiert werden kann.
Zusätzlich ist über eine InGaAlP/InP- Halbleiterlaservorrichtung einer MQW-DCH (Heterostruktur mit multiquantenwannenentkoppelter Begrenzung) berichtet, die mit Loch-Grenzschichten versehen ist (IEEE, Journal of Quantum Electronics, vol. 29, No. 6, Juni 1993, S. 1596-1600).
Zum Erhalten einer Halbleiterlaservorrichtung mit hoher Ausgabe und hoher Effizienz ist es wichtig, den internen Verlust aufgrund einer Absorption von freien Trägern zu reduzieren, sowie die injizierten Träger in der aktiven Schicht effizient zu begrenzen.
Bei einer Halbleiterlaservorrichtung einer perfekten SCH werden die injizierten Träger in der aktiven Schicht durch die Trägerblockierungsschicht, die unter den Schichten die breiteste Bandlücke hat und benachbart zur aktiven Schicht ist, erfolgreich begrenzt. Da diese Trägerblockierungsschicht zuläßt, daß Licht auf einfache Weise zu den Mantelschichten austritt, wird die Trägerblockierungsschicht allgemein in eine sehr dünne Schicht mit einer Dicke von 0,01 bis 0,03 um in der Dicke ausgebildet. In einem Fall, in welchem die Dotierungskonzentration der Trägerblockierungsschicht, die ausgebildet ist, um eine breite Bandlücke zu haben und sehr dünn zu sein, ungeeignet ist, tritt eine Verarmung der gesamten Trägerblockierungsschicht auf, was in einer ungeeigneten Begrenzung der Träger in der aktiven Schicht resultiert. Es ist für die Trägerblockierungsschicht somit erforderlich, daß die Dotierungskonzentration durch Verwendung eines Dotierungsmittels mit einer hohen Dotierungseffizienz und einem geringen Diffusionsvermögen erhöht wird. Jedoch ist Zink, das gemeinhin als p-Typ- Dotierungsmittel verwendet wird, ein Element, das auf einfache Weise in einer großräumigen Form diffundiert wird. Demgemäß übersteigt die Diffusionsmenge von Zink die Dicke der Trägerblockierungsschicht drastisch, und somit ist es unmöglich, eine hohe Dotierungskonzentration in den sehr dünnen Trägerblockierungsschichten zu bilden.
Die Effizienz der Halbleiterlaservorrichtung hängt stark von Pegeln eines internen Verlustes ab, der durch Absorption von freien Trägern verursacht wird. Diese Absorption freier Träger wird durch die Dotierungskonzentration jeder Schicht gesteuert, wo Licht ausgebreitet wird. Je höher die Dotierungskonzentration ist, um so stärker erhöht sich der interne Verlust. Demgemäß ist es für die Dotierungskonzentration jeder Schicht, wo Licht ausgebreitet wird, erforderlich, daß sie auf einen minimalen wesentlichen Pegel abgesenkt wird.
Fig. 12(a) stellt eine Bandlückenverteilung in einer SCH- Halbleiterlaservorrichtung dar, und Fig. 12(b) zeigt eine Bandlückenverteilung in einer Halbleiterlaservorrichtung einer perfekten SCH, welche Beispiele zeigen, wo die aktive Schicht eine Quantenwannenschicht und zwei Grenzschichten, die jeweils an den Seiten der Quantenwannenschicht gegenüberliegend angeordnet sind, aufweist.
Bei der in Fig. 12(a) gezeigten SCH begrenzen die Mantelschichten, die zum Haben von breiten Bandlücken und großen Dicken ausgebildet sind, injizierte Träger in die aktive Schicht. Obwohl die Träger in der aktiven Schicht durch eine thermische Anregung in Bewegung sind, um in Richtung zu den Mantelschichten überzulaufen, werden sie aufgrund der dicken Mantelschichten mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit in die aktive Schicht zurückdiffundiert. Demgemäß kann eine hohe Effizienz zum Begrenzen der Träger in der aktiven Schicht erreicht werden. Jedoch kann deshalb, weil sich der Wellenleitermode in der aktiven Schicht konzentriert, ein Betrieb mit hoher Ausgabe auf einfache Weise Schäden an den Endseiten verursachen.
Bei der perfekten SCH der Fig. 12(b) sind die injizierten Träger durch die Trägerblockierungsschichten in die aktive Schicht begrenzt, die benachbart zur aktiven Schicht sind und unter den Schichten eine breiteste Bandlücke haben. Für den Zweck, zuzulassen, daß Licht auf einfache Weise zu den Mantelschichten austritt, ist die Trägerblockierungsschicht allgemein derart ausgebildet, daß sie eine geringe Dicke von 0,01 bis 0,03 um hat. Der Wellenleitermode wird somit erweitert, und eine Verbesserung eines COD-Pegels wird erreicht, was in einem Betrieb mit hoher Ausgabe resultiert.
Die Träger, die über die Trägerblockierungsschichten geflossen sind, sind in den ersten Mantelschichten verteilt, die kleinere Bandlücken als diejenigen der Trägerblockierungsschichten haben, wie es in Fig. 12(b) gezeigt ist. In diesem Fall wird dann, wenn einmal einige Träger übergelaufen sind, durch die hohen Potentialbarrieren der Trägerblockierungsschichten verhindert, daß die übergelaufenen Träger in die aktive Schicht zurückdiffundieren. Demgemäß wird bei der perfekten SCH die Effizienz einer Begrenzung der Träger in die aktive Schicht auf einfache Weise erniedrigt, und daher ist es nötig, den Überlauf der Träger zu unterdrücken.
Zu dem Zweck werden die Bandlücken in den Trägerblockierungsschichten vergrößert, um die Trägerblockierungsfunktion zu verstärken.
Jedoch hat ein für die Trägerblockierungsschicht einsetzbares Material eine Bandlückengrenze. Insbesondere erhöht sich bei einer III-V-Halbleiterverbindung, wie beispielsweise bei AlGaAs, selbst wenn ein Typ von Material mit breiter Bandlücke verwendet wird, der Versatz eines Leitungsbands nicht, weil die Bandkanten zu einem indirekten Übergangstyp werden.
Ebenso ist die effektive Masse von leitenden Elektronen klein, und dann, wenn das Quasi-Ferminiveau eines Elektrons ansteigt, wenn die Träger injiziert werden, wird der Überlauf von Elektronen kaum vernachlässigbar sein.
