DE3348097C2 - - Google Patents

Description

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 Halbleiter­ schichten 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 Halbleiter­ laserarray 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 Halb­ leiterlasers, 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 Halb­ leiterlaserarrays 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 gegen­ über dem Halbleiterlaserarray der Fig. 2 zum Betrieb als optisches Verzweigungselement modifiziert ist, und

Fig. 5 eine schematische perspektivische Ansicht eines An­ wendungsbeispiels 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 Elektroneninjektions­ elektrode 27 auf der einen bzw. der anderen Seite eines Halb­ leiterkristalls vorgesehen, der aus den folgenden Halbleiter­ schichten 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 der­ selben vorhandenen Halbleiterschichten 23, 25 ist ein Ver­ setzungsabschnitt 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 aus­ gebildet. 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 aufge­ schichtet. Der Injektionsabschnitt wird also durch den Ver­ setzungsabschnitt 28 stufenweise ausgebildet. Die Oberfläche der n-GaAlAs-Schicht 25 wird infolge des Abhängens der Kristall­ wachstumsgeschwindigkeit von der Oberflächenrichtung im we­ sentlichen 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 Versetzungs­ abschnitt 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 Halb­ leiterlaser 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 Potential­ barrieren der n-GaAlAs-Schichten 23, 25 gesetzt sind, werden die injizierten Ladungsträger auf den PN-Übergangsabschnitt 30 eingegrenzt, ohne daß sie in seitlicher Richtung herausdiffun­ dieren, so daß sie mit hohem Wirkungsgrad rekombinieren und stimulierte Lichtemission erzeugen. Damit wird ein Strahlungs­ bereich 31 in der aktiven Schicht 24 in der Umgebung des PN-Übergangsabschnitts 30 ausgebildet. Das im Strahlungs­ bereich 31 erzeugte Licht wird einer Resonanzverstärkung unter­ worfen, wobei die Kristallendflächen Fabry- Perot-Resonatoroberflächen sind. Dabei wird das erzeugte Licht durch die n-GaAlAs-Schichten 23, 25 mit kleinem Brechungsin­ dex 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-Diffusions­ schicht 29 und der Löcherinjektionselektrode 26 Maskierungs­ schritte nicht erforderlich sind.

Fig. 2 zeigt ein Halbleiterlaserarray. Hierbei sind Teile, die denjenigen der Fig. 1 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen wie dort be­ zeichnet, und ihre Beschreibung ist hier weggelassen (Glei­ ches 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 abwech­ selnd aufgeschichtet, wobei mehrere (im dargestellten Beispiel vier) Heteroübergangsaufbauten durch die einzelnen Schichten­ sätze (4 a, 5 a, 4 b), (4 b, 5 b, 4 c), (4c, 5 c, 4 d) und (4 d, 5 d, 4 e) 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 4 e) des Halbleiterkristalls bis zu den einzelnen aktiven Schichten 5 a, 5 b, 5 c, 5 d im Versetzungsabschnitt 28 diffundiert, um eine in­ vertierte p-Schicht 29 auszubilden. Damit werden die ein­ zelnen Schichten des Versetzungsabschnitts 28 mit PN-Übergangsab­ schnitten ausgebildet, die in einer Reihe in seitlicher Rich­ tung liegen.

Bei dem in der oben beschriebenen Weise ausgebildeten Halb­ leiterlaserarray werden Ladungsträger hauptsächlich in die in den aktiven Schichten 5 a, 5 b, 5 c und 5 d ausgebildeten PN-Übergangs­ abschnitte 10 a, 10 b, 10 c und 10 d der im Versetzungsabschnitt 28 ausgebildeten PN-Übergangsabschnitte injiziert. Dies ist ei­ ne Folge der Tatsache, daß die Energielücke der GaAlAs-Schichten 4 a, 4 b, 4 c, 4 d und 4 e größer als diejenige der aktiven Schichten 5 a, 5 b, 5 c und 5 d ist. Da jeder der PN-Übergangsabschnitte 10 a, 10 b, 10 c und 10 d an beiden seitlichen Rändern zwischen Hetero­ barrieren der GaAlAs-Schichten 4 a, 4 b, 4 c, 4 d und 4 e 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 Strahlungs­ bereiche 11 a, 11 b, 11 c und 11 d bilden. Der Abstand zwischen den Strahlungsbereichen 11 a, 11 b, 11 c und 11 d wird durch die Dicke der GaAlAs-Schichten 4 b, 4 c und 4 d be­ stimmt. Es ist bekannt, daß die Dicke von Halbleiterschichten des beschriebenen Typs in einem Bereich von einigen Mikrometern bis zu sehr vielen Mikrometern, abhängig von Wachs­ tumsgeschwindigkeit und -zeit der Kristalle, geeignet eingestellt wer­ den kann.

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

Es sind Löcherinjektionselektroden 31 a, 31 b und Elektronen­ injektionselektroden 32 a, 32 b als parallele Streifen an den bei­ den lateralen Seiten der Kristalloberflächen ausgebildet, wo­ bei sie den Versetzungsabschnitt 28 nicht überlappen.

