DE2716750A1 - Halbleiterlaser - Google Patents

Description

- 11 Beschreibung 27167^0

Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiter-Diodenlaser mit Doppelhetero-Aufbau und betrifft insbesondere einen derartigen Halbleiterlaser mit stabilisiertem Laserbetrieb und hoher Zuverlässigkeit.

Halbleiterlaser bilden als Lichtquellen in optischen Nachrichtensystemen unentbehrliche Bauelemente. Bekanntlich wird der Doppelhetero-(DH-)Aufbau für Halbleiterlaser verwandt, die bei Zimmertemperatur effektiv arbeiten. Ein typischer Aufbau für den am weitesten entwickelten GaAs-GaAlAs-Doppelhetero-Halbleiterlaser ist in Fig. 1a und 1b gezeigt. Fig.1a veranschaulicht dabei einen Schnitt durch das Bauelement in einer Richtung parallel zur Lichtausbreitungsrichtung, während Fig. 1b einen Schnitt durch dasselbe Bauelement senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung zeigt. Ein derartiges Bauelement wird gewöhnlich so erzeugt, daß auf einem n-GaAs-Substrat 1 eine einem zweiten Halbleiter entsprechende Schicht 2 aus n-Ga.. Al As (mit χ beispielsweise = 0, 3)» eine einem ersten Halbleiter entsprechende Schicht 3 aus p-GaAs, eine einem dritten Halbleiter entsprechende Schicht 4 aus P-Ga₁ Al As (mit χ beispielsweise etwa 0,3) und eine Schicht 5 aus p-GaAs zum elektrischen Anschluß an eine positive Elektrode 6 nacheinander durch Jeweils epitaxiales Wachstum aus der flüssigen Phase gezüchtet, sodann Elektroden ausgebildet und die Kristalle unter Bildung von Reflektionsflächen 8 gespalten werden. Mit 7 ist eine negative Elektrode bezeichnet. Wird dieser Laser bei 2,2 V und 100 mA (2 kA/cm ) bei Zimmertemperatur betrieben, so ergibt sich eine kontinuierliche Licht-Ausgangsleistung von cirka 10 mW bei cirka 8900 8 unter CW-Be-

30 dingungen.

Ein Laser mit dem obigen Aufbau läßt sich leicht und mit hoher Produktionsausbeute herstellen; er weist auch lange Lebensdauer und hohe Zuverlässigkeit auf. Ein derartiger Laser ist aber insofern mit Fehlern behaftet, als der Laserbetrieb instabil wird. Genauer gesagt, weist in dem obigen Aufbau der Bereich der ersten Laserschicht 3 unter der positiven Elektrode 6 eine Laser-Wirkung auf; da sich jedoch der

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Brechungsindex in x-Richtung in dieser Schicht unabsichtlich ändert, wird der Laserbetrieb in dieser x-Richtung durch schwache Brechungsindex- und Verstärkungsfaktor-Profile bzw. -änderungen bestimmt, die bei Auftreten eines elektrischen Stromes entstehen. Diese Brechungsindex- und Verstärkungsfaktor-Profile ändern sich merklich mit dem Erregerstrom oder der Temperatur und hängen von der Konfiguration des Bauelements, etwa der Schichtdicke, ab. Daher ist der Laserbetrieb gewöhnlich mit sehr unregelmäßigen Änderungen be-

10 haftet und nicht reproduzierbar. Diese Instabilität im

Transversalmodus beeinträchtigt die Linearität der Kennlinie Erregerstrom zu Licht-Ausgangsleistung. Wird eine Modulation unter Impulsvorspannung durchgeführt, so ergeben sich instabile Änderungen in der Licht-Ausgangsleistung, der Rauschabstand wird verschlechtert, und die Richtwirkung des Ausgangslichts wird instabil, weshalb es schwierig wird, die Licht-Ausgangsleistung mit hohem Wirkungsgrad stabil in weitere optische Systeme, etwa Lichtleitfasern, einzuleiten. Die praktische Anwendung eines derartigen Lasers ist daher

20 mit verschiedenen Problemen verbunden.

Es sind verschiedene Versuche unternommen worden, die genannten Nachteile zu beseitigen. Beispielsweise ist ein Laser der sogenannten BH-Struktur (buried hetero structure) entwickelt worden (T. Tsudaka, J. Appl. Phys., 4j>, 4897 (1957)). Ein Querschnitt durch diesen ^aser ist in Fig. 2 gezeigt. Gemäß Fig. 2 ist eine p-GaAs-Schicht 3, die einen laser-aktiven Bereich bildet, von einer n-Ga,, Al As-Schicht

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2, einer P-Ga₁ „Al As-Schicht 4 und einer n-Ga,, „Al As-

I ™X X I ^eX X

Schicht 9 umgeben, die alle einen kleineren Brechungsindex haben als die Schicht 3. In dieser Anordnung tritt auch in x-Richtung eine definierte Änderung des Brechungsindex auf. Daher ist der Transversalmodus stabilisiert, und die bei dem Aufbau des Bauelements nach Fig. 1a und 1b auftretenden charakteristischen Schwierigkeiten werden vermieden. Um das in Fig. 2 gezeigte Bauelement herzustellen, werden auf einem n-GaAs-Substrat 1 durch epitaxiales Wachstum aus der flüssigen Phase nacheinander eine n-Ga^Al_xAs-Schicht 2, eine p-GaAs-

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Schicht 3 und eine P-Ga₁ Al As-Schicht 4 geformt, woraufhin die so gebildete Struktur zu einer Mesa-Streifenform verarbeitet und eine ^Ga₁ Al As-Schicht 9 durch epitaxiales

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Wachstum aus der flüssigen Phase geformt wird. Die Verfahrensschritte bei der Herstellung sind also kompliziert, und die Fertigungsausbeute ist sehr gering. Darüber hinaus besteht ein weiterer Nachteil darin, daß während des Herstellvorgangs, insbesondere bei dem erneuten Wachstum, leicht Kristallfehler verursacht werden, die bestimmte Faktoren bezüglich der praktischen Verwertbarkeit, wie etwa die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit, beeinträchtigen.

Als Lichtquelle für in einem einzelnen Modus arbeitende Lichtfaser-Übertragung oder für Lichtinformations-Verarbeitungseinrlchtungen wie etwa Videoplatten ist ein punktförmiger Laser anwendbar, der einen Laserbetrieb in dem einzigen Transversalmodus gestattet. Es besteht daher Bedarf an einem Laser, der die auf diesen Anwendungsgebieten vorhandenen Anforderungen erfüllt. Dabei ist es auf diesen Anwendungsgebieten generell erforderlich, daß die Breite des Ausgangs-Lichtflecks etwa 1 μπι bis etwa 8 pm beträgt.

Als Laser, bei denen ein einzelner Transversalmodus-Betrieb in der Übergangsfläche des Lasers auftritt, wären der in Fig. 2 gezeigte Laser mit dem oben erwähnten BH-Aufbau sowie ein Laser mit Transversal-Übergangsstreifen (IEEE Journal of Quantum Electronics, Band QE-11, Nr. 7, Juli 1975) zu erwähnen. Der erstgenannte Laser ist insofern nachteilig, als die Breite des Lichtflecks auf etwa 1 Mm oder weniger begrenzt ist und das Kristallwachstum zweimal durchgeführt werden muß. Der letztere Laser hat den Nachteil, daß nach dem Kristallwachstum sogar bis in den laseraktiven Bereich tief eindiffundiert werden muß und vollständige Zuverlässigkeit nicht zu erreichen ist.

Der Erfindung liegt die generelle Aufgabe zugrunde, Nachteile, wie sie bei bekannten Halbleiterlasern auftreten, mindestens teilweise zu beseitigen und insbesondere einen Halbleiterlaser zu schaffen, der frei ist von den oben erwähnten Nachteilen des Doppelheteroaufbaus, einen stabilen

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Laserbetrieb gestattet und sich leicht herstellen läßt. Eine weitere Aufgabe kann darin gesehen werden, einen Halbleiterlaser zu schaffen, der eine niedrige Schwellenstromdichte zur Stabilisierung des Laserbetriebs aufweist. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Aufbau für einen Halbleiterlaser zu vermitteln, der außer einem stabilen Laserbetrieb hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer aufweist. Zur Aufgabe der Erfindung gehört es ferner, einen Halbleiterlaser zu realisieren, bei dem eine einzelne grundsätzliche Arbeitsweise mit stabilem Lasermodus möglich 1st.

Das erfindungsgemäße Halbleiter-Bauelement umfaßt ein Halbleitersubstrat und mehrere darauf aufgebrachte Halbleiterschichten, zu denen eine aus einem ersten Halbleiter bestehende erste Halbleiterschicht gehört, die zwischen einer zweiten und einer dritten Hälbleiterschicht angeordnet ist, wobei die zweite und die dritte Halbleiterschicht einen breiteren Bandabstand aufweisen als die erste Halbleiterschicht, und wobei seitlich eines laser-aktiven Bereichs der ersten Halbleiterschicht ein laser-inaktiver Bereich angeordnet ist, dessen effektiver komplexer Brechungsindex von dem des leseraktiven Bereichs verschieden ist.

Die bei konventionellen Halbleiterlasern auftretenden oben genannten Probleme werden erfindungsgemäß durch einen Halbleiterlaser mit dem nachstehend im einzelnen beschriebenen Aufbau überwunden.

Zunächst soll der Kerngedanke des erfindungsgemäßen Aufbaus für ein Halbleiter-Laserbauelement eines ersten Typs beschrieben werden. Bei diesem sind mit beiden Seiten einer aus einem ersten Halbleiter bestehenden ersten Halbleiterschicht eine zweite und eine dritte Halbleiterschicht verbunden, die jeweils aus einem Halbleiter bestehen, dessen Bandabstand größer und dessen Brechungsindex kleiner ist als der des ersten Halbleiters. In der zweiten und/oder der dritten Halbleiterschicht besteht ein Dickenunterschied mindestens in einer Grenze zwischen dem laseraktiven Bereich und dem anderen Bereich, wobei längs des in seiner Dicke verminderten Bereichs der Halbleiterschicht eine Halbleiterschicht

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angeordnet ist, deren komplexer Brechungsindex von dem der Halbleiterschicht verschieden ist.

Diese in der Dicke variierende Halbleiterschicht (d.h. die zweite Schicht oder die dritte Schicht oder beide Schichten) ist derart angeordnet, daß der laseraktive Bereich einem Bereich größerer Dicke und der übrige Bereich einem solchen geringerer Dicke entsprechen. Bei dieser Anordnung werden bezüglich des optischen Verstärkungsfaktors gute Ergebnisse erzielt, Die Gründe dafür gehen aus der nachstehenden Beschreibung hervor. Selbst in der umgekehrten Anordnung, d.h. wenn sich die Dicke derart ändert, daß der laseraktive Bereich einem Bereich geringerer Dicke und der laser-inaktive Bereich einem Bereich größerer Dicke entsprechen, läßt sich in ähnlicher Weise in dem vorgeschrie- benen Bereich ein Laserlicht einschließender Effekt erreichen.

Nach einer Variante des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers ist auf dem Halbleitersubstrat eine vierte Halbleiterschicht ausgebildet, auf der eine streifenförmige Nut ge- formt ist, wobei auf der vierten Halbleiterschicht erste bis dritte Halbleiterschichten angeordnet sind. Wird die vierte Halbleiterschicht mit einem zu dem Substrat entgegengesetzten elektrischen Leitungstyp versehen, so läßt sich erreichen, daß in dem Abschnitt der Nut selektiv elektrischer Strom fließt. Wird andererseits die vierte Halbleiterschicht mit dem gleichen elektrischen Leitungstyp wie das Substrat und mit einem höheren spezifischen Widerstand als die in der Nut befindlichen Halbleiter ver sehen, so läßt sich die Ausbreitung des elektrischen Stromes vermindern. Außerdem arbeitet diese vierte Halbleiterschicht als sogenannte Pufferschicht, wodurch Fehler erheblich verringert werden. Somit läßt sich ein Halbleiter mit langer

Lebensdauer und hoher Produktionsausbeute errreichen.

Nach einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers wird die Breite des Bereichs mit der großen Dicke der zweiten oder dritten Halbleiterschicht auf den Bereich von 2 Mm bis 8 um und die optischen Verluste in dem optischen Wellenleiter des Bereichs mit der großen

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Dicke um mindestens 40 cm" unter dem Wert der Verluste in dem optischen Wellenleiter des benachbarten Bereichs geringer Dicke eingestellt, wodurch sich ein Halbleiterlaser erzielen läßt, bei dem der Laserbetrieb in dem stabilen niedrigsten Transversalmodus erfolgt. In dieser Variante erfüllt der Laser vollständig die Forderung, in einem einzigen Modus zu arbeiten.

Nach einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers ist auf der zweiten oder der dritten Halbleiterschicht auf der Seite der ersten Halbleiterschicht ein streifenförmiger Vorsprung ausgebildet, und die erste Halbleiterschicht springt längs dieses Vorsprungs vor, so daß sich der Brechungsindex bezüglich der Transversalrichtung des laseraktiven Bereichs der ersten Halbleiterschicht ändert.

Der erfindungsgemäße Halbleiterlaser umfaßt also einen eingebauten passiven FUhrungsmechanismus längs der übergangsebene, der durch Aufwachsen von planaren Doppelhetero-Schichten auf einem mit einer Nut oder einem Vorsprung versehenen Substrat gebildet ist. Dieser Laser arbeitet im niedrigsten Transversalmodus stabil und vermittelt eine Kennlinie Licht-Ausgangsleistung zu Strom, die frei von Knicken oder sonstigen Anomalien ist.

Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen Flg. 1a, auf die schon Bezug genommen wurde, einen parallel zur Lichtausbreitungsrichtung gelegten Schnitt durch einen herkömmlichen Halbleiterlaser mit Doppelhetero-Aufbau;

Fig. 1b, auf die ebenfalls schon Bezug genommen wurde, einen senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung gelegten Schnitt durch den Halbleiterlaser nach Fig. 1a; Fig. 2, die ebenfalls schon erwähnt wurde, einen Schnitt durch einen Injektionslaser mit versenkter HeteroStruktur;

Fig. 3 einen Schnitt durch den grundsätzlichen Aufbau eines erfindungsgemäßen Halbleiterlasers; Fig. 4 eine schematische Darstellung des Wellenleiter-709843/0960

aufbaus in dem erfindungsgemäßen Halbleiter-Bauelement ;

Fig. 5 ein Diagramm mit im Innern des erfindungsgemäßen Halbleiter-Bauelements auftretenden Wellenleiter-Profilen, wie sie zu beobachten sind, wenn der Brechungsindex einer zweiten Halbleiterschicht größer als bzw. gleich wie derjenige einer dritten Halbleiterschicht ist, wobei die zweite und die dritte Halbleiterschicht eine erste Hälbleiterschicht sandwichartig einschließen;

Fig. 6 eine typische Lichtleistung/Strom-Kennlinie in einem Halbleiterlaser nach Beispiel 1; Fig. 7a das Fernfeld-Intensitätsprofil in der x-z-Fläche des Halbleiterlasers nach Beispiel 1; Fig. 7b das Fernfeld-Intensitätsprofil in der x-z-Fläche des in Fig. 1a und 1b gezeigten herkömmlichen DH-Lasers;

Fig. 8 Laser-Betriebskennlinien, wie sie bei Änderung der Dicke d einer aktiven Schicht und der Dicke ti eines dünneren Teils der zweiten Halbleiterschicht in dem Halbleiterlaser nach Beispiel 1 zu beobachten sind; Flg. 9 die Beziehungen zwischen der maximalen Dicke tM eines Bereichs geringerer Dicke der zweiten Halbleiterschicht und der Änderung Jth/Jtho der Schwellenstromdichte einerseits zum Brechungsindex der dritten Halbleiterschicht andererseits in einem Halbleiterlaser nach Beispiel 5»

Fig. 10 die gleichen Beziehungen wie in Fig. 9 für den Halbleiterlaser nach Beispiel 6; Fig. 11 die Lichtleistung/Strom-Kennlinie für den Halbleiterlaser nach Beispiel 9; Fig. 12 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes AusfUhrungsbeispiel eines Halbleiterlasers mit einer Pufferschicht;

Fig. 13 einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers, bei dem

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im Innern einer Pufferschicht eine Nut ausgebildet ist;

Fig. 14 einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers mit einer eine Pufferschicht durchsetzenden und bis ins Substrat reichenden Nut;

Fig. 15 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer InP-GalnAsP-Halbleiterreihe mit dem erfindungsgemäßen Aufbau;

