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DE2454733A1 - Halbleiterkoerper in form eines halbleiterlasers - Google Patents

Halbleiterkoerper in form eines halbleiterlasers

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Publication number
DE2454733A1
DE2454733A1 DE19742454733 DE2454733A DE2454733A1 DE 2454733 A1 DE2454733 A1 DE 2454733A1 DE 19742454733 DE19742454733 DE 19742454733 DE 2454733 A DE2454733 A DE 2454733A DE 2454733 A1 DE2454733 A1 DE 2454733A1
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DE
Germany
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zone
damping
semiconductor body
body according
reinforcement
Prior art date
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Application number
DE19742454733
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English (en)
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DE2454733C2 (de
Inventor
Basil Wahid Hakki
Cherng-Jia Hwang
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
AT&T Corp
Original Assignee
Western Electric Co Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Western Electric Co Inc filed Critical Western Electric Co Inc
Publication of DE2454733A1 publication Critical patent/DE2454733A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE2454733C2 publication Critical patent/DE2454733C2/de
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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H—ELECTRICITY
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    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01S5/2054—Methods of obtaining the confinement
    • H01S5/2059—Methods of obtaining the confinement by means of particular conductivity zones, e.g. obtained by particle bombardment or diffusion

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  • Optics & Photonics (AREA)
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Description

BLUMBACH -WESER ■ BER3EN & KRAMER
PATENTANWÄLTE IN WIESBADEN UND MÜNCHEN
DIPL-ING. P. G. BLUMBACH · DIfL-PhYS. DP.. W. WESER · DIPL-ING. DR. JUR. P. BERGEN DIPL-ING. R. KRAMER
WIESBADEN · SONNENBERGER STRASSE 43 " TEL (06121) 562943, 561998 MÖNCHEN
WESTERN ELECTRIC COMPANY Hakki 11-1
Incorporated ■
NEWYORK (N.Y.) 10038 USA
Halbleiterkörper in Form eines Halbleiterlasers
Die Erfindung bezieht sich auf einen.Halbleiterkörper in Form eines Halbleiterlasers mit zwei, einen
optischen Wellenleiter bildenden HeteroÜbergängen und einer zwischen den beiden HeteroÜbergängen gelegenen
Einrichtung zum Unterteilen des Wellenleiters in zwei benachbarte Zonen, von denen unter Emissionsbedingungen die eine eine Dämpfungszone und die andere eine Verstärkungszone darstellt, wobei die Verstärkungszone
dicker als die Dämpfungszone ist.
Zur Gewinnung leistungsstarker Ausgangssignale werden Laser in der Regel gepulst betrieben. Zu diesem Zweck
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*"■** 4Γ ■"
wird der Laser vorzugsweise in einem transversalen Grundmoden betrieben, der definitionsgemäß durch ein einziges, auf der Resonatorachse zentriertes Intensitätsmaximum und eine im Vergleich zu den Moden höherer Ordnung kleinere Weitfeldwinkeldivergenz (far-field angular divergence) bezüglich dieser Achse charakterisiert ist.
Gemäß einem älteren Vorschlag ist zur Erzielung derartiger Laser-Ausgangssignale ein GaAs-AlGaAs DoppelheteroStruktur (DH) Übergangslaser vorgesehen, der einen pn-Homoübergang in solcher Anordnung innerhalb des Wellenleiters aufweist, daß eine Verstärkungszone und eine Dämpfüngszone definiert sind. Der Wellenleiter ist dabei durch zwei HeteroÜbergänge mit beidseitig gleichem Leitungstyp gebildet,, die zusammen mit dem pn-Homoübergang eine PpnN-Struktur bilden. Im folgenden bezeichnen die Großbuchstaben (P, N) Schichten mit größerem Bandabstand als die mit Kleinbuchstaben (p, n) bezeichneten Schichten. Um eine Unterscheidung gegenüber Transversalmoden höherer Ordnung rechtwinklig zur Übergangsebene zu erreichen, wurde gemäß diesem älteren Vorschlag der HomoÜbergang so angeordnet, daß die Dämpfungszone kleiner war als die Hälfte der Dicke des Wellenleiters, bei einem Optimum im Bereich von 0,2 bis 0,4.
