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Die Erfindung betrifft ein Halbleiterdiodenlaser-Array mit einer
Halbleiterschichtstruktur, mit einer Anzahl nahezu paralleler streifenförmiger aktiver Gebiete,
die jeweils zwischen zwei Abdeckschichten mit größerer Bandbreite und kleinerer
Brechzahl für die erzeugte Strahlung als die der aktiven Gebiete liegen, wobei die
aktiven Gebiete innerhalb eines Resonators angeordnet sind und mindestens zwei in zwei
nahezu äquidistanten Ebenen liegende Gruppen bilden, wobei wenigstens eine der
Gruppen mindestens zwei aktive Gebiete enthält,
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Solche Halbleiterdiodenlaser-Arrays sind geeignete Strahlungsquellen für
unter anderem Datenverarbeitungssysteme, wie Laserdrucker, mit denen Information
geschrieben wird, und für Systeme mit optischen Speicherplatten, aus denen Information
ausgelesen wird - beispielsweise sogenannte Compact-Disc-Spieler (CD-Spieler) und
Video Long Play-Spieler (VLP-Spieler) - oder die beschrieben und gelesen
werden -beispielsweise digitale optische Aufzeichnung (DOR: digital optical recording).
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Ein Halbleiterdiodenlaser-Array der beschriebenen Art ist aus der unter
der Nummer GB 2164206 A veröffentlichten britischen Patentanmeldung bekannt.
Hierin wird ein Halbleiterdiodenlaser-Array beschrieben, in dem eine aktive Schicht
zwischen zwei Abdeckschichten auf einem mit mesaförmigen Streifen, zwischen denen
Kanäle liegen, versehenen Substrat angebracht ist. Die streifenförmigen aktiven Gebiete
der Halbleiterdiodenlaser befinden sich abwechselnd auf der Oberseite des
mesaförmigen Streifens und am Boden des zwischen zwei dieser Streifen liegenden Kanals.
Sowohl die aktive Schicht als auch die beiden Abdeckschichten jedes Halbleiterlasers
erstrecken sich kontinuierlich über die Kanten des mesaförmigen Streifens und verbinden
somit das aktive Gebiet jedes Lasers mit dem aktiven Gebiet benachbarter Laser,
wenngleich diese Schichten an den Kanten geringfügig dünner sind als anderswo. Mit Hilfe
des geringfügig dünneren Teils der aktiven Schicht an den Kanten wird die in einem
aktiven Gebiet eines Halbleiterdiodenlasers erzeugte Strahlung in Phase mit der in den
aktiven Gebieten der benachbarten Halbleiterdiodenlaser erzeugten Strahlung gekoppelt.
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Ein Nachteil der bekannten Anordnung ist, daß sowohl wegen des
Lekkens von Strahlung aus dem aktiven Gebiet eines Halbleiterdiodenlasers zur aktiven
Schicht zwischen zwei Halbleiterdiodenlasern und wegen parasitärer Emission im
letztgenannten Teil der aktiven Schicht der Startstrom der Anordnung relativ hoch ist.
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Ein weiterer Nachteil dieses bekannten Laser-Arrays besteht darin, daß
die Positionierung der auf der Spitze der Mesas liegenden Halbleiterdiodenlaser
bezüglich den am Boden der Kanäle gelegenen Halbleiterdiodenlasern innerhalb bestimmter
durch die Geometrie bestimmten Grenzen festliegt; daher ist es beispielsweise nicht
möglich, vier Halbleiterdiodenlaser paarweise genau übereinander anzuordnen, so daß
eine 2+2 symmetrische Matrix erhalten wird. Für das gegebene 2+2-Array kann das
bedeuten, daß ein nicht optimales symmetrisches Fernfeld erhalten wird.
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Der Erfindung liegt unter anderem die Aufgabe zugrunde, ein
zweidimensionales Halbleiterdiodenlaser-Array zu verschaffen, das vorzugsweise phasengleich
gekoppelt ist und hohe Leistung, einen niedrigen Startstrom, hohe Packungsdichte und
ein symmetrisches Fernfeld mit geringer Öffnung aufweist.
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Die Erfindung beruht unter anderem auf der Erkenntnis, daß die gestellte
Aufgabe mit Hilfe eines Arrays von Halbleiterdiodenlasern gelöst werden kann, deren
aktive Gebiete in einer vorgegebenen Weise zueinander angeordnet sind.
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Hierzu ist erfindungsgemäß ein Halbleiterdiodenlaser-Array der eingangs
beschriebenen Art dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Gebiete der einen Gruppe
mindestens durch eine der Abdeckschichten vollständig von den aktiven Gebieten der
anderen Gruppe getrennt sind. Somit kann der Startstrom des Halbleiterdiodenlaser-
Arrays kleiner sein als der der bekannten Anordnung, wie oben bereits erwähnt wurde.
