DE3001843C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches.

Um einen Halbleiter bei hoher Temperatur in kontinuierliche Schwingung zu bringen, ist es erforderlich, eine solche Struktur zu verwenden, daß der beste thermische Weg zur Ableitung der Wärme von der Übergangszone im Halbleiterlaser erreicht und die optische Energie und der Injektionsstrom in einem bestimmten Bereich eingeschlossen werden, in dem der optische Verlust und die unwirtschaftliche Trägerrekombination gleichzeitig minimisiert werden.

Um diese Bedingung zu erfüllen, wurde der sogenannte Kontaktstreifen- Halbleiterlaser vorgeschlagen, bei dem die Elektrode des Halbleiterlasers eine Streifenform aufweist, so daß die Breite des in die aktive Schicht fließenden Stromes begrenzt und die optische Energie in die aktive Schicht eingeschlossen bzw. durch diese begrenzt wird.

Obwohl der Halbleiterlaser den Vorteil aufweist, daß eine Schwingung durch einen Gleichstrom bei Raumtemperatur möglich ist, weist er doch beim Betrieb den großen Nachteil dahingehend auf, daß der Mode einer elektromagnetischen Welle in Transversalrichtung parallel zur aktiven Schicht, d. h. der Transversalmode, instabil ist und sich in Abhängigkeit von der Änderung des Injektionsstromes ändert. Dies ist darauf zurückzuführen, daß der Kontaktstreifen-Laser nicht die Funktion des Einschließens der Ladungsträger und des Lichtes in der aktiven Schicht bezüglich deren Transversalrichtung besitzt. Insbesondere im Strombereich, der etwas oberhalb des Schwellenstromes für die Laserschwingung liegt, überschreitet die für die Schwingung erforderliche Verstärkung den Verlust nur im Bereich der aktiven Schicht direkt unter dem Streifen, und der Laser schwingt damit in einem Transversalmode niedriger oder nullter Ordnung. Wenn jedoch der Injektionsstrom erhöht wird, verteilen sich die in die aktive Schicht injizierten Ladungsträger in die Außenbereiche, so daß sich der Bereich mit hoher Verstärkung verbreitert, was zur Erzeugung von Transversalmoden höherer Ordnung führt. Bei einer Lichtleitfaser-Übertragung mittels Laserlicht führt die Instabilität und die Abhängigkeit des Injektionsstromes des Transversalmodes zur Modenstreuung und dergleichen im optischen Übertragungsweg, und die Informationskapazität des Übertragungsweges wird damit stark vermindert. Wenn ein Halbleiterlaser damit als optische Quelle im Lichtleitfaser-Übertragungssystem verwendet wird, so ist es erforderlich, daß er in einem einzelnen Mode über einen großen Bereich des Injektionsstromes hinweg oszilliert. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wurden bereits Versuche dahingehend unternommen, daß in das Laserelement Wellenleiter bzw. ein optischer Hohlraum eingebaut wurde. So wurde beispielsweise von W. T. Tsang et al. in "Applied Physics Letters, Vol. 32, Nr. 5, 1978, Seite 311 bis 314" ein Heterostruktur-Laser mit vergrabenem Streifen (SBH) vorgeschlagen. Bei dieser Struktur wird, wie im nachfolgenden mehr im Detail beschrieben wird, eine Wellenleiterschicht bzw. ein optischer Hohlraum zusätzlich zur aktiven Schicht vorgesehen, und lediglich die aktive Schicht ist mit einem Material mit niedrigem Brechungsindex umgeben, so daß das Einschließen der injizierten Ladungsträger und das Einschließen der Photonen jeweils in getrennten Bereichen bewirkt und die Lichtausbreitungswirkung durch die Wellenleiterschicht erreicht wird. Damit wird bezweckt, Schwingungen höherer Ordnung zu vermeiden und eine einzelne Modenschwingung über einen großen Strombereich hinweg aufrecht zu erhalten.

Die Herstellung dieser SBH-Laser weist jedoch den offensichtlichen Nachteil auf, daß sie verschiedene einzelne (epitaktische) Aufwachsverfahren erforderlich macht. Damit wird der Herstellungsprozeß derartiger SBH-Laser so kompliziert, daß die Wiederholbarkeit bei der Herstellung der Laserelemente gering ist und sie nicht wirtschaftlich und in Massenproduktion hergestellt werden können.

Aus der DE-OS 26 26 775 ist ein Heterostruktur-Laser mit durch Ätzung vergrabener Schicht (EBH) bekannt, bei dem die Ausgangsstrahlkonfiguration und auch die Stabilität des Transversalmodes dadurch verbessert werden, daß eine Einkerbung im Substrat zur Krümmung der aktiven Schicht vorgesehen wird. Da bei dieser Struktur jedoch die aktive Schicht in Sandwichform zwischen Überzugsschichten mit niedrigem Brechungsindex angeordnet ist, wird der Unterschied im Brechungsindex an diesen Grenzflächen groß. Wenn damit die Breite des gekrümmten Abschnittes der aktiven Schicht groß gewählt wird, so treten leicht Transversalmoden höherer Ordnung auf. Bezüglich des Gesichtspunktes der Leichtigkeit des Kristallwachstums, ist bei einer bis zu einem gewissen Grad großen Breite der Einkerbung im Substrat die Herstellung einfacher, als wenn die Breite der Einkerbung klein ist. Bei einer Einkerbungsbreite, die zur Schwingung in einem Grund-Transversalmode erforderlich ist, hat jedoch eine solche Laserstruktur den Nachteil, daß die Steuerbarkeit und Wiederholbarkeit gering sind.

Aus der DE-OS 26 56 532 ist eine entsprechende Halbleiterstruktur bekannt, die die gleichen Probleme aufweist.

Aus "Appl. Phys. Lett., Vol. 17, Nr. 11, 1970, S. 499 bis 502" ist ein Halbleiterlaser mit großem optischen Hohlraum (LOC-Struktur, large optical cavity structure) bekannt. Auch dieser Halbleiterlaser weist die oben erwähnten Nachteile und Probleme auf.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Hochleistungshalbleiterlaser zu schaffen, der einen guten Injektionswirkungsgrad besitzt und dessen Grund-Transversalmode steuerbar ist. Außerdem soll der erfindungsgemäße Halbleiterlaser, der mit hoher Ausgangsleistung in einem gesteuerten Grundmode arbeitet, eine schmale Strahlungsdifferenz aufweisen, leicht herstellbar und bei hoher Ausbeute für die Massenproduktion geeignet sein.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Halbleiter durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs gelöst.

Beim erfindungsgemäßen Halbleiterlaser läßt man vier Halbleiterschichten kontinuierlich auf dem Halbleitersubstrat durch das herkömmliche epitaktische Aufwachsverfahren aufwachsen. Eine erste Halbleiterschicht ist eine erste Überzugsschicht mit einem optischen Einschließeffekt und eine zweite Halbleiterschicht ist eine Wellenleiterschicht oder Hohlleiterschicht, die sowohl einen optischen Ausbreitungseffekt als auch einen Trägereinschließungseffekt aufweist. Eine dritte Halbleiterschicht ist eine aktive Schicht zur Erzeugung des Lichts, und eine vierte Halbleiterschicht ist eine zweite Überzugsschicht, die sowohl einen optischen Einschließeffekt als auch einen Trägereinschließeffekt aufweist. Die aktive Schicht ist derart dotiert, daß sie mit der zweiten Überzugsschicht oder der Wellenleiterschicht eine Gleichrichter-Übergangszone bildet. Die Wellenleiterschicht weist einen streifenförmigen Bereich auf, der örtlich dicker ist als der umgebende Bereich, so daß eine hohe optische Ausgangsleistung von diesem Streifenbereich erhalten werden kann.

