DE3329467A1

DE3329467A1 - Halbleiterlaser

Info

Publication number: DE3329467A1
Application number: DE19833329467
Authority: DE
Inventors: Akiro Hirakata Osaka Fujimoto
Original assignee: Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1982-08-16
Filing date: 1983-08-16
Publication date: 1984-02-16
Also published as: GB2127218B; DE3348097A1; DE3348097C2; GB2127218A; GB8321788D0; DE3329467C2

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterlaser, insbesondere auf einen Halbleiterlaser, bei welchem eine aktive Schicht sowie eine erste und eine zweite Halbleiterschicht, die diese aktive Schicht zwischen sich nehmen, aus einer leitfähigen Halbleiterschicht der gleichen Art ausgebildet sind und ein PN-Übergangsabschnitt in der aktiven Schicht durch eine invertierte Diffusionsschicht ausgebildet ist.

Bekanntlich umfaßt ein Halbleiterlaser ein Lasermedium, das aus einem Halbleiterkristall mit einem Doppelheteroübergangsaufbau ausgebildt ist. Gemäß dem Grundaufbau des Halbleiterkristalls sind eine erste Halbleiterschicht, eine aktive Schicht und eine zweite Halbleiterschicht in dieser Reihenfolge auf einem Substrat übereinandergeschichtet und bilden einen Doppelheteroübergangsaufbau. Das heißt, die verbotenen Bandlücken der ersten und der zweiten Halbleiterschicht sind größer als diejenige der aktiven Schicht. Bei einem solchen Übergangsaufbau werden aus der ersten und der zweiten Halbleiterschicht in die aktive Schicht injizierte Ladungsträger auf die aktive Schicht eingegrenzt. Dadurch kommt es zu einer wirksamen Ladungsträgerrekombination in der aktiven Schicht. In dieser aktiven Schicht findet also die Laseroszillation statt.

Um die Ladungsträgerrekombinationsausbeute in der aktiven Schicht zu erhöhen, ist es notwendig, die Ladungsträgerinjektionsdichte in die aktive Schicht zu erhöhen. Die Halbleiterschicht ist im allgemeinen mit einem Streifenaufbau versehen. Die Wirkung dieses Streifenaufhaus besteht darin, die in den ersten und den zweiten Halbleiter injizierten Ladungsträger so zu führen, daß diese in einem speziellen Bereich der aktiven Schicht konzentriert werden können.Dadurch wird die aktive Schicht mit einem stegartigen Strahlungsbereich ausgebildet, dessen Längsrichtung durch die Kristallenden und dessen Querrichtung durch die Streifenbreite bestimmt wird.

Da der Brechungsindex der aktiven Schicht größer als derjenige der ersten und der zweiten Halbleiterschicht ist, wird das durch Ladungsträgerrekombination erzeugte Lichtbündel auf den Strahlungsbereich eingegrenzt. Da beide Enden in Längsrichtung (d.h. beide Kristallenden) des Strahlungsbereichs eine Fabry-Perot-Resonanzoberflache bilden, erfährt das Lichtbündel eine ResonanzverStärkung und ein Teil desselben wird ausgegeben= Dies ist der bekannte Laserstrahl.

Die Laseroszillation im Strahlungsbereich hat einen in Längsrichtung erzeugten longitudinalen Mode und einen in seitlicher Richtung erzeugten lateralen Mode. Vorzugsweise sind diese Einzelmoden. Der longitudinale Mode kann infolge der Fabry-Perot-Resonanzoberf lache einen Einzelmode annehmen. Der laterale Mode hängt jedoch vom Streifenaufbau ab. Das heißt, der Streifenaufbau muß so geartet sein, daß er eine Ausbreitung des Lichtbündels in seitlicher Richtung verhindern kann.

Infolgedessen wurden bereits verschiedene Arten von Streifenaufbauten ι die dazu dienen sollen, den lateralen Mode zu einem Einzelmode zu machen, vorgeschlagen. Alle diese Aufbauten sind jedoch hinsichtlich ihrer Herstellung kompliziert. Beispielsweise gibt es einen Aufbau, bei welchem ein Abschnitt bis zu einem Bereich von der zweiten Halbleiterschicht zur ersten Halbleiterschicht bestrahlt wird, um eine Hochwiderstandsschicht auszubilden. Es handelt sich dabei also um einen Aufbau, bei welchem die Hochwiderstandsschichten auf beiden Seiten ausgebildet sind und einen schmalen Streifen freilassen. In diesem Fall beinhaltet das Herstellen des Halbleiterkristalls mit der Protoneneinstrahlung einen ungewöhnlichen Verfahrensschritt, dem es in seiner Art an Übereinstimmung mit den anderen fehlt. Bei dem bekannten Querübergangs-Streifengeometrielaser ist dieser Punkt zwar verbessert, dafür sind bei ihm aber eine Vielzahl von Maskierungsschritten zur Ausbildung einer Diffusionsschicht gegeben und er ist insgesamt kompliziert,

Die vorstehenden Überlegungen beruhen auf Anforderungen hinsichtlich einer Verminderung des Schwellenstroms und einer

Vereinheitlichung des Schwingungsmodes neben Anforderungen hinsichtlich einer höheren Ausgangsleistung. Es stellt sich nämlich etwa das Problem des Zusammenbruchs eines Kristallendes, das eine Fabry-Perot-Resonanzfläche darstellt, so daß es natürlich eine Grenze für die Erhöhung der Schwingungsausgangsleistung durch einfache Erhöhung des Treiberstroms gibt.

