DE3486103T2

DE3486103T2 - Halbleiterlaser.

Info

Publication number: DE3486103T2
Application number: DE19843486103
Authority: DE
Inventors: Andre Burghard; Luis Figueroa; Frank Eugene Goodwin; Hsiang-Yi David Law; Charles Boswell Morrison
Original assignee: TRW Inc
Current assignee: SK Hynix Inc
Priority date: 1983-12-01
Filing date: 1984-11-26
Publication date: 1993-07-01
Anticipated expiration: 2004-11-27
Also published as: EP0144205A3; EP0144205B1; DE3486103D1; EP0144205A2

Description

Die Erfindung betrifft im allgemeinen Halbleiterlaser, insbesondere Laserstrukturen zur Erzielung hoher Ausgangsleistungen, z. B. durch Eingliederung mehrerer lasernder Elemente in ein einzelnes Gerät.
Zur Erläuterung des Hintergrundes weist der Grundaufbau eines Lasers mit pn-Übergang eine aktive Schicht aus einem Halbleiterwerkstoff auf, das zwischen einem Material des n-Typs und einem Material des p-Typs angeordnet ist. Ein Paar paralleler Flächen der Struktur, die rechtwinklig zur Ebene der aktiven Schicht sind, sind gespalten oder poliert, und die übrigen Flächen sind gerauht, derart, daß Lasern in anderen Richtungen als der gewünschten vermieden wird. Die gesamte Struktur wird als Fabry-Perot-Resonator bezeichnet. Wenn an den Übergang eine Vorspannung in Durchlaßrichtung angelegt wird, fließt ein Strom. Bei niedrigen Strömen kommt es anfänglich zu spontaner Lichtemission aus dem Resonator in alle Richtungen. Mit zunehmender Vorspannung wird schließlich ein Schwellenstrom erreicht, bei dem stimulierte Emission auftritt und aus dem Übergang ein monochromatischer und stark gebündelter Lichtstrahl ausgesandt wird.
Wenngleich viele verschiedene Halbleiterlaser-Geometrien konstruiert oder vorgeschlagen wurden, werden möglicherweise Laser des Doppel-Heterostruktur-Typs am meisten benutzt. Bei dem Doppel-Heterostruktur(DHS)-Laser ist die aktive Schicht zwischen zwei inaktiven Schichten angeordnet, die die Form einer festen Kristallösung haben, z. B. Aluminium-Gallium-Arsenid (AlxGa1-xAs), worin x der Aluminiumarsenid-Anteil im Material ist. Der DHS-Laser hat den Vorteil, weniger temperaturabhängig zu sein und bei geringeren Stromdichten als ein Homostruktur-Laser zu arbeiten. Auch bietet der DHS-Laser einen größeren Unterschied der Brechzahlen an den Grenzen zwischen den aktiven und inaktiven Schichten und hält dadurch das Licht wirkungsvoller innerhalb der aktiven Schicht.
Leider kann nur durch Vergrößern der Breite eines lasernden Resonators keine vergrößerte Helligkeit erreicht werden. Ein großer Resonator hat die Neigung, in mehreren Raummoden zu arbeiten und die Laserlichtquelle weist dann mehrere Flecken oder Filamente auf. Dies erhöht den Streuungswinkel des sich ergebenden Strahls aus dem Bauelement. Aus diesem Grunde kann die Helligkeit, als die Leistung je Quellenflächeneinheit je Raumwinkeleinheit des Strahls, überhaupt nicht erhöht werden. Folglich besteht Bedarf an einer wirkungsvolleren Technik zur Erzeugung hoher Leistung- und Helligkeitspegel bei Lasern dieses Typs.
Weil nur durch Vergrößern des Lasers keine Lösung erzielt wird, hat man sich um die Konstruktion von Geräten mit geordneten Gruppen von Laser-Resonatoren mit Einfilament-Lasereigenschaften gekümmert. Eine vorgeschlagene Lösung hat die Form eines phasengekoppelten Laserarrays, wie in der US-Patentschrift Nr. 4,255,717 an Donald R. Scifres et al. mit dem Titel "Monolithic Multi-Emiting Laser Device" (Monolithischer Laser mit Mehrfachemission) beschrieben ist. Bei dieser Vorrichtung sind mehrere lasernde Resonatoren in geringem Abstand voneinander angeordnet und erzielen dadurch eine Verbesserung der Strahleigenschaften hinsichtlich Kohärenz und Streuung. Jedoch ist die Helligkeit eines solchen Arrays nicht größer als bei einem einzelnen Laser gleicher Leistung, und das Fernfeld-Lichtverteilungsmuster zeigt eine Zweizipfel-Form, die für eine 180-Grad-Phasendifferenz zwischen einzelnen Strahlern des Array kennzeichnend ist. Gleiches gilt für andere Mehrfach-Laserarrays, z. B. für den von D.E. Ackley et al. in "High Power Leaky-Mode Multiple-Stripe Laser" (Hochleistungs-Verlustmode-Mehrstreifen-Laser), Appl. Phys.
Lett., Bd. 39, S. 27 (1981), beschriebenen Laser.
Die meisten Halbleiterlaser verwenden einen relativ schmalen Streifen elektrisch leitfähigen Werkstoffs, der mit einer der inaktiven Schichten Kontakt herstellt, wodurch das Lasern auf den zum Streifen ausgerichteten Bereich beschränkt wird. Dieser Aufbau wird auch bei den meisten Laserarrays verwendet, wobei mehrere Streifen benutzt werden, um die lasernden Mehrfachbereiche zu definieren. Eine Ausnahme hierzu bildet eine CSP-Laserarray-Vorrichtung mit großem optischen Resonator, der von D. Botez in den Sitzungsberichten der Internationalen Konferenz über Übertragungstechnik mit integrierter Optik und Optikfasern, Vortrag 29B52, Tokio, Japan (1983) beschrieben ist. Der Aufbau dieser Vorrichtung enthält einen relativ breiten Streifen in Form eines flachen Zink-Diffusionsbereiches, der sich über alle lasernden Resonatoren erstreckt. Jedoch ist die Vorrichtung so konfiguriert, daß in den Bereichen zwischen den lasernden Resonatoren hohe Verluste auftreten, so daß die Wirkung der bei einem Array aus getrennten Laserdioden nach wie vor ähnlich ist.
Andere Laserarray-Typen umfassen den Substratkanal-Planar(CSP)-Laser, wie von K. Aiki et al. in "Transverse Mode Stabilized AlxGa1-xAs Laser with Channeled Substrate Planar Structure" (Im Transversalmode arbeitender stabilisierter AlxGA1-xxAs-Laser in Substratkanal-Planarstruktur), Appl. Phys. Lett., Bd. 30, S. 649 (1977) beschrieben ist. Diese und andere ähnliche Arraystrukturen bieten praktisch keine Kopplung zwischen den Array-Strahlern und erzeugen daher eine Gruppe von lasernden Flecken, von denen jeder bis zu 6 um (Mikrometer) breit ist.
Eine andere mit Halbleiterlasern verbundene Schwierigkeit besteht darin, daß es gelegentlich schwierig ist, stabiles Arbeiten in einem einzigen gewünschten Longitudinalmode oder Wellenlänge aufrechtzuerhalten. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn ein Laser mit einem Übertragungssignal moduliert wird. Folglich ist ein idealer Laser für Übertragungsanwendungen ein Laser, der unter allen Bedingungen eine gewünschten Longitudinalmode aufrechterhält.
Es ist erkannt worden, daß die Verwendung eines gekrümmten Aktivschicht-Übergangs in einem Halbleiterlaser einen wünschenswerten Strombündelungseffekt in der Mitte des Bauelements hat. Eine allgemeine Besprechung darüber befindet sich in einem Vortrag von L. Figueroa und S. Wang mit dem Titel "Curved junction stabilized filament (CJSF) double-heterostructure injection laser" (Doppel-Heterostruktur-Injektionslaser mit gekrümmtem Übergang und stabilisiertem Filament (CJSF)), Appl. Phys. Lett., 32, S. 55-57.
Außerdem ist erkannt worden, daß eine Modenstabilisierung bei Lasern durch die Verwendung eines Substrats des p-Typs und einer Sperrschicht des n-Typs zur Stromeinschnürung erzielt werden kann. Siehe T. Hayakawa et al. "Highly reliable and mode-stabilized (GaAl)As double-heterostructure visible lasers on p-GaAs substrate" (Modenstabilisierte sichtbare (GaAl) As-Doppel-Heterostruktur-Laser auf p-GaAs-Substrat von hoher Zuverlässigkeit), Sitzungsbericht 1981 Intern. Konferenz über Elektronische Geräte, S. 443-46 (1981).
In verschiedenen anderen Veröffentlichungen sind Halbleiterlaser-Strukturen mit gekrümmten Übergängen vorgeschlagen worden. Zum Beispiel:
R.D. Burnham et al. "Nonplanar large optical cavity GaAs/GaA- lAs semiconductor laser" (GaAs/GaAlAs-Halbleiterlaser in Nichtplanartechnik mit großem optischen Resonator), Appl. Phys. Lett., 35, S. 734-36 (1979);
D. Botez "CW High-power single-mode operation of constricted double-heterostructure AlGaAs lasers with a large optical cavity" (Hochleistungs-Einmoden-Dauerstrichbetrieb von eingeschnürten Doppel-Heterostruktur-AlGaAs-Lasern mit großem optischen Resonator), Appl. Phys. Lett., 36, S. 190-92 (1980); D. Botez "Constricted double-heterostructure AlGaAs diode lasers: structures and electro-optical characteristics" (Eingeschnürte Doppel-Heterostruktur-AlGaAs-Diodenlaser: Aufbau und elektro-optische Eigenschaften), IEEE J. Quantum Electron. QE-17, Nr. 12, S. 2290-2309 (1981); und US-Patentschrift Nr. 4,215,319 an D. Botez mit dem Titel "Single Filament Laser" (Einfilament-Laser).
Angesichts des vorstehend beschriebenen Standes der Technik besteht nach wie vor Bedarf an einer weiteren Verbesserung von Hochleistungs-Lasern dieses allgemeinen Typs hinsichtlich Leistung, Schwellenstrom und Temperaturfestigkeit. Die Erfindung ist auf diesen Zweck gerichtet.
Es ist ebenfalls vorgeschlagen worden, im Substrat eines Halbleiterlasers Nuten oder Kanäle auszubilden, um Schichten zu gestalten, die nachfolgend auf das Substrat aufgetragen werden. Beispielsweise beschreibt GB 2112201A den Aufbau einer Laserdiode, bei der im Substrat Nuten ausgebildet werden, deren mitwirkender Effekt darin liegt, daß sie die Ausbildung darüberliegender Schichten mit einer gewünschten Krümmung und Konus hervorrufen. Über dem Substrat liegt eine Pufferschicht aus einem Werkstoff derselben Polarität, der die Nuten zum Teil ausfüllt, und die üblichen aktiven und inaktiven Schichten sind über der Pufferschicht ausgebildet. Ein ähnlicher Laserdioden-Aufbau ist in US-A-4385389 beschrieben. Bei dieser Anordnung sind mehrere Nutpaare vorgesehen, dergestalt, daß ein Array gebildet ist, bei dem der Bereich über jedem Nutpaar ein Element bildet.
Somit ist die Erfindung darauf gerichtet, einen Mehrstrahler- Halbleiterlaser-Aufbau zu schaffen, der mit hoher Leistung und hohen Helligkeitspegeln betreibbar ist und dessen Fernfeld-Strahlungsverteilungsmuster nur einen einzelnen mittleren Zipfel aufweist.
Halbleiterlaserdioden-Strukturen gemäß der Erfindung sind in den Ansprüchen 1 und 12 definiert. Verschiedene Merkmale der Erfindung und von Ausführungsformen derselben sind nachfolgend beschrieben.
Gemäß einem ersten Merkmal der Erfindung zeichnet sich der Laser-Aufbau durch wenigstens zwei lasernde Hauptbereiche aus, die durch einen Zwischenbereich, in dem auch Lasern stattfinden kann, eng miteinander gekoppelt sind. Wenngleich die physikalische Erklärung der verbesserten Leistung der Vorrichtung in Einzelheiten nicht bekannt ist, scheint es, daß durch die Schaffung optischer Verstärkung oder wenigstens durch Verringerung von Absorptionsverlusten in diesem Zwischenbereich die beiden lasernden Hauptbereiche nicht nur mit geringem Abstand angeordnet sind, sondern in einer wünschenswerten gleichphasigen Beziehung optisch gekoppelt sind.
Kurz zusammengefaßt und allgemein dargestellt, der Halbleiterdiodenlaser-Aufbau gemäß diesem Merkmal der Erfindung umfaßt vorzugsweise eine inaktive abschirmende Halbleiter- Schicht des p-Typs, eine inaktive abschirmende Halbleiter- Schicht des n-Typs, eine zwischen den abschirmenden Schichten des p- und n-Typs angeordnete aktive Halbleiter-Schicht, eine Vorrichtung, die wenigstens zwei hauptsächliche lasernde Bereiche in der aktiven Schicht definiert, und eine Vorrichtung, die zwischen den lasernden Hauptbereichen eine Zwischenkopplungsschicht definiert. Die lasernden Hauptbereiche sind mit seitlichem Abstand und in ausreichend großer Nähe zueinander angeordnet, derart, daß zwischen den Bereichen eine enge Kopplung entsteht. Der Aufbau umfaßt ebenfalls Mittel zum Anlegen einer Vorspannung an die p- und n-Typ-Laser in den lasernden Hauptbereichen und im lasernden Zwischenbereich, derart, daß verringerte Verluste und möglicherweise optische Verstärkung im lasernden Zwischenbereich und die Emission von Laserlicht aus allen drei Bereichen erzeugt werden.
Genauer gesagt, die lasernden Haupt- und Zwischenbereiche sind vorzugsweise von solcher Breite, daß in jedem Bereich nur ein einzelnes laserndes Filament entsteht. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfassen die die lasernden Hauptbereiche definierenden Mittel ein Halbleiter-Substrat, auf dem die Struktur geformt ist, und zwei im Substrat ausgebildete Laserkanäle, derart, daß das Lasern auf die lasernden Hauptbereiche beschränkt ist. Die den lasernden Zwischenbereich definierenden Mittel umfassen eine Substratmesa zwischen den Kanälen von solchen Abmessungen, daß im lasernden Zwischenbereich eine optische Nettoverstärkung oder Gewinn geschaffen wird.
Laserstrukturen gemäß diesem Merkmal der Erfindung umfassen vorzugsweise ein Galliumarsenid(GaAs)-Substrat des n-Typs, eine auf dem Substrat ausgebildete erste inaktive abschirmende Schicht aus Gallium-Aluminium-Arsenid des n-Typs (GA0,65Al0,35As), eine auf der ersten inaktiven abschirmenden Schicht ausgebildete aktive Schicht aus Gallium-Arsenid oder Gallium-Aluminium-Arsenid des p-Typs (Ga0,94Al0,06As), und eine auf der aktiven Schicht ausgebildete zweite inaktive Schicht aus Gallium-Aluminium-Arsenid des p-Typs (Ga0,65Al0,35As). Vor dem Ausbilden der ersten inaktiven abschirmenden Schicht wird das Substrat in der Weise geätzt, daß wenigstens zwei Kanäle definiert werden, die sich parallel zur Richtung der angestrebten Lichtemission aus der aktiven Schicht erstrecken. Diese Kanäle definieren die lasernden Hauptbereiche und sind zwei Substratkanal-Planar(CSP)-Lasern ähnlich. Über der zweiten inaktiven Schicht wird eine obere Schicht aus Galliumarsenid des n-Typs ausgebildet, und in der oberen Schicht wird ein tiefer Diffusionsbereich aus Zink ausgebildet, der zum Teil in die zweite inaktive Schicht eindringt. Der Zink-Diffusionsbereich ist von einer Breite, welche die beiden Kanäle überlappt.
Die beiden Kanäle sind durch eine Mesa im Substratmaterial voneinander getrennt, deren Höhe kleiner ist als die der Substratrippen auf den entgegengesetzten Seiten der Kanäle. Die Höhe dieser Mesa ist so gewählt, daß in der ersten inaktiven Schicht eine ausreichende Dicke entsteht, die zu verringerten Absorptionsverlusten und möglicherweise zu einem optischen Nettogewinn oder Nettoverstärkung im Zwischenbereich zwischen den Kanälen führt. Die gewünschte Verringerung der Mesahöhe wird vorzugsweise während des Fertigungsschrittes erzielt, in dem die erste inaktive Schicht ausgebildet wird. Es wird ein Flüssigphasen-Epitaxie-Verfahren (LPE) angewandt, das ein "Nachschmelzen" der Mesa vor dem Aufbau der inaktiven Schicht vorsieht. Die Mesa, die von kleinerer Breite als die Substratrippen auf den entgegengesetzten Seiten der Kanäle ist, wird stärker als diese Rippen nachgeschmolzen. Die Folge ist eine Mesa von verringerter Höhe, die eine Reduzierung der Absorptionsverluste im lasernden Zwischenbereich bewirkt. Die ziemlich höheren Substratrippen auf den anderen Seiten der Kanäle dienen dazu, das Lasern innerhalb der lasernden Hauptbereiche zu halten.