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Experimente haben jedoch gezeigt, daß der zuvor erwähnte DH-Laser nur im transversalen Grundmoden, und zwar nur für Strompegel in unmittelbarer Nähe des Schwellenwerts für stimulierte Emission arbeitete. Das heißt, bei Strömen von mehr als etwa 5 % oberhalb des Schwellenwerts ergaben Beobachtungen ein Schwingen von Moden höherer Ordnung. In den meisten Anwendungsfällen wird jedoch zur Erzielung von gepulsten Ausgangssignalen ausreichender Leistung ein DH-Laser bei einem Strom betrieben, der etwa das 2- oder mehrfache des Schwellenwerts erreicht. Es ergab sich daher, daß der zuvor erwähnte DH-Laser zur gleichzeitigen Erzielung von gepulsten Ausgangssignalen hoher Leistung und einer Schwingung in einem transversalen Grundmoden ungeeignet ist.
Die experimentellen Untersuchungen an dem zuvor erwähnten DH-Laser führten zu neuen detaillierten Betrachtungen der. zugehörigen Laser struktur. Als bisher unerkannt gebliebenes Grundproblem ergab sich, daß die Verstärkungs— und Dämpfungszonen nicht nur bei niedrigen Stromdichten sondern auch bei dem und oberhalb des Schwellenwerts für stimulierte Emission definiert .werden müssen. Es wurde also gefunden, daß der pn-Homoüber— gang des oben erwähnten DH-Lasers deshalb zur Schaffung einer räumlichen Definition der Verstärkungs- und Verlustzonen ungeeignet ist, da an und über dem Schwellenwert
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für stimulierte Emission Träger über den HomoÜbergang in die Dämpfungszone injiziert werden, wodurch deren Dämpfung verringert wird und sich sogar eine Verstärkung ergeben kann.
Um dieses Phänomen besser verständlich zu machen, sei der besondere Fall eines DH-La s ers der oben erwähnten Art betrachtet, in welchem die Dämpfungszone n-GaAs und die Verstärkungszone p-GaAs ist. Diese Zonen sind jeweils durch Schichten aus n-AlGaAs und p-AlGaAs begrenzt. Da die Dämpfungszone gewöhnlich aus leicht dotiertem n-GaAs besteht, liegt ihr Fermi-Niveau unterhalb der Leitfähxgkeitsbandkante. Bei niedrigen Strömen (oder Stromdichten) wird der Übergangsstrom vorwiegend durch einen Elektronenfluß in die p-GaAs-Zone gebildet. Bei Strömen in der Nähe des Schwellenwerts für stimulierte Emission beträgt jedoch die Trägerkonzentration
18 —3 in der Verstärkungszane typischerweise etwa 2 χ 10 cm Da Raumladungsneutralität gleiche Anzahlen von positiven und negativen Ladungen in der Verstärkungszone voraussetzt, verschiebt sich das Elektronen-Quasi-Fermi-Niveau in der Verstärkungszone nach oben in das Leitfähigkeits— band. Unter diesen Umständen fließen Löcher aus der p-GaAs-Verstärkungszone in die n-GaAs-Dämpfungszone in solchem Umfang, daß sowohl der Quantenwirkungsgrad der Vorrichtung als auch die Dämpfung in der Dämpfungszone verringert werden. Diese Löcherinjektion kann die Dämpfung
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in der Dämpfungszone sogar in eine Verstärkung umkehren, da die Dämpfungszone nominell halb so dick wie die ; Verstärkungszone ist und daher etwa die Hälfte der Stromdichte zur Besetzungsumkehr benötigt. Der zuletzt genannte Effekt eliminiert tatsächlich die angestrebte Grundmodenselektivität der Struktur, d.h., daß Moden höherer Ordnung nicht mehr diskriminiert werden. ·
Das vorgenannte Problem wird, ausgehend von einem Halbleiterkörper der eirgings angegebenen Art, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Teilungseinrichtung einen dritten HeteroÜbergang aufweist, wenigstens einer der HeteroÜbergänge ein pn-Heteroübergang ist, unter Emissionsbedingungen die Majoritätsträgerkonzentration in der Dämpfungszone gleich oder größer als die Elektronenkonzentration in der Verstärkungszone ist und die Dicke d der Verstärkungszone die Beziehung
erfüllt, wobei gn die Diskontinuität des Brechungsindex am dritten HeteroÜbergang, X die Wellenlänge der Laserstrahlung im freien Raum und η der Brechungsindex der Verstärkungszone ist.
