DE3003667A1

DE3003667A1 - Halbleiterlaser und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE3003667A1
Application number: DE19803003667
Authority: DE
Inventors: Peter Jan De Waard
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1979-02-13
Filing date: 1980-02-01
Publication date: 1980-08-21
Also published as: AU5537180A; SE8001054L; GB2040552A; IT8019822A0; FR2449348A1; NL7901122A; JPS55111192A; IT1140545B

Description

11.11.1979 y PHN 93kh

Halbleiterlaser und Verfahren zu seiner Hers teilung_o

Die Erfindung bezieht sich

auf einen Halbleiterlaser mit einem Halbleiterkörper mit einem Substrat von einem ersten Leitungstyp, einer auf dem Substrat liegenden ersten passiven Schicht vom ersten Leitungstyp, einer darauf liegenden aktiven Schicht, die sich wenigstens teilweise innerhalb eines durch zwei reflektierende Oberflächen des Körpers gebildeten Resonators befindet, und einer auf der aktiven Schicht liegenden zweiten passiven Schicht, wobei die passiven Schichten eine grössere verbotene Bandbreite als die aktive Schicht aufweisen und das Substrat mit einer Auskehlung versehen ist, durch die Strahlung austritt und die sich über die ganze Dicke des Substrats bis zu der ersten passiven Schicht •erstreckt, und wobei das Substrat und die zweite passive Schicht je elektrisch mit einem Anschlussleiter verbunden sind, wobei sich zwischen diesen Anschlussleitern ein pnübergang befindet, mit dessen Hilfe Ladungsträger in die aktive Schicht injiziert werden.

Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleiterlasers.

Ein Halbleiterlaser der

beschriebenen Art ist aus I.E.E.E. Transactions on Electron Devices, Band ED 24, Nr. 7, Juli 1977, S. 995 - 1000, insbesondere Fig. 7» bekannt. Es handelt sich hier um einen Laser mit doppeltem HeteroÜbergang vom üblichen Typ mit auf einem Substrat einer zwischen zwei passiven Schichten liegenden aktiven Schicht, deren verbotene Bandbreite kleiner und deren Zusammensetzung anders als die der passiven Schichten sind, wobei die reflektierenden Seitenflächen des Halbleiterkristalls den Resonator bilden und Strominjektion aus einer streifenförmigen Elektrode auf der zweiten passiven Schicht stattfindet. In dem Substrat ist

0 3Ü03A/0605 BAD ORIGINAL

11.11,1979 X b PHN 93hk

für Messzwecke eine Auskehlung vorgesehen, um auch Strahlung senkrecht zu der Ebene der aktiven Schicht beobachten zu können. Der pn-Ubergang, über den Ladungsträger in die aktive Schicht injiziert werden, wird zwisehen der aktiven Schicht und einer der passiven Schichten gebildet und verläuft vollständig parallel zu der Schichtrichtung.

Bei den üblichen Lasern mit doppeltem HeteroÜbergang, die meistens dem obenbeschriebenen und nur für Messzwecke dienenden Laser, mit Ausnahme der Auskehlung im Substrat, entsprechen, tritt die Laserstrahlung parallel zu der aktiven Schicht aus und wird der Resonator durch reflektierende parallele Spaltflächen gebildet, die die Seitenflächen des Halbleiterkristalls bilden. Diese Laser weisen ein aktives Volumen auf, das in einer Richtung eine verhältnismässig grosse Länge, in der Grössenordnung von einigen Hundert Mikrons, aufweist, und dadurch zu longitudinalen Fabry-Perot-Schwingungsmoden mit relativ sehr geringen gegenseitigen Wellenlängenunterschieden führt, wodurch das Arbeiten in einem einzigen longitudinalen Modus erschwert wird. Ausserdem ist das Anbringen der Spaltflächen ein verhältnismässig exakter Vorgang, für den auch eine genaue Kristallorientation erforderlich ist.

Weiter ist bei diesen bekannten Laserstrukturen die Möglichkeit, dass in dem verhältnismässig langen streifenförmigen aktiven Gebiet Kristallfehler auftreten, verhältnismässig gross, während das parallel zu der aktiven Schicht austretende Strahlungsbündel durch die geringe Dicke der aktiven Schicht eine verhältnismässig grosse Divergenz aufweist. ¥eiter ist das Bündel oft ziemlich stark astigmatisch.

Die Erfindung hat u.a. die Aufgabe, eine neue Laserstruktur mit einem sehr kleinen aktiven Volumen ohne Anwendung von Spaltflächen zu schaffen, die auf sehr einfache Weise in Verbindung mit einem Glasfaserlichtleiter montiert werden kann und ein Strah-

030034/0605 BAD ORIGINAL

11.11.1979 V PHN

lungsbündel mit sehr wenig Divergenz und Astigmatismus liefert.

