DE3923755A1 - Halbleiterlaser und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents
Halbleiterlaser und verfahren zu seiner herstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser, insbesondere einen dynamischen
Einmoden-Laser, und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Zur Erläuterung des Standes der Technik soll bereits hier auf Fig. 4 der
Zeichnung bezug genommen werden.
In Fig. 4a ist ein Schnitt durch einen herkömmlichen Einmoden-Halbleiter
laser dargestellt, wie er in "AppL. Phys. Lett. 49(18), 03. November 1986" be
schrieben wird. Fig. 4b zeigt einen Schnitt längs der Linie B-B′ in Fig. 4a.
Der Laserbaustein weist ein n-leitendes Substrat 11 aus InP auf, die eine p-
leitende InP-Stromsperrschicht 3 trägt. Eine n-leitende InP-Stromsperr
schicht 2 ist auf der Sperrschicht 3 angeordnet. Die Sperrschichten 2 und 3
sind durch eine V-förmige Nut 20 geteilt. Eine n-leitende InP-Hüllschicht 9
ist in der V-förmigen Nut 20 versenkt. Eine aktive Schicht 6 aus InGaAsP ist
auf der Hüllschicht 9 angeordnet. Eine p-leitende InP-Hüllschicht 4 über
deckt die aktive Schicht 6 und die Stromsperrschichten 2 und 3. Auf der p-
leitenden InP-Hüllschicht 4 ist in dem über der V-förmigen Nut liegenden
Bereich ein Beugungsgitter 8 ausgebildet. Eine p-leitende Kontaktschicht 12
aus InGaAsP ist über der Hüllschicht 4 angeordnet.
Das wesentliche Merkmal dieses herkömmlichen Halbleiterlaser-Elements
besteht darin, daß die aktive Schicht 6 in der V-förmigen Nut 20 versenkt
und das Beugungsgitter 8 auf der p-leitenden InP-Hüllschicht 4 angeordnet
ist. Zwar sind derartige sogenannte versenkte Sichelstrukturen (BC-Struktu
ren; BC = Buried Crescent) sowie V-Nut-Strukturen geeignet, die grundlegen
den Eigenschaften eines Halbleiterlasers zu verwirklichen, wie beispielsweise
niedriger Schwellenstrom, hohe Ausgangsleistung und Schwingung im we
sentlichen in Transversal-Mode, doch kann das Beugungsgitter nicht in der
Nut hergestellt werden. Aus diesem Grund wird bei dem herkömmlichen
Halbleiterlaser zunächst durch Epitaxie aus der Flüssigphase ein Fabry-Perot-
Halbleiterlaser mit einer V-Nut-Struktur hergestellt und das Beugungsgitter 8
durch elektronenstrahlunterstützte Anlagerung auf der zuletzt epitaktisch
aufgewachsenen p-leitenden InP-Hüllschicht 4 erzeugt. Der Abstand zwischen
dem Beugungsgitter 8 und der aktiven Schicht 6 beträgt dabei 0,7 µ.
Um eine Einmoden-Longitudinalschwingung zu erhalten, ist es erforderlich,
daß das Beugungsgitter und die aktive Schicht eng beieinander liegen. Der
optimale Abstand kann etwa 0,2 µ betragen. Bei dem oben beschriebenen Auf
bau des herkömmlichen Halbleiterlasers wird diese Bedingung jedoch nicht
erfüllt. Da das Beugungsgitter auf der zuletzt epitaktisch aufgewachsenen
Schicht (p-InP-Hüllschicht 4) erzeugt wird, ist das Beugungsgitter relativ
weit von der aktiven Schicht entfernt, und aus diesem Grund ist es schwie
rig, eine Einmoden-Longitudinalschwingung zu erhalten. Bei dem herkömm
lichen Halbleiterlaser wird deshalb ein Beugungsgitter 8 zweiter Ordnung
(mit einer Gitterperiode von 0,46 µ) verwendet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterlaser mit BC- oder
V-Nut-Struktur zu schaffen, bei dem sich das Beugungsgitter nahe an der ak
tiven Schicht befindet und mit dem sich eine stabile Einmoden-Longitudinal
schwingung durch ein Beugungsgitter erster Ordnung erreichen läßt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Halbleiterlaser mit
den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.
