DE69113471T2 - Auf einer strukturierten Substratoberfläche aufgewachsene Halbleiter-Laserdiode. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine einen Wellenleiter beinhaltende Halbleiterlaserdiode, die durch eine aktive Schicht gebildet ist, die zwischen einhüllenden Schichten aus einem Material mit einem größeren Bandabstand als jenem der aktiven Schicht geschichtet ist, um einen Laserstrahl zu erzeugen, der an einer Spiegelkristallfläche an dem Ende des Wellenleiters emittiert wird. Die geschichtete Diodenstruktur wird auf einer strukturierten Oberfläche eines Halbleitersubstrates mit planaren und geneigten Oberflächenbereichen aufgewachsen. Ein großes optisches Leistungsvermögen und eine hohe Zuverlässigkeit werden dadurch erreicht, daß der Wellenleiter mit einer nicht absorbierenden Fensterstruktur mit großem Bandabstand "abgeschlossen" wird, wobei das Leistungsvermögen durch Verwendung ebenenabhängiger Dotiertechniken weiter gesteigert wird, um Übergänge zu erzeugen, die laterale Ströme in dem Spiegelkristallflächenbereich im wesentlichen eliminieren.
Hintergrund der Erfindung
• Mit der immer größer werdenden Bedeutung von Laserdioden aus III-- V-Verbindungshalbleitern für Anwendungen wie optische Kommunikation, Drucker und optische Plattenspeichersysteme geht ein großer Bedarf an Bauelementen mit hoher Zuverlässigkeit einher, die lange Lebensdauern verbunden mit hohem Leistungsvermögen bereitstellen.
• Bei diesen Bauelementen ist die maximale optische Ausgangsleistung im allgemeinen durch eine plötzliche optische Beschädigung (COD) begrenzt, die aufgrund lokaler Erwärmung an den Laserspiegeln auftritt. Daher ist es von Bedeutung, daß das COD-Niveau durch Optimieren des kritischen Spiegelkristallflächenbereiches bezüglich einer Anzahl von Faktoren, welche die Bauelementleistungsfähigkeit bestimmen, wie die Absorption von optischer Energie, die Anzahl elektrischer Ladungsträger und ihre Rekombinationsrate an der Kristallfläche ebenso wie die Spiegelpassivierung, angehoben werden kann, um eine Wärmeentwicklung in der Nähe der Spiegelgrenzfläche zu reduzieren.
• Eine derartige Optimierung ist für die bis heute am meisten verwendeten Laserdioden mit gespaltenen Spiegeln, aber ebenso und sogar noch mehr für Bauelemente mit geätzten Spiegeln von Bedeutung, auf die in jüngerer Zeit viel Aufmerksamkeit gerichtet war. Dies liegt hauptsächlich an den inhärenten Vorteilen dieser Technologie, die eine Ganzwaferverarbeitung und -prüfung und einen hohen Integrationsgrad erlaubt. Ein typisches Bauelement und seine Herstellung ist in der europäischen Patentanmeldung 0 363 547 "Method for Etching Mirror Facets of III-V Semiconductor Structures" offenbart. Die Prozesse jedoch, die zum Ätzen, Reinigen und Passivieren der geätzten Kristallflächen erforderlich sind, neigen dazu, durch Erhöhen der Anzahl von Oberflächenzuständen eine schädliche Wirkung auf die Spiegelqualität zu besitzen, wodurch es sehr schwierig wird, die erforderlichen Leistungscharakteristika zu erreichen. Es besteht ein deutlicher Bedarf an verbesserten Hochleistungsbauelementen mit hoher Zuverlässigkeit.
• Das im folgenden beschriebene erfinderische Bauelement ist dazu geeignet, die zwei Schlüsselprobleme, die eine Kristallflächenerosion und -beschädigung verursachen, wesentlich zu reduzieren oder sogar zu eliminieren. Diese sind: optische Absorption und hohe Ladungsträgerdichten an den Laserkristallflächen, die zu hohen nicht-strahlenden Rekombinationsverlusten führen, welche den Bandabstand verkleinern und Wärme an den Spiegelkristallflächen erzeugen. Dies bewirkt dann eine zusätzliche Absorption und Erwärmung und möglicherweise eine Kristallflächenerosion und -degradation.
• Diese Probleme werden dadurch gelöst, daß die vorgeschlagene Struktur zwei Zwecken dient: (1) Reduzierung der Absorption der optischen Leistung durch Koppeln des aktiven Wellenleiters an ein Fenster mit größerem Bandabstand, durch das der Laserstrahl emittiert wird, wodurch ein Bauelement mit nicht absorbierendem Spiegel (NAM) gebildet wird, und (2) Eliminierung eines lateralen Stromflusses in Richtung des Spiegelkristallflächenbereiches unter Verwendung stromsperrender Übergänge, die mit einer kristallebenenabhängigen Dotiertechnik erhalten werden, um nicht-strahlende Ladungsträgerrekombination zu reduzieren.
