DE68909632T2

DE68909632T2 - Halbleiterlaser-Vorrichtung und deren Herstellungsverfahren.

Info

Publication number: DE68909632T2
Application number: DE89301262T
Authority: DE
Inventors: Masayuki C O Patent D Ishikawa; Yoshihiro C O Patent D Kokubun; Yukie C O Patent Div Nishikawa; Koichi C O Patent Divisi Nitta; Yasuhiko C O Patent D Tsuburai
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-02-09
Filing date: 1989-02-09
Publication date: 1994-03-10
Anticipated expiration: 2009-02-10
Also published as: DE68909632D1; EP0328393A3; EP0328393A2; US4922499A; EP0328393B1; US4987097A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft lichtemittierende Halbleiteranordnungen und insbesondere eine Halbleiter- Laseranordnung zum Schwingenlassen eines Laserstrahls in einem sichtbaren Lichtbereich.
In neuerer Zeit ist unter Halbleiter-Laseranordnungen große Aufmerksamkeit einem Laser zum Emittieren eines Laserstrahls in einem sichtbaren Lichtbereich, z.B. eines roten Laserstrahls einer Wellenlänge von 670 - 680 Nanometer (nm), gewidmet worden. Beispielsweise besitzt ein Verstärkungswellenleitertyp-Halbleiterlaser zum Emittieren eines roten Lichtstrahls eine Gruppe III-V-Halbleiterschichtstruktur auf der Basis von Galliumarsenid (im folgenden als "GaAs" bezeichnet). Typischerweise weist diese Schichtstruktur einen Doppelheterostruktur auf, die aus einer ersten Überzugsschicht, gebildet aus einer N-Typ-Indium/Gallium/Aluminium/Phos phor-(im folgenden als "InGaAlp" bezeichnet)Schicht, die über einem GaAs-Substrat eines N-Leitungstyps geformt ist, einer auf der ersten Überzugsschicht geformten aktiven Schicht oder Aktivschicht und einer zweiten Überzugsschicht besteht, die durch eine auf der Aktivschicht erzeugte P-Typ-InGaAlP-Schicht gebildet ist.
Auf der zweiten Überzugsschicht geformte Stromsperrschichten sind durch N-Typ-GaAs-Schichten gebildet und legen eine langgestreckte, d.h. streifenförmige Wellenleiteröffnung fest. Eine P-Typ-GaAs-Kontaktschicht ist die Stromsperrschichten bedeckend ausgebildet. Die Kontaktschicht ist ausreichend dick ausgebildet, um ihre Oberseite im wesentlichen flach zu gestalten. Als Laserelektroden dienende leitfähige Schichten bzw. Leiterschichten sind auf den beiden gegenüberliegenden Flächen einer solchen Laser-Schichtstruktur geformt. Bei Anregung einer Anordnung einer solchen Struktur wird ein Strom durch den Abschnitt einer PN-invertierten Schicht zwischen den Stromsperrschichten und der zweiten Überzugsschicht, welcher der Öffnung entspricht, blockiert bzw. gesperrt, wodurch eine Laserstrahlschwingung längs der Länge der Öffnung geliefert wird (d.h. Schwingung eines streifenförmigen Laserstrahls).
Bei der beschriebenen Laserstruktur ist eine p-Typ-Halbleiterschicht zwischen der zweiten Überzugsschicht und den Stromsperrschichten geformt. Die P-Typ-Halbleiterschicht weist einen Bandabstand entsprechend einem Mittelwert zwischen den Bandabständen der zweiten Überzugsschicht und den Kontaktschichten auf. Diese Schicht wirkt zur Reduzierung einer Änderung im Bandabstand zwischen der zweiten Überzugsschicht und den Kontaktschichten; sie wird allgemein als "Mittel- oder Zwischenbandabstandsschicht" bezeichnet. Die Stromsperrschichten definieren die genannte Wellenleiteröffnung auf der Oberfläche der Zwischenbandabstandsschicht. Zur Ausbildung einer solchen Wellenleiteröffnung wird eine N-Typ-GaAs- Schicht, die im voraus auf der Zwischenbandabstandsschicht geformt wird, nach einer bekannten Ätztechnik geätzt.
Der herkömmliche Laser mit der beschriebenen Schichtstruktur (vgl. z.B. JP-A-62-200 784) krankt allerdings an folgendem Problem: Wenn Laserstrahlschwingung stattfinden soll, läßt eine unvollständige Stromsperrung in der Zwischenbandabstandsschicht einen Anregungsstrom sich in unerwünschter Weise in der Zwischenbandabstandsschicht in einer Quer- oder Lateralrichtung ausbreiten, wodurch der Schwingungswirkungsgrad eines Laserstrahls herabgesetzt wird.