Zusätzlich ist ein zugehöriger Stand der Technik einer japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung JP-A 6-232512 bekannt, die ein Beispiel offenbart, daß ein hoher Trägerkonzentrationsanteil und ein niedriger Trägerkonzentrationsanteil in einer p-Typ-Mantelschicht ausgebildet sind, und Kohlenstoff als Dotierungsmittel davon verwendet wird. Jedoch existiert keine Trägerblockierungsschicht, die zur vorliegenden Erfindung gehört, und demgemäß sind die Struktur und die Charakteristiken einer Vorrichtung völlig unterschiedlich voneinander.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Begrenzung von Trägern in einer aktiven Schicht sicherzustellen und auch den internen Verlust auf ein niedrigeres Niveau zu unterdrücken, um eine Halbleiterlaservorrichtung mit hoher Effizienz und höher Ausgabe zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die optische Beschädigung von Ausgabe-Endseiten zu unterdrücken, welche die hohe Energieausgabe abriegelt, und eine Halbleiterlaservorrichtung zu schaffen, die eine hohe Energieausgabe weiter erleichtern kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Begrenzung von Trägern in einer aktiven Schicht sicherzustellen, und insbesondere den Überlauf von Elektronen zu stoppen, welcher ein Problem verursachen wird, und eine Halbleiterlaservorrichtung mit hoher Effizienz und hoher Ausgabe zu schaffen.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Halbleiterlaservorrichtung, wie sie im Anspruch 1 definiert ist und die folgendes aufweist: n-Typ- und p-Typ- Mantelschichten, die an beiden Seiten einer aktiven Schicht angeordnet sind; und n-Typ- und p-Typ- Trägerblockierungsschichten, die benachbart zur aktiven Schicht angeordnet sind und breitere Bandlücken als diejenigen der aktiven Schicht und der Mantelschichten haben, wobei ein Dotierungsmittel der p-Typ- Trägerblockierungsschicht Kohlenstoff oder Magnesium ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird Kohlenstoff oder Magnesium, was in bezug auf die Dotierungseffizienz hoch und in bezug auf ein Diffusionsvermögen niedrig ist, als Dotierungsmittel der p-Typ-Trägerblockierungsschicht verwendet, wodurch ein Dotierungsmittel mit einer hohen Konzentration bei einem Herstellungsverfahren dotiert werden kann. In einem Fall, daß die Trägerblockierungsschicht sehr dünn ist, kann die Diffusion des Dotierungsmittels, welche während der Herstellung auftritt, zu einem praktisch vernachlässigbaren Pegel abgesenkt werden. Spezifischer ist entweder Kohlenstoff oder Magnesium in großräumiger Form in bezug auf das Diffusionsvermögen niedrig, und seine Diffusionslänge wird zu einem praktisch vernachlässigbaren Pegel kleiner als die Dicke der Trägerblockierungsschicht. Als Ergebnis kann in einem Fall, daß die Trägerblockierungsschicht extrem dünn ist, eine hohe Dotierungskonzentration realisiert werden.
Weiterhin ist, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, der Bereich der aktiven Schicht nicht dotiert ausgebildet, und die Dotierungskonzentrationen der n-Typ- und p-Typ- Trägerblockierungsschichten 13 und 15, die benachbart zur aktiven Schicht sind, sind stark dotiert ausgebildet, wodurch eine Verarmung in den Trägerblockierungsschichten 13 und 15 unterdrückt wird, um eine Potentialbarriere auf einem ausreichenden Pegel zu halten, was in einer effektiven Begrenzung der injizierten Träger in die aktive Schicht 14 resultiert. Herkömmlicherweise ist es gebräuchlich, Zink als p-Typ-Dotierungsmittel zu verwenden. Zink ist jedoch ein Element mit einem hohen Diffusionsvermögen, und zwar insbesondere in einer großräumigen Form, und die Diffusionslänge von Zink während der Herstellung ist verglichen mit der Dicke der Trägerblockierungsschicht extrem erhöht. Als Ergebnis schlägt die Trägerblockierungsschicht mit einer kleinen Dicke diesbezüglich fehl, in bezug auf die Dotierungskonzentration hoch zu sein. Ebenso können Teile von Zink, das in der aktiven Schicht diffundiert ist, ein Verbreitern bzw. Aufweiten des Lichtemissionsspektrums verursachen.
In einem Fall, in welchem die Trägerblockierungsschichten mit einer Dicke von z. B. 0,01 bis 0,03 um ausgebildet sind, indem Kohlenstoff oder Magnesium verwendet wird, welches in bezug auf das Diffusionsvermögen niedrig ist, kann das oben beschriebene Dotieren vom Stufentyp auf einfache Weise realisiert werden. Dies verstärkt die Trägerblockierfunktion und verkleinert nutzlose Ströme, die kaum zu einer Rekombination für eine Emission beitragen, und verbessert die Temperaturabhängigkeit (charakteristische Temperatur) einer Oszillationsschwelle, wodurch die Effizienz einer Laseroszillation erhöht wird.
In bezug auf die Diffusionskonstante jedes Elements in GaAs gibt es Berichte, daß die Diffusionskonstante von Kohlenstoff C unter einer geeigneten Bedingung 1 · 10&supmin;¹&sup5; cm²/sek bei 900ºC ist (Literatur 1), dasjenige von Magnesium Mg 1,4 · 10&supmin;¹³ cm²/sek bei 900ºC ist (Literatur 2) und diejenige von Zink Zn 3,2 · 10&supmin;&sup8; cm²/sek bei 900ºC ist (Literatur 2). Literatur 1: Journal Vacuum Science Technology A, vol. 18, No. 3, Mai/Juni 1990, S. 2980 und Literatur 2: Journal Applied Physics, 59(4), 15(1986), S. 1156) Wie es offensichtlich ist, ist Kohlenstoff in bezug auf das Diffusionsvermögen um eine Größenordnung von sieben Dezimalstellen niedriger als Zink, und ist Magnesium um eine Größenordnung von fünf Dezimalstellen niedriger als Zink. Somit wird Kohlenstoff am meisten bevorzugt als das Dotierungsmittel verwendet. Übrigens ist die Diffusionslänge proportional zur Quadratwurzel der Diffusionskonstante.
Fig. 2 ist ein graphisches Diagramm, das den Akzeptorpegel von p-Typ-Dotierungsmitteln in AlGaAs zeigt, wobei die Abszisse einen Gehalt x einer Al-Komponente darstellt. Der Akzeptorpegel von Zink wird tief, wenn die Al-Komponente sich erhöht. Andererseits ist Kohlenstoff oder Magnesium ein Element, das einen Akzeptorpegel bildet, der flacher als Zink als Ganzes ist, während der Al-Gehalt x variiert. Somit wird die Potentialbarriere gegenüber Elektronen in der p-Typ- Trägerblockierungsschicht 5 erhöht werden, wodurch die Trägerbegrenzung verstärkt wird.
Es ist bei der vorliegenden Erfindung bevorzugt, daß eine Modulationsdotierung auf die n-Typ- und p-Typ- Trägerblockierungsschichten angewendet wird, so daß Dotierungsmengen der n-Typ- und p-Typ- Trägerblockierungsschichten größer als diejenigen von wenigstens einer der n-Typ- und p-Typ-Mantelschichten benachbart zu den Trägerblockierungsschichten sind.
