DE3650133T2 - Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers mit versenktem Heteroübergang. - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers mit versenktem Heteroübergang.Info
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlasers mit vergrabenem Heteroübergang (BH = buried hetero-junction), der vorzugsweise aus AlGaAs besteht.
- Ein Verfahren zum Herstellen derartiger Laser durch Flüssigphasenepitaxie ist in einem von M. Sugimoto et al in Journal of Lightwave Technology, Vol. LT-2, Nr. 4, August 1984, Seiten 496 - 503 unter dem Titel "InGaAsP/InP Current Confinement Mesa Structure Buried Heterostructure Laser Diode Fabricated by One-Step Liquid-Phase Epitaxy" veröffentlichten Artikel beschrieben.
- Ein anderer solcher Laser, wie er in einem Artikel von Kishino et al, veröffentlicht in IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-16, Nr. 2, Februar 1980, Seiten 160 - 164 unter dem Titel "Fabrication and Lasing Properties of Mesa Substrate Buried Herostructure GaInAsP/InP Lasers at 1.3 um Wavelength" beschrieben ist, weist eine Isolierschicht auf, die zwischen einer Deckschicht und einer ersten Elektrode liegt, wobei ein Kanal durch die Isolierschicht an einer Position hindurchgeht, die der Mesa-Struktur an der ersten Fläche des Halbleitersubstrats abgewandt ist.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines BH-Halbleiterlasers mit Strombegrenzungseinrichtung und mit einer aktiven Schicht gut festgelegter, schmaler Breite, die so gut wie möglich innerhalb des Mantelmaterials isoliert ist, zu schaffen.
- Das erfindungsgemäße Verfahren ist in Anspruch 1 definiert.
- Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
- Die Erfindung wird aus der folgenden detaillierten Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung vollständiger zu verstehen sein, die jedoch nicht dazu verwendet werden sollen, die Erfindung auf das spezielle Ausführungsbeispiel zu beschränken, sondern die nur zur Erläuterung und zum Verständnis dienen.
- Figur 1 ist ein Querschnitt durch einen Halbleiterlaser, wie er durch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Wachstum erzeugt wurde; und
- Figur 2(A) bis 2(G) zeigen die Folgen der Herstellschritte beim Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren, wie zum Herstellen des Halbleiterlasers von Figur 1 verwendet.
- Es wird nun auf die Zeichnungen, insbesondere auf Figur 1 Bezug genommen, gemäß denen ein mit dem erfindunggemäßen Verfahren hergestellter Halbleiterlaser ein n-leitendes Halbleitersubstrat 1 aufweist. Das Halbleitersubstrat 1 ist z. B. eine n-leitende Verbindung und seine Oberfläche ist eine (100) -Kristallfläche. Eine Ätzmasken-Mesa-Anordnung wird auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats abgeschieden. In der Praxis laufen mehrere Mesa-Anordnungen 1a parallel über die Oberfläche des Halbleitersubstrats rechtwinklig zur Schnittebene.
- Eine erste Mantelschicht 2 wird auf der (100)-Fläche des Halbleitersubstrats abgeschieden. Die erste Mantelschicht 2 ist vorzugsweise eine n-leitende Schicht. Ein optischer Wellenleiter 3 und eine aktive Schicht 4 werden auf der ersten Mantelschicht 2 abgeschieden. Der optische Wellenleiter 3 ist nicht immer erforderlich und er kann verwendet werden, falls dies erwünscht ist. Die aktive Schicht 4 besteht aus leicht dotiertem oder undotiertem Material. Eine zweite Mantelschicht 5 liegt über der aktiven Schicht 4. Die zweite Mantelschicht 5 ist p-leitend. Eine p-leitende Deckschicht 6 ist über der zweiten Mantelschicht ausgebildet. Eine n-leitende Stromkanal-Hilfsschicht 7 deckt die Deckschicht 6 unvollständig ab, wie dies nachfolgend erläutert wird.
- Die erste und die zweite Mantelschicht 2 und 5, die optische Wellenleiterschicht 3, die aktive Schicht 4, die Deckschicht 6 und die Stromkanal-Hilfsschicht 7 sind alle durch durch MOCVD, metallorganisch-chemische Abscheidungen aus der Dampfphase, ausgeführtes Epitaxiewachstum auf der Halbleiterschicht 1 abgeschieden. Die erste und die zweite Mantelschicht 2 und 5 weisen einen kleineren Brechungsindex und ein breiteres verbotenes Band als die aktive Schicht auf.
