DE3736497A1

DE3736497A1 - Halbleiterlaser und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE3736497A1
Application number: DE19873736497
Authority: DE
Inventors: Hideaki Iwano; Yoshifumi Tsunekawa
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1986-10-29
Filing date: 1987-10-28
Publication date: 1988-05-05
Also published as: FR2606223B1; FR2606223A1; US4856013A

Description

Die Erfindung betrifft einen Doppelheterostruktur-Halbleiterlaser und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Bei bekannten Doppelheterostruktur-Halbleiterlasern (nachfolgend abgekürzt als DH-Laser bezeichnet) wird zur Verringerung eines Leckstroms eine Injektionssperrschicht vorgesehen, damit man eine Schwingung geringer Schwellenstromdichte und hohen externen Quantenwirkungsgrades erhält. Zur Erzielung einer stabilen Transversalmodenschwingung wird ein indexgeführter Aufbau verwendet. Hierfür sind verschiedene Möglichkeiten vorgeschlagen worden.

Die Druckschrift "Electronics Letters", Vol. 21, 1985, Seite 903, zeigt ein Beispiel eines herkömmlich aufgebauten Halbleiterlasers. Fig. 16 stellt einen Querschnitt dieses bekannten Aufbaus dar. Es umfaßt ein N-leitendes GaAs-Substrat 1602, eine N-leitende GaAs Pufferschicht 1603, eine erste N-leitende Al_0,6Ga_0,4As-Mantelschicht 1604, eine undotierte aktive GaAs-Schicht 1605, eine P-leitende zweite Al_0,6Ga_0,4As-Mantelschicht 1606 und eine P-leitende GaAs-Kontaktschicht 1609. Die Seitenflächen einer durch einen Ätzvorgang ausgebildeten Rippe sind in eine N-leitende GaAs-Schicht 1607 eingebettet. Diese Schicht 1607 bewirkt eine Injektionsstromsperre aufgrund eines in Sperrichtung vorgespannten PN-Übergangs zwischen dieser Schicht 1607 und der zweiten Mantelschicht 1606. Wegen der Lichtabsorption der N-leitenden GaAs-Schicht kann aufgrund eines Imaginärteils des Brechungsindex ein Wellenleiter erhalten werden.

Ein anderer Aufbau ist aus der Druckschrift "IEEE, Journal of Quantum Electronics", Vol. QE-19, 1983, Seite 1021, bekannt. Fig. 14 zeigt einen Querschnitt dieses bekannten Aufbaus. Eine aktive N-leitende Al_0,16Ga_0,84As-Schicht 1403 ist mit einem Bogen ausgebildet, so daß eine Real-Indexführung aufgrund der Differenz zwischen den Brechungsindizes des Bogenteiles und des Teiles außerhalb des Bogens realisiert wird. Diese aktive Schicht 1403 bewirkt eine Injektionsstromsperre aufgrund einer halbleitenden ZnSe-Schicht 1406. Bei diesen bekannten Lasern ist das Laserspektrum ein Ein-Mode.

Wenn ein Halbleiterlaser als Lichtquelle bei einem optischen Informationsverarbeitungsgerät verwendet wird, tritt Rauschen auf, wenn ein Teil des abgestrahlten Lichts zum Resonator zurückkehrt (nachfolgend als rückkopplungsbedingtes Rauschen bezeichnet). Dies kann soweit gehen, daß die Geräte praktisch nicht verwendbar sind. Zur Verringerung dieses rückkopplungsbedingten Rauschens beschreiben die Druckschriften JP-A-140774/85 und JP-A-150682/85 einen indexgeführten Aufbau an der Stirnfläche des Resonators und einen verstärkungsgeführten Aufbau in der Mitte des Resonators zur Erzielung einer longitudinalen Mehrfach-Modenschwingung. Ein Aufbau entsprechend einem Ausführungsbeispiel dieses Standes der Technik ist in Fig. 15 gezeigt. Auf einem P-leitenden GaAs-Substrat ist eine N-leitende Injektionssperrschicht 1501 aus GaAs ausgebildet und mit einem V-förmigen Nutstreifen versehen. In der Mitte des Resonators ist eine weite Nut geätzt, so daß der Wellenleiter nur in der Mitte eine verstärkungsgeführte Struktur bildet. Als Folge davon erhält man einen longitudinalen Mehrfach-Mode, und das rückkopplungsbedingte Rauschen kann verringert werden.

Beim vorgenannten Stand der Technik treten folgende Probleme auf.

Wenn der Injektionsstrom durch einen in Sperrichtung vorgespannten PN-Übergang zwischen der N-leitenden GaAs-Schicht und der zweiten Mantelschicht gemäß Darstellung in Fig. 16 (1607) blockiert wird, entsteht nahe der aktiven Schicht eine Übergangsebene. Bei hoher Ladungsträgerkonzentration ist die Durchbruchsspannung gering, was zu einem Leckstrom nahe der aktiven Schicht, zu einem Anstieg des Schwellenstroms und zu einem Durchbruch an der Wandfläche des Streifens bei hoher Ausgangsleistung führt. Die Zuverlässigkeit der Vorrichtung wird dadurch verringert. Die Welle wird durch Lichtabsorption geführt, so daß Verluste der geführten Welle auftreten und dadurch der Schwellenstrom erhöht wird. Wenn die Lichtabsorption an der Seitenfläche des Wellenleiters auftritt, wird die Phase des Wellenleiters verzögert, die Wellenfront an der ausgangsseitigen Stirnfläche gekrümmt und ein großer Astigmatismus verursacht.

Im Fall des Halbleiterlasers mit dem in Fig. 14 gezeigten Aufbau, kann der Leckstrom aufgrund der Ladungsträger, die in die zweite Mantelschicht 1405 diffundieren, nicht beschränkt werden, weshalb der Schwellenstrom ansteigt und eine Verschlechterung des externen Quantenwirkungsgrades und eine Zunahme des Treiberstroms auftreten. Auch dies bedeutet eine Verschlechterung der Zuverlässigkeit der Vorrichtung.