Dies läßt zu, daß die Trägerblockierungsschichten die Trägerbegrenzung in die aktive Schicht und die Mantelschichten verstärken, wo Licht ausgebreitet wird, um in bezug auf die Konzentration von freien Trägern vermindert zu werden, wodurch der interne Verlust unterdrückt wird.
Bei der vorliegenden Erfindung ist es auch vorzuziehen, daß eine Modulationsdotierung angewendet wird, so daß Dotierungsmengen der n-Typ- und p-Typ- Trägerblockierungsschichten 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ oder darüber sind und eine Dotierungsmenge von wenigstens einer der n-Typ- und p-Typ-Mantelschichten benachbart zu den Trägerblockierungsschichten 3 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ oder darunter ist.
Ein Verwenden einer Modulationsdotierung, wo die Dotierungsmenge größer als 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ in den n-Typ- und p- Typ-Trägerblockierungsschichten ist, und kleiner als 3 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ in den n-Typ- und p-Typ-Mantelschichten, wird die Trägerbegrenzungsfunktion adäquat beibehalten und wird der interne Verlust unterdrückt werden. Zusätzlich ist deshalb, weil ein exzessives Dotieren in den Trägerblockierungsschichten in einer hohen Absorption freier Träger oder einer Ablenkung der kristallinen Eigenschaft resultieren kann, die Dotierungsmenge vorzugsweise auf bis zu 1 · 10¹&sup9; cm&supmin;³ zu beschränken. Ein Minimum der Dotierungsmenge in den Mantelschichten ist vorzugsweise 1 · 10¹&sup6; Cm&supmin;³, um ein Erhöhen des elektrischen Widerstands zu verhindern.
Weiterhin schafft die Erfindung eine Halbleiterlaservorrichtung wie sie im Anspruch 4 definiert ist, die folgendes aufweist: n-Typ- und p-Typ- Mantelschichten, die an beiden Seiten einer aktiven Schicht angeordnet sind; und n-Typ- und p-Typ- Trägerblockierungsschichten, die benachbart zur aktiven Schicht sind und breitere Bandlücken als diejenigen der aktiven Schicht und der Mantelschichten haben,
wobei die aktive Schicht eine Einzelquanten- oder Multiquanten-Wannenstruktur hat, die aus Wannenschichten mit ansteigenden Quanten zusammengesetzt ist, und Grenzschichten, deren Bandlücke breiter als diejenige der Quantenwannenschichten ist, und die Grenzschichten mit Kohlenstoff oder Magnesium dotiert sind.
Gemäß der Erfindung sind die Grenzschichten in der Quantenwannenstruktur der aktiven Schicht durch ein sogenanntes Modulationsdotieren mit Kohlenstoff oder Magnesium dotiert. Fig. 3 ist ein Profil der Bandlückenverteilung bei der modulationsdotierten Multiquantenwannenstruktur. Dort sind drei Grenzschichten zwischen und an den Außenseiten der zwei Quantenwannenschichten ausgebildet. Da die Grenzschichten mit Kohlenstoff oder Magnesium dotiert sind, werden die Löcher zu den Quantenwannenschichten bewegt und in ihnen lokalisiert, wo die Bandlücke klein ist. Demgemäß wird die Konzentration der Löcher in den Quantenwannenschichten hoch sein.
Fig. 4 ist ein graphisches Diagramm, das einen optischen Gewinn bzw. eine optische Verstärkung in bezug zu einer injizierten Trägerkonzentration zeigt. Die Konzentration injizierter Träger über der Abszisse stellt eine Anzahl von Trägern pro Einheitenbereich eines Quadratzentimeters in der Einzelquantenwannentruktur dar. Die optische Verstärkung der Halbleiterlaservorrichtung ist entlang der Ordinate gezeigt. Jede der Kurven zeigt die optische Verstärkung, wie sie mit der Dotierungskonzentration in den Grenzschichten variiert wird. Die Kurve L1 ist ohne Dotierung in den Grenzschichten, L2 ist mit einer Dotierungskonzentration von 5 · 10¹&sup7; cm&supmin;³, L3 ist mit einer Dotierungskonzentration von 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³, L4 ist mit einer Dotierungskonzentration von 1,5 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ und L5 ist mit einer Dotierungskonzentration von 2 · 10¹&sup8; cm&supmin;³.
Wie es aus der Kurve offensichtlich wird, erhöht sich die optische Verstärkung, wenn sich die Konzentration injizierter Träger erhöht, und auch wenn die Dotierungskonzentration in den Grenzschichten höher wird. Weil irgendeine exzessive Dotierung eine Diskrepanz der Gitterkonstante hervorrufen kann, ist eine obere Grenze für die Dotierungskonzentration vorzugsweise 1 · 10¹&sup9; Cm&supmin;³, und noch bevorzugter existiert die Dotierungskonzentration innerhalb eines Bereichs von 1 · 10¹&sup7; bis 1 · 10¹&sup9; cm&supmin;³.
Ein Erhöhen der Löcherkonzentration in der Quantenwanne kann das Quasi-Ferminiveau von Elektronen in der aktiven Schicht während einer Laseroszillation (wobei die Verstärkung konstant ist) auf niedriger als im Stand der Technik absenken. Dies wird den Überlauf von Elektronen in der aktiven Schicht über die Trägerblockierungsschichten vermindern, und somit die Trägerbegrenzung in der aktiven Schicht verstärken.
Insbesondere dann, wenn die Quantenwannenschicht und die Grenzschichten in der aktiven Schicht aus einer AlGaAs- Halbleiterzusammensetzung hergestellt sind, kann ein Phänomen, daß das Quasi-Ferminiveau von Elektronen während der Laseroszillation auf zu hoch ansteigt, weil das Effektivmassenverhältnis zwischen Löchern und Elektronen so hoch wie nahezu 7 ist, verhindert werden, während der Trägerüberlauf abgesenkt werden wird. Dies reduziert merklich unnütze Ströme, die kaum zur Rekombination für eine Laseremission beitragen, wodurch die Temperaturabhängigkeit (charakteristische Temperatur) einer Oszillationsschwelle verbessert wird.
Da Kohlenstoff oder Magnesium, die als Dotierungsmittel verwendet werden, in bezug auf das Diffusionsvermögen klein ist, kann die Dotierungskonzentration in einem schmalen Bereich erfolgreich erhöht werden, wobei die Diffusion während der Herstellung unterdrückt wird. Dies kann das Modulationsdotieren realisieren, bei welchem die Quantenwannenschichten nicht dotiert werden und die Grenzschichten dotiert werden. Ebenso kann eine Störung in bezug auf die Quantenwannnenstruktur aufgrund einer Diffusion oder einer Erhöhung der Oszillationsschwelle aufgrund einer Erweiterung des Laserspektrums vermieden werden.