Der Erfindung liegt u_ea<, die Erkenntnis zugrunde, dass vorteilhafterweise mindestens eine der reflektierendeji Flächen des Resonators durch die ursprüngliche kristallographische Grenzfläche zwischen zwei angrenzenden Halbleiterschichten der Anordnung statt durch eine Spaltfläche gebildet werden kann_o

Ein Halbleiterlaser der eingangs erwähnten Art ist dazu nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Gebiet vom zweiten Leitungstyp von der Oberfläche des Halbleiterkörpers über mindestens die ganze Dicke der zweiten passiven Schicht erstreckt und mit dem angrenzenden Teil des Halbleiterkörpers vom ersten Leitungstyp einen pn-übergang bildet, der ein in Projektion über der Auskehlung liegendes Halbleitergebiet wenigstens seitlich völlig umgibt und ein aktives Volumen der aktiven Schicht bestimmt, und dass auf der genannten Oberfläche eine Elektrodenschicht erzeugt ist, die sich dem Gebiet vom zweiten Leitungstyp anschliesst, wobei eine der reflektierenden Oberflächen des Resonators durch die innerhalb der Auskehlung freiliegende optische flache Grenzfläche zwischen dem Substrat und der ersten passiven Schicht gebildet wird, die den Boden der Auskehlung bildet.

Da der Resonator bei dem Halbleiterlaser nach der Erfindung nicht durch Spaltflächen gebildet wird, können die Laserkristalle, die gleichzeitig auf einer und derselben Halbleiterscheibe hergestellt werden,, auf einfache Weise z.B_o durch Sägen oder Brechen, voneinander getrennt werden. Durch das sehr kleine aktive Volumen ist die Möglichkeit des Auftretens von Kristallfehlern in diesem Volumen gering. Weiter kann ein Glasfaserlichtleiter auf einfache Weise innerhalb der Auskehlung montiert werden, während durch die in bezug auf das aktive Volumen verhältnismässig grosse Austrittsoberfläche nur wenig Divergenz auftritt. Dadurch, dass die

030034/0605

BAD ORIGINAL

11.11.1979 ^o PHW 9344

Abmessungen des aktiven Volumens sehr klein gewählt werden können, ist Betrieb in einem einzigen Strahlungsmodus möglich; insbesondere gilt dies auch für den longitudinalen Modus, weil das austretende Bündel senkrecht zu der aktiven Schicht ist. Weiter kann der Schwellwertstrom verhältnismässig niedrig gehalten werden und können die Laserkristalle während der Herstellung, wenn sie noch über die Halbleiterscheibe miteinander verbunden sind, getestet werden.

Die wichtigsten Ausführungsformen des Halbleiterlasers nach der Erfindung können in zwei bevorzugte Ausführungen unterschieden werden.

Eine erste Ausführungsform ist

dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht und die zweite passive Schicht beide vom ersten Leitungstyp sind und dass sich das Gebiet vom zweiten Leitungstyp durch die aktive Schicht hindurch erstreckt und mit der aktiven Schicht einen quer durch diese Schicht verlaufenden pn-Ubergang bildet, der einen über der Auskehlung liegenden Teil der aktiven Schicht und die zweite passive Schicht umgibt.

Nach einer zweiten bevorzugten

Ausführungsform ist der Halbleiterlaser gemäss der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass der pn-übergang das Gebiet vom zweiten Leitungstyp innerhalb des Halbleiterkörpers völlig umschliesst und im wesentlichen parallel zu der aktiven Schicht verläuft.

Ein besonders geeignetes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemässen Halbleiterlasers ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass auf einem Halbleitersubstrat von einem ersten Leitungstyp nacheinander mindestens eine erste passive Halbleiterschicht, eine aktive Halbleiterschicht und eine zweite passive Halbleiterschicht, alle vom ersten Leitungstyp, angewachsen werden, wobei das Material der passiven ^ Schichten eine grössere verbotene Bandbreite als das der aktiven Schicht aufweist, dass dann ein Halbleitergebiet vom zweiten Leitungstyp erzeugt wird, das sich von der dem

030034/0605 ORIGINAL

3 O Π 3 6 6

11.11.1979 JfQi PHN 9344

Substrat gegenüber liegenden Oberfläche mindestens bis zu der aktiven Schicht erstreckt und mit dem angrenzenden Gebiet vom ersten Leitungstyp einen pn-übergang bildet, der ein an die Oberfläche grenzendes Gebiet wenigstens seitlich umgibt₉ dass in das Substrat eine Auskehlung mit Hilfe eines Ätzvorgangs geätzt wird, durch den das Material der ersten passiven Schicht nicht angegriffen wird und der fortgesetzt wird₉ bis auf dem Boden der Auskehlung ein Teil der ursprünglichen Grenzfläche zwischen dem Substrat

^ und der ersten passiven Schicht freigelegt ist₉ wobei die Auskehlung dem genannten vom pn-übergang umschlossenen Gebiet gegenüber vorgesehen wird₉ und dass das Substrat und das zweite Gebiet mit Elektrodensch-ichten versehen werden.

Einige Ausführungsformen der

Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben„ Es zeigens

Figo 1 schematisch im Querschnitt eine erste Ausführungsform des Halbleiterlasers

nach der Erfindung,

Figuren 2 bis 5 schematisch

im Querschnitt aufeinanderfolgende Stufen der Herstellung des Halbleiterlasers nach Fig. 1, und

Fig« 6 schematisch im Quer-

schnitt eine zweite Ausfuhrungsform des Halbleiterlasers nach der Erfindung.

Die Figuren sind schematisch und nicht massstäblich gezeichnet, wobei insbesondere die Abmessungen in der Dickenrichtung der Deutlichkeit halber

übertrieben gross dargestellt sind« Entsprechende Teile sind in der Regel mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet; Halbleitergebiete vom gleichen Leitungstyp sind in derselben Richtung schraffiert.