Außerdem bedeutet dieses Merkmal, daß die aktiven Gebiete der verschiedenen
Gruppen Teil der verschiedenen aktiven Schichten sein können. Dies führt dazu, daß in einer
solchen Ausführungsform die Lage der aktiven Gebiete der einen Gruppe nicht mehr
von der Lage der aktiven Gebiete der anderen Gruppe abhängt und daß Vergrößerung
der Anzahl Gruppen nicht notwendigerweise auf Kosten des relativen Abstandes der
aktiven Gebiete innerhalb einer Gruppe geht. Daher können die Packungsdichte und die
Symmetrie maximal bleiben. Daher hat beispielsweise ein 2+2-Array maximale
Symmetrie, wenn die aktiven Gebiete der einen Gruppe genau über den aktiven Gebiete der
anderen Gruppe liegen, wahrend dies beispielsweise für ein 2+1-Array erreicht wird,
wenn die aktiven Gebiete des einen Halbleiterdiodenlasers genau über dem Gebiet
zwischen den aktiven Gebieten der übrigen beiden Halbleiterdiodenlaser liegen.
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Diese beiden Beispiele können leicht durch andere Beispiele mit größeren
Anzahlen Gruppen und größeren Anzahlen Halbleiterdiodenlaser pro Gruppe ersetzt
werden; die Erklärung bleibt unverändert.
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Wie sich aus den im folgenden zu gebenden Ausführungsbeispielen zeigen
wird, können mindestens zwei bevorzugte Ausführungsformen unterschieden werden,
die hinsichtlich ihrer Eignung für eine Verwendung bei größeren Anzahlen von Gruppen
unterschiedlich sind.
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Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform wird eine Abdeckschicht
verwendet, in der sich mesaförmige Streifen abwechselnd mit streifenförmigen Kanälen
befinden. Die aktiven Gebiete der einen Gruppe liegen an der Oberseite der
mesaförmigen Streifen, und die aktiven Gebiete der anderen Gruppe befinden sich auf dem
Boden der Kanäle. Diese Ausführungsform beschränkt sich nicht auf Arrays aus zwei
Gruppen. Wenn die Kanäle breiter als die mesaförmigen Streifen sind, kann ihr Boden
wieder mit weiteren (schmaleren) Kanälen versehen werden. Andere Formen, wie breite
mesaförmige Streifen, in denen sich flache Kanäle abwechselnd mit tieferen Kanäle
befinden, sind in dieser Ausführungsform eingeschlossen. Für eine weitere Erläuterung
sei auf die Zeichnung und die zugehörige Beschreibung verwiesen. Ein Vorteil dieser
Ausführungsform ist unter anderem, daß die Herstellung, soweit es den Epitaxie-Teil
betrifft, nur einen zweistufigen Epitaxieprozeß erfordert.
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Eine zweite Ausführungsform ist durch ein Halbleitersubstrat
gekennzeichnet, das mit einer Stapelung von abwechselnd aus einer Abdeckschicht und einer aktiven
Schicht bestehenden Halbleiterschichten versehen ist, wobei die aktiven Gebiete der
einen Gruppe jedesmal Teil einer der aktiven Schichten ist.
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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Figur 1 schematisch und im Querschnitt ein erfindungsgemäßes
zweidimensionales Halbleiterdiodenlaser-Array in einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
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Figur 2 schematisch und im Querschnitt den Aufbau des in Bild 1
gezeigten zweidimensionalen Arrays nach dem ersten Aufwachsprozeß,
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Figur 3 schematisch und im Querschnitt den Aufbau des in Bild 1
gezeigten
zweidimensionalen Arrays vor dem zweiten Aufwachsprozeß,
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Figur 4 schematisch und im Querschnitt den Aufbau des in Bild 1
gezeigten zweidimensionalen Arrays vor dem zweiten Aufwachsprozeß und für ein
Ausführungsbeispiel mit drei Gruppen von aktiven Gebieten,
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Figur 5 schematisch und im Querschnitt den Aufbau des in Bild 1
gezeigten zweidimensionalen Arrays vor dem zweiten Aufwachsprozeß und für ein weiteres
Ausführungsbeispiel mit drei Gruppen von aktiven Gebieten,,
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Figur 6 schematisch und im Querschnitt ein erfindungsgemäßes
zweidimensionales Halbleiterdiodenlaser-Array in einer zweiten bevorzugten
Ausführungsform,
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Figur 7 schematisch und im Querschnitt den Aufbau des in Bild 6
gezeigten zweidimensionalen Arrays nach dem ersten Aufwachsprozeß und nach der Bildung
der streifenförmigen stromsperrenden Streifen,
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Figur 8 schematisch und im Querschnitt den Aufbau des in Bild 6
gezeigten zweidimensionalen Arrays nach dem zweiten Aufwachsprozeß, und
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Figur 9 schematisch und im Querschnitt den Aufbau des in Bild 6
gezeigten zweidimensionalen Arrays nach dem dritten Aufwachsprozeß.
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Die Zeichnung ist schematisch und nicht maßstabsgetreu, wobei
insbesondere die Abmessungen in Richtung der Dicke der Deutlichkeit halber stark vergrößert
dargestellt sind. Gleiche Teile haben in den verschiedenen Ausführungsformen im
allgemeinen gleiche Bezugszeichen. Halbleiterbereiche des gleichen Leitungstyps sind im
allgemeinen in der gleichen Richtung schraffiert.