Fig. 16 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus, wie er zur Realisierung eines Laserbetriebs mit einem einzelnen Modus in dem erfindungsgemäßen Halbleiter-Bauelement dient; Fig. 17 die Beziehung zwischen der Schwellenver-Stärkung Gth und der Dicke ti des Bereichs geringer Dicke der zweiten Halbleiterschicht, wenn die Dicke d der aktiven Schicht 0,1 μπι beträgt, mit der Nutbreite W als Parameter;
Fig. 18 die Beziehung zwischen der Änderung des Verhältnisses aus der Schwellenverstärkung F'th beim Betrieb in Transversalmodus erster Ordnung zur Schwellenverstärkung Gth beim Betrieb im niedrigsten Transversalmodus einerseits und den Werten ti und W andererseits, wenn die Dicke d der aktiven Schicht 0,1 μπι

25 beträgt;

Fig. 19 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Bauelements zur Realisierung eines Laserbetriebs mit einem einzelnen Modus in dem erfindungsgemäßen Halbleiterlaser;

Fig. 20 das Nahfeld-Intensitätsprofil des Halbleiterlasers nach Beispiel 19;

Fig. 21 Ergebnisse einer Auswertung der Stabilität des Laserbetriebs für einen erfindungsgemäßen Halbleiterlaser, bei dem d 0,1 μπι beträgt, ti im Bereich von 0,1 bis 0,8 μΐη und W im Bereich von 1 bis 10 μΐη liegt; Fig. 22 einen Schnitt durch ein* Ausführungsbeispiel eines Bauelements, bei dem an der dritten Häbleiter-

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schicht ein dicker und ein dünner 'bschnitt ausgebildet sind;

Flg. 23 einen Schnitt durch einen Halbleiterlaser, bei dem der Brechungsindex in Transversalrichtung des aktiven Bereichs durch Krümmung der aktiven Schicht geändert ist;

Fig. 24 eine Darstellung zur Veranschaulichung des Lichtleiteraufbaus in dem Halbleiterlaser nach Fig. 23; Fig. 25 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel des Halbleiterlasers, bei dem die optische Begrenzung in Transversalrichtung des aktiven Bereichs durch Krümmung der aktiven Schicht erreicht ist; Fig. 26 Lichtleistung/Strom-Kennlinien des Halbleiterlasers nach Beispiel 21;

Fig. 27a das Fernfeld-Intensitätsprofil in der x-z-Fläche des Halbleiterlasers nach Beispiel 21; Fig. 27b das Fernfeld-Intensitätsprofil des Halbleiterlasers nach Fig. 1a und 1b; Fig. 28 die Lichtleistung, die erzielt wird, wenn der Halbleiterlaser nach Fig. 25 bzw. der Halbleiterlaser nach Fig. 1a und 1b unter Impulsvorspannung ausgesteuert werden;

Fig. 29 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Konzepts eines Halbleiterlasers, bei dem die Breite einer streifenförmigen Nut bzw. eines streifenförmigen Vorsprungs variiert;

Fig. 30 das Fernfeld-Intensitätsprofil in der x-z-Fläche des Halbleiterlasers nach Fig. 29; Fig. 31 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Konzepts eines Halbleiterlasers, bei dem eine etreifenförmige Nut bzw. ein streifenförmiger Vorsprung gekrümmt ist;

Fig. 32 einen Schnitt durch eine Variante des Halbleiterlasers nach Fig. 25, wobei die Dicke der aktiven Schicht

35 variiert;

Fig. 33a das Nahfeld-Intensitätsprofil in x-Richtung des Lichtleiters in dem Halbleiterlaser nach Fig. 32; Fig. 33b das gleiche Profil für den BH-Laser nach

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Fig. 2;

Fig. 34 einen Schnitt durch ein AusfUhrungsbeispiel, bei dem mehrere Halbleiterlaser nach Fig. 25 miteinander verbunden sind;

Fig. 35a Laserspektren für die Halbleiterlaser der Beispiele 21 bis 24;

Fig. 35b das Laserspektrum für den zusammengesetzten Halbleiterlaser nach Fig. 34; und Flg. 36 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Halbleiterlasers der InP-GaInAsP-Reihe mit gekrümmter aktiver Schicht.

Im folgenden soll das Prinzip der Erfindung anhand von Fig. 3 erläutert werden, in der die Hauptteile für ein typisches Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen HaIbleiterlasers im Schnitt gezeigt sind.

In Fig. 3 bedeutet 11 ein Kristallsubstrat mit einer eingeformten streifenförmigen Nut, wobei auf dem Substrat die im folgenden beschriebenen Schichten nacheinander aufgewachsen sind. Eine zweite Halbleiterschicht 12 weist einen auf das Substrat 11 zu vorspringenden Teil auf. Mit 13 und 14 sind eine erste bzw. eine dritte Halbleiterschicht bezeichnet. Die erste Halbleiterschicht 13, die die Laserfunktion erfüllt, ist sandwich-artig zwischen der zweiten und der dritten Halbleiterschicht 12, 14 angeordnet, wobei die beiden letzteren Schichten jeweils aus einem Halbleiter bestehen, der einen größeren Bandabstand und einen kleineren Brechungsindex aufweist als der die erste Halbleiterschicht 13 bildende Halbleiter. Auf diese Weise wird ein sogenannter ^ Doppelhetero-Aufbau gebildet, bei dem die Ladungsträger und Photonen mit hoher Dichte auf die erste Halbleiterschicht begrenzt werden.

In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel bildet das Kristallsubstrat 11 einen Bereich, der die Wellen absorbiert, die aus dem in seiner Dicke verringerten Bereich der zweiten Halbleiterschicht 12 entweichen, d.h. einen Bereich, in dem der imaginäre Anteil des komplexen Brechungsindex geändert ist. Dieses AusfUhrungsbeispiel soll im folgenden im einzelnen für den Fall beschrieben werden, daß GaAs und GaAlAs als HaIb-

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leiterschichten verwendet werden.

Generell besteht das Substrat aus GaAs oder Ga₁ Al As, während die erste Halbleiterschicht aus Ga₁ Al As und die zweite und die dritte Halbleiterschicht aus Ga₁ Al_xAs bestehen, wobei gewöhnlich die Beziehung 0<z<y<x<1 gilt. Die Dicke ti des in seiner Dicke verringerten Teils der zweiten Halbleiterschicht 12 ist so gering, daß der hintere Teil der längs der ersten Hslbleiterschicht entweichenden Welle das Substrat 11 erreicht. Die Dicke t2 des Teils großer Dicke der zweiten Halbleiterschicht ist ausreichend größer als die Dicke ti.

Dieser Aufbau erfüllt eine Funktion, die der eines Wellenleiters äquivalent 1st, wobei der effektive Brechungsindex und/oder die optische Verstärkung bzw. der optische Verlust sich in x-Richtung der Wellenleiterschicht ändert. Dieser Wellenleiteraufbau ist in Fig. 4 schematisch gezeigt.

Wie dargelegt, ändert sich der Brechungsindex in y-Richtung durch das die Halbleiterschichten 12 und 14 bildende Material selbst. Zusätzlich lassen sich bezüglich der x- Richtung die Bereiche 131 und 132 anordnen, die im effektiven zusammengesetzten Brechungsindex abweichen. In den Bereichen 131 und 132 der Halbleiterschicht 13 unterscheiden sich der effektive Brechungsindex und/oder der optische Verlust bzw. die optische Verstärkung von den entsprechenden Werten der Halbleiterschicht 13 infolge des Durchdringungseffektes der in das Kristallsubstrat 11 entweichenden Welle. Ist der Brechungsindex des Substrats 11 größer als der der Halbleiterschicht 12, so ist der effektive Brechungsindex in jedem der Bereiche 131 und 132 höher als in der Halbleiterschicht 13.

Im entgegengesetzten Fall ist der effektive Brechungsindex jedes Bereichs 131 und 132 kleiner als der der Halbleiterschicht 13. Das gleiche gilt für den optischen Verstärkungsbzw. Verlustfaktor.

Bei einem praktischen Bauelement sind an den Seiten des Substrats und der dritten Halbleiterschicht 14 geeignete

Elektroden angeordnet (wobei die Bezugsziffern 15_t 16, 17 und 18 Teile bezeichnen, die in den nachstehend beschriebenen Bei· spielen Elektroden bilden). Bei dem vorliegenden Aufbau wird

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geführtes Licht verteilt, wobei der Bereich 130 der ersten Halbleiterschicht 13 das Zentrum bildet und das Licht sich in Richtung senkrecht zur Zeichenebene ausbreitet.

Eigenschaften des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers werden von der Dicke der zweiten Halbleiterschicht 12 stärkt beeinflußt. Wie oben dargelegt, wird die Dicke des in seiner Dicke verringerten Teils der Halbleiterschicht 12 so eingestellt, daß der hintere Teil der entweichende Welle das Substrat erreicht. Wird die Tiefe, in der die aus der HaIbleiterschicht 12 entweichende Welle in y-Richtung um 1/e abgeklungen ist, mit r definiert, so läßt sich näherungsweise folgende Gleichung aufstellen:

^r"Tt¹"<3 )² Γ ^? ·, (D

^{Ί +} """"Ret

15 wobei A = ^- ;

2(„₁₃ ² - n₁₂ ² ) ²

A»

2<n * - η

14 '

In den obigen Gleichungen bedeuten λ <ü_e Wellenlänge im freien Raum, n^» ^₁* und n^ die Brechungsindizes der Halbleiterschichten 12, 13 bzw. 14 und d die Dicke der Halbleiterschicht 13. übrigens ist das Verfahren zur Berechnung eines Näherungswertes für die Eindringtiefe in dem Aufsatz von E.A.H. Marchatili in Bell Syst. Tech. J., 48, Seiten 2071 bis 2021 (1969) beschrieben.

Betrachtet man die obige Gleichung, so stellt man fest, daß die entweichende Welle nicht wesentlich über eine Tiefe von 3 r hinaus eindringt. Im Hinblick auf das Prinzip der vorliegenden Erfindung ergibt sich, daß der Betrieb im Transversalmodus um so stabiler ist, Je geringer die Dicke ti ist. Bezüglich der obigen Gleichung läßt sich sagen, daß gute Ergebnisse dann erzielt werden, wenn die Dicke ti des in seiner Dicke verringerten Abschnitts der Halbleiterschicht 12 so eingestellt wird, daß die Bedingung ti g 3 r erfüllt ist.

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In dem vorstehenden Fall, in dem für die Halbleiterschichten GaAs und GaAlAs verwendet werden, liegt d beim tatsächlichen Betrieb im Bereich von etwa 0,05 bis 0,2Mm. In diesem Fall beträgt r etwa 0,3 Mm. Vom praktischen Standpunkt ist es vorteilhaft, wenn ti etwa 0,3 bis 0,7 μηι beträgt (dies gilt wenn der Brechungsindex der zweiten Halbleiterschicht gleich dem der dritten Halbleiterschicht ist; der asymmetrische Fall, bei dem die beiden Brechungs-Indizes verschieden sind, wird weiter unten beschrieben) und t2 hinreichend größer ist als die Eindringtiefe 3 r, insbesondere mindestens etwa 0,9 ^m, beispielsweise etwa 1,5 pm beträgt. Falls in dem Substrat eine Nut ausgebildet ist, so liegt vom praktischen Standpunkt die Breite W der Nut vorzugsweise im Bereich von etwa 1 bis etwa 30 um. Ist die Breite W größer als der angegebene Bereich, so wird es schwierig, die obere Fläche des vorspringenden Teils der zweiten Halbleiterschicht eben zu machen.

Der Halbleiterlaser mit dem obigen Aufbau, bei dem in dem Kristallsubstrat eine Nut ausgebildet ist, weist die folgenden Vorteile auf:

(1) Da sich der Aufbau in einem fortschreitenden epitaxialen Wachstum aus der flüssigen Phase herstellen läßt, kann die Produktion merklich vereinfacht werden.

(2) Während des Herstellvorgangs braucht zur Bildung der Halbleiterschichten 12, 13 und 14 keine Mesa-Xtzung durchgeführt zu werden.

(3) Da eine streifenförmige Planar-Geometrie erreicht wird, hat der sich ergebende Aufbau hervorragende Zuverlässigkeit und ausgezeichnete Wärmediffusionseigenschaften.

In der obigen Anordnung ist die zweite Halbleiterschicht so gebildet, daß sie einen den laseraktiven Bereich bildenden, genügend dicken vorspringenden Teil sowie einen den übrigen Bereich bildenden dünnen Teil umfaßt.

Im folgenden soll die Änderung des effektiven Verlustfaktors des Wellenleiters in x-Richtung für einen Halbleiterlaser mit dem obigen Aufbau beschrieben werden.

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In dem von dem vorspringenden Teil verschiedenen Abschnitt der zweiten Halbleiterschicht erreicht das hintere Ende der entweichenden Welle das Kristallsubstrat 11, wobei ein Teil der Welle in diesem Abschnitt absorbiert wird. Dagegen findet in dem vorspringenden Abschnitt eine derartige Absorption nicht statt. Der effektive Verlustfaktor des Wellenleiters ist daher in dem besagten anderen Abschnitt wesentlich höher als in dem vorspringenden Teil. Infolge dieses Unterschieds in dem effektiven Verlustfaktor werden Lichtwellen in der zur Übergangsfläche parallelen Transversalrichtung geleitet, und der Laserbetrieb wird innerhalb des das Zentrum bildenden Bereichs 130 der ersten Halbleiterschicht 13 über dem vorspringenden Teil der zweiten Halbleiterschicht 12 im Transversalmodus stabil durchgeführt. Diese Eigenschaft beruht auf der Wellenleiterwirkung, die sich aus dem Unterschied im effektiven Verlustfaktor ergibt. Allgemein läßt sich dies dadurch erreichen, daß ein Unterschied im zusammengesetzten Brechungsindex erzeugt wird. Wie aus der obigen Erläuterung des Erfindungsprinzips hervorgeht, hängt der genannte spezielle Effekt nicht von der Verwendung bestimmter Materialbestandteile ab. Mit anderen Worten ist die Erfindung nicht nur auf Laser anwendbar, die mit Materialien der Reihe Ga-Al-As und Ga-Al-As-Sb arbeiten, sondern auch auf Laser mit Materialien der Reihe Ga-Al-As-P, Ga-As-P und In-Ga-As, Halbleiterverbindungen aus Elementen der Gruppen ITI-V und H-V sowie sonstigen Halbleitermaterialien.

Wie oben dargelegt, lassen sich die Ziele der Erfindung mit Vorteil erreichen, wenn die Dicke ti der Halbleiterschicht 12 so eingestellt wird, daß das hintere Ende der entweichenden Welle in das Substrat eindringt. In der Praxis können die Ziele der Erfindung noch vorteilhafter erreicht werden, wenn bei gegebener Dicke ti der folgende Schichtaufbau gewählt wird. Die Brechungsindizes der die erste Halbleiterschicht sandwich-artig einschließenden zweiten und dritten Halbleiterschicht werden in folgender Weise eingestellt. Insbesondere wird der Brechungsindex derjenigen Halbleiterschicht, deren Dicke sich stufenweise ändert, größer gemacht als der Brechungsindex der auf der anderen Seite der ersten Halbleiterschicht

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angeordneten Halbleiterschicht. Unter Bezugnahme auf Flg. heißt dies, daß beispielsweise der Brechungsindex n^₂ der Halbleiterschicht 12 größer gemacht wird als der Brechungsindex n^ der Halbleiterschicht 14 (d.h. es wird die Be-Ziehung n₁₂ > ⁿi4 erfüllt).

Das in diesem Fall erzielte Profil der geführten Welle ist in Fig. 5 dargestellt. Auf der Abszisse ist die Dicke des Kristalls aufgetragen, während die Ordinate die Intensität der geführten Welle angibt. Mit den Bezugsziffern 11, 12, 13, 14 sind in Fig. 5 die Bereiche der Halbleiterschichten dargestellt, die in Fig. 3 die gleichen Bezugsziffern tragen. Die Kurve 51 zeigt das Profil der geführten Welle, das zu beobachten ist, wenn der Brechungsindex der Halbleiterschicht 12 gleich dem der Halbleiterschicht 14 (n«j2 ^{β n}i4) ist» während die Kurve 52 das Profil der geführten Welle für den Fall n₁₂ > n^ zeigt. In dem ersten Fall n.j2 ^β n^ ist das Intensitätsprofil bzw. die Intensitätsverteilung der geführten Welle bezüglich der ersten Halbleiterschicht 13 als Zentrum symmetrisch. Wie oben ausgeführt, erfüllt die Dicke to des dünnen Teils der Halbleiterschicht 12 die Forderung to < 3 r. Im Gegensatz dazu ist die Intensitätsverteilung der geführten Welle im Falle n-j₂ > n-j^, wie aus Kurve 52 ersichtlich, asymmetrisch mit einer Abweichung in Richtung des Kristallsubstrats 11.

Selbst wenn für die Dicke des dünnen Teils der Halbleiterschicht 12 der Wert ti, der größer ist als to, gewählt wird, läßt sich im wesentlichen ein Effekt erzielen, der dem Effekt im Falle n₁₂ = n^ äquivalent ist. Auch in diesem Falle sollte natürlich die Forderung ti < 3 r erfüllt sein. Mit einer der artigen Anordnung lassen sich die folgenden Vorteile erzielen.

