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Dokumentenidentifikation DE3348097C2 30.03.1989
Titel Halbleiterlaserarray
Anmelder Omron Tateisi Electronics Co., Kyoto, JP
Erfinder Fujimoto, Akira, Hirakata, Osaka, JP
Vertreter Wilhelms, R., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat.; Kilian, H., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., 8000 München; Schmidt-Bogatzky, J., Dipl.-Ing. Dr.-Ing., Pat.-Anwälte, 2000 Hamburg
DE-Anmeldedatum 16.08.1983
DE-Aktenzeichen 3348097
File number of basic patent 33294674
Offenlegungstag 16.02.1984
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 30.03.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.03.1989
IPC-Hauptklasse H01S 3/23
IPC-Nebenklasse H01S 3/05   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterlaserarray gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Halbleiterlaserarray dieser Art ist aus US 42 80 108 bekannt. Bei diesem bekannten Halbleiterlaserarray mit ungestuftem Schichtaufbau liegen PN-Übergänge in durch passive Halbleiterschichten getrennten aktiven Halbleiterschichten senkrecht zur Substratgrundfläche übereinander.

Ein ähnlicher Aufbau ist aus US 43 18 059 bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, mehrere TS-(Terraced Substrate-)Halbleiterlaser auf einfache Weise zu einer Einheit zusammenzufassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Halbleiterlaserarray gelöst, wie es im Patentanspruch 1 gekennzeichnet ist.

Ein TS-(Terraced Substrate-)Halbleiterlaser mit einem einzigen streifenförmigen Strahlungsbereich ist aus GB 20 80 014 A bekannt. Allerdings sind bei diesem bekannten TS-Halbleiterlaser die beiden Schichten, zwischen denen die aktive Schicht liegt, von entgegengesetztem Leitungstyp, so daß sich das erfindungsgemäße Halbleiterlaserarray auf der Grundlage eines solchen Schichtaufbaus nicht verwirklichen läßt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Halbleiterlasers, der die Basis für den Aufbau des Halbleiterlaserarrays darstellt,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des grundlegenden Aufbaus des Halbleiterlaserarrays,

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Aufbaus des Halbleiterlaserarrays mit geteilten Ladungsträgerinjektionselektroden zur Anwendung als Ablenkelement,

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Halbleiterlaserarrays, welches hinsichtlich der Brechungsindexbeziehung und der Einstellung der Vorspannung gegenüber dem Halbleiterlaserarray der Fig. 2 zum Betrieb als optisches Verzweigungselement modifiziert ist, und

Fig. 5 eine schematische perspektivische Ansicht eines Anwendungsbeispiels des in Fig. 4 gezeigten optisch verzweigenden Halbleiterlaserarrays.

Fig. 1 zeigt den Grundaufbau des Halbleiterlasers, aus dem das gegenständliche Halbleiterlaserarray aufgebaut ist. Bei diesem Halbleiterlaser sind eine Löcherinjektionselektrode 26 und eine Elektroneninjektionselektrode 27 auf der einen bzw. der anderen Seite eines Halbleiterkristalls vorgesehen, der aus den folgenden Halbleiterschichten aufgebaut ist:

Der genannte Halbleiterkristall setzt sich zusammen aus einer n-GaAs-Schicht (Substrat) 21, einer GaAlAs-Schicht 22, einer n-GaAlAs-Schicht 23, einer n-GaAs-Schicht (aktive Schicht) 24 und einer n-GaAlAs-Schicht 25. In einem Injektionsabschnitt (dabei handelt es sich um einen Doppelheteroübergangsabschnitt) zwischen der aktiven Schicht 24 und den zu beiden Seiten derselben vorhandenen Halbleiterschichten 23, 25 ist ein Versetzungsabschnitt 28 vorgesehen. Eine p-Diffusionsschicht 29 ist auf der Seite der Löcherinjektionselektrode 26 vorgesehen.