Der in Fig. 15 gezeigte Aufbau dient der Reduzierung des rückkopplungsbedingten Rauschens. Da die aktive Schicht auf Nuten unterschiedlicher Breite aufgewachsen wird, wird die Breite der aktiven Schicht wegen der unterschiedlichen Wachstumsgeschwindigkeit in der indexgeführten Struktur anders als in der verstärkungsgeführten Struktur. Die Verluste des Wellenleiters an den Grenzflächen führen zu einer Zunahme des Schwellenstroms und einer Abnahme des externen Quantenwirkungsgrades. Die Länge des verstärkungsgeführten Wellenleiters kann nicht beliebig festgelegt werden, und infolge dieses Wertes wird der longitudinale Mode zu einem Ein-Mode, wodurch ein starkes Rauschen bei optischer Rückkopplung auftritt.

Aufgabe der Erfindung ist es, unter Vermeidung der erwähnten Nachteile einen Halbleiterlaser zu schaffen, bei dem ein Lecken induzierten Stroms zur Außenseite des Schwingungsbereichs vollkommen ausgeschaltet wird. Nur die transversale Grundmodenschwingung soll durch den Effekt der möglichen optischen Eingrenzung steuerbar sein. Der Halbleiterlaser soll einen geringen Schwellenstrom aufweisen und eine stabile transversale Ein-Modenschwingung bei hoher Ausgangsleistung ermöglichen. Das rückkopplungsbedingte Rauschen soll deutlich verringert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen DH-Laser mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zu seiner Herstellung gemäß Patentanspruch 10 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Viele Materialien der Gruppe II-VI-Verbindungshalbleiter, in die bei der erfindungsgemäßen Struktur die Seitenflächen des Wellenleiters vergraben oder eingebettet sind, weisen einen sehr viel höheren Energiebandabstand (Energiebandlücke) als die Gruppe III-V-Verbindungshalbleiter auf, und die mit der Methode der metallorganisch chemischen Dampfabschaltung erhaltenen Materialien wie ZnSe haben einen hohen spezifischen Widerstand von mehr als 10⁷ Ωcm. Der II-IV-Verbindungshalbleiter spielt eine wirksame Rolle, indem er nahezu perfekt den Injektionsstrom blockiert und dieser allein in der Schwingungszone der aktiven Schicht fließt, so daß der Injektionsstrom wirkungsvoll für die Schwingung des Halbleiterlasers ausgenutzt werden kann und der Schwellenstrom damit reduziert wird. Die Materialien wie ZnSe haben eine Gitterkonstante, die der der III-V-Verbindungshalbleiter wie GaAs und AlGaAs ähnlich ist. Beispielsweise beträgt die Gitterkonstante von GaAlAs 0,5657 nm und die von ZnSe 0,5667 nm. Daher tritt keine Versetzung infolge einer Fehlanpassung an der Grenzfläche von GaAlAs und ZnSe auf. Auch wird weder ein Verlust von Ladungsträgern noch von Licht verursacht, wodurch der Schwellenstrom verringert werden kann. Viele II-VI-Verbindungshalbleiter haben einen geringeren Brechungsindex als die III-V-Verbindungshalbleiter. Dadurch kann der Unterschied zwischen dem reellen Brechungsindex der Schwingungszone der aktiven Schicht und dem der vergrabenen Schichtzone vergrößert werden, so daß der Effekt der optischen Eingrenzung verbessert wird. Als Ergebnis erhält man ein stabiles Nahfeldmuster mit geringem Astigmatismus.

Die vergrabene Heterostruktur kann bei niedrigen Temperaturen von 300°C bis 400°C durch das MOCVD-Verfahren aufgewachsen werden, wobei das durch eine molare Mischung von Dialkylzink (R₂Zn) und Dialkylselen (R₂Se) erhaltene Addukt als Zinkquelle zur Herstellung der ZnSe-Schicht verwendet wird. Dabei wird die Doppelheterostruktur, etwa die aktive Schicht, nicht beeinflußt, wenn die vergrabene Schicht aufgewachsen wird. Außerdem kann ein Film mit einer gleichmäßigen Dicke über eine große Fläche aufgewachsen werden. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Reaktivität des Addukts von R₂Zn und R₂Se gegenüber Wasserstoffverbindungen von Elementen der Gruppe VI verringert werden kann, so daß es nicht notwendig ist, das Material für die Gruppe II und für die Gruppe VI nahe dem Substrat getrennt in den Reaktor einzuleiten.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 4 kann eine longitudinale Mehrfachmodenschwingung mit geringem rückkopplungsbedingtem Rauschen erhalten werden, da die Laserschwingung von der verstärkungsgeführten Struktur in der Mitte des Resonators geführt wird. Andererseits kann eine stabile transversale Grundmodenschwingung mit geringem Astigmatismus erhalten werden, weil die Laserschwingung nahe der ausgangsseitigen Stirnfläche von der indexgeführten Struktur geführt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Hauptquerschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines Halbleiterlasers gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Hauptquerschnittsansicht eines anderen Ausführungsbeispiels eines Halbleiterlasers gemäß der Erfindung,

Fig. 3 eine Hauptquerschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines Halbleiterlasers gemäß der Erfindung zur Definition der Größen w, t und R,

Fig. 4 Verfahrensschritte zur Herstellung eines Ausführungsbeispiels eines Halbleiterlasers gemäß der Erfindung,

Fig. 5 den Zusammenhang zwischen der optischen Ausgangsleistung und dem Injektionsstrom, einmal für einen Halbleiterlaser nach dem Stand der Technik und zum anderen für einen Halbleiterlaser gemäß der Erfindung,

Fig. 6 das Fernfeldmuster eines Ausführungsbeispiels eines Halbleiterlasers gemäß der Erfindung,

