DE2925648C2

DE2925648C2 -

Info

Publication number: DE2925648C2
Application number: DE2925648A
Authority: DE
Inventors: Gerard Adriaan Acket; Peter Jan De Waard; Giok Djan Khoe; Gijsbrecht Carel Wirtz; Tullio Ernesto Eindhoven Nl Rozzi
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1978-11-08
Filing date: 1979-06-26
Publication date: 1987-12-10
Also published as: US4359776A; DE2925648A1; FR2441935A1; SE7909119L; IT1121253B; GB2033647A; IT7923273A0; NL7900668A; AU4779979A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Heterostruktur-Halbleiterlaser entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie auf ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Ein Halbleiterlaser dieser Art ist aus "Applied Physics Letters" 27 (1975) 7, 403-405 bekannt.

Halbleiterlaser der beschriebenen Art werden zum Erzeugen kohärenter Strahlung verwendet. Das aktive Gebiet befindet sich dann innerhalb eines Resonators, der meistens durch zwei parallele Spaltflächen des Halbleiterkristalls gebildet wird.

Der Laser kann aber auch als selektiver Verstärker kohärenter Strahlung dienen; dann werden keine Reflexionsglieder verwendet.

Halbleiterlaser mit einem streifenförmigen aktiven Gebiet weisen im allgemeinen die Eigenschaft auf, daß die im aktiven Gebiet verstärkten elektromagnetischen Wellen in verschiedenen Moden schwingen können. Sofern es sich um Wellenkomponenten handelt, die sich in der Längsrichtung des streifenförmigen aktiven Gebietes fortpflanzen, ist hierbei von longitudinalen Moden, für Wellenkomponenten mit einer Fortpflanzungsrichtung in der Dickenrichtung von transversalen Moden und für Wellenkomponenten, die sich in der Breitenrichtung des streifenförmigen Gebietes fortpflanzen, von lateralen Moden die Rede.

Für viele Anwendungen, insbesondere für Kommunikationszwecke, ist es wünschenswert, daß die Anzahl möglicher Schwingungsmoden auf ein Mindestmaß beschränkt wird, so daß vorzugsweise für nur einen Schwingungsmodus die Laserverstärkung ausreicht, um die Schwingung aufrechtzuerhalten.

Für die transversalen und lateralen Moden wurden bereits Maßnahmen vorgeschlagen, um diesen Zweck zu erreichen. Für die transversalen Moden kann dies z. B. durch eine passende Wahl der Dicke des aktiven Gebietes und des Verlaufes des Brechungsindexes in der Dickenrichtung in und nahe bei dem aktiven Gebiet erzielt werden. Für die lateralen Moden kann gleichfalls eine Beschränkung auf einen einzigen Schwingungsmodus durch passende Wahl des Verlaufes des Brechungsindexes in der Breitenrichtung des aktiven Gebietes erhalten werden. Es sei in diesem Zusammenhang z. B. auf H. Kressel und J. K. Butler "Semiconductor Lasers and Heterojunction LED's", New York 1977, Kapitel 7 verwiesen.

Für das Beschränken der Anzahl longitudinaler Schwingungsmoden ist bisher noch keine befriedigende Lösung gefunden worden. Da die Länge des streifenförmigen Gebietes, innerhalb dessen die Strahlungsverstärkung auftritt, eine sehr große Anzahl von Wellenlängen beträgt, ist die Anzahl möglicher Schwingungsmoden in dem Fabry-P´rot-Resonator zwischen den Reflexionsgliedern auch sehr groß.

Bei Laserstrukturen, bei denen die Reflexionsglieder dadurch gebildet werden, daß auf oder nahe bei dem aktiven Gebiet, in der Längsrichtung dieses Gebietes gesehen, eine periodische Änderung des Brechungsindexes und/oder der Dicke vorgenommen wird, die sogenannte DFB-("Distributed Feed-Back"-)Struktur, wie sie z. B. in dem eingangs genannten Aufsatz und in "Applied Physics Letters", Band 18, Febr. 71, S. 152-154 beschrieben wird, ist es zwar gelungen, die Anzahl longitudinaler Moden erheblich zu beschränken. Diese Strukturen sind aber wegen der sehr kleinen Periode der Brechungsindexänderung, die in der Größenordnung von einer Wellenlänge liegt, schwer herstellbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterlaser der eingangs genannten Art anzugeben, in dem die Anzahl longitudinaler Moden erheblich beschränkt und sogar auf 1 herabgesetzt werden kann, wobei dieses frequenzselektive Verhalten von der Stromstärke praktisch unabhängig ist, während die Struktur technologisch auf gut reproduzierbare und verhältnismäßig einfache Weise hergestellt werden kann.

