DE3006949C2

DE3006949C2 - Halbleiterlaser

Info

Publication number: DE3006949C2
Application number: DE3006949A
Authority: DE
Inventors: Takashi Kajimura; Yoshifumi Tokorozawa Katayama; Michiharu Tokyo Nakamura; Toshikazu Shimada; Jun-Ichi Hachioji Umeda; Shigeo Hachioji Yamashita
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-02-26
Filing date: 1980-02-25
Publication date: 1982-10-28
Also published as: NL185186C; NL185186B; US4337443A; GB2043989A; CA1141457A; NL8001104A; JPS55115386A; DE3006949A1; JPS5722426B2; GB2043989B

Description

aufweist worin 0,002<x0,4,0<s<0_r5 und 0< f<03 sind.

2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (6) aus dem

amorphen Material eine Dicke nahe — · m hat,

worin λ die Wellenlänge des Laserüchis im amorphen Material und m eine ungerade ganze Zahl bedeuten.

3. Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß us außerdem eine Schicht (9) aus einem transparenten Isoliermaterial aufweist, die auf der Schicht (6) aus dem amorphen Material abgeschieden ist.

4. Halbleiterlaserelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (9) aus dem transparenten Isoliermaterial eine Dicke nahe -3- m'hat worin A₂ die Wellenlänge des Laserlichts

in der Schicht (9) aus transparentem Isoliermaterial und m'eine ganze Zahl bedeuten.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterlaser mit einer auf wenigstens einer seiner optischen Ausgangsflächen abgeschiedenen transparenten Schicht aus einem anorganischen Material.

Bisher war es bekannt, eine Passivierschicht aus einem transparenten Isoliermaterial, wie z. B. SiO* AI2O3 od. dgl. an der optischen Ausgangsfläche eines Halbleiterlaserelements uszubilden. (»Aplied Physics Letters«, Bd. 31 (1977) Nr. 9, Seiten 625-627). Eine solche Passivierschicht wird für den Zweck des Schutzes der entsprechenden Kristalloberfläche gegen Oxidation durch Isolation der Fläche von der Umgebungsatmosphäre vorgesehen. Mit den bisher bekannten Materialien oder Zusammensetzungen für die Passivierschicht wird die Reflexionskraft an der Fläche in Abhängigkeit von der Dicke der Pssivierschicht merklich verschieden, was eine merkliche Änderung des Schwellenstroms als Begleiteffekt liefert. -

Weiter ist es mit der herkömmlichen Passivierschicht unmöglich, einen genügenden Schutz gegen eine Flächenerosion vorzusehen, die einer katastrophalen Degradation und einem photochemischen Prozeß zuzuschreiben ist, und gleichzeitig einen Anstieg des Schwellenstrotnes zu verhindern. Die maximale optische Ausgangsleistung des Halbleiterlasers ist einer Beschränkung aufgrund einer sogenannten Flächenschädigung unterworfen. Allgemein können zwei Gründe für eine solche Schädigung aufgezählt werden. Einer von ihnen ist eine sog. katastrophale Degradation, die plötzlich bei der Ausgangsleistung von etwa 5 bis 10 mW für eine Laserbreite von 1 μπι möglicherweise auferund der Tatsache auftritt, daß die elektrische Feldstärke des Lichts an der entsprechenden Kristalloberfläche eine bestimmte Grenze überschreitet Der andere der Gründe für die Schädigung ist was man photochemische Reaktion nennt die nach und nach als Funktion der Oxidation der Kristalloberfläche fortschreitet und bei einer optischen Ausgangsleistung von mehr als etwa 1 mW für die Laserbreite von 1 μπι merklich wird.
Es wurden bisher Versuche unternommen, um die vorstehend erläuterte Oxidation durch Bilden einer Passivierschicht aus SiO₂, AI2O3 od. dgl. an der optischen Ausgangsfläche des Halbleiterlasers zu vermeiden, wodurch die Fläche von der Umgebungsatmosphäre isoliert wird. Dabei wird, wenn man die Schichtdicke gleich (A/4)xm wählt worin λ die Wellenlänge des Lichts in der Passivierschicht und m eine 1, 3, 5, .., gleiche, ungerade ganze Zahl bedeuten, die Lichtstärke an der Kristalloberfläche verringert wodurch die katastrophale Degradation verbessert werden muß.