Im Hinblick auf das vorstehend Erwähnte wurde ein Halbleiterlaser vorgeschlagen, bei welchem der oben erwähnte Streifenaufbau zur Ausbildung mehrerer Strahlungsbereiche in einer aktiven Schicht verwendet wird und die Ausgangslichtbündel zur Erzielung einer höheren Ausgangsleistung aufsummiert werden.

Bei einem solchen Halbleiterlaser sind jedoch, da der Streifenaufbau hinzutritt, viele Maskierungsschritte erforderlich, was den Herstellungsprozeß schwierig macht. Ferner ist es bei einem Halbleiterlaser dieses Typs wünschenswert, daß der Abstand zwischen den Strahlungsbereichen schmal ist. Der Abstand zwischen den Strahlungsbereichen läßt sich jedoch nicht kleiner machen, als es den durch die photolithographische Technik gegebenen Grenzen entspricht. Dementsprechend ist es schwierig, eine höhere Dichte der Strahlungsbereiche zu schaffen.

Ferner besteht ein Bedürfnis für die Entwicklung eines Halbleiterlasers, welcher eine Funktion der Ablenkung des Ausgangslichtbündels in Abhängigkeit von einem Element des Halbleiterlasers selbst hat.

Bekanntlich ist bei optoelektronischen Vorrichtungen wie etwa einem Faksimile-Übertragungsgerät, ein Lichtablenker, der sich aus optoelektrischen Elementen, einem beweglichen Spiegel und dergleichen zusammensetzt, mit dem Halbleiterlaser kombiniert, um sein Ausgangsliehtbündel abzulenken. Die Kombination mit einem Lichtablenker bringt jedoch eine Reihe von Problemen mit sich, die aufgrund des komplizierten Mechanismus nur schwer zu lösen sind. Um die Vorteile des Halbleiterlasers, die in seiner geringen Größe und seinem geringen Gewicht liegen,

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voll ausnützen zu können, hat sich der Wunsch nach einem Halbleiterlaser ergeben, bei welchem ein Element des Halbleiterlasers selbst eine Ablenkfunktion für ein Ausgangslichtbündel hat.

Schließlich erfordert eine Optoschaltung ein optisches Verzweigungselement, welches ein einzelnes Lichtbündel in mehrere Lichtbündel umwandelt. Die wesentlichen Bedingungen, die ein solches optisches Verzweigungselement erfüllen muß, sind die folgenden: Erstens soll die Lichtintensitat durch die Verzweigung nicht herabgesetzt werden. Zweitens soll eine geeignete Anzahl von Zweigbündeln erzielt werden. Drittens soll die Integration bzw. Miniaturisierung des optischen Verzweigungselements und anderer Optoschaltungselemente des Lichtablenkers möglich seien.

Ein optisches Verzweigungselement, das diesen Anforderungen gerecht wird, wurde bis jetzt jedoch noch nicht vorgeschlagen. Im Hinblick auf die Möglichkeit einer Integration oder Miniaturisierung gibt es beispielsweise den Y-Verzweigungstyp, den gerichtet koppelnden Typ usw. Bei diesen Typen nimmt jedoch die Lichtintensität durch die Verzweigung ab, weshalb es schwierig ist, die Anzahl der Zweige zu erhöhen.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Halbleiterlasers, bei welchem ein lateraler Mode zu einem Einzelmode geformt werden kann.

Ferner ist es Ziel der Erfindung, einen Halbleiterlaser zu schaffen, bei welchem sich der Herstellungsprozeß vereinfachen läßt.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Halbleiterlasers, welcher eine hohe Ausgangsleistung ermöglicht.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Halbleiterlasers, der eine Ablenkfunktion für das Ausgangsbündel in Abhängigkeit von einem seiner Klimmte selbst liefert. EJn weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, unter 5 Verwendung eines Halbleiterlasers ein optisches Verzweigungselement zu realisieren, welches eine geeignete Anzahl von

Zweigbündeln erzeugen kann, ohne daß die Lichtintensität verschlechtert wird.

