DE2312162A1 - Heterogenaufbau-injektionslaser und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Heterogenaufbau-Laser, insbesondere auf einen Halbleiterlaser mit ausgezeichneten optischen Eigenschaften, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Lasers.

Es ist allgemein bekannt, daß das Aufkommen von Doppelheterogenaufbau-Übergangslasern es ermöglichte, die Schwellenstromdichte merklich zu reduzieren, die für den Laserbetrieb erforderlich ist, und einen kontinuierlichen Wellenbetrieb bei Raumtemperatur zu verwirklichen. Der Begriff "Doppelheterogenaufbau" bezieht sich auf einen solchen Aufbau, bei dem eine Aktivschicht in der Form z. B. einer Schicht von p-GaAs laminatartig zwischen einer n-GaAlAs-Schicht und einer p-GaAlAs-Schicht angeordnet ist,

81-(POS 3O156)-Tp-r (9)

Ί 0 9 84 0/082

2372182

um ein Paar von Heterogenübergängen dazwischen zu bilden. Ein Aufbau, bei dem eine aktive Schicht in der Form einer

Schicht aus Ga. Al As zwischen Schichten aus Ga₁ Al As 1-y y 1-x x

(y < x) liegt, enthält ebenfalls ein Paar von Heterogenübergängen.

Bei einem aus einem Kristall mit einem solchen Aufbau hergestellten Laser können die in die aktive Schicht während des Betriebs injizierten Elektronen und Löcher nicht weiter vorrücken und werden in der aktiven Schicht eingefangen, da diese Bewegung durch die Potentialbarrieren verhindert wird, die durch die äußeren Schichten mit einer großen Bandlücke gebildet sind. So kann die Strahlungsrekombination der Elektronen und Löcher bei einem solchen Laseraufbau wirksam erhalten werden. Weiter wird das durch die oben genannte Rekombination erzeugte Licht innerhalb der aktiven Schicht begrenzt, da der Brechungsindex der aktiven Schicht hoher als diejenigen der an den gegenüberliegenden Seiten der aktiven Schicht angeordneten Schichten ist. Die Begrenzung der Ladungsträger und des Lichts innerhalb der aktiven Schicht führt zu einer merklichen Verringerung der Schwellenstromdxchte, die für den Laservorgang erforderlich ist. Aufgrund der vorstehenden Betriebsart kann ein Doppelheterogenaufbaulaser einen Laserstrahl mit einer Schwellenstromdichte ausstrahlen, die weit niedriger als solche Werte von herkömmlichen Homogenübergangslasern und Einzelheterogenaufbaulasern liegt.

Jedoch gibt ein Laseraufbau, bei dem Elektroden lediglich an den gegenüberliegenden Endflächen eines Doppelheterogenaufbaukristalls niedergeschlagen sind, einen Laserstrahl ab, der hinsichtlich seiner monochromatischen Eigen-

■.10984 0/0824

schaft und Kohärenz infolge des Vorliegens einer geringen Ungleichmäßigkeit des Kristallgefüges nicht befriedigend ist₆ Bei einem Versuch, diesen Nachteil zu überwinden, wurde ein Bandgeometrielaser beschrieben (j« C. Dyment et al., "Jo Appl. Phys.% Vol. 40, S. 1802, 1969). Dieser Laser hat folgenden Aufbau: Eine elektrische Isolierschicht wird auf eine Oberfläche eines Doppelheterogenaufbaukristalls aufgebracht, ein schmaler Streifenteil dieser Isolierschicht wird durch Ätzen in einer Richtung senkrecht zur Spaltebene des Kristalls entfernt, und eine Metallschicht wird auf die Isolierschicht zwecks Kontaktierung der Kristalloberfläche in dem genannten schmalen Streifenteil aufgedampft. Bei einem solchen Aufbau fließt während des Laserbetriebs Strom in Streifenform durch die aktive Schicht und führt zu einer Verringerung der Laserfläche. So strahlt dieser Laser einen Laserstrahl von besseren optischen Eigenschaften aus, als wenn der Strom durch die gesamte aktive Schicht fließt. Andererseits führt ein Versuch, die Breite der Streifenelektrode im Kontakt mit der Kristalloberfläche bei diesem Laseraufbau zu verengen, zu einem erheblichen Anstieg der Schwellenstromdichte, die für den Laservorgang benötigt wird. Dies ist folgenden Umständen zuzuschreiben: Der durch die aktive Schicht in Streifenform fließende Strom hat eine derartige Intensitätsverteilung in der Querrichtung, daß die Stromdichte in den entgegengesetzten Enden in der Querrichtung des Streifens benachbarten Teilen am niedrigsten ist. So trägt der Strom in diesen Teilen zum Laservorgang nicht bei und ist zur Erzeugung eines Laserstrahls wegen der hier niedrigen Stromdichte unwirksam. Je schmaler die Breite der Streifenelektrode gemacht wird, um so größer ist der Grad der Divergenz des Stromes in der aktiven Schicht, und ein um so stärkerer Strom ist infolge des Anstiegs der nutzlos verschwendeten Stromanteile für den Laservorgang

