NL8602204A - Dfb laser met anti-reflectielaag. - Google Patents

Description

ξ '/

If ΡΗΝ 11.850 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken.

“DFB laser met anti-reflectielaag".

De uitvinding heeft betrekking op een halfgeleiderlaser met een halfgeleiderlichaam bevattende een substraat van een eerste geleidingstype en een daarop gelegen lagenstruktuur met ten minste een eerste passieve laag van het eerste geleidingstype, een tweede passieve 5 laag van het tweede, tegengestelde geleidingstype en een tussen de eerste en de tweede passieve laag gelegen actieve laag, en bevattende een pn-overgang die bij voldoend hoge stroomsterkte in de doorlaatrichting coherente electromagnetische straling kan opwekken in een binnen een resonatorholte gelegen strookvormig actief gebied, 10 waarbij de eerste en de tweede passieve laag een kleinere brekingsindex voor de opgewekte straling, en een grotere bandafstand hebben dan de actieve laag, waarbij de resonatorholte gevormd wordt door een periodieke variatie in effectieve brekingsindex in de lengterichting en over althans een deel van de lengte van het actieve gebied, terwijl 15 het actieve gebied begrensd wordt door praktisch loodrecht op het actieve gebied staande vlakken waarvan er althans één voorzien is van een anti-reflectielaag, en waarbij de tweede passieve laag en het substraat elektrisch verbonden zijn met aansluitgeleiders.

Een dergelijke halfgeleiderlaser is beschreven in het 20 artikel van M. Yamaguchi et al. in Electronics Letters, Vol. 20 No. 6, 15 maart 1984, blz. 233-236.

Halfgeleiderlasers van uiteenlopende opbouw vinden toepassing op vele gebieden. De resonatorholte kan daarbij op verschillende manieren gerealiseerd worden. In veel gevallen wordt deze gevormd door 25 twee evenwijdig aan elkaar lopende spiegelvlakken, waarvoor meestal splijtvlakken van het halfgeleiderkristal worden gebruikt. Door herhaalde reflectie tegen deze spiegelvlakken worden stralingsmodi, bekend onder de naam Fabry-Pérot (FP) modi opgewekt.

Volgens een andere uitvoeringsvorm wordt de trilholte 30 verkregen door periodieke variatie van de effectieve brekingsindex voor de opgewekte straling, langs althans een deel van de lengte van het actieve gebied. In plaats van reflectie tegen spiegelvlakken wordt dan 8602204 PHN 11.850 2 reflectie aan een tralie (gevormd door de genoemde periodieke brekings-indexvariatie) toegepast. Lasers waarbij dit het geval is heten lasers met verdeelde terugkoppeling. Zij bestaan in diverse uitvoeringen en zijn bekend onder de naam "distributed feedback" (DFB) en "distributed 5 Bragg reflection" (DBR)lasers. In deze aanvrage zullen zij ter vereenvoudiging alle met de naam "DFB laser" worden aangeduid.

DFB lasers hebben ten opzichte van de eerder genoemde Fabry-Pérot lasers ondermeer het voordeel dat zij gemakkelijker in één enkele stabiele longitudinale trillingsmode ("single longi-10 tudinal mode" of SLN-mode) kunnen oscilleren, en dit binnen een breed temperatuurgebied en bij een hoog uitgangsvermogen. Dit is vooral van belang bij toepassing in optische telecommunicatie aangezien in SLM-mode de chromatische dispersie minimaal is, zodat het signaal over grotere afstand storingsvrij door de optische vezel getransporteerd kan worden. 15 Verder zijn DFB lasers relatief gemakkelijk binnen een electro-optische monolithische schakeling te integreren.

Aangezien echter in het algemeen ook een DFB-laser aan de uiteinden van het actieve gebied dwars op de actieve laag staande eindvlakken vertoont, kunnen hiertussen tevens Fabry-Pérot oscillaties 20 optreden zodat in principe de DFB laser ten minste een FP-mode naast ten minste een DFB-mode vertoont, met ongeveer gelijke versterking.