Für die zweite Halbleiterschicht 12 (insbesondere für den dünnen Bereich dieser Schicht 12 gemäß Fig. 3) kann eine verhältnismäßig hohe Dicke gewählt werden, weshalb sich die Dickensteuerung der Halbleiterschicht 12 merklich verein fachen läßt. Obwohl an der Grenzfläche zwischen dem Kristall- eubstrat 11 und der Halbleiterschicht 12 Grenzflächenfehler auftreten, da an dieser Grenzfläche das erste Kristallwachstum stattfindet, wird die laseraktive Schicht 13 (d.h. die

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erste Halbleiterschicht) wegen der Möglichkeit, die Dicke der Halbleiterschicht 12 zu erhöhen, durch derartige Grenzflfichenfehler nicht beeinflußt, so daß sich die Zuverlässigkeit der Eigenschaften erhöhen läßt. Das erreichbare Maß, um das die Dicke t der Halbleiterschicht 12 dadurch erhöht werden kann, daß der Brechungsindex der Halbleiterschicht 12 größer gemacht wird als der der Halbleiterschicht 14, ist näherungsweise aus den nachstehenden Gleichungen bekannt. Setzt man für den Brechungsindex der ersten Halbleiterschicht 13 den Wert n^», für die Dicke der Schicht 13 den Wert d und für den Brechungsindex der Schicht 12 den Wert n,j2» ^für das Verhältnis der in dem Kristallsubstrat 11 vorhandenen Lichtenergie zur gesamten Energie in der Lichtausbreitung bezüglich der y-Richtung längs der Linie a-a¹ in Fig. 3 den Wert F und für die Wellenlänge des Laserlichts den Wert λ, und nimmt man an, daß die folgenden Beziehungen

f^i (2)

und

G² » k²(n₁₃ ² - n₁₂ ²) . (3)

erfüllt sind, so läßt sich das Verhältnis von t zu to folgendermaßen ausdrücken:

₉ 2 ^ln ET - V \/i+d²G²' - 1

2m .

2 * y V(m+1)²+Am²d²G²-(rn+1)

In der obigen Gleichung (4) ist m ein Parameter, der das Maß der Asymmetrie der Lichtverteilung angibt, wobei zwischen dem Brechungsindex n^ der Halbleiterschicht 14 und dem Brechungsindex n^ der Halbleiterschicht 12 die durch die folgende Gleichung ausgedrückte Beziehung besteht:

2
2k (iin

Bei symmetrischer Verteilung (n^ « ⁿi2^ ^{ist m}
30 bei asymmetrischer Verteilung ist m > 1.

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Aus den obigen Gleichungen (4) und (5) ist leicht ersichtlich, daß dann, wenn der Brechungsindex n₁₂ der Halbleiterschicht 12 erfindungsgemäß größer gemacht wird als der Brechungsindex n^^ der Halbleiterschicht 14, m groß wird und das Verhältnis t/to steil ansteigt.

Gleichung (4) zeigt, daß der Wert von t/to um so größer ist, Je höher der Wert von m (das Maß der Asymmetrie) ist. Liegt jedoch das Maß der Asymmetrie zu hoch, so Verringert sich das Verhältnis des in der Halbleiterschicht 13 vorhandenen Laserlichts, und die zur Unterhaltung des Laserbetriebs erforderliche Stromdichte (die im folgenden lediglich "Stromdichte" bezeichnet wird) nimmt zu. Beträgt das Maß der Asymmetrie m, so läßt sich die Schwellenstromdichte Jth durch die nachstehende Gleichung ausdrücken:

Jth /m(m+1). L 1 + d²G² "/

^Ίρ Jtho

wobei Jtho die Schwellenstromdichte für m ■ 1 (d.h. für symmetrische Verteilung und n₁₂ = n^^) bedeutet.

Wie aus Gleichung (6) hervorgeht, ist der durch Steigerung des Wertes m erzielte Anstieg von Jth/Jtho viel schwächer als der Anstieg von t/to. Erfindungsgemäß läßt sich also ein leistungsfähiges Bauelement erzeugen, da es möglich ist, einen höheren Wert von t/to zu erreichen und gleichzeitig die Zunahme von Jth auf einem niedrigen Niveau zu halten.

Die Brechungsindizes der oben erwähnten Halbleiterschichten lassen sich durch Änderung der Zusammensetzung der die jeweiligen Schichten bildenden Materialien steuern. Bei einem Material der Reihe Ga₁ Al As läßt sich beispielsweise der Brechungsindex durch Erhöhung des die Zusammensetzung angebenden Verhältnisses χ von Al erniedrigen.

Bei einem Material der Reihe Al Ga₁ As_xSb₁__χ kann ferner der Brechungsindex dadurch erniedrigt werden, daß χ oder y oder beide Verhältniszahlen erhöht werden.

Im folgenden soll die vorliegende Erfindung im einzelnen unter Bezugnahme auf die nachstehenden Beispiele erläutert

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werden.

Beispiel 1

Ein Schnitt durch den Halbleiterlaser nach Beispiel 1 der Erfindung ist in Fig. 3 gezeigt. Darin bezeichnet 13 eine einem ersten Halbleiter entsprechende Schicht aus n-Ga~ QcAl_{n ηκ}Α8, während mit 14 eine einem dritten HaIb- leiter entsprechende Schicht aus p-Ga«. Α1_χΑβ (mit χ ^-0,3) bezeichnet 1st. Mit 11 ist ein n-GaAs-Substrat mit einer Nut bezeichnet, mit 12 eine Schicht aus n-Ga_1-xAl_xAs (mit χ «^0,3 mit 15 eine n-GaAs-Schicht, mit 16 eine positive Elektrode, mit 17 eine negative Elektrode und mit 18 ein Zn-Diffusionsbereich bezeichnet. Dieser Halbleiterlaser wird folgendermaßen hergestellt.

Auf dem n-GaAs-Kristallsubstrat mit dem Flächenindex

(100) und einer Te-Dotierung in einer Konzentration von ca.

18 "5
1 x 10 cm wird nach herkömmlichem photolithographischem Verfahren ein Photolack mit einem Fenster aufgebracht, das eine Breite von 10 Mm hat. Durch dieses Fenster hindurch wird die Substratoberfläche mit einem Gemisch aus Phosphorsäure, Wasserstoffperoxid und Äthylenglykol im Mischungsverhältnis 1 s 1 ι 3 bei 20⁰C chemisch geätzt, um eine in z-Richtung verlaufende Nut zu bilden. Diese Nut hat eine Breite W von ca. 10 pm und eine Tiefe t4 von 1,5 pm. Sodann werden auf diesem Substrat nacheinander durch epitaxiales Wachstum aus der flüssigen Phase die Schichten 12, 13, 14, und 15 aufgebracht. Die Zusammensetzungen der zur Bildung der Jeweiligen Halbleiterschichten verwendeten Lösungen sowie die für das Wachstum zuständigen Zeiten sind in der nachstehenden Tabelle 1 angegeben.

30 Tabelle 1

Zusammensetzung Schicht Schiebt Schicht Schicht der_Lösung 12 13 14 15

Ga (g) 4 4 4 4

GaAs (mg) 200 200 200 200

35 Al (mg) 3 0,2 3

Sn (mg) 300 - 100

Ge (mg) - - 70

Aufwachszeit (min) 2 1/30 8 1

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Die gesättigte Lösung für die Schicht 12 wird von 780°C mit einer Geschwindigkeit von etwa O,4°C/min abgekühlt, drei Minuten lang wird eine Unterkühlung durchgeführt, und der Kristall wird durch allmähliches epitaxiales Wachstum aus der flüssigen Phase gezüchtet. Die Dicke ti des dünnen Teils der Schicht 12 wird auf 0,3 pm eingestellt. Die Dicke der Schicht 13 beträgt 0,1 μαι, die der Schicht 14 beträgt 2 Mm und die der Schicht 15 beträgt 1μιη. Als Störstoffzusatz werden für die η-Schicht Sn und für die p-Schicht Ge verwendet. Sodann wird durch ein Fenster aus AIpO,, das auf dieselbe Weise wie oben beschrieben, lithographisch hergestellt wird, zur Erzeugung des p-Diffusionsbereichs 18 Zn eindiffundiert. Zur Herstellung der positiven Elektrode 16 und der negativen Elektrode 17 werden Au und Cr sowie eine Au-Ge-Ni-Legierung im Vakuum niedergeschlagen.

Schließlich wird der Kristall in einer Ebene mit dem Flächen-Index (110) gespalten, so daß zur Erzeugung eines Reflektors gegenüberstehende parallele Flächen gebildet werden. Auf diese Weise wird ein Laser mit einer Länge von 300 ^m erzeugt.

Wird das epitaxiale Wachstum auf der oberen Fläche eines Substrats ausgeführt, das wie in dem vorliegenden Beispiel 1 eine Nut aufweist, so lassen sich, falls die obere Fläche der Halbleiterschicht 12 im wesentlichen geebnet wird, die erfindungsgemäßen Wirkungen vorteilhafter erzielen. Dadurch, daß die obere Fläche der Halbleiterschicht 12 im wesentlichen plan gemacht wird, können insbesondere die dicken und dünnen Bereiche der Halbleiterschicht 12 bequem ausgebildet werden, so daß sich auch die aktive Schicht usw. in einfacher Weise erzeugen lassen. Diese Eigenschaft wird dadurch erreicht, daß die gesättigte Lösung beim epitaxialen Aufwachsen mit einer Geschwindigkeit von bis zu 0,5°C/mln abgekühlt wird. Vom praktischen Standpunkt ist es von Vorteil, die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,01 bis etwa 0,5°C/min abzukühlen.

Der obige Halbleiterlaser gestattet einen Laserbetrieb bei einer Schwellenstromdichte von etwa 2 kA/cm bei Zimmertemperatur. Die Wellenlänge des Laserlichts beträgt etwa 8300 Ä, und der äußere differentielle Quantenwirkungsgrad

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liegt bei etwa 40*.

Fig. 6 zeigt die Beziehung zwischen dem Erregerstrom und der Licht-Ausgangsleistung. Dabei zeigt Kurve 61 die Ergebnisse, die mit dem Laser nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel 1 erzielt werden, während Kurve 62 die Ergebnisse bei dem herkömmlichen Aufbau nach Fig. 1a und 1b angibt. Bei dem erfindungsgemäßen Laser ist der Transversalmodus des Laserbetriebs bei einem Erregerstrom stabil, der das Zweifache des Schwellenstroms beträgt, was für den Betrieb des Lasers einen praktischen Wert darstellt; nichtlineare Kennlinien der Ausgangsintensität und Lichtleistung, wie etwa als "Knicke" bezeichnete Kurvungen oder Verminderungen des Rauschabständes bei Impulsmodulation, wie sie beim herkömmlichen Aufbau beobachtet werden, sind erfindungs-

15 gemäß nicht vorhanden.

Fig. 7a und 7b zeigen Profile der Lichtleistung in der x-z-Ebene für den obigen erfindungsgemäßen Laser bzw. den erwähnten herkömmlichen Aufbau. Die jeweiligen Kurven in Fig. 7a und 7b veranschaulichen die bei verschiedenen

20 Erregerströmen erzielten Ergebnisse. Dabei zeigen die

Kurven 71 und 7^ die Ergebnisse bei 1,3 Jth, die Kurven und 75 die Ergebnisse bei 1,2 Jth und die Kurven 73 und die Ergebnisse bei 1,07 Jth, wobei Jth den Schwellenstrom (in Ampere) bezeichnet.

Aus diesen Ergebnissen ist ersichtlich, daß sich das Profil der Lichtleistung beim herkömmlichen Aufbau in Abhängigkeit vom Erregerstrom unregelmäßig ändert, bei Verwendung des erfindungsgemäßen Aufbaus sich dagegen deutlich stabilisieren läßt. Bezüglich der Lebensdauer des Bauelements ist kein wesentlicher Unterschied zwischen dem erfindungsge-■äßen Aufbau und dem herkömmlichen Aufbau zu beobachten. Bei dem Halbleiter-Bauelement nach dem vorliegenden Beispiel 1 wurden die Kennlinien des Laserbetriebs untersucht, wobei die Dicke d der ersten Halbleiterschicht und die Dicke ti des dünnen Abschnitts der zweiten Halbleiterschicht geändert wurden. Die Ergebnisse sind in Fig. 8 veranschaulicht. Mit den Symbolen ο, Δ und χ sind in Fig. 8 die folgenden Merkmale angegeben:

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ot Eine lineare Beziehung besteht zwischen dem Erregerstrom und der Licht-Ausgangsleistung bis hinauf zu etwa 30 mW, wobei das Rauschen sehr schwach ist. Daraus kann beurteilt werden, daß die Eigenschäften hervorragend sind.

At Eine lineare Beziehung besteht zwischen dem Erregerstrom und der Licht-Ausgangsleistung bis hinauf zu etwa 30 mW, die Erzeugung von Rauschen ist jedoch verhältnismäßig deutlich (die Rauschleistung beträgt etwa 20 bis etwa 30 % der Lichtleistung). Die Eigenschaften lassen sich als gut beurteilen. xt Die Beziehung zwischen dem Erregerstrom und der Licht-Ausgangsleistung ist nicht linear, und die Erzeugung von Rauschen ist sehr deutlich. Die Eigenschaften können mit schlecht beurteilt werden. In Fig. 8 geben die Kurven 81, 82 und 83 die Eindringtiefe r, 2r bzw. 3r als Funktion der Dicke der ersten Halbleiterschicht wieder.

Aus den in Fig. 8 gezeigten Ergebnissen ist klar ersichtlich, daß gute Ergebnisse dann erhalten werden, wenn die Eindringtiefe r und die Dicke ti des dünnen Abschnitts der zweiten Halbleiterschicht derart eingestellt werden, daß die Beziehung ti < 3r erfüllt ist, wobei vorzugsweise die Bedingungen ti < 2r erfüllt sein soll. Beispiele 2 bis 4

Die Versuche wurden in gleicher Weise wie in dem obigen Beispiel 1 durchgeführt, wobei jedoch die Materialien und Abmessungen der einzelnen Schichten 12, 13 und 14 gemäß Tabelle 2 verändert wurden. Dabei wurden im wesentlichen. die gleichen Effekte erzielt. Die in Tabelle 2 nicht enthaltenen Bedingungen sind die gleichen wie im Beispiel 1. Bei jedem der Halbleiterlaser nach den Beispielen 2 bis 4 beträgt die Schwellenstromdichte bei Zimmertemperatur 2 kA/cm , die Wellenlänge des Laserlichts 8300 St und der äußere differentielle Quantenwirkungsgrad etwa 40 %. Bei einem Erregerstrom bis zum 1,3-fachen des Schwellenstroms ist nur der fundamentale Transversalmodus des Laserbetriebs zu beobachten. Die Beziehung zwischen dem den Schwellenwert

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- 32 -

überschreitenden Erregerstrom und der Licht-Ausgangsleistung ist linear, wenn der Erregerstrom in dem obigen Bereich liegt. Eine Verringerung des Rauschabstandes bei Impulsmodulation wurde nicht beobachtet.

Tabelle 2

Bei	Schicht	Ga1-x AlxAs	Schicht	Schicht	Nut	Dicke μπι	Dicke pm
spiel 12 n-		13 n-	14 p-	tiefe	des dün	der
Nr.		Ga1-y AIyAs	Ga1-z Al,As	(μπι)	nen Ab schnitts der	Schicht 13
	x=0,33				Schicht
	x=0,33				12
2	x=0,33	y=o,O5	z=0,36	1,5	0,45	0,10
3	Beispiele	y=0,05	z=0,33	1,5	0,70	0,05
4	y=0,05	z=0,40	1,5	0,20	0,25
	5 bis 8

Im folgenden sollen Beispiele beschrieben werden, in denen die Brechungsindizes der die erste Halbleiterschicht sandwich-artig umgebenden zweiten und dritten Halbleiterschicht asymmetrisch sind.

Der grundsätzliche Aufbau für jeden Halbleiterlaser nach diesen Beispielen ist in Fig. 3 gezeigt, wobei die speziellen Strukturen für die einzelnen Schichten in Tabelle 3 angegeben sind.