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

Unter Ausnutzung des obigen Prinzips wird ein Treiber­ strom zunächst zwischen den Elektroden 31 a und 32 a fließen gelassen, um eine Laseroszillation im PN-Übergangsabschnitt 10 a zu bewirken. Dann wird der Treiberstrom zwischen den Elektroden 31 a und 32 a unterbrochen und ein Treiberstrom zwi­ schen den Elektroden 31 a und 32 b oder 31 b und 32 a fließen ge­ lassen, um eine Laseroszillation in den PN-Übergangsabschnitten 10 b und 10 c zu bewirken. Schließlich wird der Treiberstrom zwischen den Elektroden 31 a und 32 b bzw. 31 b und 32 a unter­ brochen und ein Treiberstrom zwischen den Elektroden 31 b und 32 b fließen gelassen, um eine Laseroszillation im PN-Über­ gangsabschnitt 10 d zu bewirken. Auf diese Weise lassen sich die Ausgangslichtbündel in seitlicher Richtung zwischen den PN-Übergangsabschnitten 10 a . . . 10 d bewegen. Im vorliegenden Fall wird das Ausgangslichtbündel diskontinuierlich in seitli­ cher 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 Ver­ setzungsabschnitt vorgesehen, es kann anderereits aber auch wenigstens eine Ladungs­ trägerinjektionselektrode in Form mehrerer paralleler in bestimmten seitlichen Abständen liegender Streifen ausgebildet sein.

Fig. 4 zeigt ein als optisches Verzwei­ gungselement wirkendes Halbleiterlaserarray. Dieses Halb­ leiterlaserarray 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 ein­ gestellt wird. Beim Halbleiterlaserarray nach Fig. 4 sind die gleichen Bezugszeichen verwendet wie bei dem in Fig. 2 ge­ zeigten Halbleiterlaserarray.

Der Halbleiterlaser ist hier also so ausgelegt, daß sich eine optische Welle von einem zu den benachbarten PN- Übergangsabschnitten (10 a, 10 b), (10 b, 10 c) und (10 c, 10 d) verzweigt. Im einzelnen läßt sich dies erreichen, indem man eine kleine Brechungsindexdifferenz zwischen den aktiven Schichten 5 a, 5 b, 5 c und 5 d und den dazwischenliegenden Halb­ leiterschichten 4 b, 4 c und 4 d 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 beschrie­ ben.

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

Das Halbleiterlaserarray dieser Ausführungsform kann also als optisches Verzweigungselement verwendet werden, wobei ein Bei­ spiel 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 (Licht­ quelle) 83, wobei das verzweigte Bündel durch Wellenleiter a, b, c und d geführt wird. Beispielsweise wird ein Verzweigungs­ bündel in eine optische Faser 85 eingeleitet, die am seitlichen Ende eines optischen IC-Substrats 84 angeschlossen ist, während an­ dere Verzweigungsbündel in verschiedene (nicht gezeigte) Schal­ tungen, etwa optische Arbeitsschaltungen 86, 87, eingeleitet wer­ den.

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

Claims (4)

1. Halbleiterlaserarray mit

• a) einem Halbleitersubstrat (21) vom ersten Leitungstyp,
• b) einer auf dem Halbleitersubstrat angeordneten Folge von Halbleiterschichten (22, 4 a, 5 a, 4 b, 5 b, . . .) vom ersten Leitungstyp, wobei jeweils zwei passive Halbleiterschich­ ten (4 a, 4 b, . . .) an eine aktive Halbleiterschicht (5 a, 5 b, . . .) angrenzen und die aktiven Halbleiterschichten mit den angrenzenden Halbleiterschichten Heteroübergänge bilden,
• c) Ladungsträgerinjektionselektroden (26, 27; 31 a, 31 b, 32 a, 32 b) an den Oberflächen des Halbleiterlaserarrays,
• 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 (5 a, 5 b, . . .) an der Grenzfläche zum Diffusionsbereich vom zweiten Leitungstyp streifenförmige PN-Übergänge (10 a, 10 b, . . .) erzeugt werden,

dadurch gekennzeichnet, daß

• e) die Laseroszillation in parallel zur Substratgrundfläche nebeneinanderliegenden Streifen (11 a, 11 b, 11 c, 11 d) erzeugt wird und
• f) jede aktive Schicht (5 a, 5 b, . . .) die für einen TS-(Ter­ raced Substrate-)Halbleiterlaser charakteristische Stufe aufweist, wobei der Diffusionsbereich (29) oberhalb der Stufen angeordnet ist.

2. Halbleiterlaserarray nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß wenigstens eine der Ladungsträ­ gerinjektionselektroden aus mehreren Teilelektroden (31 a, 31 b; 32 a, 32 b) aufgebaut ist, die in der gleichen Richtung wie die streifenförmigen PN-Übergänge (10 a, 10 b, . . .) nebeneinanderliegen.

3. Halbleiterlaserarray nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen den Teilelektroden (31 a, 32 b; 32 a, 32 b) zweier Ladungsträgerinjektionselektroden in unterschiedlicher Teilelektrodenkombination Spannung anlegbar ist.