Om de in DFB lasers ongewenste Fabry-Pérot mode te onderdrukken zijn verscheidene maatregelen voorgesteld, zoals blijkt uit het eerder genoemde artikel van Yamaguchi et al.. De meest geschikte 25 daarvan bestaat uit het aanbrengen van een anti-reflectielaag op een der eindvlakken. Wanneer deze laag een dikte heeft die overeenkomt met een optische weglengte gelijk aan een kwart golflengte van de opgewekte straling, wordt de reflectiecoëfficient aan dat eindvlak tot een minimumwaarde gereduceerd. Wanneer deze voldoende laag is, wordt het 30 optreden van FB-modes verhinderd.

De genoemde minimumwaarde bedraagt voor de amplitude-reflectiecoêfficient theoretisch: “1 n3 - «i 35 - ----------------------(1) ni «3 + n2 8602204 •9' PHN 11.850 3 waarin = brekingsindex in de actieve laag, n2 = brekingsindex in de anti-reflectielaag en n-j - brekingsindex in het medium (lucht)

Men heeft als anti-reflectielagen lagen van aluminium-5 oxyde en van siliciumnitride toegepast. Deze lagen worden ook in andere toepassingen van de halfgeleidertechnologie veel gebruikt, en de techniek van het aanbrengen ervan is dus goed bekend. Het toepassen van deze lagen als anti-reflectielaag op een laser heeft echter diverse bezwaren.

10 Zo is aluminiumoxyde minder geschikt gebleken daar de brekingsindex hiervan (ca. 1,65), althans bij de voor optische telecommunicatie belangrijke langgolvige lasers (λ = 1,3 en 1,55 pm) met een op een substraat van In P aangebrachte lagenstruktuur, niet tot een zeer lage minimumwaarde voor de reflectiecoèfficient leidt. Daardoor kunnen 15 bij hogere stroomsterkten toch Fabry-Pérot modes worden opgewekt.

Siliciumnitride heeft weliswaar een aan het doel beter aangepaste brekingsindex (ca. 1,85), doch kan alleen door sputter-technieken (b.v. plasma-CVD) worden aangebracht wat technologisch minder aantrekkelijk is, onder meer doordat het materiaal dan niet alleen op 20 het gewenste eindvlak doch op alle delen van het oppervlak wordt neergeslagen. Dit in tegenstelling tot bijvoorbeeld opdampen.

De uitvinding beoogt onder meer, de nadelen verbonden aan de gebruikelijke anti-reflectielagen te vermijden en een anti-reflectielaag te verschaffen die op relatief eenvoudige wijze, bij voorkeur door 25 opdampen, is aan te brengen en toch de gewenste optische eigenschappen ter onderdrukking van Fabry-Pérot modes vertoont.

Volgens de uitvinding heeft een DFB-halfgeleiderlaser van de in de aanhef beschreven soort het kenmerk, dat de anti-reflectielaag bestaat uit hafniumoxyde (Hf02).

30 Gebleken is, dat toepassing van een anti-reflectielaag van hafniumoxyde een belangrijke verhoging van de opbrengst van bruikbare lasers oplevert. In het bijzonder is dit geconstateerd bij de fabricage van zogenaamde DFB-DCPBH ("distributed feedback double-channel planar buried heterostructure") lasers voor optische telecommunicatie-35 doeleinden, zoals die welke beschreven worden in het eerder genoemde artikel van Yamaguchi et al..

De uitvinding zal thans worden beschreven aan de hand van 8602204 * PHN 11.850 4 een uitvoeringsvoorbeeld en de tekening, waarin

Figuur 1 gedeeltelijk in perspectief en gedeeltelijk in dwarsdoorsnede een halfgeleiderlaser volgens de uitvinding toont, en Figuur 2 t/m 6 de halfgeleiderlaser volgens de uitvinding tonen in opeen-5 volgende stadia van vervaardiging, waarbij Fig. 2,3 en 6 dwars doorsneden volgens de lijn II-II, en Fig. 4 en 5 dwarsdoorsneden volgens de lijn IV-IV van Figuur 1 weergeven.

De figuren zijn zuiver schematisch, en niet op schaal getekend. Overeenkomstige delen zijn als regel met dezelfde verwijzings-10 cijfers aangeduid. In de dwarsdoorsneden zijn halfgeleidergebieden van hetzelfde geleidingstype in dezelfde richting gearceerd.