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines bekannten Halbleiterlasers, der eine Struktur mit Wellenleiterschicht aufweist;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines weiteren bekannten Halbleiterlasers mit einer Struktur, bei der das Substrat eine Einkerbung aufweist;

Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines Halbleiterlasers gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4A bis 4D Querschnittsansichten zur Erläuterung der Herstellungsschritte des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers nach Fig. 3;

Fig. 4E ein Kurvenschaubild des wirksamen Brechungsindexes als Funktion der Dicke der Wellenleiterschicht 33 nach Fig. 3; Parameter ist die Dicke d der aktiven Schicht 34;

Fig. 5 eine Querschnittsansicht eines Halbleiterlasers gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 6A bis 6D Querschnittsansichten zur Erläuterung der Herstellungsschritte des Halbleiterlasers nach Fig. 5;

Fig. 7 eine Querschnittsansicht eines Halbleiterlasers gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 8 eine Querschnittsansicht eines Halbleiterlasers gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Anhand von Fig. 1 werden nun die mit der Erfindung zu lösenden Probleme erläutert, die in Verbindung mit dem Herstellungsverfahren und der Struktur des oben erwähnten SBH-Lasers von W. T. Tsang auftreten. Ein typisches Herstellungsverfahren des SBH-Lasers besteht aus vier grundsätzlichen Verfahrensschritten. Beim ersten Schritt wird durch das epitaktische Aufwachsverfahren in flüssiger Phase auf einem n-GaAs-Halbleitersubstrat 11 eine als Überzugsschicht dienende n-Al_0,3Ga_0,7As-Schicht 12, eine als Wellenleiterschicht dienende n-Al_0,1Ga_0,9As-Schicht 13, eine als aktive Schicht dienende p-GaAs-Schicht 14 und eine als zweite Überzugsschicht dienende p-Al_0,3Ga_0,7As-Schicht ausgebildet. Der zweite Verfahrensschritt ist der Mesa-Ätzverfahrensschritt zur Entfernung eines Teils der zweiten Überzugsschicht 15 und eines Teils der aktiven Schicht 14 zur Ausbildung eines Mesas (flacher Hügel). Im dritten Verfahrensschritt wird wiederum die zweite Überzugsschicht 15 um den Mesa herum und darauf eine p-GaAs-Schicht 16 ausgebildet, die als Kontakterleichterungsschicht dient, wodurch der streifenförmige aktive Bereich vollständig durch ein Material umgeben ist, das einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als der streifenförmige aktive Bereich. Wenn insbesondere das Material des aktiven Bereichs GaAs ist, so wird der Verfahrensschritt zur Durchführung des zweiten Aufwachsverfahrens in flüssiger Phase so bewirkt, daß der Streifenbereich in dem auf den Außenseiten des Streifenbereichs aufgebrachten AlGaAs vergraben oder von AlGaAs umgeben ist. Beim vierten Verfahrensschritt wird ein mit einer Öffnung versehener Siliziumdioxid (SiO₂)-Film 17 auf der kontaktfördernden Schicht 16 ausgebildet, um einen Strom so zu regeln, daß er durch die Öffnung in den streifenförmigen aktiven Bereich 14 injiziert wird, wobei eine positive Elektrodenschicht 18 auf dem SiO₂-Film 17 auf dem Teil der kontaktfördernden Schicht 16, der durch die Öffnung freiliegt, und eine negative Elektrodenschicht 19 auf der Unterseite des Substrats 11 ausgebildet wird.

Wenn an den nach dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren hergestellten SBH-Laser eine Durchlaßvorspannung angelegt wird, so tritt in der aktiven Schicht 14 eine Laserschwingung auf. Das in der aktiven Schicht 14 erzeugte Laserlicht dringt weitgehend in die n-Al_0,1Ga_0,9As-Wellenleiterschicht 13 ein. Damit wird die Verteilung des wirksamen Brechungsindex der Wellenleiterschicht 13 entlang ihrer seitlichen Richtung innerhalb der Querschnittsansicht so ausgebildet, daß der wirksame Brechungsindex an der Stelle direkt unterhalb des aktiven Bereichs 14 größer ist als an den Stellen, wo der aktive Bereich 14 nicht vorhanden ist, d. h. an den Stellen außerhalb des aktiven Bereichs. Dies führt zu einer streifenbelasteten Wellenleiterstruktur mit einer geeigneten Breite. Mit dem in der Beschreibung verwendeten Ausdruck "wirksamer Brechungsindex" ist der scheinbare Brechungsindex gemeint, der sich aufgrund der Grenzbedingung der laminierten Schichten ändern kann, wenn sich das Laserlicht entlang der Verbindungsebene davon ausbreitet.

Da darüber hinaus die Einschließung der Ladungsträger auch in senkrechter und seitlicher Richtung bewirkt wird, wird der Transversalmode auch nicht abhängig von einer Verstärkungsverteilung, und es kann damit eine stabile Grund-Transversalmodenschwingung über einen großen Injektionsstrombereich hinweg erhalten werden. Damit wurden die Nachteile des kontaktierten Streifenleiter-Lasers sehr verbessert. In dieser Hinsicht war der SBH-Laser ein Epoche machender Vorschlag.

Dieser SBH-Laser hat jedoch den Nachteil, daß er die beiden oben beschriebenen getrennten epitaktischen Aufwachsverfahren erfordert. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß eine Vielzahl von Schichten mit verschiedenen Zusammensetzungen und Dicken geätzt oder entfernt werden muß. Aufgrund des Unterschiedes in der Zusammensetzung und Dicke, ist jedoch eine Steuerung der Ätzung bzw. des Entfernens sehr schwierig. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß dann, wenn die mit Aluminium gemischte Schicht der Außentemperatur ausgesetzt wird, auf der Oberfläche der Schicht ein Oxidfilm ausgebildet wird und dieser Oxidfilm das zweite Aufwachsverfahren stört. Außerdem besteht die Möglichkeit, daß das zweite Aufwachsverfahren den durch das erste Aufwachsverfahren ausgebildeten Bereich auflöst und damit Fehler im aktiven Bereich erzeugt werden können. Da die in Fig. 1 dargestellte Struktur damit wesentliche Nachteile bei der Herstellung aufweist und hinsichtlich Steuerbarkeit, Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit gewisse Mängel aufweist, ist diese bekannte Struktur nicht geeignet, wirtschaftlich und in Massenproduktion hergestellt zu werden.