- Die Form der Mesa-Anordnung 1a auf der (100)-Kristallfläche des Halbleitersubstrats 1 ist im Hinblick auf die Kristallstruktur so ausgewählt, daß die erste Mantelschicht 2 auf beiden Seiten der Mesa-Anordnung 1a schräge Flächen 2a aufweist. Die schrägen Flächen 2a erstrecken sich entlang der Längskanten der Mesa-Anordnung und es sind (111)-B-Kristallflächen. (111)-B-Kristallflächen wachsen bei epitaktischem Wachstum relativ langsam, d.h. bis zu 100-mal langsamer als (100)-Kristallflächen. Daher erfolgt während des epitaktischen Wachstums der vorstehend genannten Schichten im wesentlichen kein Wachstum auf dieser (111)-B-Kristallfläche. Daher treten die optische Wellenleiterschicht 3 und die aktive Schicht 4, die viel dünner als die anderen Schichten sind, überhaupt nicht auf der (111)-B-Kristallfläche auf. Daher weisen die optische Wellenleiterschicht 3 und die aktive Schicht 4 auf den (111)-B-Kristallflächen Unterbrechungen auf. Die zweite Mantelschicht 5 kann auf die erste Mantelschicht 2 an Punkten aufgewachsen werden, die von den (111)-B-Kristallflächen abgewandt sind, und zwar durch einfaches Überwachsen von den Abschnitten her, die nicht den (111)-B-Kristallflächen gegenüberstehen. Die Gesamtdicke der zweiten Mantelschicht 5 ist so gewählt, daß eine ausreichende Dicke dieser zweiten Mantel schicht in den Abschnitten abgeschieden wird, die von den (111)-B-Kristallflächen abgewandt sind.
- Die Stromkanal-Hilfsschicht verfügt über einen Ausschnitt 7a. Über der Stromkanal-Hilfsschicht ist eine Elektrode 8 abgeschieden. Ein Teil der Elektrode 8 läuft durch den Ausschnitt 7a und stellt ohmschen Kontakt zur Deckschicht 6 her. Um auf der Mesa-Anordnung 1 einen Schwingungsbereich oder Resonatorraum auszubilden, steht der Ausschnitt in der Stromkanal-Hilfsschicht der aktiven Schicht 4 über der Mesa-Anordnung 1 direkt gegenüber. Daher erstreckt sich der Ausschnitt 7a in der Stromkanal-Hilfsschicht entlang der Achse der Mesa-Anordnung la des Halbleitersubstrats 1.
- Wie in Figur 1 dargestellt, ist eine andere Elektrode 9 auf der entgegengesetzten Seite des Halbleitersubstrats 1 abgeschieden.
- Die Figuren 2(A) bis 2(G) veranschaulichen den Prozeß zum Herstellen des vorstehend genannten bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiters, um ein besseres Verständnis der Erfindung zu erleichtern. Der in den Figuren 2(A) bis 2(G) dargestellte Prozeß ist speziell so gewählt, daß ein AlGaAs (Verbindung aus der III-V-Familie) Halbleiterlaser hergestellt wird.
- Zunächst wird das Halbleitersubstrat 1 hergestellt, das ein n-leitendes Halbleitersubstrat aus der Familie der III-V- Verbindungen ist, z. B. ein n-leitendes Halbleitersubstrat aus einer GaAs-Verbindung. Die Hauptfläche 1b des Halbleitersubstrats 1 ist eine (100)-Kristallfläche. Ein Ätzmaskenband 11 gewünschter Breite W wird auf der Hauptfläche 1b des Halbleitersubstrats 1 ausgebildet. Diese Ätzmaske 11 wird durch wohlbekannte Prozesse hergestellt, wozu die Schritte des Abscheidens einer Photoresistschicht auf dem Halbleitersubstrat, des unter Ziehens der Photoresistschicht einer Musterbelichtung und des Entwickelns gehören. In diesem Fall ist die Fläche, die parallel zur Ebene liegt, durch die der Schnitt von Figur 1 geführt ist, als (011)-Fläche gewählt. Die Längsachse der Ätzmaske 11 steht rechtwinklig zur (011)- Fläche, wie in Figur 2 (A) dargestellt.