Es ist bei der vorliegenden Erfindung auch vorzuziehen, daß jede der n-Typ- und p-Typ-Mantelschichten in der Reihenfolge von der Seite der aktiven Schicht aus eine erste Mantelschicht und eine zweite Mantelschicht aufweist, und wenn eine normalisierte Frequenz V wie folgt definiert ist:
V = (π·d1/λ)·(N1² - N2²)0,5
wobei π die Kreiskonstante ist, λ die Oszillationswellenlänge ist, N1 der maximale Brechungsindex der ersten Mantelschicht ist, N2 der Brechungsindex der zweiten Mantelschicht ist und d1 die effektive Dicke zwischen den zweiten Mantelschichten ist, die normalisierte Frequenz V folgende Bedingung erfüllt:
V > π/3
Wenn der Brechungsindex in der ersten Mantelschicht konstant ist, ist der maximale Brechungsindex N1 ein konstanter Wert. Wenn der Brechungsindex in der ersten Mantelschicht variiert, ist N1 der maximale Wert. Die effektive Dicke d1 wird aus der folgenden Gleichung berechnet:
d1 = (Nw(x) - N&sub2;)dx/(N&sub1; - N&sub2;) (1)
wobei Nw(x) der Brechungsindex bei einer spezifischen Stelle (x) zwischen den zweiten Mantelschichten ist, und x1 und x2 die Stellen an der Schnittstelle der zweiten n-Typ- Mantelschicht bzw. diejenige der zweiten p-Typ-Mantelschicht benachbart zur aktiven Schicht sind.
Wenn die Dotierung mit Kohlenstoff oder Magnesium durchgeführt wird, wird die Dicke der Trägerblockierungsschichten benachbart zur aktiven Schicht zu einem derartigen niedrigen Wert verringert, daß er den Wellenlängenmode nicht beeinflußt. Wenn die normalisierte Frequenz V des Wellenleiters, der aus der aktiven Schicht, den Trägerblockierungsschichten und der ersten Mantelschicht besteht, größer als π/3 ist, kann der Wellenleitermode durch ein ideales Gauß-Profil angenähert werden. Ebenso wird dann, wenn die Spitze des Wellenleitermodes in der aktiven Schicht abgesenkt wird, der COD-Pegel an den Ausgabe-Endseiten der Halbleiterlaservorrichtung erhöht werden. Zum Verhindern einer Multimodeoszillation ist die normalisierte Frequenz V vorzugsweise kleiner als 2π.
Es ist bei der Erfindung vorzuziehen, daß die Trägerblockierungsschichten und die Mantelschichten aus einer III-V-Gruppen-Halbleiterverbindung ausgebildet sind.
Die aus der III-V-Gruppen-Halbleiterverbindung ausgebildeten Trägerblockierungsschichten und Mantelschichten lassen zu, daß das Dotierungsmittel aus Kohlenstoff oder Magnesium in bezug auf das Diffusionsvermögen niedrig bleibt, wodurch die Dotierungskonzentration erhöht wird.
Es ist bei der Erfindung auch vorzuziehen, daß die Trägerblockierungsschichten und die Mantelschichten aus einer AlGaAs-Basis-Halbleiterverbindung ausgebildet sind.
Die Trägerblockierungsschichten und Mantelschichten, die aus der AlGaAs-Basis-Halbleiterverbindung ausgebildet sind, lassen zu, daß der Akzeptorpegel, der durch Kohlenstoff oder Magnesium gebildet wird, flach bleibt, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, wodurch die Potentialbarriere in den Trägerblockierungsschichten erhöht wird. Ebenso kann die Dotierungskonzentration der Trägerblockierungsschichten aufgrund der hohen Dotierungseffizienz und des niedrigen Diffusionsvermögens höher ausgebildet werden.
Es ist bei der Erfindung vorzuziehen, daß die Quantenwannenschicht und die Grenzschichten aus einer III-V- Gruppen-Halbleiterverbindung ausgebildet sind.
Ebenso ist es bei der Erfindung auch vorzuziehen, daß die Quantenwannenschicht und die Grenzschichten aus einer AlGaAs- Basis-Halbleiterverbindung ausgebildet sind.
Die Quantenwannenschicht und die Grenzschichten, die aus der III-V-Gruppen- oder AlGaAs-Basis-Halbleiterverbindung ausgebildet sind, lassen zu, daß das Dotierungsmittel aus Kohlenstoff oder Magnesium in bezug auf das Diffusionsvermögen niedrig bleibt, wodurch die Dotierungskonzentration in der Grenzschicht erhöht wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1(a) ist eine Querschnittsansicht, die ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt; während
Fig. 1(b) ein Profildiagramm ist, das die Dotierungskonzentration von Schichten von der ersten n-Typ-Mantelschicht zur zweiten p-Typ- Mantelschicht zeigt;
Fig. 2 ist ein graphisches Diagramm, das den Akzeptorpegel von p-Typ-Dotierungsmitteln in AlGaAs zeigt;
Fig. 3 ist eine Ansicht einer Bandlückenverteilung in einer Multiquantenwannenstruktur bei einem Modulationsdotieren;
Fig. 4 ist ein graphisches Diagramm, das die optische Verstärkung gegenüber einer Konzentration injizierter Träger zeigt;
Fig. 5 ist ein Profildiagramm, das die Konzentration verschiedener Elemente nahe der aktiven Schicht in einer Probe entsprechend einem Ausführungsbeispiel 1 zeigt, wobei Kohlenstoff als das p-Typ-Dotierungsmittel verwendet wird;
Fig. 6 ist ein Profildiagramm, das die Konzentration von verschiedenen Elementen nahe der aktiven Schicht in einer Probe entsprechend einem Vergleich 1 zeigt, wobei Zink als das p-Typ-Dotierungsmittel verwendet wird;
Fig. 7(a) ist eine Querschnittsansicht, die ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt, während
Fig. 7(b) ein Profildiagramm ist, das die Dotierungskonzentration von Schichten von der ersten n-Typ-Mantelschicht zur zweiten p-Typ- Mantelschicht zeigt;
Fig. 8 ist ein Profildiagramm, das die Konzentration verschiedener Elemente nahe der aktiven Schicht in einer Probe entsprechend dem Ausführungsbeispiel 2 zeigt, wobei Kohlenstoff als das p-Typ-Dotierungsmittel verwendet wird;
Fig. 9 ist ein Profildiagramm, das die Konzentration verschiedener Elemente nahe der aktiven Schicht in einer Probe entsprechend einem Vergleich 2 zeigt, wobei Zink als das p-Typ-Dotierungsmittel verwendet wird;
Fig. 10(a) ist eine Querschnittsansicht, die ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt, während
Fig. 10(b) eine vergrößerte Querschnittsansicht einer aktiven Schicht 14 ist;
Fig. 11(a) ist eine Querschnittsansicht, die eine herkömmliche Halbleiterlaservorrichtung zeigt,
Fig. 11(b) ist ein Profildiagramm von Bandlücken jeweiliger Schichten; und
Fig. 11(c) ist ein Profildiagramm, das den effektiven Brechungsindex zeigt; und
Fig. 12(a) ist ein Bandlückendiagramm einer Halbleiterlaservorrichtung mit einer SCH- Struktur, während
Fig. 12(b) ein Bandlückendiagramm einer Halbleiterlaservorrichtung mit einer perfekten SCH-Struktur ist.