Fig. 7 den Treiberstrom über der Zeit, einmal für einen Halbleiterlaser des Standes der Technik und zum anderen für einen Halbleiterlaser gemäß der Erfindung,Fig. 8 schematisch den Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung des MOCVD-Verfahrens, das zur Herstellung eines Halbleiterlasers gemäß der Erfindung eingesetzt wird,

Fig. 9(a) eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines Halbleiterlasers gemäß der Erfindung,

Fig. 9(b) und 9(c) Querschnittsansichten entsprechend den Linien A-A′ bzw. B-B′ in Fig. 9(a),

Fig. 10 Verfahrensschritte eines Verfahrens zur Herstellung eines Ausführungsbeispiels eines Halbleiterlasers gemäß der Erfindung,

Fig. 11 das Schwingungsspektrum eines Halbleiterlasers gemäß der Erfindung,

Fig. 12 den Zusammenhang zwischen dem optischen Rückkopplungsverhältnis und der relativen Rauschintensität, einmal für den Stand der Technik und zum anderen für die Erfindung,

Fig. 13 den Zusammenhang zwischen der astigmatischen Differenz und dem Wert l₂/(l₁+l₃) für einen erfindungsgemäßen Halbleiterlaser,

Fig. 14 eine Hauptquerschnittsansicht eines bekannten Halbleiterlasers,

Fig. 15(a) eine Draufsicht auf einen bekannten Halbleiterlaser,

Fig. 15(b) und 15(c) Querschnittsansichten längs den Linien A-A′, B-B′ des Halbleiterlasers von Fig. 15(a) und

Fig. 16 eine Querschnittsansicht eines anderen bekannten Halbleiterlasers.

Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Halbleiterlasers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Der Halbleiterlaser umfaßt ein N-leitendes GaAs-Einkristallsubstrat 102, eine N-leitende GaAs-Pufferschicht 103, eine N-leitende AlGaAs-Mantelschicht 104, eine aktive GaAs- oder AlGaAs-Schicht 105, eine P-leitende AlGaAs-Mantelschicht 106 und eine P-leitende GaAs-Kontaktschicht 108. Die Mantelschicht 106 ist mit einer Rippe mit einer umgekehrten Mesaform ausgebildet. Ein II-IV-Verbindungshalbleiter wie ZnSe ist an den beiden Seiten der Rippe eingelassen (vergraben). Im Bereich des von der Rippe gebildeten Streifens ist die ZnSe-Schicht 107 bis zur Oberseite der Kontaktschicht 108 geätzt und darauf dann eine P-leitende Elektrode 109 für einen ohmschen Kontakt angeordnet. An der Unterseite des Substrats 102 befindet sich eine N-leitende Elektrode 101 für einen ohmschen Kontakt. Eine Ladungsträgerinjektion tritt in der aktiven Schicht 105 aufgrund eines Durchlaßstromflusses zwischen den Elektroden 109 und 101 auf. Eine Strahlungsrekombination zwischen den beiden Enden des Resonators wird verstärkt, so daß Laserlicht limitiert wird. Die ZnSe-Schicht 107 weist einen spezifischen Widerstand von 10⁷ Ωcm oder mehr auf, und es fließt kein Injektionsstrom außerhalb der Rippe. Die Laserschwingung tritt daher nur in der aktiven Schicht gerade unterhalb der Rippe auf, so daß kein Leckstrom fließt und damit der Schwellenstrom reduziert werden kann. Wenn ein Wachstum für eine vergrabene Heterostruktur an der Seitenfläche der Rippe unter Verwendung einer AlGaAs-Verbindungshalbleiterschicht ausgeführt wird, unterscheidet sich die kristallographische Ebene parallel zum Übergang zur Mantelschicht 106 von der an der Seitenfläche der Rippe, so daß nahe dieser Seitenfläche Grenzflächenzustände entstehen und damit durch einen in der Grenzfläche fließenden Leckstrom eine Beeinträchtigung beschleunigt wird. Wenn jedoch das Aufwachsen mit Hilfe des MOCVD-Verfahrens unter Verwendung eines II-VI-Verbindungshalbleiters wie ZnSe erfolgt, dann ist die Selektivität in bezug auf die kristallographische Ebene gering, so daß keine Grenzfläche nach dem Wachstum für die vergrabene Heterostruktur an der Seitenfläche der Rippe gebildet wird.

GaAlAs hat nahezu die gleiche Gitterkonstante wie ZnSe, so daß eine Versetzung aufgrund einer Fehlanpassung an der Grenzfläche zwischen GaAlAs und ZnSe nicht verursacht wird und kein Verlust der Injektionsladungsträger und des geführten Lichts auftritt. Dadurch wird der Schwellenstrom verringert und der externe Quantenwirkungsgrad erhöht.

Der Brechungsindex von ZnSe beträgt 2,89 und ist niedriger als derjenige (3,4) von GaAs. Die reelle Brechungsindexdifferenz tritt im Schwingungsbereich und in einem gewissen Bereich der vergrabenen ZnSe-Schicht auf, so daß die geführte Welle wirkungsvoll auf den Schwingungsbereich eingegrenzt werden kann, was wiederum den Schwellenstrom reduziert und den externen Quantenwirkungsgrad erhöht. Aufgrund der indexgeführten Struktur tritt an der Seite des Rippenstreifens keine Lichtabsorption auf, so daß die Wellenfront der Ausgangslaserwelle in der Ausgangsstirnfläche nicht gekrümmt wird. Man erhält daher eine Schwingung mit kleinem Astigmatismus.

Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Halbleiterlasers gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Der Halbleiterlaser umfaßt ein N-leitendes GaAs-Einkristallsubstrat 202, eine N-leitende GaAs-Pufferschicht 203, eine N-leitende AlGaAs-Mantelschicht 204, eine aktive GaAs- oder AlGaAs-Schicht 205, eine P-leitende AlGaAs-Mantelschicht 206 und eine P-leitende GaAs-Kontaktschicht 208. Die Mantelschicht 206 ist mit einer Rippe mit Mesaform ausgebildet. An beiden Seiten der Rippe ist der II-VI-Verbindungshalbleiter 207 vergraben. Die ZnSe-Schicht auf der Streifenzone ist bis zur Oberfläche der Kontaktschicht 208 geätzt, und eine P-leitende Elektrode für ohmschen Kontakt 209 darauf ausgebildet. Aus den gleichen Gründen wie bei Fig. 1 wird mit diesem Ausführungsbeispiel ein Halbleiterlaser mit geringem Schwellenstrom und hoher Zuverlässigkeit geschaffen.

Fig. 4 zeigt die Schritte eines Herstellungsverfahrens für ein Ausführungsbeispiel eines Halbleiterlasers gemäß der Erfindung.

Auf einem N-leitenden GaAs-Einkristallsubstrat 401 (Fig. 4(a)) werden nacheinander mittels des MOCVD-Verfahrens ein N-leitendes GaAs-Substrat 406, eine N-leitende AlGaAs-Mantelschicht 405, eine aktive Schicht 404 aus GaAs oder AlGaAs, eine P-leitende AlGaAs-Mantelschicht 403 und eine P-leitende GaAs-Kontaktschicht 402 aufgewachsen (Fig. 4(b)). Mit Hilfe üblicher fotolithographischer Schritte wird dann eine streifenförmige Rippe ausgebildet (Fig. 4(c)). Mit Hilfe des MOCVD-Verfahrens wird dann eine vergrabene ZnSe-Schicht 407 aufgewachsen (Fig. 4(d)). Auf der Rippe wird diese ZnSe-Schicht dann mittels fotolithographischer Techniken wieder weggeätzt (Fig. 4(e)). Als nächstes wird eine P-leitende Elektrode für einen ohmschen Kontakt 408 und eine N-leitende Elektrode für einen ohmschen Kontakt 409 aufgebracht, wie aus Fig. 4(f) ersichtlich.

Fig. 5 zeigt den Zusammenhang zwischen der optischen Ausgangsleistung und dem Injektionsstrom für einen Halbleiterlaser mit dem Aufbau von Fig. 1. Die Kurve 501 zeigt die Verhältnisse für den Halbleiterlaser gemäß der Erfindung und die Kurve 502 die Verhältnisse für einen Halbleiterlaser, bei dem gemäß dem Stand der Technik eine III-V-Verbindungshalbleiterschicht vergraben ist. Da der spezifische Widerstand des II-VI-Verbindungshalbleiters groß genug ist, tritt außerhalb der Schwingungszone kein nennenswerter Leckstrom auf, so daß der Schwellenstrom verringert werden kann und der Quantenwirkungsgrad erhöht wird, wobei wirkungsvoll von dem indexgeführten Aufbau Gebrauch gemacht wird.

Fig. 6 zeigt Fernfeldmuster des Halbleiterlasers gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1. Die Kurve 601 zeigt die relative optische Intensität in Richtung parallel zur Übergangsebene und die Kurve 602 in Richtung senkrecht zur Übergangsebene. In beiden Fällen kann eine transversale Grundmodenschwingung mit einer Ausgangsleistung von 20 mW erhalten werden.

Mit dem Halbleiterlaser des Ausführungsbeispiels von Fig. 1 ergibt sich ein longitudinaler Ein-Mode und ein geringer Astigmatismus von 3 µm oder weniger.

Fig. 7 zeigt die Alterungsverhältnisse des Halbleiterlasers gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1, wobei die optische Ausgangsleistung auf 5 mW und die Umgebungstemperatur auf 50°C fixiert sind. Die Kurve 701 zeigt den Alterungseinfluß auf den zur Erzielung einer Ausgangsleistung von 5 mW erforderlichen Treiberstrom beim erfindungsgemäßen Halbleiterlaser, wobei sich erweist, daß der Treiberstrom über 3000 Stunden konstant bleibt. Die Kurve 702 zeigt das Entsprechende für einen herkömmlichen Halbleiterlaser, bei dem ein III-V-Verbindungshalbleiter, etwa GaAs, vergraben ist. In diesem Fall steigt der Treiberstrom mit zunehmender Zeit deutlich an, und die Verschlechterung schreitet rasch voran.

Fig. 8 zeigt die wesentlichen Bestandteile einer Vorrichtung zum Aufwachsen der ZnSe-Schicht mittels des MOCVD-Verfahrens. Diese Schicht wird in der AlGaAs-Schicht vergraben, die in Fig. 4(d) gezeigt ist.

Ein mit einer Rippe gemäß Fig. 4(c) ausgebildetes Substrat 815 wird auf einer Auflage 816 aus Graphit angeordnet, die sich in einem Reaktionsgefäß 814 befindet und induktiv mittels eines Hochfrequenzoszillators 817 geheizt wird. Nach Herstellen eines Vakuums innerhalb des Reaktionsgefäßes 814 mittels einer Turbomolekularpumpe 819 und einer Drehkolbenpumpe 820 wird ein Materialgas eingeleitet und der Druck mit Hilfe einer Drehkolbenpumpe 818 und eines Verarbeitungssystems 821 für das Abgas auf einem festen Wert gehalten.

Das Addukt der Zinkquelle ist in einem Sprudler 807 eingeschlossen. Trägergas ist in einen Zylinder 801 und Selenwasserstoff (H₂Se) in einen Zylinder 802 gefüllt. Der Durchsatz von Trägergas und Selenwasserstoff wird mittels Mengenflußstellgliedern 805 und 806 gesteuert. Das im Sprudler 807 eingeschlossene Addukt wird mit Hilfe eines Konstanttemperaturbades auf einer vorgegebenen Temperatur gehalten. Eine gewünschte Menge des Addukts wird dadurch in das Reaktionsgefäß geleitet, daß eine geeignete Menge Trägergas in den Sprudler eingeleitet wird und eine Blasenbildung verursacht. Vor dem Eintreten in das Reaktionsgefäß tritt das Addukt mit dem Selenwasserstoff zusammen. Aus diesem Mischgas wird der in Fig. 4(d) gezeigte dünne Film auf dem Substrat aufgewachsen.

