DE10122063A1 - Oberflächenemittierende Halbleiterlaservorrichtung - Google Patents
Oberflächenemittierende HalbleiterlaservorrichtungInfo
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Abstract
Eine oberflächenemittierende Halbleiterlaservorrichtung, die folgendes umfasst: eine Schichtstruktur, in der eine licht-emittierende Schicht zwischen einem Paar von Reflexionsschichtstrukturen angeordnet wird, die mittels Hetero-Übergangs einer Vielzahl an Halbleitermaterialien gebildet wird, wobei die Schichtstruktur auf einem Substrat ausgebildet wird und eine Störstelle in die Reflexionsschichtstruktur dotiert wird; wobei in der Reflexionsschichtstruktur die Dotierungsdichte der Störstelle in einen in der Nähe der licht-emittierenden Schicht befindlichen Bereich relativ kleiner ist als die Dotierungsdichte der Störstelle in von der licht-emittierenden Schicht entfernten Bereichen; und wobei gleichzeitig in der Reflexionsschichtstruktur der in der Nähe der licht-emittierenden Schicht befindliche Bereich über eine relativ kleinere Energie-Abstand-Differenz DELTAEg zwischen den den Bereich bildenden Halbleitermaterialien verfügt als die Energie-Abstand-Differenz DELTAEg zwischen den die anderen Bereiche bildenden Halbleitermaterialien, und wobei die Steuerspannung ohne Verschlechterung der optischen Ausgangsleistungseigenschaften reduziert werden kann.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine oberflächenemit
tierende Halbleitervorrichtung und genauer erläutert eine ober
flächenemittierende Halbleitervorrichtung, die ohne Verschlech
terung der optischen Ausgangsleistungseigenschaften die Steuer
spannung reduzieren kann.
In letzter Zeit wurde ein Studie zur Verwirklichung des
Aufbaus eines optischen Kommunikationsnetzes mit einer großen
Kapazität oder des Aufbaus von optischen Datenübertragungssys
temen wie beispielsweise eines optischen Verbindungssystems,
eines optischen Rechensystems und dergleichen vorangetrieben,
und als solche Lichtquellen wurden oberflächenemittierende
Halbleiterlaservorrichtungen in Betracht gezogen.
Ein Beispiel für solche oberflächenemittierenden Halblei
terlaservorrichtungen wird in Fig. 1 gezeigt.
In dieser Vorrichtung wird als erstes eine untere
Reflexionsschichtstruktur 2 auf einem Substrat ausgebildet, das
beispielsweise aus einem n-leitenden GaAs besteht.
Diese untere Reflexionsschichtstruktur 2 ist ein sogenann
ter DBR (verteilter Bragg-Reflektor)-Mehrschichtfilm, der
gebildet wird, indem gepaarte Schichten abwechselnd laminiert
werden, in denen zwei Halbleitermaterialien, die über
voneinander unterschiedliche Zusammensetzungen verfügen und
solchermaßen verschiedene Brechungsindizes aufweisen, mittels
eines Hetero-Übergangs miteinander verbunden werden, um ein
Schichtenpaar zu bilden, und eine Vielzahl von Schichtenpaaren
wird abwechselnd laminiert.
Auf dieser unteren Reflexionsschichtstruktur 2 werden
aufeinanderfolgend eine untere Mantelschicht 3a, die beispiels
weise aus nicht-dotiertem AlGaAs besteht, eine licht-emittie
rende Schicht 4 aus einer Potentialtopf-Struktur, die aus
GaAs/AlGaAs besteht, und eine obere Mantelschicht 3b laminiert,
die aus einem nicht-dotierten AlGaAs besteht. Weiterhin wird auf
der oberen Mantelschicht 3b eine DBR-Mehrschichtstruktur gebil
det, die durch abwechselnde Hetero-Übergänge von Halbleiterma
terialien, die unterschiedliche Zusammensetzungen d. h. Bre
chungsindizes aufweisen, und auf der Oberfläche der am weitesten
oben befindlichen Schicht dieser oberen Reflexionsschichtstruk
tur 5 wird eine p-leitende GaAs-Schicht (Deckschicht) 6 gebil
det, wodurch eine ganze Schichtstruktur gebildet wird. Weiterhin
wird ein Randabschnitt der Schichtstruktur oder der Abschnitt,
der sich mindestens zur oberen Seite der unteren Reflexions
schichtstruktur 2 erstreckt, geätzt, so dass in der Mitte der
Struktur eine Säulenschichtstruktur gebildet wird.
Eine ringförmige obere Elektrode 7a, die beispielsweise aus
AuZn gebildet ist, wird in der Nähe des Randabschnitts der
oberen Oberfläche der Deckschicht 6 in der in der Mitte
positionierten Säulenschichtstruktur gebildet. Auf der Rückseite
des Substrats 1 wird auch eine untere Elektrode 7b gebildet, die
beispielsweise aus AuGeNi/Au hergestellt wird.
Von allen Oberflächen der Struktur werden eine Seitenfläche
5a des Säulenabschnitts und ein Randabschnitt 6b, der außerhalb
der oberen Elektrode 7a der Oberflächen der Deckschicht 6
positioniert wird, mit einer dielektrischen Schicht 8 bedeckt,
die beispielsweise aus Siliziumnitrid (z. B. Si3N4) gebildet ist,
so dass die mittlere Oberfläche der Deckschicht 6 - d. h. der
innere Abschnitt der oberen Elektrode 7a - als ein Laserstrahl-
Emissionsfenster gebildet wird. Weiterhin werden die Oberflächen
der oberen Elektrode 7a und der dielektrischen Schicht 8
bedeckt, um einen Metallschichtanschluß 9 zu bilden, damit die
beispielsweise aus Ti/Pt/Au hergestellte obere Elektrode 7a
geführt wird.
