DE69223737T2 - Halbleiterlaser - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiterlaservorrichtung mit einem Compoundhalbleiterwerkstoff und insbesondere eine Halbleiterlaservorrichtung mit einem Stromblockierbereich in seinen Endflächenteilen (Facettenteilen) in Resonatorrichtung.
- In den vergangenen Jahren hatte ein kurzwelliges Licht emittierender Halbleiterlaser für ein optisches Plattensystem hoher Dichte, einen Hochgeschwindigkeitslaserdrucker, ein Strichcodelesegerät u.dgl. entwickelt. Unter diesen Umständen wurde einem InGaAlP-Laser mit einer Oszillationswellenlänge im 0,6-µm-Band (roten Bereich) und ein GaAlAs-Laser mit einer oszillationswellenlänge im 0,8-µm-Band (Infrarotbereich) als vielversprechender, kurzwelliges Licht emittierender Halbleiterlaser große Beachtung gefunden. Darüber hinaus besteht ein großer Bedarf nach einem eine hohe Ausgangsleistung in der Größenordnung von 30 mW aufweisenden Laser für optische Platten u.dgl..
- Um den einschlägigen Bedarf zu erfüllen, wurden in den vergangenen Jahren ein Laser mit Fensterstruktur zum Transparentmachen der Facettenteile für eine Oszillationswellenlänge und ein Laser mit Stromblockierstruktur, bei welchem in den Facettenteilen ein Stromblockierbereich gebildet ist, entwickelt.
- Da die Facettenteile in dem Laser mit Fensterstruktur für die Oszillationswellenlänge transparent sind, lassen sich eine durch eine Temperaturzunahme der Facettenteile hervorgerufene COD (katastrophale optische Schädigung) verhindern und eine sehr hohe Ausgangsleistung erwarten. Aus diesem Grunde ist die Technik eines Lasers mit Fensterstruktur als für die Realisierung einer 30-mW-Ausgangsleistung und die gleichzeitige Realisierung einer hohen Ausgangsleistung und einer Emission von kurzwelligem Licht erforderliche bedeutsame Technik anzusehen. Zur Herstellung dieses Lasers sind jedoch komplizierte Verfahrensmaßnahmen erforderlich.
- Andererseits läßt sich der Laser mit der Stromblockierstruktur im Rahmen relativ einfacher Verfahren herstellen. Aufgrund des folgenden Effekts läßt sich eine hohe Ausgangsleistung erwarten. Eine Temperaturzunahme der Facettenteile des Lasers wird unter (gleichzeitiger) Unterdrückung der Rekombination der Träger in den Facettenteilen unterdrückt. Die Anzahl der angeregten Träger in einem Stromblockierbereich in den Facettenteilen des Lasers ist jedoch im Vergleich zu derjenigen im Injektionsbereich ohne weiteres knapp. Tatsächlich hat der Bandabstand der Facettenteile abgenommen. Aus diesem Grund absorbieren die Facettenteile Licht mit der Oszillationswellenlänge unter Verminderung des COD-Grades. Dadurch werden allerdings in nachteiliger Weise einem Hochleistungsbetrieb Grenzen gesetzt.
- Wie bereits ausgeführt, ist bei einem als vielversprechender Hochleistungshalbleiterlaser anzusehenden Halbleiterlaser mit üblicher Stromblockierstruktur der Bandabstand einer aktiven Schicht in den Facettenteilen tatsächlich vermindert, um den COD-Grad zu senken. Dadurch wird allerdings eine ausreichend hohe Ausgangsleistung unmöglich.
- Eine Halbleiterlaservorrichtung mit einem in den Facettenteilen einer Doppelheterostruktur gebildeten Stromblockierbereich und einem HR-Überzug auf mindestens einer Facette ist aus "Electronic Letters", Band 27, Nr.8, 11.4.91, Stevenage, Herts, Seiten 661-662, H.Hamada et al. bekannt.
- Eine Halbleiterlaservorrichtung mit mindestens einem Stromblockierbereich auf einer Facette ist beispielsweise aus der GB-A-2 222 307 bekannt.
- Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Halbleiterlaservorrichtung mit einer Stromblockierstruktur, die eine Lichtabsorption in Facettenteilen zu unterdrücken vermag und einen hohen COD-Grad und hervorrägende Lichtausgangseigenschaften aufweist.
