DE3020251C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Doppelheterostruktur-Halbleiterstreifenlaser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Doppelheterostruktur-Halbleiterstreifenlaser ist aus der älteren Anmeldung DE-OS 29 20 454 bekannt.

Bei diesem bekannten Halbleiterstreifenlaser wird bei einer auf der mit einer treppenförmigen Stufe versehenen Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordneten Stromsperrschicht ein streifenförmiger Bereich erzeugt, in dem diese Sperrschicht unterbrochen ist, so daß das Halbleitersubstrat in diesem streifenförmigen Bereich freiliegt. Die Überzugsschicht kommt in diesem Bereich direkt in Kontakt mit dem Halbleitersubstrat, d. h. sie liegt im streifenförmigen Bereich auf dem Halbleitersubstrat auf.

Aus der DE-OS 28 34 922 ist ein Doppelheterostruktur-Halbleiterstreifenlaser bekannt, bei dem die aktive Schicht einen Einengungsbereich aufweist. Der Einengungsbereich dieser aktiven Schicht dient dazu, die Rekombination zu konzentrieren. Da die Dicke des Einengungsbereichs kleiner ist als die Dicke der an diesen Bereich anschließenden Bereiche der aktiven Schicht, ist der Brechungsindex in dem eingeengten aktiven Bereich kleiner als in den angrenzenden Bereichen mit größerer Dicke. Die lichteinschließende Wirkung ist in dem Bereich mit geringerer Dicke daher kleiner.

Weitere zum Stand der Technik zählende Doppelheterostruktur-Streifenlaser werden im folgenden anhand der Fig. 1 bis 3 beschrieben.

Fig. 1 bis 3 zeigen Schnittbilder von Beispielen herkömmlicher, lichtaussendender Doppelheterostruktur-Halbleiterstreifenlaser. In diesen Figuren bezeichnet 10 ein Substrat aus n-leitendem GaAs, 11 eine Überzugsschicht aus n-leitendem GaAlAs, 12 eine aktive Schicht aus p- oder n-leitendem GaAs, 13 eine Überzugsschicht aus p-leitendem GaAlAs, 14 eine ohmsche Kontaktschicht aus p-leitendem GaAS, 15 eine p-seitige Elektrode, 16 eine n-seitige Elektrode, 17 einen p⁺⁺ Diffusionsbereich und 18 eine Schicht aus p-leitendem GaAlAs.

Das in Fig. 1 dargestellte Beispiel ist ein Halbleiterlaser vom sogenannten "oxidbegrenzten Streifen"-Typ, bei der die p-seitige Elektrode 15 streifenförmig ausgebildet ist. Dieser Laser hat eine relativ einfache Struktur. Der Abstand zwischen der aktiven Schicht 12 und der p-seitigen Elektrode 15 beträgt 4 bis 6 µm. Es ist jedoch schwierig, wenn die Breite der streifenförmigen Elektrode kleiner als 10 µm ist, der Strom in der aktiven Schicht 12 ausreichend zu konzentrieren, so daß dieser Laser zu Instabilitäten neigt.

In Fig. 2 ist ein Halbleiterlaser vom sog. "Diffusionsstreifen"-Typ dargestellt, bei dem beispielsweise Zn in die Schichten 14 und 13 bis in die Nähe der aktiven Schicht 12 eindiffundiert ist, um einen p-leitenden Diffusionsbereich 17 hoher Leitfähigkeit auszubilden. Dieser Halbleiterlaser ist dem in Fig. 1 dargestellten im Hinblick auf seine Wärmestrahlungseigenschaften überlegen. Er weist jedoch den Nachteil auf, daß es schwierig ist, die Diffusionstiefe exakt zu steuern, und seine Betriebseigenschaften sind wegen der Kristallstörungen aufgrund der Fremddiffusion hoher Dichte schlechter. Ferner erfolgt die Diffusion auch in der seitlichen Richtung, wodurch es schwierig wird, einen streifenförmigen Diffusionsbereich 17 mit kleiner Breite auszubilden.