• Ein Bauelement mit nicht absorbierendem Spiegel (NAM) kann mit einer gebogenen Wellenleiterstruktur realisiert werden, bei welcher der optische Strahl durch eine Fensterstruktur aus Material mit größerem Bandabstand emittiert wird, die ein Bereich einer einhüllenden Schicht sein kann. Es wurde bereits eine ziemlich große Vielzahl von Bauelementen, denen dieses Konzept zugrunde liegt, vorgeschlagen, z.B. in den folgenden Dokumenten:
• - Patent Abstracts of Japan, Bd. 9, Nr. 165 (E-327) (1988), 10. Juli 1985.
• "Semiconductor Laser Element".
• - EP-A-0 332 723
• "High-Power Semiconductor Diode Laser".
• - DE-A-3 604 293
• "Heterostruktur-Halbleiterlaserdiode".
• - EP-A-0 069 563
• "Semiconductor Laser Diode".
• - US-A-4 831 630
• "Phased-locked window lasers".
• Bei jedem der in diesen Dokumenten beschriebenen Bauelementen wird eine gebogene Wellenleiterstruktur durch Aufwachsen der geschichteten Diodenstruktur auf einer strukturierten Substratoberfläche erzielt, die einen langen horizontalen Mesa-Mittenbereich, auf dem der aktive Verstärkungsabschnitt des Wellenleiters aufgewachsen wird, und nahe ihrer Enden, an denen die Kristallflächen später zu spalten oder zu ätzen sind, kurze geneigte Bereiche oder Kanten senkrecht zu der Längsrichtung des Wellenleiters besitzt. Der Winkel zwischen horizontalen und geneigten Oberflächen ist groß genug, um zu erzwingen, daß der in dem aktiven Wellenleiterabschnitt erzeugte Strahl nicht dem gebogenen Wellenleiter folgt, sondern im wesentlichen ohne Ablenkung durch das umgebende Material (mit größerem Bandabstand) zu den Spiegelkristallflächen läuft.
• Mit derartigen NAM-Strukturen wurden wesentliche Verbesserungen der Leistungsfähigkeit dahingehend erreicht, daß die optische Absorption an der Kristallfläche beträchtlich reduziert werden kann. Die erforderliche Langzeitzuverlässigkeit bei hoher Ausgangsleistung wurde jedoch allein auf der Basis einer NAM-Struktur noch immer nicht erreicht. Besonders für Bauelemente mit geätzten Spiegeln ist es notwendig, zusätzliche Maßnahmen vorzunehmen, um das Erwärmungsproblem zufriedenstellend zu lösen.
• Bei der erfinderischen Laserdiode wird daher die NAM-Methode außerdem mit der Verwendung des zweiten der oben erwähnten Konzepte, d.h. mit der Verwendung einer neuartigen kristallebenenabhängigen Dotiertechnik, gekoppelt und das Bauelement dadurch weiter verbessert.
• Bei bestimmten Materialsystemen, wie GaAs/AlGaAs, hängt der Leitfähigkeitstyp, p oder n, von epitaxial aufgewachsenen Schichten von der kristallographischen Orientierung der Substratoberfläche ab, wenn ein amphoterer Dotierstoff, wie Si, verwendet wird. Auf strukturierten Oberflächen mit horizontalen planaren Mesas und geneigten angrenzenden Bereichen ist das auf planaren Bereichen aufgewachsene Material von einem ersten Leitfähigkeitstyp, während das Material über den geneigten Bereichen vom zweiten Leitfähigkeitstyp ist, wobei dazwischen pn- oder np-Übergänge ausgebildet sind. Es können Bauelemente entworfen werden, um diese Übergänge dazu zu verwenden, entweder Ströme in die laterale Richtung fließen zu lassen oder dies zu verhindern.
• Wiederum ist eine Vielzahl von Dokumenten bekannt, welche die kristallebenenabhängige Dotierwirkung und einige Anwendungen derselben beschreiben. Die Folgenden werden als repräsentativ für den Stand der Technik angesehen:
• - Veröffentlichung "Lateral p-n Junction Formation in GaAs Molecular Beam Epitaxy by Crystal Plane dependent Doping" von D.L. Miller
• (Appl. Phys. Lett., Bd. 47, Nr. 12, Dezember 1985, Seiten 1309 bis 1311).
• - EP-A-0 261 262 "Transverse Junction Stripe Laser".
• - Veröffentlichung: "High-power Fundamental Mode AlGaAs Quantum Well Channeled Substrate Laser grown by Molecular Beam Epitaxy" von H. Jaeckel et al.
• (Appl. Phys. Lett. 55 (11), 11. September 1989, Seiten 1059 bis 1061).
• - Veröffentlichung "Channelled substrate (100) GaAs MBE growth and lateral p-n junctions formation of lasers" von H.P. Meier, E. van Gieson, R.F. Broom, W. Walter, D.J. Webb, C. Harder, H. Jäckel (Proceedings of the 14th International Symposium on Gallium Arsenide and related Compounds, 28.09.87 bis 01.10.87, Heraklion, Griechenland, Seiten 609 bis 612).