3 09840/0824

erforderlich,, Seitens der Erfinder wurde ein Mesastreifengeometrielaser vorgeschlagen, um die unerwünschten Strom-Verluste aufgrund der Stromdivergenz zu beseitigen (USA-Patentanmeldung Serial No₀ 277 270 und GB-Patentanmeldung Serial No. 36 0^0/72)«, Dieser Laser hat einen solchen Aufbau, daß ein schmales Streifenmesa durch Ätzen gebildet wird, um Teile eines Kristalls so weit zu entfernen, bis die Kristallteile bis in eine Tiefe jenseits der, Tiefe einer aktiven Schicht geätzt sind, so daß sich der aktive Bereich in dem schmalen Streifenmesa unterbringen läßt. Gemäß diesem Aufbau fließt Strom im wesentlichen gleichmäßig durch den aktiven Bereich, ohne daß die genannten unerwünschten Stromverluste auftreten, und dieser Laser kann mit einer sehr niedrigen Schwellenstromdxchte arbeiten, obwohl die Breite des Streifens verringert.ist. Doch war der Laser mit diesem Aufbau zur Abgabe eines Laserstrahls einer einzelnen Schwingungsart und eines Laserstrahls mit einer ausreichenden Polarisation noch nicht voll befriedigend, wie sich aus den im folgenden beschriebenen Versuchen ergibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuen und verbesserten Halbleiterlaser zu schaffen, der mit einer niedrigen Schwellenstromdxchte arbeiten und einen Laserstrahl einer einzelnen Schwingungsart und mit hohem Polarisationsgrad innerhalb eines weiten Strombereichs erzeugen kann. Der Halbleiterlaser soll weiter einen Laserstrahl mit hoher Leistung abgeben, damit er sich leicht für Lichtnachrichtenverbindungen ausnutzen läßt, da er gut Wärme abgeben kann und die erstgenannten Eigenschaften aufweist. Schließlich soll der erfindungsgemäß zu schaffende Laser mechanisch stabil und zum kontinuierlichen Wellenbetrieb bei Raumtemperatur geeignet sein. Da-

30 98 40/08 24

neben liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Lasers anzugeben.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist ein Halbleiterlaserplättchen, das durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist!

einen mehrlagigen Halbleiterkristall mit wenigstens einem Heterogenübergang und einer daran angrenzenden Laser-aktiven Schicht, einer Mesa-geätzten, zum Heterogenübergang parallelen Kristalloberfläche, die die aktive Schicht unter Bildung eines schmalen Mesastreifens über der aktiven Schicht ungeätzt bestehen läßt, wobei der Mesastreifen senkrecht zu den parallelen Endflächen des Kristalls liegt und jede dieser Endflächen eine Reflektionsfläche für einen in der aktiven Schicht erzeugten Laserstrahl aufweist;

eine erste, auf die Oberfläche des Mesastreifens aufgebrachte leitende Schicht; und

eine zweite, auf die dem Mesastreifen entgegengesetzte Oberfläche des Kristalls aufgebrachte leitende Schicht.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß wesentlich für die Erfindung die Tatsache ist, daß nur die Kristallschichten, die über der aktiven Schicht liegen, dem Mesaätzen unterworfen werden und daß auf die aktive Schicht kein Mesaätzen angewandt wird. Gemäß diesem Aufbau fließt von dem darüber gebildeten Mesa injizierter Strom in die aktive Schicht in einer divergierenden Weise, jedoch ist das Ausmaß der Stromdivergenz weit geringer als im Fall des be-

309840/0824

kannten Streifengeometrielasers, da das Mesa in direkter Berührung mit der aktiven Schicht ist» Die Stromdivergenz ist sehr gering, auch wenn das auf der aktiven Schicht gebildete Mesa, eine geringe Breite in der Größenordnung von 10 Ai hat. So kann der Laser gemäß der Erfindung einen Laserstrahl mit einer geringen Schwellenstromdichte im Vergleich mit der des bekannten Mesageometrielasers erzeugen» Weiter gibt es gemäß dem Aufbau nach der Erfindung, wonach kein Mesaätzen auf die aktive Schicht angewandt wird, nur einen sehr geringen Unterschied zwischen dem Brechungsindex des aktiven Schichtteils, in dem Strom zur Erzeugung des Laserstrahls fließt, und dem Brechungsindex des aktiven Schichtteils, in dem kein Strom fließt. Dagegen gibt es beim bekannten Mesageometrielaser, bei dem die aktive Schicht dem Mesaätzen unterworfen wird, einen großen Unterschied zwischen den Brechungsindizes aufgrund der Tatsache, daß die Seitenflächen der aktiven Schicht, die den Laserstrahl erzeugt, in Berührung mit Luft oder einem Isolierfilm sind. Wie sich anhand der im folgenden beschriebenen Versuchsergebnisse zeigt, übt der geringe Unterschied zwischen den Brechungsindizes beim Aufbau gemäß der Erfindung einen guten Einfluß auf die optischen Eigenschaften des Lasers aus und erleichtert die Abgabe des Laserstrahls einer einzigen Schwingungsart und mit hohem Polarisationsgrad. Weiter wird beim erfindungsgemäßen Aufbau ein Laserbereich in Streifenform, d. h. eine lineare Wärmequelle, in der aktiven Schicht gebildet« So kann, wenn dieser Laser und damit die lineare Wärmequelle mit einer Wärmeabführeinheit verbunden wird, Wärme gut abgegeben werden, so daß der Laser mit starkem Strom betrieben werden kann.

3 C £ - Ό / 0 3 2

Weitere Erläuterungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in der die Erfindung anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert wird; darin zeigen:

Fig. 1 eine schematische Perspektivansicht eines Ausführungsbeispiels des Laserplättchens gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen schematischen "Vertikalschnitt eines beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 verwendeten Doppelheterogenaufbaukristalls;

Fig. 3a bis 3 F schematische Schnittansichten zur Erläuterung aufeinanderfolgender Schritte zur Herstellung des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels;

Fig. h eine schematische Perspektivansicht eines anderen Ausführungsbeispiels des Laserplättchens gemäß der Erfindung;

Fig. 5 eine schematische Perspektivansicht eines bekannten Streifengeometrielasers;

Fig. 6 eine schematische Perspektivansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Laserplättchens gemäß der Erfindung;

Fig. 7 eine schematische Perspektivansicht eines bekennten Mesastreifengeometrie-Doppelheterogenaufbaulasers (HMS-Lasers);

309840/0824

Fig. 8 ein Diagramm zur Erläuterung der Schwellenstromdichte in Beziehung zur Bandbreite der bekannten Laser und des Lasers gemäß der Erfindung;