Figuur 1 toont gedeeltelijk in dwarsdoorsnede en gedeeltetelijk in perspectief een halfgeleiderlaser volgens de uitvinding. De laser bevat een halfgeleiderlichaam met een substraat 1 van een eerste 15 geleidingstype en een daarop gelegen lagenstruktuur. Deze lagenstruktuur bevat tenminste een eerste, passieve laag 2 van het genoemde eerste geleidingstype, een tweede passieve laag 3 van het tweede, tegengestelde geleidingstype en een tussen de eerste en de tweede passieve laag gelegen actieve laag 4. Tussen de lagen 2 en 3 bevindt zich in de lagen-20 struktuur een pn-overgang (waarvan de plaats afhangt van het geleidingstype van het tussen de lagen 2 en 3 gelegen halfgeleidergebied). Deze pn-overgang kan bij voldoende stroomsterkte in de doorlaatrichting coherente electromagnetische straling opwekken in een binnen een resonatorholte gelegen strookvormig gebied 4A van de actieve laag 4. De 25 eerste en tweede passieve lagen 2 en 3 hebben beide voor de opgewekte laserstraling een kleinere brekingsindex dan de actieve laag 4, en hebben een grotere bandafstand dan de laag 4.

De resonatorholte wordt gevormd door een periodieke brekingsindexvariatie in de lengterichting en over althans een deel van 30 de lengte van het actieve gebied 4A. Deze brekingsindexvariatie wordt verkregen door een in het substraatoppervlak geëtst tralie 7, waarvan de groeven zijn opgevuld met materiaal van de laag 2, dat een van het substraat 1 verschillende effectieve brekingsindex heeft voor de uitgezonden straling. Het actieve gebied 4A wordt verder begrensd door 35 praktisch loodrecht op het actieve gebied staande eindvlakken 5 en 6, waarvan er een (het vlak 5) voorzien is van een anti-reflectielaag 8.

De tweede passieve laag 3 en het substraat 1 zijn (via de tussenliggende 8602204 PHN 11.850 5 halfgeleidergebieden) electrisch verbonden met op het boven- en benedenvlak aangebrachte metaallagen, die als aansluitgeleider fungeren en op het bovenvlak met een arcering zijn aangeduid.

In dit voorbeeld bestaat het substraat 1 uit indium-5 phosphide, InP van het n-geleidingstype. De laag 2 bestaat uit n-type indium-gallium-arseenphosphide, Ιηχ Ga^.jjASyP^y. De actieve laag 4 bestaat eveneens uit indium-gallium-arseenphosphide. De laag 3 is van p-type indiumphosphide.

De laser volgens dit voorbeeld is van het eerder genoemde 10 DCPBH-type en bevat verder nog een stroombegrenzende lagenstruktuur.

Deze omvat een tweetal groeven 9 en 10 die het actieve gebied 4A begrenzen en waarin een laag 11 van p-type InP, en een blokkeringslaag 12 van n-type InP zijn aangebracht. De lagen 11 en 12 strekken zich niet uit op het tussen de groeven 9 en 10 gelegen strookvormige deel 3A van 15 de laag 3. Over het geheel is verder een laag 13 van p-type InP, en daarop een toplaag 14 van InxGa1_xAsyP1_y aangebracht waarop zich een siliciumoxydelaag 15 bevindt. In deze oxydelaag 15 is een spieetvormige opening aangebracht, waarbinnen een op het bovenvlak aangebrachte elektrodelaag 16 contact maakt met de laag 14. Het 20 benedenvlak is gecontacteerd met een electrodelaag 17.

Een halfgeleiderlaser zoals hierboven beschreven is bekend uit het eerder genoemde artikel van Yamaguchi et al. in Electronics Letters, Vol. 20 No. 6, 15 maart 1984 blz. 233-236.

De anti-reflectielaag 8 bestaat volgens de uitvinding uit 25 hafniumoxyde, Ηί02. Zij heeft een dikte van ongeveer 222 nm.

De brekingsindex van hafniumoxyde voor de door deze laser opgewekte straling (λ»1,55 ym) bedraagt n2 = 1,76 zodat de dikte d van de laag overeenkomt met een optische weglengte n2 x d = 390 nm, wat ongeveer equivalent is aan 1/4 golflengte.

30 De brekingsindex n^ van de actieve laag 4 is 3,15 en die van het omringende medium n2 is nagenoeg 1, zodat volgens de eerder gegeven formule (1) % n1n3 " n2 35 - » 0,006 n1n3 + n2 8602204 PHN 11.850 6 is. De resulterende reflectiecoëfficient is dus zeer laag, aanmerkelijk lager dan bijvoorbeeld bij toepassing van een anti-reflectielaag van aluminiumoxyde waar onder de gegeven omstandigheden =0,05 zou zijn.