- Gegenstand einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Halbleiterlaservorrichtung mit einem Compoundhalbleitersubstrat, einer auf dem Compoundhalbleitersubstrat gebildeten, einander gegenüberliegende erste und zweite Facetten aufweisenden Doppelheterostruktur mit einer aktiven Schicht zwischen ersten und zweiten Plattierschichten und einem auf der Doppelheterostruktur gebildeten Stromblockierbereich, wobei der Stromblockierbereich in dem ersten Facettenteil gebildet und auf dem zweiten Facette als Reflexionsmittel ein dielektrischer Film mit einem Reflexionsvermögen über demjenigen der natürlichen Spaltungsfläche vorgesehen sind.
- Gegenstand einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Halbleiterlaservorrichtung mit einem Compoundhalbleitersubstrat, einer auf dem Compoundhalbleitersubstrat gebildeten, einander gegenüberliegende erste und zweite Facetten aufweisenden Doppelheterostruktur mit einer aktiven Schicht zwischen ersten und zweiten Plattierschichten und einem auf der Doppelheterostruktur gebildeten Stromblockierbereich, wobei der Stromblockierbereich in dem ersten Facettenteil gebildet ist und wobei die Halbleiterlaservorrichtung zusätzlich eine verteilte Rückkopplungsstruktur mit Beugungsgitter zur Durchführung einer Steueroperation zur Verschiebung der Oszillationswellenlänge der betreffenden aktiven Schicht nach der langwelligen Seite entsprechend einem Bandabstand, der nicht weniger als 35 meV kleiner ist als der Bandabstand der aktiven Schicht, umfaßt.
- Die Erfindung läßt sich anhand der folgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen noch besser verstehen. In den Zeichnungen zeigen:
- Fig. 1 eine teilweise weggeschnittene perspektivische Darstellung einer Anordnung einer Halbleiterlaser- Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- Fig. 2 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Dicke der aktiven Schicht und der Oszillationswellenlänge des in Fig. 1 dargestellten Halbleiterlasers;
- Fig. 3 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem axialen Neigungswinkel der Hauptfläche des Substrats von der [100]-Richtung und dem Unterschied zwischen der oszillationswellenlänge und der PL-Wellenlänge;
- Fig. 4 eine graphische Darstellung der Zuverlässigkeit des in Fig. 1 dargestellten Halbleiterlasers im Vergleich zur Zuverlässigkeit eines üblichen Lasers;
- Fig. 5 eine Querschnittsdarstellung einer Anordnung eines Halbleiterlasers gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
- Fig. 6 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem COD-Grad und dem Peakunterschied zwischen einer Kopplungswellenlänge eines Beugungsgitters und der Bandbreite des in Fig. 5 dargestellten Halbleiterlasers.
- Das erfindungswesentliche Merkmal ist, daß bei einer Halbleiterlaservorrichtung mit einer Stromblockierstruktur die Verstärkungs-Peakwellenlänge (Oszillationswellenlänge) nach der langwelligen Seite hin verschoben wird, um eine Lichtabsorption in den Facettenteilen der Vorrichtung zu unterdrücken.
- Als Maßnahme zur Verschiebung der Verstärkungs-Peakwellenlänge (Oszillationswellenlänge) nach der langwelligen Seite hin, wird auf einer Facette der Laservorrichtung in Resonatorrichtung eine in hohem Maße reflektierende Schicht vorgesehen oder eine Wellenlängensteuerstruktur, z.B. ein Beugungsgitter, benutzt.
- Wenn auf der Facette in Resonatorrichtung die hochreflektierende Schicht vorgesehen wird, ist die Oszillationswellenlänge größer als diejenige einer wellenlänge entsprechend dem Bandabstand der aktiven Schicht. Aus diesem Grund ist es für den Facettenteil sehr schwierig, tatsächlich Licht der oszillationswellenlänge zu absorbieren. Dadurch werden der COD-Grad und gleichzeitig die Zuverlässigkeit der Vorrichtung verbessert.
- Wird ferner die Wellenlängensteuerstruktur, z.B. ein Beugungsgitter, verwendet, wird der COD-Grad - wie beschrieben - verbessert. Genauer gesagt wird bei Einstellung der Oszillationswellenlänge auf einen Wellenlängenbereich entsprechend einem Bandabstand, der um 35 meV oder mehr, vorzugsweise um 40 - 80 mev oder mehr größer ist als der Bandabstand der aktiven Schicht, der COD-Grad in hohem Maße verbessert.
- Als bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gelten folgende Bedingungen (1) bis (3):
- (1) Die Dicke der aktiven Schicht kann auf einem Bereich von 0,04 µm oder mehr, vorzugsweise 0,04 - 0,1 µm, eingestellt werden.