Fig* 9 ein Spektraldiagramm zur Erläuterung des Emissionsspektrums des Lasers gemäß der Erfindung;

Fig. 10 ein Spektraldiagramm zur Erläuterung des Emissionsspektrums des bekannten HMS-Lasers;

Figo 11 ein Diagramm zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Polarisation und dem Strom beim bekannten HMS-Laser;

Fig. 12 ein Diagramm zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Polarisation und dem Strom beim erfindungsgemäßen Laser; und

Fig_o 13 einen schematischen Vertikalschnitt einer Laseranordnung gemäß der Erfindung»

In Fig. 1, die schematisch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterlaserplättchens zeigt, erkennt man eine aufgedampfte Metallschicht 9, die auf einer Oberfläche eines Kristalls niedergeschlagen ist, der aus einer p-GaAs-Schicht 1, einer p-GaAlAs-Schicht 2, einer p-GaAs-Schicht (aktive Schicht) 3, einer n-GaAlAs-Schicht h und einer n-GaAs-Unterlage 5 besteht. Eine elektrische Isolierschicht 7, die eine Phospho-Silikatglasschicht sein kann, ist auf der Kristalloberfläche entgegengesetzt zur Oberfläche niedergeschlagen, auf der die Metallschicht 9 abgeschieden ist, und eine aufgedampfte Metallschicht 6 ist

309840/0824

_ 9 —

auf der Isolierschicht 7 abgeschieden. Die Schichten 1 und 2 sind Mesa-geätzt, um einen schmalen Mesastreifen übrig au lassen» Ein Paar von Räumen 8 ist an entgegengesetzten Seiten der Schicht 2 während des selektiven Ätzens an der Schicht 2 gebildet, wie noch beschrieben wird. Weiter ist ein Streifenteil der Isolierschicht 7» der über der Schicht 1 liegt, durch eine Photo-Resist-Ätztechnik entfernt, und die Metallschicht 6 ist in diesem Streifenteil im Kontakt mit der Schicht 1. Die aufgedampften Metallschichten 6 und 9 dienen als Elektrodenschichten. Man erkennt außerdem die als Reflexionsflächen dienenden parallelen Kristallendflächen 10.

Das Halbleiterplättchen mit vorstehendem Aufbau wird in folgender Weise hergestellt: Gemäß Fig. 2, die in einem schematischen Vertikalschnitt den Aufbau eines Doppelheterogenaufbaukristalls zeigt, wie er für das obige Ausführungsbeispiel verwendet wird, läßt man eine n-Ga r,Al_n „As-Schicht 4 (worin das Dotiermittel Te ist), eine p-GaAs-Schicht 3 (worin das Dotiermittel Si ist), eine p-Ga „

Al_n „As-Schicht 2 (worin das Dotiermittel Zn ist) und eine P-GaAs-Schicht 1 (worin das Dotiermittel Zn ist) nacheinander auf einer n-GaAs-Unterlage 5 nach einem Flüssigphasen-Epitaxialverfahren aufwachsen. Zink läßt man von einer der Oberflächen des Kristalls in eine Tiefe von etwa 0,7 /U zur Bildung einer p⁺-Schicht in der Kristalloberfläche eindiffundieren. Eine Phospho-Silikatglasschicht 11 wird dann auf der Oberfläche der Schicht 1 nach einem chemischen Dampfabscheideverfahren niedergeschlagen.

In den Fig. 3a bis 3f sind die aufeinanderfolgenden Verfahrensschritte zur Herstellung des Laseraufbaus in

30 98 40/0824

■ ■ - 10 -

schematischem Vertikalschnitt veranschaulicht. Man weiidet ein Photoätzen auf die Phospho-Silikatglasschicht 11 an, damit ein Streifenteil übrigbleibt, der eine Breite von z» B. 13 ,υ., 20 /υ oder 40 >n hat und sich in einer zur Spaltebene des Kristalls senkrechten Richtung erstreckt, wie Figo 3a andeutet. Diese Spaltebene ist in diesem Fall die (nO)-Ebeneo Die Kristalloberflache mit dem Streifen aus der Phospho-Silikatglasschicht 11 darauf wird dann dem Mesaätzen mit einem Ätzmittel unterworfen, das eine 4 % 1 s 1-Mischung von HpSO. , HpOg und HJ sein kann* bis die freiliegenden Teile der Schicht 1 völlig entfernt und Teile der Schicht 2 etwas entfernt sind. Die zum Ätzen erforderliche Zeitdauer beträgt eine Minute und einen Bruchteil einer Mi** nute, wenn die Dicke der Schicht 1 2 ,u ist, wobei diese Zeitdauer in Abhängigkeit von der Dicke der Schicht 1 schwankt. Fig. 3t> zeigt den Zustand des Kristalls nach dem Schritt des Ätzens mit diesem Ätzmittel. Dieser Kristall wird dann in ein Ätzmittel eingetaucht, das eine " " 1 s 1-Mischung von HF und HO sein kann, so daß die freiliegenden Teile der p-Ga Ul. As-Schicht 2 weggeätzt wer-

GaAlAs wird durch Flußsäure oder verdünnte Flußsäüre '' geätzt, GaAs durch eine solche Säure dagegen nicht. Daher tritt an der p-GaAs-Schicht 3» die die aktive Schicht ist, kein Ätzen auf, so daß die Schicht 3 ungeätzt bleibt. Während des Ätzens mit diesem Ätzmittel wird die Schicht 2 im Streifenmesa einem Seitenätzen unterworfen, wobei sich ein Aufbau ergibt, bei dem die Kristallschicht 1 über die darunterliegende Schicht 2 vorragt. Die Schicht 11 wird ebenfalls durch dasselbe Ätzmittel entfernt. Fig. 3c zeigt den Zustand des Kristalls nach dem Schritt des Ätzens mit dem aus HF und H„0 bestehenden Ätzmittel. Der Aufbau, bei dem

309840/0824

die Kristallschicht 1 über die darunterliegende Schicht 2 vorragt, bringt den Vorteil, daß die Oberfläche, die sich zum Niederschlagen einer Elektrode 6 auf der Kristallschicht 1 in einem späteren Schritt selektiver Aufdampfung von Metall ausnutzen läßt, eine größere Breite als die wirksame Breite der aktiven Zone des Streifenmusters aufweist und sich die Herstellung dadurch erleichtern läßt.