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Figur 1 zeigt schematisch und im Querschnitt ein erfindungsgemäßes
4+3-Array von Halbleiterdiodenlasern in einer ersten bevorzugten Ausführungsform.
Das Halbleiterdiodenlaser-Array umfaßt einen Halbleiterkörper mit einem mit einem
Anschlußleiter 12 versehenen Substratgebiet 1 eines ersten Leitungstyps - in diesem Fall
p -, das in dieser Ausführungsform aus einkristallinem Galliumarsenid besteht. Auf
diesem Substrat ist eine Halbleiterschichtstruktur mit unter anderem einer ersten
Abdeckschicht 2 des gleichen Leitungstyps - in diesem Fall p - angeordnet, in der eine
Anzahl - in diesem Fall drei - mesaförmige Streifen AA gebildet werden. Zwischen diesen
Streifen liegen in der Abdeckschicht 2 Kanäle BB - in diesem Fall vier -, deren Seiten
von den Kanten der genannten mesaförmigen Streifen gebildet werden. Die
Halbleiterschichtstruktur
umfaßt weiterhin eine Anzahl - in diesem Fall sieben - nahezu parallele
streifenförmige aktive Gebiete 3, die in dieser Ausführungsform vom p-Leitungstyp und
nur schwach dotiert sind. Diese aktiven Gebiete 3 liegen jeweils zwischen der ersten
Abdeckschicht 2 und einer zweiten Abdeckschicht 4 von einem dem Leitungstyp der
ersten Abdeckschicht entgegengesetzten Leitungstyp - in diesem Fall dem n-Typ. Die
Längsachse der streifenförmigen aktiven Gebiete liegt im rechten Winkel zur
Zeichenebene, und zwei reflektierende Kristallflächen, meistens Vorzugs-Spaltflächen, verlaufen
parallel zu dieser Ebene. Diese sogenannten Spiegelflächen bilden in Längsrichtung
einen Fabry-Pérot-Resonator, in dem sich die streifenförmigen aktiven Gebiete
befinden. Außerdem gibt es nahe des Übergangs zwischen jedem aktiven Gebiet 3 und der
Abdeckschicht 4 einen pn-Übergang 5. Bei ausreichend hoher Stromstärke in
Durchlaßrichtung kann dieser pn-Übergang zur Emission elektromagnetischer Strahlung in dem
aktiven Gebiet 3 führen. Die streifenförmigen Gebiete bilden zwei Gruppen, die in zwei
Ebenen V und W liegen, die nahezu senkrecht zur Zeichenebene stehen und nahezu
äquidistant sind. Die Ebene V fällt nahezu mit der Oberseite der mesaförmigen Streifen
zusammen und umfaßt eine Gruppe von in dieser Ausführungsform drei aktiven
Gebieten, während die Ebene W, die nahezu mit dem Boden der Kanäle zusammenfällt, eine
weitere Gruppe von in dieser Ausführungsform vier aktiven Gebieten umfaßt. Neben
den beiden Gruppen aktiver Gebiete 3 und zwischen den Abdeckschichten 2 und 4 ist
eine Stapelung aus den folgenden Halbleiterschichten angeordnet: eine erste passive
Schicht 6 mit einem dem Leitungstyp der Abdeckschicht 2 entgegengesetzten
Leitungstyp, das heißt in diesem Fall dem n-Typ, eine zweite passive Schicht 7 mit einem dem
Leitungstyp der dritten Abdeckschicht 2 entgegengesetzten Leitungstyp, das heißt in
diesem Fall dem p-Typ, und eine dritte passive Schicht 8 mit dem gleichen Leitungstyp
wie die aktiven Gebiete 3, das heißt in diesem Fall dem p-Leitungstyp. Die zweite
Abdeckschicht 4 ist mit einer Kontaktschicht 9 bedeckt, in diesem Fall vom
n-Leitungstyp, die mit einem Anschlußleiter 10 versehen ist und in dieser Ausführungsform aus
Galliumarsenid besteht. Alle übrigen Halbleiterschichten in dieser Ausführungsform
bestehen aus Aluminiumgalliumarsenid. Der Aluminiumgehalt der aktiven Gebiete 3 und
der passiven Schicht, in dieser Ausführungsform 10 Atom-%, entspricht einer
Wellenlänge von 780 nm für eventuell erzeugte Strahlung. Der Aluminiumgehalt der
Abdeckschichten 2 und 4 und der passiven Schichten 6 und 7, in dieser Ausführungsform 50
Atom-%, ist derart, daß die Bandbreite größer und dementsprechend die Brechzahl
bezüglich der erzeugten Strahlung kleiner ist als die entsprechenden Größen für die
aktiven Gebiete 3.
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Erfindungsgemäß sind die in der Ebene V liegenden aktiven Gebiete der
einen Gruppe vollständig von den in der Ebene W liegenden aktiven Gebieten der
anderen Gruppe durch mindestens eine der Abdeckschichten getrennt, in dieser
Ausführungsform durch die Abdeckschichten 2 und 4.