Der Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zugrunde, daß dies dadurch erreicht werden kann, daß eine periodische Struktur verwendet wird, deren Periode erheblich größer als eine Wellenlänge der ausgesandten oder verstärkten Strahlung ist.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Da die Periode der Verstärkungsänderung nach der Erfindung mindestens 10 Wellenlängen (in vielen Fällen mehr als 100 Wellenlängen) beträgt, läßt sich eine Struktur, bei der dies der Fall ist, viel einfacher und besser reproduzierbar als z. B. die bei den genannten DFB-Lasern verwendete periodische Struktur herstellen.

In bezug auf die Ausdrücke "periodisch" und "Periode" sei bemerkt, daß u. a. durch technologische Probleme geringe Abweichungen von einer vollkommenen Periodizität auftreten können. Aus Messungen hat sich aber ergeben, daß eine Abweichung bis zu 10% von der reinen Periodizität nahezu keinen ungünstigen Einfluß auf die Wirkung der Anordnung nach der Erfindung ausübt. Wenn in der vorliegenden Anmeldung der Ausdruck "periodisch" verwendet wird, wird dabei daher eine mögliche Abweichung bis zu 10% von der reinen Periodizität miteinbegriffen.

Die Wahl des Periodenabstandes der Verstärkungsänderungen, des Verhältnisses zwischen dem Höchst- und dem Mindestwert der Verstärkung und der Anzahl von Perioden zum Erhalten der gewünschten Herabsetzung (vorzugsweise auf 1) der longitudinalen Moden hängt von verschiedenen Umständen ab und beruht u. a. auf den folgenden Erwägungen:

Der Unterschied Δλ zwischen den Wellenlängen der aufeinanderfolgenden möglichen longitudinalen Schwingungsmoden muß vorzugsweise mindestens derart groß sein, daß nur ein einziger Modus genügend verstärkt wird, während die Wellenlängen der nächstliegenden Moden gemäß der Kurve, die den Verlauf der Verstärkung als Funktion der Wellenlänge für den betrachteten Laser darstellt, an Stellen liegen, an denen diese Verstärkung ungenügend ist, um die Schwingung nach diesem Modus aufrechtzuerhalten. Für diesen Unterschied gilt:

wobei n′ der effektive Brechungsindex, λ₀ die Wellenlänge der ausgesandten Strahlung und L die Periode darstellt, d. h. den Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Punkten, an denen Reflexion der betreffenden Strahlung auftritt. Dabei ist

wobei n der Brechungsindex des Halbleitermaterials ist.

Bei bekannten Lasern mit Streifenkontakt, bei denen die Verstärkung über das ganze aktive Gebiet nahezu konstant ist, ist der Abstand L gleich dem Abstand zwischen den Spiegelflächen, meistens den Endflächen des Kristalls. Dieser Abstand beträgt einige Hundert µm. Daraus folgt für übliche Laser für Δλ ein Wert von einigen Zehnteln eines Nanometers. Es ist klar, daß bei einer Periode von z. B. einigen Zehn µm der Abstand Δλ zwischen Wellenlängen benachbarter Moden auf z. B. einige nm zunehmen wird, wodurch über den Verlauf der Verstärkung in Abhängigkeit von der Wellenlänge die Anzahl von Moden, für die die Verstärkung genügend ist, um die Schwingung aufrechtzuerhalten, erheblich verringert und sogar auf 1 herabgesetzt werden kann.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist daher der Periodenabstand der Verstärkungsänderungen höchstens gleich einem Fünftel der Länge des aktiven Gebietes.

Der Abstand Δλ zwischen aufeinanderfolgenden Moden darf aber auch nicht all zu groß sein, da sonst die Gefahr bestehend könnte, daß kein einziger Modus gefunden werden kann, dessen Wellenlänge innerhalb des Wellenlängenbereiches liegt, für den eine genügende Verstärkung auftritt, um die Strahlung aufrechtzuerhalten. Das Verstärkungsprofil weist im allgemeinen einen Höchstwert für eine bestimmte Wellenlänge λ₀ im Vakuum auf. Innerhalb des Halbwertsbereiches des Verstärkungsprofils, d. h. über den Wellenlängenbereich zwischen den Wellenlängen, für die die Verstärkung die Hälfte der maximalen Verstärkung beträgt, ist die Verstärkung ausreichend um die Strahlung aufrechtzuerhalten.

In Abhängigkeit von u. a. der Reflexion am Übergang zwischen Zonen mit verschiedener Verstärkung im Bereich der periodischen Verstärkungsänderungen kann die Kombination der Anzahl von Verstärkungsänderungen und des Periodenabstandes derselben vom Fachmann durch Versuche ermittelt werden. Im allgemeinen wird im Bereich mit periodischer Verstärkungsänderung bei einer größeren Anzahl von Perioden eine kleinere Änderung in der Verstärkung ausreichend sein, und umgekehrt.

Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers nach der Erfindung ist Gegenstand des Patentanspruchs 11.

In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß es aus Proc. IEEE 60 (1972), 726-728 bekannt ist, ein streifenförmiges aktives Gebiet eines Lasers durch Protonenbeschuß unter Verwendung einer streifenförmigen Goldmaske zu begrenzen.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 schematisch und teilweise perspektivisch einen Halbleiterlaser nach der Erfindung,

Fig. 2 schematisch einen Querschnitt längs der Linie II-II der Fig. 1,

Fig. 3 schematisch den Verlauf der Verstärkung G über den Querschnitt III-III des aktiven Gebietes,

Fig. 4A und B Verstärkungsprofile in den Querschnitten längs der Linien AA′ bzw. BB′ des aktiven Gebietes,

Fig. 5 den relativen Intensitätsverlauf der Strahlung in der Längsrichtung des aktiven Gebietes,

Fig. 6 und 7 Draufsichten auf Abwandlungen des Lasers nach den Fig. 1 und 2,

Fig. 8 schematisch und teilweise perspektivisch eine andere Ausführungsform des Halbleiterlasers nach der Erfindung,

Fig. 9 schematisch einen Querschnitt längs der Linie IX-IX der Fig. 8 und

Fig. 10 schematisch einen entsprechenden Querschnitt durch den Halbleiterlaser nach den Fig. 8 und 9 während einer Stufe der Herstellung.

Die Figuren sind alle schematisch und der Deutlichkeit halber nicht maßstäblich gezeichnet. Entsprechende Teile sind in der Regel mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Fig. 1 zeigt teilweise perspektivisch und Fig. 2 im Querschnitt längs der Linie II-II der Fig. 1 einen Halbleiterlaser nach der Erfindung. Im vorliegenden Beispiel weist die Schichtenstruktur des Lasers einen an sich bekannten Aufbau auf. Auf einem einkristallinen Substrat 1 (Orientierung (001)) aus n-leitendem Galliumarsenid (GaAs) mit einer Dotierungskonzentration von etwa 10¹⁸ Atomen/ cm³ und einer Dicke von etwa 80 µm ist eine epitaktische Schicht 2 aus n-leitendem Galliumaluminiumarsenid (Al_xGa_l-xAs) mit etwa 30 At. % Aluminium (x = 0,3), einer Dotierungskonzentration von etwa 3 · 10¹⁷ Zinnatomen/cm³ und einer Dicke von etwa 2 µm angewachsen. Darauf befindet sich eine etwa 0,3 µm dicke aktive Schicht 3 aus p-leitendem GaAs, auf der sich wieder eine Schicht 4 aus Al_xGa_l-xAs befindet, die denselben Atomprozentsatz an Aluminium wie die Schicht 2 enthält, jedoch nun eine p-Dotierung von etwa 5 · 10¹⁷ Germaniumatomen/cm³ aufweist. Darauf befindet sich schließlich eine p-leitende Kontaktschicht 5 aus GaAs mit einer Dicke von etwa 1,5 µm und einer Dotierungskonzentration von etwa 10¹⁸ Germaniumatomen /cm³. Die Grenzflächen zwischen den Schichten sind mit vollen Linien angedeutet. Die Schichten 2 und 3 bilden miteinander einen praktisch parallel zu der Oberfläche 6 verlaufenden pn-Übergang 7.

Weiter befinden sich im Halbleiterkörper Gebiete 8 mit einem sehr hohen spezifischen Widerstand, die sich von der Oberfläche 6 bis zu etwa halbwegs der Schicht 4 erstrecken und mit Hilfe eines Protonenbeschusses erhalten sind. Die Gebiete 8 werden seitlich von den Seitenflächen des Halbleiterkörpers und von praktisch vertikalen Grenzflächen begrenzt, die die Oberfläche 6 gemäß den Linien 9 und 9′ schneiden.