Jedoch zeigt die Passivierschicht aus dem oben erwähnten Material einen niedrigen Brechungsindex (z. B. ist der Brechungsindex von SiO₂ etwa 1,45, und derjenige von Al₂Oa ist etwa 1,75, wogegen der Brechungsindex von GaAs in der Größenordnung von 3,6 liegt), was eine Annäherung an den Zustand der Antireflexion darstellt Als Ergebnis wird die Reflexionskraft der Fläche äußerst niedrig, was zu einer erheblichen Erhöhung des Schwellenstroins führt Unter diesen Umständen wird die Dicke der Passivierschicht in der Praxis gleich (λ/2) χ m'(m'= 1, 2, 3 ...) gewählt Dabei wird zwar ein erhöhter Schwellenstrom nicht beobachtet die Lichtstärke an der Fläche ist jedoch im wesentlichen gleich derjenigen, die in Abwesenheit der Passivierschicht erhältlich ist. So dient die Passivierschicht lediglich als Verstärkungsglied an der Kristallfläche und Isolierschicht zur Isolation der Fläche gegenüber der Atmosphäre.

Andererseits sind für Halbleiterbauelemente, wie Gleichrichter und Transistoren, Passivierungsschichten aus amorphem, mit Sauerstoff oder Metallen dotiertem Silizium bekannt (DE-OS 26 32 647).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterlaser der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß seine maximale optische Ausgangsleistung merklich gesteigert wird, während der Anstieg des Schwellenstromes möglichst gering gehalten wird. .

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Schicht aus amorphem Material besteht, das eine Zusammensetzung

(Si

aufweist worin 0,002<x<0,4, 0<s<0,5 und 0</<0,3 sind.
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprächen gekennzeichnet.

Gemäß der Lehre nach der Erfindung kann die Änderung des Schwellenstroms, die der Gegenwart der Passivierschicht zuzuschreiben ist, äußerst gering gehalten werden.

Außerdem ist es bei einem Halbleiterlaser gemäß der Erfindung möglich, die maximale opische Ausgangsleistung erheblich zu steigern und dabei gleichzeitig die ansteigende Tendenz des Schwellenstroms sehr gering zu halten.

Das amorphe Material, das Wasserstoff und Silizium als unerläßliche Elemente enthält, zeigt solche Eigenschaften, wie sie im folgenden beschrieben werden, und wird daher als Passiviermaterialien für Halbleiterlaser-

elemente äußerst bevorzugt

(1) Eine breite Bandlücke in der Größenordnung von 1,2 eV bis 2^eV kann in Abhängigkeit vom Wasserstoffgehalt und von den Herstillungsbedingungen erreicht werden. Folglich können die amorphen Materialien als transparent für Laserlicht herkömmlicher Halbleiterlaser einschließlich der GaAs-GaAlAs-Laser (die Wellenlänge ist in einem Bereich von 0,7 bis 0,9 μπι mit einer Bandlß-rke in einem Bereich von 1,78 eV bis 1,4 eV) und der InP-InGaAsP-Laser (die Wellenlänge ist in einem Bereich von 1 bis 1,7 μπι mit einer Bandlücke in einem Bereich von 1,24 eV bis 0,73 eV) u. dgl. betrachtet werden.

(2) Die amorphen Materialien haben hohe Widerstandswerte und können daher im wesentlichen als Isoliermaterial betrachtet werden (es ist tatsächlich möglich, einen höheren Widerstandswert als 10⁷ Ω - cm zu erreichen).

(3) Eine dichte Schicht mit einer hohen Eignung zur Verhinderung von Oxidation kann vorgesehen werden.

(4) Die amorphen Materialien haben hohe Brechungsindizes, die denen verschiedener, die Halbleiterlaserelemente bildender Halbleitermaterialien nahekommen. Demgemäß tritt, auch wenn die Filmdicke gleich (λ/4) χ m gewählt wird, worin λ die Wellenlänge des Laserlichts im amorphen Material und /77 eine ungerade Zahl, wie z.B. 1, 3, 5 ... bedeuten, im wesentlichen keine Verringerung des Reflexionsvermögens oder der Reflexionskraft an der Fläche des Laserelements auf.

Die vierte Eigenschaft ist äußerst wichtig. Insbesondere ermöglicht das amorphe Material, das Wasserstoff und Silizium als unerläßliche Elemente enthält und zur Bedeckung der optischen Ausgangsfläche eines Halbleiterlaserelements in einer Dicke von (λ/4)χ/η fm=ungerade Zahl) aufgebracht ist, daß das Halbleiterlaserelement mit einem ausreichenden Schutz gegen die sowohl der katastrophalen Degradation als auch dem photochemischen Prozeß zuzuschreibende Flächenschädigung verwirklicht wird. Außerdem kann der Anstieg des Schwellenstroms im wesentlichen verhindert werden, während gleichzeitig die maximale optische Ausgangsleistung gesteigert werden kann.