In der Zeichnung zeigen:
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Fig. 1 einen N-n'-p-P DH-Laser gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 eine N-n-p'-P Struktur gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 3 eine N-n'-n-P Struktur nach einem
wiederum anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung; und
Fig. 4 eine N-p-p'-P Struktur entsprechend einem
weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Es wurde gefunden, daß die folgenden Regeln zur räumlichen Definition der Verstärkungs- und Dämpfungszonen bei Strömen oberhalb des Schwellenwerts für stimulierte Emission gelten: (1) die Majoritätsträgerkonzentration in der Dämpfungszone wird gleich der oder größer als die Elektronenkonzentration in der Verstärkungszone unter stimulierten Emissionsbedxngungen gemacht und (?) die Dämpfungszone besteht aus einem Material mit größerem Bandabstand als die Verstärkungszone. Die erste Regel verschiebt das Majoritätsträger-Fermi-Niveau in der
Dämpfungszone an eine Stelle oberhalb der Leitfähigkeitsbandkante (η-leitende JDämpf ungs zone) oder unterhalb der Valenzbandkante (p-leitende Dämpfungszone),
und zwar um ein Maß, das gleich demjenigen oder größer
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•ν
als dasjenige für stimulierte Emission ist. Diese Bemessungsregel verhindert teilweise den "Rückfluß" (d.h. die Injektion) der Minoritätsträger aus der". Verstärkungszone in die Dämpfungszone. Die zweite Regel verhindert ebenfalls einen derartigen Rückstrom durch Bildung eines pn-Heteroübergangs an der Grenzfläche zwischen der Verstärkungszone und der Dämpfungszone. Diese Struktur wird mit P-p-n'-N bezeichnet, wobei der Strichindex die Bedeutung hat, daß die n1-Schicht einen größeren Bandabstand als die p-Schicht hat. Ein im wesentlichen äquivalenter Laser, der in erster Linie auf Löcherinjektion anstelle der Elektroneninjektion in die Verstärkungszone basiert, weist eine P-p'-n-N Struktur auf. Generell sollte die dem HeteroÜbergang zugeordnete Barriere wenigstens etwa 2kT sein, um den Trägerrückfluß aus der Verstärkungszone in die Dämpfungszone zu verringern. Andererseits sollte die der Barriere bzw. Grenzschicht zugeordnete Diskontinuität des Brechungsindexes nicht so groß sein, daß eine Anregung eines Moden höherer Ordnung in der Verstärkungszone erfolgt.
Um das zuletztgenannte Erfordernis besser verstehen zu können, sei angenommen, daß die Verstärkungszone der Dicke d auf einer Seite vom pn-Heteroübergang und auf der anderen Seite von einem HeteroÜbergang mit beidseitig gleichem Leitungstyp begrenzt ist. Diesen Hetero-
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Übergängen sind jeweils solche Brechungsindexdiskontinuitäten S η und Δη zugeordnet, daß i.n den meisten prak— tis chen Fällen &n <<C An ist. Da die Verstärkungszone einen kleineren Bandabstand (und einen dementsprechend höheren Brechungsindex) als die sie begrenzenden Zonen hat,, bildet die Verstärkungszone demzufolge einen asymmetrischen Wellenleiter innerhalb des von den Hetero— Übergängen mit.beidseitig gleichem Leitungstyp gebildeten Wellenleiters. Der asymmetrische Wellenleiter kann einen Transversalmoden erster Ordnung übertragen, wenn seine Breite d einen bestimmten Wert übersteigt. Um zu gewährleisten, daß ein Transversalmode erster Ordnung und demgemäß Moden höherer Ordnung in der Verstärkungs— zone nicht angeregt werden, sollte die folgende, durch Lösung des dem asymmetrischen Wellenleiter zugeordneten Grenzwertproblems abgeleitete Bedingung erfüllt sein:
wobei X. die Freiraum-Wellehlänge der Laserstrahlung und η der Brechungsindex der Verstärkungszone ist.