Bei jedem der Beispiele 5 bis 8 ist die Schicht 12 mit

1ft «"^ einer Ladungsträger-Konzentration von etwa 10 cm Sn-

18 dotiert, die Schicht 14 mit einer Konzentration von etwa 10 cm Ge-dotiert, während die Ladungsträger-Konzentration in der Schicht 13 etwa 10 cm~^ beträgt. Bei dem Bereich 18 handelt es sich um einen p-Bereich, der durch Eindiffundieren von Zn in die Halbleiterschichten 14 und 15 nach bekanntem Verfahren hergestellt wird. Die Breite des Bereichs 18 in x-Richtung beträgt 10 pm, die Diffusionstiefe in y-Richtung etwa 1,5 um, gemessen von der Grenzfläche zwischen den Schichten 15 und 16. Die mit 16 und 17 bezeichneten Elektroden bestehen beispielsweise aus Cr und Au sowie einer Au-Ge-Ni-Legierung. Diese Laser werden nach einem Verfahren hergestellt, das im wesentlichen dem im Beispiel 1 beschriebenen Verfahren

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Tabelle 3

ο co co .Ρ» U)

co

Bei	Substrat	Schicht	Nut	Nut	Dicke d.	Schicht	Schicht	Schicht
spiel	11	12	tiefe	weite	dünnen	13	14	15
Nr.			(μη)	(μηι)	Bereichs
					d. Schicht
					12
5	n-GaAs	n"Ga0,67	1,5	10	die Be	undotiert	Ga1-x	GaAs9
					ziehung zwischen	Ga0,95 AT A a	AlxAs,	Dipke 1 μιη
					d. Dicke	A10,05AS*	Dicke
					und den	Dicke	2 μιη
					Eigen	0,1 μιη
					schaften
					ist in
					Tab. 4 u.
		n-Gan rj			5 angegeb.
6	n-GaAs	0,7 A10,3As	1,5	10	dito	undotiert	die Be	GaAs,
						GaO,95 Al Λ ο	ziehung zwischen	Dicke 1 μιη
						A10,05As'	d. Dicke
						Dicke	und den
						0,1 μιη	Eigen
							schaften
							ist in
							Tabelle
							4 und 5
		n-Ga0,5 A10,5As					angegeb.
7	n-GaAs		1,5	10	0,7	undotiert Ga0,95 A10,05As'	P-GaO,4 A1Of6/s	GaAs Dicke 1 μιη
		Te-do-				Dicke 1um
ρ	Te-do-	tiert,	1,5	10	1,0	undotiert	Ge-do-	Ge-do-
O	tiert,	?:A1o,4 G|0,6				GaAsn «ο	tiert	tiert,
	n-Ga As0,88	Sb0,'i2				U, OO Sb0,12	P-Al0 9 5	GaAs0,88 Sbn α ο
	Sb0,i2					Sb0,12	0,12

VX

CD

cn O

gleich 1st. Um in den jeweiligen Schichten die gewünschten Zusammensetzungen zu erzielen, werden die jeweils zugeführten Ladungsmengen und die Kristallwachstumszeiten in geeigneter Weise gesteuert.

Bei den Bauformen nach Beispiel 5 und 6 wird der
Brechungsindex, d.h. der Molanteil von Al in dem die Halbleiterschiß ht 14 bildenden Ga₁ „Al As zur Herstellung ver-

I ** Jv Jv

schiedener Halbleiterlaser geändert. Die maximale Dicke tM des dünnen Abschnitts der Halbleiterschicht 12, die einen Laserbetrieb im stabilen Transversalmodus mit einer Stromdichte gestattet, die bis zu doppelt zu hoch wie die für
Beispiel 5 und 6 zuständige Schwellenstromdichte, sowie
die dabei vorliegende Schwellenstromdichte Jth sind in
Tabelle 4 und 5 angegeben. Die Wellenlänge des Laserlichts beträgt 0,83 um.

Tabelle 4 (Beispiel 5)

Al-Molan teil, χ	33	30	Brechungs index der Schicht 14	0,4	i) Jth(kA/cm2)	±	1,0	2,0	±	1,0	Bemerkung
20 0,	38	37	3,398	0,6	2,0	±	1,0	2,2	±	1,0	symmetrischer Aufbau
0,	41	40	3,362	0,8	2,2		1,0	2,5	±	1,0
ο,	44	41	3,343	1.1	2,3	(Beispiel	1,0	2,7	1,0
0,	46	3,323	1,5	2,6	1,0
25 0,		3,314	Tabelle 5	2,8	L 6)
	Al-Molan teil, χ		Brechungs index der Schicht 14		tM(Mm) Jth(kA/cm2)
30 0,	3,418		0,5	Bemerkung
ο,	3,370	0,8	symmetrischer Aufbau
ο,	3,352	1,2
ο,	3,343	1,6

Aus den in Tabelle 4 und 5 gezeigten Ergebnissen geht ohne weiteres hervor, daß es dann, wenn der Brechungsindex

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der Halbleiterschicht 12 größer gemacht wird als der der Halbleiterschicht 14, möglich ist, die Dicke der Halbleiterschicht 12 zu erhöhen. Dies bedeutet, daß das Kristallwachstum merklich vereinfacht werden kann. Außerdem lassen sich bezüglich der Zuverlässigkeit gute Ergebnisse erzielen. Ferner konnte in einem bei 7O°C durchgeführten thermisch beschleunigten Alterungsversuch der Betrieb kontinuierlich über mehrere hundert Stunden durchgeführt werden (was berechnet auf Zimmertemperatur 40.000 Stunden entspricht).

Die oben genannte maximale Dicke tM sowie die Änderung Jth/Jtho der Schwellenstromdichte für die Beispiele 5 und 6 sind in Fig. 9 und 10 veranschaulicht. Jtho bedeutet die Schwellenstromdichte, die erzielt wird, wenn der Brechungsindex der zweiten Halbleiterschicht gleich dem der dritten Halbleiterschicht ist. In Flg. 9 und 10 stellen die Kurven 91 und 101 den Wert von Jth/Jtho und die Kurven 92 und 102 den Wert von tM dar. In beiden Figuren sind die beiden Werte als Funktionen des Brechungsindex der Halbleiterschicht 14, d.h. des Molanteils von Al, dargestellt.

Werden die Brechungsindizes der zweiten und der dritten Halbleiterschicht wie in den vorigen Beispielen asymmetrisch gemacht, so ist zu beobachten, daß die Schwellenstromdichte leicht ansteigt; das Ausmaß des Anstiegs liegt jedoch innerhalb des Bereichs der in den einzelnen Kristallen auftretenden Abweichungen der Schwellenstromdichte, und aus diesem Anstieg ergibt sich kein praktischer Nachteil.

Wie aus den Ergebnissen der obigen Beispiele hervorgeht, beträgt dann, wenn der Unterschied des Molanteils χ für Al zwischen den Halbleiterschichten 12 und 14 etwa bei 0,06 liegt, die maximale Dicke tM etwa das 1,5-fache des Wertes, der sich ergibt, wenn der Molanteil χ für Al in den Schichten 12 und 14 gleich hoch ist; liegt der Unterschied von χ bei etwa 0,085, so beträgt die maximale Dicke etwa das Doppelte. In der Praxis wird der Unterschied von χ näherungsweise im Hinblick auf den gewünschten Wert von tM und die Erhöhung der Schwellenstromdichte näherungsweise bestimmt. Aus den obigen Ergebnissen zeigt sich, daß die Wirkungen ganz deutlich sind, wenn der Unterschied von χ 0,05 oder mehr beträgt.

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Im Beispiel 7 sind die auf das Kristallsubstrat aufgeschichteten Halbleitermaterialien verändert. Die Wellenlänge des Laserlichts beträgt 0,83 um» die Schwellenstromdichte 1,5 kA/cm . In diesem Ausführungsbeispiel läßt sich tM auf etwa 0,7 um erhöhen, wenn auch tM 0,35 um beträgt, wenn die zweite und die dritte Halbleiterschicht aus dem gleichen Material, nämlich Ga_Q 5Al₀ ,-As, bestehen.

Im Beispiel 8 wird ein Halbleiter-Bauelement unter Verwendung von Materialien für das Kristallsubstrat und die darauf befindlichen Schichten hergestellt, die von den im Beispiel 5 verwendeten Materialien verschieden sind. Auch in diesem Beispiel läßt sich tM auf 1 pm erhöhen, wobei Jedoch tM 0,5 um beträgt, wenn die beiden ^albleiterschichten 13 und 14 aus dem gleichen ^aterial, nämlich Ga_Q ^AIq 5-

¹^ ^As0 88^Sb0 12' *^)es'tehen. In diesem Beispiel beträgt die

Wellenlänge des Laserlichts 1,1 um und die Schwellenstromdichte 3 kA/cm².

In den obigen Beispielen ist die Dicke d der ersten Halbleiterschicht 13 auf 0,1 μτα eingestellt. Wie sich aus den obigen Erläuterungen unter Bezugnahme auf die Gleichungen (4) und (5) ohne weiteres ergibt, ist die Größe d auf keinen speziellen Wert beschränkt.
Beispiele 9 bis 11
Es werden Halbleiterlaser mit dem prinzipiellen Aufbau nach Fig. 3 hergestellt, wobei Einzelheiten des Aufbaus der vorliegenden Bauelemente in Tabelle 6 angegeben sind. Bauelemente dieser Beispiele werden vorzugsweise als Halbleiterlaser mit hoher Ausgangsleistung eingesetzt.

Das für die Beispiele 9, 10 und 11 angewandte Herstellverfahren ist prinzipiell das gleiche wie für Beispiel 1 beschrieben. In jedem Fall beträgt die Länge des Lasers 300 Mm. Generell bildet in dem Aufbau nach Fig. 3 die Bereichsbreite W die effektive Breite des Lasers. Diese Breite wird auf der Grundlage des Laser-Betriebsstroms sowie der Licht-Ausgangsleistung des Lasers bestimmt. Im allgemeinen wird mit einer Breite von 10 bis 20 um gearbeitet, um eine Ausgangsleistung von etwa 5 mA bei einem Betriebsstrom von etwa 100 bis 200 mA zu erzielen.

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Tabelle 6

Bei- Kristall- Schicht 12 Dicke d. Schicht 13 Schicht 14 Nut- Nut- Schicht spiel substrat dünnen tiefe breite 15

Nr. 11 Bereichs (μπι) (μιη)

der

Schicht 12

10

11

n-GaAs,

Te-do-

tiert

dito

dito

0,4 μπι

^A10,3^As»

Sn-do-

tiert

dito

dito

0,8 μπι

0,5 μιη

n-GaAs, undotiert, Dicke 0,1 μιη	p"Ga0,67 Dicke 2 μιη	1	,5	20	n-GaAS'V Sn-do- tiert, Dicke 1 μιη	I
Dicke 0,05 ^m	dito	1	,5	20	dito	•sj I
Dicke 0,15 μπι	dito	1	,5	20	dito

Als Ergebnis der von den Erfindern durchgeführten Untersuchungen hat sich herausgestellt, daß es bei der nachstehenden Anordnung im Aufbau des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers möglich ist, einen Laser mit hoher Ausgangsleistung und stabilem Laser-Betriebsmodus zu schaffen. Bei dem Aufbau nach Fig. 3 wird beispielsweise die Breite der Nut auf 10 μπι oder darüber (vorzugsweise mindestens 12 μιη) eingestellt und die Nut so gestaltet, daß der optische Verlustfaktor in dem von dem Nutabschnitt gebildeten Wellenleiter um mindestens 40 cm~ kleiner ist als der optische Verlustfaktor in dem Wellenleiter des benachbarten Bereichs. Sofern die obigen Bedingungen erfüllt sind, lassen sich die gleichen Effekte in äquivalenter Weise natürlich auch mit Bauformen erzielen, die von der nach Fig. 3 verschieden sind.

Die Kennlinie für die Licht-Ausgangsleistung des Bauelements nach Beispiel 9 ist in Fig. 11 gezeigt. Die Wellenlänge des Laser-Lichts beträgt 8800 8, der Schwellenstrom 75 mA. In dieser Kennlinie, in der die Licht-Ausgangsleistung über dem Strom aufgetragen ist, sind keine Knicke enthalten, und die Lichtleistung läßt sich stabil erzeugen. Die Modulation ist bis hinauf zu 800 Mbits/s möglich. Bei dem Laser nach diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Differenz des effektiven Absorptionskoeffizienten 200 cm" .

Auch bei den Beispielen 10 und 11 kann Lichtleistung stabil erzeugt werden, wenn die Stromdichte bis zum Zweifachen des Schwellenstroms beträgt.

Ist bei dem in den obigen Beispielen beschriebenen Halbleiterlaser die Schwellenstromdichte eingestellt, so muß ein Strom berücksichtigt werden, der sich über die Nut ausdehnt und zum Laserbetrieb keinen Beitrag leistet. Insbesondere bei dem Aufbau nach Fig. 3 ist die Dicke der n-Ga₁ „Al As-Schicht in dem Nutabschnitt auf 1 bis 1,5 Mm erhöht. Der spezifische Widerstand dieses Abschnitts beträgt etwa 0,1 Dem, was wesentlich über dem spezifischen Widerstand des GaAs-Substrats (etwa 0,003 0cm) liegt. Daher sucht der Strom außerhalb der Nut zu fließen.

Bei dem Aufbau nach Fig. 3 beträgt ferner die Dicke des

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dünnen Abschnitts der Schicht 12 gewöhnlich 0,2 bis 0,5 μη». In diesem Fall hängt die Zuverlässigkeit des Lasers in starkem Maße von der Kristallqualität des Substrats ab; um einen Laser mit langer Lebensdauer zu erzeugen, muß ein Substrat mit geringer Versetzungsdichte und hoher Kristallqualität verwendet werden.

Gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers lassen sich die genannten Nachteile in wirksamer Weise beseitigen und Polarlaser mit genutetem Substrat erzeugen, die bessere und bevorzugtere Eigenschaften aufweisen.

Gemäß dieser Variante zur Erzielung der genannten Vorteile ist auf dem Halbleitersubstrat eine vierte Halbleiterschicht ausgebildet, in der eine Nut vorgesehen ist, und auf dieser genuteten vierten Halbleiterschicht sind weitere Halüeiterschichten aufgebracht. Hat bei dieser Anordnung die vierte Halbleiterschicht einen elektrischen Leitungstyp, der dem des Substrats entgegengesetzt ist, so läßt sich erreichen, daß der elektrische Strom vorzugsweise nur in dem Nutabschnitt fließt. Wird dagegen der elektrische Leitungstyp der vierten Halbleiterschicht identisch mit dem des Substrats und der spezifische Widerstand der vierten Halbleiterschicht größer als der des Halbleiters in der Nut gemacht, so kann die Ausbreitung des elektrischen Stroms verringert werden. Die vierte Halbleiterschicht erfüllt dabei die Funktion einer sogenannten Pufferschicht, durch die Fehler merklich verringert werden. Daher lassen sich Laser hoher Lebensdauer mit großer Produktionsausbeute erzeugen.

Im folgenden soll die genannte Variante des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers beschrieben werden.

30 Beispiel 12

Fig. 12 zeigt einen Schnitt durch einen Halbleiterlaser gemäß diesem Beispiel. Dabei ist in einer p-GaAs-Schicht 19 eine streifenförmige Nut 20 eingeformt. Der in Fig. 12 gezeigte Aufbau wird folgendermaßen hergestellt.

Die p-GaAs-Schicht 19 wird durch epitaxiales Wachstum aus der flüssigen oder Gas-Phase auf einem n-GaAs-Substrat gezüchtet, das mit Te-dotiert ist, eine Elektronendichte

18 "*>

von etwa 1 χ 10 cm und eine Kristallebene mit dem Flächen-

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index (100) aufweist. Die Dicke beträgt 1 bis 1,5 μιη, die

17 -3
Löcherdichte 1 χ 10 cm . Beim epitaxialen Aufwachsen aus der flüssigen Phase wird Ge, beim Aufwachsen aus der Gasphase Zn als Störstoff eingesetzt. Nach einem üblichen photolithographischen Verfahren wird ein Photolack mit einem Fenster einer Breite von 2 bis 20 μιη erzeugt, und durch dieses Fenster hindurch wird die Halbleiterschicht 19 zur Erzeugung der Nut bis auf das Substrat chemisch geätzt. Auf der in dieser Weise genuteten Halbleiterschicht 19 werden durch epitaxiales Aufwachsen aus der flüssigen Phase nacheinander eine Schicht 12 aus n-Ga.. Al As (mit X^ 0,3,

17 — ^ Sn-Dotierung und einer Elektronendichte von etwa 1 χ 10 cm ) eine aktive Schicht 13 aus n-GaAs (undotiert, mit einer Elektronendichte von ca. 1 χ 10 cm ), eine Schicht 14 aus p-Ga^ Al As (mit Ge-Dotierung und einer Löcherdichte

~t7 3
von 5 x 10 cm" ) sowie eine Schicht 15 aus n-GaAs (mit

17 ·· ^ Sn-Dotierung und einer Elektronendichte von ca. 1 χ 10 cm" ) geformt. Die Dicke der Schicht 13 beträgt etwa 0,1 μιη, der Schicht 14 etwa 2 μιη und der Schicht 15 etwa 1 μηι. Der dünne Abschnitt der Schicht 12 hat eine Dicke von etwa 0,4 μιη. Unter Verwendung einer Al₂O,-Maske wird Zn selektiv in den Bereich 18 eindiffundiert. Sodann werden zur Bildung einer podtiven Elektrode 16 und einer negativen Elektrode eine Au-Cr-Legierung und eine Au-Ge-Ni-Legierung im Vakuum niedergeschlagen. Abschließend wird der Kristall gespalten, um einen Laser mit einer Länge von 300 μιη zu erzeugen.