Auf der oberen und unteren Fläche (siehe Fig. 2) befinden sich zu beiden Seiten des pn-Übergangs 7 Kontaktglieder in Form von Elektrodenschichten 10 und 11, die in Fig. 1 der Deutlichkeit halber weggelassen sind. In Kontakt mit der Metallschicht 11 befindet sich ein Kühlkörper 12, vorzugsweise aus einem sowohl elektrisch als auch thermisch gut leitenden Material (Kupfer). Dadurch, daß an die Kontaktglieder 10 und 11 eine Spannung in der Durchlaßrichtung über dem pn-Übergang 7 angelegt wird, kann diesem Übergang ein Strom zugeführt werden. Dabei bildet die Metallschicht 11 innerhalb des streifenförmigen Kontaktgebietes, das zwischen den Linien 9 und 9′ liegt, mit einem gut leitenden Teil der Halbleiteroberfläche 6 einen Stromzufuhrkontakt. In der aktiven Schicht 3 wird dadurch ein streifenförmiges aktives Gebiet gebildet, dessen Grenzen annähernd durch die senkrechte Projektion der Linien 9 und 9′ auf die Schicht 3 bestimmt werden.

Dieses streifenförmige aktive Gebiet befindet sich innerhalb eines Resonators, der durch die zu der Längsrichtung des aktiven Gebietes senkrechten Seitenflächen 13 und 13′ gebildet wird. Dies sind (110)-Spaltflächen des Kristalls, die durch den großen Brechzahlunterschied zu beiden Seiten der Spaltfläche genügend Strahlung reflektieren, um bei Stromdichten oberhalb eines bestimmten Grenzwertes kohärente Laserstrahlung aufrechtzuerhalten, die gemäß den Pfeilen S an der Fläche 13 austritt.

Es sei bemerkt, daß unter dem "aktiven Gebiet" hier das Gebiet zu verstehen ist, innerhalb dessen im Betriebszustand die Verstärkung der Strahlung in der aktiven Schicht positiv ist.

Bei bekannten Lasern mit der oben beschriebenen Halbleiterstruktur sind die Linien 9 und 9′ gerade, zueinander parallel verlaufende Linien, die ein streifenförmiges Kontaktgebiet und ein streifenförmiges aktives Gebiet gleichmäßiger Breite bestimmen. Innerhalb eines derartigen aktiven Gebietes ist die Verstärkung der ausgesandten Strahlung entlang eines Längsschnittes durch das aktive Gebiet praktisch konstant, wobei auch das Verstärkungsprofil, über einen Querschnitt des aktiven Gebietes gemessen, an allen Stellen praktisch gleich ist. Diese bekannten Laser können oft in mehreren Moden schwingen.

Das aktive Gebiet, innerhalb dessen Verstärkung der Strahlung stattfindet, enthält jedoch entlang eines Querschnittes in seiner Längsrichtung über wenigstens einen Teil seiner Gesamtlänge ein Gebiet mit einer periodischen Verstärkungsänderung in dem Wellenlängenbereich der genannten Strahlung, wobei die Periode dieser Verstärkungsänderung mindestens das Zehnfache der Wellenlänge der ausgesandten Strahlung innerhalb des Halbleitermaterials beträgt; siehe Fig. 3, in der schematisch der Verlauf der Verstärkung G entlang eines Längsschnittes neben der Mitte des von den Linien 9 und 9′ begrenzten Gebietes dargestellt ist. Der Periodenabstand der Verstärkungsänderung beträgt 40 µm, d. h. mehr als 160mal die Wellenlänge der verstärkten Strahlung innerhalb des Halbleitermaterials, die etwa 250 nm beträgt. In der Ausführungsform nach diesem Beispiel wird die periodische Verstärkungsänderung durch eine periodische Änderung in der Breite des praktisch von der Projektion der Linien 9 und 9′ begrenzten streifenförmigen aktiven Gebietes über einen Teil dieses Gebietes erhalten. Die Abstände a, b, c, d und p (siehe Fig. 1) betragen 5 µm, 15 µm, 20 µm bzw. 70 µm. Die Anzahl der Perioden ist vier; der Periodenabstand von 40 µm ist weniger als ein Fünftel der Länge (280 µm) des aktiven Gebietes.

Es sei weiter bemerkt, daß in der beschriebenen Ausführungsform des Halbleiterlasers nicht nur eine periodische Änderung der Verstärkung in der Längsrichtung des aktiven Gebietes, sondern auch eine periodische Änderung des Verstärkungsprofils über die Breite des aktiven Gebietes auftritt. Dies ist schematisch in Fig. 4 angegeben. Fig. 4A zeigt den Verlauf des Verstärkungsprofils in einem Querschnitt über die Breite des aktiven Gebietes entlang der Linie AA′ der Fig. 1 und Fig. 4B zeigt den Verlauf des Verstärkungsprofils über den Querschnitt BB′. Es sei darauf hingewiesen, daß in den Fig. 3 und 4 die Verstärkung G nicht quantitativ, sondern nur zum Angeben der Art des Verstärkungsverlaufes aufgetragen ist, wobei in Fig. 4 zum Ausdruck gebracht wird, daß der Verstärkungswert in dem genannten neben der Mitte liegenden Längsschnitt III-III′ in dem Querschnitt BB′ höher als in dem Querschnitt AA′ ist.