. Fig. 1 zeigt schematisch im

Querschnitt einen Halbleiterlaser nach der Erfindung».Der Laser enthält einen Halbleiterkörper 1, der ein Substrat von einem ersten Leitungstyp, im vorliegenden Beispiel ein

030034/06Q5 - · " - BAD ORIGINAL

11.11.1979 X PHN 9344

η-leitendes Substrat aus Gallium-arsenid (GaAs), enthält. Auf diesem Substrat 2 liegt eine erste ebenfalls η-leitende passive Schicht 3> im vorliegenden Beispiel eine 10 ,um dicke Schicht aus n-leitendem Gallium-aluminiumarsenid mit 30 At ,fo Aluminium, also mit einer Zusammensetzung Ga_n ^Al_n „As, und mit einer Dotierungskonzentration von 5.10 Zinnatomen/cm³a Auf der ersten passiven Schicht 3 liegt eine aktive Schicht 4, im vorliegenden Beispiel aus Galliumarsenid mit einer Dicke von 0,5/um, die sich zum Teil innerhalb eines nachstehend noch zu beschreibenden Resonators befindet.

Auf der aktiven Schicht 4 liegt

eine zweite passive Schicht 5 mit einer Zusammensetzung Ga_n PiAl_n „As und einer Dicke von 2/um. Die passiven Schichten 3 und 5 weisen beide eine grössere verbotene Bandbreite als die aktive Schicht 4 auf, wodurch die injizierten Ladungsträger innerhalb des Halbleiterkörpers praktisch auf die aktive Schicht beschränkt werden.

Das Substrat 2 ist mit einer Auskehlung 6 versehen, durch die die Strahlung in Richtung des Pfeiles 7 austritt. Die Auskehlung 6 ist im vorliegenden Beispiel drehsymmetrisch mit als Symmetrieachse der Linie MM¹, so dass der Querschnitt der Auskehlung parallel zu der Schichtrichtung kreisförmig ist. Die Auskehlung 6 erstreckt sich über die ganze Dicke des Substrats 2 bis zu der ersten passiven Schicht 3« Das Substrat 2 und die zweite passive Schicht 5 sind je elektrisch, mit einem Anschlussleiter, und zwar das Substrat 2 mit einer Elektrodenschicht 8 und die zweite passive Schicht 5 mit einer Elektrodenschicht 9 verbunden. Zwischen den Anschlussleitern 8 und 9 befindet sich ein pn-Ubergang 10, mit dessen Hilfe Ladungsträger, im vorliegenden Falle Löcher, in die aktive Schicht 4 injiziert werden.

Nach der Erfindung erstreckt sich von der Oberfläche des Halbleiterkörpers her über wenigstens die ganze Dicke der zweiten passiven Schicht ein Gebiet vom zweiten Leitungstyp, im vorliegenden Bei-

030034/0605

ORIGINAL

3 O Γ= 3 66

11.11.1979 y PHN 9344

spiel ein p-leitendes Gebiet 11, das mit dem angrenzenden Teil des Halbleiterkörpers vom ersten (n—)Leitungstyρ einen pn-Ubergang 10 bildet_s der ein in Projektion über der Auskehlung 6 befindliches, im vorliegenden Beispiel ebenfalls drehsymmetrisch um die Linie MM¹ liegendes Halbleitergebiet, das durch die aktive Schicht 4 und die zweite passive Schicht 5 gebildet wird, seitlich völlig umgibt und ein aktives Volumen 4a der aktiven Schicht 4 bestimmt. Weiter ist nach der Erfindung auf der Oberfläche eine Elektrodenschicht 9 erzeugt, die sich dem Gebiet 11 anschliesst, wobei der Resonator einerseits durch die innerhalb der Auskehlung 6 freiliegende reflektierende optisch flache Grenzfläche 12 zwischen dem Substrat 2 und der ersten passiven Schicht 3, die den Boden der Auskehlung bildet, und andererseits durch die Oberfläche der zweiten passiven Schicht 5 gebildet wird. In der hier beschriebenen Ausführungsform des Halbleiterlasers nach der Erfindung sind die aktive Schicht 4 und die zweite passive Schicht 5 beide vom ersten Leitungstyp, im vorliegenden Beispiel also vom n-Leitungstyp. Die Schicht 4 weist im vorliegenden Beispiel eine Dotierungskonzentra-

1 7
tion von 5«10 Zinn-atomen/cm³ auf, während die Schicht

17 gleichfalls eine Dotierungskonzentration von 5«10 Zinnatomen/cm³ aufweist. Das Gebiet 11 erstreckt sich durch die aktive Schicht 4 hindurch und bildet mit dieser Schicht 4 einen quer durch diese Schicht verlaufenden pn-Üb e rgang.

Auf dem Gebiet 11 vom zweiten

Leitungstyp befindet sich in dieser Ausführungsforin eine halbleitende Kontaktschicht 13 aus p-leitendem Galliumarsenid mit einer Dicke von etwa 1 /um. Diese Kontaktschicht 13 enthält eine über der Auskehlung 6 liegende öffnung, die sich bis zu der zweiten passiven Schicht 5 erstreckt. Das Gebiet 11 erstreckt sich durch die ganze Kontaktschicht 13 hindurch.