Der Halbleiterlaser gemäß Fig. 3 weist eine Struktur mit einem eingeschlossenen Streifen auf. Bei der Herstellung eines solchen Laser ist kein Diffusionsschritt erforderlich. Jedoch ist der Laser im Hinblick auf die folgenden Punkte nachteilig. Außerhalb einer mehrschichtigen Struktur, welche streifenförmig ist und welche durch Laserätzen hergestellt wurde, wird die Schicht 18 aus p-leitendem GaAlAs aufgewachsen. Es ist somit erforderlich, das Aufwachsen zweimal durchzuführen, währenddessen die Grenzschicht zwischen der aktiven Schicht 12 und der Schicht 18 aus p-leitendem GaAlAs der Atmosphäre ausgesetzt ist. Somit besteht die Gefahr, daß die derart ausgesetzte Grenzschicht fehlerhaft wird. Ferner ist es schwierig, eine mehrschichtige Struktur in der Form eines Streifens mit ausreichend kleiner Breite mittels der Laser-Ätztechnik herzustellen.

Aus der vorhergehenden Beschreibung ergibt sich ohne weiteres, daß herkömmliche Halbleiterlaser mit streifenförmiger, doppelter Heterostruktur eine Vielzahl von Nachteilen bezüglich ihrer Struktur und Herstellung aufweisen und häufig keinen zufriedenstellenden Betrieb ermöglichen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Doppelheterostruktur-Halbleiterstreifenlaser der eingangs genannten Art zu schaffen, der einen äußerst stabilen Einzelmodenbetrieb gewährleistet und einfach hergestellt werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Doppelheterostruktur-Halbleiterstreifenlaser der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Doppelheterostruktur-Halbleiterstreifenlaser wird der streifenförmige Bereich dadurch erzeugt, daß die obere Kante der treppenförmigen Stufe bis in die untere Überzugsschicht hineinreicht. Es hat sich gezeigt, daß sich bei dieser Lösung besonders günstige Betriebsverhältnisse für einen stabilen Einzelmodenbetrieb des Lasers erzielen lassen. Durch das Aufschneiden der Sperrschicht im Bereich der oberen Kante der Stufe entsteht in diesem Kantenbereich der Streifen, so daß sich die Laserstrahlung auf diesen kleinen Bereich im Bereich der Kante in der aktiven Schicht konzentriert, was einen sehr stabilen Betrieb ermöglicht.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher er­ läutert. Es zeigen

Fig. 1 bis 3 Schnittansichten von Beispielen herkömmlicher, Halbleiterlaser mit streifenförmiger, doppelter Heterostruktur, und

Fig. 4 und 5 Schnittansichten von Ausführungsbeispielen der Er­ findung.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5 näher erläutert.

Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung. In Fig. 4 bezeichnet 20 ein Substrat aus n-leitendem GaAs, 21 eine Stromsperrschicht aus p-leitendem Ga_1-x Al _x As, 22 eine untere Überzugsschicht aus n-leitendem Ga_1-x Al _x As, 23 eine aktive Schicht aus n-leitendem oder p-leitendem GaAs, 24 eine obere Überzugsschicht aus p-leitendem Ga_1-x Al _x As, 25 eine ohmsche Kontaktschicht aus p-leitendem GaAs, 26 eine p-seitige Elektrode, 27 eine n-seitige Elektrode, 28 eine treppenförmige Stufe, 28 a und 28 b die untere und die obere Kante der Stufe, 29 einen streifenförmigen Bereich und 30 einen lichtaussendenden Bereich.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten lichtaussendenden Halbleiterlaser ist die treppenförmige Stufe 28 auf dem Substrat 20 aus n-leitendem GaAs in der Form eines sich senkrecht zur Zeichenebene erstreckenden Streifens ausgebildet. Die Stromsperrschicht 21 aus p-leitendem Ga_{1- x} Al _x As ist über der gesamten Oberfläche des Substrats 20 aus n-leitendem GaAs ausgebildet, wobei der Bereich 29 in der Form eines Streifens am Ende der treppen­ förmigen Stufe 28 auftritt. Die untere Überzugsschicht 22 aus n-leitendem Ga_{1- x} Al _x As, die aktive Schicht 23 aus n-leitendem oder p-leitendem GaAs, die obere Überzugsschicht 24 aus p-leitendem Ga_{1- x} Al _x As und die ohmsche Kontaktschicht 25 aus p-leitendem GaAs sind auf der Stromsperrschicht 21 in der angegebenen Reihenfolge ausgebildet. Die p-seitige Elektrode 26 ist auf der ohmschen Kontaktschicht 25 und die n-seitige Elektrode 27 auf der anderen Oberfläche des Substrats 20 ausgebildet. Die treppenförmige Stufe 28 hat vorzugsweise eine Höhe von mehr als 3 µm. Die Dicke der Stromsperrschicht 21 beträgt weniger als ein Viertel der Dicke des Halbleiter­ substrats 20 an einer Stelle, die mehr als 20 µm von der Basis oder dem Rand der treppenförmigen Stufe 28 entfernt ist. Vorzugsweise haben die untere Überzugs­ schicht 22, die obere Überzugsschicht 24 und die ohmsche Kontaktschicht 25 eine Dicke von 2 bis 3 µm. Die Dicke der aktiven Schicht 23 beträgt vorzugsweise 0,5 bis 1 µm. Wenn die verbotene Bandbreite und die Brechungsindizes der unteren Überzugsschicht 22, der aktiven Schicht 23 und der oberen Überzugsschicht 24 mit Eg ₂, Eg ₃ bzw. Eg ₄ und N ₂, N ₃ bzw. N ₄ bezeichnet werden, dann gilt Eg ₂ < Eg ₂, Eg ₃ < Eg₄, und N ₃ < N ₂, N ₃ < N ₄.