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Wegen des Aufbaus der erfindungsgemäßen Halbleiterschichtstruktur, in
der in dieser Ausführungsform auch die aktiven Gebiete innerhalb einer Gruppe
vollständig voneinander durch eine Abdeckschicht getrennt sind, d.h. der Schicht 4 für die
Gruppe in der Ebene V und die Schicht 2 für die Gruppe in der Ebene W, ist der
Schwellenstrom der Vorrichtung verhältnismäßig klein, und zwar wegen der
Abwesenheit parasitärer Emission außerhalb der aktiven Gebiete und der Tatsache, daß keine
Strahlung aus den aktiven Gebieten herausleckt. Bei dem Halbleiterdiodenlaser-Array
nach dieser Ausführungsform bilden die passiven Schichten 7 und 8 einen
Gleichrichterübergang, der bei einem in Durchlaßrichtung geschalteten pn-Übergang 5 in
Sperrichtung geschaltet ist und somit die Stromstreuung in den aktiven Gebieten 3 begrenzt.
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Bei dieser Ausführungsform sind die folgenden Zusammensetzungen,
Dotierungen und Dicken für die verschiedenen Halbleiterschichten verwendet worden:
Schicht
Halbleiter
Typ
Dotierungskonz. (At./cm³)
Dicke (um)
Brechzahl (λ = 780 nm)
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Die von diesem Halbleiterdiodenlaser-Array emittierte Strahlung hat eine
Wellenlänge von etwa 780 nm. Die Breite der aktiven Gebiete ist etwa 3 um, während
der Abstand zwischen den Ebenen V und W ungefähr 2,56 um und der Mittenabstand
zwischen zwei aktiven Gebieten innerhalb einer Gruppe etwa 6 um beträgt. Die
Elektrodenschicht 10 auf der Kontaktschicht 9 aus hochdotiertem Galliumarsenid besteht
beispielsweise aus einer Gold-Germanium-Nickel-Schicht, deren Verwendung in
Galliumarsenid-Anordnungen üblich ist. Die Elektrodenschicht 12 auf dem Substrat 1 ist
beispielsweise eine Platin-Molybdän-Gold-Schicht oder eine Platin-Tantal-Gold-Schicht.
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Das beschriebene Halbleiterdiodenlaser-Array kann unter anderem auch
auf folgende Weise hergestellt werden (siehe auch Figur 2). Das Ausgangsmaterial ist
ein Substrat 1 aus einkristallinem p-Galliumarsenid mit einer Dotierungskonzentration
von 2 10¹&sup9; Atome/cm³ und einer Dicke von beispielsweise 350 um. Nachdem die
Oberfläche, die vorzugsweise eine Fehlorientierung von höchstens 6º in bezug auf die
(001)-Orientierung hat, poliert und geätzt worden ist, werden auf diese Oberfläche
nacheinander, beispielsweise aus der Gasphase mit Hilfe von OMVPE (Organo-Metallic
Vapour Phase Epitaxy), eine 6 um dicke Schicht 2 aus p-Al0,50Ga0,50As mit einer
Dotierungskonzentration von ungefähr 2 10¹&sup8; Atome/cm³, eine 0,5 um dicke Schicht 6 aus
n-Al0,50Ga0,50As mit einer Dotierungskonzentration von ungefähr 1 10¹&sup7; Atome/cm³
und eine 0,5 um dicke Schicht 7 aus p-Al0,50Ga0,50As mit einer
Dotierungskonzentration von ungefähr 14 10¹&sup7; Atome/cm³ aufgewachsen. Ein schematischer Querschnitt
der auf diese Art hergestellten Struktur wird in Fig. 2 dargestellt. Diese
Mehrschichtstruktur kann auch aus der Flüssigphase mittels LPE (Liquid Phase Epitaxy)
aufgewachsen werden, in welchem Fall die Orientierung des Substrats 1 vorzugsweise
nahezu gleich der (001)-Orientierung ist. Zu Einzelheiten zu der LPE-Technik sei auf
das Buch von D. Elwell und H.J. Scheel "Crystal Growth for High Temperature
Solutions", Academic Press, 1975, insbesondere S.433-467 verwiesen. Zu Einzelheiten zu
der OMVPE-Technik sei auf den Übersichtsartikel von M.J. Ludowise "Metal-Organic
Vapour Deposition of III-V Semiconductors" in Journal of Applied Physics, 58 (1985),
31 verwiesen.
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Anschließend werden in der Oberfläche der Schicht 7 mit Hilfe von
allgemein üblichen photolithographischen Techniken und mit einer H&sub2;O, H&sub2;O&sub2; (35%) und
NH&sub4;OH im Verhältnis 100:2:1 enthaltenen Ätzflüssigkeit als Ätzmittel die
Halbleiterschichten
6 und 7 innerhalb des streifenförmigen Gebiets CC weggeätzt (siehe auch
Figur 3).