Die Temperatur des Substrats ist auf einen Wert von 300° bis 400°C fixiert, die Blasenbildungsmenge bei einer Temperatur von -15°C reicht von 10 bis 40 SCCM (Standard cm³/min), der Durchsatz von H₂Se liegt bei 4 bis 20 SCCM, der Gesamtdurchsatz einschließlich des Trägergases liegt bei 4 bis 6 SLM (Standard l/min) und der Druck im Reaktionsgefäß liegt bei 4 bis 20 10³ Pa (30 bis 150 Torr). Die Dicke der vergrabenen ZnSe-Schicht auf dem Substrat mit einer Länge von 20 mm und einer Breite von 30 mm variiert um ±10% vom Mittelwert.

Die Breite w der aktiven Schicht und die Dicke t der direkt unter der ZnSe-Schicht ausgebildeten Mantelschicht des in Fig. 3 gezeigten Halbleiterlasers werden so eingestellt, daß eine transversale Grundmodenschwingung erzielt wird. Tabelle 1 zeigt die Schwellenströme und die Eigenschaften des Transversalmode, abhängig von verschiedenen Kombinationen von w und t.

Tabelle 1

Wie in Tabelle 1 gezeigt, reicht w von 0,5 bis 10,0 µm, wobei eine transversale Grundmodenschwingung nur für t von 0 bis 2,0 µm erzielt wird. Wenn w über 10,0 µm liegt und t über 2,0 µm liegt, wird eine Schwingungsmode höherer Ordnung verursacht, und die Schwingungswelle wird in Form mehrerer Punkte abgestrahlt. Liegt w unter 0,5 µm, wird die Herstellung sehr schwierig.

Damit bei niedrigem Schwellenstrom und hoher Ausgangsleistung nur eine transversale Grundmodenschwingung mit einem geringen Astigmatismus erzielt wird, muß der Winkel R zwischen der Seitenfläche der Rippe und der Ebene des Übergangs beschränkt werden. Der Winkel R ist im Hauptquerschnitt des Halbleiterlasers in Fig. 3 eingezeichnet. Tabelle 2 zeigt abhängig von verschiedenen Werten des Winkels R die Eigenschaften der Transversalmode, Schwellenspannungswerte, Astigmatismus und maximale Ausgangsleistung.

Tabelle 2

Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, nimmt der Schwellenstrom zu und die maximale Ausgangsleistung ab, wenn der Winkel R unter 50° liegt. Wenn R über 120° ist, ergibt sich ein Schwingungsmode höherer Ordnung, und die Schwingungswelle wird in Form mehrerer Punkte ausgegeben. Für Werte von R zwischen 50° und 120° treten in der Praxis keine Probleme auf. Der Bereich zwischen 60° und 100° ist vorzuziehen.

Ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers ist in Fig. 9 dargestellt. Fig. 9(b) ist eine Querschnittsansicht nahe der Stirnfläche des Resonators, während Fig. 9(c) eine entsprechende Querschnittsansicht in der Mitte des Resonators darstellt. Fig. 10 zeigt die Schritte eines Verfahrens zur Herstellung dieses Halbleiterlasers. (Die in den Fig. 9(b) und 9(c) verwendeten Bezugszahlen 901-911 bezeichnen gleiche Teile wie die Bezugszahlen 1001-1011 in Fig. 10.)

Auf einem N-leitenden GaAs-Substrat 1001 wird eine Doppelheterostruktur ausgebildet, indem nacheinander eine N-leitende GaAs-Pufferschicht 1002, eine erste Mantelschicht 1003 aus N-leitenden Al_xGa_1-xAs, eine aktive Schicht 1004 aus Al_yGa_1-yAs (x<y), eine zweite Mantelschicht 1005 aus P-leitenden Al_zGa_1-zAs (z<y) und eine P-leitende GaAs-Kontaktschicht 1006 ausgebildet werden. Diese Schichten können mit dem LPE-Verfahren, dem MOCVD-Verfahren oder dem MBE-Verfahren hergestellt werden. Fig. 10(a) zeigt diesen Schichtenaufbau.

Dann wird gemäß Fig. 10(b) eine Resistmaske 1007 zum Ätzen der AlGaAs-Schicht aufgebracht. Die Resistmaske 1007 wird in die aus Fig. 10(c) ersichtliche und schraffiert dargestellte Form gebracht. Dann werden ein Teil der Kontaktschicht 1006 und der zweiten Mantelschicht 1005 unter Verwendung der Resistmaske 1007 als Ätzmaske weggeätzt und danach die Resistmaske 1007 entfernt, so daß sich die in Fig. 10(d) gezeigte Anordnung ergibt. Als nächstes wird die vergrabene Schicht 1009 aus einem II-VI-Verbindungshalbleiter, hier ZnSe, mit dem MOCVD-Verfahren aufgebracht, was zur Anordnung gemäß Fig. 10(e) führt. Es können auch andere II-VI-Verbindungshalbleiter anstelle von ZnSe verwendet werden. Als nächstes wird die vergrabene Schicht 1009 durch Fotolithographie und Ätzen gemustert. Fig. 10(g) zeigt die Oberseite der Anordnung nach diesem Ätzschritt. Der in dieser Darstellung schraffierte Teil entspricht der II-VI-Verbindungshalbleiter-Schicht, die eine Sperre für den Injektionsstrom bildet. Der Streifen im mittleren Teil stellt den freiliegenden Teil der Kontaktschicht 1006 dar, der eine die Strombahn beschränkende Elektrode bildet. Es schließen sich dann das Ausbilden einer P-leitenden Elektrode 1010, das Polieren der Rückseite des Substrats und das Aufbringen einer N-leitenden Elektrode 1011 zur Fertigstellung dieses Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterlasers an.