Ein elektrischer Isolierstoff 7, der Phospho-Silikatglas sein kann, wird wiederum auf die Mesaseitenoberfläche des Kristalls mit dem vorstehend erläuterten Aufbau aufgebracht, wie Fig. 3d zeigt. Ein Streifenteil dieses Phospho-Silikatglasfilms 7, der die Kristall schicht 1 bedeckt, wird selektiv entfernt, wie in Fig. 3© angedeutet ist. Die Breite des entfernten Teils des Isolierfilms 7 wurde mit k yu, 10 /U oder 30 /U gewählt, wenn die Breite des Streifenmesateils 13 /u bzw. 20 /a bzw. 40 /U war. Der Kristall muß eine erhebliche Dicke (in diesem Ausführungsbeispiel etwa 400 /u) haben, damit er den Ätzschritten einschließlich des vorstehend beschriebenen Photoätzschrittes unterworfen werden kann. Nach dem in Fig. 3e angedeuteten Schritt wird die Unterseite des Kristalls abgeschliffen, um die Gesamtdicke des Kristalls auf etwa 100 /U zu reduzieren. Die an der Unterseitenoberfläche des Kristalls durch die Zinkdiffusionsbehandlung gebildete ρ -Schicht wird ebenfalls durch das Schleifen entfernt. Dann werden Metallschichten auf die gegenüberliegenden Oberflächen des Kristalls aufgedampft. Und zwar werden eine Metallschicht 6, die aus einer Chromschicht von etwa 0, 1 λχ Dicke und einer Goldschicht von etwa 1 /u Dicke besteht, auf die Mesaseitenkristalloberfläche mit dem Phospho-Silikatglasfilm 7 und eine andere Metallschicht 9 des Gold-Germanium-Nickel-Systems auf die

309840/0824

Unterseitenoberfläche des Kristalls aufgedampft, um als Elektroden zu dienen. Der Kristall wird dann in einer Ricntung senkrecht zum Streifen so bearbeitet bzw. gespalten, daß man ein Kristallstück erhäl.t, das eine Längsabmessung von etwa 300 /U hat, und dann wird dieses Kristallstück parallel zum Streifen an gegenüberliegenden Seiten der Mittellinie des Streifens geritzt, um eine Querbreite von etwa 200 bis 250 /U zu erreichen. In dieser Weise erhält man ein Laserplättchen entsprechend Fig. 3f· Dieses Laserplattchen wird zwecks Schaffung einer Laserdiode auf einem geeigneten Sockel montiert.

Nach den vorstehend beschriebenen Herstellschritten verwendet man ein Ätzmittel, das eine h s 1 s 1-Mischung von H SOl, ^H2°2 ^{und H}2° ^ist> ^{um die} G-aAs-Schicht 1 und einen Teil der GaAlAs-Schicht 2 zu ätzen, und dann ein weiteres Ätzmittel, das eine 1 s 1-Mischung aus HF und H_0 ist, um selektiv die restlichen Teile der GaAlAs-Schicht 2 zu ätzen. Jedoch kann man statt dessen auch im folgenden beschriebene Ätzschritte anwenden. Diese alternativen Schritte umfassen die Entfernung der GaAs-Schicht 1 unter Verwendung eines Ätzmittels, das die Oberflächenschicht 1 aus GaAs wegätzt, jedoch die GaAlAs-Schicht 2 im wesentlichen nicht ätzt, und dann das Wegätzen der GaAlAs-Schicht 2 unter Verwendung eines Ätzmittels wie der schon erwähnten Flußsäure, die GaAlAs ätzt, jedoch GaAs nicht angreift. Ein dem oben beschriebenen ähnliches Plättchen läßt sich bei Anwendung der genannten Herstellschritte und dieser alternativen Ätzschritte erhalten. Eine 1 s 40 : 40-Mischung aus HF, H_0₂ und HpO ist ein Beispiel des Ätzmittels, das GaAs wegätzt, im wesentlichen jedoch GaAlAs nicht ätzt. Das Verhältnis zwischen der Ätzgeschwindigkeit V(GaAs) dieses Ätzmittels gegenüber GaAs und der Ätzgeschwindigkeit V(GaAlAs)

309 8 4 0/0824

dieses Ätzmittels gegenüber GaAlAs ist 3 s 1. Da dieses Ätzmittel die GaAlAs-Schicht 2 im wesentlichen nicht ätzt, auch nachdem es die darüberliegende GaAs-Schicht 1 weggeätzt hat, ist dieses Ätzmittel vorteilhaft im Vergleich mit dem H_SOk enthaltenden Ätzmittel, da das letztere Ätzmittel nach der Entfernung der GaAs-Schicht 1 und der GaAlAs-Schicht 2 die GaAs-Schicht 3 zusätzlich ätzen kann.