In Anspruch 2 wird ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleiterla
sers vorgeschlagen.
Erfindungsgemäß läßt man in einer Streifennut durch Epitaxie aus der Flüs
sigphase eine untere Hüllschicht aufwachsen, bis die Streifennut weitgehend
ausgefüllt ist. In einem metallorganischen chemischen Dampfniederschlags
verfahren (MO-CVD) oder durch Epitaxie aus der Dampfphase (VPE) läßt man
eine aktive Schicht und eine Wellenleiterschicht auf die untere Hüllschicht
aufwachsen, bis die Nut vollständig ausgefüllt ist. Das Beugungsgitter kann so
mit in einer Position in unmittelbarer Nähe der aktiven Schicht erzeugt wer
den. Hierdurch wird eine stabile Einmoden-Longitudinalschwingung in einem
Halbleiterlaser mit BC- oder V-Nut-Struktur erreicht, der sich durch einen
besonders niedrigen Schwellenstrom und eine hohe Ausgangsleistung aus
zeichnet.
Im folgenden wird anhand der Zeichnungen, die auch eine Darstellung zum
Stand der Technik enthalten, ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfin
dung näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 bis 3 Diagramme zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen
Herstellungsverfahrens für einen Halbleiterlaser, wobei
Fig. 3a einen Schnitt durch den aktiven Bereich des Laserbau
steins und Fig. 3b ein Schnitt längs der Linie A-A′ in Fig. 3a
ist; und
Fig. 4 einen Halbleiterlaser nach dem Stand der Technik.
Gemäß Fig. 1 ist in einer V-förmigen Nut 21 eines Halbleiterlaser-Bausteins
mit versenkter Sichelstruktur (BC-Struktur) oder V-Nut-Struktur eine p-lei
tende Hüllschicht 4 aus InP aufgewachsen, so daß sie die Nut annähernd aus
füllt. Der Laserbaustein weist ein Substrat 1 aus p-leitendem InP auf, der eine
Sperrschicht 2 trägt. Eine p-leitende InP-Stromsperrschicht 3 ist auf der
Sperrschicht 2 angeordnet. Die Sperrschichten 2 und 3 sind durch die Nut
21 geteilt. Gemäß Fig. 2 sind eine aktive Schicht 6 aus InGaAsP und eine
Wellenleiterschicht 7 aus InGaAsP, deren Brechungsindex kleiner ist als der
der aktiven Schicht 6, auf die p-leitende InP-Hüllschicht 4 aufgewachsen, so
daß die V-förmige Nut vollständig ausgefüllt wird. Wie aus Fig. 3 hervorgeht,
ist ein Beugungsgitter 8 auf der Wellenleiterschicht 7 und der p-leitenden
InP-Stromsperrschicht 3 ausgebildet, und auf dem Beugungsgitter 8 sind
eine n-leitende InP-Hüllschicht 9 und eine n-leitende InGaAsP-Kontakt
schicht 10 angeordnet.
Nachfolgend soll das Verfahren zur Herstellung des Halbleiterlasers erläutert
werden.
Zunächst läßt man in einem ersten Kristallwachstumsschritt die n-leitende
InP-Stromsperrschicht 2 und die p-leitende InP-Stromsperrschicht 3 durch
Epitaxie aus der Flüssigphase auf das p-leitende InP-Substrat 1 aufwachsen.
Anschließend wird eine Nut von einer Breite von 1 bis 2 µ photolithogra
phisch maskiert und durch Naß-Ätzen zu einer Tiefe von 4 bis 5 µ ausgeätzt.