Weiterhin wird in dieser Laservorrichtung die unterste
Schicht der oberen Reflexionsschichtstruktur 5 - d. h. die am
nächsten an der licht-emittierenden Schicht 4 befindliche
Schicht 5a - beispielsweise aus einem p-leitenden AlAs gebildet.
Der äußere Abschnitt der oben beschriebenen Schicht 5a ist
ein Isolierbereich 5b, der hauptsächlich aus Al2O3 gebildet ist
und in einer Draufsicht ringförmig ist. Dieser Isolierbereich 5b
wird gebildet, indem selektiv der äußere Abschnitt des die
Schicht 5a bildenden AlAs oxidiert wird.
Der mittlere Abschnitt der Schicht 5a ist ein Strominjek
tionsweg 5c, der aus nicht-oxidiertem AlAs gebildet wird, so
dass eine Stromsperrstruktur für die licht-emittierende Schicht
4 als ein Ganzes gebildet wird.
In dieser Laservorrichtung wird mittels des Anlegens einer
Spannung an der oberen Elektrode 7a und der unteren Elektrode 7b
die Lichtemission an der licht-emittierenden Schicht 4 zwischen
dem oben beschriebenen Paar von Reflexionsschichtstrukturen 2
und 5 erregt, um eine Laserschwingung zu erzeugen, und der
Laserstrahl wird durch die Deckschicht 6 geleitet, und vom
Oberflächenabschnitt 6a (dem Emissionsfenster des Laserstrahls)
in Schwingung versetzt, und zwar wie durch einen Pfeil gezeigt -
d. h. mit Bezug auf das Substrat 1 senkrecht nach oben.
Da jede der oben beschriebenen Reflexionsschichtstrukturen
eine Schichtstruktur ist, die durch abwechselnde Hetero-Über
gänge der Halbleitermaterialien gebildet wird, die voneinander
unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen (die verschiedene
Zusammensetzungen haben), ist der elektrische Widerstand in
einer Richtung der Schichtdicke im allgemeinen hoch. Wenn ein
Steuerstrom, der zum Zwecke der Schwingung einer hohen optischen
Ausgangsleistung zugeführt wird, erhöht wird, wird solchermaßen
auch die Widerstandswärme erhöht, so dass die optische Aus
gangsleistung der Vorrichtung beträchtlich verringert wird. Aus
diesem Grund ist es vorzuziehen, eine Reflexionsschichtstruktur
herzustellen, die einen geringen Widerstand hat.
Ein Verfahren zum Verwirklichen einer Reflexionsschicht
struktur, die einen geringen Widerstand hat, ist aus dem
folgenden Verfahren bekannt.
Das bedeutet, dass ein Verfahren daraus besteht, dass eine
Störstelle wie beispielsweise Kohlenstoff (C) mit einer hohen
Dichte in der Nähe einer Hetero-Übergangsschnittstelle in einer
Halbleiterschicht dotiert wird, die über einen breiteren Ener
gie-Band-Abstand der Halbleitermaterialschichten verfügt, die
mittels eines Hetero-Übergangs aneinander angrenzend verbunden
werden, und zwar in einer Richtung der Schichtdicke. Dieses
Verfahren wurde bereits implementiert.
Wenn jedoch die Störstellendotierungsdichte in einem
Bereich erhöht wird, der in der Nähe der licht-emittierenden
Schicht in der Reflexionsschichtstruktur gelegenen ist, wird die
Lichtabsorption im Bereich bedeutsam. Als Ergebnis entsteht ein
Problem, dass sich die optischen Ausgangsleistungseigenschaften
der Vorrichtung verschlechtern.
Wie oben erläutert, kann eine Reflexionsschichtstruktur mit
einem geringen Widerstand realisiert werden, wenn Störstellen
mit einer hohen Dichte in dem Bereich dotiert werden, der in der
Nähe der licht-emittierenden Schicht in der Reflexionsschicht
struktur befindlich ist. In einem solchen Fall werden jedoch die
optischen Ausgangsleistungseigenschaften der Vorrichtung ver
schlechtert. Wenn die Dotierungsdichte der Störstellen vermin
dert wird, um die Verschlechterung der optischen Ausgangs
leistungseigenschaften zu unterdrücken, entsteht im Gegensatz
dazu ein Problem, dass die Reflexionsschichtstruktur einen hohen
Widerstand zeigt und der Steuerstrom nicht reduziert werden
kann.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, die
oben beschriebenen Probleme zu lösen, die herkömmlicherweise zum
Zeitpunkt der Dotierung von Störstellen an der Reflexions
schichtstruktur auftraten, und eine neue oberflächenemittierende
Halbleiterlaservorrichtung bereitzustellen, die dafür sorgen
kann, dass die Schichtstruktur einen geringen Widerstand zeigt,
ohne die Verschlechterung der optischen Ausgangsleistungseigen
schaften der Laservorrichtung zu bewirken.
