DE3888575T2 - Lichtemittierende Vorrichtung. - Google Patents

Lichtemittierende Vorrichtung.

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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft das Gebiet lichtemittierender Vorrichtungen oder Bauelemente, spezieller ein lichtemittierendes Bauelement, das zur Verwendung bei der optischen Kommunikation und bei optischen Messungen geeignet ist. Zu erfindungsgemäßen lichtemittierenden Bauelementen gehören Halbleiterlaser und verschiedene lichtemittierende Dioden.
    • Beschreibung des Standes der Technik
  • Es ist wohlbekannt, daß dann, wenn Zn, Ga oder Si örtlich in einen mehrschichtigen Ultradünnfilm aus InAlAs mit verschiedenen Zusammensetzungen eindiffundiert oder ionenimplantiert werden und dann eine Wärmebehandlung folgt, die Elementarbestandteile aufgrund der Diffusion des Zusatzelements eine wechselseitige Wanderung ausführen, wodurch ein Film mit im Mittel gleichmäßiger Zusammensetzung erhalten werden kann. Dies wird als diffusionsbedingte "Fehlordnungsbildung" bezeichnet. Ein lichtemittierendes Bauelement mit einer Struktur, bei der die optische Verteilung unter Verwendung der Brechungsindices zwischen dem Abschnitt mit dem mehrschichtigen Film und dem Abschnitt gleichförmiger Zusammensetzung unter Verwendung der oben angegebenen Fehlordnungsbildung eingegrenzt wird, wurde beschrieben. Siehe z.B. Appl. Phys. Lett. 45 (1984), S. 1-3. Es handelt sich um ein wirkungsvolles Verfahren zum Erzielen einer brechungsindexbedingten Eingrenzungsstruktur mit Hilfe eines Planarprozesses wie Diffusion und Ionenimplantation.
  • Bei einem optischen Kommunikationssystem ist ein lichtemittierendes Bauelement mit einer Wellenlänge im Bereich von 1,1 bis 1,6 um von besonderer Bedeutung, jedoch ist es nicht einfach, Fehlordnungsbildung unter Verwendung eines Materials aus dem InGaAsP-System zu erzielen, das in diesem Wellenlängenband in weitem Umfang verwendet wird. Daher entstand die Schwierigkeit, daß die Eingrenzung der optischen Verteilung unter Nutzung der Fehlordnungsbildung nicht bei Verwendung des Wellenlängenbandes von 1,1 - 1,6 um realisiert werden kann.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Im Verlauf der untersuchungen an lichtemittierenden Bauelementen mit einer Emissionswellenlänge hauptsächlich im Band von 1,1 bis 1,6 um haben die Erfinder herausgefunden, daß unter Verbindungshalbleitern im In-System, die in enger Beziehung zum oben angegebenen Wellenlängenband stehen, die Verbindungshalbleiter, deren Diffusion das Erzeugen von Fehlordnungsbildung extrem erschwert, auf solche beschränkt sind, die P als einen ihrer Elementarbestandteile enthalten, wie InP, InGaP, InGaAsP, InAlAsP usw. begrenzt sind. Anders gesagt, haben die Erfinder herausgefunden, daß P als einer der Elementarbestandteile von Verbindungshalbleitern dasjenige Element ist, das Fehlordnungsbildung einer Mehrschicht-Filmstruktur solcher Verbindunggshalbleiter beachtlich stört.
  • Auch wenn P nicht vorhanden ist, ist Lichtemission im Band von 1,1 bis 1,6 um dadurch möglich, daß die Zusammensetzung und Dicke des auf einem InP-Substrat aufgewachsenen Mehrschichtfilms, wie InAlAs/InGaAs, InAlAs/InGaAlAs, InGaAlAs/InGaAs und dergleichen eingestellt wird, und daß dann, wenn der mehrschichtfilm In jedoch nicht P enthält, Fehlordnungsbildung durch Diffusion wie auch Lichtemission im Band von 1,1 bis 1,6 um möglich werden.