Ein zweites Merkmal der Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf eine Halbleiterlaser-Struktur mit mehreren Kanälen in einem Substrat, die sich durch eine Sperrschicht des Typs mit zum Substrat entgegengesetzter Polarität auszeichnet, die den Stromfluß durch das Bauelement einschnürt. Somit schafft ein zweites Merkmal der Erfindung eine Halbleiterlaserdiode mit einem Substrat, bei dem in einer seiner Flächen wenigstens zwei parallele Kanäle ausgebildet sind, einer ersten inaktiven abschirmenden Halbleiter-Schicht aus einem Werkstoff derselben Polarität wie das Substrat, einer zweiten inaktiven abschirmenden Halbleiter-Schicht aus einem Werkstoff der entgegengesetzten Polarität, und einer aktiven Halbleiter- Schicht, die zwischen der ersten und der zweiten inaktiven Schicht angeordnet ist, die sich durch eine Sperrschicht aus einem Werkstoff mit zum Substrat entgegengesetzter Polarität auszeichnet, die zwischen dem Substrat und der ersten inaktiven Schicht angeordnet ist, außer in einem Bereich, der wenigstens zwei Laserkanäle begrenzt, und mit einer Vorrichtung zum Anlegen einer Vorspannung an die inaktiven Schichten, derart, daß im Bauelement eine optische Verstärkung erzielt wird. Die Sperrschicht und die erste inaktive Schicht bilden einen Halbleiter-Übergang, der während des Betriebs des Bauelementes in Sperrichtung vorgespannt ist und dadurch in jedem Bereich außerhalb der Laserkanäle Strom wirkungsvoll unterbindet.
Vorzugsweise ist das Substrat aus einem Werkstoff des p-Typs und die Sperrschicht aus einem Werkstoff des n-Typs. Weil dann die erste inaktive Schicht ebenfalls aus einem Werkstoff des p-Typs ist, der eine geringere Stromleitfähigkeit als ein Werkstoff des n-Typs hat, fließt durch die erste inaktive Schicht weniger seitlicher Strom als in Bauelementen, die auf einem n-Typ-Substrat basieren. Mit anderen Worten, die Stromverteilung neigt dazu, auf die Mitte des Bauelementes fokussiert zu bleiben.
Wie bei dem zuerst beschriebenen Merkmal der Erfindung sind die Laserkanäle durch einen Zwischensockel oder eine Mesa getrennt, die als Teil des Substrats ausgebildet ist. Weil die Dicke der ersten inaktiven Schicht über dem Sockel vorzugsweise kleiner als die Dicke derselben Schicht über den Kanälen ist, ist die Durchlaß-Vorspannung am Übergang in der Mitte des über den Laserkanälen liegenden Bereichs am größten, und der Stromfluß wird effektiv auf diese zentrale Stelle fokussiert. Dieser Bündelungsmechanismus wird bei großen Strömen noch weiter verstärkt, und das sich ergebende Bauelement hat einen niedrigeren Schwellenstrom und eine höhere Leistung als andere ähnliche Bauelemente, einschließlich des Bauelementes für die Anwendung gemäß dem Querverweis.
Gemäß diesem Merkmal der Erfindung kann die aktive Schicht gegen das Substrat konvex gekrümmt sein. Dies verbessert den Strombündelungsmechanismus des Bauelementes wegen der Krümmung in Strompfadlängen, die zur Mitte des Bauelementes hin verkürzt sind.
Die Vorrichtung zum Anlegen einer Vorspannung an die inaktiven Schichten umfaßt vorzugsweise einen Kontaktstreifen, der über den Kanalbereichen des Bauelementes angeordnet ist. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist der Kontaktstreifen, bezogen auf die Breite der Kanäle, breit, und das Bauelement neigt dazu, in zwei Hauptbereichen über den Kanälen optische Verstärkung zu erzeugen. Im Zwischenbereich zwischen den Kanälen kann auch optische Verstärkung bestehen oder wenigstens ein ausreichend verringerter Verlust, insofern als die beiden lasernden Hauptbereiche in einer gleichphasigen Beziehung eng miteinander gekoppelt sind. Bei einer anderen Ausführungsform ist der Kontaktstreifen relativ schmal, und der Bereich optischer Verstärkung ist auf einen einzelnen Bereich in der Mitte zwischen den Kanälen beschränkt.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die aktive Schicht im wesentlichen plan. Aus Gründen, die nicht vollständig verstanden werden, bringt die Planar-Version eine engere Kopplung zwischen den lasernden Bereichen und eine verbesserte Modenstabilität bei höheren Leistungspegeln.
Bei der derzeit bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Breite der Kanäle und die Breite des Zwischenbereiches zwischen den Kanälen so gewählt, daß sie etwa ein bis zwei Diffusionslängen betragen, damit sie nur ein einzelnes laserndes Filament unterstützen brauchen. Bei einem Gallium- Aluminium-Arsenid-Laser liegt diese Breitenabmessung etwa im Bereich von 1 bis 8 um. Bei breiteren lasernden Bereichen tritt Mehrfilament-Lasern auf, und der Kopplungsgrad zwischen den Kanälen wird geringer, wenngleich einige Vorteile aus der Struktur gemäß der Erfindung nach wie vor erzielbar sind.
Ein anderes Merkmal der Erfindung ist mit der Verwendung mehrerer gekoppelter lasernder Bereiche verbunden, derart, daß ein gewählter Longitudinalbetriebsmode erzeugt wird. Ein lasernder Hauptbereich ist so definiert, daß er eine gegenüber den anderen verschiedene Gruppe Longitudinalmoden erzeugt. Weil die beiden Bereiche eng miteinander gekoppelt sind, arbeitet die Kombination der lasernden Bereiche nur in jenen Moden, die beiden Bereichen gemeinsam sind. Durch entsprechende Auslegung der lasernden Hauptbereiche kann die Struktur so sein, daß in einem einzelnen, gewünschten Longitudinalmode gearbeitet wird, der auch dann stabil ist, wenn das Bauelement einer Modulation unterworfen wird. Die lasernden Bereiche können so ausgelegt sein, daß sie durch Verändern der Dicke der aktiven Schicht verschiedene Longitudinalmoden erzeugen. Dies verändert die effektive Brechzahl der Schicht und führt zu verschiedenen Longitudinalbetriebsmoden. Alternativ können die lasernden Bereiche durch Kanäle verschiedener Abmessungen definiert sein.
Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß die Erfindung einen bedeutenden Fortschritt auf dem Gebiet der Halbleiterdiodenlaser darstellt. Insbesondere schafft die Erfindung einen Hochleistungs-Laser von hoher Helligkeit, der wirkungsvoller ist und niedrigeren Schwellenstrom aufweist als seine Vorgänger. Wenngleich die Krümmung der aktiven Schicht die Fähigkeit des Bauelementes zur Stromfokussierung verbessert, ist die Krümmung kein notwendiges Merkmal der Geometrie, weil zum Strombündelungsmechanismus auch die Geometrie der Mehrfachkanäle beiträgt. Aus diesem Grunde sind die zur Kontrolle der Krümmung der aktiven Schicht benötigten Fertigungstoleranzen in beträchtlichem Maße flexibel. Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden, detaillierteren Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein vereinfachter Querschnitt durch eine Halbleiterlaser-Struktur gemäß der Erfindung;
Fig. 2 ist ein Fig. 1 ähnlicher Querschnitt, jedoch mit einem breiteren Kontaktstreifen zur Erzeugung optischer Verstärkung in mehreren Filamenten;
Fig. 3 ist ein Diagramm mit einer Darstellung der Fernfeld- Strahlungsverteilungscharakteristik des Bauelementes gemäß der Erfindung bei zwei Leistungspegeln;
Fig. 4 ist ein Diagramm der Leistung-Strom-Charakteristik des Bauelementes gemäß der Erfindung;
Fig. 5 ist ein Diagramm mit einer Darstellung des Ausgangsspektrums des Bauelementes mit auf die Wellenlänge bezogener relativer Intensität;
Fig. 6 ist eine vereinfachte Schnittansicht einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit einer planen aktiven Schicht;
Fig. 7 ist ein Diagramm mit einer Darstellung der Nahfeld- Strahlungsverteilungscharakteristik der Struktur gemäß Fig. 6;