Gemäß der Erfindung wird ein PN-Übergangsabschnitt in einer aktiven Schicht an einem in einem Doppelheteroübergangsabschnitt ausgebildeten versetzten Abschnitt ausgebildet. Eine seitliche Ausbreitung von in dem PN-Übergangsabschnitt erzeugtem Licht ist durch eine erste und eine zweite Halbleiterschicht verhindert, zwischen denen die aktive Schicht liegt. Das heißt, der laterale Mode ist ein Einzelmode.

Eine invertierte Schicht wird einfach durch Diffusion von einer Halbleiterkristalloberfläche ausgebildet. Das heißt, obwohl verschiedene invertierte Schichten vorhanden sind, sind bei keiner von diesen komplizierte Maskierungsschritte erforderlich.

Ferner lassen sich mehrere Doppelheteroübergangsaufbauten wegen einer Mehrfachschichtung von leitfähigen Halbleiterschichten der gleichen Art einfach gewinnen. Es werden also PN-Übergangsabschnitte (Strahlungsbereiche) in einer seitlichen Reihe in einer Anzahl von aktiven Schichten im ver-

2Q setzten Abschnitt ausgebildet. Der Abstand zwischen den Strahlungsbereichen entspricht der Dicke der Halbleiterschichten, die auf den beiden Seiten einer jeden aktiven Schicht aufgeschichtet sind. Die Dicke einer Halbleiterschicht kann kleiner als der Submikrometerbereich sein, kann geeignet eingestellt werden und ist kleiner als die Abstandsgrenzen, die die photolithographische Technik setzt. Dementsprechend läßt sich eine höhere Dichte der Strahlungsbereiche verwirklichen.

Ferner läßt sich durch eine Abwandlung des Aufbaus der Ladungsträgerinjektionselektrode ein Halbleiterlaser mit hoher Ausgangsleistung oder ein Ablenk-Halbleiterlaser gewinnen. Das heißt, im Falle des Halbleiterlasers hoher Ausgangsleistung sind beide Oberflächen des Halbleiterkristalls jeweils durch eine Ladungsträgerinjektionselektrode bedeckt, und die Laserschwingungen werden an allen PN-Übergangsabschnitten gleichzeitig durchgeführt. Die Ausgangslichtbündel

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der einzelnen Strahlungsbereiche lassen sich einfach aufsummieren.

Beim Ablenk-Halbleiterlaser weist eine der Elektroden eine Vielzahl von Einzelelektroden auf, die als parallele Streifen in vorgegebenen Abständen ausgebildet sind. Die in die einzelnen PN-übergangsabschnitt injizierten Ladungsträgerdichten sind hoch für einen PN-übergangsabschnitt in der Nähe einer bestimmten Ladungsträgerinjektionselektrode und werden niedrig, für weiter weg von dieser Ladungsträgerinjektionselektrode liegende. Wenn also eine an die Ladungsträgerinjektionselektrode gelegte Vorspannung verändert wird, läßt sich der Schwellwert der Laseroszillation im PN-übergangsabschnitt der Reihe nach ausgehend von der der Elektrode näherliegenden Seite steuern, so daß der Ausgangsstrahl des Lasers wesentlich seitlich abgelenkt werden kann. Wenn, wie oben beschrieben, ein Element des Halbleiterlasers selbst die Ablenkfunktion hat, braucht ein bekannter Lichtablenker nicht vorgesehen zu sein, so daß sich dadurch eine Miniaturisierung, Gewichtsverminderung und hohe Zuverlässigkeit erreichen läßt.

Ferner sind nicht invertierte Schichten auf den beiden Seiten in Längsrichtung der aktiven Schicht vorgesehen, um dadurch eine Absorption von Licht in der Nachbarschaft des Kristallendes zu vermindern. Das heißt, die Zusammenbruchsgrenze des Kristallendes steigt, womit sich höhere Ausgangsleistungen ergeben.

Schließlich breitet sich, wenn ein einziger Laserstrahl auf einen von mehreren PN-übergangsabschnitten von außerhalb des Elements einfällt, dieser Laserstrahl teilweise in die übrigen PN-übergangsabschnitte aus, weshalb nicht nur dieser eine PN-übergangsabschnitt, sondern auch die übrigen PN-übergangsabschnitte durch optische Anregung eine Laeroszillation bieten, so daß mehrere Laserstrahlen ausgelöst werden. Jeder dabei ausgegebene Zweigstrahl· hat die gleiche Phase und die gleiche Wellenlänge wie der einfallende Laserstrahl, so daß dessen Lichtintensität verstärkt wird. Dementsprechend

ist es extrem einfach und leicht, die Anzahl der Zweige zu erhöhen.