Weiter besteht im vorliegenden Beispiel das Substrat 2 aus einem 80 /um dicken Träger-

030034/060 5 . BAD ORIGINAL

11.11.1979 X PHN 93^4

Λ ft

körper 14 mit einer Dotierungskonzentration von 10 Siliziumatomen/cm³, auf dem eine 5/um dicke epitaktische Schicht 15 aus demselben Material und vom gleichen Leitungstyp, im vorliegenden Beispiel mit einer Dotie-

"I *7

rungskonzentration von 5«10 Zinnatomen/cm³, erzeugt ist. Die Grenzfläche 12, die als Reflektor benutzt wird, ist dann eine Grenzfläche zwischen zwei epitaktischen Schichten und weist dadurch weniger Fehlstellen als die Grenzfläche zwischen dem Trägerkörper und der ersten darauf angewachsenen epitaktischen Schicht auf. Es ist aber auch möglich, für das Substrat 2 eine einkristalline Halbleiterscheibe ohne epitaktische Schicht anzuwenden.

Die Oberfläche des Teiles 5A der Schicht 5 ist im vorliegenden Beispiel mit einer dielektrischen Schicht 16 überzogen und die Elektrodenschicht 9 ist auf der Kontaktschicht 13 und der Isolierschicht 16 erzeugt. Durch das Vorhandensein der Schicht 16 kann beim Erzeugen der Elektrodenschicht 9 und bei der dabei auftretenden Erhitzung die Oberfläche des Gebietes 5A nicht durch Legierungseffekte beschädigt werden, so dass eine möglichst flache Oberfläche erhalten bleibt. Die Schicht 16 weist vorzugsweise eine Dicke praktisch gleich einer halben Wellenlänge der Laserstrahlung in dem Material der Schicht 16 auf. Die Reflexion an der Elektrodenschicht 9 ist dann nahezu gleich der Reflexion, die erhalten werden würde, wenn die Schicht 9 direkt auf der Halbleiteroberfläche erzeugt wäre. Die Schicht 16 kann z.B. aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid oder aus einer Reihenfolge von Teilschichten mit verschiedener Zusammensetzung bestehen.

Es ist bei der Ausführungsform

nach Fig. 1 jedoch nicht erforderlich, dass die Elektrodenschicht 9 auch über dem Gebiet 5A erzeugt wird, weil die Stromzufuhr über das Gebiet 11 stattfindet. Die Oberfläche des Gebietes 5A kann erwünschtenfalls völlig frei liegen oder nur mit einer reflexionserhöhenden Schicht über zogen sein, während schliesslich in der Ausführungsform nach Fig. 1 die Schicht 16 auch völlig weggelassen werden

030034/0605

BAD

11.11.1979 X PHN 92>hk

kann.

Auch kann der Boden 12 der

Auskehlung 6 mit Vorteil mit einer reflexioaserhöhenden Schicht 17 versehen werden. Diese Schicht kann eine aus einer oder mehreren aufeinander liegenden Schichten gebildete dielektrische Schicht oder eine sehr dünne Metallschicht, z.B. eine Goldschicht mit einer Dicke von z.B. 10 nm sein, die für dde austretende Strahlung genügend durchlässig ist.

Die Grosstabmessung des aktiven Volumens 4a der aktiven Schicht h in jeder Richtung parallel zu der Schichtrichtung, im vorliegenden Beispiel also der Durchmesser des scheibenförmigen Teiles 4a, beträgt hier 10 /um und beträgt im allgemeinen vorzugsweise höchstens 100 /um. Bei einem derartigen kleinen aktiven Volumen ist die Möglichkeit des Auftretens von Kristallfehlern darin nahezu vernachlässichbar.

Der beschriebene Halbleiterlaser liefert beim Anlegen einer Spannung in der Durchlassrichtung zwischen den Elektrodenschichten 8 und 9 über einem bestimmten Schwellwertstrom ein Strahlungsbundel 7 mit sehr wenig Divergenz und Astigmatismus. Auf sehr einfache ¥eise kann eine Kopplung mit einem Lichtleiter, z.B. einem Glasfaserlichtleiter, dadurch hergestellt werden, dass dieser Leiter mit einem Ende in der Auskehlung montiert wird.

Dadurch, dass der Abstand

zwischen den reflektierenden Flächen 12 und 18 nur etwa 13/um beträgt, tritt bei dem beschriebenen Halbleiter-

laser nur ein einziger longitudinaler Fabry-Perot-Strahlungsmodus auf, dies im Gegensatz zu den meisten bekannten Lasern, bei denen der Abstand zwischen den reflektierenden Flächen im allgemeinen einige Huntert /um beträgt.

Ein weiterer Vorteil der Halbleiterlaser nach der Erfindung ist der, dass die Dicke der aktiven und passiven Schichten eine weiniger grosse

030034/0605 BAD ORIGINAL

3003G67

11.11.1979 ^d PHN 92>hh

Rolle als bei bekannten Halbleiterlasern spielt. Was die aktive Schicht anbelangt, tritt nämlich ein gewisser Ausgleich auf, dadurch, dass bei demselben Strom durch den Laser, bei einer dünneren aktiven Schicht, die Konzentration an Ladungsträgern im aktiven Volumen, also auch die Verstärkung grosser ist, aber diese Verstärkung über eine kürzere Strecke (die Dicke der aktiven Schicht) auftritt, und umgekehrt. Obgleich diese gegensinnig wirkenden Effekte nicht in demselben Masse von der Dicke der aktiven Schicht abhängen, wird durch diesen teilweisen Ausgleich die Toleranz für die Schichtdicke doch grosser als bei bekannten in der Schichtrichtung strahlenden Lasern. Was die Dicke der passiven Schichten anbelangt, bestimmt diese zusammen mit der Dicke der aktiven Schicht den Wellenlängen abstand benachbarter longitudinaler Moden und weist eine verhältnismässig grosse Toleranz auf.