• Bei jeder dieser Veröffentlichungen sind die beschriebenen Strukturen auf einer strukturierten Substratoberfläche aufgebracht, um eine Dotierumkehr in dem Halbleiter zu erzielen, der auf geneigten Oberflächenbereichen aufgewachsen ist, die normalerweise sehr kurz sind, wobei eine Kante gebildet wird, die parallel zu der Längsrichtung des möglicherweise gebildeten Wellenleiters verläuft. Dies steht im Gegensatz zu den Bauelementstrukturen und den Substratmustern, die in den früher zitierten Veröffentlichungen über NAM-Strukturen offenbart sind, bei denen sich die geneigten Oberflächenbereiche oder Kanten in allen Fällen in einer Richtung senkrecht zu dem aktiven Wellenleiter erstrecken. Kanten parallel zu dem Wellenleiter sind für die Zwecke geeignet, für welche die pn-- Übergänge verwendet werden: sie dienen dazu, eine laterale Strombegrenzung über die Länge des Wellenleiters hinweg bereitzustellen; sie werden nicht, wie in der vorliegenden Erfindung, dazu verwendet zu verhindern, daß Ströme in die kritischen Spiegelkristallflächenbereiche des Laserbauelementes fließen. Dies erfordert, daß die geneigten Bereiche senkrecht zu dem aktiven Wellenleiter liegen.
• Zusammenfassend sind die zwei Konzepte, auf denen das erfinderische Laserbauelement basiert, d.h. (1) die Verwendung von Fensterstrukturen, um NAM-Kristallflächen zu erhalten, und (2) die Bereitstellung von Übergängen durch kristallebenenabhängiges Dotieren unter Verwendung amphoterer Dotierstoffe, an sich bekannt, aber ihre spezielle Kombination und Anwendung in einer Bauelementstruktur, die zur Anwendung beider Konzepte gleichzeitig ohne spezielle Anpassungen geeignet ist, erweisen sich als neuartig und führen zu der gewünschten, bislang nicht erreichten Verbesserung der Leistungsfähigkeit.
Zusammenfassung der Erfindung
• Es ist eine Hauptaufgabe der Erfindung, eine Laserdiode mit beträchtlich verbesserter Zuverlässigkeit und langer Lebensdauer bei hoher optischer Ausgangsleistung bereitzustellen.
• Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Struktur bereit zustellen, die den aktiven Wellenleiter der Laserdiode an der lichtemittierenden Kristallfläche durch eine Zone mit großem Bandabstand mit wesentlich reduzierten Ladungsträgerrekombinationszentren "abschließt".
• Noch eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Laserdiode mit einer ziemlich einfachen Struktur bereitzustellen, die unter Verwendung herkömmlicher, leicht zu steuernder Prozesse hergestellt werden kann und die den zweifachen Zweck erfüllt, den aktiven Wellenleiter mit einer Zone mit großem Bandabstand abzuschließen und zu verhindern, daß injizierte laterale Ströme in die Spiegelkristallflächenzone fließen.
• Die Erfindung, wie sie in Anspruch 1 beansprucht ist, ist dazu vorgesehen, diese Aufgaben zu lösen und den Mängeln von bekannten Strukturen und Techniken abzuhelfen. Die erfinderische Laserdiode stellt die gewünschten Verbesserungen dadurch bereit, daß die geschichtete Struktur, in welcher der aktive Wellenleiter durch eine aktive Schicht gebildet ist, die zwischen oberen und unteren einhüllenden Schichten mit einem Bandabstand geschichtet ist, der sich von jenem der aktiven Schicht unterscheidet, auf einem Substrat mit einer Struktur aufgebracht wird, die bewirkt, daß der Wellenleiter in der Nähe seiner Enden gebogen wird, d.h. in der Nähe der gespaltenen oder geätzten Kristallflächen des fertiggestellten Laserbauelementes. Der in dem aktiven, planaren Weilenleiterabschnitt erzeugte Laserstrahl verläßt den Wellenleiter an der Biegung, wobei er im wesentlichen ohne Absorption und ohne Ablenkung durch das Material der einhüllenden Schicht mit dem größeren Bandabstand in Richtung zu der Spiegelkristallfläche weiterläuft. Während des Aufwachsens der geschichteten Struktur wird ein amphoterer Dotierstoff verwendet, der eine Umkehr des Leitfähigkeitstyps innerhalb des auf den geneigten Oberflächenbereichen aufgebrachten Halbleitermaterials bewirkt. Somit werden Übergänge gebildet, die als Stromsperren dienen.