- Dann wird ein Ätzvorgang durch ein Atzmittel wie eine Phosphorsäure-Atzlösung ausgeführt. Das Atzmittel wird auf die Hauptfläche 1b des Halbleitersubstrats 1 angewandt, auf der die Photoresistschicht abgeschieden wurde und Musterbelichtung und Entwicklung erfolgten. Der durch die Ätzmaske 11 nicht maskierte Abschnitt des Halbleitersubstrats 1 wird verfressen, um zahlreiche parallele Mesa-Anordnungen 1a zu bilden, von denen jede so ausgebildet ist, wie es in Figur 2(B) dargestellt ist. Eine so hergestellte Mesa-Anordnung 1a weist auf beiden zurückspringenden Seiten eine (111)-A-Fläche auf.
- Danach wird die Atzmaske 11 entfernt und die erste Mantelschicht 2 wird durch Epitaxiewachstum ausgebildet. Die erste Mantelschicht 2 besteht aus n-AlxGal-xAs. (111)-B-Kristallflächen wachsen in natürlicher Weise auf den zurückspringenden Seiten der Mesa-Anordnung 1a auf. Die Schrägen 2a der (111)-B-Kristallflächen liegen unter einem Winkel Θ relativ zur horizontalen Oberfläche der Mesa-Anordnung 1a. Der Winkel θ beträgt ungefähr 55º. Wenn das Epitaxiewachstum einmal den in Figur 2(C) dargestellten Zustand erreicht, wird das Wachstum der ersten Mantelschicht 2 beendet.
- Zu diesem Zeitpunkt wird das Abscheidungsmaterialgas umgeschaltet und anschließend wird MOCVD so ausgeführt, daß die optische Wellenleiterschicht 3 und die aktive Schicht 4 abgeschieden werden, wie in Figur 2(D) dargestellt. Die aktive Schicht 4 besteht aus AlyGal-yAs. Wie vorstehend beschrieben, ist die epitaktische Wachstumsrate auf (111)-B-Kristallflächen relativ langsam. Daher weisen die optische Wellenleiterschicht 3 und die aktive Schicht 4, wie sie auf den (111)-B-Kristallflächenschrägen 2a der ersten Mantelschicht 2 abgeschieden werden, vernachlässigbare Dicke auf. Daher weisen die optische Wellenleiterschicht und die aktive Schicht 4 entlang den Schrägen 2a der ersten Mantelschicht Unterbrechungen auf.
- Dann wird das Abscheidungsmaterial erneut geändert und die zweite Mantelschicht 5 wird durch Epitaxiewachstum hinzugefügt. Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht die zweite Mantelschicht 5 aus p-AlxGal-xAs. In diesem Fall wird, wie dies in Figur 2 (E) dargestellt ist, die zweite Mantelschicht 5 in den Anfangsstadien des Wachstums nicht auf den (111)-B- Kristallflächenschrägen 2a der ersten Mantelschicht 2 abgeschieden. Während dieser Wachstumgsanfangsperiode baut sich die zweite Mantelschicht 5 über der aktiven Schicht 4 auf. Über der Mesa-Anordnung wächst die zweite Mantelschicht 5 so, daß sie Schrägen aufweist, die im wesentlichen mit den Schrägen der ersten Mantelschicht 2 ausgerichtet sind.
- Gleichzeitig beginnt sich die zweite Mantelschicht 5 auf jeder Seite der Mesa-Anordnung 1a langsam entlang der Schrägen 2a an den Positionen c in Figur 2(E) aufzubauen. Durch weiteres Wachstum bedeckt die zweite Mantelschicht 5 schließlich die Schrägen 2a der ersten Mantelschicht 2, wie in Figur 2(F) dargestellt. So bedeckt die zweite Mantelschicht 5 die gesamte Fläche einschließlich der aktiven Schicht 4.
- Dann wird erneut das Abscheidungsmaterialgas geändert, um die Deckschicht 6 abzuscheiden. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht die Deckschicht 6 aus hochdotiertem p- GaAs. Danach wird die Stromkanal-Hilfsschicht aus AlzGa1-zAs auf der Deckschicht 6 abgeschieden.