Der erwähnte Versetzungsabschnitt 28 wird auf folgende Weise ausgebildet: Die GaAlAs-Schicht 22 wird in einer bestimmten Dicke auf dem Substrat 21 aufgeschichtet. Danach wird die GaAlAs-Schicht 22 teilweise durch Ätzen entfernt, so daß insoweit die Oberfläche des Substrats 21 freigelegt wird. Das heißt, der Versetzungsabschnitt 28 wird durch einen über die Dicke der GaAlAs-Schicht 22 gehenden gestuften Abschnitt ausgebildet. Die GaAlAs-Schicht 22 wird durch Dotieren mit einem n-leitenden Element gewonnen, oder sie wird auch nicht einer Dotierung unterworfen.

Nach Ausbildung des Versetzungsabschnitts 28 in der oben beschriebenen Weise werden die n-GaAlAs-Schicht 23, die aktive Schicht 24 und die n-GaAlAs-Schicht 25 nacheinander aufgeschichtet. Der Injektionsabschnitt wird also durch den Versetzungsabschnitt 28 stufenweise ausgebildet. Die Oberfläche der n-GaAlAs-Schicht 25 wird infolge des Abhängens der Kristallwachstumsgeschwindigkeit von der Oberflächenrichtung im wesentlichen eben und horizontal gemacht.

Die vorgenannte p-Diffusionsschicht 29 wird so aufgebaut, daß Zink in einem Bereich von der gesamten Oberfläche des GaAlAs- Schicht 25 bis zur aktiven Schicht 24 im Versetzungsabschnitt 28 diffundiert wird. Die Grenzfläche zwischen dem p-Inversionsbereich und dem n-Bereich verläuft parallel zur Oberfläche der n-GaAlAs-Schicht 25. Auf diese Weise wird ein PN-Übergangsabschnitt 30 einer bestimmten Breite in seitlicher Richtung in der aktiven Schicht 24 im Versetzungsabschnitt 28 ausgebildet.

Bei dem in der oben beschriebenen Weise aufgebauten Halbleiterlaser werden, wenn eine Vorwärtsspannung an die beiden Elektroden 26, 27 angelegt wird, Ladungsträger hoher Dichte in den PN-Übergangsabschnitt 30 injiziert. Da beide seitlichen Ränder des PN-Übergangsabschnitts 30 zwischen hohe Potentialbarrieren der n-GaAlAs-Schichten 23, 25 gesetzt sind, werden die injizierten Ladungsträger auf den PN-Übergangsabschnitt 30 eingegrenzt, ohne daß sie in seitlicher Richtung herausdiffundieren, so daß sie mit hohem Wirkungsgrad rekombinieren und stimulierte Lichtemission erzeugen. Damit wird ein Strahlungsbereich 31 in der aktiven Schicht 24 in der Umgebung des PN-Übergangsabschnitts 30 ausgebildet. Das im Strahlungsbereich 31 erzeugte Licht wird einer Resonanzverstärkung unterworfen, wobei die Kristallendflächen Fabry- Perot-Resonatoroberflächen sind. Dabei wird das erzeugte Licht durch die n-GaAlAs-Schichten 23, 25 mit kleinem Brechungsindex abgehalten, so daß es sich nicht seitlich ausbreitet. Das heißt, der laterale Mode kann zum Einzelmode gemacht werden.

Bei der Herstellung des Halbleiterlasers wird einfach Zink von der gesamten Oberfläche der n-GaAlAs-Schicht 25 her eindiffundiert, weshalb bei der Ausbildung der p-Diffusionsschicht 29 und der Löcherinjektionselektrode 26 Maskierungsschritte nicht erforderlich sind.

Fig. 2 zeigt ein Halbleiterlaserarray. Hierbei sind Teile, die denjenigen der Fig. 1 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen wie dort bezeichnet, und ihre Beschreibung ist hier weggelassen (Gleiches gilt auch für weitere Darstellungen).