Um die oben erwähnte Aufgabe zu erzielen, stellt die vor
liegende Erfindung eine oberflächenemittierende Halbleiterla
servorrichtung bereit, die folgendes umfasst:
eine Schichtstruktur, in der eine licht-emittierende Schicht zwischen einem Paar von Reflexionsschichtstrukturen an geordnet ist, die mittels des Hetero-Übergangs einer Vielzahl von Halbleitermaterialien gebildet werden, wobei die Schicht struktur auf einem Substrat gebildet wird und wobei eine Störstelle in der Reflexionsschichtstruktur dotiert wird;
wobei in der Reflexionsschichtstruktur die Dotierungsdichte der Störstelle in einem Bereich, der in der Nähe der licht- emittierenden Schicht befindlich ist, relativ kleiner ist als die Dotierungsdichte der Störstelle in anderen Bereichen; und
wobei gleichzeitig in der Reflexionsschichtstruktur der Bereich, der in der Nähe der licht-emittierenden Schicht befindlich ist, eine relativ kleinere Energie-Abstand-Differenz zwischen den Halbleitermaterialien, die den Bereich bilden, aufweist als die Energie-Abstand-Differenz zwischen den Halbleitermaterialien, die die anderen Bereiche bilden.
eine Schichtstruktur, in der eine licht-emittierende Schicht zwischen einem Paar von Reflexionsschichtstrukturen an geordnet ist, die mittels des Hetero-Übergangs einer Vielzahl von Halbleitermaterialien gebildet werden, wobei die Schicht struktur auf einem Substrat gebildet wird und wobei eine Störstelle in der Reflexionsschichtstruktur dotiert wird;
wobei in der Reflexionsschichtstruktur die Dotierungsdichte der Störstelle in einem Bereich, der in der Nähe der licht- emittierenden Schicht befindlich ist, relativ kleiner ist als die Dotierungsdichte der Störstelle in anderen Bereichen; und
wobei gleichzeitig in der Reflexionsschichtstruktur der Bereich, der in der Nähe der licht-emittierenden Schicht befindlich ist, eine relativ kleinere Energie-Abstand-Differenz zwischen den Halbleitermaterialien, die den Bereich bilden, aufweist als die Energie-Abstand-Differenz zwischen den Halbleitermaterialien, die die anderen Bereiche bilden.
Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Schicht
struktur einer oberflächenemittierenden Halbleiterlaservorrich
tung zeigt;
Fig. 2 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel für
eine oberflächenemittierende Halbleiterlaservorrichtung gemäl
der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 3 ist eine schematische Ansicht, die einen Zustand der
Störstellendotierungsdichte in der Schichtstruktur aus Fig. 2
zeigt;
Fig. 4 ist ein Graph, der die Strom-Spannungseigenschaften
zeigt;
Fig. 5 ist ein Graph, der den Strom in Bezug zu den
optischen Ausgangsleistungseigenschaften zeigt; und
Fig. 6 ist ein Graph, der das Ergebnis eines
Stromführungstests einer Vorrichtung zeigt.
Ein detailliertes Beispiel für eine Laservorrichtung gemäß
der vorliegenden Erfindung, wobei die gesamte Schichtstruktur
grundsätzlich dieselbe ist wie die in der Fig. 1 gezeigte, und
wobei ein n-leitendes GaAs-Substrat als das Substrat und AlxGa1-xAs
(0 ≦ x ≦ 1) als ein Halbleitermaterial verwendet wird, wird in der
Fig. 2 gezeigt.
In der Fig. 2 stellt die horizontale Achse die zwischen dem
n-leitenden GaAs-Substrat 1 und der p-leitenden GaAs-Deckschicht
6 gebildeten Schichtstrukturtypen dar, und die senkrechte Achse
stellt die Zusammensetzung der die jeweiligen Halbleiterschich
ten bildenden Halbleitermaterialien und den Grad zwischen den
Energie-Abständen in jeder Schicht dar.
In dieser Laservorrichtung werden aufeinanderfolgend auf
dem n-leitenden GaAs-Substrat 1 eine n-leitende untere Reflexi
onsschichtstruktur 2, eine n-leitende untere Mantelschicht 3a,
eine nicht-dotierte licht-emittierende Schicht 4, die aus einer
Brunnenschicht 4A und einer Sperrschicht 4B besteht und drei
Potentialtöpfe aufweist, eine p-leitende obere Mantelschicht 3b
und eine p-leitende obere Reflexionsschichtstruktur 5 laminiert.
Die oben beschriebene licht-emittierende Schicht 4 wird zwischen
dem Paar von Reflexionsschichtstrukturen 2 und 5 angeordnet.
Weiterhin wird eine aus einem p-leitenden GaAs gebildete
Deckschicht 6 auf der Reflexionsschichtstruktur 5 gebildet.
In der vorliegenden Erfindung verfügen in den oben be
schriebenen Schichtstrukturen die untere Reflexionsschicht
struktur 2 und die obere Reflexionsschichtstruktur 5 jeweils
über einen Bereich, der in der Nähe der licht-emittierenden
Schicht befindlich ist (hiernach als naher Bereich bezeichnet),
und über einen Bereich, der außerhalb des nahen Bereichs
befindlich ist (ein entfernter Bereich).
Hierin verfügen die entfernten Bereiche 2B (5B) in der
unteren und oberen Reflexionsschichtstruktur 2 und 5 jeweils
über eine Schichtstruktur, in der eine Vielzahl von gepaarten
Schichten mittels des Hetero-Übergangs gebildet werden, der eine
aus Al0,9Ga0,1As gebildete weite Energie-Band-Abstand-Schicht 2B1
(5B1) und eine aus Al0,2Ga0,8As gebildete schmale Energie-Band-
Abstand-Schicht 2B2 (5B2) aufweist. Zwischen der Schicht 2B1 (5B1)
und 2B2 (5B2) werden zwei Quasi-Struktur-geordnete Schichten, die
Al0,7Ga0,3As und Al0,5Ga0,5As verwenden, eingefügt, wie durch die
zwei Schritte in der Fig. 2 gezeigt wird.