Die Schwellwertstromdichte der

Laserstruktur nach der Erfindung ist verhältnismässig hoch. Dies ist u.a. der Tatsache zuzuschreiben, dass das Gebiet, über das Verstärkung auftritt, d.h. die Schichtdicke, nur sehr klein ist und in diesem aktiven Gebiet die Konzentration an Ladungsträgern also sehr gross sein muss.

Da die Abmessungen des aktiven Volumens klein sind, wird aber der Schwellwertstrom doch niedrig sein; bei einem Kontaktdurchmesser von 5/Um wird beim Fehlen der Schichten 16 und 17 dieser Strom in der Grössenordnung von kO mA liegen. Durch die Wirkung dieser reflexionserhöhenden Schichten kann der Schwellwert noch erheblich herabgesetzt werden.

Wie oben enrähnt wurde, ist

die Dicke der aktiven und passiven Schichten für die Wirkung des Halbleiterlasers nach der Erfindung relativ weniger bedeutend. Die Gesamtdicke der aktiven und passi- ™ ven Schichten 3, h und 5» die die Länge des Lasers zwischen den reflektierenden Flächen 12 und 18 bildet, wird aber vorzugsweise mindestens gleich 5/um und hoch-

03C034/0605

11.11.1979 M PHN 9344

stens gleich 20 /um gewählt. Bei einer grösseren Gesamtdicke kommen die Wellenlängen der longitudinalen Fabry-Perot-Moden derart nahe beieinander zu liegen, dass Gefahr des Auftretens mehrerer longitudinaler Strahlungsmoden entsteht. Bei einer kleineren Gesamtdicke als etwa 5 /um kommen die Wellenlängen benachbarter Moden derart weit voneinander zu liegen, dass sich die Möglichkeit ergibt, dass kein einziger Modus innerhalb des Verstärkungsprofils (das eine Breite in der Grössenordnung von 20 nm aufweist) fallt. Der Modenabstand Δ A. für eine Gesamtschichtdicke von 13 /um beim beschriebenen Ausführungsbeispiel beträgt etwa 7 um; die Wellenlänge der ausgesandten Strahlung beträgt etwa 900 nm. Der Halbleiterlaser nach Fig. 1 kann gemäss der Erfindung auf folgende Weise hergestellt werden (siehe Figuren 2 bis 5)· Es wird z.B. von einer Halbleiterscheibe 14 aus Galliumarsenid von einem ersten, im vorliegenden Beispiel n-Leitungstyp

1 Pt mit einer Dotierungskonzentration von 10 Siliziumatomen/ cm³ und einer Dicke von nahezu 300 /um ausgegangen. Darauf wird z.B. durch Anwachsen aus der flüssigen Phase eine 5/um dicke Schicht 15 aus n—leitendem GaAs mit einer Dotierungskonzentration von 5 »10 Zinnatomen/cm³ angewachsen. Das reihenmässige Anwachsen epitaktischer Schichten aus der flüssigen Phase ist eine allgemein bekannte Technik; dazu sei z.B. auf das Buch von D. Elwell und H.J. Scheel "Crystal Growth from High Temperature Solutions", Academic Press, 1975, S₀ 433 - 467 verwiesen.

Auf dem so erhaltenen Substrat 2 aus n-leitendem Galliumarsenid, das aus den Schichten i4 und 15 besteht, werden nacheinander, ohne dass die Scheibe aus der Anwachsvorrichtung entfernt wird, eine Schicht 3 aus η-leitendem Ga_n ,-,Al_n „As mit einer Dicke von 10/um und einer Dotierungskonzentration von 5 «10 Zinnatomen/em³, eine Schicht 4 aus η-leitendem GaAs mit einer Dicke von 0,5/um und einer Dotierungskonzentration von 5.10 Zinnatomen/cm³, eine Schicht 5 aus n-leitendem Ga_n „Al_n „As mit einer Dicke von 2 /um und einer Dotie-

03003A/0605

BAD ORIGINAL

11.11.1979 jar" phn 9344

rungskonzentration von 5·1° Zinnatomen/cm³ und eine Schicht 13 aus η-leitendem GaAs mit einer Dicke von 1 /um

17 und einer Dotierungskonzentration von 5«1° Zinnatomen/ cm³ angewachsen. Dann wird ein Halbleitergebiet 11 vom zweiten (p-)Leitungstyp erzeugt (siehe Fig. 2). Dies kann auf verschiedene Weise erfolgen. Im vorliegenden Beispiel wird dazu auf der Oberfläche unter Verwendung allgemein bekannter Ablagerungs- und photolithographischer Ätztechniken eine Insel 20 aus Siliziumnitrid gebildet. Dann wird Zink zur Bildung des η-leitenden Gebietes 11 eindiffundiert, wobei das Siliziumnitrid 20 als Maskierung gegen die Diffusion dient. Diese Diffusion kann z.B. in einer evakuierten Kapsel mit ZnAs„ als Quelle bei etwa 800°C erfolgen. Es ist aber auch sehr gut möglich, das Gebiet 11

auf andere ¥eise zu erzeugen. So kann z.B. an der Stelle, an der das Gebiet 11 erzeugt werden muss, das Material der Schichten 31 4, 5 und 13 entfernt und durch durch epitaktisches Anwachsen erhaltenes p-leitendes Halbleitermaterial, z.B. p-leitendes Galliumaluminiumarsenid, ersetzt werden.