Anhand von Fig. 2 wird nun der in der DE-OS 26 26 775 beschriebene EBH-Laser erläutert. Bei diesem bekannten Halbleiterlaser läßt man vier Halbleiterschichten epitaktisch in flüssiger Phase auf einem eingekerbten Halbleitersubstrat 21 aufwachsen. Sie bestehen aus einer dritten Überzugsschicht 22, die sowohl einen optischen Einschließeffekt als auch einen Ladungsträger-Einschließeffekt aufweist, einer aktiven Schicht 24, einer zweiten Überzugsschicht 25, die sowohl einen optischen Einschließeffekt als auch einen Ladungsträger-Einschließeffekt aufweist, sowie einer kontaktfördernden Schicht 26. Vor der Ausbildung der dritten Überzugsschicht 22 wird eine streifenförmige Einkerbung 211 im Substrat 21 vorgesehen und danach eine eindiffundierte Schicht 212 darin ausgebildet. Der Mittelbereich der dritten Überzugsschicht 22 und der Mittelbereich 241 der aktiven Schicht 24 sind innerhalb der Einkerbung 211 angeordnet und erstrecken sich durch die Diffusionsschicht 212. Die dritte Überzugsschicht 22 und die aktive Schicht 24 sind von unterschiedlichem Leitfähigkeitstyp, um eine Gleichrichter- Übergangszone 201 dazwischen zu bilden. Eine positive Elektrodenschicht 28 und eine negative Elektrodenschicht 29 sind so ausgebildet, daß sie jeweils die kontaktfördernde Schicht 26 bzw. das Substrat 21 berühren. Das Substrat 21 und die dritte Überzugsschicht 22 sind von verschiedenem Leitfähigkeitstyp gegenüber der Diffusionsschicht 212, so daß Gleichrichter-Übergangszonen 202 und 203 an den Grenzflächen zwischen Substrat 21 und der Diffusionsschicht 212 und zwischen der Diffusionsschicht 212 und der dritten Überzugsschicht 22 ausgebildet werden. Wenn die Gleichrichter- Übergangszone 201 in Durchlaßrichtung vorgespannt wird, so ist die Gleichrichter-Übergangszone 202 in Durchlaßrichtung vorgespannt und die Gleichrichter-Übergangszone 203 gesperrt.

Wenn insbesondere das Substrat 21 aus n-GaAs besteht, so kann die Diffusionsschicht 212 aus p-GaAs, die dritte Überzugsschicht 22 aus n-GaAlAs, die aktive Schicht 24 aus p-GaAs, die zweite Überzugsschicht 25 aus p-GaAlAs und die kontaktfördernde Schicht 26 aus p-GaAs gebildet sein.

Der Mittenbereich 241 der aktiven Schicht 24 hat einen schalenartigen Querschnitt, der im Mittenbereich dick und im Bereich in der Nähe der Außenkante der Einkörperung 211 sehr schmal ist. Wenn die Gleichrichter-Übergangszone 201 in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, breitet sich ein infolge der Rekombination von Ladungsträger erzeugtes Licht zur aktiven Schicht 24 hin aus, die einen hohen Brechungsindex aufweist und sandwichartig zwischen der dritten Überzugsschicht 22 und der zweiten Überzugsschicht 25 angeordnet ist. Damit wird der Schwingungsbereich des Halbleiterlasers auf den Mittenbereich 241 der aktiven Schicht 24 begrenzt. Wenn die Dicke des Mittenbereichs 241 gleich 1 µm und die Breite der schalenartig aktiven Schicht gleich 1 bis 2 µm ist, so nimmt die vom Halbleiterlaser emittierte optische Ausgangsleistung eine Grund-Transversalmode mit symmetrischem Muster an. Aber auch dann, wenn der Injektionsstrom erhöht wird, kann die Stabilität der Transversalmode beibehalten werden.

Diese Struktur hat jedoch den Nachteil, daß aufgrund der Dicke des Mittenbereichs 241 der aktiven Schicht 24 der Schwingungs- Schwellwertstrom hoch wird. Während eine Verminderung des Schwingungs-Schwellwertstromes dadurch erreicht werden kann, daß der Mittenbereich 241 der aktiven Schicht 24 dünn gemacht wird, hat dies zur Folge, daß die Divergenz des austretenden Lichtstrahls in vertikaler Richtung groß und damit die Form des Austrittsstrahles verändert wird. Da darüber hinaus der Schwingungsbereich der aktiven Schicht 24 vollständig durch die Überzugsschichten 22 und 25 mit niedrigem Brechungsindex umgeben ist, tritt eine große Änderung im wirksamen Brechungsindex an deren Grenzschichten auf. Wenn damit die Breite des schalenartigen Schwingungsbereichs vergrößert wird, so treten leicht zusätzlich zur Grund-Transversalmode Transversalmoden höherer Ordnung auf. Hinsichtlich der Leichtigkeit des Kristallwachstums ist eine Herstellung dann leichter durchzuführen, wenn die Breite der Einkerbung 211 bis zu einem gewissen Grade groß ist, als wenn sie klein ist. In anderen Worten, bei den Abmessungen der Einkerbung 211, die für einen Halbleiterlaser erforderlich sind, der in der Grund-Transversalmode schwingt, weist der Halbleiterlaser den Nachteil auf, daß die Steuerbarkeit und Wiederholbarkeit schlecht sind.

Im nachfolgenden werden die erfindungsgemäßen Halbleiterlaser beschrieben. Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Halbleiterlaserstruktur, die am leichtesten herzustellen ist. Fünf Halbleiterschichten wachsen nacheinander auf dem Halbleitersubstrat 31 auf, in dem eine streifenförmige Einkerbung 311 ausgebildet ist. Dies sind eine erste Überzugsschicht 32 mit einem optischen Einschließeffekt, eine Wellenleiterschicht 33 mit einem optischen Fortpflanzungseffekt und einem Ladungsträger-Einschließeffekt, eine aktive Schicht 34, eine zweite Überzugsschicht 35 mit sowohl einem optischen Einschließeffekt als auch einem Ladungsträger- Einschließeffekt und eine kontaktfördernde Schicht 36, die nacheinander aufwachsen. Die Oberfläche der Wellenleiterschicht 33 ist eben, während ihre Unterseite in den entlang der Einkerbung 331 sich erstreckenden Bereich vorspringt. Die aktive Schicht 34 und die Wellenleiterschicht 33 sind von verschiedenem Leitungstyp, um dazwischen eine Gleichrichter-Übergangszone 301 zu bilden. Ein mit einer Öffnung versehener SiO₂-Film 37 ist auf der kontaktfördernden Schicht 36 ausgebildet, die über die Öffnung mit einer auf dem SiO₂-Film 37 ausgebildeten Elektrodenschicht 38 in Kontakt steht. Auf der Unterseite des Substrats 31 ist eine weitere Elektrodenschicht 39 ausgebildet. Wenn die Gleichrichter- Übergangszone 301 in Durchlaßrichtung vorgespannt wird, so wird die Breite des in die aktive Schicht 34 injizierten Stromes annähernd durch die Breite der Öffnung im SiO₂-Film 37 geregelt und der Injektionsstrom fließt durch den Mittenbereich der aktiven Schicht 34. Die aktive Schicht 34, in die Ladungsträger injiziert und durch Rekombination der Ladungsträger Licht emittiert wird, ist sandwichartig zwischen der zweiten Überzugsschicht 35 und der Wellenleiterschicht 33 angeordnet, wobei diese Schichten einen größeren Bandabstand und einen kleineren Brechungsindex aufweisen als die aktive Schicht 34, um ein Einschließen der Ladungsträger zu bewirken. Während andererseits das emittierte Licht sich in die Wellenleiterschicht 33 ausbreiten kann, die einen etwas kleineren Brechungsindex aufweist, wird durch die erste Überzugsschicht 32 und die zweite Überzugsschicht 35 ein vollständiges Einschließen des Lichtes bewirkt. In anderen Worten, der dargestellte Halbleiterlaser weist eine doppelte Heterostruktur auf, bei der eine Schicht mit einem optischen Einschließeffekt und eine Schicht mit einem Ladungsträger-Einschließeffekt voneinander getrennt sind.