Der nahe Bereich 2A der unteren Reflexionsschichtstruktur 2
hat eine Schichtstruktur, in der eine Vielzahl von gepaarten
Schichten mittels des Hetero-Übergangs gebildet werden, der eine
aus Al0,2Ga0,8As gebildete schmale Energie-Band-Abstand-Schicht 2A2
und eine aus Al0,7Ga0,3As gebildete breite Band-Abstand-Schicht 2A1
aufweist. Zwischen die jeweiligen Schichten wird als eine
Struktur-geordnete Schicht jeweils eine Schicht aus Al0,5Ga0,5As
gefügt.
Der nahe Bereich 5A der oberen Reflexionsschichtstruktur 5
verfügt auch über eine Schichtstruktur, in der eine Vielzahl von
gepaarten Schichten gebildet werden, und zwar mittels des
Hetero-Übergangs einer Al0,7Ga0,3As breiten Band-Abstand-Schicht
5A1 und einer Al0,2Ga0,8As schmalen Energie-Band-Abstand-Schicht 5A1
gebildet werden. Zwischen die jeweiligen Schichten wird als eine
Struktur-geordnete Schicht jeweils eine Schicht aus Al0,5Ga0,5As
eingefügt. Jedoch ist im Fall der Schicht 5A1, die unmittelbar
oberhalb der oberen Mantelschicht 3b in diesem nahen Bereich 5A
befindlich ist, die unterste Schicht eine AlAs-Schicht 5a, die
eine oben erwähnte Stromsperrstruktur bilden kann.
Es wird vermerkt, dass in der Schichtstruktur aus Fig. 2,
die zwischen der unteren Reflexionsschichtstruktur 2 und der
oberen Reflexionsschichtstruktur 5 angeordnete lichtemittie
rende Schicht 4 über eine Potentialtopf-Struktur verfügt, die
aus einer Brunnenschicht 4A eines nicht-dotierten GaAs und einer
Sperrschicht 4B eines nicht-dotierten Al0,2Ga0,8As besteht, und
wobei die obere Mantelschicht 3b und die untere Mantelschicht
3a, die jeweils aus nicht-dotiertem Al0,3Ga0,7As gebildet sind, auf
und unterhalb dieser licht-emittierenden Schicht 4 angeordnet
werden.
Im Falle der Laservorrichtung der vorliegenden Erfindung
hat die oben beschriebene Schichtstruktur folgende Eigenschaf
ten.
(1) Als erstes ist in der einzelnen Reflexionsschicht
struktur die Störstellendotierungsdichte im nahen Bereich im
Vergleich zur Störstellendotierungsdichte im entfernten Bereich
relativ niedrig. Ein Beispiel für die Struktur wird in Fig. 3
gezeigt.
Im Falle der Fig. 3 werden im entfernten Bereich 2B der
unteren Refraktionsschichtstruktur 2 n-leitende Störstellen wie
beispielsweise Silizium (Si) oder dergleichen in die jeweiligen
Halbleiterschichten dotiert, und die Dichte im Bereich beträgt 1 × 1018 cm-3.
Weiterhin beträgt im nahen Bereich 2A, der sich über
dem entfernten Bereich 2B befindet, die Dotierungsdichte der n-
leitenden Störstellung 5 × 1017 cm-3.
Im Falle der oberen Reflexionsschichtstruktur 5 werden auch
p-leitende Störstellen wie beispielsweise Kohlenstoff (C) oder
dergleichen in den nahen Bereich 5A dotiert, und die Dichte der
dotierten Störstellen beträgt 5 × 1017 cm-3. Weiterhin wird im
darauf befindlichen entfernten Bereich 5B eine p-leitende
Störstellendotierungsdichte auf 1 × 1018 cm-3 eingestellt. Die
Spitzenwerte hoher Dichte im entfernten Bereich 5B werden
bereitgestellt, um eine Spitze zu reduzieren.
Hierin hat der nahe Bereich 2A (5A) die Paarnummer von 2
bis 5, wobei jedes Paar wie oben erwähnt mittels Hetero-
Übergangs gebildet wird, und es ist wünschenswert, dass die
Gesamtdotierung in jedes Paar bei einer niedrigen Dichte
durchgeführt wird. Der Grund dafür liegt darin, dass, wenn
dieser nahe Bereich 2A (5A) von zu vielen Paaren gebildet wird,
die Reflexionsschichtstruktur einen hohen Widerstand aufweist
und die Verschlechterung der optischen Ausgangsleistungseiger
schaften durch die Wärmeerzeugung eingeleitet wird.
Weiterhin erzeugen zwei zu hohe Dotierungen in jedem der
Bereiche - dem entfernten Bereich und dem nahen Bereich - eine
Reflexionsschichtstruktur geringen Widerstands. Andererseits
führt die höhere Dotierungsdichte zu einem Funktionsverlust, wie
die Reflexionsschichtstruktur eines DBR-Mehrschichtenfilms.
Entsprechend ist es vorzuziehen, dass die Dotierungsdichten im
entfernten Bereich und im nahen Bereich jeweils auf etwa 0,5-5 ×
1018 cm-3 und 1-5 × 1017 cm-3 unterdrückt werden.
(2) Ein weiteres Merkmal liegt, wie in der Fig. 2 gezeigt,
darin, dass die Energie-Abstand-Differenz ΔEg (2A, 5A) zwischen
der den nahen Bereich 2A (5A) bildenden Schicht 2A1 (5A1) und der
Schicht 2A2 (5A2) relativ kleiner ist als die Energie-Abstand-
Differenz ΔEg (2B, 5B) zwischen der den entfernten Bereich 2B
(5B) bildenden Schicht 2B1 (5B1) und der Schicht 2B2 (5B2).