Wenn positive und negative Spannungen an die p-seitige Elektrode 26 und an die n-seitige Elektrode 27 des so gebildeten Halbleiterlasers angelegt werden, ist die zwischen der Stromsperrschicht 21 aus p-leitendem Ga_1-x Al _x As und der unteren Überzugsschicht 22 aus n-leitendem Ga_1-x Al _x As gebildete Sperrschicht 21 ent­ gegengesetzt vorgespannt, und deshalb kann Strom insge­ samt durch den Bereich 29 fließen. Als Ergebnis hiervon wird der lichtaussendende Bereich auf einen Bereich mit geringer Breite begrenzt, der durch das Bezugszeichen 30 gekennzeichnet ist. Der lichtaussendende Bereich 30 arbeitet in einer zu einer Struktur äquivalen­ ten Weise, bei der ein Bereich senkrecht zur Richtung des Streifens von Überzugsschichten umgeben ist, von denen eine jede eine verbotene Bandbreite aufweist, die größer als diejenige der aktiven Schicht ist und deren Brechungsindex kleiner als der der aktiven Schicht ist. Deshalb sind der Stromfluß und die Lichtemission beide be­ grenzt, mit dem Ergebnis, daß der Laser in einem transversalen Grundmodus stabil schwingt.

Im folgenden wird als Beispiel ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleiterlasers angegeben, der die vorhergehend beschriebene Struktur aufweist. Zuerst wird das Substrat 20 aus n-leitendem GaAs mit einer Maske geätzt, die an einer Seite der oberen Oberfläche des Substrats 20 vorge­ sehen ist, um die treppenförmige Stufe 28 aus­ zubilden, die sich in der Form eines Streifens in einer Richtung über eine Höhe von ungefähr 3 bis 10 µm er­ streckt. Als Ätzflüssigkeit kann beispielsweise eine Mischung aus H₃PO₄ und H₂O₂ verwandt werden. Die Höhe der Stufe 28 kann wunschgemäß durch Steuerung der Ätzzeit bestimmt werden. Wenn die Haupt­ oberfläche des Substrats 20 aus n-leitendem GaAs eine (100) Ebene ist und die Richtung des Streifens so ausgewählt ist, daß sie in der <01< Richtung liegt, dann wird die Stufe 28 durch eine (111) Ebene gebildet.

Als nächstes wird die Stromsperrschicht 21 aus p-leitendem Ga_1-x Al _x As auf dem Substrat 20 aus n-leitendem GaAs mit­ tels Flüssigphasen-Epitaxie so ausgebildet, daß die Dicke der Stromsperrschicht 21 an einer um mehr als 20 µm von der Kante der treppen­ förmigen Stufe 28 entfernten Stelle kleiner als ein Viertel der Höhe der Stufe ist. Da die Aufwachsgeschwindigkeit im Bereich von konvexen Teilen Null oder negativ wird, wird an der oberen Längskante 28 b der Stufe die Stromsperrschicht 21 nicht ausge­ bildet, so daß der Bereich 29 gebildet wird, welcher als der Stromkonzentrationsbereich wirkt.