Im nachfolgenden wird eine genauere Beschreibung für den Fall gegeben, daß GaAs und GaAlAs zur Ausbildung der oben beschriebenen verschiedenen Schichten verwendet werden. Das Substrat 31 besteht aus n-GaAs, die erste Überzugsschicht 32 aus n-GaAlAs, die Wellenleiterschicht 33 aus n-GaAlAs, die aktive Schicht 34 aus p-GaAs, die zweite Überzugsschicht 35 aus p-AlGaAs und die kontaktfördernde Schicht 36 aus p-GaAs. Hierbei wird der Al-Anteil in der Zusammensetzung der Wellenleiterschicht 33 so bestimmt, daß die Schicht 33 einen geeigneten Brechungsindex und einen derartigen Bandabstand aufweist, daß die in die aktive Schicht 34 injizierten Ladungsträger vollständig eingeschlossen werden können, das in die aktive Schicht 34 emittierte Licht jedoch in ausreichendem Maße streuen bzw. sich ausbreiten kann.

Der der Einkerbung 311 entsprechende Mittenbereich 331 der Wellenleiterschicht 33 ist der ersten Überzugsschicht 32 benachbart, die der Einkerbung in dem Substrat 31 genau nachgebildet ist und die eine konvexe Unterseite und eine flache Oberseite aufweist, d. h. der Mittenbereich 331 weist im Querschnitt eine plankonvexe Form auf. Die aktive Schicht 34 ist auf der Wellenleiterschicht 33 flach ausgebildet und weist eine gleichmäßige Schichtdicke auf. Die Schichtdicke ist so dünn ausgebildet, daß das Laserlicht in ausreichendem Maße in die Wellenleiterschicht 33 streuen kann.

Wenn die oben beschriebene Struktur verwendet wird, so ist die Gleichrichter-Übergangszone 301 in Durchlaßrichtung vorgespannt, die Ladungsträger werden in den aktiven Bereich 34 injiziert und rekombinieren dort, wodurch Licht emittiert wird. Das Licht breitet sich in die Wellenleiterschicht 33 aus. Da die Wellenleiterschicht 33 für das in der aktiven Schicht 34 emittierte Licht in ausreichendem Maße durchlässig ist, tritt kein Lichtverlust in der Wellenleiterschicht 33 auf. Damit pflanzt sich das Licht durch Streuung durch die Wellenleiterschicht 33 und die aktive Schicht 34 fort. Da darüber hinaus die Wellenleiterschicht 33 und die aktive Schicht 34 sandwichartig zwischen der ersten Überzugsschicht 32 und der zweiten Überzugsschicht 35 angeordnet sind, die beide einen niedrigen Brechungsindex aufweisen, wird schließlich das Licht auf den Mittenbereich 331 der Wellenleiterschicht 33 konzentriert. Da durch das Vorsehen der Schicht 32 ein Austreten des Lichtes unterhalb der Schicht 33 verhindert wird, kann ein Laserausgangsstrahl mit guter Symmetrie erhalten werden, ohne daß der Schwingungs-Schwellwertstrom erhöht wird.

Ein praktisches Beispiel für das Herstellungsverfahren des oben beschriebenen Halbleiterlasers gemäß der Erfindung wird nun anhand der Fig. 4A bis 4D näher erläutert.

Ein in Fig. 4A dargestelltes n-GaAs-Halbleitersubstrat 31 weist eine Oberfläche aus einer {100}-Ebene auf, und eine Photolackschicht 41 ist auf der Substratoberfläche ausgebildet, wie es in Fig. 4B dargestellt ist. Danach wird eine streifenförmige Einkerbung 311 in einer ⟨110⟩-Richtung durch chemisches Ätzen (Fig. 4C) auf dem Substrat 31 ausgebildet. Die Abmessungen der Einkerbung 311 betragen 1,0 µm Tiefe und 2,0 µm Breite. Sie wird durch herkömmliches chemisches Ätzen unter Verwendung der Photolackschicht 41 als selektive Ätzmaske ausgebildet. So wird insbesondere der Ätzvorgang während einer Zeitdauer von 90 Sekunden unter Umrühren in einer Ätzlösung bewirkt, die ein Teil Phosphorsäure, ein Teil Wasserstoffperoxid und fünf Teile Methanol aufweist. Nach der Ausbildung der Einkerbung 311 wird die restliche Photolackschicht 41 von der Oberfläche des Substrats 31 entfernt, und es wachsen danach nacheinander mittels epitaktischem Aufwachsverfahren in flüssiger Phase die entsprechenden Schichten auf.

Das Aufwachsen einer n-Al_0,38Ga_0,62As-Schicht (erste Überzugsschicht) 32 wird in einem Zustand gestoppt, in dem die Schicht eine Querschnittskonfiguration aufweist, die in gekrümmter Form in den Bereich der Einkerbung 311 eintritt, und man läßt danach eine n-Al_0,1Ga_0,9As-Schicht (Wellenleiterschicht) 33 auf der Schicht 32 aufwachsen. Dieser Aufwachsvorgang wird so lange fortgesetzt, bis der Mittenbereich vollständig aufgefüllt und die gesamte Oberfläche im wesentlichen flach ist. Danach läßt man eine als aktive Schicht dienende p-GaAs-Schicht 34, eine p-Al_0,38Ga_0,62As-Schicht (zweite Überzugsschicht) 35 und eine p-GaAs-Schicht (kontaktfördernde Schicht) 36 aufwachsen, und der Aufwachsvorgang wird dann beendet (Fig. 4D). Wenn die Aufwachstemperatur und die Kühlgeschwindigkeit konstant gehalten werden, kann die Konfiguration der Oberfläche der ersten Überzugsschicht 32 so gestaltet werden, daß sie durch geeignete Steuerung der Aufwachszeit eine gewünschte Form besitzt. Wenn beispielsweise die Aufwachszeit klein gewählt wird, wird die Oberfläche der als erste Überzugsschicht dienenden n-Al_0,38Ga_0,62As-Schicht 32 leicht nach innen zum Substrat 31 hin gekrümmt.