Es stellt sich heraus, daß der oben beschriebene Laser in nur einem longitudinalen Modus schwingt, was der Filterwirkung der periodischen Struktur zugeschrieben werden muß. Der Abstand zwischen Moden aufeinanderfolgender Ordnungen beträgt bei den hier gewählten Abmessungen etwa 2 nm, was mit Rücksicht auf die Abhängigkeit des Verstärkungsfaktors G von der Wellenlänge ausreichend ist, um für nur einen einzigen Schwingungsmodus eine ausreichende Verstärkung zum Aufrechterhalten der Schwingung zu erzielen.

Im vorliegenden Beispiel beträgt die Wellenlänge λ₀, für die die Verstärkung maximal ist, etwa 870 nm; der effektive Brechungsindex

für dieselbe Wellenlänge beträgt etwa 5,1 und der Unterschied ∧ zwischen den beiden Wellenlängen, für die die Verstärkung die Hälfte der Verstärkung für die Wellenlänge λ₀ beträgt, ist 12 nm. Da der Periodenabstand (40 µm) größer als

ist, können nicht zwei aufeinanderfolgende Moden beide genügend verstärkt werden, um Laserschwingungen aufrechtzuerhalten.

Dadurch, daß das Verhältnis zwischen der Mindest- und der Höchstbreite des aktiven Gebietes in dem Teil mit periodischer Verstärkungsänderung genügend groß ist, ist die Reflexion an den Übergängen zwischen den breiteren und schmaleren Teilen genügend groß, um mit vier Perioden auszukommen. Das genannte Verhältnis wird vorzugsweise mindestens gleich 1,5 und höchstens gleich 5 gewählt. Bei einem kleineren Verhältnis als 1,5 ist die Reflexion an den Übergängen zwischen den breiteren und schmaleren Teilen derart gering, daß eine sehr große Anzahl von Perioden erforderlich ist. Bei einem größeren Verhältnis als 5 wird die Oberfläche der breiteren Teile des aktiven Gebietes derart groß, daß die insgesamt benötigte Stromstärke und die damit einhergehenden Verluste unzulässig groß werden.

Der Verlauf der relativen Intensität I der Strahlung in dem aktiven Gebiet gemäß der Längsrichtung dieses Gebietes ist für den oben beschriebenen Fall berechnet und in Fig. 5 dargestellt. Daraus ergibt sich ein wesentlicher weiterer Vorteil der Anordnung nach der Erfindung, und zwar daß die maximale Intensität der Strahlung in der Nähe der Enden der periodischen Struktur erheblich höher als an den Spiegeln oder Spaltflächen ist, die sich an den Enden des Lasers befinden. Beim Vergrößern der Stromstärke wird die Intensität an den Stellen der Maxima bei einem Wert von etwa 10⁷ W/cm² gesättigt. Dann tritt auch Sättigung (bei einem viel niedrigeren Wert als bei den Maxima) an den Spiegelflächen auf, wodurch die Gefahr einer Beschädigung dieser Spiegelflächen viel geringer als bei üblichen Lasern ist, bei denen die maximale Intensität gerade an den Spiegelflächen auftritt.

Die beschriebene Anordnung kann nach üblichen Techniken hergestellt werden. Das epitaktische Anwachsen von Halbleiterschichten verschiedener Zusammensetzung ist in der Technologie der Heteroübergangslaser allgemein bekannt und wird in der Fachliteratur an verschiedenen Stellen im Detail beschrieben. Zum Beispiel sei auf das Buch von D. Elwell und H. J. Scheel "Crystal Growth from High Temperature Solutions", Academic Press 1975, S. 433- 467 verwiesen. Auf die Herstellung der Schichtenstruktur braucht daher hier nicht näher eingegangen zu werden. Der Patronenbeschuß zur Bildung der praktisch isolierenden Gebiete 8 kann mit Hilfe einer geeigneten Maskierung aus z. B. Gold bei einer Energie von z. B. etwa 300 keV und einer Dosis von etwa 10¹⁵ Protonen/cm² erfolgen; das Tempera dieser Implantation findet bei etwa 500°C während einiger Minuten beim Auflegieren der Elektrodenschichten statt.

Das Gebiet mit veränderlicher Verstärkung kann sich über die ganze Länge des aktiven Gebietes erstrecken; im allgemeinen geht jedoch das Bestreben dahin, die Anzahl Perioden nicht größer zu machen als erforderlich ist, um unerwünschte Stromverluste zu vermeiden.