Fig. 8 ist ein Diagramm mit einer Darstellung der Fernfeld- Strahlungsverteilungscharakteristik derselben Struktur;
Fig. 9a bis 9d sind schematische Darstellungen von mehreren Longitudinalmoden eines ersten Laserresonators, mehreren Longitudinalmoden eines verschiedenen Laserresonators, dem Ver- Stärkung-Wellenlängen-Profil einer Laserstruktur, und eines einzelnen Longitudinalmodenausgangs aus der Struktur;
Fig. 10 ist eine Schnittansicht eines Doppelkanal-Lasers gemäß der Erfindung;
Fig. 11 ist ein Diagramm mit einer Darstellung der strombedingten Änderung der Ausgangsleistung einer Laserstruktur ähnlich der in Fig. 10 dargestellten;
Fig. 12 ist ein Diagramm mit einer Darstellung des Nahfeld- Lichtverteilungsmusters für dieselbe Laserstruktur; und
Fig. 13 ist ein Diagramm mit einer Darstellung des Fernfeld- Lichtverteilungsmusters für dieselbe Laserstruktur.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Wie zur Erläuterung in den Zeichnungen dargestellt, bezieht sich die Erfindung auf Verbesserungen bei Halbleiterlasern. Ältere Halbleiterlaser-Strukturen waren nicht in der Lage, hohe Leistungs- und Helligkeitspegel in völlig zufriedenstellender Weise zu erzielen.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird ein Mehrkanal-Halbleiter-Bauelement auf einem Substrat, vorzugsweise aus einem Werkstoff des p-Typs, hergestellt, und eine Sperrschicht, vorzugsweise des n-Typs, wird zwischen dem Substrat und der ersten inaktiven Schicht angeordnet, derart, daß der Stromfluß auf die Kanalbereiche beschränkt wird. Die Verwendung einer Sperrschicht in Verbindung mit dem Mehrkanal-Aufbau schafft eine bei anderen Bauelementen bisher nicht angetroffene Fähigkeit zur Stromfokussierung, die zu einem niedrigeren Schwellenstrom, zu höherem Wirkungsgrad und zu verringerter Temperaturempfindlichkeit führt.
Wie das Beispiel gemäß Fig. 1 zeigt, umfaßt das Bauelement gemäß der Erfindung ein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnetes Substrat des p-Typs aus Galliumarsenid (GaAs). Der erste Verfahrensschritt besteht im Aufwachsenlassen durch Flüssigphasen-Epitaxie (LPE) einer Galliumarsenid-Schicht 12 des n- Typs, die als die Sperrschicht dienen wird. Sodann werden das Substrat 10 und die Sperrschicht 12 so geätzt, daß zwei parallele Kanäle 14 und 16 definiert werden, wie in Fig. 1 im Querschnitt dargestellt. Die Kanäle 14 und 16 erstrecken sich über die ganze Länge des Bauelementes, d. h. in der Richtung rechtwinklig zu der Ebene, in der die Schnittansicht gemäß Fig. 1 geschnitten ist. Wie in den Zeichnungen dargestellt, ist die Sperrschicht 12 aus den Kanalbereichen vollständig weggeätzt. Ein für diesen Schritt zweckdienliches Ätzmittel ist eine Lösung aus Schwefelsäure, Wasserstoffperoxid und Wasser (H&sub2;SO&sub4;:H&sub2;O&sub2;:H&sub2;O). Die Kanaltiefe beim gezeigten Beispiel beträgt etwa 1,5 um (1,5 · 10&supmin;&sup6; m), die Kanalbreite beträgt etwa 2-5 um, und der Kanalmittenabstand ist etwa 4-10 um.
Nach der Ausbildung der Kanäle 14 und 16 werden durch Flüssigphasen-Epitaxie vier zusätzliche Schichten gezüchtet, derart, daß ein Halbleiterlaser in Doppel-Heterostruktur(DHS)- Konfiguration entsteht. Während der ersten Phase dieses LPE- Verfahrens erfolgt ein "Nachschmelzen" eines Zwischenbereichs oder einer Mesa 18 zwischen den Kanälen, bei gleichzeitiger Entfernung der Sperrschicht von der Mesa. Die Schichten umfassen eine erste inaktive abschirmende Schicht 20 aus Gallium-Aluminium-Arsenid des p-Typs (Ga0,65Al0,35As), eine aktive Schicht 22 aus nicht dotiertem Gallium-Aluminium-Arsenid (Ga0,94Al0,06As), eine zweite inaktive abschirmende Schicht 24 aus Gallium-Aluminium-Arsenid des n-Typs (Ga0,65Al0,35As) und eine obere Schicht 26 aus Galliumarsenid des n-Typs (GaAs). Es versteht sich, daß diese Zusammensetzungen lediglich Beispiele sind. Die gewünschten optischen Eigenschaften der abschirmenden Schichten können durch die Verwendung einer Vielzahl von Werkstoffen in den aktiven und inaktiven Schichten erzielt werden.
Eine der Abmessungen, die mit Sorgfalt gewählt und kontrolliert werden muß, damit die Struktur gemäß der Erfindung ordnungsgemäß arbeitet, ist die Tiefe der ersten inaktiven Schicht 20 im Zwischenbereich über der zwischen den beiden Kanälen 14 und 16 ausgebildeten Mesa 18. Bei herkömmlichen Strukturen ist die Tiefe der ersten inaktiven Schicht zwischen lasernden Bereichen relativ dünn gehalten, derart, daß im Zwischenbereich Absorptionsverluste maximiert sind, dadurch die Isolierung der lasernden Bereiche sichergestellt ist. Wegen der relativen Kristall-Bandabstand-Energien der Werkstoffe von aktiven Schichten und Substrat besteht eine Tendenz, daß in der aktiven Schicht in der Nähe des Zwischenbereiches erzeugtes Licht im Substratmaterial absorbiert wird, wenn die erste abschirmende inaktive Schicht genügend dünn ist.
Der Betrag des Absorptionsverlustes in der Zwischenschicht zwischen den Kanälen hängt von der Tiefe der ersten inaktiven Schicht 20 und der Tiefe der aktiven Schicht 22 ab. Die theoretischen Absorptionsverluste für verschiedene Schichtabmessungen sind in der technischen Literatur dokumentiert. Beispielsweise in K. Aiki et al. "Transverse Mode Stabilized AlxGa1-xAs Injection Lasers with Channeled-Substrate-Planar Structure" (Im Transversalmode stabilisierte AlxGa1-xAs-Injektionslaser in Substratkanal-Planar-Struktur), IEEE J. Quant. Elect., Bd. QE-14, Nr. 2, S. 89 (1978), ist in der dortigen Fig. 2(b) in einem Diagramm die Beziehung zwischen Absorptionsverlust, der Dicke der aktiven Schicht und der Dicke der ersten inaktiven Schicht dargestellt.
In Kenntnis des Schwellenwertes der optischen Verstärkung, die mit einem Laser-Resonator erzielt werden kann, kann anhand eines solchen Diagramms bestimmt werden, welches die Mindestdicke der ersten inaktiven Schicht 20 sein sollte, um im lasernden Zwischenbereich ausreichend reduzierte Absorptionsverluste zu erzielen. Selbstverständlich ist die Schwellenverstärkung aus der Länge des Resonators, dem Reflexionsvermögen seiner Facetten und aus anderen Parametern des Halbleitermaterials auf einfache Weise bestimmbar. Beispielsweise liegt die Schwellenverstärkung für Galliumarsenid-Laser üblicherweise im Bereich von 50 bis 100 cm¹. Aus den oben beschriebenen Absorptionsverlustkurven läßt sich die Dicke der ersten inaktiven Schicht bestimmen, aus der sich derselbe Verlust wie die Schwellenverstärkung ergibt. Bei Galliumarsenid und einer Dicke von 40 bis 100 nm (400 bis 1000 Angström) der aktiven Schicht, ist die Mindestdicke der ersten inaktiven Schicht etwa 0,6 um. Der Aufbau gemäß der Erfindung ist vorzugsweise so konfiguriert, daß wenigstens diese Dicke im Zwischenbereich vorgesehen ist, derart, daß im Zwischenbereich eine positive optische Nettoverstärkung sichergestellt ist. Bei anderen Werkstoffen und Konfigurationen können zur Bestimmung der Mindestdicke der ersten inaktiven Schicht ähnliche Berechnungen angestellt werden.
Wenngleich die genaue Art der Aktivität im Zwischenbereich 18 nicht verstanden wird, wird derzeit angenommen, daß eine optische Nettoverstärkung im Zwischenbereich nicht notwendig ist. Statt dessen sollte ein Bereich mit verringerten Absorptionsverlusten vorhanden sein, der die Kopplung zwischen den lasernden Hauptbereichen besorgt.