Das Ätzmittel, das die Oberflächenschicht selektiv ätzt, läßt sich zur Herstellung eines Lasers nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung verwenden. In Fig. 4, die schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in Perspektivdarstellung zeigt, ist angedeutet, daß man eine Schicht 2 in einem Doppelheterogenaufbaukristall während der Bildung der verschiedenen Schichten k, 3» 2 und 1 auf einer Unterlage 5 durch Flüssigphasenepitaxialwachstum so wachsen läßt, daß sie eine äußerst geringe Dicke, und zwar eine Dicke unter 0,5 /U hat» Diese dünne Schicht 2 wird während des Mesaätzens an der Schicht 1 des Kristalls durch die selektive Ätzlösung zum Entfernen großer Teile der Schicht 1 zwecks Erhaltene eines engen Streifenmesas im wesentlichen nicht geätzt. Eine Phospho-Silikatglasschicht 7 und Metallschichten 6 und 9 werden dann auf diesem Kristall wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel abgeschieden. Dieser Kristall wird dann zerspalten und geritzt, um ein Laserplättchen zu erhalten. Da die zwischen dem Streifenmesa und der aktiven Schicht 3 liegende Schicht 2 in diesem Ausführungsbeispiel äußerst dünn ist, divergiert der vom Streifenmesa während des Laservorgangs dieses Lasers in die aktive Schicht 3 fließende Strom in geringerem Grad. So kann dieser Laser einen Laserstrahl mit einer geringen Schwellenstromdichte erzeugen.

309840/0824

In einem Versuch, bei dem nur die Schicht 1 eines üblicherweise verwendeten Doppelheterogenaufbaukristalls mit der darunterliegenden Schicht 2 einer Dicke in der Größenordnung von 1 /U dem Mesaätzen unterworfen war, wurde ein hoher Grad von Stromdivergenz in der aktiven Schicht 3 beobachtet, und man stellte einen Anstieg der Schwellenstromdichte wie im-Fall eines bekannten Streifengeometrielasers fest. Fig, 5 ist eine schematische Perspektivansicht eines solchen bekannten Streifengeometrielasers ο Es zeigt sich anhand der Fig„ 5, daß der aus einem Streifenteil einer Metallschicht 6 in Berührung mit einer Halbleiterschicht 1 in eine aktive Schicht 3 fließende Strom in der aktiven Schicht 3 sehr divergiert, da die Schichten 1 und 2 dazwischenliegen, und sich ein Anstieg der Schwellenstromdichte, wie oben erwähnt, ergibt. Dagegen tritt beim Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Fig. h keine merkliche Stromdivergenz in der aktiven Schicht 3 auf, und die Schwellenstromdichte ist auch niedrig wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 dank der Tatsache, daß die im Pfad des vom Streifenmesa 1 in die aktive Schicht 3 fließenden Stroms liegende Schicht 2 so dünn ist, daß sie fast vernachlässigbar ist.

Das Streifenmesa in den beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen läßt sich auch durch Aufstäuben bilden, obwohl sich die vorstehende Beschreibung auf die Bildung eines solchen Streifenmesas durch Mesaätzen mit Chemikalien bezog. Und zwar läßt sich ein scharf begrenztes Streifenmesa durch Abscheiden eines Photoresistfilms in schmaler Streifenform auf einer Oberfläche eines Doppelheterogenaufbaukristalls und durch Anwenden des RF=Aufstäubens auf diese Oberfläche entsprechend der Besclirei-

309840/0824

bung in der Veröffentlichung "Journal of Electrochemical Society", Vol. 116, No. 1, S. 100 - 103, 19^9, erzeugen. Weiter läßt sich ein Ätzen auf die gewünschte Halbleiterschicht durch Extraktion von Gasbestandteilen aus innerhalb des Entladeraums während dieses Aufstäubeverfahrens anwenden, wobei die Gaskomponenten analysiert werden, um das Auftreten und Verschwinden eines bestimmten Bestandteils wie ζ» Β. Aluminium zu erfassen und dementsprechend die Entladung beendet wird. Jedoch erfordert dieses Verfahren eine umfangreiche Ausrüstung, und der Wirkungsgrad ist nicht so hoch.

Die beiden oben beschriebenen Ausführungsbeispiele liefern einen Laseraufbau, bei dem ein direkt zur Emission eines Laserstrahls beitragendes schmales Streifenmesa allein auf einer Oberfläche eines Doppelheterogenaufbaukristalls gebildet wird. Jedoch ist die vorliegende Erfindung keineswegs auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt und ermöglicht außerdem einen Laseraufbau, bei dem irgendwelche gewünschten Teile mit Ausnahme des schmalen Streifenmesas während des Mesaätzens ebenfalls ungeätzt auf der Kristalloberfläche belassen werden und eine Schicht aus elektrischem Isolierstoff aufgebracht wird, um alle diese Oberflächenteile zu bedecken.

Fig. 6 ist eine schematische Perspektivansicht zur Darstellung eines solchen Ausführungsbeispiels der Erfindung. Wie Fig. 6 zeigt, wird das Mesaätzen auf die Schichten 1 und 2 eines Doppelheterogenaufbaukristalls angewendet, der aus den verschiedenen Schichten 1, 2, 3> ^ und 5 besteht, um ein Paar von Mesas an gegenüberliegenden Seiten eines mittleren schmalen Streifenmesas untereinander

309840/0824

isoliert zu bilden. Eine Schicht 7 aus elektrischem Isolierstoff oder Phospho-Silikatglas wird auf der Kristalloberfläche abgeschieden, und ein begrenzter Teil dieser Isolierschicht 7 über dem mittleren Streifenmesa wird allein in Streifenform entfernt. So befindet sich eine aufgedampfte Metallschicht 6 im Kontakt mit der Halbleiterschicht 1 nur in der Lage des mittleren Streifenmesas und ist elektrisch von den beiden Mesas isoliert, die zu beiden Seiten des mittleren Streifenmesas angeordnet sind. Daher wirkt sich nur das mittlere Streifenmesa zur Erzeugung eines Laserstrahls aus. Dieser Laseraufbau macht einen Laservorgang in einer ähnlichen Weise wie beim Aufbau nach Fig 1 möglich. Wenn jedoch dieser Laseraufbau mit einer Vereinigung einer Wärmeabführeinrichtung und eines optischen Wellenleiters verbunden wird, läßt sich eine Kombination, die mechanisch sehr stabil ist, erreichen, da dieses Ausführungsbeispiel die genannten Mesateile zusätzlich zum mittleren Streifenmesa auf der Kristalloberfläche umfaßt. Obwohl weiter der Laseraufbau nach Fig. 6 mit einem Paar von isolierten Mesateilen zu beiden Seiten eines mittleren Streifenmesas, das dem Laservorgang dient, dargestellt ist, kann auch ein Laseraufbau mit einem einzelnen isolierten Mesateil oder einer Mehrzahl solcher Mesateile mit einer Wärmeabführeinrichtung kombiniert werden, um eine mechanisch stabile Kombination herzustellen.