Wenn man der Energie des Γ Punktes Beachtung schenkt, der
die elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften steuert, werden die
oben beschriebenen ΔEg (2B, 5B) und ΔEg (2A, 5A) jeweils auf 1 eV
und 0,7 eV eingestellt, und es ist wünschenswert, dass die
Differenz dazwischen auf mindestens 0,2 eV oder mehr eingestellt
wird.
Der Grund dafür ist der, dass bei der Dotierungsreduzierung
im nahen Bereich eine Erhöhung in der Steuerspannung von etwa
0,2 V erzeugt wird, und eine Erhöhung in der Steuerspannung
verhindert werden kann, wenn die Engergiedifferenz zwischen ΔEg
(2B, 5B) und ΔEg (2A, 5A) auf 0,2 eV oder mehr eingestellt ist.
Es wird vermerkt, dass die Steuerung dieser Energie-
Abstand-Differenzen auf eine richtige Art und Weise geleitet
werden kann, indem die Zusammensetzung der beim Bilden der
Schichtstruktur verwendeten Halbleitermaterialien bestimmt wird.
In der vorausgehenden Beschreibung wird GaAs als Beispiel
für das die licht-emittierende Schicht bildende Halbleitermate
rial genommen, aber für diesen Zweck kann man alternativ auch
GaInNAs verwenden, wobei in diesem Fall die entstehende
Laservorrichtung ein Lasertätigkeitswellenlängenband von 1300 nm
aufweist.
Auch können die obere und untere Reflexionsschichtstruktur
anstatt aus AlGaAs mittels der Verwendung von GaInAsP gebildet
werden.
Die Laservorrichtung der in den Fig. 2 und 3 gezeigten
Schichtstruktur wurde durch die folgenden Schritte hergestellt.
Als erstes wurden mittels eines MOCVD-Verfahrens 30,5
gepaarte Schichten, von denen ein Paar von Schichten (Dicke: 111 nm)
mittels des Hetero-Übergangs von Al0,9Ga0,1As (Dicke: 48 nm)
und Al0,2GA0,8As (Dicke 43 nm) gebildet wurde, auf das n-leitende
GaAs-Substrat 1 laminiert, und gleichzeitig wurde der entfernte
Bereich 2B, der die Dotierungsdichte von 1 × 1018 cm-3 hat
gebildet, indem Si als die n-leitende Störstelle verwendet
wurde. Auf die erhaltene Struktur 5.5 wurden darüber hinaus
gepaarte Schichten laminiert, von denen ein Paar von Schichten
(Dicke 109 nm) mittels des Hetero-Übergangs von Al0,7Ga0,3As
(Dicke: 46 nm) und Al0,2GA0,8As (Dicke 43 nm) gebildet wurde, und
gleichzeitig wurde der entfernte Bereich 2A, der die Dotierung
von 5 × 1017 cm-3 hat, gebildet, indem Si als die n-leitende
Störstelle verwendet wurde, so dass die untere Reflexions
schichtstruktur gebildet wurde.
Es wird vermerkt, dass in der Schichtstruktur die oben
erwähnte Energie-Abstand-Differenz ΔEg (2B) im entfernten
Bereich 2B 1,06 eV und der oben erwähnte Energie-Abstand-
Differenz ΔEg (2A) im nahen Bereich 2A 0,65 eV ist.
Daraufhin wurde auf der unteren Reflexionsschichtstruktur 2
nacheinander folgendes gebildet: die untere Mantelschicht 3a
(Dicke: 93 nm), die aus einem nicht-dotierten Al0,3Ga0,7As gebildet
wurde; die licht-emittierende Schicht 4, die sich aus einer
Potentialtopf-Struktur einer dreischichtigen nicht-dotierten
GaAs-Brunnenschicht 4A (Dicke einer jeden Schicht: 7 nm) und
einer vierschichtigen nicht-dotierten Al0,2Ga0,8As Sperrschicht 4B
(Dicke einer jeden Schicht: 10 nm) zusammensetzt; und die obere
Mantelschicht 3b (Dicke: 93 nm), die aus einem nicht-dotierten
Al0,3Ga0,7As gebildet wurde.
Dann wurden auf die obere Mantelschicht 3b fünf gepaarte
Schichten laminiert, von denen ein Paar von Schichten (Dicke:
109 nm) mittels des Hetero-Übergangs von Al0,7Ga0,3As (Dicke: 46 nm)
und Al0,2Ga0,8As (Dicke: 43 nm) gebildet wurde, und
gleichzeitig wurde der nahe Bereich 5A gebildet, der die
Dotierungsdichte von 5 × 1017 cm-3 hat, indem C als die p-leitende
Störstelle verwendet wurde. Weiterhin wurden auf die erhaltene
Struktur zwanzig gepaarte Schichten laminiert, von denen ein
Paar von Schichten (Dicke: 111 nm) mittels des Hetero-Übergangs
von Al0,9Ga0,1As (Dicke: 48 nm) und Al0,2Ga0,8As (Dicke: 43 nm)
gebildet wurde, und gleichzeitig wurde der entfernte Bereich 5B
gebildet, der die Dotierungsdichte von 1 × 1018 cm-3 hat, indem C
als die p-leitende Störstelle verwendet wurde, so dass die obere
Reflexionsschichtstruktur 5 gebildet wurde.