Anschliessend wird im vorliegenden Beispiel, obwohl dies nicht unbedingt notwendig ist, in der Schicht 13 eine öffnung vorgesehen. Dazu wird das Nitrid 20 mittels heisser Phosphorsäure entfernt, wonach mit Hilfe bekannter Ablagerungs- und photolithographischer

Ätztechniken eine Maske 21 aus Siliziumoxid gebildet wird

(siehe Fig. 3). Durch Ätzen mit z.B. einer Lösung aus 25 cm³ Wasserstoffperoxid von 30 VoI,fo, 25 cm³ Wasser und 0,5 cm³ NarOH von 30 Vol. fo, die Galliumarsenid wohl, Galliumaluminiumarsenid jedoch nicht angreift, wird eine öffnung 30

in der Schicht 13 gebildet, deren Boden mit der Grenzfläche zwischen den Schichten 5 und 13 zusammenfällt und optisch flach ist.

Dann wird über das Ganze eine

Siliziumnitridschicht 16 erzeugt (siehe Fig. 3). Diese 35

Schicht 16 weist eine Dicke von etwa 0,23/um auf, was etwa einer halben Wellenlänge der Laserstrahlung innerhalb des Nitrids entspricht. Danach wird die Oxidschicht 21 mit

Θ3003Α/0605

11.11.1979 V^ PHN 9344

den darauf liegenden Teilen der Schicht 16 durch Ätzen entfernt, wonach eine Metallschicht 9 niedergeschlagen wird (siehe Fig. 4), die im vorliegenden Beispiel aus einer 50 nm dicken Chromschicht, einer darauf liegenden 100 nm dicken Platinschicht und einer darauf liegenden 50 nm dicken Goldschicht zusammengesetzt ist_o Die Schicht

9 kann aber auch aus anderen Metallen bestehen.

- Wie oben erwähnt wurde, kann die Schicht 16 erwünschtenfalls weggelassen werden, was jedoch zur Folge hat, dass eine weniger vollkommene reflektierende Oberfläche erhalten wird.

Die Metallschicht 9 wird

vorzugsweise bei 350⁰C während einiger Minuten eingesintert. Durch Schleifen und Ätzen wird auf der Substrat= seite die Dicke der Halbleiterscheibe herabgesetzt, bis eine Gesamtdicke von etwa 100/um erreicht ist. Dann wird auf der Substratseite auf der Oberfläche eine Elektrode 8 (siehe Fig. 5)» die z.B. aus einer Gold-Germanium-Nickel-Legierung besteht, erzeugt und bei 425⁰C während einiger Minuten eingesintert. Anschliessend wird in das Substrat eine Auskehlung 6 geätzt. Dazu wird nach Maskierung der Elektrodenschicht 8 mit einer Photolackmaske zunächst innerhalb einer öffnung mit einem Durchmesser von etwa 150/um an der Stelle der zu. bildenden Auskehlung die Schicht 8 entfernt. Dann wird eine neue Photolackmaske mit kleinerer öffnung erzeugt und durch Ätzen mit der Ätzflüssigkeit, die auch für das Wegätzen der Schicht 13 verwendet wurde, das GaAs-Substrat 2 entfernt, wobei, weil dieses Ätzmittel Galliumaluminiumarsenid nicht angreift, auf dem Boden der Auskehlung ein Teil der ursprünglichen Grenzfläche 12 zwischen dem Substrat 2 und der Schicht 3 freigelegt wird. Die Auskehlung 6 wird der in die Schicht 13 geätzten öffnung gegenüber, also dem vom pn-Ubergang

10 umgebenen Gebiet der Schichten 4 und 5 gegenüber, vorgesehen.

Nachdem erwünschtenfalls innerhalb der öffnung 6 auf der Oberfläche 12 noch eine

030034/0605

BAD ORIGINAL

11.11.1979 yC PIDT 93hh

reflexionserhöhende Schicht 17 der obenerwähnten Art erzeugt ist, ist damit der Halbleiterlaser nach Fig. 1 erhalten.

Es dürfte einleuchten, dass auf einer und derselben Halbleiterscheibe gleichzeitig viele Laserstrukturen erzeugt werden können, die danach z.B. durch Sägen, Brechen oder Ätzen voneinander getrennt werden. Ein wichtiger Vorteil der Erfindung besteht dabei darin, dass die Laser bereits während der Herstellung, wenn sie noch miteinander verbunden sind, getestet werden können.