Das Halbleiterlaserarray weist mehrere Doppelheteroübergangsaufbauten auf, was eine hohe Ausgangsleistung ermöglicht. Das heißt, n-GaAlAs-Schichten 4 und aktive Schichten (n-GaAs) 5 (jeweils mit den Zusatzbuchstaben a, b, c, d und e in Fig. 2 versehen), die miteinander einen Heteroübergang bilden, werden abwechselnd aufgeschichtet, wobei mehrere (im dargestellten Beispiel vier) Heteroübergangsaufbauten durch die einzelnen Schichtensätze (4a, 5a, 4b), (4b, 5b, 4c), (4c, 5c, 4d) und (4d, 5d, 4e) ausgebildet werden. Der Bereich dieser Übergänge wird als Versetzungsabschnitt 28 ausgebildet. Zink wird in einen Bereich von der gesamten Oberfläche der obersten Schicht (n-GaAlAs-Schicht 4e) des Halbleiterkristalls bis zu den einzelnen aktiven Schichten 5a, 5b, 5c, 5d im Versetzungsabschnitt 28 diffundiert, um eine invertierte p-Schicht 29 auszubilden. Damit werden die einzelnen Schichten des Versetzungsabschnitts 28 mit PN-Übergangsabschnitten ausgebildet, die in einer Reihe in seitlicher Richtung liegen.

Bei dem in der oben beschriebenen Weise ausgebildeten Halbleiterlaserarray werden Ladungsträger hauptsächlich in die in den aktiven Schichten 5a, 5b, 5c und 5d ausgebildeten PN-Übergangsabschnitte 10a, 10b, 10c und 10d der im Versetzungsabschnitt 28 ausgebildeten PN-Übergangsabschnitte injiziert. Dies ist eine Folge der Tatsache, daß die Energielücke der GaAlAs-Schichten 4a, 4b, 4c, 4d und 4e größer als diejenige der aktiven Schichten 5a, 5b, 5c und 5d ist. Da jeder der PN-Übergangsabschnitte 10a, 10b, 10c und 10d an beiden seitlichen Rändern zwischen Heterobarrieren der GaAlAs-Schichten 4a, 4b, 4c, 4d und 4e gesetzt ist, werden die injizierten Ladungsträger darin eingegrenzt, ohne daß sie in seitlicher Richtung herausdiffundieren, so daß sie mit hohem Wirkungsgrad rekombinieren und auf stimulierte Emission zurückgehendes Licht erzeugen und Strahlungsbereiche 11a, 11b, 11c und 11d bilden. Der Abstand zwischen den Strahlungsbereichen 11a, 11b, 11c und 11d wird durch die Dicke der GaAlAs-Schichten 4b, 4c und 4d bestimmt. Es ist bekannt, daß die Dicke von Halbleiterschichten des beschriebenen Typs in einem Bereich von einigen Mikrometern bis zu sehr vielen Mikrometern, abhängig von Wachstumsgeschwindigkeit und -zeit der Kristalle, geeignet eingestellt werden kann.

Fig. 3 zeigt ein Halbleiterlaserarray, bei dem der Aufbau der Ladungsträgerinjektionselektroden abgewandelt ist.

Es sind Löcherinjektionselektroden 31a, 31b und Elektroneninjektionselektroden 32a, 32b als parallele Streifen an den beiden lateralen Seiten der Kristalloberflächen ausgebildet, wobei sie den Versetzungsabschnitt 28 nicht überlappen.

Bei dem so aufgebauten Halbleiterlaserarray wird beispielsweise, wenn eine Vorwärtsvorspannung zwischen den Elektroden 31a und 32a zur Erzeugung eines Treiberstroms angelegt wird, der größte Anteil an Ladungsträgern in den PN-Übergangsabschnitt 10a injiziert, für den der Stromweg am kürzesten und mit dem niedrigsten elekrischen Widerstand behaftet ist. Der Stromweg verlängert sich in der Reihenfolge der PN-Übergänge 10b, 10c und 10d und ebenso nimmt der elektrische Widerstand des Stromwegs zu, womit die zu injizierenden Ladungsträger entsprechend abnehmen. Die Laseroszillation wird also zuerst im PN-Übergangsabschnitt 10a bewirkt und mit zunehmendem Treiberstrom auch der Reihe nach in den PN-Übergangsabschnitten 10b, 10c und 10d. Wenn umgekehrt eine Vorwärtsvorspannung zwischen den Elektroden 31b und 32b zur Erzeugung eines Treiberstroms angelegt wird, läßt sich die Laseroszillation der Reihe nach in den PN-Übergangsabschnitten 10d, 10c, 10b und 10a, also in umgekehrter Reihenfolge wie oben, bewirken. Wenn eine Vorwärtsvorspannung zwischen den Elektroden 31a und 32b oder zwischen den Elektroden 31b und 32a zur Erzeugung eines Treiberstroms angelegt wird, werden aus den gleichen Gründen wie oben viele Ladungsträger in die PN-Übergangsabschnitte 10b und 10c injiziert, für die der Stromweg kurz ist, so daß in diesen Übergängen die Laseroszillation zuerst stattfindet. Wenn der Treiberstrom weiter gesteigert wird, findet eine Laseroszillation auch in den PN-Übergangsabschnitten 10a und 10d statt.