Bei dem beschriebenen Laser wird, wie oben erwähnt, das aktive Gebiet seitlich von einem Halbleitergebiet 8 begrenzt, das den Strom auf das aktive Gebiet beschränkt und mit diesem Gebiet eine die genannten Breitenänderungen bestimmende Grenzfläche aufweist. Im beschriebenen Falle ist dies ein hochohmiges durch Protonenbeschuß erhaltenes Gebiet. Es ist aber auch möglich, im beschriebenen Beispiel ein Gebiet 8 zu verwenden, das n-leitend ist und mit dem angrenzenden p-leitenden Halbleitermaterial einen pn-Übergang bildet, der den Strom auf das aktive Gebiet beschränkt.

Die Reflexion an den Diskontinuitäten zwischen den aktiven Gebietsteilen mit größerer und kleinerer Breite ist im beschriebenen Beispiel derart groß, daß man mit einer einzigen Spiegelfläche am Ende der Laserstruktur auskommen kann; die Funktion der anderen Spiegelfläche wird dann von der Rückkopplung über die periodische Struktur übernommen. Dieser Fall ist in Draufsicht schematisch in Fig. 6 dargestellt. Die Seitenfläche 13′ ist, wie im vorhergehenden Beispiel, eine Spaltfläche; die Seitenfläche 13 braucht in diesem Falle nicht reflektierend zu sein.

Die Form der periodischen Struktur kann auch weniger diskontinuierlich sein, z. B. wie in Fig. 7 angegeben ist. Auch braucht die Länge der schmaleren Teile des aktiven Gebietes nicht gleich der der breiteren Teile zu sein.

Fig. 8 zeigt schematisch und teilweise perspektivisch und Fig. 9 zeigt schematisch im Querschnitt entlang der Linie IX-IX in Fig. 8 eine ganz andere Ausführungsform eines Halbleiterlasers nach der Erfindung. Auch hier umfaßt der Laser einen Halbleiterkörper mit einer aktiven Schicht 3, in der stimulierte Strahlungsverstärkung auftreten kann, wenn ein Strom in der Durchlaßrichtung dem pn-Übergang 7 dadurch zugeführt wird, daß eine Spannung an die Elektrodenschichten 10 und 11 angelegt wird, wobei die Elektrodenschicht 11 wieder mit einem Kühlkörper 12 in Kontakt steht. Die Elektrodenschichten 10 und 11 sowie der Kühlkörper 12 sind in Fig. 8 der Deutlichkeit halber weggelassen.

Das aktive Gebiet, das von den imaginären, in Fig. 8 gestrichelt dargestellten Linien 9 und 9′ begrenzt ist, wird hier durch eine Anzahl rechteckiger Gebiete 20 bestimmt, deren Längsrichtung parallel zu den reflektierenden Spaltflächen 13 und 13′ verläuft und deren Länge 5 µm, deren Breite 3 µm und deren Periodenabstand 20 µm beträgt. Dies sind die Gebiete, in denen die Stromdichte am größten ist und in denen daher in der aktiven Schicht 3 die größte Verstärkung auftritt. An die obere Fläche grenzend, ist nämlich mit Hilfe eines Protonenbeschusses ein Gebiet 21 mit sehr hohem spezifischem Widerstand erzeugt, das sich von der oberen Fläche her bis zu einem Abstand von etwa 1 µm von der aktiven Schicht 3 erstreckt und durch Kreuzschraffuren in den Fig. 8 und 9 angegeben ist. Während des Protonenbeschusses wurden die Gebiete 20 maskiert, so daß das sich vertikal darunter erstreckende Halbleitergebiet gut leitend geblieben ist. Dadurch, daß sich das Gebiet 21 nicht völlig bis zu der aktiven Schicht 3 erstreckt, wird die Verstärkung in dieser Schicht nicht durch erhöhte Rekombination infolge der durch den Protonenbeschuß herbeigeführten Gitterstörung beeinträchtigt, während außerdem der über die unter den Gebieten 20 liegenden gut leitenden Halbleitergebiete 20′ fließende Strom sich über der aktiven Schicht 3 etwas streuen kann, wodurch die zwischen den Gebieten 20 unter dem Gebiet 21 liegenden Teile des aktiven Gebietes noch genügend Strom empfangen, um für die zu verstärkende Strahlung nicht absorbierend zu werden. Die Ausführungsform nach den Fig. 8 und 9 weist grundsätzlich die gleichen Vorteile der Schwingung in nur einem longitudinalen Schwingungsmodus wie die nach dem vorhergehenden Beispiel auf, obgleich die auftretenden Verstärkungsänderungen im vorliegenden Beispiel geringer sein werden, so daß im allgemeinen eine größere Anzahl Perioden als im vorhergehenden Beispiel benötigt werden wird. Während im vorhergehenden Beispiel das gewünschte Ergebnis durch eine periodische Änderung nicht nur der Verstärkung, sondern des ganzen Verstärkungsprofils über den Querschnitt des streifenförmigen aktiven Gebietes erzielt wurde, wird in der Anordnung nach den Fig. 8 und 9 durch periodische Änderung in der Stromdichte über die Länge des aktiven Gebietes die Verstärkung periodisch geändert. Dabei soll dafür gesorgt werden, daß die Gebiete mit maximaler Verstärkung, d. h. die Gebiete an den Stellen der Rechtecke 20, sich an Stellen befinden, an denen die verstärkte, stehende Welle einen Bauch aufweist.