Auch wird ein Strom, der geringfügig geringer als der Schwellstrom ist, jedem der PN-übergangsabschnitte zur Schaffung einer Laseroszillation durch optische Anregung vorzugeführt, weshalb ein unter dem Schwellstrom liegender Strom ausreicht, wenn jeder der PN-übergangsabschnitte einzeln eine Laseroszillation liefert, womit ein optisch verzweigender Halbleiterlaser niedriger Leistungsaufnahme geschaffen ist. Im folgenden werden bevorzugte Aüsfuhrungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben. Auf dieser ist

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufhaus eines HaIb-1.5 leiterlasers gemäß einer ersten Ausführungsform der

Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Halbleiterlasers gemäß einer zweiten Aüsfuhrungsform der Erfindung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Halbleiterlasers gemäß einer dritten Aüsfuhrungsform der Erfindung,
25

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Halbleiterlaser gemäß einer vierten Aüsfuhrungsform der Erfindung,

Fig. 5 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Halbleiterlaser gemäß einer fünften Aüsfuhrungsform der Erfindung,

Fig. 6 ein Schnitt längs Linie A-A der Fig. 5,

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Fig. 7 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Halbleiterlasers gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung, wobei dieser Halbleiterlaser hinsichtlich der Brechungsindexbeziehung und der Methode der Einstellung der Vorspannung gegen

über dem Aufbau des in Fig. 2 gezeigten Halbleiterlasers modifiziert ist, um ihn als optisches Verzweigungselement zu betreiben, und

Fig. 8 eine schematische perspektivische Ansicht eines Anwendungsbeispiels des in Fig. 7 gezeigten optisch verzweigenden Halbleiterlasers.

Fig. 1 zeigt einen Halbleiterlaser gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Bei diesem Halbleiterlaser sind eine Löcherinjektionselektrode 26 und eine Elektroneninjektionselektrode 27 auf der einen bzw. der anderen Seite eines Halbleiterkristalls vorgesehen, der aus den folgenden Halbleiterschichten aufgebaut ist.

Der genannte Halbleiterkristall setzt sich zusammen aus einer n-GaAs-Schicht (Substrat) 21, einer GaAlAs-Schicht 22, einer n-GaAlAs-Schicht 23, einer n-GaAs-Schicht (aktive Schicht) 24 und einer n-GaAlAs-Schicht 25. In einem Injektionsabschnitt (dabei handelt es sich um einen Doppelheteroübergangsabschnitt) zwischen der aktiven Schicht 24 und den zu beiden Seiten derselben vorhandenen Halbleiterschichten 23, 25 ist ein Versetzungsabschnitt 28 vorgesehen. Eine p-Diffusionsschicht 29 ist auf der Seite der Löcherinjektionselektrode 26 vorgesehen. Der erwähnte Versetzungsabschnitt 28 wird auf folgende Weise ausgebildet. Die GaAlAs-Schicht 22 wird in einer bestimmten Dicke auf dem Substrat 21 aufgeschichtet. Danach wird die GaAlAs-Schicht 22 teilweise durch Ätzen entfernt, so daß insoweit die Oberfläche des Substrats 21 freigelegt wird. Das heißt, der Versetzungsabschnitt 28 wird durch einen über die Dicke der GaAlAs-Schicht 22 gehenden gestuften Abschnitt ausgebildet. Die GaAlAs-Schicht 22 wird durch Dotieren mit einem

η-leitenden Element gewonnen, oder sie wird auch nicht einer Dotierung unterworfen.

Nach Ausbildung des Versetzungsabschnitts 28 in der oben beschriebenen Weise werden die n-GaAlAs-Schicht 23, die aktive Schicht 24 und die n-GaAlAs-Schicht 25 nacheinander aufgeschichtet. Der Ihjektionsabschnitt wird also durch den Versetzungsabschnitt 28 stufenweise ausgebildet. Die Oberfläche der n-GaAlAs-Schicht 25 wird infolge der Abhängung der Kristallwachstumsgeschwindigkeit von der Oberflächenrichtung im wesentlichen eben und horizontal gemacht.

Die vorgenannte p-Diffusionsschicht 29 wird so aufgebaut, daß Zink in einem Bereich von der gesamten Oberfläche der GaAlAs-Schicht 25 bis zur aktiven Schicht 24 im Versetzungsabschnitt 28 diffundiert wird. Die Grenzfläche zwischen dem p-Inversionsbereich und dem η-Bereich verläuft parallel zur Oberfläche der n-GaAlAs-Schicht 25. Auf diese Weise wird ein PN-Übergangsabschnitt 30 einer bestimmten Breite in seitlicher Richtung in der aktiven Schicht 24 im Versetzungsabschnitt 28 ausgebildet. Bei dem in der oben beschriebenen Weise aufgebauten HaIbleiterlaser werden, wenn eine Vorwärtsspannung an die beiden Elektroden 26, 27 angelegt wird, Ladungsträger hoher Dichte in den PN-Übergangsabschnitt 30 injiziert. Da beide seitlichen Ränder des PN-Übergangsabschnitts 30 zwischen hohe Potentialbarrieren der n-GaAlAs-Schichten 23, 25 gesetzt sind, werden die injizierten Ladungsträger auf den PN-Übergangsabschnitt 30 eingegrenzt, ohne daß sie in seitlicher Richtung herausdiffundieren, so daß sie mit hohem Wirkungsgrad rekombinieren und stimmulierte Lichteitimission erzeugen. Damit wird ein Strahlungsbereich 31 in der aktiven Schicht 24 in der Nachbarschaft des PN-Übergangsabschnitts 30 ausgebildet. Das im Strahlungsbereich 31 erzeugte Licht wird einer Resonanzverstärkung unterworfen, wobei die Kristallenden an beiden Längsseiten Fabry-Perot-Resonanzoberflachen sind. Dabei wird das erzeugte Licht durch die n-GaAlAs-Schichten 23, 25 mit kleinem Brechungsindex abgehalten, so daß es sich nicht seitlich ausbreitet. Das