Es werden nachfolgend auch andere Ausführungsbeispiele beschrieben, in denen der dritte HeteroÜbergang ein HeteroÜbergang beidseitig gleichen Leitungstyps ist, d.h. N-n'-n—P und N-p-p'-P Strukturen.
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_ 9 —
In Fig. 1 ist eine Schemaansicht eines Ausführungsbei-. spiels des neuen DH-Lasers'10 gezeigt. Bei dem Laser sind auf einem Substrat 12 des einen Leitungstyps die folgendenSchichten in der angegebenen Reihenfolge aufgebaut: Eine Schicht 14 mit breitem Bandabstand, zwei Schichten 16 und 18 mit schmalerem Bandabstand, eine Schicht 20 mit breiterem Bandabstand und eine Kontaktierungsschicht 22 desselben Leitungstyps wie die Schicht 20. Die Schicht 22 kann je nach Schwierigkeit der Bildung eines elektrischen Kontakts direkt auf der Schicht 20 wahlweise verwendet werden. Elektrische Kontakte 24 und 26 sind an den freiliegenden Hauptoberflächen des Substrats 12 bzw. der Schicht 22 ausgebildet. Ein oder mehrere Kühlkörper (nicht .dargestellt), können mit einem (oder beiden) Kontakt thermisch gekoppelt sein, um Wärme in bekannter Weise von der Vorrichtung abzuleiten.
Allgemein wird die Doppelheterostruktur durch die Schichten 14, 16, 18 und 20 definiert. Von den vier Schichten haben die Schichten 14 und 20 die breitesten Bandabstände (untereinander brauchen diese jedoch nicht notwendigerweise gleich sein). Die Schichten 16 und 18 " haben schmalere Bandabstände, wobei diese Bandabstände · in der Regel nicht gleich sind. Diese Schichten bilden drei HeteroÜbergänge 15, 17 und 19 an den jeweiligen Grenzflächen zwischen den Schichten 14 und 16, den Schichten 16 und 18 und den Schichten 18 und 20. Wenigstens
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• /ο.
einer der HeteroÜbergänge ist ein pn-Heteroübergang, während die anderen HeteroÜbergänge mit beidseitig gleichem Leitungstyp sind. Die HeteroÜbergänge 15 und 19 definieren einen optischen Wellenleiter. Generell können die Leitungstypen der Schichten 14, 16, 18 und 20 entweder N-n'-p-P (Pig. 1), N-n-p'-P (Fig. 2), N-n'-n-P (Fig. -3) oder N-p-p'-P (Fig. 4) sein. Die aktive Zone des Lasers, in der durch Strahlungsrekombination von Elektronen und Löchern Strahlung in der Form des Strahlenbündels 36 erzeugt wird, ist diejenige der Schichten (16 oder 18) mit schmalerem Bandabstand, welche dem pn-Heteroübergang (d.h. der Schicht 18 in Fig. 1, dör Schicht 16.2 in Fig. 2, der Schicht 18.3 in Fig. 3 und der Schicht 16.4 in Fig. 4) benachbart ist.
Die Struktur ist entlang parallelen Oberflächen 23 und 30 optisch flach gespalten oder poliert, wobei die parallelen Oberflächen einen optischen Resonator bilden, der gepulste Laserschwingungen aufrecht erhält, wenn die Struktur beispielsweise mittels einer Batterie 32 in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist und Stromimpulse oberhalb des Schwellenwerts für stimulierte Emission mittels einer Impulsquelle 31 an sie angelegt werden. Wahlweise kann ein Antireflexionsbelag auf der Oberfläche 28 angeordnet werden, um ein Ausgangsstrahlbündel (nicht gezeigt) zu erzeugen, welches aus der
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— 44: • AA.
Schicht 18 und durch die Oberfläche 28 austritt. Selbstverständlich tritt ein anderes Ausgangsstrahlbündel 36 niedrigerer Leistung durch die Oberfläche 30 aus« Zusätzlich kann eine Streifenkontaktgeometrie derart gebildet werden, daß die zwischen den Heteroübergängen 15 und 19 übertragene Strahlung.seitlich auf eine Zone 38 begrenzt ist, wodurch eine Schwingungs— bzw. Oszil— lationsbegrenzung auf den transversalen Grundmoden parallel zur Übergangsebene erfolgt.