Beträgt in dem obigen Laser die Nutbreite 10 μιη, so ist ein Laserbetrieb bei einer Schwellenstromdichte von 1,2 kA/cm bei Zimmertemperatur möglich. In dem Bereich der Schichten 12, 19 und 11 ist eine n-p-n-Struktur ausgebildet, so daß kein für den Laserbetrieb unwirksamer Strom fließen kann. Daher läßt sich die scheinbare oder wirksame Schwellenstromdichte um etwa 40 % verringern. Infolge der Einfügung der Pufferschicht 19 beträgt ferner die mittlere Lebensdauer bei Dauerbetrieb in einer Umgebungstemperatur von 30⁰C 80.000 Stunden, bei 50⁰C 4.000 Stunden oder bei 70°C 800 Stunden. Die Ausgangsleistung des Lasers bei diesem Betrieb beträgt 3 mW je Stirnfläche. Bei einem genuteten

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Laser herkömmlichen Aufbaus beträgt die mittlere Lebensdauer bei 3O⁰C 40.000 Stunden, bei 5O⁰C 2.000 Stunden und bei 70⁰C 500 Stunden. Der erfindungsgemäße Aufbau erhöht somit die Betriebszuverlässigkeit auf das etwa 3- bis 7-fache.

Die Schwellenstromdichte erhöht sich nicht so stark, selbst wenn die Nutbreite W kleiner gemacht wird; beträgt die Nutbreite W 5 μη, so liegt die Schwellenstromdichte bei 1,4 kA/cm . Beträgt dagegen bei dem herkömmlichen Aufbau die Nutbreite W 5 pm, so liegt die Schwellenstromdichte

bei nicht weniger als 3,4 kA/cm .

Beispiel 13

Es wird ein Laser auf die gleiche Weise wie im Beispiel 12 hergestellt mit der Ausnahme, daß die Schicht 19 in Fig. 12 aus (undotiertem) n-GaAs besteht. Diese Schicht 19 wird durch epitaxiales Wachstum aus der flüssigen oder gasförmigen Phase gezüchtet. Die Dicke beträgt 1 bis 1,5 um, die Elektronen-

15-3 2

dichte 10 cm , der spezifische Widerstand etwa 1 Qcm .

Da bei diesem Aufbau der spezifische Widerstand außerhalb der Nut höher ist als der spezifische Widerstand des Nutabschnitts, läßt sich der unwirksame Strom merklich verringern, und die Schwellenstromdichte bei Zimmertemperatur beträgt 1,3 kA/cm². Wie im Beispiel 12 ist die Betriebszuverlässigkeit beim vorliegenden Beispiel 13 verbessert. Beispiel 14

Ein Schnitt durch einen Laser gemäß diesem Beispiel ist

in Fig. 13 gezeigt. Mit 21 ist eine undotierte n-Ga/s-Schicht

2 mit einem spezifischen Widerstand von 1 ncm bezeichnet.

In einem Teil der Schicht 21 ist eine Nut 22 ausgebildet.

Die übrigen Bauelemente sind die gleichen wie im Beispiel 13. Im Beispiel 14 ist die Dicke der Schicht 21 auf 1,1 bis 3 pm eingestellt, während die Tiefe der Nut auf 1 bis 1,5 μιη eingestellt ist, so daß der Boden der Nut im Innern der Schicht 21 liegt. Auch bei diesem Aufbau wird die Ausbreitung des elektrischen Stroms verringert, und die Schwellenstromdichte bei Zimmertemperatur beträgt 1,3 kA/cm . Wird bei diesem Aufbau die Dicke der Schicht 12 unter dem Boden der Nut groß gemacht, so erhöht sich der Serienwiderstand des

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Bauelements. Für kontinuierlichen Betrieb ist es daher von Vorteil, die Dicke des genannten Abschnitts kleiner als 1 pm zu machen.

Beispiel 15

Ein Schnitt durch einen Laser gemäß diesem Beispiel ist in Fig. 14 gezeigt. Mit 11 ist ein Te-dotiertes n-GaAs-Substrat mit einer Elektronendichte von etwa 10 cm bezeichnet, mit 23 eine Ge-dotierte p-GaAs-Schicht mit einer

17 -3
Löcherdichte von etwa 5 x 10 cm und mit 24 eine innerhalb des Substrats verlaufende Nut bezeichnet. Die weiteren Strukturelemente sind die gleichen wie im Beispiel 12.

In dem vorliegenden Beispiel 15 ist die Steuerung der chemischen Ätzung zur Ausbildung der Nut einfacher als im Beispiel 12. Ist die Nuttiefe im Substrat zu groß, so nimmt der Serienwiderstand des Bauelements zu. Daher hat die Nut vorzugsweise eine Tiefe unter 2 μπι.

Bei dem Laser nach diesem Beispiel beträgt die Schwellen-

stromdichte bei Zimmertemperatur 1,2 kA/cm , und die Betriebszuverlässigkeit ist wie im Beispiel 12 verbessert. Beispiel 16

Ein Laser wird in gleicher Weise wie im Beispiel 15 hergestellt mit der Ausnahme, daß die Schicht 23 aus undotiertem

15 -3 n-GaAs mit einer Elektronendichte von etwa 1 χ 10 cm

besteht. Die Schwellenstromdichte beträgt bei Zimmertemperatur 1,3 kA/cm².

Beispiel 17

In den obigen Beispielen 12 bis 16 sind Laser der Reihe GaAs-GaAlAs erläutert worden. Die vorliegende Erfindung ist natürlich auch bei anderen H lbleitern anwendbar. In Figur 15 ist ein Schnitt durch einen Laser nach Beispiel 17 gezeigt. In dieser Figur ist mit 31 ein Sn-dotiertes n-InP-Substrat mit einer Elektronenkonzentration von etwa

«IQ -y

2 x 10 cm"° bezeichnet, mit 32 eine Zn-dotierte Schicht aus P-Ga_Q i2^In0 88^AS0 23^P0 77 ^{mit einer} Löcherdichte von etwa

1 χ 10 ⁷cm~*, mit 33 eine Sn-dotierte n-InP-Schicht mit einer

17 3 Elektronendichte von etwa 1 χ 10 cm , mit 34 eine undotierte Schicht aus Ga_Q ^¹¹¹O 83^As0 23^P0 77' ^mit ^ ^eine Zn-dotierte

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4O ^7

Schicht aus p-InP mit einer Löcherdichte von etwa 10 cm und mit 36 und 37 Ohm'sche Elektroden. In der Schicht 32 ist eine Nut 38 ausgebildet. Die Dicke der Schicht 32 beträgt 1,5 Mm, die des dünnen Abschnitts der Schicht 33 beträgt 0,4 Mm, die der Schicht 34 beträgt 0,1 Mm und die Dicke der Schicht 35 beträgt 2 Mm.

Der obige Laser wird durch aufeinander folgendes epitaxiales Aufwachsen aus der flüssigen Phase unter Verwendung von InP als Substrat hergestellt. Die Ohm'sehen Elektroden werden durch Vakuum-Niederschlag einer Au-Zn-Legierung für die positive Elektrode bzw. einer Au-Sn-Legierung für negative Elektorde erzeugt.

Wird die Länge des Lasers auf 300 Mm eingestellt, so beträgt die Schwellenstromdichte für den Laserbetrieb 2,3 kA/ cm , die um etwa 35 % geringer ist als die Schwellenstromdichte des herkömmlichen Lasers mit genutetem Substrataufbau. Die mittlere Lebensdauer beträgt 40.000 Stunden bei Dauerbetrieb und Zimmertemperatur, was etwa dem 5-fachen der mittleren Lebensdauer eines herkömmlichen /ufbaus entspricht.

In dem vorliegenden Beispiel wird p-Galn/sP als Pufferschicht verwendet, wobei der Boden der Nut mit der Substratoberfläche fluchtet. Offensichtlich können auch Bauformen entsprechend Beispiel 12 bis 16 in dem vorliegenden Beispiel 17 verwendet werden. Ferner wird darauf hingewiesen, daß auch Halbleiter anderer Zusammensetzungen wie etwa GaAlAsSb in ähnlicher Weise erfindungsgemäß eingesetzt werden können.

PUr die Erfindung ist es wichtig, daß der Bandabstand der auf dem Substrat gebildeten Schicht gleich oder kleiner ist als der der aktiven Schicht. Nur wenn diese Bedingung erfüllt ist, kann in dem Beispiel 17 für die Schicht 32 eine Halbleiter-Verbindung verwendet werden, die aus einer anderen Kombination von Ga, In, As und P besteht. Beispiel 18
In den Beispielen 13 und 14 besteht die Schicht 19 bzw. 21 aus Sn-dotiertem n-GaAs mit einer Elektronendichte von

17 -^

10 ' cm . Bei diesem Aufbau fließt elektrischer Strom leicht in Abschnitten außerhalb der Nut, und die Schwellenstromdichte

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für den Laserbetrieb beträgt 2,3 kA/cm . Infolge der Wirkung der Pufferschicht wird jedoch die Betriebszuverlässigkeit wie in Beispiel 12 stark verbessert.

Die Variante des in den obigen Beispielen 12 bis 18 dargestellten Halbleiterbauelements der Erfindung läßt sich folgendermaßen zusammenfassen:

(1) Der Halbleiterlaser umfaßt eine auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrats gebildete vierte Halbleiterschicht, wobei mindestens an der Oberfläche der Halbleiterschicht eine streifenförmige Nut ausgebildet ist, und auf der Nut und der Oberfläche der vierten Halbleiterschicht sind mehrere Halbleiterschichten angeordnet, von denen eine eine laseraktive Schicht mit einem Bandabstand bildet, der gleich oder größer ist als der Bandabstand der vierten Halbleiterschicht.

(2) Bei dem Halbleiter-Bauelement gemäß Ziffer (1) ist der elektrische Leitungstyp der vierten Halbleiterschicht von dem des Halbleitersubstrats verschieden, und der Boden der Nut reicht bis auf die Oberfläche oder bis ins Innere des Substrats.

(3) Bei dem Halbleiter-Laser nach Ziffer (1) hat die vierte Halbleiterschicht den gleichen Leitungstyp wie das Halbleitersubstrat, der Boden der Nut reicht bis auf die Oberfläche oder bis ins Innere des Substrats, und der spezifische Widerstand der vierten Halbleiterschicht ist höher als der

25 des Halbleiters in der Nut.

(4) Bei dem Halbleiterlaser nach Ziffer (1) hat die vierte Halbleiterschicht den gleichen elektrischen Leitungstyp wie das Halbleitersubstrat, der Boden der Nut reicht bis auf die Oberfläche oder ins Innere des Substrats, und der spezlfische Widerstand der vierten Halbleiterschicht ist gleich oder höher als der des Halbleiters in der Nut.

Wie sich aus der vorstehenden Erläuterung ergibt, läßt sich dann, wenn in dem erfindungsgemäßen Halbleiterlaser eine Pufferschicht ausgebildet ist, die Schwellenstromdichte verringern und die Zuverlässigkeit verbessern. Somit lassen sich Effekte von hohem praktischem Wert erzielen.

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Eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers, bei der der oben erwähnte grundsätzliche Aufbau und seine Varianten derart verbessert sind, daß der Laserbetrieb weiter stabilisiert wird und ein Halbleiterlaser erzielt wird, der einen hochstabilen Betrieb in einem einzelnen Grundmodus gestattet, wird im folgenden anhand von Figur 16 beschrieben, wobei mit GaAs und Ga/.lAs gearbeitet wird.

Gemäß Figur 16 ist in einem n-Ga/s-Substrat 11 mit einer

1fl _3
Elektronendichte von etwa 10 cm eine Nut 41 geformt, deren Tiefe beispielsweise 1 bis 1,5 Mm beträgt. Mit 12 ist eine n-Ga₄ „Al As-Schicht mit x«0,3 und einer Dichte von etwa 10 cnr bezeichnet, die auf dem mit der Nut versehenen Substrat gewachsen ist. 13 bezeichnet eine undotierte aktive

16 —3 Schicht aus n-Ga's mit einer Dichte von etwa 10 cm und einer Dicke von etwa 0,1 um, 14 eine P-Ga₁ Al Αε-Schicht

17 -x mit einer Löcherdichte von etwa 5 x 10 ' cm"-> und einer Dicke von etwa 2um und 25 eine p-GaAs-Schicht mit einer Dichte von

1ft ·· ~*l

etwa 10 cm und einer Dicke von etwa 1 Mm. Mit den Bezugsziffern 16 und 17 sind Ohm'sche Elektroden bezeichnet.

Licht verteilt sich in senkrechter Richtung in Figur 16, wobei die GaAs-Schicht 13 das Zentrum bildet und breitet sich in Richtung senkrecht zur Zeichenebene aus. Wie oben dargelegt, ist das Licht in Transversalrichtung parallel zur Übergangsfläche begrenzt. Beim Laserbetrieb bildet der aktive Bereich 40 in der Nut 41 das Zentrum. Die Lichtfleck-Breite des Laserlichts ist daher im wesentlichen gleich der Breite W der Nut, wobei sich die Breite des Lichtflecks leicht durch Änderung der Nutbreite steuern läßt.

Der effektive Absorptionskoeffizient hängt weitgehend von dem Winkel ab, unter dem das Licht auf das Substrat trifft, d.h. von der Dicke d der aktiven Schicht 13 und der Dicke ti der H-Ga₁ Al As-Schicht, wie dies oben dargelegt worden ist. Um den Schwellenwert für den Laserbetrieb zu verringern, wird im Hinblick auf Ergebnisse von an dem herkömmlichen Doppelhetero-^uf-bau durchgeführten Versuchen die Größe d gewöhnlich auf 0,05 bis 0,2 um eingestellt.

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Figur 17 zeigt die Beziehung zwischen der Dicke ti des dünnen Abschnitts der n-Ga. Al As-Schicht und dem theoretischen Wert der zur Anregung des Laserbetriebs erforderlichen Schwellenverstärkung gth für d = 0,1 Um. Die Nutbreite W dient als Parameter. In Figur 17 gibt die Kurve 171 die Ergebnisse für W = 2 Mm wieder, die Kurve 172 die Werte für W - 3 ^m, die Kurve 173 die Werte für W=A Mm, die Kurve 174 die Werte für W = 5 μΐη und die Kurve 175 die Werte für W = 8 um.

Um zu verhindern, daß der Laserbetrieb außerhalb der Nut auftritt, muß die Schwellenverstärkung gth hinreichend kleiner sein als die Schwellenverstärkung g°th in dem außerhalb der Nut bestehenden Wellenleiter. Generell besteht zwischen dem Verstärkungsfaktor g und der Stromdichte J im wesentlichen die Beziehung g~- J ' . Soll ein stabiler Laserbetrieb in der Nut bei einer Stromdichte erzielt werden, die bis zum 1,5-fachen der Schwellen stromdichte Jth beträgt, so muß die Bedingung gth =0,6 g°th erfüllt sein. In Figur 17 ist der Verlauf von 0,6°th mit der strichpunktierten Linie A angedeutet. Aus Figur 17 geht dabei hervor, daß für W im Bereich von 2 bis 8 um ein hinreichend stabiler Laserbetrieb in dem Nutabschnitt erzielt werden kann, wenn die Bedingung ti =0,6 _um erfüllt ist.

In Figur 18 ist das Verhältnis der Schwellenverstärkung g'th für den Betrieb im Transversalmodus erster Ordnung zur Schwellenverstärkung gth für den Betrieb im niedrigsten Transversalmodus für den Fall d = 0,1 μΐη und ti =0,6 _um aufgetragen. Die Tatsache, daß dieses Verhältnis g'th/gth hoch ist, bedeutet, daß der Betrieb mit dem einzelnen Grundmodus selbst bei hoher Stromdichte möglich ist. In Figur 18 gibt die Kurve 181 die Ergebnisse für W = 2 um wieder, die Kurve 182 die Werte für W = 3 nm, die Kurve 183 die Werte für W = 5 um, die Kurve 184 die Werte für W = 7 um, die Kurve 185 die Werte für W = 8 μπι und die Kurve 186 die Werte für W = 10 _um. Für W < 8 μΐη, ist die Beziehung g'th/gth = 1,8 erfüllt, falls ti = 0,6 μπι ist. Wird dieses Verhältnis in das

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Stromdichteverhältnis umgesetzt, so sieht man, daß der Betrieb beim niedrigsten Transversalmodus möglich ist, wenn die Stromdichte bis zum 1,5-fachen der Schwellenstromdichte beträgt. Für ¥ > 8 _um tritt leicht ein Betrieb in einem Modus höherer Ordnung auf.