Bei diesem erfindungsgemäßen Aufbau wird durch die Brechungsindexdifferenz auf Grund des Realteils eines komplexen Brechungsindex in Richtung parallel zur Übergangsschicht aufgrund fehlender Lichtabsorption in der ZnSe-Schicht ein Reell-Brechungsindex-Wellenleiter gebildet. Wenn die Dicke der zweiten Mantelschicht nach dem Ätzen, bei der es sich um einen wichtigen Parameter zur Festlegung der Brechungsindexdifferenz in Richtung parallel zum Übergang handelt, dicker ist als im Fall, wo eine AlGaAs-Schicht vergraben wird, dann eignet sich die Brechungsindexdifferenz zur Erzielung einer transversalen Ein-Modenschwingung, da der Brechungsindex der ZnSe-Schicht klein ist.

In der indexgeführten Struktur ist der vorgenannte indexgeführte Wellenleiter so groß, wie die Breite des Injektionsstrompfades nahe der Stirnfläche des Resonators, so daß man einen Laser erhält, der sich für eine stabile transversale Ein-Modenschwingung mit minimaler Astigmatismusdifferenz eignet.

Auf der anderen Seite ist die Breite des indexgeführten Wellenleiters größer als die Injektionsstrombahn in der Mitte des Resonators, was eine verstärkungsgeführte Struktur mit longitudinaler Mehrachsenschwingung ergibt und eine Reduzierung des rückkopplungsbedingten Rauschens bis zum Äußersten erlaubt.

Fig. 11 zeigt das longitudinale Spektrum eines entsprechend der erfindungsgemäßen Lehre aufgebauten Lasers. Bei dem Schwingungsmode handelt es sich um eine Mehrfachschwingung.

Fig. 12 zeigt den Zusammenhang zwischen der relativen Rauschintensität und dem optischen Rückkopplungsverhältnis. Die Kurve 1201 gilt für einen erfindungsgemäß aufgebauten Halbleiterlaser mit Mehrfachmodenschwingung und liegt weit unterhalb der Kurve 1202, die für einen bekannten Halbleiterlaser mit Ein-Modenschwingung gilt. Die Breite des indexgeführten Wellenleiters ist so groß, wie die der Injektionsstrombahn nahe der Stirnfläche des Resonators und führt zu einer indexgeführten Struktur. Deshalb ist ein transversaler Mode parallel zum Übergang stabil und man kann ein Fernfeldmuster ähnlich dem in Fig. 6 gezeigten erhalten. Die astigmatische Differenz ist so kurz wie die des Halbleiterlasers der indexgeführten Art, nämlich 3 µm und darunter.

Die longitudinale Mehrfachmodenschwingung, die transversale Grundmodenschwingung und der niedrige Schwellenstrom lassen sich jedoch nicht erreichen, wenn die Längen des indexgeführten Wellenbereichs l₁ und l₃, die Länge des verstärkungsgeführten Bereichs l₂, die Breite des verstärkungsgeführten Bereichs g, die Breite des indexgeführten Bereichs i und die Breite der Injektionsstrombahn s, wie sie sich aus Fig. 9(a) ergeben, nicht geeignet gewählt werden.

Tabelle 3 zeigt für verschiedene Werte von l₁, l₂, l₃, g, i und s den Schwellenstrom, den Transversalmode und den Longitudinalmode.

Tabelle 3

Aus Tabelle 3 geht hervor, daß, wenn l₁ oder l₃ kleiner als 10 µm ist, der Transversalmode zu einem Mode höherer Ordnung wechselt und zu einer Schwingung mit mehreren Punkten führt. Wenn l₁ oder l₃ über 500 µm beträgt, wechselt der Longitudinalmode zu einem Einmode, und das rückkopplungsbedingte Rauschen kann nicht reduziert werden. Wenn l₂ 10 µm oder weniger beträgt, wechselt der Longitudinalmode zu einem Einmode, und das rückkopplungsbedingte Rauschen kann nicht verringert werden. Wenn l₂ über 500 µm liegt, steigt der Schwellenstrom auf 100 mA oder mehr. Wenn i über 10 µm beträgt, wechselt der Transversalmode zu einem Mode höherer Ordnung, wobei das Ausbilden einer Rippe mit einer Breite i = 1 µm oder weniger unmöglich ist. Der Longitudinalmode ist ein Einmode, wenn g unter 5 µm liegt, während der Schwellenstrom auf 100 mA oder steigt, wenn s 10 µm oder mehr beträgt. Aus Herstellungsgründen sollte s nicht 1 µm oder weniger betragen.

Aufgrund dieser Ergebnisse sollte die folgenden Beziehungen zum Erhalt eines Halbleiterlasers mit einem longitudinalen Mehrfachmode, einem transversalen Grundmode und einem niedrigen Schwellenstrom eingehalten werden:

10 µm l₁ 500 µm, 10 µm l₃ 500 µm 10 µm l₂ 500 µm 1 µm i 10 µm 5 µm g
1 µm s 10 µm

Noch besser sollten die folgenden Beziehungen eingehalten werden:

20 µm l₁ 300 µm, 20 µm l₃ 300 µm 20 µm l₂ 350 µm 3 µm i 8 µm 10 µm g
2 µm s 7 µm

Wenn die Werte der in Fig. 9(b) gezeigten Größen w _I und t _I nicht geeignet gewählt werden, kann der Astigmatismus nicht auf ein Minimum verringert werden.

Tabelle 4

Tabelle 4 zeigt für verschiedene Werte w _I und t _I eines erfindungsgemäß aufgebauten Halbleiterlasers den Schwellenstrom, den Astigmatismus, die Art des Transversalmode und die Art des Longitudinalmode. Wenn w _I und t _I über 10 µm bzw. über 2 µm liegen, ergibt sich eine große astigmatische Differenz. Aus Herstellungsgründen sollte w _I nicht 0,5 µm oder weniger betragen.