  • Wenn Zn, Si, Al, Ga oder ein ähnliches Element eindiffundiert wird, tritt Wanderung der Elementarbestandteile in einem Mehrschichtfilm mit einer Dicke von 10 bis 20 nm auf, so daß der Mehrschichtfilm im Mittel einen Film mit gleichförmiger Zusammensetzung bildet. Ein solches Phänomen tritt jedoch kaum auf, wenn P im Mehrschichtfilm vorhanden ist. Andererseits ist InGaAsP eines der vielversprechendsten Materialien als Material mit einer Emissionswellenlänge im Band von 1,1 bis 1,6 um, jedoch haben die Erfinder festgestellt, daß Lichtemission unter Verwendung von InGaAlAs oder dergleichen möglich ist und daß Lichtemission in diesem Wellenlängenband in einem Mehrschichtfilm eines ultradünnen Films aus InAlAs//InGaAs oder dergleichen möglich ist, anders gesagt auch in einer sogenannten "Quantentrogstruktur", und zwar durch Einstellen der Dicke der InGaAs-Schicht oder dergleichen. Die Erfindung wird auf Grundlage dieser Erkenntnisse offenbart. Die oben angegebenen Materialien enthalten kein P, jedoch enthalten alle jeweils In. Wenn diese Materialien verwendet werden, wird Fehlordnungsbildung durch Diffusion oder durch Ionenimplantation der Elemente erzeugt und optische Eingrenzung durch die Brechungsindexunterschiede möglich.
  • Gemäß einer Erscheinungsform der Erfindung wird ein lichtemittierendes Bauelement angegeben, das aus Verbindungshalbleitern besteht, die In als einen ihrer Elementarbestandteile aber im wesentlichen kein P enthalten, und die eine Mehrfilmstruktur aufweisen, die Teil des Bereichs oder der Bereiche ist, die durch Fremdstoffdiffusion fehlgeordnet werden. Zu derartigen lichtemittierenden Bauelementen gehören hinsichtlich der die Mehrschicht-Filmstruktur bildenden Verbindungshalbleiterternäre oder Quartäre III-V-Verbindungen aus dem In-System wie InGaAs, InGaAlAs, InAlAs, InGaSb, InGaAlSb, InAlSb und dergleichen. Außer Zn, Ga und Si gehören zu Fremdstoffelementen, die durch Diffusion im gestörten Bereich der Mehrschicht-Filmstruktur vorhanden sind, diejenigen Elemente, die für übliche Fremdstoffdiffusion verwendet werden. Diffusion, Ionenimplantation und Dotierung unter Ausbildung der Mehrschicht-Filmstruktur stehen als Mittel zum Einführen der oben angegebenen Fremdstoffelemente in die Mehrschicht-Filmstruktur gehört eine Superlattice- oder Übergitterstruktur und eine sogenannte Quantentrogstruktur (sogenannter "MQW"). Die Fehlordnungsbildung bei der Mehrschicht-Filmstruktur ist am wirkungsvollsten, wenn der Film jeder Verbindungshalbleiterschicht, die die Mehrschicht-Filmstruktur bildet, 3 bis 20 nm, bevorzugter 5 bis 10 nm dick ist.
  • Ferner wird erfindungsgemäß ein lichtemittierendes Bauelement angegeben, das den oben angegebenen fehlgeordneten Bereich der Mehrschicht-Filmstruktur als Mantelbereich für optische Eingrenzung aufweist. Zu derartigen lichtemittierenden Baulementen gehören solche, bei denen der Mantelbereich für optische Eingrenzung getrennt von einer lichtemittierenden Schit vorliegt, und solche, bei denen der Mantelbereich als Teil eines Bereichs oder von Bereichen der lichtemittierenden Schicht angeordnet ist.
  • Einer der vorteile, den die Erfindung mit sich bringt, ist der, daß ein lichtemittierendes Bauelement geschaffen werden kann, das dazu in der Lage ist, auf einfache Weise einen fehlgeordneten Bereich einer Mehrschicht-Filmstruktur aus Verbindungshalbleitern im In-System auszubilden.
  • Ein anderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein lichtemittierendes Bauelement erhalten werden kann, das eine Wellenlänge von 1,1 bis 1,6 um aufweist, und das optische Eingrenzung unter Verwendung von Fehlordnungsbildung in der Mehrschicht-Filmstruktur erzielt.
  • Noch ein anderer Vorteil der Erfindung ist es, daß ein lichtemittierendes Bauelement geschaffen werden kann, das optische Eingrenzung unter Verwendung des Unterschieds der Brechungsindices der Halbleiterbereiche bewirkt, und das insbesondere für optische Kommunikation geeignet ist. Ein für optische Kommunikation geeignetes erfindungsgemäßes Bauelement kann einen Lichtstrahl ausgeben, der mit einer Wellenlänge im Band von 1,1 bis 1,6 um schwingt, es weist einen niedrigen Schwellenstrom auf und verfügt über hohe Selektivität der Schwingungsmoden.
  • Noch ein anderer Vorteil der Erfindung ist es, daß auf einfache Weise ein lichtemittierendes Bauelement zum Erzielen von Ladungsträgereingrenzung dadurch erhalten werden kann, daß der Unterschied von Energiebandlücken zwischen Halbleiterbereichen genutzt wird.