Es wird angemerkt, dass die unterste Schicht im nahen
Bereich 5A aus einer 20 nm dicken AlAs-Schicht 5a gebildet
wurde. Im Falle dieser Schichtstruktur ist weiterhin die Ener
gie-Abstand-Differenz ΔEg (5B) zwischen den Hetero-Übergangs
schichten im entfernten Bereich 5B 1,06 eV und die Energie-
Abstand-Differenz ΔEg (5A) zwischen den Hetero-Übergangsschich
ten im nahen Bereich 5A 0,65 eV.
Weiterhin wurden zwischen der Schicht 2B1 (5B1) und der
Schicht 2B2 (5B2) im entfernten Bereich 2B (5B) zwei Quasi-
Struktur-geordnete Schichten einer 10 nm dicken Al0,7Ga0,3As-
Schicht und einer 10 nm dicken Al0,2Ga0,5As-Schicht eingefügt, und
zwischen der Schicht 2A1 (5A1) und der Schicht 2A2 (5A2) im nahen
Bereich 2A (5A) wurde eine 20 nm dicke Al0,5Ga0,5As-Schicht als
eine Struktur-geordnete Schicht eingefügt.
Dann wurde auf der oberen Reflexionsschichtstruktur 5 als
Deckschicht 6 eine 20 nm dicke p-leitende GaAs-Schicht gebildet,
indem C als die p-leitende Störstelle verwendet wurde.
Danach wurde mittels eines Plasma-CVD-Verfahrens eine
Si3N4-Dünnfilm auf der Deckschicht 6 der oben beschriebenen
Schichtstruktur gebildet, und ein kreisförmiges Lackmuster, das
einen Durchmesser von etwa 45 µm hat, wurde mittels Verwendung
eines gewöhnliches Fotolacks durch ein Fotolithographieverfahren
gebildet.
Nachdem dann alle anderen Si3N4-Dünnfilme außer des
unmittelbar unterhalb des oben erwähnten Lackmusters
befindlichen Si3N4-Dünnfilms mittels eines RIE-Verfahrens unter
Verwendung von CF4 abgeätzt wurden, wurde mittels der Verwendung
einer Mischlösung aus Phosphorsäure, vom wässrigen
Wasserstoffperoxid und vom Wasser eine Nassätzung durchgeführt,
indem der übrige Si3N4-Dünnfilm als eine Maske verwendet wurde,
um eine Säulenstruktur zu bilden, deren Basis sich zur unteren
Reflexionsschichtstruktur 2 erstreckt.
Danach wurde die erhaltene Gesamtstruktur etwa 25 Minuten
lang in einer verdampften Wasseratmosphäre bei einer Temperatur
von 400°C erhitzt. Als Ergebnis wurde nur die Außenseite der p-
leitenden AlAs-Schicht 5a wahlweise in eine ringförmige Form
oxidiert, so dass ein Stromeinführungsweg 5c, der einen Durch
messer von 15 µm hat, in der Mitte der ringförmigen Struktur
gebildet wurde (Fig. 1).
Nachdem die Si3N4-Dünnfilme durch ein RIE-Verfahren
vollständig entfernt wurden, wurde danach die gesamte Oberfläche
der Struktur mittels eines Plasma-CVD-Verfahrens neuerlich mit
einem Si3N4-Dünnfilm 8 bedeckt, wonach anschließend der mittlere
Abschnitt des oben auf der Deckschicht 6 gebildeten Si3N4-
Dünnfilms 8, der einen Durchmesser von 45 µm hat, kreisförmig
entfernt wurde, um die Oberfläche der Deckschicht 6 freizulegen.
Danach wurde eine ringförmige obere Elektrode 7a, die einen
Außendurchmesser von 25 µm und einen Innendurchmesser von 15 µm
hat, mit AuZn gebildet, und auf der gesamten Oberfläche der
erhaltenen Struktur wurde eine Ti/Pt/Au-Schicht 9, die als ein
Lötauge für die Leitungen der Elektrode dient, gebildet.
Nachdem dann die Rückseite des Substrats 1 gesäubert wurde,
um die Gesamtdicke des Substrats 1 etwa 100 µm werden zu lassen,
wurde AuGeNi/Au auf die gesäuberte Oberfläche des Substrats 1
verdampft, um die untere Elektrode 7b zu bilden. Als Ergebnis
wurde eine Vorrichtung hergestellt, die eine in Fig. 1 gezeigte
Schichtstruktur hat.
Die solchermaßen erhaltene Vorrichtung wird als eine
Beispielsvorrichtung bestimmt.
Aus Vergleichsgründen wurde eine Laservorrichtung erzeugt,
die dieselbe Schichtstruktur wie die Beispielsvorrichtung hat,
wenn man davon absieht, dass die untere Reflexionsschichtstruk
tur gebildet wurde, indem 35,5 gepaarte Schichten laminiert
wurden, wobei ein Paar von Schichten mittels des Hetero-Über
gangs von Al0,9Ga0,1As und Al0,2Ga0,8As gebildet wurde, und indem Si
in die Gesamtstruktur dotiert wurde, wobei die Dotierungsdichte
bei 1 × 1018 cm-3 gleichmäßig war, und die obere Reflexions
schichtstruktur wurde gebildet, indem 25 gepaarte Schichten
laminiert wurden, wobei ein Paar von Schichten mittels des
Hetero-Übergangs von Al0,9Ga0,1As und Al0,2Ga0,8As gebildet wurde,
und indem C in die Gesamtstruktur dotiert wurde, wobei die
Dotierungsdichte bei 1 × 1018 cm-3 gleichmäßig war. Die solcher
maßen erhaltene Laservorrichtung wird als Vergleichsbeispiel-
Vorrichtung 1 bezeichnet.