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heißt, der laterale Mode kann zum Einzelmode gemacht werden.

Bei der Herstellung des Halbleiterlasers wird einfach Zink von der gesamten Oberfläche der n-GaAlAs-Schicht 25 her diffundiert, weshalb bei der Ausbildung der p-Diffusionsschicht 29 und der Löcherinjektionselektrode 26 Maskierungsschritte nicht erforderlich sind, so daß das Herstellungsverfahren vereinfacht ist.

Fig. 2 zeigt einen Halbleiterlaser gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser zweiten Ausführungsform sind Teile, die denjenigen der ersten Ausführungsform entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen wie dort bezeichnet, und ihre Beschreibung ist hier weggelassen (Gleiches gilt auch für die folgenden Ausführungsformen).

Der Halbleiterlaser gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung weist mehrere Doppelheteroübergangsaufbauten auf, was eine hohe Ausgangsleistung ermöglicht. Das heißt, n-GaAs-Schichten 4 und aktive Schichten (n-GaAs) 5 (jeweils mit den Zusatzbuchstaben a, b, c, d und e in Fig. 2 versehen), die miteinander einen HeteroÜbergang bilden, werden abwechselnd aufgeschichtet, wobei mehrere (im dargestellten Beispiel vier) Heteroübergangsaufbauten durch die einzelnen Schichtensätze (4a, 5a, 4b , 4b, 5b, 4c), (4c, 5c, 4d) und (4d, 5d, 4e) ausgebildet werden. Dieser Übergangsabschnitt wird ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform mit einem Versetzungsabschnitt 28 ausgebildet. Zink wird in einen Bereich von der gesamten Oberfläche der obersten Schicht (n-GaAlAs-Schicht 4e) des Halbleiterkristalls ist zu den einzelnen aktiven Schichten 5a, 5b, 5c, 5d im Versetzungsabschnitt 28 diffundiert, um eine invertierte p-Schicht 29 auszubilden. Damit werden die einzelnen Schichten des Versetzungsabschnitts 28 mit PN-übergangsabschnitteru ausgebildet, die in einer Reihe in seitlicher Richtung liegen.

Bei dem in der oben beschriebenen Weise ausgebildeten Halbleiterlaser werden Ladungsträger hauptsächlich in die in den aktiven Schichten 5a, 5b, 5c und 5d ausgebildeten PN-Übergangsabschnitte 10a, 10b, 10c und 10d der im Versetzungsabschnitt

28 ausgebildeten PN-Übergangsabschnitte injiziert. Dies ist eine Folge der Tatsache, daß die Energielücke der GaAlAs-Schichten 4a, 4b, 4c, 4d und 4e größer als diejenige der aktiven Schichten 5a, 5b, 5c und 5d ist. Da jeder der PN-Übergangsabschnitte 10a, 10b, 10c und 10d an beiden seitlichen Rändern zwischen Heterobarrieren der GaAlAs-Schichten 4a, 4b, 4c, 4d und 4e gesetzt ist, werden die injizierten Ladungsträger darin eingegrenzt, ohne daß sie in seitlicher Richtung herausdiffundieren, so daß sie mit hohem Wirkungsgrad rekombinieren und auf stimulierte Emission zurückgehendes Licht erzeugen und Strahlungsbereiche 11a, 11b, 11c und 11d bilden. Der Abstand zwischen den Strahlungsbereichen 11a, 11b, 11c und 11d wird durch die Dicke der GaAlAs-Schichten 4a, 4b, 4c und 4d bestimmt. Es ist bekannt, daß die Dicke von Halbleiterschichten des beschriebenen Typs geeignet in einem Bereich von einigen Mikrometern bis zu sehr vielen Mikrometern, abhängig von Wachstumsgeschwindigkeit und -zeit der Kristalle, eingestellt werden kann.

Fig. 3 zeigt einen Halbleiterlaser gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Halbleiterlaser gemäß dieser dritten Ausführungsform ist der Aufbau der Ladungsträgerinjektionselektrode gegenüber dem Halbleiterlaser nach der zweiten Ausführungsform abgewandelt.