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Anschließend werden mit der gleichen Technik und dem vorstehend
erwähnten Ätzmittel Kanäle BB in der Oberseite der Halbleiterschicht 2 angebracht. Diese
Kanäle haben an der Oberseite eine Breite von ungefähr 6 um. Die Oberseite des Mesa
hat eine Breite von etwa 3 um, während der Abstand der Oberseite des Mesa von dem
Boden eines Kanals ungefähr 2,5 um beträgt. Erfindungsgemäß werden die Kanäle so
wegeätzt, daß die Kanten der sich ergebenden mesaförmigen Streifen AA mit
Kristallflächen des Galliumarsenidgitters zusammenfallen, und zwar mit den (111)-As-Flächen.
Ein schematischer Querschnitt durch die sich daraus ergebenden
Halbleiterschichtstruktur wird in Figur 3 gezeigt.
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Diese Struktur wird nach Reinigung wieder in die
OMVPE-Aufwachsanlage gebracht. Erst (siehe Figur 1) werden die ungefähr 0,07 um dicken aktiven
Gebiete 3 und die Teile der passiven Schicht 8 aus Al0,10Ga0,90As, denen keine
absichtlichen Dotierungen zugesetzt sind, aufgewachsen. Da auf der (111)-As-Oberfläche kein
merkliches Wachsen erfolgt, bleiben die Kanten der mesaförmigen Streifen AA
aufwachsfrei, und die aktiven Gebiete 3 werden an der Oberseite des mesaförmigen
Streifens und am Boden der Kanäle gebildet. Anschließend wird eine etwa 6 um dicke n-
Al0,50Ga0,50As-Schicht 4 mit einer Dotierung von 2 10¹&sup8; Atome/cm³ aufgewachsen,
die die zweite Abdeckschicht bildet. Da die Aufwachsrate dieser Schicht, die erheblich
dicker ist als die aktiven Gebiete, in der (311)-Kristallrichtung größer als in der (001)-
Kristallrichtung ist, werden die Kanäle mit der Schicht 4 gefüllt, ungeachtet der
Tatsache, daß während des Aufwachsprozesses für diese Schicht kein direktes Aufwachsen an
den Kanten der mesaförmigen Streifen stattfindet. Anschließend wird eine etwa 1 um
dicke Kontaktschicht aus Galliumarsenid mit einer Dotierung von 3 10¹&sup8; Atome/cm³
angebracht. Schließlich wird, nachdem die Schichtstruktur aus der Aufwachsanlage
genommen und abgekühlt worden ist, beispielsweise durch Zerstäuben die
beispielsweise aus einer Gold-Germanium-Nickel-Schicht bestehende Elektrodenschicht 10 auf
der Kontaktschicht und die beispielsweise aus einer Platin-Molybdän-Gold-Schicht oder
einer Platin-Tantal-Gold-Schicht bestehende Elektrodenschicht 12 auf dem Substrat 1
angebracht. So wird die in Figur 1 gezeigte Struktur erhalten.
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Es sei hier bemerkt, daß die Halbleiterschichten auch eine andere
Zusammensetzung
als die hier erwähnte haben können. Dies hängt unter anderem von der
gewünschten Wellenlänge der zu erzeugenden Strahlung ab. Außerdem kann
insbesondere der Aluminiumgehalt der Abdeckschichten variiert werden, um das Einschließen und
damit das Ausmaß, in dem Phasenkopplung auftreten kann, zu beeinflussen.
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Figur 4 und 5 zeigen Beispiele dafür, wie mesaförmige Streifen und
Kanäle angebracht werden können, wenn beispielsweise ein drei Gruppen aus aktiven
Gebieten, die in drei Ebenen, nämlich V, W und Z liegen, enthaltendes Array gewünscht
wird. Bei einer ersten, in Fig. 4 gezeigten Form sind beispielsweise die Kanäle BB
breiter als die mesaförmigen Streifen AA, und der Boden der Kanäle ist mit Kanälen EE
versehen, die schmaler als die Kanäle BB sind. Bei einer zweiten, in Fig. 5 gezeigten
Form wechseln breite, mit flachen Kanälen versehene mesaförmige Streifen AA mit
tieferen Kanälen BB ab.
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Eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Halbleiterdiodenlaser-Arrays soll jetzt anhand der Figuren 6 bis 9 beschrieben werden.
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Figur 6 zeigt schematisch und im Querschnitt ein erfindungsgemäßes
2+2-Array von Halbleiterdiodenlasern in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform.
Das Halbleiterdiodenlaser-Array umfaßt einen Halbleiterkörper mit einem Substratgebiet
1 eines ersten Leitungstyps - in diesem Fall p -, der mit einem Anschlußleiter 12
versehen ist und in dieser Ausführungsform aus einkristallinem Galliumarsenid besteht.
Eine Halbleiterschichtstruktur, die unter anderem eine Anzahl - in diesem Fall
drei -streifenförmiger stromsperrender Gebiete 13 des entgegengesetzten Leitungstyps - in
diesem Fall n - umfaßt, ist auf diesem Substratgebiet aufgebracht. Die
Halbleiterschichtstruktur umfaßt weiterhin eine erste Abdeckschicht 2 des gleichen Leitungstyps
wie das Substrat 1, auf der eine erste aktive Schicht 8, bei dieser Ausführungsform vom
p-Leitungstyp und nicht absichtlich dotiert, aufgebracht ist. Auf der aktiven Schicht 8 ist
eine zweite Abdeckschicht 14 des entgegengesetzten Leitungstyps - hier also n - ,
aufgebracht, die wie die erste aktive Schicht nicht absichtlich dotiert und vom p-Leitungstyp
ist. Weiterhin umfaßt die Halbleiterschichtstruktur eine dritte Abdeckschicht 15, - hier
vom p-Leitungstyp -, auf der streifenförmige Kontaktgebiete 16 liegen, die zusammen
mit streifenförmigen Teilen der Abdeckschicht 15 die mesaförmigen Streifen AA bilden.