Aus den in Figur 17 und 18 gezeigten theoretischen Ergebnissen geht hervor, daß für d = 0,1 _um und 2 _um = W < 8 um in dem Nutbereich ein stabiler Betrieb in dem einzelnen fundamentalen Transversalmodus stattfindet, falls die Bedingung ti « 0,6 erfüllt ist. Hat d andere Werte als 0,1 um, so lassen sich im wesentlichen die gleichen Laser-Kennlinien wie oben beschrieben erzielen, sofern der Verlust in dem als Wellenleiter dienenden aktiven Bereich des Vorsprungs um mindestens 40 cm" kleiner ist als der Verlust in dem Wellenleiter des benachbarten Bereichs. Kurz gesagt, läßt sich das Problem in ein Problem der Wellenleiter-Eigenschaften übertragen.

Die Wellenleiter-Eigenschaften werden durch die Differenz δη des effektiven komplexen Brechungsindes bestimmt, wobei folgende Gleichung gilt:

20 ^δη » Δη + *£— ei

worin Δη die Differenz des effektiven Brechungsindex bedeutet, ei die effektive Verlustdifferenz und k_Q die Wellenzahl des Laserlichts im Vakuum.

Bekanntlich ist Δη im wesentlichen proportional zu ei. Daher lassen sich in dem erfindungsgemäßen Aufbau die Wellenleiter-Eigenschaften durch Bestimmung'S erfassen. Die effektive Verlustdifferenz läßt sich folgendermaßen ausdrücken:

«· ^21to I» C ] i (7)

⁰ P₀(I-H-EJl-) (p² ₊h^z) (p-r) '

wobei Im ( ) den imaginären Anteil der Größe ( ) angibt, ß die Lichtausbreitungskonstante in Längsrichtung des Lasers in dem Nutbereich, h die Ausbreitungskonstante in Dickenrichtung der Schicht 13 in dem Bereich außerhalb der Nut, ρ die Dämpfungskonstante in Dickenrichtung der Schicht 13 und r die Dämpfungskonstante in Dickenrichtung der Schicht 11.

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Aus den obigen Ergebnissen läßt sich herleiten, daß der kritische Punkt d = 0,1 μΐη und der Bereich ti = 0,6 μιη in dem erfindungsgemäßen Aufbau mit α = 40 cm gut übereinstimmen. Wird d groß, so wird die Lichtverteilung in vertikaler Richtung in Figur 16 eingeengt. Um daher eine äquivalente effektive Verlustdifferenz zu erzielen, muß ti kleiner gemacht werden. Genauer gesagt, bedeutet dies, daß die Bedingung ti = 0,5 um für d = 0,15 um und die Bedingung ti =0,4 μιη für d = 0,2 um erfüllt sein muß, um Ix = 40 cm" zu erreichen.

Wird in der vorstehenden Weise eine äquivalente effektive Verlustdifferenz verwirklicht, so können ähnliche Lasereigenschaften erhalten werden.

Diese Variante des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers soll nun anhand der folgenden Beispiele im einzelnen erläu-

15 tert werden.

Beispiel 19

Figur 19 zeigt einen Schnitt durch den Aufbau eines Lasers nach dem vorliegenden Beispiel 19. Mit 15 ist eine n-GaAsschicht, mit 18 ein Zn-Diffusionsbereich bezeichnet. Die übrigen Bauelemente sind die gleichen wie in Figur 16. Mit einer Breite W der Nut 41 von 5 um werden verschiedene Muster nach Figur 19 hergestellt, wobei die Dicke d der aktiven Schicht und die Dicke ti der Schicht 12 geändert werden. Der Aufbau nach Figur 19 wird folgendermaßen hergestellt.

Auf einem Te-dotierten n-GaAs-Substrat mit einer Fläche mit dem Flächenindex (100) wird nach herkömmlichem fotolithographischen Verfahren ein Fotolack mit einem Fenster einer Breite von 5 um ausgebildet, und die Substratoberfläche wird durch dieses Fenster hindurch unter Bildung einer Nut mit einer Tiefe von 1,5 um chemisch geätzt. Auf dem so genuteten Substrat werden die in Figur 19 gezeigten Halbleiterschichten 12, 13 und 14 nacheinander durch übliches epitaxiales Wachstum aus der flüssigen Phase aufgebracht. Die Dicken d und ti werden dabei in ebenfalls herkömmlicher Weise durch Steuerung der Wachstumszeiten eingestellt. Sodann wird ein A^O-i aufgetragen, in dem ein Fenster mit einer Breite von 5 um

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fotolithographisch erzeugt wird. Durch dieses Fenster wird zur Bildung eines p-Diffusionsbereichs 18 Zink eindiffundiert. Au-Cr-Legierung und Au-Ge-Legierung werden im Vakuum niedergeschlagen, um Ohm'sche Elektroden 16 bzw. 17 zu formen. Schließlich wird der Kristall zur Erzeugung eines Reflektors gespalten, wobei ein Laser mit einer Länge von 300 erzeugt wird.

Bei dem obigen Laser beträgt für d « 0,1 _um und ti = 0,5 um die Schwellenstromdichte etwa 2,2 kA/cm bei Zimmertemperatur. In Figur 20 ist das Nahfeld-Intensitätsprofil des Laserbetriebs in x-Richtung veranschaulicht. Dieses Intensitätsprofil wird bezüglich der zur Übergangsfläche an der gespaltenen Fläche parallelen Richtung bestimmt. Der Laserbetrieb findet in einem einzelnen Transversalmodus statt und ist stabil, wenn der Strom bis zum Doppelten des Schwellenwertes (bis zu 130 mA) beträgt. In Figur 20 dient das Verhältnis I/Ith als Parameter, wobei für die Kurve 201 I/lth - 1,1, für die Kurve 202 I/lth = 1,5 und für die Kurve 203 I/Ith » 2 ist.

In Figur 21 sind die Ergebnisse von Stabilitätsuntersuchungen für den Laserbetrieb anhand von Bauelementen gezeigt, bei denen d den festen Wert von 0,1 um hat, ti im Bereich von 0,1 bis 0,8 um und W im Bereich von 1 bis 10 u"& verändert wird. In Figur 21 bedeutet das Symbol o, daß der Betrieb in einem einzelnen Transversalmodus möglich ist, wenn der Strom bis zum 1,5-fachen des Schwellenwertes beträgt, das Symbol χ gibt an, daß ein Betrieb in einem Modus höherer Ordnung stattfindet, selbst wenn der Strom unter dem 1,5-fachen des Schwellenwertes liegt, und das Symbol Δ gibt an, daß der Betrieb in einem einzelnen Transversalmodus leicht instabil ist. Aus den in Figur 21 gezeigten Ergebnissen ist ersichtlich, daß der Betrieb mit einem einzelnen Transversalmodus immer dann möglich ist, wenn die Bedingungen 2 um = W < 8 _um und ti ■ 0,6 um erfüllt sind. Wie oben dargelegt, wird der Wert von ti durch die optischen Verluste im Wellenleiter bestimmt .

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Beispiel 20

Gemäß Figur 19 wird die Dicke d der aktiven Schicht auf 0,05 oder 0,15 um eingestellt, während die übrigen Bauelemente und Verfahrensschritte bei der Herstellung die gleichen sind wie in Beispiel 19. Auch in Beispiel 20 läßt sich dann, wenn die Nutbreite mindestens 2 μπι beträgt aber geringer ist als 8 μπι und die Verluste in der mit dem Vorsprung versehenen Halbleiterschicht als Wellenleiter um mindestens 40 cm" geringer sind als die Verluste in dem Wellenleiter des benachbarten Bereichs, bei einem Strom bis zum 1,5-fachen des Schwellenwertes ein stabiler Betrieb mit einem einzelnen Transversalmodus erzielen. Beträgt beispielsweise d 0,05 um, so ist die obige Bedingung erfüllt, falls ti = 0,8 um ist; beträgt d = 0,015 μπι, so ist die Bedingung für ti =0,5 um erfüllt.

In den obigen Beispielen werden Ga.As- und GaAlAs-HaIbleiter verwendet. Es dürfte jedoch klar sein, daß sich die Erfindung generell auf einen Laser mit einem Wellenleiter richtet, wobei die Halbleitermaterialien unkritisch sind. Daher können für den erfindungsgemäßen Halbleiterlaser in ähnlicher Weise auch andere Halbleitermaterialien, beispielsweise Verbindungen aus drei Elementen wie etwa GaInP, GaAsP oder GaAlSb, oder Verbindungen aus vier Elementen, wie etwa GaInAsP oder GaAlAsSb, verwendet werden.

Der erfindungsgemäße Halbleiterlaser beschränkt sich natürlich auch nicht auf die in den obigen Beispielen 19 und 20 speziell gezeigten Bauformen, wenn auch diese Variante bei all denjenigen Strukturen anwendbar ist, in denen die Erfordernisse der Anordnung dieser Variante erfüllt sind.

Werden bei einem Planar-Halbleiterlaser mit genutetem Substrat die Breite der laseraktiven Nut und die Differenz der effektiven Verluste entsprechend der vorliegenden Variante der Erfindung eingestellt, so wird ein stabiler Betrieb in einem einzelnen Transversalmodus möglich. Die praktischen Effekte der vorliegenden Variante sind daher außerordentlich gut.

Wie oben aufgezeigt, werden die Wellenleitereigenschaften durch die Differenz ^ön des zusammengesetzten Brechungsindex

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zwischen dem genuteten Teil und dem nichtgenuteten Teil bestimmt, wobei sich diese Differenz folgendermaßen ausdrücken läßt:

^ön « η + ·κ£- α .

In den obigen Beispielen wird die Differenz des Brechungsindex in Transversalrichtung der ersten (aktiven) Halbleiterschicht hauptsächlich dadurch realisiert, daß die dem imaginären Teil des zusammengesetzten oder komplexen Brechungsindex entsprechenden effektiven Verluste geändert werden. Die Differenz des optischen Verstärkungs- oder Verlustfaktors kann jedoch in Transversalrichtung der ersten (aktiven) Halbleiterschicht auch dadurch verwirklicht werden, daß der dem reellen Teil des zusammengesetzten Brechungsindex entsprechende effektive Brechungsindex geändert wird, während die effektiven Ver-

15 luste (imaginärer Teil) vernachlässigt werden.

Wird beispielsweise in den Halbleiterlasern nach Figur 12 bis 15 Ga₁ Al As ( mit y < ρ = 1 und ρ i x) als Material für die vierte Halbleiterschicht 19, 21 bzw. 23 verwendet, so kann erreicht werden, daß der Unterschied im zusammengesetzten Brechungsindex auf dem Unterschied im effektiven Brechungsindex beruht, wordurch sich der optische Verstärkungsoder Verlustfaktor ändern und das Licht in Transversalrichtung auf den aktiven Bereich begrenzen läßt. Ga₁ Al As umfaßt zwei Typen, nämlich den Typ mit ρ > χ und den Typ ρ < x. In beiden Fällen werden die gleichen Effekte erreicht.

Halbleiterlaser mit guter Kennlinie Strom/Licht-Ausgangsleistung wurden erzielt, wenn für die Schicht 19, 21 bzw. 23

Ga^ _QAl_{n ο}?β oder Ga_n cAl^ _KAs verwendet wurde. O,ö 0,d 0,5 0,5

In den obigen Beispielen sind Bauelemente gezeigt, bei denen an der zweiten Schicht 12 ein streifenförmiger Vorsprung ausgebildet ist. Erfindungsgemäße Halbleiterlaser lassen sich jedoch auch so herstellen, daß ein Vorsprung an der dritten Halbleiterschicht 14 erzeugt wird. Werden die Dicken t5 und t6 der dritten Halbleiterschicht 14 gemäß Figur 22 wie in den obigen Beispielen eingestellt, so wird ein Unterschied im optischen Verstärkungs- oder Verlustfaktor in x-Richtung der

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laseraktiven Schicht 13 erreicht, und der Bereich unter dem Vorsprung 42 der ersten Halbleiterschicht arbeitet als laseraktiver Bereich. Auch so läßt sich ein Halbleiterlaser mit guter Lichtleistung Strom/Kennlinie erzeugen. In dem Halbleiterlaser nach Figur 22 wird n-GaAs als SubstratH, n-Ga_Q 7Al₀ ^As mit einer Dicke von 2 um als zweite Halbleiterschicht 12, undotiertes Ga_Q grA1_{Q Q}_ mit einer Dicke von 0,1 μιη als erste Halbleiterschicht 13, p-Ga_Q 7Al₀ 3^As mit t5 = 0,4 μτα und t6 = 1,5 um als dritte Halbleiterschicht 14 und n-GaAs als Halbleiterschicht 15 verwendet. Mit 18 ist eine p-leitende Zn-Diffusionsschicht bezeichnet, mit 16 eine positive Elektrode aus Au-Cr und mit 17 eine negative Elektrode aus einer Au-Ge-Ni-Legierung. Mit diesem Aufbau werden gute Ergebnisse erzielt.

Es ist auch möglich, die Strukturen nach Figur 22 und 3 zu kombinieren. Insbesondere ist es möglich, einen dicken und einen dünnen ^schnitt sowohl in der zweiten Halbleiterschicht 12 als auch in der dritten Halbleiterschicht 14 vorzusehen.

Anstelle eines Halbleiters kann für die Schicht 15 jedes beliebige Material verwendet werden, das bezüglich der geführten Laserwelle einen zusammengesetzten Brechungsindex aufweist, der von dem der Halbleiterschicht 14 verschieden ist. Beispielsweise kann die lichtabsorbierende Wirkung von Metallen wie etwa Au benützt werden. Ferner können natürlich auch für das Substrat 11 in dem Aufbau nach Figur 3 sowie für die Schichten 19, 21 und 32 in den Bauformen nach Figur 12 bis 15 von Halbleitern verschiedene Materialien verwendet werden.

In den in den cb igen Beispielen erläuterten Halbleiterlasern liegt auf dem an dem Substrat oder der darauf befindliehen Halbleiterschicht angeordneten Nutabschnitt (oder vorspringenden Abschnitt) die diesen Nut- oder vorspringenden Abschnitt bedeckende zweite Halbleiterschicht mit ebener Fläche; ferner ist auch die aktive Schicht (die erste Halbleiterschicht) die auf der zweiten Halbleiterschicht ausgebildet ist, eine ebene Schicht. Selbst dann, wenn die aktive Schicht längs der Nut bzw. dem vorspringenden Abschnitt in entsprechender Weise

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vorspringt, läßt sich ein Halbleiterlaser erzielen, der dem Wellenleiteraufbau nach Figur 4 äquivalent ist. Diese Variante soll im folgenden näher beschrieben werden.

Gemäß Figur 23 werden Kristallschichten mit Doppelheteroübergang durch epitaxiales Wachstum auf einem Substrat 231 gezüchtet, das in z-Richtung verlaufend eine streifenförmige Nut oder einen streifenförmigen Vorsprung (in Figur 23 ist ein Vorsprung gezeigt) aufweist. Vorgesehen sind ferner eine Schicht 233 aus einem ersten Halbleiterkristall sowie Schichten 232 und 234 aus einem zweiten bzw. einem dritten HaIbIeL terkristall, wobei die letzteren einen größeren Bandabstand und einen kleineren Brechungsindex aufweisen als der erste H^Ibleiterkristall. Wird der zweite Halbleiter als Substrat 231 verwendet, so kann die Schicht 232 auch weggelassen werden.

Anstelle einer einzelnen Kristallschicht kann auch ein mehrschichtiger Aufbau, bestehend aus einer Vielzahl von Schichten, epitaxial gezüchtet und zur Ausbildung einer Nut oder eines Vorsprungs geätzt werden, und dieser Aufbau kann dann als Substrat 231 dienen. Mit anderen Worten kann der Kristall mit dem Vorsprung (oder dem die Nut umgebenden vorspringenden Abschnitt) von dem Kristall des Substrats 231 verschieden sein. Der Halbleiterlaser gemäß dieser Variante der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß an dem Substrat ein Vorsprung oder eine Nut geformt ist und die erste Halbleiterschicht 233 längs des Vorsprungs bzw. der Nut des Substrats vorspringt.

Gemäß der theoretischen Analyse eines dielektrischen rechteckigen Wellenleiters, der in Figur 24 im Schnitt gezeigt ist, werden die Ausbreitungseigenschaften der elektromagnetischen Welle längs des Bereichs 241 näherungsweise durch den Brechungsindex, die Breite a und die Dicke b des Bereichs sowie die Brechungsindizees der Bereiche 242, 243, 244 und bestimmt, während sie von den Eigenschaften der Bereiche 246, 247, 248 und 249 unabhängig sind. Diese Näherung gilt mit Ausnahme des Falles, daß sowohl a und b gleichzeitig kleiner sind als die Wellenlänge ^g des in dem Wellenleiter geführten Lichts. Bei gewöhnlichen Halbleiterlasern ist jedoch die Beziehung

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a »Xg erfüllt, so daß eine gute Näherimg zu beobachten ist. Gemäß Figur 23 ist die Lichtausbreitung in dem Bereich 235, d.h. in einem Teil der aus dem ersten Halbleiter bestehenden Schicht 233, äquivalent zur Lichtausbreitung in einem rechteckigen Wellenleiter, wobei der untere Teil von dem zweiten Halbleiter, die linke und die rechte Seite sowie der obere Teil von dem dritten Halbleiter gebildet werden. Bei Erregung des Bereichs 235 läßt sich ein stabiler Betrieb im Transversalmodus erreichen.