Typische Beispiele der amorphen Materialien, die zur Verwirklichung der Erfindung verwendet werden können, sind, wie folgt:

(1) Amorphes Material mit einer Zusammensetzung

von Sii - »H„ worin 0,002 < x£ 0,4,

ohne weitere Zusätze

Wenn der Gehalt oder Anteil χ an Wasserstoff kleiner als etwa 0,002 ist können nicht alle freien, im amorphen Silizium (im folgenden auch mit a-Si abgekürzt) vorhandenen Siliziumbindungen mit Wasserstoff gefüllt werden, als Folge dessen es schwierig ist, eine transparente Isolierschicht zu erzielen. Andererseits, wird, wenn der Wasserstoffgehalt χ 0,4 übersteigt, die Schichtqualität zu spröde, um als Passivierschicht zu dienen. Für die praktische Verwendung wird daher bevorzugt, daß der Wasserstoffgehalt χ 0,05 oder höher ist.

(2; Amorphes Material mit einer Zusammensetzung von(Sii_₅_, · Ge₁ · Qi-* ■ H»

Dabei sind 0Ss^0,5, 0S/S0,3 und 0,002<xi0,4.

Das Material mit einem großen Anteil s eignet sich für einen Langwellenlaser mit einem hohen wirksamen Brechungsindex, während sich ein Material mit einem hohen Anteil t für einen Kurzwellenlaser mit einem niedrigen wirksamen Brechungsindex eignet.

Ein amorphes Material mit einem C-Anteil / von wenigstens 0,3 zeigt eine Neigung, daß die optische Absorption wächst, während die Isoliereigenschaft der Schicht verschlechtert wird, wenn der Anteil t steigt.

Daher wird der oben erwähnte Zusammensetzungsbereich bevorzugt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert; darin zeigt

F i g. 1 eine Perspektivansicht zur Veranschaulichung eines Halbleiterlasers nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

F i g. 2 eine Schnittansicht eines Halbleiterlasers nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung; und F i g. 3 eine graphische Darstellung der Verteilung der Asymmetriefaktoren, die die Verhältnisse der von den beiden einander gegenüberliegenden Ausgangsflächen eines Halbleiterlasers emittierten Lichtleistungen darstellen, als Funktion der Dicke der Passivierschicht.

Es wird nur zunächst die Änderung des Reflexions-Vermögens an einer Fläche eines Halbleiterlaserelements erläutert, die sich durch Vorsehen einer Passivierschicht ergibt

Das Reflexionsvermögen (R) an der Fläche, wie es innerhalb des Halbleiterlasers beobachtet wird, ergibt sich durch den folgenden Ausdruck:

(n_a-n)² (n+l)² + (n_a+n)² (n-1)² + 2(n² _a-n²) (n²-\) cos An j

R =

(/i_fl+n)²(n+l)² + («_a-n)²(n-l) + 2(n_o-n²) (n²- 1) cos Λ π -=-

Darin bedeuten

n: Brechungsindex der Passivierschicht,

n.: wirksamer Brechungsindex einer aktiven Schicht

des Halbleiterlasers,
λ: Wellenlänge des Laserlichts in der Passivierschicht

und
d: Dicke der Passivierschicht

(Es wurde angenommen, daß der Brechungsindex von Luft gleich 1 ist).

Der Brechungsindex der amorphen Materialien gemäß der Erfindung liegt in einem Bereich von etwa 3,2 bis etwa 3,7 in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Laserlichts und der Herstellungsbedingungen. Andererseits liegen die Brechungsindizes n„ der für die Halbleiterlaser verwendeten Halbleitermaterialien allgemein in einem Bereich von etwa 3,4 bis etwa 3,8.

Beispielsweise wird ein Halbleiterlaser aus GaAlAs mit einem Brechungsindex n_a von 3,6 untersucht. Wenn die bicke der Passivierschicht gleich λ/4 bei einem Wert für η von 3,42 gewählt wird, dann ist das Reflexionsvermögen oder di Reflexionskraft R gleich 0,28. Falls keine Passivierschicht vorhanden ist oder die Schichtdicke gleich λ/2 gewählt wird, dann ist R gleich 0,32. In dieser

Weise weicht das Reflexionsvermögen oder die Reflexionskraft an der Fläche nicht vom Bereich von 0,28 bis 0,32 ab. Daher kann die Änderung im Reflexionsvermögen für praktische Anwendungsfälle im wesentlichen vernachlässigt werden. Das Gleiche gilt für die Änderung des Schwellenstroms.