Die Anordnung nach den Fig. 8 und 9 kann vorteilhafterweise wie folgt hergestellt werden.

Es wird von einer Halbleiterscheibe 2 mit einer aktiven Schicht 3 ausgegangen, die eine Schichtentstruktur aufweist, die z. B. in bezug auf den Aufbau sowie in bezug auf die Abmessungen gleich der nach dem Beispiel der Fig. 1 und 2 ist, mit Ausnahme des Gebietes 8. Auf der oberen Fläche dieser Schichtenstruktur wird eine Metallschicht erzeugt, deren Zusammensetzung und Dicke derart sind, daß sie zum Maskieren gegen den nachfolgenden Protonenbeschuß geeignet ist. Durch Anwendung üblicher photolithographischer Ätzverfahren wird aus dieser Metallschicht ein Muster gebildet, das nur aus den rechteckigen Gebieten 20 besteht (siehe Fig. 10); an allen anderen Stellen wird das Metall entfernt. Dazu kann z. B. auf dem Metall eine Photolackschicht erzeugt werden, die nach Belichtung und Entwicklung nur an den Stellen der Gebiete 20 auf dem Metall zurückbleibt, wonach das nicht von dem Photolack bedeckte Metall durch Ätzen entfernt wird. Auch kann, bevor das Metall abgelagert wird, auf der Halbleiteroberfläche eine Maskierungsschicht erzeugt werden, in der an den Stellen der Gebiete 20 Öffnungen vorgesehen werden, wonach auf der Maskierungsschicht und in den Öffnungen eine Metallschicht abgelagert wird. Dann wird die Maskierungsschicht (z. B. eine Siliziumoxidschicht) mit dem daraufliegenden Metall entfernt, wobei innerhalb der Gebiete 20 das Metall zurückbleibt. Diese Verfahren oder jedes andere geeignete Verfahren können zur Anbringung der Metallstreifen 20 verwendet werden.

Dann wird (siehe Fig. 10) die obere Fläche mit Protonen 22 beschossen, wobei die Energie und die Dosis derart geregelt werden, daß die Protonen bis zu einer Tiefe, die noch etwa 1 µm von der aktiven Schicht 3 entfernt ist, vordringen und so das gewünschte Gebiet 21 mit sehr hohem spezifischem Widerstand, z. B. 10⁴ Ω · cm, bilden.

Anschließend können die Elektroden 10 und 11 und der Kühlkörper 12 angebracht und die Anordnung kann fertigmontiert werden. Die Spaltflächen 13 und 13′ können sowohl vor als auch nach dem Protonenbeschuß gebildet werden.

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Periode der Verstärkungsänderungen erheblich größer als das Zehnfache der Wellenlänge der verstärkten Strahlung im Halbleitermaterial.

Sowohl der Halbleiterlaser nach den Fig. 1 und 2 als auch die nach den Fig. 8 und 9 können statt als Laser auch als selektiver Verstärker verwendet werden. Dazu werden die Flächen 13 und 13′ mit einer Antireflexionsschicht versehen. Eingehende Strahlung (z. B. von einer Glasfaser her) tritt über z. B. die Fläche 13 ein und tritt über die Fläche 13′ aus; Verstärkung tritt nur für den engen Frequenzbereich auf, der durch die periodische Struktur im aktiven Gebiet bestimmt wird.

In den Lasern nach den Fig. 1 bis 7 können auch andere Formen für die Breitenänderungen des aktiven Gebietes verwendet werden als diejenigen, die in den Beispielen angegeben sind. Auch kann die Form des aktiven Gebietes durch die Form der Elektrodenschicht 11 bestimmt werden, die dann in einem von den Linien 9 und 9′ der Fig. 6 oder 7 begrenzten Muster angeordnet wird. In diesem Falle kann unter Umständen nötigenfalls das Gebiet 8 auch weggelassen werden. Auch bei den Lasern nach den Fig. 8 bis 10 können die Gebiete 20 in einer anderen Form angeordnet werden, während für die Bildung der aus den Gebieten 21 und 20′ aufgebauten Schicht statt eines Protonenbeschusses andere Techniken, z. B. selektives epitaktisches Anwachsen, Anwendung finden können. Auch können andere halbleitende Schichtstrukturen und andere geeignete Halbleitermaterialien verwendet werden, die vom Fachmann aus der auf diesem Gebiet reichen Literatur gewählt werden können. In den Beispielen kann der Leitungstyp aller Halbleiterzonen durch den entgegengesetzten Leitungstyp ersetzt werden.