Bei dem derzeit bevorzugten Herstellungsverfahren wird die gewünschte Dicke der ersten inaktiven Schicht 20 mittels des Schrittes der Flüssigphasen-Epitaxie (LPE) erzielt, der zur Ausbildung der Schicht 20 benutzt wird. Der LPE-Schritt verschafft ein "Nachschmelzen" der Mesa 18 vor dem Aufbau der inaktiven Schicht 20. Weil die Mesa 18 schmaler als die Rippen auf den entgegengesetzten Seiten der Kanäle ist, wird sie stärker als die Rippen nachgeschmolzen, was zu einer Mesa von verringerter Höhe und zu verringerten Absorptionsverlusten im Zwischenbereich führt.
Bei den in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen ist die aktive Schicht 22 im Bereich unmittelbar über dem Zwischenbereich 18 zwischen den beiden Kanälen 14 und 16 gegenüber dem Substrat 10 konvex gekrümmt. Wie noch beschrieben wird, dient diese Krümmungsübergang-Geometrie zur Verbesserung des Strombündelungsmechanismus des Bauelementes, ist aber für die Erzielung der Strombündelung nicht kritisch notwendig. Es ist bekannt, daß gekrümmte Halbleiterstrukturen unter Schwierigkeiten zuverlässig und genau zu reproduzieren sind. Weil aber die Übergangskrümmung bei diesem Bauelement hilfreich, aber nicht absolut notwendig ist, ist eine Herstellung der Krümmung nach engen Toleranzen keine Forderung. Folglich lassen sich wünschenswert hohe Fertigungsmengen erzielen.
Nach herkömmlichen Fertigungstechniken ist auf der oberen Schicht 26 eine Metallisierungsschicht 30 ausgebildet. Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist die effektive Breite der Metallisierungsschicht 30 etwa gleich mit der Breite der beiden Kanäle 14 und 16 zusammen. Außerhalb dieses Zweikanal-Bereiches ist zwischen der oberen Schicht 26 und der Metallisierungsschicht 30 eine Isolierschicht 32 aus Siliciumnitrid (Si&sub3;N&sub4;) angeordnet. Die schmale effektive Breite der Metallisierungsschicht oder des Kontaktstreifens 30 wirkt sich so aus, daß der Strom in der Weise eingeschnürt wird, daß nur ein einzelner Bereich mit optischer Verstärkung ausgebildet wird, wie durch den dunkelgetönten Bereich 34 über dem Zwischenbereich 18 zwischen den Kanälen 14 und 16 angedeutet ist.
In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist keine Siliciumnitrid- Schicht vorhanden, und die mit 30' angegebene Metallisierungsschicht erstreckt sich über die gesamte Breite der oberen Schicht 26. In diesem Falle sind mehrere Bereiche mit phasensynchronisierter optischer Verstärkung ausgebildet, wie durch den dunkelgetönten Bereich 36 angegeben ist. Das Nahfeld-Muster dieser Ausführungsform des Bauelementes enthält im Prinzip zwei Zipfel, abgeleitet aus Verstärkungsbereichen über den Kanälen 14 und 16, und ein mittiger Zipfel, abgeleitet von der optischen Verstärkung über dem Zwischenbereich 18. Die Anwendung dieses großflächigen Kontaktstreifens 30' verschafft nicht nur mehrere phasensynchronisierte lasernde Filamente, sondern beseitigt einen Verfahrensschritt durch den Wegfall der Isolierschicht 32.
Eine dritte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 6 dargestellt. Im Prinzip ist sie die gleiche wie die Ausführungsform gemäß Fig. 2, ausgenommen die Verwendung einer ebenen aktiven Schicht 22'. Aus Gründen, die noch nicht völlig verstanden werden, bietet diese Ausführungsform der Erfindung noch bessere Leistungsmerkmale als die Ausführung gemäß Fig.
2. Insbesondere hat das Bauelement gemäß Fig. 6 eine verbesserte Kopplung im Zwischenbereich 18 und eine bessere Modenstabilität bei hohen Leistungspegeln. Die Bereiche mit optischer Verstärkung oder die lasernden Filamente sind vereinfacht bei 36' dargestellt.
Die verbesserte Leistung der Planarausführung läßt sich auf eine Weise anhand der unvermeidbaren Dickenschwankungen bei einer gekrümmten aktiven Schicht, hervorgerufen durch die Art des LPE-Verfahrens, erklären. Es wurde festgestellt, daß die Dicke der gekrümmten aktiven Schicht am mittigen Zwischenbereich 18 am größten ist. Wenngleich dies dazu führen müßte, die Kopplung zwischen den lasernden Hauptbereichen zu verstärken, ändert sich die Verstärkung eines Lasers umgekehrt zur Dicke der aktiven Schicht, so daß der mittlere Bereich geringere Verstärkung und folglich schwächere Kopplung haben wird. Nach theoretischen Überlegungen dominiert die letztgenannte Wirkung, was die verbesserte Leistung der Planarausführung gemäß Fig. 6 erklärt.
In Fig. 7 ist das Nahfeld-Muster des in Fig. 6 gezeigten Bauelementes dargestellt. Das Muster zeigt eine enge Kopplung zwischen den beiden lasernden Hauptbereichen und einen Zwischenbereich, der reduzierte Absorptionsverluste, aber keine positive optische Verstärkung hat. Das in Fig. 8 für verschiedene Leistungspegel bis zu 50 mW dargestellte Fernfeld- Muster weist im Prinzip einen Zipfel auf, der eine enge, gleichphasige Kopplung zwischen den lasernden Bereichen anzeigt. Diese Leistungspegel sind nur Beispiele, und das Bauelement ist bis auf eine Höhe von wenigstens 75 mW getestet worden.
Ein kritisches Merkmal der Erfindung ist der Strombündelungsmechanismus, der sich aus der Verwendung des p-Typ-Substrats 10 und der Sperrschicht 12 in Verbindung mit der Mehrkanalstruktur ergibt. Die Sperrschicht 12 wirkt sich so aus, daß Stromfluß durch sie praktisch ausgeschlossen ist, weil der Übergang zwischen der Sperrschicht und der ersten inaktiven Schicht 20 ein in Sperrichtung vorgespannter np-Übergang ist. Folglich wird Strom vom Substrat 10 gezwungen, direkt in die erste inaktive Schicht 20 zu fließen, durch den Bereich hindurch, der die beiden Kanäle 14 und 16 und den Zwischenbereich 18 umfaßt.
Genauer gesagt, der Strombündelungsmechanismus entsteht wegen stellungsabhängigen Änderungen im Spannungsabfall an der aktiven Schicht 22. Es sei ein Strompfad senkrecht durch die Symmetrieachse des Bauelementes angenommen; die Pfadlänge durch die erste inaktive Schicht 20 ist beträchtlich kürzer als die eines Strompfades, der von der Mitte nach der einen oder der anderen Seite weggerückt ist. Der mittlere Pfad ist aus zwei Gründen kürzer: die konvex oder nach unten gekrümmte aktive Schicht 22 und der sich nach oben erstreckende Zwischenbereich 18, der einen Sockel im Substrat 10 bildet. Weil der spezifische Widerstand der inaktiven p-Schicht relativ groß ist, entstehen aus den Pfadlängenunterschieden bedeutende Unterschiede in den Spannungsabfällen an den Pfaden. Daher wird es am kürzeren mittleren Pfad einen kleineren Spannungsabfall geben als an einem nach der einen oder der anderen Seite versetzten Pfad, und die Spannung an der Unterseite der aktiven Schicht 22 wird in der Mitte höher sein als außerhalb der Mitte. In der zweiten inaktiven Schicht 24 bestehen ebenfalls Pfadlängenunterschiede, weil aber diese Schicht einen kleineren spezifischen Widerstand hat, verursachen diese Unterschiede nicht solche bedeutende Spannungsdifferenzen an der Oberseite der aktiven Schicht 22.
Die Wirkung dieser seitlichen Spannungsunterschiede ist, daß der von der aktiven Schicht gebildete Übergang in der Mitte des Bauelementes auf einen höheren Grad als anderswo in Durchlaßrichtung vorgespannt ist. Weil der Strom durch einen pn-Übergang mit der Spannung exponentiell ansteigt, bedeutet dies, daß die Stromdichte durch den Übergang in der Mitte des Bauelementes größer sein wird. Mit anderen Worten, aus der Geometrie der Struktur ergibt sich ein Strombündelungsmechanismus, der den Strom zur Mitte des Bauelementes hin konzentriert.
Mathematisch ausgedrückt, die Differenz zwischen der Vorspannung in Durchlaßrichtung in der Mitte des Bauelementes und der Vorspannung in Durchlaßrichtung an einer beliebigen, von der Mitte weggerückten Stelle ist gegeben durch die Differenz zwischen zwei Linienintegralen vp und vn, worin