- (2) Als Halbleitersubstrat kann ein GaAs-Substrat mit einer in einem Winkel von 20 oder mehr, vorzugsweise 5 - 150 von der Richtung [100] nach der Richtung [001] geneigten Flächenrichtung verwendet werden. Die Doppelheterostruktur kann aus einem Werkstoff auf InGaAlP- Basis bestehen.
- (3) Der Stromblockierbereich ist in einem Facettenteil der Vorrichtung gebildet. Auf der anderen, dem Stromblockierbereich gegenüberliegenden Facette kann ein in hohem Maße reflektierender schichtartiger Überzug gebildet werden.
- Im folgenden werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
- Fig. 1 zeigt in teilweise weggeschnittener perspektivischer Darstellung eine Anordnung einer Halbleiterlaservorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist die Verstärkungs-Peakwellenlänge (Oszillationswellenlänge) nach der langwelligen Seite hin verschoben, indem auf dem Facettenteil der Vorrichtung in Resonatorrichtung eine hochreflektierende Schicht gebildet ist.
- In Fig. 1 bezeichnet die Bezugszahl 11 ein GaAs-Substrat vom n-Typ mit einer richtungsmäßig von [100] nach [001] in einem Winkel von 5º geneigten Flächenrichtung. Auf dem Substrat 11 ist eine GaAs-Pufferschicht 12 vom n-Typ gebildet. Auf der Pufferschicht 12 findet sich eine Doppelheteroübergangsstruktur. Die Doppelheteroübergangsstruktur besteht aus einer Plattierschicht 13 vom p-Typ (Si-dotiert, 3 bis 5 x 10¹&sup7; cm&supmin;³) aus In0,5(Ga0,3Al0,7)0,5 vom n-Typ einer (nicht dotierten) aktiven Schicht 14 aus In0,5Ga0,5P, einer Plat tierschicht 15 (Zn-dotiert, 3 bis 5 x 10¹&sup7; cm&supmin;³) vom p-Typ aus In0,5(Ga0,3Al0,7)0,5 vom p-Typ, einer Ätzstoppschicht 16 (Zn-dotiert, 3 bis 5 x 10¹&sup7; cm&supmin;³) vom p-Typ aus In0,5Ga0,5 vom p-Typ und einer Plattierschicht 17 (Zn-dotiert, 3 bis 5 x 10¹&sup7; cm&supmin;³) vom p-Typ aus In0,5(Ga0,3Al0,7)0,5 vom p-Typ. Die Plattierschicht 17 ist in Streifen-Mesa-Form gebildet. Auf der Plattierschicht 17 befindet sich eine Abdeckschicht 18 (Zn-dotiert, 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³) vom p-Typ aus In0,5Ga0,5 vom p-Typ.
- In diesem Fall werden die Mengen an In, Ga und Al in den Zusammensetzungen dieser Schicht danach bestimmt, daß die Gitterkonstante jeder der Schichten 13 bis 17 des Doppelheteroübergangs und der Abdeckschicht 18 gleich derjenigen des GaAs-Substrats 11 ist und daß die Bandabstandenergie jeder der Plattierschichten 13 und 15 größer ist als diejenige der aktiven Schicht 14.
- Auf der Seite der Plattierschicht 17 ist eine Strombegrenzungsschicht 19 aus GaAs vom n-Typ gebildet. Auf der Strom begrenzungsschicht 19 und der Abdeckschicht 18 ist eine Kontaktschicht 20 (Zn-dotiert, 5 x 10¹&sup8; cm&supmin;³) aus GaAs vom p- Typ vorgesehen. In diesem Falle ist - wie aus Fig. 1 hervorgeht - die Strombegrenzungsschicht 19 auch in einem Facettenteil (der Stirnfläche) in Resonatorrichtung gebildet. Die Strombegrenzungsschicht 19 dient als Strombiockierbereich.
- Der Stromblockierbereich besitzt eine Länge von 25 µm. Auf der Oberseite der Kontaktschicht 20 ist eine p-Seitenelektrode 21, auf der Unterseite des Substrats 11 eine n-Seitenelektrode 22 gebildet. Darüber hinaus ist auf der anderen Facette (der Rückseite) in Resonatorrichtung ein hochreflektierender schichtartiger Überzug 23 aus einem dielektrischen Film, z.B. einem mehrlagigen Al&sub2;O&sub3;-Si-Film, vorgesehen.
- Ein optischer Wellenleiterbetrieb erfolgt durch die in Streifen-Mesa-Form gebildeten Plattierschichten 15 und 17. Die Dicke der Plattierschicht 13 ist auf 0,8 µm, die Dicke der aktiven Schicht 14 ist auf 0,05 µm und die Dicke der Plattierschichten 15 und 17 im Gratbereich ist auf 0,8 µm eingestellt. Die Dicke der Ätzstoppschicht 16 ist auf 0,02 µm eingestellt. Die Breite des Mesa-Bodenbereichs ist auf 5 µm eingestellt. Die Pufferschicht 12 dient zur Qualitätsverbesserung des auf GaAs gebildeten InGaAlP- Kristalls. Sie ist nicht zwingend erforderlich.