Beim obigen Aufbau läßt sich eine hohe Ausgangsleistung nicht erzielen, wenn der Winkel R _I (siehe Fig. 9(b)) nicht geeignet gewählt wird. Tabelle 5 zeigt für verschiedene Werte von R _I bei einem erfindungsgemäß aufgebauten Halbleiterlaser den Schwellenstrom, die Art des Transversalmode, die astigmatische Differenz und die maximale Ausgangsleistung. Die maximale Ausgangsleistung beträgt immerhin 10 mW, wenn R _I unter 50° liegt. Eine Modenschwingung höherer Ordnung tritt für einen Winkel R _I von 120° oder mehr auf.

Tabelle 5

Wenn zwischen den Längen l₁, l₂ und l₃, wie sie in Fig. 9(a) definiert sind, eine gewisse Beziehung nicht eingehalten wird, lassen sich Rauschfreiheit und geringe astigmatische Differenz nicht erzielen.

Tabelle 6 zeigt die Longitudinalmodenart und die astigmatische Differenz für verschiedene Werte von l₁, l₂ und l₃ für einen nach der erfindungsgemäßen Lehre aufgebauten Halbleiterlaser.

Tabelle 6

Wie aus Tabelle 6 ersichtlich, wechselt der Longitudinalmode zu einem Einmode, und es tritt ein starkes rückkopplungsbedingtes Rauschen auf, wenn nicht folgende Beziehungen erfüllt sind:

l₁ l₂
l₂ l₃
0,3 l₂/(l₁+l₃)

Besonders vorteilhaft ist es, wenn l₁ l₃. In diesem Fall läßt sich eine stabile Mehrfachmodenschwingung mit der erwünschten Wiederholbarkeit erzielten und das rückkopplungsbedingte Rauschen reduzieren.

Wenn die folgenden Beziehungen erfüllt sind, wird die Schwingung im Inneren des Resonators verstärkt und eine stabile, wiederholbare Mehrfachmodenschwingung erzielt, wobei ferner das rückkopplungsbedingte Rauschen verringert werden kann:

l₁ + l₂ l₃ oder l₂ + l₃ l₁

Wenn die nachstehende Bedingung nicht erfüllt ist, ergibt sich eine astigmatische Differenz von 8 µm oder mehr:

l₂/(l₁+l₃) 10

Ein optisches System für einen Kondensor innerhalb von 1 µm ist kompliziert und für den praktischen Gebrauch nicht geeignet. Zur Schaffung eines Halbleiterlasers mit einem rückkopplungsbedingten Rauschen und einer kleinen astigmatischen Differenz sollten deshalb die nachfolgenden Beziehungen erfüllt sein:

l₁ l₂
l₂ l₃
0,3 l₂/(l₁+l₃) 10

Wie aus der vorangegangenen Beschreibung hervorgeht, werden mit der Erfindung zusammengefaßt nachstehende Vorteile erzielt:

1) Aufgrund der Verwendung eines in der III-V-Verbindungshalbleiterschicht vergrabenen II-VI-Verbindungshalbleiters mit sehr hohem spezifischen Widerstand tritt kein Leckstrom aus dem Schwingungsbereich nach außen auf, was zu einer erwünschten Schwingung mit niedrigem Schwellenstrom führt. Damit wird die Wärmeerzeugung bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterlaser gering, was die Herstellung, insbesondere die Befestigung an einer Wärmesenke erleichtert. Dabei eignet sich die Erfindung als Grundaufbau eines integrierten Lasers oder einer integrierten optoelektronischen Schaltung (OEIC).
2) Der vergrabene II-VI-Verbindungshalbleiter hat einen kleineren Brechungsindex als der III-V-Verbindungshalbleiter im Schwingungsbereich, so daß eine geführte Struktur aufgrund des Realteils des komplexen Brechungsindex erreicht werden kann. Eine geeignete Auswahl der Werte für w und t führt zu einer stabilen transversalen Grundmodenschwingung. Eine geeignete Auswahl des Winkels R erlaubt die Erzielung eines geringen Astigmatismus und einer hohen maximalen Ausgangsleistung.
3) Der vergrabene II-VI-Verbindungshalbleiter bildet keine Grenzflächen an den beiden Seiten der Rippe, und es tritt kein Neuwachstum im Strompfad auf, so daß es auch keine durch Neuwachstum bedingte Grenzflächenzustände gibt. Auch bei langem Betrieb tritt deshalb keine Verschlechterung auf, so daß sich ein Halbleiterlaser hoher Zuverlässigkeit herstellen läßt.
4) Der vergrabene II-VI-Verbindungshalbleiter wird mit dem MOCVD-Verfahren aufgebracht, das ein Addukt als Materialquelle verwendet, so daß sich bei niedriger Temperatur eine vergrabene Schicht einer guten kristallinen Qualität herstellen läßt. So kann eine Injektionssperrschicht mit hohem spezifischen Widerstand ohne Probleme für die Doppelheterostruktur wie einen Schwingungsteil ausgebildet werden. Ferner kann mit Hilfe des MOCVD-Verfahrens unter Verwendung eines Addukts eine Schicht gleichmäßiger Dicke über eine große Fläche hergestellt werden, so daß sich mit hoher Ausbeute Halbleiterlaser gleicher Eigenschaften herstellen lassen.
5) Alle Halbleiterschichten, die den Halbleiterlaser ausmachen, können durch das MOCVD-Verfahren aufgebracht werden, so daß man keine Verfahrensschritte mit geringer Produktivität, wie ein Zinkdiffusionsverfahren oder ein Ionenimplantationsverfahren benötigt. Dies erlaubt die Herstellung von Halbleiterschichten gleichmäßiger Eigenschaft auf einer großen Fläche, was zu einer Massenproduktion mit niedrigen Kosten führt.
6) Da in der Mitte des Resonators die Führungsstruktur von einer verstärkungsgeführten Struktur gebildet wird, erzielt die Erfindung eine Mehrfachlongitudinalmodenschwingung. Demzufolge läßt sich ein Halbleiterlaser extrem niedrigem rückkopplungsbedingtem Rauschen herstellen.
7) Die Längen l₁, l₂, l₃, g, i und s müssen Grenzen einhalten, damit ein Halbleiterlaser geschaffen wird, der zu einer stabilen Mehrfachlongitudinalmodenschwingung und einer stabilen transversalen Grundmodenschwingung mit geringem rückkopplungsbedingtem Rauschen und niedrigem Schwellenstrom fähig ist.
8) Ein rauschloser Halbleiterlaser mit geringem Astigmatismus, der zu einer transversalen Grundmodenschwingung in der Lage ist, kann durch Begrenzung der Längen w _I und t _I hergestellt werden.
9) Ein rauschloser Halbleiterlaser mit geringem Astigmatismus und hoher maximaler Ausgangsleistung, der zu einer transversalen Grundmodenschwingung in der Lage ist, kann durch Begrenzung des Winkels R _I erhalten werden.
10) Ein rauschloser Halbleiterlaser mit geringem Astigmatismus kann aufgrund der Proportionalität zwischen den Längen l₁, l₂ und l₃ stabil mit guter Reproduzierbarkeit hergestellt werden.