Die Kontaktgebiete 16 sind vom p-Leitungstyp und mit einem Anschlußleiter 10 aus
einer Titan-Gold-Schicht versehen. Eine Isolierschicht 21 aus Siliciumdioxid liegt an den
Kanten der und zwischen den mesaförmigen Streifen AA. Die Halbleiterschichtstruktur
umfaßt weiterhin eine Anzahl - in diesem Fall vier - nahezu parallele streifenförmige
aktive Gebiete 3, die zwei Gruppen von jeweils zwei aktiven Gebieten bilden, wobei
diese Gruppen in zwei nahezu äquidistanten Ebenen V und W im rechten Winkel zur
Zeichenebene liegen, wobei die Ebene V in der aktiven Schicht 8 und die Ebene W in
der aktiven Schicht 14 liegt. Die Längsachse der streifenförmigen Gebiete 3 bildet mit
der Zeichenebene einen rechten Winkel, wobei zwei reflektierende Kristallflächen
wieder parallel zu dieser Ebene verlaufen. Die streifenförmige Gebiete liegen innerhalb
eines Fabry-Pérot-Resonators, der in Längsrichtung von diesen Spiegelflächen gebildet
wird. Außerdem gibt es nahe des Übergangs zwischen jedem aktiven Gebiet 3 und der
Abdeckschicht 4 einen pn-Übergang 5, und bei ausreichend hoher Stromstärke in
Durchlaßrichtung führt dieser pn-Übergang zur Emission elektromagnetischer Strahlung
in dem aktiven Gebiet 3. Sowohl links als auch rechts vom Halbleiterdiodenlaser-Array
umfaßt der Halbleiterkörper eine Aussparung DD, die bis zur zweiten Abdeckschicht 4
reicht und mit einem Anschlußleiter 17 versehen ist, der in dieser Ausführungsform aus
einer Gold-Germanium-Nickel-Schicht besteht. Die Anschlußleiter 10 und 12 bestehen
in dieser Ausführungsform aus einer Titan-Gold-Schicht. Der elektrische
Verdrahtungsplan für diese Anschlußleiter umfaßt die Leitung 18 für den Anschlußleiter 17, die
Leitung 19 für den Anschlußleiter 10 und die Leitung 20 für den Anschlußleiter 12.
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Bei dieser Ausführungsform bestehen die streifenförmigen
stromsperrenden Gebiete 13 und die Kontaktgebiete 16 aus Galliumarsenid, während alle übrigen
Halbleiterschichten aus Aluminiumgalliumarsenid bestehen. Der Aluminiumgehalt der
aktiven Gebiete 3 ist in diesem Fall 10 Atom-%, das entspricht einer Wellenlänge von
780 nm für die zu erzeugende Strahlung. Der Aluminiumgehalt der Abdeckschichten 2,
4 und 15 beträgt in diesem Fall 50 Atom-%, so daß die Bandbreite größer und
dementsprechend die Brechzahl bezüglich der erzeugten Strahlung kleiner ist als die
entsprechenden Größen für die aktiven Gebiete 3.
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Erfindungsgemäß sind die in der Ebene V liegenden aktiven Gebiete 3 der
einen Gruppe vollständig von den in der Ebene W liegenden aktiven Gebieten 3 der
anderen Gruppe durch mindestens eine der Abdeckschichten getrennt, in dieser
Ausführungsform durch die Abdeckschicht 4.
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Wegen des Aufbaus der erfindungsgemäßen Halbleiterschichtstruktur
können die aktiven Gebiete 3 so positioniert werden, daß in den beiden nahezu
orthogonalen Richtungen Phasenkopplung zwischen der in den aktiven Gebieten erzeugten
Strahlung auftreten kann: in der Richtung parallel zu den Ebenen V und W innerhalb
einer einzigen Gruppe, da die aktiven Gebiete in einer einzigen aktiven Schicht und in
einem relativen Abstand von höchstens einigen Mikrometern voneinander liegen, und in
der anderen Richtung senkrecht zu den Ebenen V und W, zwischen zwei verschiedenen
Gruppen, wegen der gegenseitigen Positionierung und des geringen Abstandes
(höchstens einige Mikrometer) dieser Gruppen voneinander.