Anschließend läßt man in einem zweiten Kristallwachstumsschritt die p-lei
tende InP-Hüllschicht 4 durch Epitaxie aus der Flüssigphase in der Nut auf
wachsen, bis die Nut weitgehend ausgefüllt ist. Da bei der Epitaxie aus der
Flüssigphase der Kristall vom Grund der Nut aus zu wachsen beginnt, füllt die
p-leitende InP-Hüllschicht 4 die Nut sichelförmig aus, und wenn die Hüll
schicht 4 bis in die Nähe des oberen Bereichs der Nut aufgewachsen ist, wird
die Oberschicht der Hüllschicht 4 eingeebnet, wird in Fig. 1 gezeigt ist. Das
Wachstum der p-leitenden InP-Hüllschicht 4 wird beendet, wenn die Dicke
einen Wert von 3,5 bis 4,5 µ erreicht. Zwar wächst die p-leitende InP-Hüll
schicht 4 in einem gewissen Ausmaß auch auf die p-leitende InP-Strom
sperrschicht 3 außerhalb der Nut auf, doch ist dies unschädlich, da die Hüll
schicht 4 und die Stromsperrschicht 3 vom gleichen Leitfähigkeitstyp sind
und die gleiche Zusammensetzung aufweisen. Anschließend läßt man, nach
dem ein isolierender SiN-Film 5 außerhalb der Nut aufgebracht wurde, die
aktive Schicht 6 aus InGaAsP und die InGaAsP-Wellenleiterschicht, deren
Brechungsindex kleiner ist als der der aktiven Schicht 6, auf die Hüllschicht
4 aufwachsen, bis die Nut vollständig ausgefüllt ist. Die Dicken der aktiven
Schicht 6 und der Wellenleiterschicht 7 betragen dabei jeweils 0,1 bis 0,2 µ.
Wenn die Wellenlänge der aktiven Schicht 6 1,3 µ beträgt, wird das Zusam
mensetzungsverhältnis des InGaAsP der Wellenleiterschicht 7 so gewählt,
daß die Wellenlängen der Wellenleiterschicht 7 1,1 µ beträgt, und in dem
Fall, daß die Wellenlängen der aktiven Schicht 1,55 µ beträgt, wird das Zu
sammensetzungsverhältnis des InGaAsP der Wellenleiterschicht 7 so ge
wählt, daß die Wellenlänge dieser Schicht 1,3 µ beträgt. Der wichtigste Vor
teil der Verwendung des metallorganischen chemischen Dampfnieder
schlagsverfahrens (MO-CVD) oder des Dampfphasen-Epitaxieverfahrens
(VPE) bei der Herstellung der aktiven Schicht 6 und der Wellenleiterschicht
7 besteht darin, daß man die aktive Schicht 6 und die Wellenleiterschicht 7
auf diese Weise mit hoher Reproduzierbarkeit und großer Einheitlichkeit auf
eine Dicke von 0,1 µ aufwachsen lassen kann. Weiterhin kann die Homologie
der Oberfläche der epitaktischen Wachstumsschicht nach der Flüssigphasen-
Epitaxie vermieden werden. Hierdurch wird in den nachfolgenden Verfah
rensschritten die Herstellung des Beugungsgitters 8 erleichtert. Anschlie
ßend wird nach Entfernen des SiN-Films 5 das Beugungsgitter hergestellt,
indem eine Schutzschicht aufplattiert und mit Hilfe eines photolithographi
schen Verfahrens oder durch Interferenzbelichtung mit der Gitterstruktur
versehen und geätzt wird. Da der Abstand zwischen dem Beugungsgitter 8
und der aktiven Schicht 6 nur 0,1 bis 0,2 µ beträgt, wird die Verwendung
eines Beugungsgitters erster Ordnung ermöglicht. Weiterhin ist das Beu
gungsgitter 8 auch auf der p-leitenden Stromsperrschicht 3 außerhalb
der Nut ausgebildet. Nach der Herstellung des Beugungsgitters 8 läßt man
nacheinander die n-leitende InP-Hüllschicht 9 und die n-leitende InGaAsP-
Kontaktschicht 10 durch Epitaxie aus der Flüssigphase oder durch Mo-CVD
aufwachsen.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird das Beugungsgitter
trotz der versenkten Sichelstruktur in unmittelbarer Nähe zu der aktiven
Schicht erzeugt. Hierdurch erhält man einen Halbleiterlaser mit niedrigem
Schwellenstrom und hoher Ausgangsleistung, der zu einer Longitudinal-Ein
modenschwingung fähig ist.