In diesen Ausdrücken ist die Stromdichte, ein Verschiebungsvektor an der aktiven Schicht 22, und σ die elektrische Leitfähigkeit. Die Subskripte p und n bezeichnen Werte, die auf der p- bzw. n-Seite des Übergangs gemessen wurden. In jedem Falle wird das Linienintegral über Bereichen genommen, die sich von der Mitte des Bauelementes bis zu einer gewünschten, interessierenden Stelle abseits von der Mitte erstrecken. Daher stellt das Integral vp die Spannungsdifferenz zwischen der Mitte des Bauelementes und der weggerückten Stelle dar, gemessen auf der p-Seite der aktiven Schicht 22. Das Integral vn stellt die Spannungsdifferenz dar, die seitlich auf der n-Seite der aktiven Schicht 22 gemessen wurde. In der Praxis beträgt das Integral vn nahe Null, und die Differenz zwischen der Vorspannung in Durchlaßrichtung in der Mitte und der Vorspannung in Durchlaßrichtung an der seitlich weggerückten Stelle ist etwa gleich vp.
Der Strombündelungsmechanismus ist selbstverstärkend. Je mehr Strom durch die Mitte des Bauelementes zu fließen beginnt, je größer wird die Vorspannung in Durchlaßrichtung an der mittleren Stelle, und der Strom durch den Übergang nimmt mit der Vorspannung in Durchlaßrichtung exponentiell zu. Eine wichtige Wirkung der Stromfokussierung an der mittleren Stelle besteht darin, daß die fundamentale Modenstabilität des Bauelements verbessert wird.
Eine weitere wichtige Wirkung des Strombündelungsmechanismus besteht darin, daß die Temperaturempfindlichkeit des Bauelementes bedeutend verringert wird. Der Schwellenstrom eines Halbleiterlasers nimmt mit ansteigender Temperatur zu. Prinzipiell ist der Schwellenstrom eine Funktion von T/T&sub0;, worin T die Temperatur und T&sub0;eine Konstante mit denselben Maßeinheiten wie Temperatur ist. Übliche Werte für T&sub0; bei den meisten Lasern betragen etwa 160&sup0;K. Bei dem Bauelement gemäß der Erfindung ist T&sub0; bedeutend erhöht, auf Werte im Bereich von 190º bis 200ºK, was bedeutet, daß der Schwellenstrom von Temperatur weniger abhängig ist.
Einer der wichtigsten Vorteile der neuen Struktur gemäß der Erfindung besteht darin, daß der Schwellenstrom im Vergleich zu ähnlichen Bauelementen desselben allgemeinen Typs dramatisch reduziert ist. Gemäß Fig. 4 beträgt der Schwellenstrom des Bauelementes nur etwa 50 Milliampere (mA), verglichen mit üblichen Werten von über 100 mA bei anderen Bauelementen. Eine andere damit verbundene Wirkung besteht in der Erhöhung des Wirkungsgrades des Bauelementes bei zunehmendem Strom und zunehmender Leistung. Dies widerspricht dem charakteristischen Verhalten anderer Bauelemente, bei denen der Wirkungsgrad bei Anstieg von Strom und Leistung sinkt. Der Wirkungsgrad wird definiert als die Ausgangsleistung je Einheit Eingangsstrom, d. h. die Steilheit der Leistung-Strom-Kurve in Fig. 4. Es sei darauf hingewiesen, daß die Steilheit der Kurve mit dem Ansteigen von Strom und Leistung etwas zunimmt.
Fig. 3 zeigt die Fernfeld-Strahlungscharakteristik für das Bauelemente gemäß der Erfindung für Leistungen von 10 Milliwatt (mW) und 20 mW. Die Kennkurve hat einen bevorzugten Mittelzipfel und nur kleine Seitenlappen. Fig. 5 zeigt das Wellenlängenspektrum für das Bauelement. Das Bauelement ist im Prinzip monochromatisch, mit sehr kleinen Komponenten in eng benachbarten Wellenlängen.
Wenngleich bei dem Bauelement gemäß der Erfindung die Abmessungen und Dotierungskonzentrationen der verschiedenen Schichten nicht kritisch sind, werden die folgenden Werte als Beispiele angegeben. Das Substrat 10 hat eine Konzentration von 3 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ einer Zinkverunreinigung. Die Sperrschicht 12 hat eine Tellur(Te)-Konzentration von 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ und eine Dicke von etwa 1,0 um. Die erste inaktive Schicht 20 hat eine Zink-Konzentration von 7 bis 8 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ und eine Dikke von etwa 1,0 um im Bereich außerhalb der Kanäle 14 und 16 und des Zwischenbereichs 18. Die aktive Schicht 22 ist undotiert und hat eine Dicke von etwa 400 bis 1000 Angström. Die zweite inaktive Schicht 24 hat eine Tellur(Te)-Konzentration von 7 bis 8 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ und eine Dicke von etwa 3,0 um im Bereich außerhalb der Kanäle 14 und 16 und des Zwischenbereichs 18. Schließlich hat die obere Schicht 26 eine Tellur(Te)-Konzentration von 1 bis 2 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ und eine Dicke von etwa 1,0 um.
Ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung betrifft die Modenselektivität. Im allgemeinen ist jeder lasernde Hauptresonator in der Lage, eine Vielzahl von Longitudinalmoden zu erzeugen, die durch eine Wellenlängenverschiebung Δλ getrennt sind. Δλ ist ungefähr durch den Ausdruck
gegeben, worin λ = Wellenlänge,
Neff = effektive Brechzahl, und
L = Länge des Resonators ist.
Die Fig. 9a und 9b zeigen eine vereinfachte Darstellung der den beiden Laserresonatoren zugeordneten Longitudinalmoden. Die Longitudinalmoden gemäß Fig. 9b haben kleineren Zwischenabstand als die in Fig. 9a, entweder wegen Längendifferenzen oder wegen Unterschieden bei den effektiven Brechzahlen. Entsprechend einem Merkmal der Erfindung wird die effektive Brechzahl verändert, wenn die beiden Kanäle der Struktur so hergestellt werden, daß sie aktive Schichten verschiedener Dicke haben. Wenn die Dicke der aktiven Schicht verringert wird, besteht die Tendenz, daß sich die effektive Brechzahl der theoretischen Brechzahl der umgebenden inaktiven Schichten nähert, die kleiner ist als die theoretische Brechzahl der aktiven Schicht. Daher bietet die Dickenänderung der aktiven Schicht bis zu einem gewissen Grad Kontrolle über den Abstand der Longitudinalmoden.
Weil die beiden Laserkanäle durch den Zwischenbereich zwischen den Kanälen eng gekoppelt sind, werden von dem zusammengesetzten Bauelement nur die von beiden Kanälen unterstützten Moden erzeugt. Aus der engen Kopplung ergibt sich tatsächlich eine logische UNDung der beiden Longitudinalmoden-Gruppen. Dieser Ausgangscharakteristik aus zusammengesetzten Moden ist das Verstärkung-Wellenlänge-Profil der Struktur gemäß Fig. 9c überlagert. Dieses Profil führt eine weitere Filterung des Ausgangs des Bauelementes durch, der daher so gewählt werden kann, daß er die Form eines einzelnen, gewählten Longitudinalmoden hat, wie in Fig. 9d angegeben. Solange zwischen den beiden lasernden Hauptbereichen enge Kopplung besteht, arbeitet die Struktur mit einer stabilen Longitudinalmoden-Selektion. Die Modenselektion kann auch durch Ändern der Abmessungen der Kanäle 14 und 16 durchgeführt werden, in der Weise, daß jeder Kanal verschiedene Longitudinalmoden erzeugt.