F i g. 3 zeigt die Verteilung der Asymmetriefaktoren, deren jeder das verglichene Ergebnis der optischen Ausgänge in entgegengesetzten Richtungen eines Halbleiterlasers darstellt. Insbesondere wird eine Schicht aus hydriertem amorphen Silizium auf einer der optischen Ausgangsflächen des Lasers abgeschieden, und beide optischen Ausgänge in entgegengesetzten Richtungen werden miteinander verglichen. Wenn der Asymrnetriefaktor gleich 1 ist, bedeutet dies, daß beide optischen Ausgänge untereinander gleich sind. Die Schichtdicke der hydrierten amorphen Siliziumschicht ist längs der Abszisse aufgetragen. Man sieht, daß bei jeder gezeigten Schichtdicke die Ungleichheit der Asymmetriefaktoren in einem für die praktischen Zwecke tolerierbaren Bereich liegt. Demgemäß kann man mit Sicherheit sagen, daß kein wesentlicher Rückgang des Reflexionsvermögens bei irgendeiner Dicke der Passivierschicht auftritt.

Es soll nun die maximale optische Ausgangsleistung erläutert werden. Zunächst sei erwähnt, daß die maximale optische Ausgangsleistung vorherrschend von der Lichtstärke an der Ausgangsfläche des Halbleiterlaserelements abhängt.

Allgemein kann die elektrische Feldstärke des Lichts (I) an der Grenzfläche zwischen der optischen Ausgangsfläche des Halbleiterlasers und der amorphen Passivierschicht durch den folgenden Ausdruck angegeben werden:

■kV

ι +

(«²-D

1 + cos

4πη

geeigneten Bereich gewählt werden. Allgemein kann ein Gasdruck im Bereich von 1,3 · ΙΟ-⁴ bis 1,3 · 10~² mbar verwendet werden. Ein Gasdruck von nicht mehr als 1,3 · 10-³mbar wird besonders bevorzugt, wenn eine Schicht gebildet werden soll, die eine hohe Oxidationsbeständigkeitseigenschaft aufweist. Der Wasserstoffgehalt kann im Bereich von 1 bis 40% liegen und je nach den praktischen Vorrichtungsmerkmalen gewählt werden. Eine Probe (d. h. ein Halbleiterlaserelement), worauf das amorphe Material abzuscheiden ist, wird zum Aufstäuben auf einer Temperatur im Bereich von Raumtemperatur bis 400⁰C gehalten. Wenn die Probe bei Raumtemperatur in der 20% Wasserstoff enthaltenden Argonatmosphäre (1,3 · 10~³ mbar) gehalten wird, kann eine amorphe, etwa 17% Wasserstoff enthaltende Siliziumschicht erhalten werden.
Im Fall der Zusammensetzung von

Darin bedeuten

la- elektrische Feldstärke des ausgestrahlten Laserlichts.

Brechungsindex des amorphen Materials, Wellenlänge des Laserlichts im Vakuum, Wellenlänge des Laserlichts im amorphen Material und
Dicke der amorphen Schicht

Demgemäß ist, wenn

'-τ

in. = i.

werden dünne Stücke aus den einzelnen Bestandteilselementen Flächen der dünnen Stücke unter entsprechender Variation zugewandt, und anschließend wird das Aufstäuben durchgeführt. .

Weiter kann wenigstens eine transparente Isolierschicht auf der Passivierschicht des Siliziums und Wasserstoff als die unerläßlichen Bestandteile enthaltenden amorphen Materials abgeschieden werden, um dadurch die transparente Schicht als Schutzschicht für die Passivierschicht dienen zu lassen.

Typische Beispiele des transparenten Isoliermaterials umfassen SiO₂, Al₂O₃, MgO, ZnO, TiO₂, Si₃N₄ u. dgl., die bisher als die für die Passivierschicht geeigneten Materialien bekannt waren. Besonders zu bevorzugen ist das Isoliermaterial, das hoch oxidationsbeständig ist. Die Schutzschichten können nach herkömmlichen Aufstäubungsverfahren hergestellt werden.

Dank der Aufbringung der vorstehend beschriebenen zweiten Passivierschicht ist es möglich, die eigentliche Passivierschicht aus dem amorphen Material gegenüber jeder Veränderung, wie z. B. Oxidation während einer sehr langen Zeitdauer, zu schützen. Dabei sollte die Dicke di der zweiten transparenten Isolierschicht so gewählt werden, daß cfe = A₂/2, wobei A₂ die Wellenlänge des Laserlichts in der zweiten transparenten Isolierschicht bedeutet Dann wird die Passivierwirkung des amorphen Materials nie beeinträchtigt. Für praktische Anwendungen ist es ausreichend, daß <4=λ₂/2(1±03).

Fig.2 zeigt einen beispielsweisen Aufbau eines so Halbleiterlasers, der mit einer aus einem amorphen Material gebildeten Passivierschicht 6 und einer über der Passivierschicht 6 abgeschiedenen zweiten Isolierschicht 9 versehen ist

Der Laseraufbau ist in einer Schnittdarstellung nach

45

die elektrische Feldstärke des Lichts (I) bei einem Minimalwert von /o/n.