Im Vergleich zwischen der Beispielsvorrichtung und dieser
Vergleichsbeispiel-Vorrichtung 1 wird/werden der nahe Bereich
und/oder der entfernte Bereich gemäß der vorliegenden Erfindung
in der Vergleichsbeispiel-Vorrichtung 1 nicht gebildet.
Als weiteres Vergleichsbeispiel wurde weiterhin eine
Laservorrichtung hergestellt, die dieselben Zusammensetzungen
der Halbleitermaterialien wie in der Vergleichsbeispiel-
Vorrichtung aufweist, die die obere und untere Reflexions
schichtstruktur bilden, wenn man davon absieht, dass die C-
Dotierungsdichte an der 5,5 gepaarten Struktur in der Nähe der
licht-emittierenden Schicht auf 5 × 1017 cm-3 eingestellt wurde und
die C-Dotierungsdichte in anderen Dotierungsbereichen auf 1 ×
1018 cm-3 eingestellt wurde. Die solchermaßen erhaltene
Vorrichtung wird als eine Vergleichsbeispiel-Vorrichtung 2
bezeichnet.
Diese Vergleichsbeispiel-Vorrichtung 2 bildet die Differenz
in den Dotierungen zwischen einem in der Nähe der licht
emittierenden Schicht befindlichen Bereich und einem davon
beabstandeten Bereich, weist jedoch dieselbe Energie-Abstand-
Differenz zwischen den Schichten des Hetero-Übergangs in den
oben erwähnten beiden Bereichen auf.
Als weiteres Vergleichsbeispiel wurde darüber hinaus eine
Laservorrichtung erzeugt, die dieselben Zusammensetzungen der
Halbleitermaterialien wie in der Beispielsvorrichtung hat, die
die obere und untere Reflexionsschichtstruktur bilden, mit der
Ausnahme davon, dass die Dotierungsdichten in allen Bereichen
konstant auf 1 × 1018 cm-3 eingestellt wurden. Die solchermaßen
erhaltene Vorrichtung wird als Vergleichsbeispiel-Vorrichtung 3
bezeichnet.
Im Vergleich zwischen der Beispielsvorrichtung und der
Vergleichsbeispiel-Vorrichtung 3 sind die Schichtstrukturen der
beiden Vorrichtungen in der Zusammensetzung dieselben, und die
Energie-Abstand-Differenz zwischen den Schichten, die in den in
der Nachbarschaft der licht-emittierenden Schicht befindlichen
Bereichen angebracht sind, ist kleiner als die Energie-Abstand-
Differenz zwischen den Schichten in den Bereichen, die von der
licht-emittierenden Schicht beabstandet sind. Im Falle der
Vergleichsbeispiel-Vorrichtung 3 gibt es jedoch keine Differenz
in der Dotierungsdichte.
Die Strom-Spannungseigenschaften und die optischen Strom-
Ausgangsleistungseigenschaften der oben beschriebenen vier
Laserarten werden jeweils in den Fig. 4 und 5 gezeigt.
Die folgenden Eigenschaften werden aus den Fig. 4 und 5
ersichtlich.
(1) Als erstes ist in der Beispielsvorrichtung der
vorliegenden Erfindung die Dotierungsdichte im nahen Bereich zur
licht-emittierende Schicht niedrig. Jedoch wird kein Anstieg in
der Steuerspannung erkannt. Im Gegensatz dazu wurde im Fall der
Vergleichsbeispiel-Vorrichtung 2, in der nur die Dotierungs
dichte im nahen Bereich verringert wurde, die Steuerspannung um
etwa 0,3 V erhöht, was verglichen mit dem Fall der
Beispielsvorrichtung zu einem höheren Widerstand führt.
(2) Wenn man in Fig. 5 der optischen Ausgangsleistung
Beachtung schenkt, wird keine Sättigung der optischen
Ausgangsleistung erkannt, bis der Steuerstrom sowohl in der
Beispielsvorrichtung als auch in der Vergleichsbeispiel-
Vorrichtung 2 30 mA wird. Im Gegensatz dazu kann im Fall der
Vergleichsbeispiel-Vorrichtung 1, die keine Dotierungsdichte-
Differenz zwischen dem nahen Bereich und dem von der licht-
emittierenden Schicht entfernten Bereich aufweist, die Sättigung
der optischen Ausgangsleistung erkannt werden, wenn der
Steuerstrom 20 mA wird.
Dieses Ergebnis zeigt an, dass, wenn die Dotierungsdichte
im nahen Bereich zur licht-emittierenden Schicht vermindert
wird, die Lichtabsorption im Bereich unterdrückt wird.
(3) Obwohl weiterhin im Fall der Vergleichsbeispiel-
Vorrichtung 3 die Dotierungsdichte im nahen Bereich zur licht-
emittierenden Schicht nicht vermindert wird, wird der optische
Ausgangsleistungsgrad gegenüber dem Fall der Vergleichsbeispiel-
Vorrichtung 1 weiter erhöht. Es wird erwogen, dass dieser Grund
aus den Tatsachen herrührt, dass, da im Fall der Vergleichsbei
spiel-Vorrichtung 3 die Energie-Abstand-Differenz zwischen den
jeweiligen Halbleiterschichten im nahen Bereich zur licht-
emittierenden Schicht kleiner ist als die Energie-Abstand-
Differenz zwischen den jeweiligen Halbleiterschichten im von der
licht-emittierenden Schicht entfernten Bereich, die Brechungs
koeffizient-Differenz zwischen beiden Bereichen klein wird, so
dass das Schwinden des Lichts auftritt und daher die
Lichtintensität im nahen Bereich zur licht-emittierenden Schicht
reduziert wird, und dass, selbst wenn die Lichtabsorption auf
der Grundlage der Störstellendotierung erhöht wird, die Wär
meerzeugung gegenüber dem Fall der Vergleichsbeispiel-Vorrich
tung 1 weiter unterdrückt wird.