Die Art, in der die DH Laserschwingung auf den transversalen -Grundmoden rechtw,inklig zur Übergangsebene beschränkt wird, läßt sich wie folgt verständlich machen, wobei zweckmäßigerweise auf,das Ausfuhrungsbeispiel gemäß Fig. 1 Bezug genommen wird. Der Ausdruck "Mode9" bedeutet im folgenden einen Transversalmoden rechtwinklig zur Übergangsebene. Die Dicke d der durch die Schicht 18 definierten Verstärkungszone ist größer als die Hälfte des Abstands t zwischen den-einen optischen Wellenleiter definierenden HeteroÜbergängen 15 und 19 gemacht. Bei einem Ausführungsbeispiel ist d_ auf etwa 2/3 von t eingestellt, d.h. die Verstärkungszone hat etwa die zweifache Dicke wie die durch die Schicht 16 definierte Dämpfungszone. Es wird hier bemerkt, daß die zu Beginn dieser Beschreibung vorgeschlagene Konfiguration einen HomoÜbergang an der Grenzfläche 17 benutzte, wobei die Dickenbeziehung von Verstärkungs—
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und Dämpfungszone als zum Unterdrücken von Transversalmoden höherer Ordnung geeignet angenommen wurde; d.h., Moden höherer Ordnung, die ein oder mehrere Intensitäts— maxima in der Dämpfungszone haben, werden dadurch unterdrückt, während der Grundmode mit einem einzigen Maximum in der Verstärkungszone begünstigt wird. Wie oben im einzelnen erläutert wurde, hat sich jedoch gezeigt, daß die bekannte Vorrichtung bei der Schaffung einer angemessenen Unterdrückung von Transversalmoden höherer Ordnung bei praktisch interessierenden Strompegeln oberhalb des Schwellenwerts versagt. Demgegenüber wurde gefunden, daß die folgenden charakteristischen Merkmale im Sinne einer geeigneten Unterdrückung von Moden höherer Ordnung und demgemäß eines Betriebs im Grundmoden bei praktikablen Strompegeln wirksam sind. Als erstes kann die Majoritätsträgerkonzentratxon in der Dämpfungszone (Schicht 16) wenigstens gleich der Elektronenkonzentration in der Verstärkungszone (Schicht 18) unter den Bedingungen stimulierter Emission gemacht werden. Als zweites kann die Dämpfungszone aus einem Material mit breiterem Bandabstand hergestellt werden als die Verstärkungszone, um einen pn-Heteroübergang 17 an der Grenzfläche zwischen den Verstärkungs- und Dämpfungszonen zu bilden. Die dem HeteroÜbergang 17 zugeordnete Grenzschicht bzw. Barriere kann groß gemacht werden (wenigstens etwa 2kT), um zu verhindern, daß Minoritätsträger aus der Verstärkungszone in die Dämpfungszone injiziert werden. Andererseits sollte .die der Grenzschicht bzw. Barriere zugeordnete Brechungs-.
509822/067S ^,__
indexdiskontinuität nicht so groß sein, daß ein Mode höherer Ordnung in der Verstärkungszone angeregt wird. Um zu gewährleisten, daß nicht ein Mode erster Ordnung und demgemäß Moden höherer Ordnungen in der Verstärkungszone angeregt werden, ist es drittens zweckmäßig, daß die Ungleichung (1), die hier wiederholt wird, erfüllt wird: ·
ind 2 <
wobei > die Freiraum-Wellenlänge der Laserstrahlung und η der Brechungsindex der Verstärkungszone ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die verschiedenen Schichten des DH-Lasers aus einem Mischkristall-Halbleitersystem (z.B. GaAs-AlGaAs) hergestellt, das eine Gitteranpassung für alle zu verwendenden Zusammensetzungen hat. Beispielsweise umfassen die Schichten 12 (Substrat), 14, 16, 18, 20 und 22 n-GaAs, N-AlvGa vAs, η'-Al Ga1 As(x<v), p-Al. Ga1 As (y<x), P-Al Ga1 As (z>y) und p-GaAs. Selbstverständlich, kann der Leitungstyp jeder Schicht in bekannter Weise umgekehrt werden, um eine komplementäre Vorrichtung bei Benutzung eines pleitenden Substrats zu schaffen. Bei einem Beispiel eines DH-Lasers 10, der durch Flüssigphasenepitaxie gezüchtet ist, weist die Struktur die in der folgenden Tabelle angegebenen Parameter auf.