Typische Dicken der entsprechenden Schichten im Mittenbereich der Einkerbung 311 sind 0,8 µm für die n-Al_0,38Ga_0,62As-Schicht 32, 0,3 µm für die n-Al_0,1Ga_0,9As-Schicht 33, 0,1 µm für die p-GaAs aktive Schicht 34, 1,2 µm für die p-Al_0,38Ga_0,62As-Schicht 35 und 1,2 µm für die p-GaAs-Schicht 36. In den Außenbereichen ist die Schicht 32 typischerweise 0,1 µm und die Wellenleiterschicht 33 0,15 µm dick. Die Dotierungskonzentrationen der entsprechenden Schichten 32, 33, 34, 35 bzw. 36 betragen typischerweise 3 × 10¹⁷/cm³ (n), 3 × 10¹⁷/cm³ (n), 5 × 10¹⁷/cm³ (p), 3 × 10¹⁷/cm³ (p) bzw. 10¹⁸/cm³ (p). Die Elektrode 38 wird dadurch ausgebildet, daß der SiO₂-Film 37 mit einem streifenförmigen Fenster auf der Oberfläche der p-GaAs-Schicht 36 und danach durch Vakuumverdampfen ein Metall darauf ausgebildet wird. Das streifenförmige Fenster ist so vorgesehen, daß es direkt über der streifenförmigen, auf dem n-GaAs-Substrat 31 ausgebildeten Einkerbung 311 angeordnet ist. Die Elektrode 39 ist auf der Unterseite des n-GaAs- Substrats 31 ausgebildet.

Die kontaktfördernde Schicht 36 kann weggelassen werden, wenn ein ohmscher Kontaktbereich in der zweiten Überzugsschicht 36 durch Eindiffundieren von p-Störstellen, wie etwa Zink (Zn) ausgebildet wird. Die Diffusion des Zinks kann durch die Öffnung des SiO₂-Films bis zu einer Tiefe von etwa 0,5 µm durchgeführt werden.

Durch Anlegen eines positiven Potentials an die Elektrode 38 und eines negativen Potentials an die Elektrode 39 wird beim Betrieb die Übergangszone 301 in Durchlaßrichtung vorgespannt, wodurch Ladungsträger in die p-GaAs aktive Schicht 34 injiziert werden. Die aktive Schicht 34 ist sandwichartig zwischen der p-Al_0,38Ga_0,62As-Schicht 35 und der n-Al_0,1Ga_0,9As-Schicht 33 angeordnet, die beide einen großen Bandabstand aufweisen. Insbesondere ist im Kontrast zum Bandabstand der GaAs-Schicht 34 von 1,4 eV, der Bandabstand der Al_0,1Ga_0,9As-Schicht 33 gleich 1,55 eV und der Bandabstand der Al_0,38Ga_0,62As-Schicht 35 gleich 1,95 eV. Aufgrund dieser Hetero-Sperrschichten können die in die aktive Schicht 34 injizierten Ladungsträger innerhalb der aktiven Schicht 34 eingeschlossen werden, ohne daß sie diffundieren. Auf diese Weise wird Licht durch Rekombination der Ladungsträger innerhalb der aktiven Schicht 34 emittiert, und wenn die Verstärkung aufgrund eines ausreichenden Injektionsstromes den Verlust übertrifft, so wird ein Laserlicht von der aktiven Schicht 34 emittiert. Dieses Licht streut in die n-Al_0,1Ga_0,9As-Schicht (Wellenleiterschicht) 33. Da die Wellenleiterschicht 33 einen größeren Bandabstand aufweist als die aktive Schicht 34, kann das Laserlicht nicht innerhalb der Wellenleiterschicht 33 gedämpft werden. Daher pflanzt sich das Laserlicht durch die aktive Schicht 34 und Wellenleiterschicht 33 fort.

Bei dieser Lichtfortpflanzung beträgt der Brechungsindex n₃ der p-GaAs aktiven Schicht 34 n₃ = 3,590, während der Brechungsindex n₂ der n-Al_0,1Ga_0,9As-Schicht 33 n₂ = 3,52 beträgt. Aufgrund der geringen Differenz im Brechungsindex zwischen diesen Schichten ist der optische Einschließeffekt an der Grenzfläche zwischen der p-GaAs-Schicht 34 und der n-Al_0,1Ga_0,9As-Schicht 33 sehr schwach. Da jedoch der Brechungsindex n der Al_0,38Ga_0,62As-Überzugsschichten 32 und 35 mit n = 3,34 gering ist im Vergleich zu den Brechungindizes der Schichten 33 und 34, wird ein starker optischer Einschließeffekt bewirkt. So wird insbesondere der Lichtstrahl durch die Schichten 32 und 35 mit den geringen Brechungsindizes geführt und damit das Licht innerhalb der Schichten 33 und 34 eingeschlossen.

Bezüglich der Lichtausbreitung in Transversalrichtung parallel zur Übergangszone bzw. Sperrschicht 301 nimmt der wirksame Brechungsindex in Transversalrichtung der Wellenleiterschicht 33 mit abnehmender Schichtdicke ab, da die Wellenleiterschicht 33 der ersten Überzugsschicht 32 mit niedrigerem Index benachbart und so ausgebildet ist, daß sie ihre maximale Dicke im Mittenbereich 331 im eingekerbten Bereich 311 aufweist und ihre Dicke zu den Außenbereichen der Einkerbung 311 hin abnimmt. Damit ist die oben beschriebene Wellenleiterstruktur ähnlich zur optischen Wellenleiterstruktur mit Rippenführung, wie sie von T. P. Lee etal. in "IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-11, Nr. 7, 1975, Seite 432 bis 435" beschrieben ist.

Bei der obigen Ausführungsform betragen die berechneten Werte der wirksamen Brechungsindizes der vier laminierten Schichten 32, 33, 34 und 35 im Mittenbereich typischerweise 3,469, während sie im Außenbereich 3,440 betragen. Der wirksame Brechungsindex kann durch die Grenzbedingungen verändert werden, wie etwa die Dicke und die Zusammensetzung von jeder laminierten Schicht. Wenn die Dicke der Wellenleiterschicht 33 zunimmt, nimmt der wirksame Brechungsindex n entlang der Sperrschichtsebene zu, wie es in Fig. 4E dargestellt ist, wobei die Dicke der aktiven Schicht 34 als Parameter verändert wird.

Wenn das anhand von Fig. 4 beschriebene Herstellungsverfahren für die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung verwendet wird, so kann ein Halbleiterlaser mit einem streifenförmigen optischen Wellenleiter bzw. Hohlraum durch ein einziges epitaktisches Flüssigphasen-Aufwachsverfahren erhalten werden. Darüber hinaus wird natürlich aufgrund der Vereinfachung des Herstellungsverfahrens auch die Gefahr für eine Ausbildung von Schäden oder Mängeln vermindert. Damit erhält man eine höhere Lebensdauer und eine Verbesserung der Zuverlässigkeit sowie eine hohe Qualität.

Ein weiterer Vorteil der oben beschriebenen Struktur besteht darin, daß der Mesa-Ätzverfahrensschritt für die aufgewachsenen Schichten nicht erforderlich ist, der schwierig zu steuern und nach dem Stand der Technik erforderlich ist.

Ein weiterer Vorteil der oben beschriebenen Struktur besteht darin, daß ein optischer Wellenleiter mit einem solch speziellen optischen Kondensoreffekt, daß ein im streifenförmigen optischen Wellenleiter des Halbleiterlasers gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform eingeschlossenes Licht im Mittenbereich des Wellenleiters verdichtet wird, auf einfache Weise hergestellt werden kann. Dieser optische Kondensoreffekt ist darauf zurückzuführen, daß die Struktur so beschaffen ist, daß der wirksame Brechungsindex am plankonvexen Mittenbereich 331 der n-Al_0,38Ga_0,62As- Schicht (optische Wellenleiterschicht) 33 am höchsten ist.