- Der zuvor beschriebene und in Fig. 1 dargestellte Halbleiterlaser besitzt folgende charakteristischen Merkmale. Die Schicht niedrigen Reflexionsvermögens von 20% ist auf der Stirnfacette (der Seite mit dem Stromblockierbereich) gebildet. Der hochreflektierende schichtartige Überzug 23 mit einem hohen Reflexionsvermögen von 95% ist auf der rückseitigen Facette gebildet. Die Flächenrichtung des Substrats 1 und die Dicke der aktiven Schicht 14 sind optimiert. Abgesehen von der geschilderten Anordnung sind die Grundanordnungen dieselben wie bei einem Halbleiterlaser mit üblicher Stromblockierstruktur.
- Die folgende Struktur wird vorgeschlagen. Nachdem die GaAs- Kontaktschicht 20 aus GaAs vom p-Typ wachsengelassen worden war, wird Zn selektiv in die Plattierschicht 15 vom p-Typ unter der GaAs-Strombegrenzungsschicht 19 vom n-Typ diffundiert, um das natürliche Supergitter der aktiven Schicht 14 zu stören. Der Stromblockierbereich dient als Fensterteil. Bei der ersten Ausführungsform wird jedoch keine Diffusion durchgeführt. Der Bandabstand der aktiven Schicht 14 im Stromblockierbereich entspricht demjenigen sämtlicher anderer Streifenbereiche. Bei einem Laser mit Fensterstruktur, bei welchem eine Fehlordnung des natürlichen Supergitters vorliegt, wird die Dauerzuverlässigkeit durch eine Fehlordnung des natürlichen Supergitters beeinträchtigt. Dieses Problem wird jedoch bei der Struktur der ersten Ausführungsform vermieden.
- Zur Herstellung eines Lasers mit verbessertem COD-Grad und hoher Zuverlässigkeit auch unter Hochleistungsbetrieb müssen die Strukturparameter des Halbleiterlasers einschließlich einer Facettenüberzugsschicht innerhalb gegebener Bereiche festgelegt werden. Diese Strukturparameter sind lediglich Beispiele. Eine Optimierung der Strukturparameter wird hauptsächlich für den Fall beschrieben, bei welchem der Verstärkungspeak in einem Laser mit Stromblockierstruktur nach der langweiligen Seite hin verschoben ist.
- Zunächst wird im folgenden die Absorption von Oszillationslicht in Facettenteilen des Halbleiterlasers beschrieben. Im allgemeinen hängt der Bandabstand eines Halbleiters von den herrschenden Temperaturen ab. Die Lichtabsorption des Halbleiters wird tatsächlich durch die Konzentration der angeregten Träger beeinflußt. Der Lichtabsorptionskoeffizient von einfallendem Licht hängt in erheblichem Maße von der Wellenlänge nahe dem Bandabstand des Halbleiters ab. Darüber hinaus sinkt in Facettenteilen des Halbleiterlasers der tatsächliche Bandabstand infolge Bildung eines Oberflächenniveaus u.dgl..
- Da in einem Facettenteil des Lasers mit Stromblockierstruktur kein Strom injiziert wird, wird eine Temperaturerhöhung unterdrückt. Wenn die Temperatur unter Beachtung der Wärmeleitfähigkeit der Halbleiterschichten, z.B. einer InGaAlP- Schicht und einer GaAs-Schicht, berechnet wird, fällt sie in einen Bereich von 20 - 30ºC. Wird dieser Wert in einen Bandabstand umgewandelt, verschiebt sich der Verstärkungspeak des Lasers nach der kurzwelligen Seite hin um 4 - 6 nm. Andererseits sind infolge Unterdrückung einer Trägerinjektion nicht-angeregte Träger großer Zahl vorhanden. Die Lichtabsorption nimmt folglich im Facettenteil zu.