Ausser der bisher beschriebenen

Struktur kann der Halbleiterlaser nach der Erfindung noch andere Strukturen aufweisen. Eine wichtige Abwandlung ist

'^ im Querschnitt in Fig. 6 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist das Gebiet 11 vom zweiten (p-)Leitungstyp derart erzeugt, dass der pn-Ubergang 10 das Gebiet 11 innerhalb des Halbleiterkörpers völlig umschliesst. Der pn-übergang 10 verläuft dabei im wesentlichen parallel zu der aktiven Schicht 4. Das Gebiet 11 erstreckt sich mindestens bis zu der aktiven Schicht und kann sich,wie in Fig. 6 dargestellt ist, bis in die aktive Schicht oder bis gerade jenseits der aktiven Schicht in der Schicht 3 erstrecken. Bei dieser Ausführungsform ist die Elektrodenschicht 9 ausserhalb des Gebietes 11 durch eine Isolierschicht, z.B. eine Siliziumoxidschicht, von der Halbleiteroberfläche getrennt, während die aktive Schicht hier eine höhere Dotierungskonzentration als in Fig. 1 aufweist, weil hier die Injektion von Elektronen aus der

Schicht 4 in das Gebiet 11 die Laserwirkung bestimmt, insbesondere wenn sich das Gebiet 11 über die ganze Dicke der Schicht 4 erstreckt, wobei das aktive Volumen völlig p-leitend ist. Die Dotierungskonzentration der Schicht 4

1 Q

beträgt hier denn auch z.B. 5.10 Telluratome/cm³. Die übrigen Abmessungen, Schichtdicken und Dotierungskonzentrationen können erwünschtenfalls gleich denen bei der Ausführungsform nach Fig. 1 sein.

Θ30034/0605

BAD ORIGINAL

11.11.1979 J^ PHN

Bei der Ausführungsform nach

Fig. 6, bei der sich das Gebiet 11 nicht über die ganze Dicke der Schicht k erstreckt, besteht das aktive Volumen aus einem p-leitenden Teil, in den aus der Schicht h Elektronen injiziert werden, und einem darunterliegenden η-leitenden Teil, in den aus dem Gebiet 11 Löcher injiziert werden.

Auch in Fig, 6 ist annahmeweise die Anordnung drehsymmetrisch (um die Linie NN"').

Entsprechende Teile werden mit denselben Bezugsziffern wie in Fig. 1 bezeichnet. Auch in diesem Falle bestimmt der pn-Übergang 10, insbesondere der parallel der Schichtrichtung verlaufende Teil desselben, das aktive Volumen des Lasers.

Es ist einleuchtend, dass die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass im Rahmen der Erfindung für den Fachmann viele Abwandlungen möglich sind. So ist es z.B. keineswegs notwendig, dass die Auskehlung 6 und die öffnung in der Kontaktschicht 13 drehsymmetrisch sind, obgleich dies zu bevorzugen ist, wenn ein symmetrisches Strahlungsbündel verlangt wird«, Auch können die Schichtdicken und die Dotierungskonzentrationen sowie die Materialien, aus denen die unterschiedlichen Schichten bestehen, vom Fachmann nach Bedarf geändert werden; aus der Fachliteratur sind sehr viele für die Laserherstellung geeignete Halbleitermaterialien bekannt, aus denen der Fachmann seine Wahl treffen kann. Ferner können naturgemäss die Leitungstypen alle (zu gleicher Zeit) durch die entgegengesetzten Leitungstypen ersetzt werden. Auch die Elektrodenschichten 8 und 9 können durch andere, gegebenenfalls aus mehreren aufeinander liegenden Metallschichten bestehende ohmsche Kontaktmetallisierungen ersetzt werden.

030034/0605 BAD ORIGINAL

Claims

3 Π f J 3 6 ü

11.11.1979 y PHN 93hh

PATENTANSPRUECHE:

Halbleiterlaser mit einem Halbleiterkörper mit einem Substrat von einem ersten Leitungstyp, einer auf dem Substrat liegenden ersten

passiven Schicht vom ersten Leitungstyp, einer darauf 5

liegenden aktiven Schicht, die sich wenigstens teilweise innerhalb eines durch zwei reflektierende Oberflächen des Körpers gebildeten Resonators befindet, und einer auf der aktiven Schicht liegenden zweiten passiven Schicht, wobei die passiven Schichten eine grössere verbotene Bandbreite als die aktive Schicht aufweisen und das Substrat.mit einer Auskehlung versehen ist₅ durch die Strahlung austritt und die sich über die ganze Dicke des Substrats bis zu der ersten passiven Schicht erstreckt, und wobei das Substrat und die zweite passive Schicht je

elektrisch mit einem Anschlussleiter verbunden sind, wobei sich zwischen diesen Anschlussleitern ein pn-Ubergang befindet, über den Ladungsträger in die aktive Schicht injiziert werden, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein

Gebiet vom zweiten Leitungstyp von der Oberfläche des 20

Halbleiterkörpers her über mindestens die ganze Dicke der zweiten passiven Schicht erstreckt und mit dem angrenzenden Teil des Halbleiterkörpers vom ersten Leitungstyp einen pn-Ubergang bildet, der ein in Projektion über der Auskehlung

liegendes Halbleitergebiet wenigstens seitlich völlig 25

umgibt und ein aktives Volumen der aktiven Schicht

bestimmt, und dass auf der genannten Oberfläche eine Elektrodenschicht erzeugt ist, die sich dem Gebiet vom zweiten Leitungstyp anschliesst, wobei eine der reflektierenden Oberflächen des Resonators durch die innerhalb 30

der Auskehlung freiliegende optische flache Grenzfläche zwischen dem Substrat und der ersten passiven Schicht gebildet wird, die den Boden der Auskehlung bildet.