Wenn bei der oben beschriebenen Ausführungsform die streifenförmige Einkerbung in [011]-Richtung auf einer {100}-Ebene des Substrats 32 ausgebildet wird, so treten {111}-A-Ebenen an den Innenseiten der Einkerbung auf und bilden eine mesaförmige Einkerbung. Wenn das Kristallaufwachsen unter Verwendung eines Halbleiter-Substrat-Kristalls durchgeführt wird, der in eine solche Gestalt gebracht wurde, daß seine begrenzende Ebenen spezielle ebene Ausrichtungen aufweisen, so nimmt, da das Aufwachsen in lateraler Richtung der Innenwände der aus {111}-A-Ebenen bestehenden mesaförmigen Einkerbung schneller verläuft als das Aufwachsen an der Unterseite der aus einer {100}-Ebene bestehenden Einkerbung, zu Beginn des Aufwachsens der ersten Überzugsschicht 32 innerhalb der Einkerbung 311 eine gekrümmte Form an, wobei der Mittenbereich nach innen zum Substrat 31 hin heruntergedrückt ist. Wenn das Aufwachsen fortschreitet und die Schicht 32 dicker wird, wird die Niveaudifferenz der Depression allmählich vermindert, während die Breite der Depression allmählich kleiner wird. Wenn schließlich das Aufwachsen eine bestimmte Dicke erreicht hat, ist die Depression vollständig aufgefüllt, und die Oberfläche wird flach.

Ein solches Phänomen ist eine charakteristische Eigenschaft, die oft beim epitaktischen Aufwachsverfahren aus der flüssigen Phase festgestellt wird. Die oben beschriebene erfindungsgemäße Ausführungsform hat damit das Problem der bekannten Ausführungsformen dadurch gelöst, daß dieses Phänomen wirkungsvoll und geschickt verwendet wird. Insbesondere wird das Aufwachsen der ersten Überzugsschicht 32 zu einem Zeitpunkt abgestoppt, wenn die durch die anfänglich im Substrat 31 ausgebildete Einkerbung 311 bewirkte gekrümmte Form noch besteht, und danach wird das Aufwachsen der Wellenleiterschicht 33 so lange bewirkt, bis die Oberfläche eben wird. Dann hat die Wellenleiterschicht 33 einen plankonvexen Querschnitt, bei dem die Schichtdicke im Bereich 331, direkt oberhalb der Einkerbung 311, etwas dicker und an den Außenabschnitten des Bereichs 331 dünner ist. Die oben beschriebenen Konfigurationen werden in den auf dem Substrat aufgewachsenen Schichten selbst dann nicht besonder verändert, wenn die Anfangsgestalt der Einkerbung etwas verändert wird. Damit kann ein mit einem plankonvexen Wellenleiter versehener Halbleiterlaser mit guter Steuerbarkeit sehr einfach erhalten werden.

Wie bereits oben beschrieben wurde, hat der erfindungsgemäße Halbleiterlaser einen niedrigen Schwingungs-Schwellwertstrom und kann in einer Grund-Transversalmode oszillieren. Da die aktive Schicht auf einer flachen oder ebenen Oberfläche aufwächst, kann selbst eine Schicht von 0,1 µm oder weniger Dicke auf einfache Weise bei guter Wiederholbarkeit aufwachsen. Da auch der Mittenbereich 331 der Wellenleiterschicht 33 sich im eingebetteten Zustand befindet und der wirksame Brechungsindex der Wellenleiterschicht 33 sich mit abnehmender Schichtdicke vermindert, wird eine wesentlicher Teil des erzeugten Lichts innerhalb des plankonvexen Bereichs eingeschlossen, d. h. dem Mittenabschnitt 331 der Wellenleiterschicht 33. Darüber hinaus ist die Schichtdicke im plankonvexen Bereich 331 im Mittenbereich am größten, und insbesondere ist auch der wirksame Brechungsindex im mittleren Teil am größten. Damit wird das im plankonvexen Bereich 331 eingeschlossene Licht einem zusätzlichen Kondensoreffekt ausgesetzt, so daß es im mittleren Teil verdichtet wird. Es ist damit durch Einstellung der Dicke der aktiven Schicht und des effektiven Brechungsindex des plankonvexen Bereichs 331 möglich, einen Dauerstrich (CW)-Schwingungslaser bei Raumtemperatur zu schaffen, der gekoppelte Longitudinal- und Transversalmoden niedrigster Ordnung in beiden Richtungen sowie einen sehr niedrigen Schwingungs-Schwellwertstrom aufweist. Darüber hinaus kann eine relativ schmale Ausgangsstrahldivergenz und eine hohe optische Schadensschwelle im Katastrophenfall (COD) erwartet werden, da ein großer Teil des Lichts sich eher in der Wellenleiterschicht fortpflanzt als in der aktiven Schicht.

Wenn bei der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsform die Breite des schalenförmigen Bereichs gleich dem der bekannten Struktur nach Fig. 2 ist, so wird die wirksame Brechungsindex- Änderung in Transversalrichtung klein, was auf die Anwesenheit der Wellenleiterschicht 33 zurückzuführen ist. Selbst wenn daher die Breite der Einkerbung vergrößert wird, treten keine Schwingungen in Transversalmoden höherer Ordnung auf. Damit kann die Wiederholbarkeit, Massenherstellbarkeit und die Ausbeute verbessert werden, ohne daß die Steuerbarkeit für die Schichtdicke im Kristallwachstum vermindert wird.

Wenn außerdem die Vorrichtung zur Injizierung von Ladungsträgern in die aktive Schicht so ausgebildet wird, daß der Strom wirksam in den Bereich der aktiven Schicht direkt unterhalb der streifenförmigen Einkerbung injiziert wird, kann der Schwingungsschwellwertstrom im erfindungsgemäßen Halbleiterlaser weiter vermindert werden und die externe differentielle Quantenausbeute wird auch hoch. Daher weist die über dem SiO₂-Film der oben beschriebenen Ausführungsform ausgebildete streifenförmige Elektrode allgemein einen niedrigen Injektionsstrom-Wirkungsgrad auf. Wenn auf den Injektionsstrom-Wirkungsgrad Wert gelegt wird, so ist eine Struktur wünschenswert, bei der eine Schicht zur Steuerung des Injektionsstromes im Halbleitersubstrat vorgesehen ist, um den durch den Einkerbungsbereich hindurchgehenden Weg einzuengen, d. h. Mittel zur Ausbildung einer in Sperrichtung vorgespannten Sperrschicht innerhalb des Halbleitersubstrats zu verwenden. Zu diesem Zweck ist es lediglich erforderlich, zu Beginn eine p-Schicht im Oberflächenbereich des n-GaAs-Substrates durch Diffusion von Zink (Zn) auszubilden, also vor der Ausbildung der streifenförmigen Einkerbung auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats.