In der Praxis können durch Festsetzen der Dicke der
Passivierschicht derart, daß d= (1 ±03), die mit der
Erfindung angestrebten vorteilhaften Wirkungen be- 55 einer zu der Richtung, in der das Laserlicht ausgestrahlt friedigend erreicht werden. wird, parallelen Linie gezeigt In Fig. 1 und 2 sind

gleiche Bezugsziffem zur Beteichnung gleicher oder ähnlicher Teile verwendet
Nimmt man an, daß die Dicke der amorphen Schicht 6

60

Das zu verwendende amorphe Material kann nach einem reaktiven Zerstäubungsverfahren, durch Zersetzung von Silan mittels Glimmentladung oder dgL Verfahren hergestellt werden.

Bei der Durchführung des reaktiven Zerstäubungsverfahrens kann eine herkömmliche Zerstäubungsvorrichtung verwendet werden. Die Zerstäubung kann in der Atmosphäre eines Wasserstoff enthaltenden Edelgases (Argon wird in den meisten Fällen verwendet) erfolgen, wobei Silizium zur Bildung eines zu zerstäubenden Targets verwendet wird. Der Gasdruck kann in einem zur Aufrechterhaltung einer Glimmentladung gleich λ/4 ist, während die Dicke der zweiten Isolierschicht 9 gleich A₂/2 ist so ergibt sich für das Reflexionsvermögen der Laserendfläche

(W₀H₀ + /!²)²

worin /3b den Brechungsindex von Luft (d. h. gleich 1), n„ den wirksamen Brechungsindex des aktiven Bereichs 3

des Halbleiterlasers und η den Brechungsindex der amorphen Schicht 6 bedeuten.

Man stellt fest, daß das Reflexionsvermögen das gleiche wie in dem Fall bleibt, wo die zweite Isolierschicht 9 abwesend ist. Die Lichtstärken an der Grenzfläche zwischen der zweiten Isolierschicht 9 und der amorphen Schicht 6 sowie an der Grenzfläche zwischen der zweiten Isolierschicht 9 und Luft bleiben gleich wie die Lichtstärke an der Grenzfläche zwischen der Passivierschicht und Luft im Fall, wo die zweite Isolierschicht 9 abwesend ist. Mit anderen Worten wird die Passivierwirkung der amorphen Schicht 6 durch die Gegenwart der Schutzschicht 9 nicht ungünstig beeinflußt.

Im folgenden werden einige Beispiele im einzelnen beschrieben:

Beispiel 1

Ein Halbleiterlaser eines an sich bekannten Doppel- · heteroaufbaus, der aus einem GaAIAs-Kristali gebildet ist, ist in F i g. 1 in Perspektivansicht dargestellt. In dieser Figur erkennt man eine positive Elektrode 1, eine P-Schicht 2 aus Gai -,AI₁As /Ά:=0,6) mit einer Dicke von 2 μπι und einer Dotierung mit Zn in einer Konzentration von etwa 1O¹⁷Cm-³, eine undotierte Schicht 3 aus Gai-_>Al_>Asi)'=0,15) mit einer Dicke von 0,1 μίτι, die als aktive Schient dient, eine N-Schicht 4 aus Gai_*AL.As (z=0,6) mit einer Dicke von etwa 3 μπι und einer Te-Dotierung mit einer Konzentration von etwa 10¹⁸ cm"³, eine P-Schicht 7 aus GaAs mit einer Dicke von etwa 1 μπι, ene negative elektrode 5, ein Substrat 8 aus GaAs und eine Isolierschicht 10.

Außerdem ist in F i g. 1 eine hydrierte amorphe Siliziumschicht 6 dargestellt. Diese amorphe Siliziumschicht wurde durch Aufstäuben von Silizium gebildet. Eine Vorrichtung eines herkömmlichen Diodentyps wurde zum Aufstäuben verwendet. Als Target wurde ein Siliziumeinkristall mit einer hohen Reinheit (99,9999999%) verwendet. Der hergestellte Halbleiterlaser wurde dicht auf einem wassergekühlten Probenhalter montiert, wobei die zur optischen Achse des Lasers senkrechte Fläche zum Target ausgerichtet war.