Es sind Löcherinjektionselektroden 31a, 31b und Elektroneninjektionselektroden 32a, 32b als parallele Streifen auf beiden lateralen Seiten der Kristalloberfläche ausgebildet, wodurch sie den Versetzungsabschnitt 28 nicht überlappen.

Bei dem so aufgebauten Halbleiterlaser wird beispielsweise, wenn eine Vorwärtsvorspannung zwischen den Elektroden 31a und 32a zur Erzeugung eines Treiberstroms angelegt wird, der größte Anteil an Ladungsträgern in den PN-übergangsabschnitt 10a injiziert, für den der Stromweg am kürzesten und mit dem niedrigsten elektrischen Widerstand behaftet ist. Der Stromweg verlängert sich in der Reihenfolge der PN-Übergänge 10b, 10c und 10d und ebenso nimmt der elektrische Widerstand des Stromwegs zu, womit die zu injizierenden Ladungsträger ent-

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sprechend abnehmen. Die Laseroszillation wird also zuerst im PN-Übergangsabschnitt 10a bewirkt und mit zunehmendem Treiberstrom auch der Reihe nach in den PN-Übergangsabschnitten 10b, 10c und 10d. Wenn umgekehrt eine Vorwärtsvorspannung zwischen den Elektroden 31b und 32b zur Erzeugung eines Treiberstroms angelegt wird, läßt sich die Laseroszillation der Reihe nach in den PN-Übergangsabschnitten 1Od₇ 10c, 10b und 10a, also in umgekehrter Reihenfolge wie oben, bewirken. Wenn eine Vorwärtsvorspannung zwischen den Elektroden 31a und 32b oder zwischen den Elektroden 31b und 32a zur Erzeugung eines Treiberstroms angelegt wird, werden aus den gleichen Gründen wie oben viele Ladungsträger in die PN-Übergangsabschnitte 10d und 1Oc injiziert, für die der Stromweg kurz ist, so daß in diesen Übergängen die Laseroszillation zuerst stattfindet. Wenn der Treiberstrom weiter gesteigert wird, findet eine Laseroszillation auch in den PN-Übergangsabschnitten 10a und 10d statt.

Unter Ausnutzung des obigen Prinzips wird ein Treiberstrom zunächst zwischen den Elektroden 31a und 32a fließen gelassen, um eine Laseroszillation im PN-Übergangsabschnitt 10a zu bewirken. Dann wird der Treiberstrom zwischen den Elektroden 31a und 32a unterbrochen und ein Treiberstrom zwischen den Elektroden 31a und 32b oder 31b und 32a fließen gelassen, um eine Laseroszillation in den PN-Übergangsabschnitten 10b und 10c zu bewirken. Schließlich wird der Treiberstrom zwischen den Elektroden 31a und 32b bzw. 31b und 32a unterbrochen und ein Treiberstrom zwischen den Elektroden 31b und 32b fließen gelassen, um eine Laseroszillation im PN-Übergangsabschnitt 10d zu bewirken. Auf diese Weise lassen sich die Ausgangslichtbündel in seitlicher Richtung zwischen den PN-Übergangsabschnitten 10a ... 10d bewegen. Im vorliegenden Fall wird das Ausgangslichtbündel diskontinuierlich in seitlicher Richtung bewegt, das Ausgangslichtbündel läßt sich aber auch kontinuierlich bewegen, indem man den Stromwert zwischen den Elektroden geeignet steuert.

Bei der oben beschriebenen dritten Ausführungsform sind die Ladungsträgerinjektionselektroden auf beiden lateralen

Seiten der Kristalloberfläche ohne überlapp mit dem Versetzungsabschnitt vorgesehen, die Erfindung beschränkt sich aber nicht darauf, es kann vielmehr wenigstens eine Ladungsträgerinjektionselektrode als mehrere Elektroden in Form paralleler in bestimmten seitlichen Abständen liegender Streifen ausgebildet sein.

Als nächstes werden die vierte Ausführungsform (Fig. 4) und die fünfte Ausführungsform (Fign. 5 und 6) beschrieben. Diese Ausführungsformen betreffen jeweils einen Halbleiterlaser, bei welchem die Form

1.0 der invertierten Schicht gegenüber dem Aufbau des Halbleiterlasers nach der oben beschriebenen ersten Ausführungsform abgewandelt ist.

Gemäß Fig. 4 ist ein Bereich von der Oberfläche einer n-GaAlAs-Schicht 25 bis zu einem Versetzungsabschnitt 28 mit einer invertierten Schicht 41 in Form eines sich in Längsrichtung erstreckenden Steges mit einer Breite W, die etwas größer als die Querbreite einer aktiven Schicht 24 ist, ausgebildet.