In Zusammenhang mit diesen Laservorrichtungen wurden als
nächstes über einen Zeitraum hinweg Änderungen in der optischen
Ausgangsleistung unter konstanter Strombedingung eines Steuer
stroms von 10 mA und einer Temperatur von 85°C und den
Messbedingungen eines Messstroms von 15 mA und einer
Messtemperatur von 25°C gemessen. Das Ergebnis wird in Fig. 6
gezeigt.
Wie aus der Fig. 6 ersichtlich, wird in den Vergleichsbei
spiel-Vorrichtungen 1 und 3, in denen jeder nahe Bereich zur
licht-emittierenden Schicht kein Bereich niedriger Dotierungs
dichte ist, die optische Ausgangsleistung für die Steuerzeit
innerhalb von 2000 Stunden verringert. In der Beispielsvorrich
tung der vorliegenden Erfindung und in der Vergleichsbeispiel-
Vorrichtung 2, in denen jeder nahe Bereich zur licht
emittierenden Schicht ein Bereich niedriger Dotierung ist, wird
selbst dann keine Verminderung in der optischen Ausgangsleistung
erkannt, wenn die Steuerzeit 2000 Stunden übersteigt.
Wie oben erklärt, weist die Laservorrichtung der vorlie
genden Erfindung eine Differenz zwischen den Störstellendotie
rungsdichten im nahen Bereich zur licht-emittierenden Schicht
und im von der licht-emittierenden Schicht entfernten Bereich
auf, und ist gleichzeitig so eingestellt, dass die Energie-
Abstand-Differenz zwischen den den nahen Bereich bildenden
Halbleiterschichten kleiner ist, als die Energie-Abstand-
Differenz zwischen den den entfernten Bereich bildenden
Halbleiterschichten. Gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt
solchermaßen keine Verschlechterung der Eigenschaften der
optischen Ausgangsleistung, und die Reduzierung in der
Steuerspannung kann erreicht werden. Entsprechend hat die
Laservorrichtung der vorliegenden Erfindung als ein hoch
wirkungsvoller oberflächenemittierender Halbleiterlaser einen
großen industriellen Wert.
Claims (5)
1. Eine oberflächenemittierende Halbleiterlaservorrichtung,
die folgendes umfasst:
eine Schichtstruktur, in der eine licht-emittierende Schicht zwischen einem Paar von Reflexionsschichtstrukturen an geordnet ist, die mittels des Hetero-Übergangs einer Vielzahl von Halbleitermaterialien gebildet werden, wobei die Schicht struktur auf einem Substrat gebildet wird und wobei eine Stör stelle in der Reflexionsschichtstruktur dotiert wird;
wobei in der Reflexionsschichtstruktur die Dotierungsdichte der Störstelle in einem Bereich, der in der Nähe der licht- emittierenden Schicht befindlich ist, relativ kleiner ist als die Dotierungsdichte der Störstelle in anderen Bereichen; und wobei gleichzeitig in der Reflexionsschichtstruktur der Bereich, der in der Nähe der licht-emittierenden Schicht befindlich ist, eine relativ kleinere Energie-Abstand-Differenz zwischen den Halbleitermaterialien, die den Bereich bilden, aufweist als die Energie-Abstand-Differenz zwischen den Halbleitermaterialien, die die anderen Bereiche bilden.
eine Schichtstruktur, in der eine licht-emittierende Schicht zwischen einem Paar von Reflexionsschichtstrukturen an geordnet ist, die mittels des Hetero-Übergangs einer Vielzahl von Halbleitermaterialien gebildet werden, wobei die Schicht struktur auf einem Substrat gebildet wird und wobei eine Stör stelle in der Reflexionsschichtstruktur dotiert wird;
wobei in der Reflexionsschichtstruktur die Dotierungsdichte der Störstelle in einem Bereich, der in der Nähe der licht- emittierenden Schicht befindlich ist, relativ kleiner ist als die Dotierungsdichte der Störstelle in anderen Bereichen; und wobei gleichzeitig in der Reflexionsschichtstruktur der Bereich, der in der Nähe der licht-emittierenden Schicht befindlich ist, eine relativ kleinere Energie-Abstand-Differenz zwischen den Halbleitermaterialien, die den Bereich bilden, aufweist als die Energie-Abstand-Differenz zwischen den Halbleitermaterialien, die die anderen Bereiche bilden.
2. Die oberflächenemittierende Halbleiterlaservorrichtung
nach Anspruch 1, wobei die licht-emittierende Schicht aus einem
GaAs-Verbindung-Halbleiter hergestellt ist und einen Laserstrahl
mit einem Lasertätigkeits-Wellenlängenband von 850 nm aus
strahlt.
3. Die oberflächenemittierende Halbleiterlaservorrichtung
nach Anspruch 1, wobei die licht-emittierende Schicht aus einem
GaInNAs-Verbindung-Halbleiter hergestellt ist und einen Laser
strahl mit einem Lasertätigkeits-Wellenlängenband von 1300 nm
ausstrahlt.
4. Die oberflächenemittierende Halbleiterlaservorrichtung
nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Halbleiterma
terial, das die Reflexionsschichtstruktur bildet, AlGaAs ist.
5. Die oberflächenemittierende Halbleiterlaservorrichtung
nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Halbleiterma
terial, das die Reflexionsschichtstruktur bildet, GaInAsP ist.
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