  • Die obigen und andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden dem Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlich.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Erfindung kann hinsichtlich verschiedener Teile und Anordnungen von Teilen oder hinsichtlich verschiedener Schritte und Anordnungen von Schritten verschiedene Formen einnehmen. Die Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung, sind jedoch nicht als die Erfindung begrenzend auszulegen.
  • Fig. 1 ist eine Darstellung der Querschnittsstruktur eines Halbleiterlasers;
  • Fig. 2 ist eine Darstellung der Querschnittsstruktur eines erfindungsgemäßen Halbleiterlasers; und
  • Fig. 3A und 3B sind Darstellungen von Querschnittsstrukturen einer lichtemittierenden Diode.
  • Fig. 1 zeigt die Querschnittsstruktur eines Halbleiterlasers in einer Ebene senkrecht zur Richtung des Resonatorraums eines Halbleiterlasers.
  • Eine Mantelschicht 102 aus p-InP (1 um dick), eine undotierte Übergitterschicht 103 aus InGaAlAs/InGaAs (InGaAlAs- Schicht = 10 nm dick; InAlAs = 10 nm dick; mit jeweils fünf Schichten), eine Mantelschicht 105 aus n-InP (1,5 um dick) und eine Anschlußschicht 106 aus n-InGaAs (0,5 um dick) werden aufeinanderfolgend durch MOCVD (chemische Abscheidung metallorganischer Verbindungen aus der Dampfphase) aufeinanderfolgend auf ein p-InP-Substrat 101 auflaminiert. Danach wird Zn durch selektive Diffusion in den Bereich 107 eindiffundiert. Da dabei ein Teil des Bereichs 111 der Übergitterschicht 104 durch Diffusion von Zink fehlgeordnet wird, wandelt sie sich in eine InGaAlAs-Schicht mit mittlerer Zusammensetzung um. Danach wird ein Isolierfilm 108 abgeschieden und im Vakuum wird eine Elektrode 109 aus AuGeNi-Au abgeschieden. Abschließend wird eine Cr-Au-Elektrode 110 im Vakuum auf der Rückseite des p-InP-Substrats 101 abgeschieden und der Gesamtaufbau wird durch Ritzen und Spalten in Chips zerlegt.
  • Wenn dafür gesorgt wird, daß durch dieses Bauelement ein Strom fließt, werden Ladungsträger in die InGaAs-Schicht der Übergitterschicht 103 injiziert und es wird Licht emittiert. Die Lichtemissionswellenlänge beträgt 1,55 um. Der Laserstrahl wird durch den Unterschied zwischen den Brechungsindices des Bereichs 103 und des Bereichs 104 eingegrenzt, und er zeigt die transversale Grundmode. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die injizierten Ladungsträger durch den Unterschied zwischen den Energiebandlücken der InGaAs-Schicht des Bereichs 103 und des Bereichs 104 eingegrenzt, was zu wirksamer Laserschwingung beiträgt.
  • Da der Bereich 111 des Übergitters, der durch Zn-Diffusion zu bearbeiten ist, kein P als Elementarbestandteil des Halbleiterkristalls enthält, erfolgt Zn-Diffusion bereitwillig. Daher können optische Eingrenzung und Ladungsträgereingrenzung wirkungsvoll bewirkt werden. Übrigens besteht die Möglichkeit, daß Spurenmengen von P im Bereich 111 vorhanden sind, wie die unerwartete Zumischung von P als Fremdstoff während des Wachstums der Übergitterschicht 104, jedoch stört dies bei der Erfindung nicht, solange P nicht als eines der Elemente vorhanden ist, die den Halbleiterkristall bilden. Der Fremdstoff wie Zn oder dergleichen kann in einer solchen Mehrschicht-Filmstruktur aus einem Halbleiter schnell diffundieren.
  • Es ist möglich, einen Halbleiterlaser mit größerer optischer Ausgangsleistung dadurch zu erhalten, daß eine optische Führungsschicht mit größerem Brechungsindex als demjenigen der Mantelschicht 104 oder 105 zwischen die aktive Schicht 103 und die Manteischicht 104 oder zwischen die aktive Schicht 103 und die Mantelschicht 105 in Fig. 1 eingebettet wird, und zwar durch Aufwachsen einer Verbindung wie n- oder p- InAlAs oder dergleichen.
  • Der Diffusionsbereich ist in einem Teil des Bereichs oder der Bereiche der aktiven Schicht des Halbleiterlasers angeordnet, jedoch ist die Erfindung hierauf nicht speziell begrenzt, sondern sie umfaßt solche Ausführungsbeispiele, bei denen andere Abschnitte fehlgeordnet sind. Das folgende repräsentiert ein Beispiel hierfür.