• Durch das einfache Mittel der Bereitstellung eines Substrates, das in der Nähe der Kristallflächenebenen geneigte Oberflächenbereiche oder Kanten mit einem Neigungswinkel besitzt, der ausreichend groß ist, um zu ermöglichen, daß (1) der Laserstrahl den Wellenleiter dort verläßt, wo dieser gebogen ist, und (2) sich der Leitfähigkeitstyp aufgrund des verwendeten ebenenabhängigen Dotierprozesses von n nach p (oder umgekehrt) ändert, erhält man an der Spiegelkristallfläche eine wesentliche Reduktion der optischen Absorption und der Anzahl an Ladungsträgern, die für eine nicht-strahlende Rekombination verfügbar sind.
• Die durch die Erfindung gebotenen Hauptvorteile bestehen darin, daß einige der hauptsächlichen Zuverlässigkeitsprobleme, die bei Diodenlasern, insbesondere bei Bauelementen mit geätztem Spiegel, auftreten, eliminiert oder wenigstens beträchtlich reduziert sind. Dabei handelt es sich um Leistungsabsorption und die Injektion von nicht-strahlend rekombinierenden Ladungsträgern im Kristallflächenbereich, die beide normalerweise eine Verschlechterung des Spiegels verursachen, die möglicherweise zu plötzlicher optischer Beschädigung (COD) führt. Die erfinderische Struktur eignet sich außerdem für zusätzliche Maßnahmen, die auf eine weitere Verbesserung der Leistungsfähigkeit abzielen. Ein Beispiel ist die Verwendung einer Drainelektrode für einen Ladungsträgerentzug aus dem Spiegelkristallflächenbereich, was als ein optionales Merkmal der unten beschriebenen Ausführungsform der Erfindung angegeben ist.
Beschreibung der Zeichnungen
• Die Erfindung ist untenstehend im Detail unter Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben, welche die zugrundeliegenden Prinzipien und eine spezielle Ausführungsform der Erfindung erläutern und in denen
• Fig. 1 eine schematische Darstellung der grundlegenden Struktur und der grundlegenden Elemente des erfinderischen Diodenlasers ist;
• Fig. 2A eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines erfinderischen Laserbauelementes in Form einer Steg-QW-GRINSCH-Struktur in GaAs/AlGaAs-Technologie ist, aufgewachsen in einem Molekularstrahlepitaxie (MBE)-Prozeß;
• Fig. 2B ein Querschnitt der in Fig. 2A dargestellten Ausführungsform ist.
Detaillierte Beschreibung
• Vor der detaillierteren Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung werden die grundlegenden Konzepte, auf denen die Erfindung basiert, unter Bezugnahme auf Fig. 1 skizziert.
• Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Laserdiodenstruktur 10 (gezeigt ist ein Schnitt in der Längsrichtung), die epitaxial auf einem (100)-orientierten strukturierten Substrat 11 aufgewachsen ist. In der Figur sind lediglich die Elemente gezeigt, die für die Erläuterung am wesentlichsten sind. Der Wellenleiter 14 zur Erzeugung des Laserstrahles 21 verläuft parallel zur x-Achse (siehe das kleine Insert), wobei sich seine laterale Ausdehnung in z-Richtung erstreckt. Die Substratoberfläche 12 besteht aus einem (100)-- planaren Mesabereich 12m, der an beiden Enden mit geneigten, (311) A-orientierten Übergangsbereichen 12f1 und 12f2 "abgeschlossen" ist und an planare Bereiche 12f1 und 12f2 angrenzt, die sich zu den Oberflächen 22 und 23 der Kristallflächen fortsetzen, die gespalten oder geätzt sein können. In der Figur beinhaltet der das Laserbauelement bildende Stapel von Schichten lediglich einen Wellenleiter 14 und seine zugehörigen einhüllenden Schichten 13 und 15. Weitere Schichten, die verwendet werden können, z.B. Pufferschichten, sind nicht gezeigt, um die Figur übersichtlich zu halten. Der Wellenleiter 14 kann aus einer Quantenmulden-Struktur mit dünnen Schichten mit graduellem Index an beiden Seiten bestehen, er kann jedoch ebensogut eine beliebige andere Form annehmen, die zur Erzeugung eines Laserstrahls geeignet ist. Der Stapel wird durch Hinzufügen einer Elektrode 18 an der Unterseite des Substrates und einer Elektrode 17 fertiggestellt, die oben auf einer hochleitfähigen Kontaktschicht 16 aufgebracht ist.
• Bei der dargestellten Anordnung sind das Substrat 11 und die Schichten unterhalb des Wellenleiters 14 mit dem Buchstaben "p" bezeichnet, was anzeigt, daß sie vom p-Leitfähigkeitstyp sind, während die Halbleiterschichten oberhalb des Wellenleicers vom n-Leitfähigkeitstyp sind. Für einen Laserbetrieb ist der an dem Wellenleiter 14 ausgebildete pn-Übergang durch Anlegen einer Spannung mit einer Polarität, wie gezeigt, in Durchlaßrichtung vorgespannt, d.h. die untere Elektrode ist über einen Anschluß 20 geerdet, während die obere Elektrode 17 mit einer Quelle 19 mit negativem Potential verbunden ist. Wenn ein Laserstrom Il, der in der Richtung senkrecht zu den Ebenen der Schichten durch das Bauelement hindurch fließt, den Schwellenstrom Ith des Bauelementes überschreitet, wird ein Laserstrahl 21 erzeugt und emittiert.