In den Fig. 1, 4 und 6, die die Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellen, ist das Streifenmesa, das die Emission eines Laserstrahls hervorruft, unterschiedslos in der Form eines geraden Streifens. Jedoch kann auch ein Laseraufbau mit einem Mesa von etwas gekrümmter Kontur

30 98 40/08 24

einen ähnlich wirksamen Laserstrahl erzeugen. Dies ist auf die im folgenden beschriebene Tatsache zurückzuführen. Gemäß der Erfindung werden ein zum Führen von Strom wirksamer Teil und ein dazu nicht wirksamer Teil außerhalb des wirksamen Teils in der aktiven Schicht, wie beschrieben, gebildet. Die Brechungsindizes der wirksamen und unwirksamen Teile der aktiven Schicht unterscheiden sich etwas voneinander aufgrund des Unterschiedes der Ladungsträgerdichten. Eine Begrenzung von Licht läßt sich durch diesen Unterschied zwischen den Brechungsindizes erreichen. Ein gekrümmtes Mesa ergibt einen gekrümmten Strompfad in der aktiven Schicht, und infolge des Lichtbegrenzungseffekts pflanzt sich das durch die Strahlungsrekombination von Ladungsträgern erzeugte Licht längs der gekrümmten Teile der aktiven Schicht fort, so daß es zwischen den Reflexionsflächen hin- und herpendelt. Es ist festzustellen, daß die gegenüberliegenden Enden des gekrümmten Mesas senkrecht zu den Reflexionsflächen oder zur Spaltfläche liegen müssen, um die Verschwendungsverluste des Lichts gering zu halten, das durch die Reflexionsflächen reflektiert wird, und um eine erfolgreiche Emission des Laserstrahls zu sichern.

Die Eigenschaften des Lasers gemäß der Erfindung sollen nun im einzelnen unter Vergleich mit denen bekannter Laser beschrieben werden. Ein bekannter Mesastreifengeometrielaser entsprechend der Perspektivansicht in Fig. 7 soll im folgenden als HMS-(Hochmesastreifen)-Laser bezeichnet werden, da er ein aus Schichten 1, 2, 3 und 4 bestehendes Streifenmesa umfaßt. Der Laser gemäß der Erfindung soll als LMS (Niedrigmesastreifen)-Laser bezeichnet werden, da er ein aus Schichten 1 und 2 oder einer einzelnen Schicht 1 entsprechend Fig, 1 oder k bestehendes Streifenmesa umfaßt.

309840/0824

Fig» 8 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Breite des Streifens und der Schwellenstromdichte, die zum Laservorgang erforderlich ist, und dieses Diagramm basiert auf Ergebnissen von Versuchen der Erfinder. Die Kurven A, B und C in Fig. 8 stellen die Schwellenstromdichte für den LMS-Laser gemäß der Erfindung, die für den bekannten HMS-Laser mit einem Aufbau entsprechend Fig. 7 und die für den bekannten Streifengeometrielaser mit einem Aufbau entsprechend Fig. 5 dar. Man sieht in Fig. 8, daß die Schwellenstromdichte für den LMS-Laser gemäß der Erfindung mit dem Sinken der Breite des Streifens nur etwas wächst. Obwohl die Anstiegsrate der Schwellenstromdichte für den LMS-Laser sich nicht merklich von der des bekannten HMS-Lasers nach Fig. 7 unterscheidet, ist sie weit geringer als die des bekannten Streifengeometrielasers nach Fig. 5· Es ist so zu erkennen, daß der Laser gemäß der Erfindung zum Laservorgang mit einer im Vergleich mit der des bekannten HMS-Lasers niedrigen Schwellenstromdichte geeignet ist, obwohl die Breite des Streifenmesas ziemlich gering ist. Die Vertikalachse in Fig. 8 stellt das Verhältnis zwischen der Schwellenstromdichte I . (w), die eine Funk-

tn

tion der Breite ¥ des Streifenmesas ist, und der Schwellenstromdichte I,, (oo) dar, die erford ΐη

Streifenbreite erheblich groß ist.

stromdichte I,, (cc) dar, die erforderlich ist, wenn die ΐη

Fig. 9 ist ein Spektraldiagramm zur Erläuterung eines Beispiels des Spektrums des von dem Laser gemäß der Erfindung abgegebenen Laserstrahls. Fig. 9 stellt den Fall dar, in dem ein Strom, dessen Dichte gleich der 1,58fachen Schwellenstromdichte I,, ist, dem Laser zugeführt wird. Es ergibt sich aus Fig. 9» daß der Laser im Ansprechen auf das Zuführen eines solchen Stroms einen Laserstrahl mit im wesent-