  • Nun wird die Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben. Auch Fig. 2 zeigt eine Querschnittsstruktur eines Halbleiterlasers in einer Ebene rechtwinklig zur Richtung des Resonatorraums des Halbleiterlasers.
  • Eine InP-Mantelschicht 202 aus n-InP (1 um dick), eine undotierte Übergitterschicht 103 aus InGaAsP/InP (InGaAsP = 10 nm dick; InP = 10 nm dick; jeweils aus fünf Schichten), eine InP-Mantelschicht 204 aus p-InP (0,2 um dick) und eine mit Si dotierte Übergitterschicht 205 aus InAlAs/InGaAs (InAlAs = 10 nm dick; InGaAs = 10 nm dick; jeweils aus zehn Schichten) werden aufeinanderfolgend durch MOCVD auf ein n-InP-Substrat 201 aufgewachsen. Danach werden Be-Ionen nur in den in der Zeichnung dargestellten Bereich 212 implantiert und es folgt eine Wärmebehandlung. In diesem Fall wird der Bereich 205, in den Be-Ionen implantiert sind nicht fehlgeordnet, jedoch werden die anderen Bereiche 211 aufgrund des eingeführten Si fehlgeordnet. Danach werden eine Mantelschicht 207 aus p-InP (1 um dick) und eine Anschlußschicht 208 aus p-InGaAs aufeinanderfolgend auflaminiert. Danach werden, nachdem eine Cr-Au-Elektrode 209 und eine AuGeNi-Au-Elektrode 210 im Vakuum abgeschieden wurden, Chips durch Ritzen und Spalten abgetrennt.
  • Wenn dafür gesorgt wird, daß ein Strom durch dieses Bauelement fließt, werden Ladungsträger in die InGaAsP-Schicht in der Übergitterschicht 203 injiziert und Licht wird emittiert. Der Laserstrahl wird aufgrund des Unterschieds zwischen den Brechungsindices des Bereichs 211 und des Bereichs 212 in den Bereich unter dem Bereich 212 eingegrenzt. Dieses Ausführungsbeispiel führt zum Vorteil, daß die Steuerung des Verhältnisses der Bestandteile, der Dicke oder der Anzahl von Schichten der Übergitterschicht 205 zum Erzielen eines gewünschten Brechungsindexunterschieds getrennt von der Steuerung für wirkungsvolle Laserschwingung oder der Wellenlängensteuerung vorgenommen werden kann. Ferner kann in diesem Fall die InGaAsP/InP-Übergitterschicht 203 als aktive Schicht aus einer einzigen Schicht aus InGaAsP bestehen (0,1 um dick).
  • Obwohl bei diesem Ausführungsbeispiel die Wärmebehandlung zur Diffusion von eingeführtem Si vor dem Aufwachsen der Mantelschicht 207 ausgeführt wird, ist es für den Fachmann offensichtlich, daß die Wärmebehandlung nach dem Aufwachsen der Mantelschicht 207 oder der Anschlußschicht 208 erfolgen kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Wärmebehandlung ohne Schwierigkeiten gleichzeitig mit dem Aufwachsen der Schichten wie der Halbleiterschicht 207 oder 208 erfolgen, die nach dem Aufwachsen der Übergitterschicht 205 auszubilden sind. Ferner kann auch bei diesem Ausführungsbeispiel auf dieselbe Weise wie beim vorigen die optische Ausgangsleistung durch Anordnen einer optischen Führungsschicht erhöht werden.
  • Der Fremdstoff wie Zn oder Si wird durch Diffusion oder Dotieren in die Mehrschicht-Filmstruktur eingeführt und durch anschließende Wärmebehandlung eindiffundiert, um Fehlordnung zu bewirken. Wie bereits beschrieben, ist es jedoch möglich, das Fremdstoffelement für die Fehlordnungsbildung durch Ionenimplantation in die Mehrschicht-Filmstruktur einzuführen und das Element durch anschließende Wärmebehandlung zu diffundieren, um Fehlordnungsbildung in der Mehrschicht- Filmstruktur zu erzielen. In diesem Fall können die Ionen des Fremdstoffelements z.B. nach dem Aufwachsen der Übergitterschichten 104, 205 implantiert werden. Es ist auch möglich, die Fremdstoffionen selektiv mit relativ hoher Energie in die Übergitterschicht zu implantieren, nachdem eine gesonderte Halbleiterschicht (z.B. 105 oder 106, oder 207 oder 208) auf der Halbleiterschicht 104, 205 ausgebildet ist.