Um den oben erwähnten Unterschied im Brechungsindex in x-Richtung effektiv zu realisieren, muß die vorspringende Höhe T des vorspringenden Teils größer sein als die Lichteindringtiefe r in y-Richtung aus dem aktiven Bereich 235 heraus, wobei diese Eindringtiefe r durch die obige Gleichung (1) ge-

15 geben ist.

In einem gewöhnlichen Laser der Reihe GaAs-GaAlAs beträgt der Wert von r etwa 0,3 um. ¹St die Bedingung T > 0,3 um erfüllt, so wird daher ein Halbleiterlaser mit dem in Figur 24 gezeigten Wellenleiteraufbau geschaffen.

Bei einem Laser mit dem in Figur 23 gezeigten /ufbau muß der Neigungswinkel θ des vorspringenden Teils größer sein als ein kritischer Winkel α, um eine Änderung des Brechungsindex In horizontaler Richtung in dem Bereich 235 zu bewirken. Ist dies der Fall, so wird ein Halbleiterlaser mit dem in Figur gezeigten Wellenleiteraufbau in wirksamer Weise erzeugt. Der kritische Winkel α wird folgendermaßen ausgedrückt:

a° - 90° - ß° - 90° - Sin"¹-^- .

ⁿi4

Ist für Halbleiterlaser der Reihe GaAs-GaAlAs die Bedingung θ = 20° erfüllt, so sind befriedigende Wirkungen zu erwarten. Wichtig ist auch, daß die Dicke C der Schicht 232 unter dem laseraktiven Bereich 235 ausreichend größer sein muß als die Eindringtiefe r, um eine Lichtabsorption durch das Substrat zu verhindern. Befriedigende Ergebnisse werden erzielt, wenn die Dicke C größer ist als 1 μπι. In ähnlicher Weise muß die Dicke der Schicht 234 größer sein als 1 μΐη.

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let die Höhe H des Vorsprungs (bzw. der Nut) zu groß, so bilden sich zwischen den Schichten 232, 233 und 234 keine kontinuierlichen übergänge; ist die Höhe H zu klein, so wird keine effektive Brechungsindex-Differenz erreicht. Daher beträgt die Höhe H vorzugsweise von 2 bis 4 μιη.

Werden die einzelnen Schichten nacheinander durch epitaxiales Wachstum aus der flüssigen Phase auf dem Substrat gezüchtet und dabei die Aufwachstemperatur auf 730 bis 780° C und die Abkühlungsgeschwindigkeit auf 1 bis 5° C/min eingestellt, so läßt sich der Vorsprung bzw. die Nut des Substrats im wesentlichen genau auf die erste Halbleiterschicht, d.h. auf die laseraktive Schicht, übertragen, und der Neigungswinkel θ des Vorsprungs in der laseraktiven Schicht beträgt etwa 20° oder mehr.

Es hat sich herausgestellt, daß Dimensionen, die den oben beschriebenen im wesentlichen entsprechen, für Laser der Reihe GaAsSb und der Reihe GaInAsP-InP geeignet sind.

Wie sich aus der obigen Darlegung ergibt, kennzeichnet sich die vorliegende Variante dadurch, daß in der ersten HaIbleiterschicht, in der der Laserbetrieb stattfindet, zwischen einem Bereich, der hauptsächlich durch einen Strom von einer in Ausbreitungsrichtung des Laserlichts angeordneten Elektrode erregt wird, und einen weiteren Bereich ein vorspringender Bereich ausgebildet ist. Dank dieses charakteristischen Aufbaus

25 lassen sich folgende Wirkungen erzielen:

(1) In optischer Hinsicht läßt sich ein stabiler Betrieb im Transversalmodus erreichen, der dem Transversalmodus-Betrieb äquivalent ist, wie er erzielt wird, wenn der erste Halbleiter an seinem gesamten Umfang von dem zweiten und dem

30 dritten Halbleiter umgeben ist.

(2) Hinsichtlich des Herstellverfahrens läßt sich der Halbleiterlaser in einem einzigen fortschreitenden epitaxialen Wachstum nacheinander aufbauen, wobei sich das Kristallwachstum wirksam steuern läßt. Die Verfahrensschritte können also vereinfacht werden, und es wird ein Erzeugnis mit hoher Zuverlässigkeit und ohne Einführung von Kristallfehlern erhalten.

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Diese Variante soll anhand der nachstehenden Beispiele im einzelnen beschrieben werden.
Beispiel 21

Ein Schnitt durch einen Halbleiterlaser nach diesem Ausführungsbeispiel ist in Fig. 25 gezeigt. Dieser Laser wird folgendermaßen hergestellt.

Auf ein Te-dotiertes n-GaAs-Substrat mit einer Konzentration von etwa 10 cm und einer Kristallfläche mit dem Flächenindex (100) wird ein Photolackstreifen mit einer Breite von 10 um photolithorgraphisch aufgetragen, und das Substrat wird unter Verwendung des so gebildeten Streifens als Maske auf eine Tiefe von etwa 3 um chemisch geätzt, um ein Substrat 251 mit vorspringender Oberfläche zu formen. Die Richtung des Streifens stimmt mit der C01T]-Richtung überein. Für die Ätzbehandlung wird ein flüssiges Gemisch aus Η,ΡΟ^, H₂O₂ und C₂H^ (OH)₂ im Mischungsverhältnis 1:1:3 verwendet. Durch übliches epitaxiales Wachstum aus der flüssigen Phase werden nacheinander Schichten 252, 253, 254 und 255 auf dem Substrat erzeugt. Die zur Bildung dieser Schichten verwendeten Lösungen setzen sich folgendermaßen zusammen:

(1) erste Schicht 252 (Ga_{n 7}Al_n ,As): 4 g Ga, 3 mg Al, 200 mg Sn und 200 mg GaAs;

(2) zweite Schicht 253 (Ga_{n 97}^1_{Q 0}3^As^^: * S ^Ga» 0,2 mg Al und 200 mg GaAs;

25 (3) dritte Schicht 254 (Ga_{n ?}Α1_{η 3}As): 4 g Ga,

3 mg Al, 70 mg Ge und 200 mg GaAs; (4) vierte Schicht 255 (GaAs): 4 g Ga, 100 mg Sn

und 200 mg GaAs.

Für das Wachstum aus der flüssigen Phase wird ein gewöhnliches gleitendes Schiffchen verwendet; die Lösung wird bei 760°C gesättigt und mit einer Geschwindigkeit von 3°C/min abgekühlt. Das Wachstum beginnt bei 740⁰C. Die Jeweiligen Wachstumszeiten und die dabei erzielten Schichtdicken betragen für die Schicht 252 3 min und 1,5 um, für die Schicht 253 3 s und 0,2 um. für die Schicht 254 3 min und 2 Um und für die Schicht 255 1 min und 1 um· Die Dicke t beträgt etwa 1 um. Als Störstoffzusatz wird für den n-Leitungstyp Sn und

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für den p-Leitungstyp Ge verwendet. Sodann wird auf die Oberfläche ein Al₂O^-FiIm aufgetragen, in dem an einer dem vorspringenden Teil entsprechenden Stelle ein Fenster mit einer Breite von 7 um gebildet wird, und durch dieses Fenster hindurch wird Zn bis auf die Schicht 254 selektiv eindiffundiert, woraufhin der A^O^-Film entfernt wird. Durch Vakuumniederschlag werden positive und negative Elektroden in einem gegenseitigen Abstand von 300 um angeordnet, und der Kristall wird unter (017) gespalten, so daß ein Laser entsteht. Für die positive Elektrode wird eine Cr-Au-Legierung, für die negative Elektrode eine /u-Ge-Ni-Legierung verwendet.

Die Betriebseigenschaften des so hergestellten Lasers sind im Vergleich zu denen des herkömmlichen Lasers nach Fig. 1a und 1b in den Diagrammen der Fig. 26 bis 28 veranschaulicht. Fig. 26 zeigt dabei die Beziehung zwischen der Licht-Zusgangsleistung und dem Erregerstrom, wobei die Kurve 261 die Ergebnisse mit dem erfindungsgemäßen Laser nach Fig. 25 und die Kurve 262 die Ergebnisse bei dem herkömmlichen Aufbau nach Fig. 1a und 1b darstellt. Bei dem erfindungsgemäßen Laser beträgt die Schwellenstromdichte für den Laserbetrieb etwa 2 kA/cm². Wie ersichtlich, ist die Linearität in der Beziehung zwischen der Lichtleistung und dem Strom gemäß der Kurve 261 gegenüber der Kurve 262 außerordentlich

25 verbessert.

Fig. 27a und 27b veranschaulichen das Fernfeld-Intensitätsprofil in der x-z-Ebene. Fig. 27a zeigt dabei die Ergebnisse für den erfindungsgemäßen Aufbau nach Fig. 25, während Fig. 27b die Ergebnisse mit dem herkömmlichen Aufbau nach Fig. 1a und 1b veranschaulicht. Dabei gelten die Kurven und 272 für einen Erregerstrom von 4 kA/cm , die Kurven und 274 für einen Erregerstrom von 3,3 kA/cm , und die Kurven 275 und 276 für einen Erregerstrom von 2,5 kA/cm . Aus Fig. 27b ist ersichtlich, daß sich das Intensitätsprofil in Abhängigkeit von Änderungen des Erregerstroms unregelmäßig ändert, während dieses Profil in Fig. 27a sehr stabil ist. Fig. 28 veranschaulicht die Ausgangsleistung, die erzielt wird, wenn das Bauelement mit einem pulsierenden Strom erregt wird. Gemäß der Kurve L hat der Impuls eine Amplitude

von 3 kA/cm und eine Impulsbreite von 10 ns. Die Kurve M zeigt die sich ergebende Ausgangsleistung bei dem Aufbau nach Fig. 25» die Kurve N die Ausgangsleistung bei dem Aufbau nach Fig. 1a und 1b. In der Kurve N sind unregelmäßige Änderungen der Ausgangsleistung zu beobachten, während in der Kurve M überhaupt keine derartigen Änderungen auftreten. Die Lebensdauer des Lasers nach Fig. 25 beträgt mehr als 5000 Stunden bei einer Ausgangsleistung von 5 mW, was der Lebensdauer des Lasers nach Fig. 1a und 1b entspricht.

Die obigen Ergebnisse werden mit einem Aufbau erzielt, bei dem das Substrat eine vorspringende Oberfläche hat. Ähnliche Ergebnisse werden jedoch auch dann erzielt, wenn das Substrat eine vertiefte Oberfläche aufweist.

Da in dem vorliegenden Beispiel die Breite des Streifens auf etwa 10 um eingestellt ist, wird gemäß Fig. 27a ein Laserbetrieb in einem Modus höherer Ordnung bewirkt. Um einen Betrieb in dem Modus niedrigster Ordnung zu erhalten, darf die Streifenbreite nicht größer als 2 μπι sein. In diesem Fall verringert sich die laseraktive Zone, was den Nachteil mit sich bringt, daß sich kaum große Ausgangsleistungen erreichen lassen. Wie in den nachstehenden Beispielen erläutert wird, ist es mit der vorliegenden Variante der Erfindung jedoch auch möglich, einen Laserbetrieb in einem Modus niedrigerer Ordnung ohne Verringerung der laseraktiven Zone her-

25 vorzurufen.

Beispiel 22

Fig. 29 zeigt die Form eines auf der Oberfläche eines Substrats ausgebildeten Streifens gemäß Beispiel 22. Dabei wird die Ätzung so ausgeführt, daß ein beschnittener oder ausgehöhlter Streifen entsteht. Die Breite des Streifens ändert sich allmählich von einem Wert w = 20 μπι bis zu einem Wert e - 5 Mm. Auf diesem Substrat werden in gleicher Weise wie im Beispiel 21 die einzelnen Schichten aufgebracht. Die beiden Enden werden in einem Abstand 1 - 300 μιη gespalten.

Das Fernfeld-Intensitätsprofil in der x-z-Ebene eines so gebildeten Lasers ist in Fig. 30 gezeigt. Wie aus dieser Figur hervorgeht, arbeitet der Laser im Transversalmodus niedrigster Ordnung, wobei der Laserbetrieb gegen Änderungen des Erreger-

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Stroms sehr stabil ist. In Fig. 30 gilt die Kurve 301 für

2

eine Stromdichte von 3,5 kA/cm , die Kurve 302 für 3 kA/cm und die Kurve 303 für einen Wert von 2,5 kA/cm . Die übrigen Eigenschaften sind im wesentlichen die gleichen wie im Beispiel 21.

Die in Fig. 29 gezeigte Streifenform ist übrigens nicht nur für die hier abgehandelten Halbleiterlaser-Strukturen sondern auch für alle möglichen anderen Halbleiterlaser anwendbar.

10 Beispiel 23

Die Form des auf der Substratoberfläche angeordneten Streifens gemäß diesem Beispiel 23 ist in Fig. 31 gezeigt. Die Streifenbreite w ist auf 20 μΐη eingestellt, und der Streifen ist sanft hin und her gekrümmt. Das Maß f beträgt 20 μπι. Die übrigen Strukturelemente sind die gleichen wie im Beispiel 22, und der Laser wird nach dem gleichen Verfahren wie im Beispiel 22 hergestellt. Auch die Eigenschaften des Lasers nach dem vorliegenden Beispiel 23 sind im wesentlichen die gleichen wie im Beispiel 22. Es läßt sich ein stabiler

20 Laserbetrieb im Transversalmodus erzielen.

Die In Fig. 31 gezeigte Streifenform ist ebenso wie die nach Fig. 29 nicht nur auf die vorliegenden Halbleiterlaser-Bauformen sondern auch auf alle möglichen anderen Halbleiterlaser anwendbar.

25 Beispiel 24

Fig. 32 zeigt einen Schnitt durch einen Laser nach diesem Beispiel. Die Breite eines auf der Substratoberfläche vorhandenen Streifens ist auf 5 um eingestellt. Wird die Wachstumsgeschwindigkeit beim aufeinanderfolgenden epitaxialen Wachstum aus der flüssigen Phase auf einem verhältnismäßig niedrigen Wert gehalten, so wird in Abhängigkeit von der Wachstumsgeschwindigkeit in Flächenrichtung die Dicke der Schicht 253 an den beiden Seiten gemäß Fig. 32 erhöht. Beträgt die Wachstumstemperatur 75O⁰C, die Abkühlungsgeschwindigkeit 0,2°C/min und die Mesa-Höhe des Substrats 5 um, so beträgt die Dicke der Schicht im Mittelabschnitt 0,2 um und in den beiden Seitenabschnitten 1 pm.

In Fig. 33a ist das Nahfeld-Intensitätsprofil in x-

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Richtung für den Wellenleiter des obigen Laseraufbaus gezeigt, während Fig. 33b das Nahfeld-Intensitätsprofil in x-Richtung für den Wellenleiter des in Fig. 2 gezeigten Injektionslasers mit versenkter HeteroStruktur (Journal 5 of Applied Physics, 45, Nr. 11, Seiten 4899-4906) darstellt. Ist die Dicke der Schicht 253 größer als 0,1 μιη, so ist der optische Verstärkungsfaktor umgekehrt proportional zu dieser Dicke. Im Zentralbereich des obigen Aufbaus ist daher der optische Verstärkungsfaktor höher. Daher läßt sich selbst dann, wenn die effektive Breite des Wellenleiterbereichs in der Schicht 253 bis hinauf zu etwa 10 um beträgt, ein Betrieb im niedrigsten Modus (d.h. m = 0, wobei m die Ordnungszahl des Modus angibt) möglich. Ist die Breite größer als 10 um, so wird ein Betrieb mit einem Modus höherer Ordnung (m = 6 gemäß Fig. 33a) hervorgerufen. In dem Aufbau nach Fig. 32 ist jedoch die Intensität der Ausgangsleistung im Zentralbereich am höchsten, so daß sich die Licht-/usgangsleistung wirksam in weitere optische Systeme, etwa Lichtleitfasern, einleiten läßt. In den Fig. 33 a und 33b entspricht g der Breite des Wellenleiterbereichs. Beim Injektionslaser mit versenkter HeteroStruktur ist dagegen die Dicke der Schicht 3 gleichförmig, weshalb der optische Verstärkungsfaktor in der gesamten Schicht 3 gleichförmig ist. Um daher einen Laserbetrieb im niedrigsten Modus zu erzielen, muß die Breite des Wellenleiterbereichs kleiner als 2 Um sein. Ist die Breite größer als 2 um, so wird ein Laserbetrieb in einem Modus höherer Ordnung bewirkt. Der Fall m = 6 ist in der Zeichnung dargestellt.