Unter Ausnutzung des obigen Prinzips wird ein Treiberstrom zunächst zwischen den Elektroden 31a und 32a fließen gelassen, um eine Laseroszillation im PN-Übergangsabschnitt 10a zu bewirken. Dann wird der Treiberstrom zwischen den Elektroden 31a und 32a unterbrochen und ein Treiberstrom zwischen den Elektroden 31a und 32b oder 31b und 32a fließen gelassen, um eine Laseroszillation in den PN-Übergangsabschnitten 10b und 10c zu bewirken. Schließlich wird der Treiberstrom zwischen den Elektroden 31a und 32b bzw. 31b und 32a unterbrochen und ein Treiberstrom zwischen den Elektroden 31b und 32b fließen gelassen, um eine Laseroszillation im PN-Übergangsabschnitt 10d zu bewirken. Auf diese Weise lassen sich die Ausgangslichtbündel in seitlicher Richtung zwischen den PN-Übergangsabschnitten 10a . . . 10d bewegen. Im vorliegenden Fall wird das Ausgangslichtbündel diskontinuierlich in seitlicher Richtung bewegt, das Ausgangslichtbündel läßt sich aber auch kontinuierlich bewegen, indem man den Stromwert zwischen den Elektroden geeignet steuert.

Bei der beschriebenen Ausführungsform sind die Ladungsträgerinjektionselektroden seitlich an den Kristalloberflächen ohne Überlapp mit dem Versetzungsabschnitt vorgesehen, es kann anderereits aber auch wenigstens eine Ladungsträgerinjektionselektrode in Form mehrerer paralleler in bestimmten seitlichen Abständen liegender Streifen ausgebildet sein.

Fig. 4 zeigt ein als optisches Verzweigungselement wirkendes Halbleiterlaserarray. Dieses Halbleiterlaserarray arbeitet als optisches Verzweigungselement durch Abwandlung der Funktion einer Eingrenzung des Lichts in der aktiven Schicht und des Verfahrens, nach dem im Aufbau des in Fig. 2 gezeigten Halbleiterlaserarrays eine Vorspannung eingestellt wird. Beim Halbleiterlaserarray nach Fig. 4 sind die gleichen Bezugszeichen verwendet wie bei dem in Fig. 2 gezeigten Halbleiterlaserarray.

Der Halbleiterlaser ist hier also so ausgelegt, daß sich eine optische Welle von einem zu den benachbarten PN- Übergangsabschnitten (10a, 10b), (10b, 10c) und (10c, 10d) verzweigt. Im einzelnen läßt sich dies erreichen, indem man eine kleine Brechungsindexdifferenz zwischen den aktiven Schichten 5a, 5b, 5c und 5d und den dazwischenliegenden Halbleiterschichten 4b, 4c und 4d erzeugt oder indem man diese Schichten dünner macht. Eine größere Wirkung ergibt sich, wenn man beide Maßnahmen gleichzeitig vorsieht.

Das Verfahren, nach dem eine Vorspannung eingestellt wird, wird in der folgenden Erläuterung der Betriebsweise beschrieben.