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Bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterdiodenlaser-Array bilden die
streifenförmige stromsperrenden Gebiete 13 und das Substrat 1 einen Gleichrichterübergang,
der bei einem in Durchlaßrichtung geschalteten pn-Übergang 5 in Sperrichtung
geschaltet ist und somit die Stromstreuung außerhalb der in der aktiven Schicht 8 liegenden
aktiven Gebiete 3 begrenzt. Die gewählte Geometrie führt dazu, daß unter den
streifenförmigen Gebieten 16 am Ort der aktiven Schicht 14 ein Wellenleiter gebildet wird,
wobei dieser Wellenleiter hinsichtlich der in der aktiven Schicht 8 liegenden aktiven
Gebiete 3 mittels der streifenförmigen Gebiete 13 erhalten wird.
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Bei dieser Ausführungsform sind die folgenden Zusammensetzungen,
Dotierungen und Dicken für die verschiedenen Halbleiterschichten verwendet worden:
Schicht
Halbleiter
Typ
Dotierungs Konz. (At./cm³)
Dicke (um)
Brechzahl (λ = 780 nm)
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Die von diesem Halbleiterdiodenlaser-Array emittierte Strahlung hat eine
Wellenlänge von etwa 780 nm. Die Breite der aktiven Gebiete 3, der streifenförmigen
Gebiete 16 und der Kanäle zwischen den streifenförmigen Gebieten ist etwa 3 um. Der
Mittenabstand zwischen den aktiven Gebieten 3 innerhalb einer Gruppe beträgt etwa
6 um; der Abstand zwischen den Ebenen V und W und damit der Abstand zwischen den
aktiven Gebieten unterschiedlicher Gruppen beträgt ungefähr 1,5 um. Die
Elektrodenschichten 10 und 12 bestehen beispielsweise aus einer Titan-Gold-Schicht, während die
Elektrodenschicht 17 beispielsweise aus einer Gold-Germanium-Nickel-Schicht bestehen
kann.
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Das bei dieser Ausführungsform beschriebene Halbleiterdiodenlaser-Array
kann beispielsweise auf folgende Weise hergestellt werden (siehe auch Figur 7).
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Das Ausgangsmaterial ist ein Substrat 1 aus einkristallinem p-Galliumarsenid
mit einer Dotierungskonzentration von 2 10¹&sup9; Atome/cm³ und einer Dicke von
beispielsweise 350 um. Nachdem die Oberfläche, die vorzugsweise die (001)-Orientierung
hat, poliert und geätzt worden ist, wird auf diese Oberfläche eine 1 um dicke Schicht 13
aus n-GaAs mit einer Dotierungskonzentration von ungefähr 10¹&sup8; Atome/cm³
beispielsweise aus der Flüssigphase mittels LPE (Liquid Phase Epitaxy) aufgebracht. Nach dem
Abkühlen wird die Struktur aus der Aufwachsanlage entfernt und werden die - in dieser
Ausführungsform zwei - Kanäle BB mit Hilfe von allgemein üblichen
photolithographischen Techniken und mit einer eine Mischung aus H&sub2;O, H&sub2;O&sub2; (35%) und NH&sub4;OH
(100:2:1) enthaltenen Ätzflüssigkeit als Ätzmittel in die Schicht 13 geätzt (siehe Figur
7). Diese Struktur wird nach Reinigung wieder in die Aufwachsanlage gebracht (siehe
Figur 8).
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Erst wird eine erste Abdeckschicht 2 aus p-Al0,50Ga0,50As mit einer
Dotierung von ungefähr 2 10¹&sup8; Atome/cm³ aufgewachsen, die zwischen den
streifenförmigen Gebieten 13 eine Dicke von 1,3 um und über den letztgenannten Gebieten eine
Dicke von 0,3 um hat. Da die OMVPE-Aufwachstechnik (OMPVE: Organo-Metallic
Vapour Phase Epitaxy) geeigneter ist, hintereinander mehrere dünne Schichten mit
genau der gleichen Dicke und Zusammensetzung aufzuwachsen - wie in diesem Fall die
aktiven Schichten 8 und 14 - und da es für eine befriedigende Phasenkopplung
wünschenswert ist, daß die optischen und elektrischen Eigenschaften der in diesen aktiven
Schichten liegenden aktiven Gebiete möglichst gleich sind, wird der Aufwachsprozeß
jetzt vorzugsweise mittels der OMPVE-Aufwachstechnik fortgesetzt. Nach Abkühlen
und Entnehmen aus der LPE-Aufwachsanlage wird die Struktur daher wieder in die
OMVPE-Aufwachsanlage (vgl. Figur 9) gebracht. In dieser Anlage wird eine erste
ungefähr 0,07 um dicke aktive Schicht 8 aus nicht absichtlich dotiertem Al0,10Ga0,90As
aufgebracht. Auf diese Schicht wird eine zweite Abdeckschicht 4, jetzt vom n-Typ, aus
Al0,50Ga0,50As mit einer Dotierung von 2 10¹&sup8; Atome/cm³ und einer Dicke von
1,5 um aufgewachsen. Anschließend wird eine zweite 0,07 um dicke aktive Schicht 14
aus nicht absichtlich dotiertem Al0,10Ga0,90As aufgebracht, auf der eine dritte, 1 um
dicke Abdeckschicht 15 aus p-Al0,50Ga0,50As mit einer Dotierung von 1 10¹&sup8;
Atome/cm³ und schließlich eine 1 um dicke p-GaAs-Schicht mit einer Dotierung von 5 10¹&sup8;
Atome/cm³ aufgewachsen werden. Zu Einzelheiten zu den genannten LPE- und
OMVPE-Aufwchstechniken sei auf den bei der ersten Ausführungsform genannten
Artikel verwiesen.