309840/0824

lichen einer einzigen Schwingungsart abgibt und das Emissionsspektrum nur eine kleine Nebenspitze an der Kurzwellenseite zeigt. Fig. 10 ist ein Spektraldiagramm zur Erläuterung eines Beispiels des Spektrums des vom bekannten HMS-Laser abgegebenen Laserstrahls und zeigt den Fall, bei dem ein Strom, dessen Dichte gleich der 1,^fachen Schwellenstromdichte ist, dem Laser zugeführt wird. Man sieht anhand von Fig. 10, daß das Spektrum des Laserstrahls, der von diesem bekannten Laser abgegeben wird, ziemlich komplex ist und offensichtlich eine Vielfachschwingungsemission auftritt« Allgemein arbeitet der bekannte HMS-Laser mit einer einzelnen Schwingungsart, wenn ihm ein Strom zugeführt wird, dessen Dichte sehr nahe an der Schwellenstromdichte liegt, jedoch führt ein geringer Anstieg des Stromdichtewertes zum Auftreten einer Mehrfachschwingungsemission. Einige der Laser gemäß der Erfindung können mit einer einzigen Schwingungsart auch dann arbeiten, wenn ihnen ein Strom zugeführt wird, dessen Dichte das Doppelte der Schwellenstromdichte beträgt. Man versteht so, daß der Laser gemäß der Erfindung einen Laserstrahl einer einzigen Schwingungsart innerhalb eines Strombereichs abgeben kann, der weit größer als der Betriebsstrombereich des bekannten HMS-Lasers ist. Es wurde ein Versuch von den Erfindern durchgeführt, um die Polarisation des Laserstrahls zu erforschen. Es wurde nachgewiesen, daß der vom Laser gemäß der Erfindung abgegebene Laserstrahl eine ausgezeichnete Polarisation zeigte. Allgemein wird bei einem aus einem Dopßelheterogenaufbaukristall hergestellten Laser der elektrische Feldvektor des Laserstrahls im wesentlichen parallel zur Übergangsoberfläche polarisiert. Ein Versuch

2 wurde durchgeführt, um die Polarisation im Maß von E__ -Ij

zu messen, wo E-j._ und E . die zur Übergangsoberfläche par-

309840/0824

allele Feldkomponente bzw. die zur Übergangsoberfläche senkrechte Feldkomponente bedeuten. Die Ergebnisse dieses Versuches sind in den Fig. 11 und 12 dargestellt«, Fig. 11 zeigt die Beziehung zwischen der Polarisation und dem elektrischen Strom bei einem bekannten HMS-Laser. Man erkennt aus Fig. 11, daß die Polarisation mit dem Anstieg des dem Laser zugeführten elektrischen Stroms plötzlich verringert wird. Fig« 12 ist ein entsprechendes Diagramm im Fall eines LMS-Lasers gemäß der Erfindung. Fig. 12 zeigt deutlich, daß die Polarisation des Laserstrahls, der vom LMS-Laser gemäß der Erfindung abgegeben wird, auch bei einem Anstieg des elektrischen Stroms, der ihm zugeführt wird, praktisch frei von irgendeiner Verringerung bleibt.

Es ergibt sich aus den Ergebnissen der verschiedenen vorstehend beschriebenen Versuche, daß der Laser gemäß der Erfindung trotz einer schmalen Breite des Streifenmesas zur Abgabe eines Laserstrahls mit einer niedrigen, mit der für den bekannten HMS-Laser vergleichbaren Schwellenstromdichte geeignet ist und daß von ihm ein Laserstrahl einer einzigen Schwingungsart und mit einem befriedigenden Grad linearer Polarisation auch dann abgegeben werden kann, wenn der ihm zugeführte Strom auf ein höheres Niveau als die Schwellenstromstärke gesteigert wird, um die Laserstrahlausgangsleistung zu steigern. Der zur kontinuierlichen Emission eines starken Laserstrahls geeignete Laser mit verbesserten optischen Eigenschaften bei Raumtemperatur ist für Lichtnachrichtenverbindungen und dergleichen unerläßlich. ..,-.■-..:

Erfindungsgemäß kann man weiter eine Mehrzahl von Lasern auf einem Doppelheterogenaufbaukristall mit einem hohen

309840/0824

Integrationsgrad erzeugen. Fig. 13 ist ein schematischer Vertikalschnitt einer eindimensionalen Lasergruppierung gemäß der Erfindung. Entsprechend Fig. 13 sind eine Mehrzahl von Streifenmesas 21, 22, 23, ..., deren jedes Halbleiterschichten 1 und 2 enthält, auf einer aktiven Schicht 3 ausgebildet. Bei einer solchen Anordnung wird die Integrationsrate in Abhängigkeit von der Breite der Mesas und dem Abstand zwischen den Mesas bestimmt. Die Breite der Mesas läßt sich dank der Tatsache verringern, daß sich der Laseraufbau gemäß der Erfindung zum kontinuierlichen Wellenbetrieb mit einer niedrigen Schwellenstromdichte trotz einer schmalen Mesabreite entsprechend der vorstehenden Beschreibung eignet. Außerdem läßt sich der Abstand zwischen den Mesas verringern, ohne daß sich dadurch eine unerwünschte Wechselwirkung zwischen den benachbarten Lasern ergibt, da der Strom in der aktiven Schicht 3 nicht merklich divergiert. Aus diesen Gründen kann die Erfindung eine Laseranordnung mit einer hohen Integrationsrate liefern, und diese Laseranordnung kann einen Laserstrahl ausstrahlen, der ausgezeichnete optische Eigenschaften entsprechend den in der Beschreibung gegebenen Erläuterungen aufweist.