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- «■■-
Schicht
Dicke
12
(Substrat)		 2,0 um
■14 0,8 pm
16
(Dämpfung)		 1,6 pm(d )
18
(Verstärkung)		 1.5 pm
20
2,0 pm
Zusammensetzung
n-GaAs:Si 3x10 cm" , <100>
N-Al Gan „As:Te 3xl017 cm"3 υ,ό υ, /
18 —' η'-Al0 04Ga0 96As:Te 3xl0 crn *
P-GaAs:Ge 4xlO17 cm"3
As:Ge 4xlO17 cm~3
1ft
1ft
P-GaAs:Ge 2x10 iO cm
Die Gesamtabmessungen des Lasers betrugen bei einem praktischen Ausführungsbeispiel angenähert 250 pm (Breite), 380 pm (Länge) und 100 pm (Dicke).
Daß der obengenannte DH-Laser die ebenfalls angegebenen Bedingungen erfüllt, läßt sich wie folgt zeigen. Als erstes ist die Donatorkonzentration in der Dämpfungs-
Ί 8 —^
zone (Schicht 16) 3x10 cm" und übersteigt die Elefctronen-
18 —3
konzentration von etwa 2x10 cm" in der Verstärkungszone unter den Bedingungen stimulierter Emission. Als zweites übersteigt der Bandabstand in der Dämpfung-szone denjenigen in der Verstärkungszone, da der Molanteil von Aluminium in der Dämpfungszone (x = 0,04) größer als derjenige in der Verstärkungszone (y = 0) ist. Da drittens die Verstärkungszone GaAs ist, X=0,89 pm und η = 3,59, reduziert sich die Ungleichung (1) auf
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&nd 2 < 6,2 χ 10~2 pm2 (2)
Unter Benutzung der von J. K. Butler und H. Kressel im Journal of Applied Physics, Band 43, Seite 3403 (1972) veröffentlichten Ergebnisse, wobei &n ^o 0,41 x, wird die folgende Ungleichung gewonnen:
xd 2 < 15 χ 10"2 pm2 (3) .
daß
Bei DH-Lasern gilt: χ = 0,04 und d = 1,6 pm, so
2 —2 2
xd = 10,2 χ 10 pm , wodurch die Ungleichung (3) erfüllt ist. Es ist zu beachten, daß die Dicke der Verstärküngszone'(1,6 pm) zweimal so groß wie diejenige der Dämpfungszone (0,8 pm) ist, so daß sich eine nahezu optimale Diskriminierung bzw. Unterdrückung von Harmonischen ergibt. Schließlich bewirkt χ =0,04 in der Dämpfungszone eine Vergrößerung des Bandabstands von etwa 50 meV (jedes Mol% von Aluminium vergrößert den Bandabstand um 12 meV, sofern χ kleiner als 0,35-0,40 ist, das ist der Punkt, bei dem AlGaAs zu einem Halbleiter mit indirektem Bandabstand wird). Dieser vergrößerte Bandabstand bildet eine Grenzschicht bzw. Barriere von etwa 2kT für. Löcher, die zur Aufrechter— haltung der Dämpfung in der Dämpfungszone angemessen ist, d.h. eine Löcherinjektion in die Dämpfungszone bei Strömen von praktischem Interesse verhindert·
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Dieser besondere DH-Laser kann eine Streifenkontaktbreite S von etwa 12 um haben, wobei die Streifenkontaktbreite durch Protonenbeschuß von Zonen 40 über die Länge des Lasers (etwa 380 pm) definiert wird. Bei Vorrichtungen mit diesen Parametern betrug der Schwellenwert für stimulierte Emission typischerweise etwa 0,7 Ampejaa. Stimulierte Emission begann im transversalen Grundmoden rechtwinklig zur Übergangsebene und wurde in diesem Moden bis zu einem Strom fortgesetzt, der in Abhängigkeit von der besonderen Vorrichtungsausführung zwischen 1,5 und 2,0 Ampere (d.h. etwa dem zwei- bis dreifachen Schwellenwert) schwankte.