Claims

1. Heterostruktur-Halbleiterlaser mit

1. einem streifenförmigen aktiven Gebiet, innerhalb dessen die Verstärkung stattfindet,
2. einem parallel zu einer Oberfläche verlaufenden pn-Übergang (7),
3. Elektroden (10, 11), die zu beiden Seiten des pn-Übergangs liegen und von diesem durch weitere Halbleiterschichten (1, 2, 4, 5) getrennt sind, wobei das streifenförmige aktive Gebiet mit einer der Elektroden (11) über dazwischenliegende, gut leitende, streifenförmige Teile der Halbleiterschichten verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Gebiet nur auf einem zusammenhängenden Teil seiner Länge in Strahlrichtung mit Einrichtungen versehen ist, die dort für eine periodische Verstärkungsänderung sorgen, wobei die Länge der Periode (c+d) der Verstärkungsänderung mindestens das Zehnfache der Wellenlänge der ausgestrahlten oder verstärkten Strahlung innerhalb des Halbleitermaterials beträgt.

2. Heterostruktur-Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das genannte aktive Gebiet innerhalb eines Laserresonators befindet, der durch reflektierende Spaltflächen (13, 13′) bzw. Spiegel begrenzt ist.

3. Heterostruktur-Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Periodenlänge (c+d) der Verstärkungsänderungen höchstens gleich einem Fünftel der Länge des aktiven Gebietes ist.

4. Heterostruktur-Halbleiterlaser nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Periodenlänge (c+d) der Verstärkungsänderungen mindestens gleich ist, wobei λ₀ die Wellenlänge ist, für die die Verstärkung maximal ist, n′ den effektiven Brechungsindex und ∧ den Unterschied zwischen den beiden Wellenlängen darstellt, für die die Verstärkung die Hälfte der Verstärkung für die Wellenlänge λ₀ beträgt.

5. Heterostruktur-Halbleiterlaser nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Verstärkungsänderung durch eine in bezug auf dessen Mittellinie symmetrische, periodische Änderung in der Breite des streifenförmigen, aktiven Gebietes über nur einen Teil der Länge dieses Gebietes bewirkt ist (Fig. 1, 6, 7).

6. Heterostruktur-Halbleiterlaser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen dem Höchstwert (b) und dem Mindestwert (a) der Breite mindestens 1,5 und höchstens 5 beträgt.

7. Heterostruktur-Halbleiterlaser nach Anspruch 2 und einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Ende des aktiven Gebiets verspiegelt ist, während die Funktion der anderen Spiegelfläche von der Rückkopplung über die periodische Struktur übernommen wird (Fig. 6).

8. Heterostruktur-Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die periodischen Verstärkungsänderungen durch Halbleiterzonen (20′) erhalten werden, die in der Längsrichtung des aktiven Gebietes in regelmäßigen Abständen voneinander liegen und eine von dem angrenzenden Halbleitermaterial verschiedene elektrische Leitfähigkeit aufweisen (Fig. 8-9).

9. Heterostruktur-Halbleiterlaser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Zonen (20′) gut leitend und von Halbleitermaterial (21) mit hohem spezifischem Widerstand umgeben sind.

10. Heterostruktur-Halbleiterlaser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial (21) mit hohem spezifischen Widerstand eine durch einen Protonenbeschuß erhaltene Schicht ist.

11. Verfahren zur Herstellung eines Heterostruktur-Halbleiterlasers nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche einer Halbleiterscheibe mit einer aktiven Laserschicht (3) in regelmäßigen Abständen in der Längsrichtung des zu bildenden streifenförmigen aktiven Gebietes inselförmige Metallschichtteile (20) angeordnet werden, und daß dann die genannte Oberfläche einem Protonenbeschuß (22) unterworfen wird, wobei die genannten Metallschichtteile (20) gegen diesen Beschuß maskieren, und wobei die Energie derart gewählt ist, daß die Protonen bis zu einem geringen Abstand von der aktiven Schicht (3) vordringen, wonach dann auf der unteren und oberen Fläche der Halbleiterscheibe Elektroden (10, 11) erzeugt werden.