Die invertierte Schicht 41 wird durch Ausbildung eines Diffusionsloches 4 3 einer Breite W in Form eines in Längsrichtung verlaufenden Bandes in einer Isolationsschicht 42, die auf die Oberfläche der n-GaAlAs-Schicht 25 aufgeschichtet ist, und durch Diffundieren von Zink von der freigelegten Oberfläche der n-GaAlAs-Schicht 25 ausgebildet.

Danach bildet mit Ausbilden einer Elektrodenschicht 44 auf der Isolationsschicht 42 ein in das Diffusionsloch 43 eingesenkter Teil ohne weitere Abwandlung eine Löcherinjektionselektrode 45. Der mühsame Maskierungsschritt zur Ausbildung der Löcherinjektionselektrode, die der schmalen Breite W der invertierten Schicht 41 entspricht, ist also nicht erforderlieh.

Mit dieser Anordnung beschränkt sich der Durchgang von injizierten Ladungsträgern, auf die als schmaler Steg ausgebildete invertierte Schicht 41. Das heißt, ein in einem anderen Teil als der invertierten Schicht 41 erwarteter Kristalldefekt wird durch die injizierten Ladungsträger selten beeinflußt. Auf diese Weise wird gemäß dem Halbleiterlaser

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nach der vierten Ausführungsform die Anzahl von Kristalldefekten, die in die invertierte Schicht 41 involviert sind, minimalisiert, womit die Wirkungen der Kristalldefekte vermindert werden. Infolgedessen nimmt die Zuverlässigkeit zu. Ferner wird gemäß den Fign. 5 und 6 eine invertierte p-Schicht 51 so diffundiert und ausgebildet, daß ein nicht-invertierter Abschnitt 52 in der Nachbarschaft beider Längsenden (nämlich der Kristallenden in Form reflektierender Spiegeloberflächen) der aktiven Schicht 24 übrigbleibt.

Es ist bekannt, daß im allgemeinen bei gleichem Halbleitermaterial bei Verwendung eines N-Leitungstyps statt eines P-Leitungstyps der wirksame Bandabstand groß und die Lichtabsorption geringer ist. Die Lichtabsorption im nichtinvertierten Abschnitt 52 ist also geringer als diejenige, die sich in Fig. 1 zeigt, weshalb die Zusammenbruchsgrenze der Kristallenden zunimmt.

Mit dem Halbleiterlaser gemäß der fünften Ausführungsform sind also größere Lichtausgangsleistungen als mit dem Halbleiterlaser nach der ersten Ausführungsform erzielbar.

2Q Schließlich zeigt Fig. 7 einen Halbleiterlaser gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung. Dieser Halbleiterlaser arbeitet als optisches Verzweigungselement durch Abwandlung der Funktion einer Eingrenzung des Lichts in der aktiven Schicht und des Verfahrens, nach dem im Aufbau des in Fig. 2 gezeigten Halbleiterlasers eine Vorspannung eingestellt wird. Beim Halbleiterlaser nach Fig. 7 sind die gleichen Bezugszeichen verwendet wie bei dem in Fig. 2 gezeigten Halbleiterlaser.

Der Halbleiterlaser ist hier also so ausgelegt, daß eine optische Welle von einem zum nächsten der benachbarten PN-Übergangsabschnitte (10a, 10b), (10b, 10c) und (10c, 10d) verschoben wird. Im einzelnen läßt sich dies erreichen, indem man eine kleine Brechungsindexdifferenz zwischen den aktiven Schichten 5a, 5b, 5c und 5d und den dazwischenliegenden HaIbleiterschichten 4b, 4c und 4d erzeugt oder indem man diese Schichten dünner macht. Eine größere Wirkung ergibt sich, wenn

man beide Maßnahmen gleichzeitig vorsieht.

Das Verfahren, nach dem eine Vorspannung eingestellt wird, wird in der folgenden Erläuterung der Betriebsweise beschrieben.

Bei dem in der oben beschriebenen Weise aufgebauten Halbleiterlaser wird eine geeignete Vorwärtsvorspannung vorab an das Halbleiterlaserelement gelegt, um die einzelnen PN-Übergangsab-. schnitte 10a, 10b, 10c und 10d auf einen Wert zu legen, der etwas unter dem Schwellwert für Laserosζillation liegt. Es fällt nun ein Laserstrahl auf einen der PN-übergangsabschnitte 10a, 10b, 10c und 10d, beispielsweise auf den PN-Übergangsabschnitt 10b, von dem einen Kristallende her ein. Dann breitet sich ein Teil des auf den PN-Übergangsabschnitt TOb einfallenden Laserstrahls auch zu den anderen PN-Übergangsabschnitten 10a, 10c und 10d aus. Dabei wird die Energie des einfallenden Laserlichts gleich der Energie gemacht, die ein jeder der PN-Übergangsabschnitte 10a, 10b, 10c und 10d für die Laseroszillation benötigt, weshalb die PN-übergangsabschnitte 10a, 10b, 10c und 10d eine Laseroszillation durch optische Anregung liefern, so daß ein Laserstrahl an den Kristallenden 11a, 11b, 11c und 11d abgegeben wird.