Um eine Abscheidung des amorphen Siliziummaterials auf der Oberfläche außerhalb der sich senkrecht zur optischen Achse des Lasers erstreckenden Fläche zu verhindern, kann ein Paar von Platten aus rostfreiem Stahl, Einkristallplatten aus GaAs od. dgl. jeweils mit einer der Länge des Lasers in dessen Axialrichtung im wesentlichen gleichen Dicke auf dem wassergekühlten Probenhalter angeordnet werden, so daß der Laser dicht zwischen den paarweisen Platten in der Dickenrichtung laminiert eingeklemmt werden kann. Eine Vakuumkammer der Aufstäubungsvorrichtung wurde mit einer Gasmischung aus Argon (80%) und Wasserstoff (20%) bei einem Gesamtdruck von 1 Pa (etwa 0,007 Torr) gefüllt. Der Zwischenelektrodenraum wurde mit 40 mm gewählt. Das Zerstäuben wurde mit einer Eingangshochfrequenzleistung von 250 W mit einer Frequenz von etwa 13,65MHz durchgeführt. Nach einem Zeitverlauf von etwa 150 s seit Beginn des Aufstäubens konnte eine hydrierte amorphe Siliziumschicht in einer Dicke von 56 nm auf der Fläche des Halbleiterlasers gebildet werden.

Der so hergestellte Halbleiterlaser eignet sich zur Aussendung von Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von etwa 770 nm mit einem Strom von nicht weniger als 106 mA. Die Wellenlänge des Laserlichts ist in der amorphen Siliziumschicht 225,1 nm. Demgemäß entspricht die Dicke von 56 nm gerade einem Viertel der Wellenlänge.

Von der aktiven Schicht 3 ausgestrahltes Laserlicht interferiert mit von der Grenzfläche zwischen der amorphen Schicht 6 und Luft reflektiertem Licht, wodurch ein Schwingungsknoten einer stehenden Welle an der Grenzfläche zwischen der aktiven Schicht 3 und der Schicht 6 unter merklicher Verringerung der Lichtstärke gebildet wird. In diesem Fall beträgt bei Annahme, daß der Brechungsindex der Schicht durch η dargestellt wird, die elektrische Feldstärke des Lichts an dieser Grenzfläche Mn im Vergleich Vergleich mit dem Fall, wo keine Schicht vorgesehen ist oder die Schichtdicke gleich λ/2 ist. Da η=3,4 im Fall des amorphen Siliziums ist, ist die elektrische Feldstärke des Lichts gleich 1/3,4. Demgemäß ist die Lichtstärke gleich (1/3.4)². Natürlich bleibt die Stärke des ausgestrahlten Lichts unveränderlich. In dieser Weise wird die Schädigung aufgrund der an dieser Grenzfläche proportional zur Lichtstärke ablaufenden photochemischen Reaktion merklich verringert. Andererseits wird die Grenze der maximalen optischen Ausgangsleistung aufgrund der durch die elektrischen Feldstärke des Lichts bestimmten katastrophalen Degradation merklich erhöht.

Vorteilhafte Merkmale des vorstehend beschriebenen Halbleiterlaserelements lassen sich folgendermaßen zusammenfassen:

Aluführungsbeispiel	Stand der Technik	λ/2 (220 nm)
der Erfindung		032
Altes der Schichten	Al₂O₃	100 mA
amorphes Silizium		80 mW
(enthaltend 17% H)
i/4(56nm)	i/4 (110 nm)
0,28	0,0065
106 mA	keine Laserstrahlung
27OmW	keine Laserstrahlung

Schichtdicke Berechnungsvermögen an der Fläche Schwellenstrom Maximale optische Ausgangsleistung

(Durchbrachsgrenze der Fläche)

Lichtstärke an der Fläche

(proportional zur Verschlechterungsrate

photomechanischer Reaktion)

bei optischer Ausgangsleistung von 30 mW

Die Dicke der amorphen Siliziumschicht, die es ermöglicht, daß die maximale optische Ausgangsleistung dieses Lasers doppelt so hoch wie die des bisher 2,6 mW

keine Laserstrahlung 30 mW

bekannten Laserelements ist, ergibt sich durch λ/4 (1 ±0,28), d. h. im Bereich von 72 bis 40,6 nm, während die Dicke, die es ermöglicht, daß die Ausgangsleistung

dreimal so hoch wie oder viel höher als die des bisher bekannten Lasers ist, sich durch λ/4 (1 ±0,10), d.h. im Bereich von 62 bis 50,6 nm ergibt.

Mit dem Wasserstoffgehalt χ von 0,01, 0,03, 0,05, 0,2 usw. in der amorphen Siliziumschicht konnten gleichartige Ergebnisse erhalten werden.