• Die gebogene Wellenleiterstruktur von Fig. 1 sorgt für zwei Merkmale, die zusammen die Leistungsfähigkeit des Bauelementes, insbesondere seine Zuverlässigkeit bei hoher Leistung, wesentlich verbessern.
• Erstens wird mit einem gebogenen Wellenleiter 14, wobei der Neigungswinkel α von Übergangsbereichen 12i1 und 12i2 etwa 20 Grad oder mehr beträgt, ein in dem Verstärkungsabschnitt 14m des Wellenleiters erzeugter Strahl 21 nicht dem gebogenen Wellenleiter "folgen", sondern im wesentlichen unbeeinflußt in der Richtung des Verstärkungsabschnitts weiterlaufen, um das Bauelement durch den Kristallflächenabschnitt 15f einer einhüllenden Schicht 15 bei der Spiegelkristallfläche 22 zu verlassen.
• Die mit dem gebogenen Wellenleiter, wenn er bezüglich der Abmessungen der Fensterstruktur (z.B. Länge der Abschnitte 12i und 12f, Winkel α) und bezüglich der Bandabstandsenergiebeziehung zwischen einhüllender Schicht und Wellenleitermaterial geeignet "abgeschlossen" ist, erreichte positive Wirkung besteht darin, daß der Strahl das Bauelement durch das Material mit dem größeren Bandabstand verläßt, wodurch die optische Absorption und somit die Wärmeentwicklung beträchtlich reduziert werden. Mit anderen Worten besitzt das Bauelement nicht-absorbierende Spiegel (NAM)-Abschnitte, die für die bekannten, inhärenten Vorteile sorgen.
• Da der Strahl 21 während der Durchquerung der einhüllenden Schicht nicht geführt wird, könnte man eine Erhöhung des erforderlichen Schwellenstroms Ith für einen Laserbetrieb erwarten. Messungen haben jedoch gezeigt, daß weder der Wert für den Schwellenstrom noch die Fernfeld-Strahlstruktur oder andere Leistungscharakteristika des Bauelementes wesentlich beeinflußt werden, vorausgesetzt, der Abstand von der Biegung zu der Spiegelkristallfläche ist für einen typischen Satz von Schichtdicken nicht größer als 10 um bis 15 um.
• Das zweite wichtige Merkmal des in Fig. 1 gezeigten Bauelementes ist die Tatsache, daß das Material der geneigten oberen einhüllenden Schicht 15, die über geneigten Substratoberflächenbereichen 12i1 und 12i2 aufgewachsen ist, vom p-Leitfähigkeitstyp ist, während der Rest jener einhüllenden Schicht vom n-Leitfähigkeitstyp ist. Dies liegt an der ebenenabhängigen Dotierwirkung: Wenn ein amphoterer Dotierstoff, wie Si, während des epitaxialen Wachstums verwendet wird, kann die resultierende Dotierung z.B. von GaAs- Schichten von der kristallographischen Orientierung der Substratoberfläche abhängen, auf der die Schichten aufgewachsen sind. In dem Beispiel von Fig. 1 sind die Schichten auf horizontalen (100)-- Substratoberflächen und auf geneigten (311)A-Oberflächen aufgewachsen. Demzufolge sind die geneigten Abschnitte 24 und 25 der oberen einhüllenden Schicht 15 p-leitend, während die horizontalen Abschnitte dieser Schicht vom n-Leitfähigkeitstyp sind. Somit werden automatisch sowohl np-Übergänge 26 und 29 als auch pn-Übergänge 27 und 28 erzeugt. Die letzteren Übergänge spielen eine wichtige Rolle beim Betrieb des Bauelementes, indem sie an der Elektrode 17 injizierten Strom davon abhalten, in den Spiegelabschnitt 15f zu fließen, wo injizierte Ladungsträger ansonsten die Wärme erhöhen würden, die sich an den unvermeidbaren Oberflächenzuständen der Kristallfläche entwickelt.
• Die zwei beschriebenen Merkmale "nicht-absorbierender Spiegel" und "als Stromsperre dienenende pn-Übergänge" werden mit einem einfachen Bauelement erzielt, das problemlos und zuverlässig unter Verwendung herkömmlicher Prozeßschritte durch einfaches Aufwachsen des Bauelementes auf einem strukturierten Substrat mit (100)- und (311)A-orientierten Oberflächenbereichen und durch Verwenden eines amphoteren Dotierstoffes, wie Si, in einem GaAs/AlGaAs-System, hergestellt werden kann.