Der Maximalstrom, bei dem der DH-Laser in dem transversalen Grundmoden betrieben werden kann,' hängt teilweise von der Homogenität des Materials ab. Wenn der Wellenleiter und das Medium perfekt homogen sind, sollte der Laser im Grundmoden arbeiten, bis eine Zerstörung an den Spiegeln auftritt, d.h. bei einer optischen Leistungsdichte von etwa 5 χ 10 W cm"" · In der Praxis ist der Maximalstrom bei vorherrschendem Grundmodenbetrieb durch Materialunregelmäßigkeiten beschränkt. Diese Unregelmäßigkeiten koppeln entweder Leistung aus einem Moden in einen anderen oder ändern die örtliche Verstärkungsverteilung innerhalb des Wellenleiters, was zur Anregung von Moden höherer Ordnungen führt. In typischer Ausführung erzeugten Laser bis zu 200 bis 300 mW
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gepulster Spitzenleistung an einem Ende im Grundmoden, wenn sie aus der Quelle 31 durch 100 nsec Impulse getrieben wurden.
Eine zusätzliche Unterdrückung von Moden höherer Ordnung sowie höherer Ausgangsleistungen können dadurch erreicht werden, daß ein mehrschichtiger Antireflexionsbelag (AR)
benutzt wird. Genauer gesagt, durch Verwendung eines ZnS-AlpO„ AR-Überzugs 34 auf dem zuvor beschriebenen GaAs-AlGaAs DH-Laser wurde die Reinheit des Grundmoden verbessert (> 93 %) und eine gepulste Spitzenleistung von 750 mW in dem den Belag bzw. Überzug 34 passierenden Ausgangsstrahlenbündel (nicht gezeigt) erreicht. Die Dicke .der "ZnS-Schicht., welche die innerste war, betrug etwa 432 Ry und die Dicke der außen gelegenen Al„O~-Schicht betrug etwa 1105 A. Solche Ausgangssignale sind beispielsweise für Anwendungen bei mikrographischen Systemen geeignet. Außerdem wurden bis zu 36 mW mittlerer Leistung bei Tastverhältnissen von angenähert 10 % erzielt.
Soweit die chemische Formel AlGaAs bei der Erfindung verwendet wird, wird vorausgesetzt, daß andere Elemente der Gruppe III (a) und/oder der Gruppe V (a) eingesetzt werden können, um Mischkristalle in der Art von beispielsweise AlGaAsP zu bilden. Das zuletzt genannte Material ist besonders brauchbar zur Reduktion von Spannungen und Versetzungen in Multischichtstrukturen.
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Außerdem können sich die Leitungstypen und Bandabstände der die Doppelheterostruktur definierenden Schichten 14, 16, 18 und 20 ändern, und zwar in Abhängigkeit von dem speziellenAufbau des erfindungsgemäß zur Erzielung eines transversalen Grundmodenbetriebs und hoher gepulster Leistung verwendeten. Halbleiterkörpers. Fig. 2 zeigt eine'N-n-p'-P Struktur, bei der die η-Al Ga. As Schicht 16.2 die Verstärkungszone, die p'-Al Ga As Schicht 18.2 (y>x) die Dämpfungszone und der pn-Heteroübergang an der Grenzfläche 17.2 gebildet ist. Andererseits zeigt Fig. 3 eine N-n'-n-P
Struktur, bei der die η'-Al Ga. As Schicht 16.3 die ' χ 1-x
Verlustzone, die η-Al Ga1 As Schicht 18.4 (y<x) die Verstärkungszone und der pn-Heteroübergang an der Grenzfläche 19.3 gebildet ist. In ähnlicher Weise zeigt Fig. 4 ein N-p-p'.-P Struktur, bei der die p-Al Ga. As Schicht 16.4 die Verstärkungszone, die p'-Al Ga. As Schicht 18.4 die Dämpfungszone.und der pn-Heteroübergang an der Grenzfläche 15.4 gebildet ist. Es ist zu be-
achten, daß die Bauelemente gemäß den Fig. 1 und 4 in erster Linie auf der Grundlage einer Elektroneninjektion in die Verstärkungszone arbeiten, während die Bauelemente gemäß den Fig» 2 und 3 in erster Linie auf der Grundlage einer Löcherinjektion betrieben werden.