Wird die Licht-Ausgangsleistung des erfindungsgemäßen Lasers nach Fig. 32 bzw. die eines Injektionslasers mit versenkter HeteroStruktur nach Fig. 2, die durch einen Laserbetrieb in einem Modus höherer Ordnung mit m = 6 erzielt worden ist, über eine zylindrische Linse in die gleichen Vielmodus-Lichtleitfasern eingeleitet, so ergibt sich für den erfindungsgemäßen obigen Aufbau eine Kopplung mit einem Wirkungsgrad von 45 % bzw. für den Injektionslaser ein Wert von 18 96.

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Beispiel 25

In Fig. 34 ist ein Teilschnitt durch einen Laser nach Beispiel 25 gezeigt. Die übrigen, in Fig. 34 nicht gezeigten Strukturelemente sind die gleichen wie im Beispiel 21. Die Erregung erfolgt an den Bereichen h, i und j einer Schicht 253. Bei diesem Aufbau ist der aus dem Bereich h bestehende Wellenleiter über dem Bereich i schwach mit dem aus dem
Bereich j bestehenden Wellenleiter gekoppelt. Da die Dicke des Bereichs h von der des Bereichs J verschieden ist, sind die entsprechenden Ausbreitungskonstanten ebenfalls voneinander verschieden. Daher kann der Laser nach Fig. 34 als
zusanunengesetzter Laser aufgefaßt werden, der mit mehreren Laserelementen versehen ist. Im Falle eines Lasers mit einem Element gemäß den Beispielen 21 bis 24 ergibt sich das in

Fig. 35a gezeigte Laserspektrum, da Betriebsmodi gemäß der z-Achse mit ungefährer Wellenlänge auftreten; die Singularität ist demgemäß schlecht (Laserbetrieb im Mehrachsen-
Modus). Bei dem Laseraufbau nach dem vorliegenden Beispiel ist es andererseits möglich, im Verstärkungsspektrum nur

einen einzigen Laserbetrieb zu erzeugen, wie dies aus dem
Spektrum nach Fig. 35b hervorgeht, wo die Singularität
bedeutend verbessert ist.

In den obigen Beispielen sind Substrate verwendet worden, die eine Kristallfläche mit dem Flächenindex (100) aufweisen; in ähnlicher Weise können jedoch auch Substrate eingesetzt werden, deren Kristallfläche einen Flächenindex (110) oder (111) haben. Ferner können anstelle der in den obigen Beispielen verwendeten Halbleiter der Reihe GaAs-GaAl-As ohne
weiteres auch Halbleiter anderer Reihen verwendet werden.

Im folgenden soll ein Beispiel beschrieben werden, das mit Halbleitern der Reihe InP-GaInAsP arbeitet.
Beispiel 26
In Fig. 36 ist ein Schnitt durch einen Halbleiterlaser

nach Beispiel 26 dargestellt. Mit 361 ist dabei ein Zn-dotier-

18 tes p-InP-Substrat mit einer Konzentration von etwa 1 χ 10

^ und einer Fläche (111)B bezeichnet. Auf diesem Substrat 361 sind durch epitaxiales Wachstum aus der flüssigen Phase

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eine Schicht 362 aus n-Ga_Q -jl^g o/^sn 2^P0 8 ^mi* ^einer Dicke

von 0,5 Mm und eine Schicht 363 aus n-InP mit einer Dicke von 2 μιη gezüchtet. Als n-Störstoff wird Sn verwendet. Durch Vakuumniederschlag sind eine negative Elektrode 364 aus einer Au-Ge-Ni-Legierung und eine positive Elektrode 365 aus einer Cr-Zu-Legierung geformt. Die übrigen Herstellschritte sind die gleichen wie im Beispiel 21.

In dem so hergestellten Laser läßt sich ein Laserbetrieb

bei einer Stromdichte von 2,5 kA/cm bei Zimmertemperatur erreichen. Die Wellenlänge beträgt dabei 1,1 μια. Die Stabilität des Laserbetriebs im Transversalmodus ist im wesentlichen die gleiche wie im Beispiel 21.

In den obigen Beispielen 21 bis 26 sind Halbleiterlaser des sogenannten Fabry-Perot-Typs dargestellt. Die in diesen Beispielen gezeigte erfindungsgemäße Variante ist nicht nur bei Lasern mit Verteilungs-Rückkopplung mit einem eingebauten Beugungsgitter anwendbar, sondern auch bei Farblasern (dye lasers) und Festkörperlasern anwendbar. Außerdem kann der Aufbau nach der vorliegenden erfindungsgemäßen Variante auch als Wellenleiter oder als optisches Element zur Bildung einer optischen integrierten Schaltung benutzt werden.

Wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt, kennzeichnet sich der erfindungsgemäße Laser durch einen gekrümmten laseraktiven Bereich, der auf einem mit einer streifenförmigen Nut oder einem streifenförmigen Vorsprung versehenen Substrat angeordnet ist, woraus sich verschiedene typische Vorteile wie ein stabiler Laserbetrieb im Transversalmodus ergeben. Außerdem läßt sich der Laser sehr einfach und mit hoher Reproduzierbarkeit herstellen und weist hervorragende Lebensdauer und Zuverlässigkeit auf. Vom praktischen Standpunkt ist der erfindungsgemäße Laser daher sehr nutzlich.

PS/CW/Ug

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Leerseite

Claims (44)

Patentansprüche

1. ) Halbleiterlaser mit einem Halbleiterkörper eines ersten Leitungstyps, auf dessen Hauptoberfläche mehrere aneinandergrenzende Halbleiterschichten angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtenaufbau umfaßt (a) eine erste Halbleiterschicht (13) mit einem laseraktiven Bereich (130) und zwei einander gegenüberliegenden Flächen, von denen die erste der Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers (11) zugewandt und die zweite von dem Halbleiterkörper (11) abgewandt ist,

(b) eine an der ersten Oberfläche angeordnete zweite Halbleiterschicht (12), die einen größeren Bandabstand hat als die erste Halbleiterschicht (13), und

(c) eine auf der zweiten Oberfläche angeordnete dritte Halbleiterschicht (14), die einen größeren Bandabstand

aufweist als die erste Halbleiterschicht (13), wobei der laseraktive Bereich (130) von einem äußeren Bereich (131, 132) umgeben ist, dessen effektiver komplexer Brechungs-

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index -von dem des laseraktiven Bereichs (130) verschieden ist und der innerhalb des Schichtenaufbaus liegt. (Fig. 3)

2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (11) aus einem Material besteht, dessen komplexer Brechungsindex von dem der zweiten Halbleiterschicht (12) verschieden ist, und daß die zweite HaIbleiterschicht (12) die unterste Schicht des Schichtenaufbaus bildet, die Hauptoberfläche bedeckt und einen dünnen Bereich, dessen Dicke ti höchstens 3r beträgt (wobei r der Weg ist, auf dem die entweichende Welle um 1/e abklingt), sowie einen dicken Bereich umfaßt, dessen Dicke t2 größer ist als 3r.

3. Halbleiterlaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Halbleiterschicht (14) eine Dicke t3 aufweist, die größer ist als 3r.

4. Halbleiterlaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (11) in seiner Hauptoberfläche eine Nut aufweist und daß der dicke Bereich auf der Nut und der dünne Bereich auf dem übrigen Teil der Hauptoberfläche aus-

5 serhalb der Nut angeordnet ist.

5. Halbleiterlaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper an seiner Hauptoberfläche einen Vorsprung aufweist und daß der dünne Bereich auf dem Vorsprung

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und der dicke Bereich auf dem übrigen Teil der Hauptoberfläche außerhalb des Vorsprungs angeordnet ist.

6. Halbleiterlaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Halbleiterschicht eine Dicke gleich oder
kleiner als 2r hat.

7. Halbleiterlaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Halbleiterschicht eine Dicke ti gleich oder
kleiner als r hat.

8. Halbleiterlaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Halbleiterschicht (12) einen ersten Leitungstyp und die dritte Halbleiterschicht (14) einen zu dem
ersten Leitungstyp entgegengesetzten zweiten Leitungstyp

5 aufweist.

9. Halbleiterlaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex der zweiten Halbleiterschicht gleich dem der dritten Halbleiterschicht ist.

10. Halbleiterlaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex der zweiten Halbleiterschicht größer ist als der der dritten Halbleiterschicht.

11. Halbleiterlaser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke ti größer ist als die Dicke t3 der dritten

Halbleiterschicht.

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-A-

12. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit der obersten Schicht (15) des Schichtenaufbaus eine erste Elektrode (16) und mit dem Halbleiterkörper (11) eine zweite Elektrode (17) verbunden ist.

13. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtenaufbau ferner eine vierte Halbleiterschicht (19; 21; 23) umfaßt, die an der zweiten Halbleiterschicht (12) angeordnet ist und aus einem Material besteht, dessen komplexer Brechungsindex von dem der zweiten Halbleiterschicht (12) verschieden ist, und daß die zweite Halbleiterschicht (12) einen dünnen Bereich, dessen Dicke ti höchstens 3r beträgt (wobei r der Weg ist, auf dem die entweichende Welle um 1/e abklingt), sowie einen dicken Bereich (20; 22; 24) umfaßt, dessen Dicke t2 größer ist als 3r. (Fig. 12...14)

14. Halbleiterlaser nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Halbleiterschicht (19; 21; 23) auf der von der zweiten H?lbleiterschicht (12) abgewandten Fläche eine Nut aufweist.

15· Halbleiterlaser nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden der Nut an der Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers (11) liegt. (Fig. 12)

16. Halbleiterlaser nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden der Nut in der vierten Halbleiterschicht (21)

liegt. (Fig. 13)

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17. Halbleiterlaser nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut die vierte Halbleiterschicht (23) durchsetzt und bis in den Halbleiterkörper (11) eindringt. (Fig. 14)

18. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Halbleiterschicht (19» 21; 23) den ersten Leitungstyp aufweist und einen höheren spezifischen Widerstand hat als die zweite Halbleiterschicht (12).

19. Halbleiterlaser nach Anspruch 15 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Halbleiterschicht (19; 23) den zweiten Leitungstyp aufweist.

20. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 15 bis 17» dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Halbleiterschicht (19; 21; 23) zwischen der Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers (11) und der zweiten Halbleiterschicht (12) angeordnet ist.

21. Halbleiterlaser nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Halbleiterschicht (19; 21; 23) einen Bandabstand aufweist» der höchstens so groß ist wie der der ersten Halbleiterschicht (13).

22. Halbleiterlaser nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet» daß die vierte Halbleiterschicht (19; 21; 23) einen Brechungsindex aufweist, der von dem der zweiten Halbleiterschicht (12)

verschieden ist.

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23. Halbleiterlaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (11) aus Ga_1-2Al₂As (O < ζ < 1) besteht, die erste Halbleiterschicht (13) aus Ga₁ Al As (z < y < 1), die zweite Halbleiterschicht (12) aus Ga₁ AlAs (y < χ < 1) und die dritte Hslbleiterschicht (14) aus Ga₁__x,Al_x,As (y < x¹ < 1).

24. Halbleiterlaser nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke ti von einschließlich 0,3 um bis einschließlich 0,7 um beträgt, die Dicke t2 mindestens 0,9 um, die Dicke d der ersten Halbleiterschicht (13) von einschließlich 0,05 um

5 bis einschließlich 0,2 um und χ = x¹ ist.

25. Halbleiterlaser nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Halbleiterschicht (19; 21; 23) aus Ga₁ Al As (J < P < 1) besteht, der Halbleiterkörper (11) aus Ga₁ AlAs

β I ^ Z Z

(O < ζ < 1), die erste Halbleiterschicht (13) aus Ga₁ Al As (p < y < 1), die zweite Halbleiterschicht (12) aus Ga₁ „Al As (y < χ < 1) und die dritte Halbleiterschicht (14) aus Ga_1-x,Al_x,As (y < x· < 1).

26. Halbleiterlaser nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (11) aus Ga₁ „AlAs (O < ζ < 1) besteht, die erste Halbleiterschicht (13) aus Ga₁ Al As

(O < y < 1), die zweite Halbleiterschicht (12) aus 5 (y < x < 1), die dritte Halbleiterschicht (14) aus

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^Ga1-x^fAlx^|As (^{y K x}' * ¹^ ^{xmd die vlerte} Halbleiterschicht (19; 21; 23) aus Ga^Al^s (y < q < 1, q 4 x).

27· Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Halbleiterschicht (14) einen dünnen Bereich, dessen Dicke t5 höchstens 3r beträgt (wobei r der Weg ist, auf dem die entweichende Welle um 1/e abklingt), sowie einen dünnen Bereich (42) umfaßt, dessen Dicke t6 größer ist als 3r. (Fig. 22)

28. Halbleiterlaser nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtenaufbau ferner eine auf der dritten Halbleiterschicht (14) angeordnete fünfte Halbleiterschicht (15) aus einem Material umfaßt, dessen komplexer Brechungsindex von dem der dritten Halbleiterschicht (14) verschieden ist.

29. Halbleiterlaser nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dritten Halbleiterschicht eine Metallschicht angeordnet ist.

30. Halbleiterlaser nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Halbleiterschicht (14) auf ihrer von der ersten Halbleiterschicht (13) abgewandten Seite einen Vorsprung (42) aufweist. (Fig. 22)

31. Halbleiterlaser nach /nspruch 2, 13 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß der dicke Bereich (20, 22, 24, 42) eine Breite im Bereich von einschließlich 2 μπι bis ausschließ-

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lieh 8 μΐη hat.

32. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Halbleiterschicht (232; 252) einen auf die erste Halbleiterschicht (233; 253) zu herausragenden Vorsprung aufweist, daß die die zweite Halbleiterschicht bedeckende erste Halbleiterschicht (233» 253) längs des Vorsprungs der zweiten Halbleiterschicht (232; 252) vorspringt, und daß die die erste Halbleiterschicht bedeckende dritte Halbleiterschicht (234; 254) in dem Vorsprung der ersten Halbleiterschicht (233; 253) versenkt ist. (Fig. 23, 25, 32)

33. Halbleiterlaser nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (231; 251) auf seiner Hauptoberfläche einen Vorsprung hat, und daß der Vorsprung der zweiten Halbleiterschicht (232; 252) längs des Vorsprungs des Halbleiter-

5 körpers (231; 251) verläuft.

34. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Halbleiterschicht auf den Halbleiterkörper zu vertieft ist, daß die die zweite Halbleiterschicht bedeckende erste Halbleiterschicht längs der Vertiefung der zweiten HaIbleiterschicht vertieft ist, und daß die die erste Halbleiterschicht bedeckende dritte Halbleiterschicht in der Vertiefung der ersten Halbleiterschicht versenkt ist.

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"ΒΚΪξ;

35. Halbleiterlaser nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper an seiner Hauptoberfläche eine Nut aufweist, und daß die zweite Halbleiterschicht längs der Nut des Halbleiterkörpers vertieft ist.

36. Halbleiterlaser nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe T des Vorsprungs der ersten Halbleiterschicht (233) größer ist als der Weg r, auf dem die austretende Welle um 1/e abklingt. (Fig. 23)

37. Halbleiterlaser nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe D der Vertiefung der ersten Halbleiterschicht (362) größer ist als der Weg, auf dem die austretende Welle um 1/e abklingt. (Fig. 36)

38. Halbleiterlaser nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel θ des Vorsprungs mindestens so groß ist wie ein kritischer Winkel der Laserwelle.

39. Halbleiterlaser nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel der Vertiefung mindestens so groß ist wie ein kritischer Winkel der Laserwelle.

40. Halbleiterlaser nach Anspruch 32 oder 34, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite und die dritte Halbleiterschicht (232; 252; 361/234; 254; 363) eine Dicke aufweisen, die größer ist als der Weg r, auf dem die eindringende Welle

5 um 1/e abklingt.

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41. Halbleiterlaser nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß der auf dem Vorsprung der zweiten Halbleiterschicht (252) liegende Vorsprung der ersten Halbleiterschicht (253) von einem Bereich der ersten Halbleiterschicht (253) umgeben ist, dessen Dicke größer ist als die des Vorsprungs. (Fig. 32)

42. Halbleiterlaser nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Vertiefung der zweiten Halbleiterschicht liegende Vertiefung der ersten Halbleiterschicht von einem Bereich der ersten Halbleiterschicht umgeben ist, dessen Dicke größer ist als die des vertieften Bereichs.

43. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des laseraktiven Bereichs in Richtung der Lichtausbreitung variiert. (Fig. 29)

44. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der laseraktive Bereich in Richtung der Lichtausbreitung gekrümmt ist. (Fig. 31)

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