• Aufgrund der kombinierten Wirkung besteht eine wesentliche Verbesserung der Leistungsfähigkeit gegenüber Bauelementen, die nur irgendeine bekannte NAM-Struktur verwenden. Die zusätzlichen Vorteile werden durch die Stromsperrwirkung erzielt, die durch Anwenden der ebenenabhängigen Dotiertechnik erhalten wird, die an sich bekannt war, die jedoch in der Lasertechnologie unseres Wissens nach lediglich für eine laterale Strombegrenzung eingesetzt wurde, bei der die geneigte Oberfläche, die für die stromsperrenden Übergänge sorgt, parallel zu dem Wellenleiter (in x-Richtung) anstatt senkrecht dazu (in z-Richtung) verlaufen muß, wie es bei dem erfinderischen Bauelement erforderlich ist.
• Eine weitere Verbesserung der Leistungsfähigkeit kann erzielt werden, wenn eine zusätzliche Drainelektrode 30 mit dem n-leitenden Kristallflächenabschnitt 15f der oberen einhüllenden Schicht 15, wie in Fig. 1 gezeigt, verbunden wird. Um einen richtigen Betrieb zu garantieren, darf diese Elektrode weder überlappen und damit den pn-Übergang 27 kurzschließen, noch sollte sie sich vollständig bis zu der Oberfläche der Kristallflächen 22 erstrecken, um jegliche elektrische Verbindung mit der später auf der Kristallfläche angebrachten Beschichtung zu vermeiden. Eine Erdung der zusätzlichen Elektrode führt zu einer vollständigen Räumung von Ladungsträgern aus dem kritischen Kristallflächenbereich.
• Eine spezielle Ausführungsform der erfinderischen Laserdiode, die auf der GaAs/AlGaAs-Technologie basiert und gemäß den soeben beschriebenen Prinzipien entworfen ist, ist in den Fig. 2A und 2B dargestellt, welche die wesentlichen Elemente eines Steg- Quantenmulden-GRINSCH-Lasers (Graded Refractive Index Separate Confinement Heterostructure) zeigen, bei dem eine oder mehrere Quantenmulden (QW) als aktive Schicht dienen. Die QWs sind zwischen AlGaAs-Schichten mit graduellem Al-Gehalt geschichtet, wodurch sich der Brechungsindex in dem Material, das an die aktive QW-Schicht angrenzt, graduell ändert. Dies erlaubt in dem zu optimierenden Wellenleiter unabhängig voneinander eine elektrische und optische Begrenzung. Eine derartige GRINSCH-Struktur wurde z.B. in einer Veröffentlichung "High-Power Ridge Waveguide AlGaAs GRINSCH Laser Diode" von C.Harder et al., veröffentlicht in Electronics Letters, 25. September 1986, Bd. 22, Nr. 20, Seiten 1081 bis 1082 beschrieben.
• Das in den Fig. 2A und 2B dargestellte Laserbauelement 30 ist unter Anwendung der gleichen Prinzipien wie jenen, die in Verbindung mit Fig. 1 erläutert wurden, strukturiert. Ein Substrat 31 besteht aus (100)-p-GaAs, wobei seine Oberfläche 32, wie in der Figur gezeigt, strukturiert ist, d.h. sie bildet eine horizontale planare Mesa, die an beiden Enden einen geneigten Übergangsabschnitt oder eine geneigte Kante aufweist, gefolgt von einem vertikal versetzten, horizontalen Kristallflächenabschnitt. Die vertikale Versetzung zwischen der planaren Mesa und den Kristallflächenabschnitten beträgt etwa 1 um. Die Übergangsoberflächen entsprechen im wesentlichen einer (311)A-Ebene, wobei ihre Steigung oder ihr Neigungswinkel etwa 28º und ihre Länge etwa 2 um beträgt. Die Länge des Mesabereiches 1egt die Länge des Verstärkungsabschnittes der fertiggestellten Laserstruktur fest. Sie muß in der Größenordnung von 350 um bis 750 um liegen, abhängig von der Anwendung des Bauelementes. Die Länge der horizontalen Kristallflächenabschnitte beträgt etwa 5 um. Zusammen mit dem geneigten Übergangsbereich sollte das abschließende Fenster nicht länger als 10 um bis 15 um sein, um eine unerwünscht große Erhöhung des Schwellenstromes des Bauelementes oder eine Verzerrung der Fernfeld-Struktur des emittierten Strahls zu vermeiden.
• Die Mesastruktur der Substratoberfläche 32, auf der die geschichtete Struktur des erfindungsgemaßen Lasers aufgewachsen wird, kann auf einer (100)-GaAs-Kristalloberfläche unter Verwendung einer üblichen Photolithographie und eines NH&sub3; : H&sub2;O&sub2; : H&sub2;O (10 : 2 : 100) Ätzmittels erhalten werden. Die Atzzeit legt das Maß der Versetzung zwischen der Mesa und den Kristallflächenabschnitten fest. Sie kann mit einer Genauigkeit von etwa +/- 10 nm vorgegeben werden.
• Der Stapel von Halbleiterschichten, der die untere (33) und die obere (35) einhüllende Schicht mit der dazwischen liegenden GRINSCH-Wellenleiterstruktur 34 umfaßt, wird auf der strukturierten Substratoberfläche unter Verwendung eines Molekularstrahlepitaxie(MBE)-Prozesses aufgewachsen; Alternativ können auch chemische Strahlepitaxie (CBE) oder eine metallorganische chemische Gasphasenabscheidungs (MOCVD) -Technik eingesetzt werden.