- Ein als aktive Schicht eines Halbleiterlasers verwendeter Halbleiter vom direkten Übergangstyp besitzt jedoch einen Absorptionskoeffizienten, der durch die Intensität des einfallenden Lichts geändert wird. Der Halbleiter zeichnet sich durch eine Absorptionsübersättigung aus, d.h. der Halbleiter wird transparent, wenn der Absorptionskoeffizient einen gegebenen Wert übersteigt. Bei dem für diese Ausführungsform geltenden COD-Wert kann eine Zunahme der Lichtabsorption infolge fehlender Trägerinjektion vernachlässigt werden. Als wichtiger Faktor mit der Fähigkeit zur Steuerung der Absorption von Oszillationslicht in Facettenteilen des Lasers mit Stromblockierstruktur wird der Peak der Oszillationswellen länge, d.h. die Verstärkung, so weit wie möglich in die langwellige Richtung verschoben. Bei einem Facettenemissionslaser gemäß der ersten Ausführungsform wird - da der Trägerverlust in Resonatorrichtung stattfindet - der Verstärkungspeak an einem Punkt festgelegt, der von einer Band kante in langwelliger Richtung um etwa 10 nm verschoben ist.
- Wenn der Verstärkungspeak bei dem Laser mit Stromblockierstruktur noch weiter nach der langwelligen Seite hin verschoben werden kann, verschiebt sich der Bandabstand der Facette nach der kurzwelligen Seite hin, indem die zuvor erwähnte Temperaturerhöhung unterdrückt wird. Auf diese Weise läßt sich die Lichtabsorption des Facettenteils deutlich senken. Wenn der Peakunterschied zwischen der Bandkante und der Verstärkung etwa 20 nm beträgt, läßt sich der COD-Grad auf einem Pseudograd entsprechend dem COD-Grad einer Fensterstruktur erhöhen. Wenn der Peakunterschied 20 nm oder weniger beträgt, läßt sich infolge Senkung der Lichtabsorption des Facettenteils die Zuverlässigkeit deutlich verbessern.
- In diesem Falle sind als Verfahren zum Verschieben des Verstärkungspeaks nach der langwelligem Seite hin folgende Methoden bekannt:
- (1) Die Stromdichte und Trägerkonzentration werden während der Oszillation erniedrig.
- (2) Die Kristallwachstumsbedingungen werden optimiert.
- Bei dem Verfahren (1) wird ein charakteristisches Verstärkungsmerkmal benutzt, d.h. der Verstärkungspeak wird mit abnehmender Konzentration an injizierten Trägern nach der langwelligen Seite hin verschoben. Genauer gesagt, erreichten die Erfinder der vorliegenden Erfindung diesen Effekt, indem sie eine hochreflektierende Schicht auftrugen, die Dicke der aktiven Schicht optimierten und lediglich im Facettenbereich eine Stromblockierschicht ausbildeten. Da die hochreflektierende Schicht einen Reflexionsverlust senken kann, vermag sie wirksam die Stromdichte und Trägerkonzen tration zu verringern. Wenn die hochreflektierende Schicht ein Reflexionsvermögen über demjenigen einer nativen Facette aufweist, läßt sich der geschilderte Effekt erreichen. Um einen akzeptablen Effekt zu gewährleisten, wird das Reflexionsvermögen der hochreflektierenden Schicht vorzugsweise auf 80% oder mehr eingestellt. Da bei der ersten Ausführungsform eine Facette des Lasers ein Reflexionsvermögen von 95% aufweist, konnte der Schwellenstromwert um 20% gesenkt werden. Auf der Lichtemissionsseite kann das Reflexionsvermögen zur Senkung der Lichtdichte in der Facette so weit erniedrigt werden, daß der Schwellenstromwert nicht stark steigt.
- Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen der Dicke der aktiven Schicht und der Oszillationswellenlänge. Wenn die Dicke der aktiven Schicht 0,04 µm oder weniger beträgt, beginnt die Oszillationswellenlänge kürzer zu werden. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Schwellenstromdichte infolge Zunahme der Lichtleckage steigt. Ein zweiter Grund hierfür ist das essentielle Verhalten des Verstärkungspeaks entsprechend einer durch die Dickeverminderung der aktiven Schicht verursachten Zunahme der Trägerkonzentration. Folglich wird die Dicke der aktiven Schicht vorzugsweise auf 0,04 µm oder mehr eingestellt. Wenn andererseits die Dicke auf 0,1 µm oder mehr eingestellt wird, erhöht sich die Schwellenstromdichte als solche unter gleichzeitiger Erhöhung der Lichtdichte in der aktiven Schicht deutlich. Aus diesem Grunde sinkt der COD-Grad, weswegen sich auch bei dem Laser mit der Stromblockierstruktur dieser Ausführungsform nicht ohne weiteres eine hohe Ausgangsleistung erreichen läßt. Folglich sollte die Dicke der aktiven Schicht vorzugsweise auf 0,1 µm oder weniger gehalten werden.