In den Zeichnungen bedeuten:

101, 201, 409, 911, 1011 N-leitende Elektrode für ohmschen Kontakt 102, 202, 401, 901, 1001 N-leitendes GaAs Substrat 103, 203, 406, 902, 1002 N-leitende GaAs Pufferschicht 104, 204, 405, 903, 1003 N-leitende AlGaAs Mantelschicht 105, 205, 404, 904, 1004 aktive Schicht 106, 206, 403, 905, 1005 P-leitende AlGaAs Mantelschicht 107, 207, 407, 909, 1009 ZnSe vergrabene Schicht 108, 208, 402, 906, 1006 P-leitende GaAs Kontaktschicht 109, 209, 408, 910, 1010 P-leitende Elektrode für ohmschen Kontakt 1007 Maske für Rippenätzung 1008 Form der Maske für Rippenätzung 1401 N-leitende Elektrode für ohmschen Kontakt 1402 N-leitende Ga_0,5Al_0,5As Mantelschicht 1403 N-leitende Ga_0,84Al_0,16As aktive Schicht 1405 P-leitende Ga_0,5Al_0,5As Mantelschicht 1406 ZnSe Schicht 1407 P-leitende Elektrode für ohmschen Kontakt 1408 P-leitende GaAs Kontaktschicht 1501 Injektionssperrschicht und optische Begrenzungsschicht 1502 aktive Schicht 1602 N-leitendes GaAs Substrat 1603 N-leitende GaAs Pufferschicht 1604 N-leitende Al_0,6Ga_0,4As erste Mantelschicht 1605 undotierte GaAs aktive Schicht 1606 zweite Mantelschicht 1607 N-leitende GaAs Injektionssperrschicht und optische Begrenzungsschicht 1609 P-leitende GaAs Kontaktschicht

Claims

1. Doppelheterostrukturhalbleiterlaser mit einer aktiven Schicht (105), einer Mantelschicht (104, 106) und einer Kontaktschicht (108), die alle von einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß er streifenförmige Rippen aufweist, die durch Ätzen so tief wie die mittlere Dicke der Mantelschicht (106) gerade oberhalb der aktiven Schicht (105) ausgearbeitet sind, wobei die beiden Seiten der Rippen in einem II-VI-Verbindungshalbleiter vergraben sind.

2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite w einer Rippe über der aktiven Schicht (105) 0,5 bis 10,0 µm beträgt und die Dicke t der Mantelschicht (106) zwischen der aktiven Schicht (105) und der von dem II-VI-Verbindungshalbleiter gebildeten Halbleiterschicht 0 bis 2,0 µm beträgt.

3. Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel R zwischen einer Seitenfläche einer Rippe und der Übergangsebene der Doppelheterostruktur 50° bis 120° beträgt.

4. Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite einer Rippe so gewählt ist, daß der aufgrund des II-VI-Verbindungshalbleiters gebildete Wellenleiter nahe der Stirnfläche des Resonators eine indexgeführte Struktur ist, und breit genug gewählt wird, daß sich in der Mitte des Resonators eine verstärkungsgeführte Struktur ergibt.

5. Halbleiterlaser nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine streifenförmige Elektrode, die den Stromflußpfad im oberen Teil des Wellenleiters bestimmt.

6. Halbleiterlaser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge in dem Bereich mit indexgeführter Struktur an der Lichtauslaßseite 10 bis 500 µm beträgt, die Länge des verstärkungsgeführten Bereichs 10 bis 500 µm beträgt, die Breite des indexgeführten Bereichs 1 bis 10 µm beträgt, die Breite des verstärkungsgeführten Bereichs 5 µm oder mehr beträgt und die Breite der streifenförmigen Elektrode 1 bis 10 µm beträgt.

7. Halbleiterlaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Rippe im indexgeführten Bereich 0,5 bis 10 µm beträgt und die Dicke t _I der Mantelschicht (106) zwischen der aktiven Schicht (105) und der vom II-VI-Verbindungshalbleiter gebildeten Halbleiterschicht (107) 0 bis 2,0 µm beträgt.

8. Halbleiterlaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel R _I im indexgeführten Bereich zwischen der Seitenfläche der Rippe und der Ebene des Übergangs der Doppelheterostruktur 50° bis 120° beträgt.

9. Halbleiterlaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Längen l₁ und l₃ des Bereichs mit indexgeführter Struktur und der Länge l₂ des Bereichs mit verstärkungsgeführter Struktur folgende Beziehungen bestehen. l₁ l₃, l₁ l₂
0.3 l₂/(l₁ + l₃) 10

10. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der II-VI-Verbindungshalbleiter mit Hilfe der metallorganischen chemischen Dampfabscheidung ausgebildet wird, wobei als Zinkquelle zinkorganische Verbindungen, bei denen es sich um ein Addukt aus Dialkylzink und Dialkylselen handelt, verwendet werden.