• Um die gewünschte Dotierumkehr in den geneigten Schichtabschnitten zu erhalten, wird während des epitaxialen Wachstums ein amphoterer Dotierstoff verwendet. Bei Verwendung eines MBE-Prozesses ist Silicium (Si) ein geeigneter Dotierstoff.
• Die gestrichelte Linie 34 in den Fig. 2A und 2B stellt den Quantenmulden-GaAs-Wellenleiter und die angrenzenden AlGaAs-Schichten des Lasers mit graduellem Al-Gehalt dar.
• Bei der speziellen Ausführungsform umfaßt der auf dem Substrat 31 aufgewachsene Stapel von Halbleiterschichten:
• - untere einhüllende Schicht 33 (p-AlxGa1-xAs mit x = 0,40; 1,8 um dick),
• - Schicht mit graduellem Index ) (p-AlxGa1-xAs mit x = 0,40-0,18; 200 nm dick), )
• - undotierte QW-Schicht ) 34 (i-GaAs; 7 nm dick), )
• - Schicht mit graduellem Index ) (n-AlxGa1-xAs mit x = 0,18-0,40; 200 nm dick),
• - obere einhüllende Schicht 35 (n-AlxGa1-xAs mit x = 0,40; 2,8 pm dick),
• - Kontaktschicht 36 (n&supmin;+GayIn1-yAs mit y = 0,5; 30 nm dick).
• Die Dotierdichte der Kontaktschicht 36 ist hoch genug, daß eine nicht legierte Elektrode, die z.B. aus Titan, Platin und Gold besteht, einen guten ohmschen Kontakt herstellt.
• Eine Bearbeitung der Schichtstruktur, um den Steg 40 zu bilden, kann relativ einfach sein: Ein 5 um breiter Photoresiststreifen, der sich über die gesamte Länge des Stapels erstreckt, um den Steg zu definieren, wird oben auf der Kontaktschicht 36 angeordnet. Die Stegstruktur wird dann durch Ätzen von 1 um bis 2 um der oberen Schichten (Kontaktschicht 36 und obere einhüllende Schicht 35) mit einem Naßätzvorgang bei Raumtemperatur (H&sub2;SO&sub4; : H&sub2;O&sub2; : H&sub2;O = 1 : 8 : 1000) erzeugt. Der Atzvorgang wird 0,2 um oberhalb der oberen Schicht mit graduellem Index gestoppt, was zu einer guten lateralen Modenbegrenzung führt.
• Das Photoresist wird während der folgenden Sputterdeposition von 100 nm SiO&sub2; (41) auf dem Steg belassen. Dann wird das Photoresist entfernt, wobei das SiO&sub2; auf dem Steg abgehoben wird und die Oberseite der n-leitenden GaAs-Kontaktschicht zur Kontaktierung freigelegt wird.
• Die ohmschen Kontaktelektroden 42 und 39 werden unter Verwendung herkömmlicher Prozesse, wie gezeigt, an der n&spplus;-Kontaktschicht 36 oben auf der Schichtstruktur beziehungsweise an der Unterseite des Substrates 31 angebracht. Die obere Elektrode besteht aus Ti/Pt/Au, die untere Elektrode aus Au/Ni/Zn. Die optionale Drainelektrode 50, die ebenfalls aus Ti/Pt/Au besteht und eine Länge von etwa 1 um bis 2 um aufweist, kann zusammen mit der oberen Elektrode 42 aufgebracht werden.
• Als nächstes werden die Spiegelkristallflächen entweder in einem üblichen Spaltprozeß oder durch Ätzen unter Verwendung eines herkömmlichen Prozesses erhalten, wobei ein Beispiel in der veröffentlichten europäischen Patentanmeldung 0 363 547 offenbart ist.
• Um das Bauelement fertigzustellen, werden geeignete Beschichtungen, die z.B. aus Al&sub2;O&sub3; bestehen, in einer herkömmlichen Weise an den Kristallflächen zur Passivierung und zum Schutz und zur Festlegung des gewünschten Reflexionsvermögens angebracht.
• Wenn eine geeignete Spannung an die Elektroden (der Einfachheit halber sind in den Figuren Verbindungskontaktstellen nicht gezeigt angelegt wird, die bewirkt, daß ein Strom, der größer als der Schwellenstrom Ith ist, durch das Bauelement fließt, wird ein Strahl 45 an der Spiegelkristallfläche 37 emittiert. Die Lichtmodenbereiche an der Kristallfläche und am Ende des aktiven Wellenleiterabschnitts sind durch die zwei Ellipsen 46 beziehungsweise 46' bezeichnet.