- Da bei der geschilderten Methode im Stromblockierbereich ein Verlust minimiert wird, kann sich der Schwellenwert u.dgl. nicht ohne weiteres erhöhen. Unter Beachtung einer leichten Spaltung wird der Blockierbereich lediglich in einem Facettenteil des Lasers gebildet.
- Im Rahmen der Methode (2) haben die Erfinder der vorliegen den Erfindung einen deutlichen Effekt bei Verwendung eines Substrats mit axialer Neigung einer Hauptfläche aus Richtung [100] nach Richtung [001] gefunden. Die Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen dem Neigungswinkel einer Flächenrichtung der Substratoberfläche und dem Unterschied zwischen der Oszillationswellenlänge und PL-Wellenlänge (entsprechend einem Bandende). Obwohl die Oszillationswellenlänge im allgemeinen auf 10 nm eingestellt war, stieg sie auf 15 nm, wenn die Flächenrichtung in einem Winkel von 2º oder mehr geneigt war. Obwohl der Grund für dieses Phänomen noch nicht geklärt ist, wird das betreffende Phänomen als mit einer Fehlordnung eines natürlichen Supergitters in Verbindung stehend angesehen.
- Wie bereits ausgeführt, wurde der Halbleiterlaser (Fig. 1) mit den optimierten Strukturparametern bei einem Schwellenwert von 50 mA in Schwingung versetzt, wenn die Resonatorlänge auf 400 µm festgelegt war. Eine COD fand nicht statt, bis die Ausgangsleistung des Lasers 100 mW erreichte. Fig. 4 zeigt die zuverlässigkeit eines normalen Halbleiterlasers, eines Halbleiterlasers mit Stromblockierstruktur und eines Halbleiterlasers mit Stromblockierstruktur und einer Facette, auf der eine hochreflektierende Schicht gebildet wurde. Der normale Laser war nach einem Betrieb von mehreren 100 h bei 50ºC und 20 mW geschädigt. Der blockierende Halbleiterlaser war nach 1000-stündigem Betrieb beschädigt. Der blockierende Laser mit dem hochreflektierenden schichtartigen Überzug konnte stabil 2000 h oder mehr betrieben werden.
- Wie bereits ausgeführt, ist bei dem Halbleiterlaser gemäß der ersten Ausführungsform neben der Stromblockierstruktur auf einer Facette die hochreflektierende Schicht 23 vorgesehen. Die Flächenrichtung des Substrats 11 und die Dicke der aktiven Schicht 14 sind optimiert. Aus diesem Grunde läßt sich die Oszillationswellenlänge nach der langwelligen Seite hin verschieben. Folglich lassen sich infolge Unterdrückung einer Lichtabsorption im Facettenteil unter Erhöhung des COD-Grades eine hohe Ausgangsleistung gewährleisten und die Zuverlässigkeit des Lasers verbessern.
- Fig. 5 zeigt in einer Schnittdarstellung die Anordnung eines Halbleiterlasers gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen ersten Ausführungsform in folgendem: Eine verteilte Rückkopplungs(DFB)-Struktur mit einem Beugungsgitter dient zur weiteren positiven Verschiebung der Wellenlänge von Emissionslicht nach der langwelligen Seite hin.
- Die Bezugszahl 51 bezeichnet ein GaAs-Substrat vom n-Typ mit einer richtungsmäßig in einem Winkel von 5º von den Richtungen [100] nach [001] geneigten Flächenrichtung. Auf dem Substrat 51 ist eine GaAs-Pufferschicht 52 vom n-Typ gebildet. Auf der Pufferschicht 52 ist eine Doppelheteroübergangsstruktur aus einer InGaAlP-Plattierschicht 53 vom n-Typ, einer aktiven InGaP-Schicht 54, einer ersten optischen In0,5(Ga0,65Al0,35)0,5P-Leiterschicht 55 vom p-Typ, einer zweiten optischen In0,5(Ga0,9Al0,1)0,5P-Leiterschicht 56 vom p-Typ und einer InGaAlP-Plattierschicht 57 vom p-Typ vorgesehen. Auf der Plattierschicht 57 findet sich eine In0,5Ga0,5P-Abdeckschicht 58 (Zn-dotiert, 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³) vom p-Typ. In der Oberfläche der zweiten optischen Leiterschicht 56 ist eine große Zahl von Einkerbungen bzw. Ausnehmungen gebildet, wodurch ein Beugungsgitter entstanden ist.