Es wird nun eine veränderte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers beschrieben, die die oben erwähnte in Sperrichtung vorgespannte Sperrschicht aufweist. Wie aus Fig. 5 zu ersehen ist, ist auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats eine streifenförmige Einkerbung 511 ausgebildet, und auf den beiden Seiten der Einkerbung 511 ist eine Diffusionsschicht 512 vorgesehen. Danach läßt man ähnliche Schichten wie in Fig. 3 in ähnlicher Weise nacheinander auf der Diffusionsschicht 512 aufwachsen. So wachsen eine erste Überzugsschicht 52, eine Wellenleiterschicht 53, eine aktive Schicht 54, eine zweite Überzugsschicht 55 und eine kontaktfördernde Schicht 56 auf. Der Mittenbereich der ersten Überzugsschicht 52 ist in einer niedergedrückten Schalenform ausgebildet, was auf die im Substrat 51 ausgebildete Einkerbung 511 zurückzuführen ist. Die aktive Schicht 54 und die Wellenleiterschicht 53 sind von verschiedenem Leitfähigkeitstyp, und die Gleichrichter-Sperrschicht 501 ist dazwischen ausgebildet. Elektroden 58 und 59 sind so vorgesehen, daß sie jeweils das Substrat 51 bzw. die kontaktfördernde Schicht 56 kontaktieren, und eine in Durchlaßrichtung vorgespannte Gleichrichter-Sperrschicht 501 ist an der Grenzfläche zwischen der aktiven Schicht 54 und der Wellenleiterschicht 53 ausgebildet.

Das Substrat 51 und die erste Überzugsschicht 52 und bezüglich der Diffusionsschicht 512 von verschiedenem Leitfähigkeitstyp, und die Gleichrichter-Sperrschichten 502 und 503 sind an den Grenzflächen zwischen dem Halbleitersubstrat 51 und der Diffusionsschicht 512 bzw. zwischen der Diffusionsschicht 512 und der ersten Überzugsschicht 52 ausgebildet. Wenn die Gleichrichter- Sperrschicht 501 in Durchlaßrichtung vorgespannt wird, so ist die Gleichrichter-Sperrschicht 503 in Sperrichtung vorgespannt, so daß der in die aktive Schicht 54 injizierte Strom auf den Teil beschränkt wird, der dem Mittenbereich 531 der Wellenleiterschicht 53 gegenüberliegt.

Anhand von Fig. 6 wird im folgenden ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zur Herstellung der Diffusionsschicht 512 beschrieben. Zuerst wird in einem Oberflächenbereich eines Halbleitersubstrats 51 aus n-GaAs und mit einer Störstellenkonzentration von 1 bis 3 × 10¹⁸/cm³, wie es in Fig. 6A dargestellt ist, eine Zink (Zn)-Diffusionsschicht 512 mit einer Tiefe von etwa 0,7 µm (Fig. 6B) ausgebildet. Die Zn-Konzentration kann etwas größer gewählt werden als die Störstellenkonzentration des Substrats 51. Im nächsten Schritt wird eine Einkerbung 511 in im wesentlichen gleicher Weise wie in den Fig. 4B bis 4D im Substrat 51 ausgebildet. So wird eine Photolackschicht auf dem Substrat aufgebracht, danach durch Belichtung mit Licht ein längliches Fenster mit 2 µm Breite und dann eine streifenförmige Einkerbung 511 unter Verwendung der mit einem Fenster versehenen Photolackschicht als Maske durch selektives Ätzen (Fig. 6C) auf der Oberfläche des Substrats 51 ausgebildet. Die Tiefe der Einkerbung 511 überschreitet die Tiefe der Zn-Diffusionsschicht 512, und im dargestellten Ausführungsbeispiel hat die Einkerbung 511 eine Tiefe von etwa 1,0 µm. Zur Ausbildung der Einkerbung 511 wird die gleiche Ätzlösung wie im ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendet, und der Ätzvorgang wird über eine Zeitdauer von 90 Sekunden bei Raumtemperatur unter Umrühren durchgeführt, so daß man die Einkerbung mit gewünschter Tiefe erhält. Nach der Ausbildung der Einkerbung 511 wird die restliche Photolackschicht von der Oberfläche des Halbleitersubstrats 51 entfernt, wonach die jeweiligen Halbleiterschichten nacheinander nach dem epitaktischen Aufwachsverfahren aus der flüssigen Phase aufwachsen, vgl. Fig. 6D.

Im speziellen Fall wird das Aufwachsen der n-Al_0,38Ga_0,62As- Schicht 52 in einem Zustand abgestoppt, in dem die Schicht 52 im Bereich oberhalb der Einkerbung 511 einen bogenförmig absinkenden Querschnitt aufweist, und die n-Al_0,1Ga_0,9As-Schicht 53 wächst darauf auf. Das Aufwachsen der Schicht 53 wird so lange fortgesetzt, bis die Depression des mittleren Bereichs vollständig aufgefüllt und die gesamte Oberfläche im wesentlichen eben ist. Danach wachsen die als aktive Schicht dienende p-GaAs-Schicht 54, die p-Al_0,38Ga_0,62As-Schicht 55 und die p-GaAs-Schicht 56 nacheinander auf, und das Aufwachsverfahren ist dann beendet.

Die Dicke und Dotierungskonzentration der entsprechenden Schichten können im wesentlichen gleich wie bei der bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 3 gewählt werden. Schließlich werden die Elektroden 58 und 59 auf der p-GaAs-Schicht 56 bzw. dem Substrat 51 nach dem herkömmlichen Verfahren aufgebracht und der Halbleiterlaser ist damit fertig.

Die Betriebsweise dieses erfindungsgemäßen Halbleiterlasers ist ähnlich wie bei der ersten bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 3. Es kann daher auf eine weitere Beschreibung verzichtet werden.

Es soll jedoch angemerkt werden, daß die Betriebsweise des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Halbleiterlasers sich von der der ersten bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 3 in dem folgenden Punkt unterscheidet.

Wenn die Gleichrichter-Sperrschicht 501 in Durchlaßrichtung vorgespannt wird, so wird der Injektionsstrom aufgrund der Vorspannung in Sperrichtung an der Gleichrichter-Sperrschicht 503 auf einen Weg begrenzt, der durch die Einkerbung 511 führt. Damit wird die Ausbildung des SiO₂-Films, wie er in der ersten bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 3 verwendet wird, unnötig, und diese veränderte Ausführungsform hat dennoch einen charakteristischen Vorteil darin, daß der Injektionsstrom-Wirkungsgrad verbessert wird.

Bei den oben beschriebenen beiden Ausführungsformen ist die Oberfläche der Wellenleiterschicht, d. h. die Grenzfläche zwischen der Wellenleiterschicht und der aktiven Schicht eben, und die aktive Schicht ist in ebener Form ausgebildet. Das Wesen der Erfindung kann jedoch auch ohne Einschränkung durch die Bedingung, daß die Oberfläche der Wellenleiterschicht eben gemacht wird, realisiert werden. Es ist nämlich lediglich erforderlich, daß die Dicke der Wellenleiterschicht im mittleren Streifenbereich dicker ist als in den Außenabschnitten des Streifenbereichs. Im nachfolgenden werden weitere veränderte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, die die oben erwähnte Forderung erfüllen.

In ähnlicher Weise wie bei der Ausführungsform nach Fig. 5 läßt man, wie aus Fig. 7 zu entnehmen ist, eine erste Überzugsschicht 72, eine Wellenleiterschicht 73, eine aktive Schicht 74, eine zweite Überzugsschicht 75 und eine kontaktfördernde Schicht 76 nacheinander auf einem Substrat 71 mit einer Einkerbung 711 und einer Diffusionsschicht 712 aufwachsen, und die Elektroden 78 und 79 haben direkten Kontakt mit der kontaktfördernden Schicht 76 bzw. dem Substrat 71. Die Bezugszeichen 701, 702 und 703 kennzeichnen jeweils Gleichrichter-Sperrschichten.