Zwar wurde in dem obigen Ausführungsbeispiel ein Laser mit versenkter Si
chelstruktur (BC-Struktur) beschrieben, doch ist die Erfindung mit den glei
chen vorteilhaften Wirkungen auch bei einem Laser mit V-Nut-Struktur an
wendbar.
Claims (2)
1. Halbleiterlaser mit:
einer p-n-p-n-Stromsperrschicht-Struktur (1, 2, 3, 9) auf einem Substrat (1) eines ersten Leitfähigkeitstyps und
einem in einer Streifennut (21) der Stromsperrschicht-Struktur versenkten aktiven Bereich (6),
gekennzeichnet durch
eine durch Epitaxie aus der Flüssigphase in der Streifennut (21) aufgewach sene untere Hüllschicht (4), die die Streifennut weitgehend ausfüllt, eine auf der unteren Hüllschicht (4) in der Streifennut ausgebildete aktive Schicht (6),
eine auf der aktiven Schicht (6) ausgebildete Wellenleiterschicht (7), die den verbliebenen Hohlraum der Streifennut vollständig ausfüllt, und
ein auf der Wellenleiterschicht (7) ausgebildetes Beugungsgitter (8).
einer p-n-p-n-Stromsperrschicht-Struktur (1, 2, 3, 9) auf einem Substrat (1) eines ersten Leitfähigkeitstyps und
einem in einer Streifennut (21) der Stromsperrschicht-Struktur versenkten aktiven Bereich (6),
gekennzeichnet durch
eine durch Epitaxie aus der Flüssigphase in der Streifennut (21) aufgewach sene untere Hüllschicht (4), die die Streifennut weitgehend ausfüllt, eine auf der unteren Hüllschicht (4) in der Streifennut ausgebildete aktive Schicht (6),
eine auf der aktiven Schicht (6) ausgebildete Wellenleiterschicht (7), die den verbliebenen Hohlraum der Streifennut vollständig ausfüllt, und
ein auf der Wellenleiterschicht (7) ausgebildetes Beugungsgitter (8).
2. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers mit einer p-n-p-n-
Stromsperrschicht-Struktur (1, 2, 3, 9) auf einem Substrat (1) eines ersten
Leitfähigkeitstyps und einem in einer Streifennut (21) der Stromsperr
schicht-Struktur versenkten aktiven Bereich (6), gekennzeichnet
durch die folgenden Verfahrensschritte:
Herstellen einer in der Streifennut (21) angeordneten und diese weitgehend ausfüllenden unteren Hüllschicht (4) durch Epitaxie aus der Flüssigphase,
Herstellen einer aktiven Schicht (6) und einer Wellenleiterschicht (7) auf der unteren Hüllschicht (4) in der Streifennut bis zum vollständigen Ausfüllen der Streifennut, durch Epitaxie aus der Dampfphase oder durch ein Mo-CVD- Verfahren und
Herstellen eines Beugungsgitters (8) auf der Wellenleiterschicht.
Herstellen einer in der Streifennut (21) angeordneten und diese weitgehend ausfüllenden unteren Hüllschicht (4) durch Epitaxie aus der Flüssigphase,
Herstellen einer aktiven Schicht (6) und einer Wellenleiterschicht (7) auf der unteren Hüllschicht (4) in der Streifennut bis zum vollständigen Ausfüllen der Streifennut, durch Epitaxie aus der Dampfphase oder durch ein Mo-CVD- Verfahren und
Herstellen eines Beugungsgitters (8) auf der Wellenleiterschicht.
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