30034/0605

BADJD

11.11.1979 2 PHN 93hh

2. Halbleiterlaser nach Anspruch.

1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grosstabmessung des aktiven Volumens der aktiven Schicht in einer Richtung parallel zu der Schichtrichtung höchstens 100 ,um beträgt.

3· Halbleiterlaser nach Anspruch

1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtdicke der Halbleiterschichten zwischen dem Boden der Auskehlung und der gegenüberliegenden Oberfläche mindestens 5/um und höchstens 20 ,um beträgt.

4. Halbleiterlaser nach einem der

vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskehlung einen nahezu kreisförmigen Querschnitt aufweist. 5« Halbleiterlaser nach einem der

vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der Boden der Auskehlung mit einer reflexionserhöhenden Schicht überzogen ist.

6. Halbleiterlaser nach einem der

vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus einem Trägerkörper und einer darauf angewachsenen epitaktischen Schicht aus demselben Material und vom gleichen Leitungstyp besteht, wobei diese epitakti— sehe Schicht mit der ersten passiven Schicht die genannte Grenzfläche bildet.

7, Halbleiterlaser nach einem der

vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht und die zweite passive Schicht beide vom ersten Leitungsfcyp sind und dass sich das Gebiet vom zweiten Leitungstyp durch die aktive Schicht hindurch erstreckt und mit der aktiven Schicht einen quer durch diese Schicht verlaufenden pn-Ubergang bildet, der einen über der Auskehlung liegenden Teil der aktiven Schicht und die zweite passive Schicht umgibt. 8. Halbleiterlaser nach Anspruch

7» dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche des vom pn-Ubergang umgebenen Gebietes vom ersten Leitungstyp eine Isolierschicht erzeugt ist.

03C034/0605

11.11.1979 3 PHN 93kk

9. Halbleiterlaser nach Anspruch

8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Isolierschicht nahezu eine halbe Wellenlänge der vom Laser emittierten Strahlung innerhalb der Isolierschicht beträgt₀ 10. Halbleiterlaser nach Anspruch

8 oder 9» dadurch gekennzeichnet _s dass die sich dem Gebiet vom zweiten Leitungstyp anschliessende Elektrodenschicht sich auch auf der Isolierschicht erstreckt_o

11. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet _s dass auf dem Gebiet vom zweiten Leitungstyp eine halbleitende Kontaktschicht erzeugt ist, die eine über der Auskehlung liegen= de öffnung aufweist, die sich bis zu der zweiten passiven Schicht erstreckt, wobei sich das Gebiet vom zweiten Leitungstyp über die ganze Dicke der Kontaktschicht erstreckt.

12. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 6₉ dadurch gekennzeichnet, dass der pn-Übergang das Gebiet vom zweiten Leitungstyp innerhalb des Halbleiterkörpers völlig umschliesst und im wesentlichen parallel zu der aktiven Schicht verläuft» 13· Verfahren zur Herstellung eines

Halbleiterlasers nach einem der vorstehenden Ansprüche _s dadurch gekennzeichnet, dass auf einem Halbleitersubstrat von einem ersten Leitungstyp nacheinander mindestens eine erste passive Halbleiterschicht, eine aktive Halbleiterschicht und eine zweite passive Halbleiterschicht, alle vom ersten Leitungstyp, angewachsen werden, wobei das Material der passiven Schichten eine grössere Bandbreite als die der aktiven Schicht aufweist _s dass dann ein Halbleitergebiet vom zweiten Leitungstyp erzeugt wird, das sich von der dem Substrat gegenüber liegenden Oberfläche wenigstens bis zu der aktiven Schicht erstreckt und mit dem angrenzenden Gebiet vom ersten Leitungstyp einen pn-übergang bildet, der ein an die Oberfläche grenzendes Gebiet wenigstens seitlich umgibt,dass in das Substrat eine Auskehlung mit Hilfe eines Ätzvorgangs

O3ÜO3A/0605

BAD ORIGINAL

11.11.1979 4 PHN 93hk

geätzt wird, durch, den das Material der ersten passiven Schicht nicht angegriffen wird und der fortgesetzt wird, bis auf dem Boden der Auskehlung ein Teil der ursprünglichen Grenzfläche zwischen dem Substrat und der ersten' passiven Schicht freigelegt ist, wobei die Auskehlung dem genannten vom pn-Ubergang umgebenen Gebiet gegenüber vorgesehen wird, und dass das Substrat und das zweite Gebiet mit Elektrodenschichten versehen werden. 14. Verfahren nach Anspruch 13»

dadurch gekennzeichnet, dass auf der zweiten passiven Schicht eine halbleitende Kontaktschicht angewachsen wird, und dass in diese Kontaktschicht über der Auskehlung selektiv eine Öffnung mittels eines Ätzvorgangs geätzt wird, der das Material der zweiten passiven Schicht nicht

angreift, wodurch innerhalb der Öffnung ein optisch flacher Teil der Grenzfläche zwischen der zweiten passiven Schicht und der Kontaktschicht freigelegt wird.

Ü30034/0605