BESTE ART ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG

Ausführungsbeispiel 1

Fig. 1(a) ist eine Querschnittsansicht, die ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt. Bei dieser Halbleiterlaservorrichtung sind auf einem Halbleitersubstrat (n-GaAs) 20 in Aufeinanderfolge eine zweite n-Typ- Mantelschicht (n-Al0,48Ga0,52As mit einer Donatorkonzentration von 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,7 um) 11, eine erste n-Typ-Mantelschicht (n-Al0,31Ga0,69As mit einer Donatorkonzentration von 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,4 um) 12, eine n-Typ-Trägerblockierungsschicht (n-Al0,60Ga0,40As mit einer Donatorkonzentration von 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,014 um) 13, eine aktive Schicht (DQW: Doppelquantenwanne aus GaAs/Al0,31Ga0,69As ohne Dotierung) 14, eine p-Typ-Trägerblockierungsschicht (p-Al0,50Ga0,50As) mit einer Akzeptorkonzentration von 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,021 um) 15, eine erste p-Typ-Mantelschicht (p- Al0,31Ga0,69As mit einer Akzeptorkonzentration von 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,4 um) 16, eine zweite p-Typ- Mantelschicht (p-Al0,48Ga0,52As mit einer Akzeptorkonzentration von 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,7 um) 17, eine Strombeschränkungsschicht (n-GaAs mit einer Donatorkonzentration von 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,3 um) 18 und eine p-Typ-Kontaktschicht (p-GaAs mit einer Akzeptorkonzentration von 3 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ bis 1 · 10¹&sup9; cm&supmin;³ und einer Dicke von 2 um) 19 durch eine metallische organische chemische Dampfablagerung (MOCVD) ausgebildet, wobei Se (Selenium) als Donator dotiert ist und C (Kohlenstoff) dotiert ist, außer bei der p-Typ-Kontaktschicht, wobei Zn dotiert ist.
Ohmsche Elektroden 21 und 22 sind jeweils oben auf der p-Typ- Kontaktschicht 19 und am Boden des Halbleitersubstrats 20 vorgesehen.
Fig. 1(b) ist ein Profildiagramm, das die Dotierungskonzentration der Schichten von der zweiten n-Typ- Mantelschicht 11 bis zur zweiten p-Typ-Mantelschicht 17 zeigt.
Es sollte angemerkt werden, daß die p-Typ- Trägerblockierungsschicht 15 mit Kohlenstoff dotiert ist.
Ein Vergleich 1 verwendet Zink, das als Akzeptor verwendet wird, und seine andere Struktur ist identisch zu derjenigen des Ausführungsbeispiels 1.
Die Fig. 5 und 6 sind Profildiagramme, die die Konzentration verschiedener Elemente nahe einer aktiven Schicht in einer Halbleiterlaservorrichtung mit einer perfekten SCH zeigen, welche Vorrichtung durch MOCVD ausgebildet ist. Fig. 5 entspricht dem Ausführungsbeispiel 1, wobei Kohlenstoff (C) als das p-Typ-Dotierungsmittel verwendet ist. Fig. 6 entspricht dem Vergleich 1, wobei Zink (Zn) als das p-Typ- Dotierungsmittel verwendet ist. Das n-Typ-Dotierungsmittel ist in beiden Fällen Selenium (Se). Proben, die in den Fig. 5 und 6 verwendet werden, sind zur Messung der Konzentration beabsichtigt. Die Probe der Fig. 5 ist von der Probe des Ausführungsbeispiels 1 durch die Tatsache unterschiedlich, daß die p-Typ-Trägerblockierungsschicht aus Al0,60Ga0,40As hergestellt ist und die erste Mantelschicht aus Al0,30Ga0,70As hergestellt ist. Ebenso ist die Probe der Fig. 6 von der Probe des Vergleichs 1 durch die Tatsache unterschiedlich, daß die p-Typ-Trägerblockierungsschicht aus Al0,60Ga0,40As hergestellt ist.
Jedes der Profile zeigt eine Messung einer Signalintensität mit der Elementenkonzentration, die durch ein sekundäres Ionen-Massenspektrometer (SIMS) erfaßt wird, entlang der Ordinate und einer Tiefe in der Schicht entlang der Abszisse. Die Tiefe D1 entspricht der Position der p-Typ- Trägerblockierungsschicht, und die Tiefe D2 entspricht der Position der n-Typ-Trägerblockierungsschicht.
Gemäß dem in Fig. 5 gezeigten Al-Gehalt x ist beabsichtigt, daß x = 0,3 in der ersten p-Typ-Mantelschicht, die flacher als D1 ist, x = 0,6 bei D1 in der p-Typ- Trägerblockierungsschicht, x < 0,3 in der aktiven Schicht zwischen D1 und D2, x = 0,6 bei D2 in der n-Typ- Trägerblockierungsschicht und x = 0,3 in der ersten n-Typ- Mantelschicht, die tiefer als D2 ist. Der Al-Gehalt bezieht sich auf die Breite der Bandlücke, d. h. die Bandlücke ist minimal in der aktiven Schicht und maximal in beiden der Trägerblockierungsschichten. Die aktive Schicht hat eine Doppelquantenwannenstruktur und ihr Profil sollte mehr Anstiege und Abfälle zeigen, die aufgrund der Auflösung des SIMS verändert sind.
Die Elementenkonzentration von Kohlenstoff dc in Fig. 5 ist in einem Bereich 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³, der flacher als D1 ist und in einem Bereich fast Null, der tiefer als D2 ist.
Ebenso ist die Elementenkonzentration von Selenium ds in Fig. 5 in einem Bereich fast Null, der flacher als D2 ist, und in einem Bereich 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³, der tiefer als D1 ist.
In Fig. 6 zeigen der Al-Gehalt x und die Seleniumkonzentration ds Profile, die gleich denjenigen in Fig. 5 sind, wobei beide zueinander jeweils im wesentlichen konsistent sind.
Die Elementenkonzentration von Zink d2 in Fig. 6 ist in einem Bereich 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³, der flacher als D1 ist, und senkt sich in Richtung zu D1 nach und nach ab. Sie ist bei D1 fast die Hälfte des Spitzenwerts. Wie es offensichtlich ist, ist das Diffusionsvermögen von Zink hoch. Wenn die Trägerblockierungsschicht dünn ist, wird Zink auf einfache Weise zu den anderen Schichten entweichen, wodurch kaum eine hohe Dotierungskonzentration hervorgerufen wird. Es ist auch offensichtlich, daß die aktive Schicht mit Zink versetzt ist.
Andererseits ist Kohlenstoff ein Element, das in bezug auf das Diffusionsvermögen niedrig ist, und dessen Dotierungskonzentration selbst dann hoch sein kann, wenn die Trägerblockierungsschicht 15 sehr dünn ist. Dies verhindert eine nachteilige Verarmung bzw. Abwanderung durch die gesamte Schicht. Magnesium zeigt ein ähnliches Profil wie dasjenige von Kohlenstoff.
Zum Vergleich zwischen dem Ausführungsbeispiel 1 und dem Vergleich 1 ist das Ergebnis eines Messens der charakteristischen Temperatur und des internen Verlustes der Halbleiterlaservorrichtungen in der folgenden Tabelle (Tabelle 1) gezeigt. Die Schichtenkonstruktion, der Al-Gehalt x und die Dotierungskonzentration sind zueinander identisch. Ein Unterschied des Vergleichs 1 gegenüber dem Ausführungsbeispiel 1 besteht darin, daß die p-Typ- Trägerblockierungsschicht 15 mit Zink dotiert ist. Die anderen Bedingungen, einschließlich einer Hohlraumlänge von 700 um, einer Strominjektionsstreifenbreite von 50 um und keiner optischen Beschichtungen, in den Halbleiterlaservorrichtungen sind ebenso identisch. Es ist aus dem Vergleich herausgefunden worden, daß die charakteristische Temperatur, die die Temperaturabhängigkeit einer Oszillationsschwelle darstellt, von 120 K auf 140 K verbessert wird. Dies kann durch die Tatsache erklärt werden, daß dann, wenn die Dotierungskonzentration in den Trägerblockierungsschichten bei der Verwendung eines Dotierungsmittels von Kohlenstoff, welches in bezug auf das Diffusionsvermögen niedriger als Zink ist, auf einem erwünschten Pegel gehalten wird, die Träger in der aktiven Schicht verglichen mit dem Fall von Zink erfolgreich begrenzt werden. Tabelle 1