De beschreven halfgeleiderlaser kan op de volgende wijze 5 worden vervaardigd. Zie de figuren 2 t/m 6 waarbij de figuren 2, 3 en 6 doorsneden zijn volgens de lijn II-II van Figuur 1, en Fig. 4 en 5 doorsneden zijn volgens de lijn IV-IV.

Ditgegaan wordt van een substraat 1 van n-type indium-phosphide met een dikte van ongeveer 360 pm, een (100)-oriëntatie en 10 een doteringsconcentratie van bijvoorbeeld 5x1018 atomen per cm8.

Dit substraat kan een enkelvoudig substraat zijn, doch kan ook gevormd worden door een op een onderliggend dragerlichaam aangegroeide epitaxiale laag.

In het bovenvlak van dit substraat wordt vervolgens (zie 15 Fig. 2) een diffractietralie geëtst, met een tralieconstante van 240 nm. Hiertoe wordt eerst op het bovenvlak een fotolaklaag aangebracht met een dikte van 100 nm. Uit deze fotolaklaag wordt met behulp van holografische belichting, onder gebruikmaking van de 363,8 nm lijn van een argonlaser een rastervormig patroon gevormd. Dit patroon wordt 20 gebruikt als masker in een etsproces, waarbij in het bovenvlak van het substraat een patroon 7 van evenwijdige groeven wordt geëtst, bijvoorbeeld met behulp van een oplossing van broomwaterstof (HBr) in water.

Na verwijdering van het fotolakmasker wordt door middel 25 van gebruikelijke technieken, uit de vloeistoffase een ongeveer 0,12 pm dikke laag 2 met samenstelling InQ -j2Gsl0 28As0,60p0 40 aangegroeid, die de groeven 7 in het substraatoppervlak geheel opvult. Daarop wordt een 0,12 pm dikke laag 4 van ongedoteerd lnor57Gao 43Aso 91P0 009 aan9e9roeid> vervolgens een zogenaamde 30 anti-meltbacklaag 20 van InQ j2Ga0 28As0,60P0 40 *er van 0,05 pm, en hierop een p-type indiumphosphidelaag 3 met een dikte van 0,7 pm, zie Figuur 3. Na deze aangroeiprocessen bedraagt de diepte van de rastergroeven 7 in het InP substraat ongeveer 70 nm.

Vervolgens worden (zie Figuur 4) in de zo verkregen 35 struktuur groeven 9 en 10 geëtst, loodrecht op de eindvlakken 5 en 6 en op de richting van de groeven van het raster 7. De groeven9 en 10 strekken zich uit tot in het substraat 1 en kunnen worden geëtst met 8602204 PHN 11.850 7 een etsaiddel zoals bijvoorbeeld broonmethanol. Zij zijn aan de bovenzijde ongeveer 9 μη breed, en 3 μη diep. De tussen de groeven gelegen nesa (2A, 3A, 4A) heeft aan de bovenzijde een breedte van ca. 0,9 μη.

5 Daarna wordt het geheel weer in de aangroei-apparatuur geplaatst. Eerst wordt tzie Figuur 5) een p-type indiunphosphidelaag 11 aangegroeid, net een dotering van 8x10^7 Zn-atonen per en**, en daarop een n-type blokkeringslaag 12 van indiunphosphide, net een . 17 q dotering van 8x10 gernamunatonen per cm . Deze lagen hebben op 10 het vlakke gedeelte van de struktuur, buiten de groeven 9,10 en de nesa, een dikte van ongeveer 0,5 μη. Zij vullen gedeeltelijk de groeven, doch groeien niet aan op de nesa.

Vervolgens worden een p-type indiunphosphidelaag 13, net een dikte van bijvoorbeeld 1 μη, en een doteringsconcentratiè van 15 8x1017 Zn-atomen per cm3, en een p-type laag 14 net samenstelling

In0,72Ga0,28AsO,60P0,40' een van 1 P® en een doterings- concentratie van 2x10^® Zn-atomen per cm3 aangegroeid.