- Die Zusammensetzungen und Mengen an Fremdatomdotierung der Abdeckschicht 58 und der Schichten des Doppelheteroübergangs mit Ausnahme der optischen Leiterschichten 55 und 56 werden auf die gleichen Werte wie bei der ersten Ausführungsform eingestellt. Obwohl die PL-Wellenlänge (entsprechend einem Bandende) der aktiven Schicht 54 660 nm ist, wird die Periode des in der zweiten optischen Leiterschicht 56 gebildeten Beugungsgitters derart eingestellt, daß sie mit einer Wellenlänge von 680 nm gekoppelt ist.
- Es sei darauf hingewiesen, daß unter einer verteilten Rückkopplungs(DFB)-Struktur diejenige Struktur zu verstehen ist, bei der eine Laseroszillation induziert und die Oszillationswellenlänge durch ein in einem Resonator gebildetes Beugungsgitter gesteuert werden.
- Auf dem Doppelheteroübergang ist mit Ausnahme eines streifenförmigen Teils eine GaAs-Strombegrenzungsschicht 59 vom n-Typ gebildet. Auf der Strombegrenzungsschicht 59 und der Abdeckschicht 58 befindet sich eine GaAs-Kontaktschicht 60 vom p-Typ. Die Strombegrenzungsschicht 59 bildet einen Streifen in paralleler Richtung zur Übergangsebene. Wie aus Fig. 5 hervorgeht, ist die Strombegrenzungsschicht 59 zur Bildung einer Stromblockierstruktur auch im Stirnfacettenteil vorgesehen. Die Länge des Stromblockierbereichs ist auf 25 µm eingestellt. Auf der Oberseite der Kontaktschicht 60 ist eine p-Seitenelektrode 61, auf der Unterseite des Substrats 51 eine n-Seitenelektrode 62 gebildet. Ferner ist auf der rückseitigen Facette der erhaltenen Struktur eine hochreflektierende Schicht 63 mit einem Reflexionsvermögen von 95% gebildet.
- Bei der zweiten Ausführungsform wird als Verfahren zur Verschiebung des Verstärkungspeaks nach der langweiligen Seite hin positiv eine DFB-Struktur benutzt. Ein Peakunterschied zwischen der Kombinationswellenlänge des die DFB-Struktur bildenden Beugungsgitters und der Bandkante ist, ausgedrückt als Energie, auf 50 meV festgelegt. Bei dieser Struktur läßt sich die zur Verhinderung einer Lichtabsorption eines Facettenteus fähige Oszillationswellenlänge ohne Schwierigkeiten einstellen. Fig. 6 zeigt die Beziehung zwischen einem COD- Grad und dem Peakunterschied zwischen der Kombinationswellenlänge des Beugungsgitters und der Bandkante. Wenn der Peakunterschied 35 meV oder weniger ist, wurde der COD-Grad auf etwa 15 mV eingestellt. Betrug der Peakunterschied 35 mev oder mehr kam es kaum zu einer COD.
- Andere Verfahren zur Verschiebung des Verstärkungspeaks nach der langwelligen Seite hin (vgl. die Beschreibung bei der ersten Ausführungsform) sind eine Methode, bei der die Stromdichte und Trägerkonzentration während der Oszillation gesenkt werden, und eine Methode, bei der die Kristallwachstumsbedingungen optimiert werden. Auch bei Benutzung einer dieser Methoden im Rahmen der zweiten Ausführungsform gelangt man zu einer längeren Wellenlänge.
- Wie bereits beschrieben, wurde der Halbleiterlaser (Fig. 5) mit den optimierten Strukturparametern bei einem Schwellenwert von 55 mA in Schwingung versetzt, wenn die Resonatorlänge auf 400 µm eingestellt war. Eine COD stellte sich nicht ein, bis die Ausgangsleistung des Lasers 120 mW erreichte.
- In einer anderen Ausführungsform läßt sich die vorliegende Erfindung auf eine Halbleiterlaservorrichtung, bei welcher die aktive Schicht und die Plattierschichten im wesentlichen aus einem Compoundhalbleiter der Gruppen II-VI bestehen, unter Verbesserung des COD-Grades anwenden. Da bei einem sichtbares Licht emittierenden Halbleiterlasers die Ausgangsleistungskennwerte im allgemeinen durch die COD beschränkt werden, läßt sich somit die vorliegende Erfindung wirksam bei einem sichtbares Licht emittierenden Halbleiterlasers verwirklichen.
- Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die genannten Ausführungsformen beschränkt. Bei den genannten Ausführungsformen besteht zwar die aktive Schicht aus InGaP, sie kann jedoch auch aus einem quaternären InGaAlP-Mischkristall bestehen. Andere Werkstoffe mit As, N, Zn, Se, B u.dgl. können als Werkstoffe für die aktive Schicht und die Plattier schicht verwendet werden. Die Struktur des Halbleiterlasers ist nicht auf die in Fig. 1 bis 5 dargestellten Struktur beschränkt. Die Struktur des Halbleiterlasers kann ohne Abweichung vom Umfang der beigefügten Ansprüche in geeigneter Weise geändert werden.