- Der Ausschnitt 7a in der Stromkanal-Hilfsschicht 7 wird durch Ätzen hergestellt, wie in Figur 2(G) dargestellt. Der Ausschnitt 7a legt einen kleinen Bereich der zweiten Mantelschicht 5 frei. Dann werden, wie dies in Figur 1 dargestellt ist, die erste und die zweite Elektrode 8 und 9 auf den beiden Flächen der fertiggestellten Anordnung ausgebildet. Ein Teil der Elektrode 8 läuft durch den Ausschnitt 7a und steht in Kontakt mit der zweiten Mantelschicht 5.
- Wie es hieraus ersichtlich ist, kann gemäß der Erfindung MOCVD kontinuierlich ausgeführt werden, um verschiedene Schichten herzustellen, wobei nur das gasförmige Abscheidungsmaterial geändert wird. So erfordert die Herstellung nur eine Folge kontinuierlicher MOCVD-Schritte, was den Herstellprozeß für den Halbleiterlaser vereinfacht.
- Gemäß Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen die erste und die zweite Mantelschicht 2 und 5 aus AlxGa1-xAs und die aktive Schicht 4 besteht aus AlyGa1-yAs, mit x > y.
- Es ist zu beachten, daß der optische Wellenleiter 3 aus einem Material bestehen kann, das an Al reicher als die aktive Schicht 4 ist. In diesem Fall weist die die optische Wellenleiterschicht 3 bildende AlGaAs-Schicht ein breiteres verbotenes Band auf. Ferner ist die Erfindung, wie vorstehend dargelegt, auf Halbleiterlaser ohne optische Wellenleiterschichten anwendbar.
- Wie es hieraus ersichtlich ist, wird die Dicke der zweiten Mantelschicht durch die Breite der Oberfläche der Mesa-Anordnung und die Dicke der ersten Mantelschicht bestimmt. Durch geeignetes Auswählen dieser Abmessungen kann ein angemessen eingeengter Resonanzbereich über der Mesa-Anordnung gewährleistet werden, ohne daß es eines Ätzprozesses bedarf.
Claims (5)
1. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlasers mit
vergrabenem Heteroübergang, das folgende Schritte aufweist:
- Ätzen einer (100)-Fläche eines Substrats (1) entlang der
[011]-Richtung, um eine umgekehrte Mesa-Struktur
auszubilden;
- Aufwachsen einer ersten, unteren Mantelschicht (2) auf das
Substrat, die mit (111)-B-Flächen entlang der Mesa-Struktur
wächst;
- Aufwachsen einer aktiven Schicht (4) auf die (100)-Flächen
der unteren Mantelschicht, wobei in der aktiven Schicht auf
den (111)-B-Flächen der ersten, unteren Mantelschicht
Unterbrechungen hervorgerufen werden;
- Aufwachsen einer zweiten, oberen Mantelschicht (5) auf
die in soweit aufgewachsenen Schichten, um diese vollständig
abzudecken;
- Aufwachsen einer Deckschicht (6) auf die zweite, obere
Mantelschicht;
- Ausbilden einer ersten Elektrode (8) und
- Ausbilden einer zweiten Elektrode (9) auf der derjenigen
Fläche des Halbleitersubstrats, die von der Fläche abgewandt
ist, auf der die genannten Schichten aufgewachsen sind;
- wobei
- alle Kristallwachstumsschritte durch MOCVD ausgeführt
werden und
- eine Isolierschicht (7) vor dem Ausbilden der ersten
Elektrode auf der Deckschicht mit einem Kanal (7a) ausgebildet
wird, der durch die Isolierschicht (7) an einer Position
geht, die der umgekehrten Mesa-Struktur zugewandt ist und an
dieser entlangläuft, durch welchen Kanal die erste Elektrode
einem Abschnitt der aktiven Schicht über der umgekehrten
Mesa-Struktur gegenüberstehen kann, wodurch dazwischen ein
Resonatorbereich gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Halbleitersubstrat (1) aus einer n-111-V-Verbindung
verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die erste, untere Mantelschicht (2) aus n-AlxGa1-xAs und die
zweite, obere Mantelschicht (5) aus p-AlxGa1-xAs besteht.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die aktive Schicht (4) aus AlyGa1-yAs besteht, mit x > y.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß eine optische Wellenleiterschicht (3) auf
die (100)-Flächen der ersten, unteren Mantelschicht (2)
aufgewachsen wird und daß die aktive Schicht (4) auf diese
optische Wellenleiterschicht (3) aufgewachsen wird.
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