Beispiel 2

Im Fall des Beispiels 1 wurde angenommen, daß nur die hydrierte amorphe Schicht verwendet wird. Jedoch können ähnliche oder gleichwertige Wirkungen auch mit einem Vielschichtaufbau erzielt werden, wovon ein Beispiel im folgenden beschrieben wird. Nach den gleichen Verfahrensschritten, wie sie im vorstehenden Beispiel durcheführt wurden, wurde eine hydrierte amorphe Siliziumschicht mit einem Wasserstoff gehall χ von 0,17 und einer Dicke von 56 nm auf der Fläche des hergestellten Halbleiterlasers abgeschieden. Anschließend wurde ein Al₂O₃-Schicht von 22(1 nm Dicke auf der hydrierten amorphen Schicht nach einem Aufstäubungsverfahren abgeschieden. Zur Abscheidung der Al₂O₃-Schicht wurde die im vorigen Beispiel durch Einkristallsilizium gebildete Targetelektrode durch eine Elektrodenplatte aus AI₂O₃ ersetzt., während kein Wasserstoff enthaltendes Argongas als Gasatmosphäre verwendet wurde.

Da die Dicke der AI₂O3-Schicht gerade λ/2 im Maß der Wellenlänge des Laserlichts entspricht, sind das Reflexionsvermögen, das innerhalb des Lasers beobachtet wird, sowie die elektrische Feldstärke des Lichts an der Grenzfläche zwischen dem Laser und der hydrierten amorphen Siliziumschicht völlig die gleichen wie im Fall, wo keine AI₂O₃-Schicht vorhanden ist. So sind die erreichten verschiedenen Eigenschaften des Lasers gleich denen, die in der bereits angegebenen Tabelle zusammengefaßt sind. Der Laser mit dem Zweischichtaufbau, wie er nach diesem Beispiel verwirklicht wurde, kann eine hohe Stabilität über eine lange Zeitdauer

·> aufweisen, da die Oberfläche der hydrierten amorphen Siliziumschicht aufgrund der Gegenwart der AI₂Oj-Schicht gegen Oxydation geschützt ist.

Im Fall der Laserwellenlänge von 770 nm sind die geeigneten Dicken verschiedener transparenter Isolierschichten folgende:

SiO₂:

MgO:

TiO₂:

etwa 260 nm
etwa 220 nm
etwa 154 nm

Vorstehend wurde der GaAIAs-Ha'blcitcrlascr mit einer Laserwellenlänge von etwa 770 nm beschrieben. Jedoch können selbstverständlich ähnliche Wirkungen für die Laserelemente mit unterschiedlichen Laserwellenlägen erhalten werden, indem man die Schichtdicke an die Laserwellenlängen entsprechend anpaßt.

Beispiel 3

Im Fall des Halbleiterslasers unter Verwendung anderer Materialien als denen der GaAlAs-Gruppe sind die Brechungsindizes der Halbleiterkristalle im wesentlichen im Bereich von 3.4 bis 3,6, der mit dem Bereich der Brechungsindizes des hydrierten amorphen Siliziums übereinstimmt. So können den oben beschriebenen jo gleichwertige Wirkungen erhalten werden. Beispiele der Erfindung in Anwendung auf InGaAsP-, InGaP- und PbSnTe-Halbleiterlaser sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

	Material	Ino.48Gao.52P	PbSnTe
	•no.73Gao.27Aso.63Po.37	3,4	3,8
Berechriungsindex	3,6	0,7//m	6//m
Laserwellenlänge	1,3 j/m	51,2 nm	439 nm
Dicke der wasserstoffhaltigen amorphen	95 nm
Siliziumschicht (« = 3,42, /1/4)		1,0	1,15
Verbesserungsfaktor des Schwellenstroms,	1,06	(unverändert)
der der amorphen Schicht zuzuschreiben ist	(Male)	3,4	3,4
Verbesserungsfaktor der maximalen optischen	3,4
Ausgangsleistung	(Male)	11	11
Verringerungsfaktor der	11
Flächendegradationsrate	(Male)

Wie man der vorstehenden Beschreibung entnimmt, ermöglicht die Verwendung der hydrierten amorpher. Schicht als Schulzschicht an der optischen Ausgangsfläche der Halbleiterlaser eine erhebliche Unterdrückung des Anstiegs des Schwellenstroms. Außerdem lassen sich durch Auswählen der Schichtdicke gleich λ/4 oder m - λ/4, worin m eine ungerade ganze Zahl darstellt, überrraschende Verbesserungen bezüglich der maximalen optischen Ausgangsleistung sowie der Verschlchterungsneigung der Fläche erzielen. Die Erfindung kann man vorteilhaft auf Halbleiterlaser allgemein, wie z. B. Vierelementlaser einschließlich der GaAlAs-Laser, InGaAsP-Laser und GaAlAsP-Laser, Dreielementlaser einschließlich der InGaP-Laser und GaAsP-Laser, PbSnTe-Laser anwenden.