Ausführungsbeispiel 2

Fig. 7(a) ist eine Querschnittsansicht, die ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Bei dieser Halbleiterlaservorrichtung sind auf einem Halbleitersubstrat (n-GaAs) 20 in Aufeinanderfolge eine zweite n-Typ-Mantelschicht (n-Al0,48Ga0,52As mit einer Donatorkonzentration von 3 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,7 um) 11, eine erste n-Typ-Mantelschicht (n-Al0,31Ga0,69As mit einer Donatorkonzentration von 3 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,4 um) 12, eine n-Typ-Trägerblockierungsschicht (n-Al0,60Ga0,40As mit einer Donatorkonzentration von 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,014 um) 13, eine aktive Schicht (DQW: Doppelquantenwanne aus GaAs/Al0,31Ga0,69As ohne Dotierung) 14, eine p-Typ-Trägerblockierungsschicht (p-Al0,50Ga0,50As mit einer Akzeptorkonzentration von 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,021 um) 15, eine erste p-Typ- Mantelschicht (p-Al0,31Ga0,69As mit einer Akzeptorkonzentration von 3 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,4 um) 16, eine zweite p-Typ-Mantelschicht (p-Al0,48Ga0,52As mit einer Akzeptorkonzentration von 3 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,7 um) 17, eine Strombeschränkungsschicht (n-GaAs mit einer Donatorkonzentration von 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,3 um) 18 und eine p-Typ-Kontaktschicht (p-GaAs mit einer Akzeptorkonzentration von 3 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ bis 1 · 10¹&sup9; cm&supmin;³ und einer Dicke von 2um) 19 durch eine metallische organische chemische Dampfabscheidung (MOCVD) ausgebildet, wobei Se als Donator dotiert ist und C als Akzeptor dotiert ist, außer bei der p-Typ-Kontaktschicht, bei welcher Zn dotiert ist.
Ohmsche Elektroden 21 und 22 sind jeweils oben auf der p-Typ- Kontaktschicht 19 und am Boden des Halbleitersubstrats 20 vorgesehen.
Fig. 7(b) ist ein Profildiagramm, das die Dotierungskonzentration der Schichten von der zweiten n-Typ- Mantelschicht 11 zur zweiten p-Typ-Mantelschicht 17 zeigt. Es sollte beachtet werden, daß sowohl die Donatorkonzentration in der n-Typ-Trägerblockierungsschicht 13 als auch die Akzeptorkonzentration in der p-Typ-Trägerblockierungsschicht 15 auf 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ oder darüber eingestellt sind, während die Donatorkonzentration in der zweiten 11 und der ersten n- Typ-Mantelschicht 12 und die Akzeptorkonzentration in der ersten 16 und der zweiten p-Typ-Mantelschicht 17 auf 3 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ oder darunter eingestellt sind, wie es in Fig. 7(b) gezeigt ist, d. h. das Modulationsdotieren angewendet ist.
Da die Trägerblockierungsschichten 13 und 15 in bezug auf die Dotierungskonzentration hoch gehalten sind, wird die Verarmung der Schichten 13 und 15 als Ganzes unterdrückt, wodurch eine höhere Potentialbarriere erzeugt wird und injizierte Träger in der aktiven Schicht 14 effizient begrenzt werden. Wenn die Dotierungskonzentration in einem leicht leckenden Bereich oder den Mantelschichten 11, 12, 16 und 17 zu einem niedrigen Pegel ausgebildet ist, wird die Absorption von freien Trägern verringert werden, wodurch die Laseroszillationseffizienz verbessert wird. Das Ergebnis eines Messens der charakteristischen Temperatur und des internen Verlustes in der Halbleiterlaservorrichtung des Ausführungsbeispiels 2 ist auch in der Tabelle 1 gezeigt, und zwar unter den Bedingungen einschließlich einer Hohlraumlänge von 700 um, einer Strominjektionsstreifenbreite von 50 um und keiner optischen Beschichtungen. Verglichen mit dem Ausführungsbeispiel ist der interne Verlust merklich auf 1/5 reduziert während die charakteristische Temperatur unverändert bleibt.
Ein Vergleich 2 ist im wesentlichen identisch zum Ausführungsbeispiel 2, außer daß Zink als Akzeptor dotiert ist.
Fig. 8 ist ein graphisches Diagramm, das die Konzentration verschiedener Elemente nahe der aktiven Schicht in einer Probe entsprechend dem Ausführungsbeispiel 2 zeigt, wobei das p-Typ-Dotierungsmittel Kohlenstoff (C) ist. Fig. 9 ist ein ähnliches Diagramm, das dem Vergleich 2 entspricht, wobei das p-Typ-Dotierungsmittel Zink (Zn) ist. In beiden Fällen ist das n-Typ-Dotierungsmittel Selenium (Se). In den Fig. 8 und 9 verwendete Proben sind zur Messung der Konzentration beabsichtigt. Die Probe der Fig. 8 ist von der Probe des Ausführungsbeispiels 2 durch die Tatsache unterschiedlich, daß die p-Typ-Trägerblockierungsschicht aus Al0,60Ga0,40As hergestellt ist und die erste Mantelschicht aus Al0,30Ga0,70As hergestellt ist. Ebenso ist die Probe der Fig. 9 von der Probe des Vergleichs 2 durch die Tatsache unterschiedlich, daß die p-Typ-Trägerblockierungsschicht aus Al0,60Ga0,40As hergestellt ist.
Die Profile wie diejenigen, die in den Fig. 5 und 6 gezeigt sind, zeigen Messungen einer Signalintensität mit der Elementenkonzentration, die durch das SIMS erfaßt wird, entlang der Ordinate und einer Tiefe in der Schicht entlang der Abszisse. Die Tiefe D1 entspricht der Position der p-Typ- Trägerblockierungsschicht, und die Tiefe D2 entspricht der Position der n-Typ-Trägerblockierungsschicht.
Gemäß dem in Fig. 8 gezeigten Al-Gehalt x ist beabsichtigt, daß x = 0,3 in der ersten p-Typ-Mantelschicht, die flacher als D1 ist, x = 0,6 bei D1 in der p-Typ- Trägerblockierungsschicht, x < 0,3 in der aktiven Schicht zwischen D1 und D2, x = 0,6 bei D2 in der n-Typ- Trägerblockierungsschicht und x = 0,3 in der ersten n-Typ- Mantelschicht, die tiefer als D2 ist.
Die Elementenkonzentration von Kohlenstoff dc in Fig. 8 ist 3 x 10¹&sup7; cm&supmin;³ in einem Bereich, der flacher als D1 ist, 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ bei D2, und fast Null in einem Bereich, der tiefer als D2 ist.
Ebenso ist die Elementenkonzentration von Selenium ds in Fig. 8 fast Null in einem Bereich, der flacher als D2 ist, 1 · 10¹&sup8; Cm&supmin;³ bei D2 und 3 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ in einem Bereich, der tiefer als D2 ist.
In Fig. 9 zeigen der Al-Gehalt x und die Seleniumkonzentration ds Profile, die gleich denjenigen in Fig. 8 sind, wobei beide im wesentlichen konsistent zueinander sind.
Die Elementenkonzentration von Zink d2 in Fig. 9 ist 3 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ in einem Bereich, der flacher als D1 ist, und neigt sich in Richtung zu D1 nach und nach ab. Bei D1 ist keine Spitze gezeigt. Wie es offensichtlich ist, ist das Diffusionsvermögen von Zink hoch, und dann, wenn die Trägerblockierungsschicht dünn ist, wird Zink auf einfache Weise zu den anderen Schichten entweichen, wodurch schwerlich eine hohe Dotierungskonzentration erzeugt wird.
Andererseits ist Kohlenstoff ein Element, das in bezug auf das Diffusionvermögen niedrig ist, und dessen Dotierungskonzentration idealerweise selbst dann hoch sein kann, wenn die Trägerblockierungsschicht 15 sehr dünn ist. Magnesium zeigt ein solches ähnliches Profil wie dasjenige von Kohlenstoff.
Das Ergebnis einer Messung der charakteristischen Temperatur und des internen Verlustes der Halbleiterlaservorrichtung von sowohl dem Ausführungsbeispiel 2 als auch dem Vergleich 2 ist auch in der obigen Tabelle 1 unter den Bedingungen einschließlich einer Hohlraumlänge von 700 um, einer Strominjektionsstreifenbreite von 50 um und keiner optischen Beschichtungen gezeigt. Die Probe des Vergleichs 2 ist von derjenigen des Ausführungsbeispiels 2 durch die Tatsache unterschiedlich, daß Zink als Akzeptor dotiert ist. Verglichen mit dem Vergleich 2 ist die charakteristische Temperatur von 90 K zu 140 K merklich verbessert.
Die normalisierte Frequenz V der Ausführungsbeispiele 1 und 2 ist π. Die vorliegende Erfindung kann mit der normalisierten Frequenz von π/3 oder darunter implementiert werden. Es ist jedoch bevorzugt, daß die normalisierte Frequenz V größer als π/3 ist, weil die optische Beschädigung in bezug auf die Ausgabe-Endseiten unterdrückt wird, um mit Leichtigkeit eine höhere Ausgabe zuzulassen.
Obwohl beim Ausführungsbeispiel 2 sowohl die erste als auch die zweite Mantelschicht eine niedrige Konzentration haben, kann nur die erste Mantelschicht, die der aktiven Schicht näher ist, eine niedrige Konzentration haben.