Bei dem in der oben beschriebenen Weise aufgebauten Halbleiterlaserarray wird vorab eine geeignete Vorwärtsvorspannung angelegt, um die einzelnen PN-Übergangsabschnitte 10a, 10b, 10c und 10d auf einen Wert zu legen, der etwas unter dem Schwellwert für Laseroszillation liegt. Es fällt nun ein Laserstrahl auf einen der PN-Übergangsabschnitte 10a, 10b, 10c und 10d, beispielsweise auf den PN-Übergangsabschnitt 10b, von dem einen Kristallende her ein. Dann breitet sich ein Teil des auf den PN-Übergangsabschnitt 10b einfallenden Laserstrahls auch zu den anderen PN-Übergangsabschnitten 10a, 10c und 10d aus. Dabei wird die Energie des einfallenden Laserlichts gleich der Energie gemacht, die ein jeder der PN- Übergangsabschnitte 10a, 10b, 10c und 10d für die Laseroszillation benötigt, weshalb die PN-Übergangsabschnitte 10a, 10b, 10c und 10d eine Laseroszillation durch optische Anregung liefern, so daß ein Laserstrahl an den Kristallenden 11a, 11b, 11c und 11d abgegeben wird.

Das Halbleiterlaserarray dieser Ausführungsform kann also als optisches Verzweigungselement verwendet werden, wobei ein Beispiel in Fig. 5 gezeigt ist. In dieser Figur verzweigt ein das Halbleiterlaserarray dieser Ausführungsform enthaltendes optisches Verzweigungselement 81 durch einen optischen Wellenleiter 82 geführtes eingegebenes Licht eines Halbleiterlasers (Lichtquelle) 83, wobei das verzweigte Bündel durch Wellenleiter a, b, c und d geführt wird. Beispielsweise wird ein Verzweigungsbündel in eine optische Faser 85 eingeleitet, die am seitlichen Ende eines optischen IC-Substrats 84 angeschlossen ist, während andere Verzweigungsbündel in verschiedene (nicht gezeigte) Schaltungen, etwa optische Arbeitsschaltungen 86, 87, eingeleitet werden.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen bestanden die Halbleiterlaserarrays aus Halbleiterverbindungen des GaAs-Systems, andere Halbleiterverbindungen sind natürlich aber auch möglich.


Anspruch[de]
  1. 1. Halbleiterlaserarray mit
    1. a) einem Halbleitersubstrat (21) vom ersten Leitungstyp,
    2. b) einer auf dem Halbleitersubstrat angeordneten Folge von Halbleiterschichten (22, 4a, 5a, 4b, 5b, . . .) vom ersten Leitungstyp, wobei jeweils zwei passive Halbleiterschichten (4a, 4b, . . .) an eine aktive Halbleiterschicht (5a, 5b, . . .) angrenzen und die aktiven Halbleiterschichten mit den angrenzenden Halbleiterschichten Heteroübergänge bilden,
    3. c) Ladungsträgerinjektionselektroden (26, 27; 31a, 31b, 32a, 32b) an den Oberflächen des Halbleiterlaserarrays,
    4. d) einem Diffusionsbereich (29) vom zweiten Leitungstyp, welcher sich von der dem Substrat (21) abgekehrten Oberfläche des Halbleiterlaserarrays in Richtung auf das Substrat (21) erstreckt, so daß in den aktiven Schichten (5a, 5b, . . .) an der Grenzfläche zum Diffusionsbereich vom zweiten Leitungstyp streifenförmige PN-Übergänge (10a, 10b, . . .) erzeugt werden,
  2. dadurch gekennzeichnet, daß
    1. e) die Laseroszillation in parallel zur Substratgrundfläche nebeneinanderliegenden Streifen (11a, 11b, 11c, 11d) erzeugt wird und
    2. f) jede aktive Schicht (5a, 5b, . . .) die für einen TS-(Terraced Substrate-)Halbleiterlaser charakteristische Stufe aufweist, wobei der Diffusionsbereich (29) oberhalb der Stufen angeordnet ist.
  3. 2. Halbleiterlaserarray nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Ladungsträgerinjektionselektroden aus mehreren Teilelektroden (31a, 31b; 32a, 32b) aufgebaut ist, die in der gleichen Richtung wie die streifenförmigen PN-Übergänge (10a, 10b, . . .) nebeneinanderliegen.
  4. 3. Halbleiterlaserarray nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Teilelektroden (31a, 32b; 32a, 32b) zweier Ladungsträgerinjektionselektroden in unterschiedlicher Teilelektrodenkombination Spannung anlegbar ist.






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