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Nachdem der Aufwachsprozeß beendet ist, wird die
Halbleiterschichtstruktur (siehe Figur 9) aus der Aufwachsanlage genommen und, beispielsweise durch
Zerstäuben, eine dünne Schicht aus Siliciumdioxid aufgebracht. Anschließend werden
das Siliciumdioxid und dann das Halbleitermaterial lokal bis hin zur n-Al0,50Ga0,50As-
Schicht hinein mit Hilfe von photolithographischen Techniken und allgemein üblichen
Ätzmitteln lokal entfernt, so daß die Aussparungen DD gebildet werden (vgl. Figur 6).
Mittels beispielsweise Zerstäuben und mit Hilfe von Photolithographie und Ätzen mit
allgemein üblichen Ätzmitteln, beispielsweise auf der Basis von KJ und I&sub2; wird die
beispielsweise aus einer Gold-Germanium-Nickel-Schicht bestehende Elektrodenschicht
14 angebracht. Nachdem die Gold-Germanium-Nickel-Schicht und das übrige
Siliciumdioxid außerhalb der Gebiete DD in gleicher Weise entfernt worden sind, werden in der
Kontaktschicht 16 und teilweise in der Abdeckschicht 15 mit Hilfe von
Photolithographie und dem vorstehend genannten Ätzmittel aus H&sub2;O, H&sub2;O&sub2; und NH&sub4;OH zwei
Streifen AA angebracht. Der Ätzprozeß wird fortgesetzt, bis die Abdeckschicht 15 zwischen
den Kontaktgebieten eine Dicke von nur noch etwa 0,3 um hat. Anschließend wird die
Struktur mit Siliciumdioxid bedeckt, das beispielsweise mittels Zerstäuben erhalten
wird. Die Oxidschicht auf den mesaförmigen Streifen und am Ort der Gold-Germanium-
Nickel-Schicht wird dann wieder mit Hilfe von Photolithographie und allgemein
üblichen Ätzmitteln entfernt. Anschließend wird die Struktur mit beispielsweise einer Titan-
Gold-Schicht bedeckt, woraufhin in dieser Schicht mit Hilfe von Photolithographie und
allgemein üblichen Ätzmitteln zwischen den mesaförmigen Streifen AA und den
streifenförmigen Aussparungen DD eine streifenförmige Unterbrechung verschafft wird, die
verhindert, daß die Anschlußleiter 10 und 17 elektrisch miteinander verbunden werden.
Eventuell kann in diesen Unterbrechungen Siliciumdioxid mit Hilfe der vorstehend
genannten Techniken angebracht werden. Nachdem eine beispielsweise aus einer Platin-
Molybdän-Gold-Schicht oder einer Platin-Tantal-Gold-Schicht oder einer
Gold-Germanium-Nickel-Schicht bestehende Elektrodenschicht 12 beispielsweise mit Hilfe eines
Zerstäubungsprozesses auf dem Substrat 1 angebracht worden ist, wird die in Figur 6
gezeigte Struktur erhalten.
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Auch andere Halbleitermaterialien oder andere Zusammensetzungen der
gewählten Halbleitermaterialien, als bei den Ausführungsbeispielen genannt sind,
können verwendet werden. Auf diese Weise kann beispielsweise die Wellenlänge der zu
erzeugenden Strahlung gewählt werden. Je nach der gewünschten Anwendung können
andere Schichtdicken verwendet werden. Durch Veränderung der Schichtdicke oder der
Zusammensetzung insbesondere der Abdeckschicht oder zwischen verschiedenen
Gruppen aktiver Gebiete liegenden Abdeckschichten kann die Phasenkopplung der
Strahlungsbündel beeinflußt werden. Unter anderem dadurch kann der Winkel des
Strahlungsbündels in der Richtung senkrecht zu den aktiven Gebieten erheblich kleiner
werden, wodurch ein symmetrischeres Fernfeld erhalten werden kann.
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Die Leitungstypen können auch alle (gleichzeitig) durch die
entgegengesetzten Leitungstypen ersetzt werden. Weiterhin brauchen die verschieden aktiven
Gebiete nicht notwendigerweise "index-geführt" zu sein; "gain-Führung" kann für
bestimmte Anwendungen auch verwendet werden, insbesondere in solchen Fällen, wo
keine Phasenkopplung gefordert oder gewünscht wird. Außerdem sei besonders
bemerkt, daß die Anzahl aktiven Gebiete innerhalb einer Gruppe, die Anzahl Gruppen und
die relative Positionierung der verschiedenen Gruppen vorteilhaft verändert werden
kann. Bei den hierbei getroffenen Entscheidungen spielen unter anderem
Symmetriebetrachtungen eine wichtige Rolle. Schließlich sei bemerkt, daß die zur Begrenzung der
Stromstreuung verwendeten Verfahren nicht die einzig möglichen Verfahren sind.