Durch Flüssigphasenepitaxie werden die untere Überzugsschicht 22 aus n-leitendem Ga_{1- x} Al _x As mit einer Dicke von 2 bis 3 µm, die aktive Schicht 23 aus n-leitendem oder p-leitendem GaAs mit einer Dicke von 0,5 bis 1 µm, die obere Überzugsschicht 24 aus p-leitendem Ga_{1- x} Al _x As mit einer Dicke von 2 bis 3 µm und die ohmsche Kontaktschicht 25 aus p-leitendem GaAs mit einer Dicke von 2 bis 3 µm in der angegebenen Reihenfolge auf der Oberfläche der Stromsperrschicht 21 ausgebildet. Schließ­ lich werden die p-seitige Elektrode 26 auf der ohmschen Kontaktschicht 25 und die n-seitige Elektrode 27 auf der Unterfläche des Substrates 20 gebildet. Die Dicke der unteren Überzugsschicht 22 aus n-leitendem Ga_{1- x} Al _x As sollte so gewählt werden, daß sie den Bereich 29 überzieht.

Ein besonderes Ausführungsbeispiel eines Halb­ leiterlasers wird nun angegeben. Wenn die Hauptfläche des Substrats 20 eine (100) Ebene ist, wird die Höhe der treppen­ förmigen Stufe 28 zu 6 µm gewählt und die Richtung des Streifens ist <01<. Der Neigungswinkel des Stufenbereichs beträgt dann ungefähr 55°. Wenn die Dicke der Stromsperrschicht 21 aus p-leitendem Ga_{1- x} Al _x As zu 1,5 µm an einer um mehr als 20 µm von der Kante der treppenförmigen Stufe 28 entfernten Stelle gewählt wird, wird der Bereich 29 der Strom­ sperrschicht 21 als eine Streifen mit einer Breite von ungefähr 1 µm ausgebildet, während die seitliche Breite des lichtaussendenden Bereiches 30 ungefähr 5 µm sein wird.

Aus der vorhergehenden Beschreibung ergibt sich ohne weiteres, daß die Schichten 21 bis 25 des Halb­ leiterlasers nach der Erfindung mittels eines konti­ nuierlichen Aufwachsverfahrens aus der Flüssigkeitsphase gebildet werden können. Deshalb ist die aktive Schicht 23 niemals der Atmosphäre ausgesetzt. Infolgedessen treten bei dem Halbleiterlaser nach der Erfindung keine Schwierigkeiten auf, die bei einer her­ kömmlichen Einrichtung mit eingeschlossener Streifenstruktur vorliegen.

Die Erfindung wurde in bezug auf einen Halbleiterlaser mit einer doppelten Heterosperr­ schichtstruktur aus GaAlAs und GaAs beschrieben, wobei es jedoch offensichtlich ist, daß die technische Grund­ idee der Erfindung auch bei einem Halb­ leiterlaser mit einer doppelten Hetero­ struktur anderer Verbindungen aus mehreren Elementen angewandt werden kann, wie z. B. bei InP und InGaAsP.

Bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel wurde die p-seitige Elektrode 26 als eine solche beschrieben, welche über der gesamten Fläche der ohmschen Kontaktschicht 25 aus­ gebildet ist. Jedoch kann die p-seitige Elektrode 26 auch in der Form eines sich in Längsrichtung des treppenförmi­ gen Stufenbereiches 28 erstreckenden Streifens vorge­ sehen sein. In diesem Fall wird die Wirkung der Strom­ konzentration in bemerkenswerter Weise verbessert.

Ein anderes Beispiel einer lichtaussendenden Halbleiter­ einrichtung ist in Fig. 5 dargestellt, bei der die Teile, welche gerade in bezug auf die Fig. 4 beschrieben worden sind, in gleicher Weise bezeichnet sind. Bei diesem Bei­ spiel sind die Epitaxie-Schichten bzw. Aufwachs- Schichten 21 bis 25 an einer Stelle, die mehr als 5 µm von dem Ende der treppenförmigen Stufe 28 ent­ fernt liegt, durch Ätzen oder ein anderes Verfahren ent­ fernt, um das Substrat 20 freizumachen, und die n-seitige Elektrode 27 ist auf der freien Ober­ fläche des Substrats 20 ausgebildet. Mit der so ausge­ bildeten Struktur können alle Elektroden auf einer Seite des Halbleiterkörpers ausgebildet werden.