Wenngleich sich die vorstehende Beschreibung auf einen speziellen Doppel-Heterostruktur-Laser mit Galliumarsenid und Gallium-Aluminium-Arsenid als Werkstoffen bezogen hat, versteht es sich, daß die Grundsätze der Erfindung gleichermaßen auf andere Halbleiterlaser-Strukturen unter Verwendung anderer Werkstoffe anwendbar sind. Seit der ersten Vorführung eines GaAs-Lasers hat sich die Zahl der Halbleiterwerkstoffe, die Laserwirkung zeigen, ständig vergrößert. Derzeit haben praktisch alle lasernden Halbleiterwerkstoffe direkte Bandabstände. Verschiedene Werkstoff-Verbindungssysteme aus den Gruppen III-V der Tabelle des Periodensystems sind als Laserwerkstoffe gut geeignet. Sie können ternäre Verbindungen des Typs AxB1-xC oder quaternäre Verbindungen des Typs AxB1-xCyD1-y sein, worin A und B Elemente der Gruppe III und C und D Elemente der Gruppe V sind. Zwei wichtige Verbindungslösungen aus der Gruppe III-V sind AlxGa1-xAsySb1-y und GaxIn1-xAsyP1-y. Verbindungen der Gruppe IV-VI, z. B. PbS, PbTe, PbSe und verwandte feste Lösungen lasern ebenfalls und können die Erfindung mit Vorteil verwenden. Gerade weil die Erfindung nicht auf spezielle Halbleiterwerkstoffe beschränkt ist, ist sie auch nicht auf ein bestimmtes Herstellungsverfahren begrenzt. Das bei der Herstellung der Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung angewandte LPE-Verfahren hat den Vorteil, daß es die mittige Substratmesa nachschmilzt, in der Weise, daß im Zwischenbereich eine gewünschte optische Verstärkung erzeugt wird. Jedoch kann die Mesa in ihrer Höhe durch andere Techniken reduziert werden, z. B. durch Ätzen, und es können völlig verschiedene Herstellungsverfahren angewandt werden.
Fig. 10 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung in Gestalt eines Zweikanal-Lasers, hergestellt nach Flüssigphasen-Epitaxie(LPE)-Techniken, jedoch ohne die Sperrschicht der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Der Aufbau umfaßt ein mit 110 bezeichnetes Substrat aus Galliumarsenid des n- oder p-Typs, eine erste inaktive abschirmende Schicht 112 aus Gallium-Aluminium-Arsenid des n-Typs (Ga0,65Al0,35As), eine aktive Schicht 114 aus Ga0,94Al0,06As, eine zweite inaktive Schicht 116 aus demselben Werkstoff wie die erste inaktive Schicht 112, jedoch des Typs mit entgegengesetzter Polarität, und eine obere Schicht 118 aus Galliumarsenid des n-Typs.
Vor der Ausbildung der ersten inaktiven Schicht 112 wird das Substrat 110 zur Definition von zwei Kanälen 120 und 121 geätzt, die sich über die Länge des Bauelementes erstrecken, d. h. rechtwinklig zu der Ebene, in der die Schnittansicht der Fig. 10 geschnitten ist. Ein tiefer Diffusionsbereich 122 aus Zink bildet einen Kontaktstreifen mit einer Breite, die etwa den kombinierten Breiten der beiden Kanäle 120 und 121 entspricht, und erstreckt sich über die gesamte Länge des Bauelementes. Der Zink-Diffusionsbereich 122 dringt zum Teil in die zweite inaktive Schicht 116 ein.
Die Kanäle 120 und 121 werden mit einem zweckdienlichen Ätzmittel, z. B. mit einer Lösung aus Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid (H&sub2;SO&sub4;:H&sub2;:H&sub2;O), auf eine Tiefe von etwa 1,5 um (1,5 · 10&supmin;&sup6; m) und auf eine Breite von etwa 2 bis 5 um geätzt. Der Mittenabstand der Kanäle beträgt etwa 4 bis 10 um.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 10 liegt die Dicke der aktiven Schicht 114 im Bereich von 40 bis 100 nm (400 bis 1000 Angström). Die erste inaktive Schicht 112 ist etwa 0,6 um dick, und die zweite inaktive Schicht ist etwa 1,8 um dick. Die obere Schicht 118 ist etwa 0,5 um dick.
Wie bei den anderen Ausführungsformen ist eine der Abmessungen, die zur Sicherung einwandfreien Funktionierens der Struktur gemäß der Erfindung mit Sorgfalt zu wählen und zu kontrollieren ist, die Tiefe der ersten inaktiven Schicht 112 im Zwischenbereich über der zwischen den beiden Kanälen 120 und 121 ausgebildeten Mesa 126. In dieser Hinsicht sind bei dieser Ausführungsform im wesentlichen die gleichen Überlegungen anzustellen, die im Zusammenhang mit der Ausführungsform gemäß Fig. 1 beschrieben wurden.
Nicht dargestellt in Fig. 10, aber für das Arbeiten der Laserstruktur nötig, ist ein herkömmliches elektrisches Kontaktstück am Zink-Diffusionsbereich 122 und ein weiteres elektrisches Kontaktstück unter dem Substrat 110. Zu Testzwecken wurde die in Fig. 10 dargestellte Struktur entweder auf eine Silicium- oder eine Diamant-Zwischenlage gelötet, die dann zur Herstellung der Substrat-Verbindung auf einen Kupferblock montiert wurde.
Die mit der Struktur gemäß Fig. 10 erzielbare Ausgangsleistung in Milliwatt (mW) ist in Fig. 11 als Funktion des injizierten Stroms in Milliampere (mA) aufgetragen. Beim gezeigten Beispiel wurde eine maximale Ausgangsleistung von 80 mW erreicht, bevor ein katastrophaler Schaden eintrat. Tests mit einer Vielzahl ähnlicher Strukturen ergaben maximale Leistungszahlen von 50 mW oder darüber. Das Leistung-Strom-Verhältnis ist sowohl für die silicium- als auch für die diamant-montierten Strukturen praktisch linear.
Es ist bekannt, daß der Schwellenstrom eines Halbleiterlasers mit der Temperatur ansteigt. Im Prinzip ist der Schwellenstrom eine Funktion von T/T&sub0;, worin T die Temperatur und T&sub0; eine Konstante ist. Bei den meisten herkömmlichen CSP-Lasern beträgt T&sub0; etwa 140 bis 160 Grad C. Die Struktur gemäß der Erfindung hat aber für T&sub0; einen Wert im Bereich von 180 bis 200 Grad C. Folglich weist die Struktur gemäß der Erfindung eine verringerte Temperaturabhängigkeit auf.
Fig. 12 und 13 zeigen die Nahfeld- bzw. Fernfeld-Strahlungsverteilungsmuster für das Strukturbeispiel gemäß Fig. 10. Das Nahfeld-Muster hat drei deutlich unterscheidbare Lappen, die offensichtlich die Doppelkanäle und den Zwischenbereich zwischen den Kanälen anzeigen, die optische Verstärkung besitzen. Aus nicht völlig verstandenen Gründen liefert der mittlere Zipfel eine höhere Intensität als die äußeren Zipfel, die offensichtlich aus den lasernden Hauptbereichen in den Kanälen abgeleitet sind. Wichtiger ist, daß das Fernfeld-Muster nur aus einem einzelnen Zipfel besteht, der auf null Grad zentriert ist. Die Halbwertsbreite des Fernfeld-Zipfels liegt im Bereich von 4 bis 6 Grad in einer zur aktiven Schicht 114 parallelen Ebene und von 25 bis 35 Grad in der rechtwinkligen Ebene.
Die Helligkeit B eines Lasers kann für ein verlustfreies System folgendermaßen definiert werden:
B = (PT · 4 π)/(Ω · a),
worin PT = der optische Leistungsausgang aus dem Laser ist,
Ω = die Raumwinkel-Strahlbreite in Sterad, und
A = die Fläche der Laseröffnung.
Unter Verwendung von Versuchsdaten, die mit einer Laserstruktur des beschriebenen Typs erzielt wurden, sind
PT = 50 mW
Ω = 0,08 · 0,4 = 0,035 (Zirkawert)
A = 10 um · 2 um,
B = 8,97 · 10&spplus;&sup7; Watt/cm²/Sterad.
Es wird angenommen, daß die Raumwinkel-Strahlbreite durch das Produkt der Halbwertsbreiten des optischen Strahlungsmusters in Ebenen parallel und rechtwinklig zum Laserdiodenübergang gegeben ist. Ähnliche Berechnungen für ein Zehn-Element-Array gemäß dem Stand der Technik ergaben eine Helligkeit von nur 6,18 · 10&spplus;&sup7; Watt/cm²/Sterad, bei einer optischen Leistung im Dauerstrichbetrieb von 150 Mw.
Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß die Erfindung einen bedeutenden Fortschritt auf dem Gebiet der Halbleiterlaser darstellt. Insbesondere schafft die Erfindung einen Laser- Aufbau, der bei hohen Leistungs- und Helligkeitspegeln im Bereich von 40 bis 150 mW von einer einzelnen Facette betreibbar ist, wobei sowohl Lateral- als auch Longitudinalstabilität aufrechterhalten wird. Das Bauelement gemäß der Erfindung hat auch einen niedrigen Schwellenstrom, einen hohen Wirkungsgrad und geringe Empfindlichkeit gegenüber Temperaturänderungen. Die meisten dieser Vorteile ergeben sich aus dem Strombündelungsmechanismus, den die Struktur gemäß der Erfindung erzeugt, insbesondere aus der Mehrkanal-Konfiguration und zum Teil aus der gekrümmten Geometrie der aktiven Schicht.