Ausführungsbeispiel 3

Fig. 10(a) ist eine Querschnittsansicht, die ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Fig. 10(b) ist eine vergrößerte Querschnittsansicht einer aktiven Schicht 14.
Bei dieser Halbleiterlaservorrichtung sind auf einem Halbleitersubstrat (n-GaAs9 20 in Aufeinanderfolge eine zweite n-Typ-Mantelschicht (n-Al0,48Ga0,52As mit einer Donatorkonzentration von 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,7 um) 11, eine erste n-Typ-Mantelschicht (n-Al0,30Ga0,70As mit einer Donatorkonzentration von 3 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,4 um) 12, eine n-Typ-Trägerblockierungsschicht (n-Al0,60Ga0,40As mit einer Donatorkonzentration von 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,014 um) 13, eine aktive Schicht (SWA: Einzelquantenwanne) 14, eine p-Typ- Trägerblockierungsschicht (p-Al0,50Ga0,50As mit einer Akzeptorkonzentration von 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,021 um) 15, eine erste p-Typ-Mantelschicht (p-Al0,30Ga0,70As mit einer Akzeptorkonzentration von 3 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,4 um) 16, eine zweite p-Typ-Mantelschicht (p-Al0,48Ga0,52As mit einer Akzeptorkonzentration von 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,7 um) 17, eine Strombeschränkungsschicht (n-GaAs mit einer Donatorkonzentration von 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,3 um) 18 und eine p-Typ-Kontaktschicht (p-GaAs mit einer Akzeptorkonzentration von 3 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ bis 3 · 10¹&sup9; cm&supmin;³ und einer Dicke von 2 um) 19 durch MOCVD ausgebildet, wobei Se als Donator dotiert ist und C als Akzeptor dotiert ist, außer für die p-Typ-Kontaktschicht, bei welcher Zn dotiert ist.
Ohmsche Elektroden 21 und 22 sind jeweils oben auf der p-Typ- Kontaktschicht 19 und am Boden des Halbleitersubstrats 20 vorgesehen. Übrigens wird ein Laserstrahl entlang einer Richtung vertikal zur Papierfläche ausgebreitet und zwischen den zwei Endseiten oszilliert, die einen optischen Resonator bilden.
Wie es in Fig. 10(b) gezeigt ist, hat die aktive Schicht 14 eine Einzelquantenwannenstruktur, wobei in der nach oben gerichteten Folge eine nicht dotierte Grenzschicht (Al0,30Ga0,70As mit einer Dicke von 0,038 um) 34, eine p-Typ- dotierte Grenzschicht (p-Al0,30Ga0,70As mit einer kohlenstoffdotierten Akzeptorkonzentration von 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,010 um) 35, eine nicht dotierte Grenzschicht (Al0,30Ga0,70As mit einer Dicke von 0,002 um) 36, eine Quantenwannenschicht (GaAs mit keiner Dotierung und einer Dicke von 0,004 um) 37, eine nicht dotierte Grenzschicht (Al0,30Ga0,70As mit einer Dicke von 0,002 um) 38, eine p-Typ-dotierte Grenzschicht (Al0,30Ga0,70As mit einer kohlenstoffdotierten Akzeptorkonzentration vom · 10¹&sup8; cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,010 um) 39 und eine nicht dotierte Grenzschicht (Al0,30Ga0,70As mit einer Dicke von 0,038 um) 40 ausgebildet sind.
Es sollte beachtet werden, daß einzelne der Grenzschichten in der Einzelquantenwannenstruktur der aktiven Schicht 14 mit Kohlenstoff dotiert sind. Die durch die Kohlenstoffdotierung ausgebildeten Löcher sind in den Quantenwannenschichten lokalisiert, um zur Erhöhung einer optischen Verstärkung beizutragen. Als Ergebnis nimmt das Quasi-Ferminiveau ab und nimmt die Potentialbarriere in jeder Trägerblockierungsschicht relativ zu. Wenn die Effizienz einer Trägerbegrenzung erhöht wird, wird die charakteristische Temperatur der Halbleiterlaservorrichtung verbessert werden. Ebenso können die Quantenwannenschichten undotiert beibehalten werden, was ein Verbreitern des Lichtemissionsspektrums vermeidet.
Zum Vergleich wurde eine Halbleiterlaservorrichtung vorbereitet, bei welcher die p-Typ-dotierten Grenzschichten 35 und 39 durch undotierte Grenzschichten ersetzt werden. Es wurde durch eine Messung unter den allgemeinen Bedingungen einschließlich einer Hohlraumlänge von 1500 um, einer Strominjektionsstreifenbreite von 50 um und keiner optischen Beschichtung herausgefunden, daß die charakteristische Temperatur, die die Temperaturabhängigkeit einer Oszillationsschwelle darstellt, beim Vergleich 110 K und beim Ausführungsbeispiel 140 K ist, was etwa 30% höher ist.
Bei diesem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die p- Typ-dotierten Grenzschichten 35 und 39 mit Kohlenstoff dotiert; sie können mit Magnesium oder ähnlichem dotiert sein, was in bezug auf das Diffusionsvermögen niedrig ist.
Die aktive Schicht 14 ist nicht auf die Einzelquantenwannenstruktur beschränkt, sondern sie kann aus einer Multiquantenwannenstruktur (MQW) mit zwei oder mehreren Quantenwannen bestehen.
Bei diesem oben beschriebenen Ausführungsbeispielen verwenden die Halbleiterlaservorrichtungen eine AlGaAs-Basis- Halbleiterverbindung; sie können irgendein anderes geeignetes Material verwenden, bei welchem Kohlenstoff oder Magnesium als p-Typ-Dotierungsmittel verwendet werden kann.