  • Die oben angegebenen Ausführungsbeispiele repräsentieren den Fall, daß das erfindungsgemäße lichtemittierende Bauelement ein Halbleiterlaser ist.
  • Fig. 3A zeigt den Querschnitt einer über eine Endfläche emittierenden lichtemittierenden Diode in einer Ebene rechtwinklig zur lichtemittierenden Stirnfläche. In der Zeichnung wird das optische Ausgangssigna1 312 an der rechten Seite nach außen ausgegeben.
  • Eine n-InAlAs-Schicht 302 (Te-dotiert, 2 um dick), eine InGaAs/InAlAs-Mehrquantentrog-Schicht 303 (InGaAs-Schicht = 10 nm dick; InAlAs-Schicht = 10 nm dick; jeweils zehn Schichten werden abwechselnd aufeinanderlaminiert), eine p-InAlAs-Schicht 304 (Zn-dotiert, 2 um dick) und eine p- InGaAs-Schicht 305 (Zn-dotiert, 0,5 um dick) werden aufeinanderfolgend durch MOCVD oder MBE (Molekularstrahlepitaxie) auf ein n-InP-Substrat 301 (Sn-dotiert, 100 um dick) aufgewachsen. Danach wird Zn so in den Bereich 306 eindiffundiert, daß sich die Quantentrogschicht durch Fehlordnungsbildung in eine InGaAlAs-Schicht 307 mit mittlerer Zusammensetzung umwandelt. Danach werden eine p-Elektrode 308 und eine n-Elektrode 309 im Vakuum abgeschieden, und nicht reflektierende Schutzfilme 310, 311 aus Siliziumnitrid werden durch Sputtern auf der Stirnfläche aufgetragen. Bei dieser Struktur ist im Bereich 306 keine Quantentrogstruktur vorhanden, jedoch wird die InGaAlAs-Schicht 307 mit größerer verbotener Bandbreite als derjenigen der InGaAs-Schicht in der Quantentrogschicht 303 ausgebildet. Daher tritt selbst dann, wenn dafür gesorgt wird, daß Strom zwischen den Elektroden fließt, kaum Laserschwingung auf. Da die nichtreflektierenden Schutzfilme an den beiden Stirn lächen aufgetragen sind, tritt kaum optische Rückkopplung auf, was ebenfalls Laserschwingung hemmt. Daher ist es möglich, eine lichtemittierende Diode mit Stirnflächenemission mit hoher Ausgangsleistung zu erhalten. Es kann eine optische Ausgangsleistung von 3 mW ohne Laserschwingung erzielt werden, wenn dafür gesorgt wird, daß ein Strom von 100 mA fließt.
  • Das optische Ausgangssignal kann der oberen Seitenfläche oder der unteren Seitenfläche in Fig. 3 dadurch entnommen werden, daß mindestens eine der Elektroden 308 und 309 lichtdurchlässig ausgebildet wird, oder daß zum Entnehmen des optischen Ausgangssignals ein Ätzabschnitt angebracht wird. In diesem Fall kann eine höhere Ausgangsleistung dadurch erzielt werden, daß 310 und 311 durch Reflektionsfilme ersetzt werden. Der Diffusionsbereich 306 ist in der Zeichnung als rechtwinkliger Bereich dargestellt, jedoch besteht hierauf keine Beschränkung. Selbstverständlich ist es möglich, die Mehrschicht-Filmstruktur außer durch Diffusion und anschließende Wärmebehandlung auch durch Ionenimplantation oder Dotierung auszubilden, wie bereits beschrieben.

Claims (3)

1. Halbleiterlaser mit
einem Halbleitersubstrat (201),
einer auf dem Substrat (201) angeordneten ersten Mantelschicht (202),
einer auf der ersten Mantelschicht (202) angeordneten aktiven Schicht und
einer auf der aktiven Schicht (203) angeordneten zweiten Mantelschicht (204),
gekennzeichnet durch eine auf der zweiten Mantelschicht (204) angeordnete Superlattice-Schicht (212), die aus einem In, aber im wesentlichen kein P enthaltenden Verbundhalbleiter besteht, wobei auf beiden Seiten der Superlattice-Schicht (212) Gitterstörungsbereiche (211) angeordnet sind, die einen größeren Brechungsindex aufweisen als die Superlattice-Schicht.
2. Laser nach Anspruch 1, wobei die aktive Schicht (203) eine Superlattice-Struktur aufweist.
3. Laser nach Anspruch 1, wobei die Superlattice-Schicht (212) mehrere Si-dotierte InAlAs/InGaAs-Schichten umfaßt.
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