Die Ausführungsbeispiele der Erfindung wurden anhand eines Typs beschrieben und dargestellt, bei dem ein Doppelheterogenaufbaukristall verwendet wird. Es ist jedoch offenbar, daß der gleiche Betrieb und die gleichen Merkmale, wie vorstehend beschrieben, auch erhältlich sind, wenn die Erfindung auf einen Einzelheterogenaufbaukristall angewendet wird. Obwohl nur einige Ausführungsbeispiele der Erfindung im einzeLnen unter Vergleich mit bekannten Lasern beschrieben wurden, lassen sich im Rahmen der Erfindung für den Fachmann naheliegende Änderungen vornehmen, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

3 09840/082 4

Claims (11)

1. Patentansprüche

   λ J Halbleiterlaserplättchen, gekennzeichne t durchs

   einen mehrlagigen Halbleiterkristall mit wenigstens einem Heterogenübergang und einer daran angrenzenden laseraktiven Schicht (3), einer Mesa-geätzten, zum Heterogenübergang parallelen Kristalloberfläche, die die aktive Schicht unter Bildung eines schmalen Mesastreifens (1, 2) über der aktiven Schicht ungeätzt bestehen läßt-, wobei der Mesastrei-' fen senkrecht zu den parallelen Endflächen (1O) des Kristalls liegt und jede dieser Endflächen eine Reflexionsfläche für einen in der aktiven Schicht erzeugten Laserstrahl aufweist;

   eine erste, auf die Oberfläche des Mesastreifens aufgebrachte leitende Schicht (6); und

   eine zweite, auf die dem Mesastreifen entgegengesetzte Oberfläche des Kristalls aufgebrachte leitende Schicht (9)·
2. 2. Halbleiterlaserplättchen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Isolierschicht (7) auf die Oberfläche des Kristalls mit dem Streifenmesa (1,~2) aufgebracht ist, wobei eine Streifenzone auf der Oberfläche des Streifenmesas unüberzogen bleibt, und daß die erste leitende Schicht (6) wenigstens auf dieser unüberzogenen Streifenzone aufgebracht ist.

   3 09 8AO /08 2U
3. 3. Halbleiterlaserplättchen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall einen Doppelheterogenübergang aufweist und die aktive Schicht (3) zwischen zwei Heterogenübergängen, die den Doppelheterogenübergang bilden, liegt,
4. 4» Halbleiterlaserplättchen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Schichten (1 - 5) des Kristalls aus GaAs und GaAlAs bestehen und eine GaAs-Schicht (3) zwischen einem Paar von GaAlAs-Schichten (2, k) zur Bildung des Doppelheterogenüberganges liegt»
5. 5» Halbleiterlaserplättchen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Kristalls Mesa-geätzt ist, wobei eine dünne Schicht (2) angrenzend an die aktive Schicht (3) ungeätzt bleibt, so daß das schmale Streifenmesa (1) über der dünnen Schicht (2) gebildet werden kann, und daß diese dünne Schicht (2) eine Dicke unter 0,5 /U aufweist.
6. 6. Halbleiterlaserplättchen nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall weiter wenigstens einen von dem ersten Streifenmesa (1, 2) durch das Mesaätzen getrennten Mesateil (1, 2) aufweist und der Mesateil mit der Isolierschicht (7) überzogen ist.
7. 7· Halbleiterlaserplättchen, gekennzeichnet durch;

   einen mehrlagigen Halbleiterkristall mit wenigstens einem Heterogenübergang und einer daran angrenzenden laseraktiven Schicht (3)» einer Mesa-geätzten, zum Heterogenübergang par-

   0/0824

   allelen Kristalloberfläche, die die aktive Schicht unter Bildung einer Mehrzahl von schmalen Streifenmesas (21, 22, 23 c.ö) über der aktiven Schicht ungeätzt bestehen läßt, wobei die Mesas parallel !zueinander angeordnet und senkrecht zu den parallelen Endflächen des Kristalls liegen und jede dieser Endflächen eine Reflexionsfläehe für einen in der aktiven Schicht erzeugten Laserstrahl aufweist;

   eine auf die Oberfläche des Kristalls mit den Streifenmesas aufgebrachte Isolierschicht (7), wobei Streifenteile der Isolierschicht über den Mesas entfernt sind;

   leitende Schichten (6), die wenigstens Oben auf den Mesas (21, 22, 23 o.») aufgebracht und voneinander getrennt sind; und

   eine weitere leitende Schicht (9)» die auf die den Streifentnesas entgegengesetzte Oberfläche des Kristalls aufgebracht ist, wodurch eine eindimensionale Lasergruppenanordnung gebildet ist*
8. 8. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlaserplättchens nach den Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

   Anbringen einer ätzbeständigen Schicht in Form eines schmalen Streifens auf einer Oberfläche eines mehrlagigen Halbleiterkristalls mit wenigstens einem Heterogenübergang und einer an diesen angrenzenden laseraktiven Schicht;

   Mesaätzen dieser Oberfläche bis in eine solche Tiefe, daß das Ätzen eine an die aktive Schicht angrenzende Halbleiterschicht erreicht;

   3098A0/0824

   Ätzen zum Entfernen der Halbleiterschicht durch ein selektives Ätzmittel, das sich zum Ätzen der angrenzenden HaIb-,leiterschicht, jedoch nicht zum Ätzen der aktiven Schicht eignet, wodurch ein schmales Streifenmesa über der aktiven Schicht gebildet wird; und

   Überziehen der Oberseite des Mesas und der dem Mesa entgegengesetzten Oberfläche des Kristalls mit je einer leitenden Schicht,
9. 9· Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Lagen des Kristalls aus GaAs und GaAlAs bestehen, wobei eine die aktive Schicht bildende GaAs-Schicht zwischen einem Paar von GaAlAs-Schichten liegt, um den Heterogenübergang zu bilden, und daß Flußsäure als das selektive Ätzmittel verwendet wird.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die an, die aktive Schicht angrenzende Halbleiterschicht eine Dicke von weniger als 0,5 /u hat.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Schichten des Kristalls aus GaAs und GaAlAs bestehen, wobei eine die aktive Schicht bildende GaAs-Schicht zwischen einem Paar von GaAlAs-Schichten liegt, um den Heterogenübergang zu bilden, so daß die dünne Schicht aus GaAlAs besteht, und daß eine 1 : 40 s 40-Mischung von HF, H,,0„ und H„0 als das selektive Ätzmittel verwendet wird.

    309840/0824