Der Halbleiterlaser dieser Ausführungsform kann also als ein optisches Verzweigungselement verwendet werden, wobei ein Beispiel in Fig. 8 gezeigt ist. In dieser Figur verzweigt ein den Halbleiterlaser dieser Ausführungsform enthaltendes optisches Verzweigungselement 81 ein durch einen optischen Wellenleiter 82 geführtes eingegebenes Licht eines Halbleiterlasers (Lichtquelle) 83, wobei das verzweigte Bündel durch Wellenleiter a, b, c und d geführt wird. Beispielsweise wird ein Verzweigungsbündel in eine optische Faser 85 eingeleitet, die am seitlichen Ende eines optischen IC-Substrats 84 angeschlossen ist, während andere Verzweigungsbündel in verschiedene (nicht gezeigte) Schaltungen, etwa optische Arbeitsschaltungen 86, 87, eingeleitet werden.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen bestanden die Halbleiterlaser aus Halbleiterverbindungen des GaAs-Systems,

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die Erfindung beschränkt sich aber natürlich nicht darauf, sie kann vielmehr in gleicher Weise bei Halbleiterlasern vorgesehen sein, die aus anderen Halbleiterverbindungen bestehen.

Claims

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DR. ROLF E. WILHELMS DR HELMUT KIlJAN

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Oraron Tateisi Electronics Co. Kyoto - Japan

Halbleiterlaser

Priorität: 16. August 1982 - Japan - Nr. 141807/1982

23. Dezember 1982 - Japan - Nr. 233924/1982

PATENTANSPRÜCHE

Halbleiterlaser, gekennzeichnet durch einen Halbleiterkristall mit einem Doppelheteroübergangsaufbau, der aus übereinanderliegenden Schichten (23, 24, 25; 4a-4c, 5a-5d) eines Halbleiters eines ersten Leitungstyps gebildet ist und einen gestuften Abschnitt mit darin ausgebildetem Versetzungsabschnitt (28) aufweist, wobei der Versetzungsabschnitt eine den Doppelheteroübergangsaufbau aufbauende aktive Schicht: (24; 5a~5d) enthält,

die mit einem PN-Ubergangsabschnitt (30; 10a-10d) ausgebildet ist, der die Laseroszillation liefert, wobei der PN-Übergangsabschnitt aus einer invertierten Schicht (29 ; 51) ausgebildet ist, die durch Diffundieren eines leitfähigen Elements eines zweiten Leitungstyps in einen Bereich von der Oberfläche des Halbleiterkristalls bis zum Versetzungsabschnitt hergestellt ist.
2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Halbleiterkristall mehrere geschichtete Doppelheteroübergangsaufbauten aufweist.
3. Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Halbleiterschichten des ersten Leitungstyps ein η-Halbleiter sind und daß der zweite Leitungstyp ein p-Leitungstyp ist.
4. Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e kennzeichnet, daß die invertierte Schicht (29) im gesamten Bereich von der Oberfläche des Halbleiterkristalls bis zu dem Versetzungsabschnitt (28) ausgebildet ist.
5. Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die invertierte Schicht in Form eines Steges (41) in dem Bereich von der Oberfläche des Halbleiterkristalls bis zum Versetzungsabschnitt (28) ausgebildet ist und daß die Breite des Stegs etwas größer als die Querbreite der aktiven Schicht (24) ist.
6. Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e kennzeichnet, daß die invertierte Schicht (51) einen nicht invertierten Abschnitt (52) in der Nachbarschaft der Enden an beiden Längsseiten der aktiven Schicht (24) hat.
7. Halbleiterlaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß das p-leitende Element Zink ist.

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8. Halbleiterlaser nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch auf beiden Oberflächen des Halbleiterkristalls ausgebildete Ladungsträgerinjektionselektroden, wobei wenigstens eine der Elektroden mehrere Elektroden umfaßt, die als in bestimmten Abständen liegende parallele Streifen ausgebildet sind.
9. Halbleiterlaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die PN-Übergangsabschnitte (10a, 10b, 10c, 1Od) so ausgelegt sind> daß eine optische Welle von einem PN-Übergangsabschnitt zu einem benachbarten PN-Übergangsabschnitt verschoben wird , daß an die Ladungsträgerinjektionselektroden eine Spannung angelegt ist, die die PN-Übergangsabschnitte in einen Anfangszustand setzt, der etwas unter dem Laseroszillations-Schwellwert liegt, und daß ein Laserstrahl für ein Richten auf einen der PN-Übergangsabschnitte von außerhalb des Halbleiterkristalls einerichtet ist, um die PN-Übergangsabschnitte für eine Erzeugung von Laseroszillation optisch anzuregen.