Bei dieser dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat die Oberfläche der Wellenleiterschicht 73 eine nach unten gekrümmte bzw. niedergedrückte Form, in dem das Aufwachsen abgestoppt wird, bevor die Oberfläche eben wird. Die Dicke der Schicht 73 ist jedoch im Mittelabschnitt 731 größer als in den Außenabschnitten der Schicht. Darüber hinaus ist auch die auf der Wellenleiterschicht 73 aufgewachsene aktive Schicht 74 in ihrem mittleren Abschnitt nach unten gekrümmt, und die Dicke des mittleren Bereichs 741 dieser Schicht 74 ist größer als in den Außenbereichen.

Um nur die Unterschiede zwischen dieser dritten bevorzugten Ausführungsform und der Ausführungsform nach Fig. 5 zu beschreiben, ist die Tiefe der Einkerbung 711 etwas tiefer als die der Einkerbung 511 in Fig. 5 und etwa gleich 1,5 µm. Zu diesem Zweck wird der Ätzvorgang während einer Zeitdauer von etwa 130 Sekunden bei Raumtemperatur unter Umrühren durchgeführt, wobei die gleiche Ätzlösung wie bereits oben beschrieben verwendet wird.

Typische Dicken für die entsprechenden Schichten im mittleren Bereich sind 0,8 µm für die n-Al_0,38Ga_0,62As-Schicht 72, 0,5 µm für die n-Al_0,1Ga_0,9As-Schicht 73, 0,2 µm für die p-GaAs-Schicht 74, 1,2 µm für die p-Al_0,38Ga_0,62As-Schicht 75 und 1,2 µm für die p-GaAs-Schicht 76. Die Dotierungskonzentration der entsprechenden Schichten werden im wesentlichen gleich ausgewählt wie bei der bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 5.

Die Betriebsweise der Ausführungsform ist gleich wie die der bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 5, so daß auf eine weitere Beschreibung verzichtet werden kann. Da bei dieser veränderten Konstruktion der Schwingungs-Schwellwertstrom im Vergleich zur zweiten bevorzugten Ausführungsform angehoben wird, hat diese den Vorteil, daß, da die Summe der Dicken der aktiven Schicht und der Wellenleiterschicht im mittleren Bereich größer wird, eine hohe Ausgangsleistung erhalten werden kann.

Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Diese vierte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist gleich der oben beschriebenen dritten bevorzugten Ausführungsform, mit der Ausnahme, daß, wie aus Fig. 8 zu ersehen ist, die Oberfläche der aktiven Schicht 84, d. h. die zweite Überzugsschicht 85 berührende Oberfläche eben ist und daß der Querschnitt der aktiven Schicht 84 im Bereich oberhalb der im Substrat 81 ausgebildeten Einkerbung 811 eine plankonvexe Form hat. Da bei dieser weiteren veränderten Konstruktion der Schwingungs-Schwellwertstrom im Vergleich zur dritten bevorzugten Ausführungsform angehoben wird, wird der Vorteil erreicht, daß eine höhere Ausgangsleistung erhalten wird. In Fig. 8 ist mit dem Bezugszeichen 82 eine erste Überzugsschicht, mit dem Bezugszeichen 86 eine kontaktfördernde Schicht, mit dem Bezugszeichen 88 und 89 Elektroden, mit dem Bezugszeichen 801, 802 und 803 entsprechende Gleichrichter-Sperrschichten und mit dem Bezugszeichen 831 ein gekrümmter Abschnitt im Mittenbereich der Wellenleiterschicht 83 bezeichnet.

Bei der vierten bevorzugten Ausführungsform können die Mittel zur Begrenzung des Weges des Injektionsstroms durch andere Mittel realisiert werden. Selbst wenn beispielsweise eine durch Protonenbeschuß ausgebildete Schicht oder eine Isolierschicht anstelle der Diffusionsschicht vorgesehen ist oder selbst wenn der Injektionsstromweg durch Diffusion von p-Störstellen, wie etwa Zink, in einer Streifenform beschränkt wird, nämlich von der Seite der kontaktfördernden Schicht bis zu der aktiven Schicht, so wird die Wirkung und der Vorteil dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform nicht verschlechtert. Selbstverständlich können die Begrenzungsmittel des Injektionsstromweges, die in der dritten und vierten bevorzugten Ausführungsform verwendet werden, durch äquivalente Mittel ersetzt werden, wie sie in der ersten bevorzugten Ausführungsform verwendet werden. Während die Halbleiterstruktur mit begrenztem Injektionsstromweg in den oben beschriebenen Ausführungsformen zum Zwecke der Erhöhung des Wirkungsgrades verwendet wird, so verhält sich, selbst wenn die Struktur zur Begrenzung des Injektionsstromweges nicht verwendet wird, die Halbleiterlaserstruktur nicht entgegengesetzt zum Wesen der Erfindung.

Es ist selbstverständlich, daß der erfindungsgemäße Halbleiterlaser auch unter Verwendung von InP für das Halbleitersubstrat und eines Quarternärsystem-Kristall, wie etwa In _x Ga_(1-x) As _y P_(1-y) , für den Lichtemissionsbereich gebildet werden kann.

Claims (1)

1. Halbleiterlaser mit
   einem Halbleitersubstrat (31, 51, 71, 81), dessen eine Oberfläche eine langgestreckte Nut (311, 511, 711, 811) aufweist,
   einer ersten Halbleiterschicht (32, 52, 72, 82), die unmittelbar auf dem Halbleitersubstrat (31, 51, 71, 81) ausgebildet ist und deren Oberfläche eine langgestreckte Nut längs der Nut (311, 511, 711, 811) im Substrat (31, 51, 71, 81) aufweist,
   einer auf der ersten Halbleiterschicht (32, 52, 72, 82) ausgebildeten zweiten Halbleiterschicht (34, 54, 74, 84) mit einem größeren Brechungsindex als die erste Halbleiterschicht,
   einer auf der zweiten Halbleiterschicht (34, 54, 74, 84) ausgebildeten dritten Halbleiterschicht (35, 55, 75, 85) mit einem kleineren Brechungsindex als die zweite Halbleiterschicht (34, 54, 74, 84), wobei die zweite Halbleiterschicht entweder gegenüber der ersten Halbleiterschicht oder der dritten Halbleiterschicht einen unterschiedlichen Leitfähigkeitstyp aufweist,
   einer Wellenleiterschicht (33, 53, 73, 83) zwischen der ersten Halbleiterschicht (32, 52, 72, 82) und der zweiten Halbleiterschicht (34, 54, 74, 84), deren Dicke oberhalb der Nut (311, 511, 711, 811) größer ist als die Dicke der anderen Teile der Wellenleiterschicht (33, 53, 73, 83),
   dadurch gekennzeichnet, daß die erste Halbleiterschicht (32, 52, 72, 82) das Substrat (31, 51, 71, 81) vollständig bedeckt, und die an die erste Halbleiterschicht (32, 52, 72, 82) angrenzende Wellenleiterschicht (33, 53, 73, 83) einen größeren Brechungsindex als die erste Halbleiterschicht (32, 52, 72, 82) aufweist.