- Wie bereits ausgeführt, wird erfindungsgemäß bei einem Halbleiterlaser mit einer Stromblockierstruktur in einem Facettenteil des Halbleiterlasers die Verstärkungspeakwellenlänge zur Unterdrückung der Lichtabsorption in dem Facettenteil nach der langwelligen Seite hin verschoben. Folglich läßt sich eine Halbleiterlaservorrichtung mit hohem COD-Grad und ausreichend hohen Ausgangsleistungskennwerten herstellen.
Claims (17)
1. Halbleiterlaservorrichtung mit einem
Compoundhalbleitersubstrat (11), einer auf dem
Compoundhalbleitersubstrat (11) gebildeten und einander gegenüberliegende
erste und zweite Facetten aufweisenden
Doppelheterostruktur mit einer aktiven Schicht (14) zwischen ersten
und zweiten Plattierschichten (13, 15) und einem auf
der Doppelheterostruktur gebildeten
Stromblockierbereich (19), dadurch gekennzeichnet, daß der
Stromblockierbereich (19) in dem ersten Facettenbereich
gebildet und auf dem zweiten Facettenbereich als
reflektierendes Mittel ein dielektrischer Film (23) eines
Reflexionsvermögens über demjenigen einer natürlichen
Spaltungsfläche vorgesehen sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Reflexionsmittel (23) ein Reflexionsvermögen
von nicht weniger als 50% aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Reflexionsmittel (23) ein Reflexionsvermögen
von nicht weniger als 90% aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die aktive Schicht (14) eine Dicke von nicht
weniger als 0,04 µm aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die aktive Schicht (14) eine Dicke von 0,04-0,1
µm aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Compoundhalbleitersubstrat (11) aus einem GaAs-
Substrat mit einer von [100] nach [001] in einem Winkel
von nicht weniger als 2º geneigten Flächenrichtung
besteht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Doppelheterostruktur im wesentlichen aus einem
Werkstoff auf InGaAlP-Basis besteht.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Doppelheterostruktur im wesentlichen aus einer
Verbindung der Gruppe II-VI besteht.
9. Halbleiterlaservorrichtung mit
einem Compoundhalbleitersubstrat (51),
einer auf dem Compoundhalbleitersubstrat (51)
gebildeten und einander gegenüberliegende erste und zweite
Facetten aufweisenden Doppelheterostruktur mit einer
aktiven Schicht (54) zwischen ersten und zweiten
Plattierschichten (531 57) und
einem auf der Doppelheterostruktur gebildeten
Stromblockierbereich (59),
dadurch gekennzeichnet, daß der Stromblockierbereich
(59) in dem ersten Facettenteil gebildet ist und die
Halbleiterlaservorrichtung zusätzlich eine verteilte
Rückkopplungsstruktur mit einem Beugungsgitter zur
Durchführung einer Steueroperation zur Verschiebung der
Oszillationswellenlänge der aktiven Schicht (54) nach
der langwelligen Seite hin entsprechend einem
Bandabstand, der um nicht weniger als 35 meV kleiner ist als
der Bandabstand der aktiven Schicht, enthält.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß sie zusätzlich ein Reflexionsmittel (63) auf
mindestens einer der Facetten der Doppelheterostruktur in
Resonatorrichtung mit einem über dem Reflexionsvermögen
einer natürlichen Spaltungsfläche liegenden
Reflexionsvermögen enthält.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß das Reflexionsmittel (63) ein Reflexionsvermögen
von nicht weniger als 50% aufweist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß das Reflexionsmittel (63) ein Reflexionsvermögen
von nicht weniger als 90% aufweist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß das Reflexionsmittel aus einem im wesentlichen aus
einem dielektrischen Film bestehenden schichtartigen
Überzug gebildet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die aktive Schicht eine Dicke von nicht weniger als
0,04 µm aufweist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die aktive Schicht (54) eine Dicke von 0,04 - 0,1
µm aufweist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß das Compoundhalbleitersubstrat (11) aus einem GaAs-
Substrat mit einer von [100] nach [001] in einem Winkel
von nicht weniger als 2º geneigten Flächenrichtung
besteht.
17. Vorrichtung nach Anspruch 9, daß die
Doppelheterostruktur im wesentlichen aus einem Werkstoff auf
InGaAlP-Basis besteht.
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