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Claims (12)

  1. BLUMBAGH - WESER ■ BERGEN & KRAMER
    PATENTANWÄLTE IN WIESBADEN UND MÜNCHEN
    DIPL.-ING. P. G. BLUMBACH · DIPL-PHYS. DR. W. WESER · DIPL-ING. DR. JUR. P. BERGEN DIPL-ING. R. KRAMER
    WIESBADEN · SONNENBERGER STRASSE 43 . TEL (06121) 5629«, 561998 ' MÖNCHEN
    WESTERN ELECTRIC COMPANY Hakki 11-1
    Incorporated
    NEW YORK (N.Y.) 10038 USA
    Patentansprüche
    /i.) Halbleiterkörper in Form,eines Halbleiterlasers mit zwei, einen optischen Wellenleiter bildenden HeteroÜbergängen und einer zwischen den beiden HeteroÜbergängen gelegenen Einrichtung zum Unterteilen des Wellenleiters in zwei benachbarte .Zonen, von denen unter Emissionsbedingungen die eine eine Dämpfungszone und die andere eine Verstärkungszone darstellt, wobei die Verstärkungszone dicker als die Dämpfungszone ist,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Teilungseinrichtung einen dritten HeteroÜbergang (17) aufweist, wenigstens einer der HeteroÜbergänge ein pn-Heteroübergang ist, unter Emissionsbedingungen die Majoritätsträgerkonzentration in der Dämpfungszone (16) gleich oder größer als die Elektronen-
    509822/067S
    konzentration in der Verstärkerzone (18) ist und die Dicke d der Verstärkungszone die Beziehung
    wobei %n die Brechungsindexdiskontinuität am dritten HeteroÜbergang (17), X die Freiraum-Wellenlänge der
    Laserstrahlung und η der Brechungsindex der Verstärkungszone ist.
  2. 2. Halbleiterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungszone (18) angenähert
    die zweifache Dicke wie die Dämpfungszone (16) hat.
  3. 3. Halbleiterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungszone (18) Al Ga As
    und die Dämpfungszone (16) Al Ga. As enthalten, mit x > y >0.
  4. 4. Halbleiterkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß y = 0 und die Verstärkungszone GaAs enthält.
  5. 5. Körper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß £nd 2< 6,2 χ 10~2 pm2.
  6. 6. Halbleiterkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungszone p-leitend und die Dämpfungszone η-leitend ist. 5G9822/O67S
  7. 7. Halbleiterkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Donatorkonzentration in der nleitenden Dämpfungszone größer oder gleich etwa
    2 χ 1018 cm"3 ist.
  8. 8. Halbleiterkörper nach Anspruch 3, dadurch-gekennzeichnet, daß die erste Schicht (14) aus Al Ga. As mit ν >x der Dämpfungszone (16) -benachbart angeordnet ist, daß eine zweite Schicht (20) aus Al Ga. As mit z>y der Verstärkungszone (18) benachbart angeordnet ist und daß einer der beiden HeteroÜbergänge an der Grenzfläche zwischen der ersten Schicht und der Dämpfungszone und der andere HeteroÜbergang an der Grenzfläche zwischen der zweiten Schicht und der Verstärkungszone gebildet sind.
  9. 9. Halbleiterkörper nach. Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (14) und die Dämpfungszone (16) den gleichen Leitungstyp haben und daß die zweite Schicht (20) und die Verstärkungszone (17) entgegengesetzte Leitungstypen haben.
  10. 10. Halbleiterkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungs- und Dämpfungszonen (18, 16) den gleichen Leitungstyp haben und daß die ersten und zweiten Schichten (14, 20) einander entgegengesetzte Leitungstypen haben. ■ *
    509822/0675
    - tt, ·
  11. 11. Halbleiterkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Oberflächen (28, 30) zueinander parallel und rechtwinklig zur Ebene der Heteroübergänge angeordnet sind und einen optischen Resonator bilden und daß auf einer dieser Oberflächen ein benachbarte Schichten aus ZnS und AIpO- aufweisender Antireflexionsbelag ausgebildet ist.
  12. 12. Halbleiterkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Hauptoberfläche des Körpers ein elektrischer Kontakt in Streifengeometrie gebildet ist.
    509822/0675
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