Over het geheel wordt nu een oxydelaag 15 aangebracht, waaruit een strook net een breedte van ongeveer 10 pm boven de groeven 20 9 en 10 en het tussengelegen gebied wordt weggêtst, zie Figuur 5. Voor het realiseren van een goed ohm contact wordt via deze strook zink ingediffundeerd, waarna de elektrodelagen 16 en17 worden aangebracht. Desgewenst worden bovendien de door stippellijnen begrensde, buiten het actieve gebied gelegen halfgeleidergebieden 18 praktisch isolerend 25 genaakt door bijvoorbeeld een protonenbombardement. Verdere details betreffende de vervaardiging van de struktuur, welke voor de onderhavige uitvinding niet van belang zijn, kunnen worden gevonden in de op 13 november 1985 gepubliceerde Europese octrooiaanvrage 161016 van Aanvraagster.

30 Op een der eindvlakken van de laser, hier het eindvlak 5, wordt door opdampen een anti-reflectielaag 8 van hafniumoxyde, Hf02 neergeslagen met een dikte van o.a. 222 + nm; zie Figuur 6. Dit komt overeen net een optische weglengte van λ/4 voor de uitgezonden straling, welke hier een golflengte λ = 1,55 μη heeft.

35 Het is gebleken, dat toepassing van een anti-reflectie laag van hafniumoxyde een veel grotere opbrengst aan bruikbare, d.w.z. in DFB-node oscillerende, lasers levert dan in het geval van anti- 8602204 PHN 11.850 8 reflectielagen bestaande uit andere materialen zoals bijvoorbeeld aluminiumoxyde, A1203 voor laserdioden vervaardigd op en uit dezelfde halfgeleiderplaat. Ook het aantal in één stralingsmode (SLM) functionerende lasers is bij met Hf02 gecoate lasers aanzienlijk 5 hoger dan bij lasers met andere anti-reflectielagen.

Ofschoon in deze aanvrage de uitvinding beschreven is aan de hand van de voor optische telecommunicatie zeer belangrijke DCPBH-laserstruktuur, is toepassing van een anti-reflectielaag van hafnium-oxyde, om dezelfde redenen als bij de beschreven laser, eveneens van 10 groot belang bij andere laserstrukturen van het DFB-type, teneinde een zo efficiënt mogelijke onderdrukking van Fabry-Pérot modes alsmede straling in één enkele trillingsmode te realiseren. De uitvinding is dan ook geenszins beperkt op het gegeven uitvoeringsvoorbeeld, maar heeft betrekking op alle vormen van lasers waarbij de resonatorholte 15 gevormd wordt door periodieke variatie van de effectieve brekingsindex over althans een deel van de lengte van het actieve gebied.

8602204

Claims (4)

1. Halfgeleiderlaser met een halfgeleiderlichaam bevattende een substraat van een eerste geleidingstype en een daarop gelegen lagen-struktuur met tenminste een eerste passieve laag van het eerste geleidingstype, een tweede passieve laag van het tweede, tegengestelde 5 geleidingstype en een tussen de eerste en de tweede passieve laag gelegen actieve laag, en bevattende een pn-overgang die bij voldoend hoge stroomsterkte in de doorlaatrichting coherente electromagnetische straling kan opwekken in een binnen een resonatorholte gelegen strook-vormig actief gebied, waarbij de eerste en de tweede passieve laag een 10 kleinere brekingsindex voor de opgewekte straling, en een grotere band-afstand hebben dan de actieve laag, waarbij de resonatorholte gevormd wordt door een periodieke variatie in effectieve brekingsindex in de lengterichting en over althans een deel van de lengte van het actieve gebied, terwijl het actieve gebied begrensd wordt door praktisch 15 loodrecht op het actieve gebied staande vlakken waarvan er althans één voorzien is van een anti-reflectielaag, en waarbij de tweede passieve laag en het substraat elektrisch verbonden zijn met aansluit-geleiders, met het kenmerk, dat de anti-reflectielaag bestaat uit hafniumoxyde (Hf02).

2. Halfgeleiderlaser volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de anti-reflectielaag een dikte heeft, overeenkomend met een optische weglengte van een kwart golflengte voor de door de laser opgewekte straling.

3. Halfgeleiderlaser volgens conclusie 1 of 2, met het 25 kenmerk, dat de anti-reflectielaag is aangebracht op het uittreevlak van de opgewekte straling.

4. Halfgeleiderlaser volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de laser van het DCPBH (double channel planar buried heterostructure) type is. 8602204