Beispiel 4
Es wird ein Halbleiterlaser eines Doppelheteroaufbaus mit einer an sich bekannten, aus
In_xGa, -,As^P, __r Kristall

(x=0,73 und y=0,63) bestehenden aktiven Schicht hergestellt Der Aufbau dieses Laserelements ist im wesentlichen der gleiche wie der in F i g. 1 dargestellte. Der Laser gibt Laserstrahlung bei einer Wellenlänge von etwa 1,3 urn ab. Für die in Fig. 1 gezeigte Passivierschicht 6 wird eine hydrierte amorphe Schicht aus Silizium-Germanium verwendet Dabei wurde eine polykristalline, 10 at % Ge enthaltende Si—Ge-Legierung als Aufstäubungstarget verwendet Selbstverständlich kann auch eine feine Gruppierung von Si- und Ge-Kristallen, die auf dem Target in einem Flächenverhältnis von z. B. 9:1 angeordnet ist anstelle der vorstehend beschriebenen Legierung verwendet werden. Die Aufstäubungsbedingungen entsprechen denen vorher im Zusammenhang mit Beispiel 1 beschriebenen.

Eine hydrierte amorphe Schicht aus Si-Ge konnte auf der Fläche des Halbleiterlasers in einer Dicke von 90 nm gebildet werden. In diesem Beispiel sind die Gehalte von Si und Ge in der amorphen Schicht im Verhältnis von 7 :3, während der Gehalt χ an Wasserstoff 0,1 ist. Di Dicke von 90 nm entspricht gerade einem Viertel der Wellenlänge des Laserlichts in der amorphen Schicht. Der von der amorphen Schicht gezeigte Brechungsindex von 3,6 ist höher als der der kein Germanium enthaltenden Schicht und kommt dem wirksamen Brechungsindex des Lasers nahe. So kann eine Änderung im Reflexionsvermögen an der Fläche in Abhängigkeit von der Schichtdicke vorteilhaft verringert werden.

In dieser Weise ist die hydrierte amorphe Schicht aus Silizium und Germanium als Passivierschicht insbesondere für einen Laser sehr wirksam, der einen hohen wirksamen Brechungsindex bei einer verhältnismäßig großen Wellenlänge zeigt.

Beispiel 5

Ein Halbeiterlaser mit einem Doppelheteroaufbau und einer aus einem Gai-<Al_vAs-Kristall (x=0,3) gebildeten aktiven Schicht wird hergestellt. Der Aufbau ist im wesentlichen der gleiche wie der in F i g. 1 gezeigte. Der Laser gibt Laserstrahlung bei etwa 720 nm ab. Die in Fig. 1 gezeigte Passivierschicht 6 wurde aus einer hydrierten amorhen Silizium-Kohlenstoff-Schicht gebildet. Hierbei bestand das Aufstäubungstarget aus Siliziumkristallplättchen und Graphitplättchen mit Breiten von 16 bzw. 4 mm in abwechselnder, streifenartiger, dicht aufeinanderfolgender Anordnung. Das Flächenverhältnis von Silizium und Graphit in der Targetebene ist 4 :1. Durch die gleichen Aufstäubungsverfahren, wie sie im Beispiel I erwähnt wurden, konnte das in der Schicht enthaltene Verhältnis von Si zu C in der Größenordnung von 10:1 erhalten werden. Durch

ίο dieses Verfahren ließ sich eine hydrierte amorphe Schicht aus Silizium-Kohlenstoff auf der Fläche des Halbleiterlasers in einer Dicke von 60 nm bilden. Der Wasserstoffgehalt χ war 0,1. Die Dicke von 60 nm entspricht einem Viertel der Wellenlänge des Laserlichts in der amorphen Schicht. Der Brechungsindex der amorphen Schicht ist niedriger als der der kein Kohlenstoff enthaltenden hydrierten amorphen Siliziumschicht. Der Verbesserungsfaktor der maximalen optischen Ausgangsleistung ist im wesentlichen dem in dem im Beispiel 1 beschriebenen Laser erzielten gleichwertig Die einen Kohlenstoffzusatz enthaltende amorphe Zusammensetzung kann vorteilhaft die Rate der Degradation der Eigenschaften, die allmählich über eine lange Zeitdauer fortschreitet, verringern. Dieses Merkmal läßt sich um einen Faktor von etwa 1,3 oder mehr im Vergleich mit dem Fall verbessern, in dern kein Kohlenstoff zugesetzt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiterlaser mit einer auf wenigstens einer seiner optischen Ausgangsflächen abgeschiedenen, transparenten Schicht aus einem anorganischen Material, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (6) aus amorphem Material besteht, das eine Zusammensetzung