• Die Erfindung wurde im Detail in Anwendung auf einen speziellen Diodenlaser, d.h. eine GaAs/AlGaAs-QW-GRINSCH-Stegstruktur, beschrieben. Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung auch auf andere Laserwellenleiterstrukturen anwendbar ist und daß andere Halbleitermaterialien als AlGaAs verwendet und verschiedene weitere Modifikationen durchgeführt werden können. Zum Beispiel muß die Orientierung der geneigten Substratbereiche nicht (311)A sein; (111)A oder (211)A sind weitere geeignete Kristalloberflächen. Außerdem kann eine Vertiefungsstruktur anstelle der Mesaanordnung verwendet werden, d.h. die planaren Kristallflächenabschnitte (15f) des Wellenleiters können höher als der Verstärkungsabschnitt anstatt niedriger (Fig. 1) sein. Des weiteren können bei der Herstellung des Bauelementes andere Epitaxieprozesse als MBE angewendet werden, und allgemein können Prozeßparameter, Ätzmittel und angegebene Dicken, die für die beschriebene Ausführungsform der Erfindung gewählt wurden, geändert werden.

Claims (6)

1. Halbleiterlaserdiode (10) mit einem Wellenleiter für einen Laserstrahl (21), der an einer Spiegelkristallfläche (22) an einem Ende des Wellenleiters emittiert wird, wobei der Wellenleiter eine aktive Schicht (14) beinhaltet, die zwischen einhüllende Schichten (13, 15) aus einem Material mit einem größeren Bandabstand als jenem des Materials der aktiven Schicht geschichtet ist, wobei die geschichtete Diodenstruktur auf einer strukturierten Oberfläche (12) eines Halbleitersubstrates (11) aufgebracht ist, die planare (12m, 12f1, 12f2) und geneigte (12i1, 12i2) Oberflächenbereiche aufweist, wodurch die aufgebrachten Schichten (13, 14, 15) ihrerseits ebenfalls planare und geneigte Abschnitte umfassen, wobei die geneigten Abschnitte mit den planaren Abschnitten einen Winkel α bilden, wodurch Biegungen des Wellenleiters an den Punkten eingefügt werden, an denen die geneigten Abschnitte an die planaren Abschnitte angrenzen, wobei einer der planaren Abschnitte ein kurzer Kristallflächenabschnitt (15f) ist, der sich zwischen einem geneigten Abschnitt (25) und der Spiegelkristallfläche (22) befindet, und der andere planare Abschnitt, der an den geneigten, dem Kristallflächenabschnitt am nächsten liegenden Abschnitt angrenzt, Teil des Verstärkungsabschnittes (14m) der Halbleiterlaserdiode ist, wobei der Neigungswinkel α ausreichend groß ist, um zu ermöglichen, daß der Laserstrahl den Wellenleiter an der Biegung an der Grenze zwischen dem Verstärkungsabschnitt und dem geneigten, an den Kristallflächenabschnitt angrenzenden Abschnitt verläßt und im wesentlichen ohne Absorption durch eine der einhüllenden Schichten (15) in Richtung zu der Spiegelkristallfläche (22) weiterläuft, wobei die Halbleiterlaserdiode dadurch gekennzeichnet ist, daß

ein amphoterer Dotierstoff in wenigstens eine einhüllende Schicht (15) eingebaut ist und der Neigungswinkel α groß genug gewählt ist, damit der geneigte Abschnitt der einhüllenden Schicht (15) von einem Leitfähigkeitstyp ist, der sich von jenem der angrenzenden planaren Abschnitte jener einhüllenden Schicht (15) unterscheidet, wodurch wenigstens ein pn-Übergang (27) erzeugt wird,

der in der einhüllenden Schicht (15) erzeugte Übergang verhindert, daß Strom in Richtung zu der Spiegelkristallfläche (22) fließt, und

eine zusätzliche Drainelektrode (30) mit dem kurzen planaren Kristallflächenabschnitt (15f) zwischen dem stromsperrenden Übergang (27) und der Spiegelkristallfläche (22) der oberen einhüllenden Schicht (15) verbunden ist, um ein Potential anzulegen, das Ladungsträger aus dem Kristallflächenabschnitt (15f) ausräumt.

2. Laserdiode, wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei die Gesamtlänge der den Wellenleiter abschließenden Struktur, die aus einem geneigten Abschnitt (25) und einem kurzen planaren Abschnitt (15f) besteht, kürzer als 15 um ist.

3. Laserdiode, wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei die Struktur aus GaAs/AlGaAs besteht.

4. Laserdiode, wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei die Struktur unter Verwendung eines Molekularstrahlepitaxie (MBE)-Prozesses hergestellt wird.

5. Laserdiode, wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei die geneigten Abschnitte der Schichten, die das Bauelement bilden, auf (311)A-Oberflächen (12i1, 12i2) eines (100)-orientierten Substrates (11) aufgewachsen sind.

6. Laserdiode, wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei der amphotere Dotierstoff, der während des Aufwachsens der das Bauelement bildenden Schichten verwendet wird, Silicium (Si) ist.