Claims

1. Aufbau einer Halbleiterlaserdiode, mit einem Halbleiter- Substrat (10) mit wenigstens zwei in einer seiner Flächen ausgebildeten parallelen Kanälen (14, 16), einer über dem Substrat gelegenen ersten inaktiven, abschirmenden Halbleiterschicht (20) aus einem Werkstoff derselben Polarität wie das Substrat (10), einer zweiten inaktiven, abschirmenden Halbleiterschicht (24) aus einem Werkstoff der entgegengesetzten Polarität, einer zwischen der ersten und der zweiten inaktiven Schicht (20, 24) angeordneten aktiven Halbleiterschicht (22), einer Sperrschicht (12) aus einem Werkstoff der zum Substrat (10) entgegengesetzten Polarität, die zwischen dem Substrat (10) und der ersten inaktiven Schicht (20), jedoch nur in Bereichen außerhalb der Substratkanäle und nicht in über oder zwischen den Kanälen gelegenen Bereichen angeordnet ist, einer Vorrichtung zum Anlegen einer Vorspannung zwischen die inaktiven Schichten zur Erzeugung einer optischen Verstärkung im Bauteil, einschließlich einer sich über die Substratkanäle (14, 16) erstreckenden Metallisierungsschicht (30; 30'), und einer die Kanäle (14, 16) trennenden Substratmesa (18), deren Höhe kleiner ist als die des Substrats außerhalb der Kanäle und in der ersten inaktiven Schicht (20) eine Dicke schafft, die zur Erzielung einer reduzierten Absorption im Zwischenbereich zwischen den Kanälen ausreicht.

2. Aufbau einer Halbleiterlaserdiode nach Anspruch 1, bei dem die Metallisierungsschicht einen Kontaktstreifen (30, 30') aufweist, der mit Überlagerung über der zweiten inaktiven Schicht (24) ausgebildet ist.

3. Aufbau einer Halbleiterlaserdiode nach Anspruch 2, bei dem der Kontaktstreifen (30') im Vergleich mit der zusammengefaßten Breite der Kanäle (14, 16) relativ breit ist, derart, daß ein Bereich optischer Verstärkung mit mehreren Filamenten entsteht.

4. Aufbau einer Halbleiterlaserdiode nach Anspruch 2, bei dem der Kontaktstreifen (30) relativ schmal ist und sich nur über die Breite der Kanäle erstreckt, derart, daß ein mittig über der Kanal-Kombination (14, 16) angeordneter Bereich optischer Verstärkung mit einem einzelnen Filament (34) entsteht.

5. Aufbau einer Halbleiterlaserdiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die aktive Schicht (22) gegen das Substrat (10) zur Verbesserung des Strombündelungsmechanismus des Aufbaus konvex gekrümmt ist.

6. Aufbau einer Halbleiterlaserdiode nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die aktive Schicht (22') eine im wesentlichen ebene Schicht ist.

7. Aufbau einer Halbleiterlaserdiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Substrat (10) und die erste inaktive Schicht (20) aus Werkstoff des p-Typs sind und die zweite inaktive Schicht (24) und die Sperrschicht aus Werkstoff des n-Typs sind.

8. Aufbau einer Halbleiterlaserdiode nach Anspruch 7, bei dem das p-Substrat (10) aus Galliumarsenid (GaAs) ist, im Substrat zwei parallele Kanäle (14, 16) ausgebildet sind, die erste inaktive, abschirmende Halbleiterschicht (20) aus Gallium-Aluminium-Arsenid des p-Typs mit der ungefähren Zusammensetzung Ga0,65Al0,35As ist, die zweite inaktive, abschirmende Halbleiterschicht (24) aus Gallium-Aluminium-Arsenid des n-Typs mit der ungefähren Zusammensetzung Ga0,65Al0,35As ist, die aktive Halbleiterschicht (22) aus Gallium-Aluminium- Arsenid mit der ungefähren Zusammensetzung Ga0,94A10,06As ist, und die Sperrschicht 12 aus Gallium-Arsenid des n-Typs ist.

9. Aufbau einer Halbleiterlaserdiode nach Anspruch 7, bei dem die Anzahl der Kanäle zwei ist.

10. Aufbau einer Halbleiterlaserdiode nach Anspruch 1 oder Anspruch 7, bei dem die Dicke der ersten inaktiven Schicht (20) im Bereich zwischen den Kanälen größer ist als in den Bereichen außerhalb der Kanäle, derart, daß sich im Bereich zwischen den Kanälen eine enge Kopplung schaffen und doch das Lasern innerhalb der Kanalbereiche halten läßt.

11. Aufbau einer Halbleiterlaserdiode nach Anspruch 10, bei dem die erste inaktive Schicht (20) durch Epitaxie aus der flüssigen Phase ausgebildet worden ist, und der Substratbereich zwischen den Kanälen (14, 16) während des Epitaxievorgangs aus der flüssigen Phase auf eine geringere Höhe nachgeschmolzen worden ist, um dadurch die gewünschte vergrößerte Dicke der ersten inaktiven Schicht im Zwischenbereich (18) zwischen den Kanälen zu erzeugen.

12. Aufbau einer Halbleiterlaserdiode, mit einem Halbleiter- Substrat (10; 110) mit wenigstens zwei in einer seiner Flächen ausgebildeten parallelen Kanälen (14, 16; 120, 121), einer über dem Substrat gelegenen ersten inaktiven, abschirmenden Halbleiterschicht (20; 112) aus einem Werkstoff einer ersten Polarität, einer zweiten inaktiven, abschirmenden Halbleiterschicht (24; 116) aus einem Werkstoff der entgegengesetzten Polarität, einer zwischen der ersten und der zweiten inaktiven Schicht (20, 24; 112, 116) angeordneten aktiven Halbleiterschicht (22; 114), einer die Kanäle (14, 16; 120, 121) trennenden Substratmesa (18; 126), deren Höhe kleiner ist als die des Substrats außerhalb der Kanäle und in der ersten inaktiven Schicht (20; 112) eine Dicke schafft, die zur Erzielung einer reduzierten Absorption im Zwischenbereich zwischen den Kanälen ausreicht, wobei die Abmessungen der Kanäle und/oder der aktiven Schicht im Bereich der Kanäle verschieden sind, wodurch wenigstens zwei hauptsächliche lasernde Bereiche angrenzend an die Kanäle geschaffen sind, die verschiedene Gruppen von Longitudinalmoden erzeugen, und der Zwischenbereich eine Kopplung zwischen den beiden hauptsächlichen lasernden Bereichen schafft, woraus sich ein zusammengesetzter Ausgang mit beiden lasernden Bereichen gemeinsamen Longitudinalmoden ergeben, und eine Vorrichtung zum Anlegen einer Vorspannung zwischen die inaktiven Schichten vorgesehen ist.

13. Aufbau eines Halbleiterlasers nach Anspruch 12, ferner mit einer über der genannten zweiten inaktiven Schicht ausgebildeten oberen Halbleiterschicht (118), und einem elektrisch leitfähigen Diffusionsbereich (122), der die genannte obere Schicht (118) durchdringt und in die genannte zweite inaktive Schicht (116) eindringt und sich seitwärts über beide Kanäle (120, 121) erstreckt.

14. Halbleiterlaser nach Anspruch 13, bei dem das genannte Substrat aus Gallium-Arsenid des n-Typs (GaAs) ist, die genannten ersten und zweiten inaktiven Schichten aus Gallium- Aluminium-Arsenid des n- bzw. p-Typs mit der ungefähren Zusammensetzung Ga0,65Al0,35As sind, die genannte aktive Schicht aus Gallium-Aluminium-Arsenid mit der ungefähren Zusammensetzung Ga0,94Al0,06As ist, und die genannte obere Schicht aus Gallium-Arsenid des n-Typs ist.