Zusammenfassend ergibt sich, daß durch die Erfindung ein Halbleiterlaser mit einer doppelten Heterostruktur geschaffen wird, bei dem die Schwingung in einem einzigen transversalen Modus stabil erfolgen kann. Eine treppenförmige Stufe ist streifen­ förmig auf der Oberfläche einer Unterlage ausgebildet. Eine Stromsperrschicht von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp ist auf der Halbleiterunterlage mit einer solchen Dicke ausgebildet, daß die Stromsperrschicht längs der oberen Kante der treppenförmigen Stufe unterbrochen ist, um einen Bereich in ihr auszubilden, welcher als ein Strom­ konzentrationsbereich dient. Auf der Stromsperrschicht und dem Stromkonzentrationsbereich sind eine untere Überzugsschicht, eine aktive Schicht, eine obere Überzugsschicht und eine ohmsche Kontakt­ schicht ausgebildet.

Claims (5)

1. Doppelheterostruktur-Halbleiterstreifenlaser mit:

• a) einem Halbleitersubstrat (20) vom ersten Leitungstyp das an seiner Oberfläche eine sich in Längsrichtung des bei Streifenlasern üblicherweise vorhandenen Streifens erstreckende, treppenförmige Stufe (28) besitzt, die mit der Oberfläche des Halbleitersubstrats (20) jeweils eine untere Kante (28 a) und eine obere Kante (28 b) bildet,
• b) einer auf der mit der treppenförmigen Stufe (28) versehenen Oberfläche des Halbleitersubstrats (20) angeordneten Stromsperrschicht (21) vom zweiten Leitungstyp, die in der Nähe der Stufe (28) in einem parallel zur Stufe (28) verlaufenden streifenförmigen Bereich (29) unterbrochen ist, so daß das Halbleitersubstrat (20) an diesem streifenförmigen Bereich (29) freiliegt,
• c) einer auf der Stromsperrschicht (21) und dem streifenförmigen Bereich (29) angeordneten unteren Überzugsschicht (22) vom ersten Leitungstyp, die in dem streifenförmigen Bereich (29) in Kontakt mit dem Halbleitersubstrat (20) steht,
• d) einer auf der unteren Überzugsschicht (22) angeordneten aktiven Schicht (23),
• e) einer auf der aktiven Schicht (23) angeordneten oberen Überzugsschicht (24) vom zweiten Leitungstyp,

gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:

• f) der streifenförmige Bereich, der die Stromsperrschicht (21) unterbricht, ist so ausgebildet daß die obere Kante (28 b) der treppenförmigen Stufe (28) bis in die untere Überzugsschicht (22) hineinreicht.

2. Doppelheterostruktur-Halbleiterstreifenlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht (23) aus GaAs besteht.

3. Doppelheterostruktur-Halbleiterstreifenlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der treppenförmigen Stufe (28) im Bereich von 3 bis 10 µm liegt und daß die Dicke der Stromsperrschicht (21) an einer Stelle, die lateral mindestens 20 µm von der unteren Kante (28 a) der treppenförmigen Stufe (28) entfernt ist, weniger als ein Viertel der Dicke des Halbleitersubstrats (20) beträgt.

4. Doppelheterostruktur-Halbleiterstreifenlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der treppenförmigen Stufe (28) im Bereich von 3 bis 10 µm liegt, daß die Dicke der Stromsperrschicht (21) weniger als ein Viertel der Dicke des Halbleitersubstrats (20) beträgt, daß die untere Überzugsschicht (22) eine Dicke im Bereich von 2 bis 3 µm aufweist, daß die aktive Schicht (23) eine Dicke zwischen 0,5 und 1 µm besitzt und die obere Überzugsschicht (24) eine Dicke im Bereich von 2 bis 3 µm an einer Stelle, die wenigstens 20 µm von der unteren Kante (28 a) der treppenförmigen Stufe (28) entfernt ist, aufweist.