VORTEILHAFTER EFFEKT DER ERFINDUNG

Wie es zuvor aufgezeigt ist, läßt die vorliegende Erfindung zu, daß die p-Typ-Trägerblockierungsschichten mit Kohlenstoff oder Magnesium dotiert werden, und sie selbst dann, wenn die Trägerblockierungsschichten dünn sind, eine geeignete Dotierungskonzentration haben, wodurch die Trägerbegrenzung in die aktive Schicht durch die Trägerblockierungsschicht sichergestellt wird. Dies wird stark zur Verbesserung der charakteristischen Temperatur beitragen. Ebenso können die Quantenwannenschichten undotiert bleiben, wodurch ein Verbreitern des Lichtemissionsspektrums vermieden wird.
Zusätzlich kann die Konzentration freier Träger in den Mantelschichten, in welchen Licht ausgebreitet wird, reduziert werden, wodurch der interne Verlust verringert werden kann. Die optische Beschädigung an den Ausgabe- Endseiten kann unterdrückt werden, um dadurch eine höhere Ausgabe zuzulassen.
Die vorliegende Erfindung läßt auch zu, daß die Grenzschicht in der Quantenwannenstruktur der aktiven Schicht mit Kohlenstoff oder Magnesium dotiert wird, um die Konzentration von Löchern in jeder Quantenwanne zu erhöhen. Dies senkt das Quasi-Ferminiveau von Elektronen in der aktiven Schicht, um dadurch die Wahrscheinlichkeit eines Elektronenüberlaufs von der aktiven Schicht zu verringern. Demgemäß kann die Effizienz einer Trägerbegrenzung in der aktiven Schicht verbessert werden, um dadurch die Laseroszillationseffizienz und die charakteristische Temperatur zu verbessern.
Als Ergebnis kann eine Halbleiterlaservorrichtung mit einer perfekten SCH mit hoher Effizienz und hoher Ausgabe erhalten werden.

Claims

1. Halbleiterlaservorrichtung, die folgendes aufweist: n- Typ- und p-Typ-Mantelschichten (11, 12, 16, 17), die an beiden Seiten einer aktiven Schicht (14) angeordnet sind; und eine n-Typ-Trägerblockierungsschicht (13), die benachbart zur aktiven Schicht (14) auf der Seite der n- Typ-Mantelschicht vorgesehen ist, und eine p-Typ- Trägerblockierungsschicht (15), die benachbart zur aktiven Schicht (14) auf der Seite der p-Typ- Mantelschicht vorgesehen ist, und wobei beide Trägerblockierungsschichten eine breitere Bandlücke als diejenigen der aktiven Schicht (14) und der Mantelschichten (11, 12, 16, 17) haben, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dotierungsmittel der p-Typ- Trägerblockierungsschicht (15) Kohlenstoff oder Magnesium ist.

2. Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Modulationsdotieren auf die n- Typ- und p-Typ-Trägerblockierungsschichten (13, 15) angewendet wird, so daß Dotierungsmengen der n-Typ- und p-Typ-Trägerblockierungsschichten (13, 15) größer als diejenige von wenigstens einer der n-Typ- und p-Typ- Mantelschichten (11, 12, 16, 17) sind, die benachbart zu den Trägerblockierungsschichten (13, 15) sind.

3. Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Modulationsdotieren so angewendet wird, daß Dotierungsmengen der n-Typ- und p-Typ- Trägerblockierungsschichten (13, 15) 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ oder darüber sind und eine Dotierungsmenge von wenigstens einer der n-Typ und p-Typ-Mantelschichten (11, 12, 16, 17), die benachbart zu den Trägerblockierungsschichten (13, 15) ist, 3 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ oder darunter ist.

4. Halbleiterlaservorrichtung, die folgendes aufweist:

n-Typ- und p-Typ-Mantelschichten (11, 12, 16, 17), die an beiden Seiten einer aktiven Schicht (14) angeordnet sind;

und eine n-Typ-Trägerblockierungsschicht (13), die benachbart zur aktiven Schicht (14) auf der Seite der n- Typ-Mantelschicht vorgesehen ist, und eine p-Typ- Trägerblockierungsschicht (15), die benachbart zur aktiven Schicht (14) auf der Seite der p-Typ- Mantelschicht vorgesehen ist, und wobei beide Trägerblockierungsschichten eine breitere Bandlücke als diejenigen der aktiven Schicht (14) und der Mantelschichten (11, 12, 16, 17) haben,

dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht (14) eine Einzelquantenstruktur hat, die aus einer Quantenwannenschicht (37) besteht, und Grenzschichten (34, 35, 36, 38, 39, 40), oder eine Multiquantenwannenstruktur, die aus Quantenwannenschichten zusammengesetzt ist, und Grenzschichten, wobei die Bandlücke der Grenzschichten breiter als diejenigen der Quantenwannenschicht oder -schichten ist, und die Grenzschichten mit Kohlenstoff oder Magnesium dotiert sind.

5. Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dotierungskonzentration innerhalb eines Bereichs von 1 · 10¹&sup7; bis 1 · 10¹&sup9; cm&supmin;³ existiert.

6. Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede der n-Typ- und p-Typ- Mantelschichten (11, 12, 16, 17) in der Reihenfolge von der Seite der aktiven Schicht aus folgendes aufweist: eine erste Mantelschicht und eine zweite Mantelschicht, und dann, wenn eine normalisierte Frequenz V wie folgt definiert ist: V = (π · d1/λ) · (N1² - N2²)0,5, wobei π die Kreiskonstante ist, λ die Oszillationswellenlänge ist, N1 der maximale Brechungsindex der ersten Mantelschicht ist, N2 der Brechungsindex der zweiten Mantelschicht ist und d1 die effektive Dicke zwischen den zwei Mantelschichten ist, die normalisierte Frequenz V V > π/3 erfüllt.

7. Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerblockierungsschichten (13, 15) und die Mantelschichten (11, 12, 16, 17) aus einer III-V-Gruppen- Halbleiterverbindung gebildet sind.

8. Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerblockierungsschichten (13, 15) und die Mantelschichten (11, 12, 16, 17) aus einer AlGaAs-Basis-Halbleiterverbindung gebildet sind.

9. Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Quantenwannenschicht oder die Quantenwannenschichten (37) und die Grenzschichten (13, 15) aus einer III-V- Halbleiterverbindung gebildet sind.

10. Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Quantenwannenschicht oder die Quantenwannenschichten (37) und die Grenzschichten (13, 15) aus einer AlGaAs-Basis-Halbleiterverbindung gebildet sind.