DE3923755C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiters gemäß
dem Oberbegriff des Patentanspruchs, wie es aus der US-PS 46 44 552 bekannt ist.
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-
Halbleiterlaser dargestellt, wie er in "Appl. Phys. Lett. 49 (18), 03. November
1986, S. 1148 bis 1150" beschrieben ist. 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-
Stromsperrschicht 2 ist auf der Sperrschicht 3 angeordnet. Die
Sperrschichten 2 und 3 sind durch einen V-förmige Nut 20 geteilt. Eine n-
leitende InP-Hüllschicht 9 ist in der V-förmigen Nut 20 versenkt. Eine aktive
Schicht 6 aus InPGaAsP ist auf der Hüllschicht 9 angeordnet. Eine p-leitende
InP-Hüllschicht 4 überdeckt 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 Halbleiter-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. Ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Struktur ist in der US-PS
46 44 552 beschrieben. Die Hüllschichten und die aktive Schicht werden da
bei durch Epitaxie aus der Flüssigphase (LPE) erzeugt, wobei die aktive
Schicht die Querschnittsform einer Mondsichel annimmt. Zwar sind derarti
ge versenkte Sichelstrukturen (BC-Strukturen; BC=Buried Crescent) sowie V-
Nut-Strukturen geeignet, die grundlegenden Eigenschaften eines Halbleiter
lasers zu verwirklichen, wie beispielsweise niedriger Schwellenstrom, hohe
Ausgangsleistung und Schwingung im wesentlichen in Transversal-Mode,
doch kann das Beugungsgitter nicht in der Nut hergestellt werden. Aus
diesem Grund wird bei dem herkömmlichen Halbleiterlaser durch
Epitaxie aus der Flüssigphase ein Fabry-Perot-Halbleiterlaser mit einer V-Nut-
Struktur hergestellt und das Beugungsgitter 8 durch elektronenstrahlunter
stützte Anlagerung auf der zuletzt epitaktisch aufgewachsenen p-leitenden
InP-Hüllschicht erzeugt. Der Abstand zwischen dem Beugungsgitter 8 und
der aktiven Schicht 6 beträgt bei dem herkömmlichen Einmoden-Halbleiterlaser gemäß Fig. 4a 0,7 µm.
Um eine Einmoden-Longitudinalschwingung zu erhalten, ist es erforderlich,
daß das Beugungsfilter und die aktive Schicht eng beieinander liegen. Der
optimale Abstand kann etwa 0,2 µm 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 schwierig, ei
ne Einmoden-Longitudinalschwingung zu erhalten. Bei dem herkömmlichen
Halbleiterlaser wird deshalb ein Beugungsgitter 8 zweiter Ordnung (mit einer
Gitterperiode von 0,46 µm) verwendet.
In der GB-21 38 999 A ist das folgende Verfahren zur Herstellung eines Halb
leiterlasers beschrieben: in einem ersten Schritt werden die Hüllschichten
und die aktive Schicht durch LPE auf dem Substrat erzeugt, und die obere
Oberfläche er oberen Hüllschicht wird mit dem Beugungsgitter versehen.
Anschließend wird ein streifenförmiger Bereich des Beugungsgitters ma
skiert, und das Material außerhalb dieses Bereichs wird abgeätzt, so daß ei
ne Mesastruktur entsteht. Danach läßt man die Stromsperrschichten außer
halb des Mesabereiches durch LPE auf das Substrat aufwachsen, bis die Mesa
struktur schließlich vollständig in das umgebende Material eingebettet ist.
Auch bei den in dieser Weise hergestellten Halbleiterlasern ist jedoch der Ab
stand zwischen der aktiven Schicht und dem Beugungsgitter relativ groß, und
es wird mit einem Beugungsgitter zweiter Ordnung gearbeitet.
Der Erfidnung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung ei
nes Halbleiterlasers mit BC- oder V-Nut-Struktur anzugeben, dessen Beu
gungsgitter sich nahe an der aktiven Schicht befindet und mit dem sich eine
stabile Einmoden-Longitudinalschaltung durch ein Beugungsgitter erster Ord
nung erreichen läßt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch angegebe
nen Merkmale gelöst.
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 Figuren, 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 µm photolithogra
phisch maskiert und durch Naß-Ätzen zu einer Tiefe von 4 bis 5 µm 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 µm 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
Hüllschicht 4 und die Stromsperrschicht 3 vom gleichen Leitfähigkeitstyp
sind und die gleiche Zusammensetzung aufweisen. Anschließend läßt man,
nachdem 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 µm.
Wenn die Wellenlänge der aktiven Schicht 6 1,3 µm beträgt, wird das
Zusammensetzungsverhältnis des InGaAsP der Wellenleiterschicht 7 so
gewählt, daß die Wellenlängen der Wellenleiterschicht 7 1,1 µm beträgt, und in
dem Fall, daß die Wellenlängen der aktiven Schicht 1,55 µm beträgt, wird das
Zusammensetzungsverhältnis des InGaAsP der Wellenleiterschicht 7 so
gewählt, daß die Wellenlänge dieser Schicht 1,3 µm beträgt. Der wichtigste
Vorteil 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 µm 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.
Anschließend 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 µm beträgt, wird
die Verwendung eines Beugungsgitters erster Ordnung ermöglicht. Weiterhin
ist das Beugungsgitter 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 (1)
- Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers mit einer p-n-p-n- Stromsperrschicht-Struktur (1, 2, 3, 9) auf einem Substrat (I) eines ersten Leitfähigkeitstyps und einem in einer Streifennut (21) der Stromsperr schicht-Struktur (1, 2, 3, 9) versenkten aktiven Bereich (6), gekennzeichnet durch die folgenden Verahrensschritte:
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 (21) durch Epitaxie aus der Dampfphase oder durch ein MO-CVD- Verfahren und
Herstellen eines Beugungsgitters (8) auf der Wellenleiterschicht (7).
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