Bei Verhinderung der "Stromausbreit"-Erscheinung müssen die Ladungs-Trägerdichten und Dicken der zweiten Überzugsschicht sowie der Zwischenbandabstandsschicht mit hoher Genauigkeit gesteuert oder eingestellt werden. Wenn die Trägerdichte (in) der Zwischenbandabstandsschicht zur Verhinderung einer "Stromausbreitung" verhindert wird, erhöht sich der Serien- oder Reihenwiderstand der Anordnung in unerwünschter Weise. Die Steuerung der Dicke der Zwischenbandabstandsschicht mit hoher Genauigkeit ist aus den im folgenden angegebenen Gründen schwierig. Beim Ätzen der N-(Typ-)GaAs-Schicht zur Ausbildung der Wellenleiteröffnung erweist es sich aufgrund des derzeitigen technischen Stands der Ätzverfahren als sehr schwierig, den Ätzverlauf genau an der Oberseite der darunter liegenden Schicht (d.h. der Zwischenbandabstandsschicht) zu stoppen. Wenn infolge ungenügender Ätzgenauigkeit ein Überätzen in der Zwischenbandabstandsschicht auftritt, kann eine anfänglich gesetzte bzw. vorgesehene richtige Dicke der Zwischenbandabstandsschicht nicht eindeutig erreicht werden. Da eine Überätzgröße im Fertigungsverfahren nicht notwendigerweise konstant ist, weist die Zwischenbandabstandsschicht auch dann, wenn ihre Dicke zum Ausgleichen einer Überätzgröße etwas größer als nötig eingestellt wird, in der fertiggestellten Anordnung nicht unbedingt eine optimale Dicke auf. Wenn die Anfangsdicke der Zwischenbandabstandsschicht bei jeder Anordnung geändert wird, verringert sich das Fertigungsausbringen. Wenn das Material oder der Werkstoff für die Zwischenbandabstandsschicht durch Gallium/Aluminium/Arsen- (GaAlAs-)- Material ersetzt wird, kann das Problem des "Überätzens" gelöst werden. Die Trägerdichte der Zwischenbandabstandsschicht nimmt dabei jedoch ab. Infolgedessen erhöht sich der Reihenwiderstand der Halbleiter-Laseranordnung, wodurch ein weiteres Problem aufgeworfen wird.
Eine Aufgabe dieser Erfindung ist damit die Schaffung einer neuen und verbesserten Halbleiter-Laseranordnung, bei welcher wirksam ein Blockieren oder Sperren eines Schwingungsstroms (oscillation current) erreicht werden kann und die sich mit hohem Fertigungsausbringen herstellen läßt.
Eine andere Aufgabe dieser Erfindung ist die Schaffung eines neuen und verbesserten Verfahrens zur Herstellung einer Halbleiter-Laseranordnung, nach welchem eine Halbleiter-Laseranordnung, die effektiv ein Sperren eines Schwingungsstroms zu bewirken vermag, mit hohem Fertigungsausbringen herstellbar ist.
Entsprechend den obigen Aufgaben richtet sich diese Erfindung gemäß einem Aspekt auf eine Halbleiter-Laseranordnung nach dem Anspruch 1. Dessen Gegenstand ist eine Halbleiter-Laseranordnung, umfassend:
ein Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps;
eine über (auf) dem Substrat angeordnete Doppelheterostruktur mit einer Aktivschicht sowie ersten und zweiten Überzugsschichten, welche die Aktivschicht zwischen sich einschließen und unterschiedliche Leitungstypen aufweisen, wobei die erste Überzugsschicht aus einem Halbleitermaterial des ersten Leitungstyps, die zweite Überzugsschicht aus einem Halbleitermaterial eines zweiten Leitungstyps besteht; eine auf der zweiten Überzugsschicht vorgesehene Halbleiterschicht des zweiten Leitungstyps; eine auf der Halbleiterschicht vorgesehene, den ersten Leitungstyp aufweisende Stromsperrschicht mit einer langgestreckten Öffnung; sowie eine den zweiten Leitungstyp aufweisende, die Stromsperrschicht und die Öffnung abdeckend angeordnete Kontaktschicht, wobei die Halbleiterschicht einen mittleren, zwischen den Bandabständen der zweiten Überzugsschicht und der Kontaktschicht liegenden Bandabstand aufweist und als Zwischenbandabstandsschicht wirkt; bei welcher die Zwischenbandabstandsschicht in einem der Öffnung entsprechenden ersten Bereich eine (Ladungs-)Trägerkonzentration, die ausreichend hoch ist, um einen in einem Schwingungsmodus der Anordnung injizierten Strom sich in diesem Bereich konzentrieren zu lassen, und in einem zweiten Bereich als dem Restabschnitt eine Trägerdichte aufweist, die ausreichend klein ist, um ein Ausbreiten des injizierten Stroms in den zweiten Bereich zu unterdrücken oder zu verhindern.
Andere Merkmale dieser Erfindung sind in den Ansprüchen 7 und 11 definiert.
Bei einer derartigen Anordnung kann sich der injizierte Strom praktisch nur im stark dotierten Bereich der Zwischenbandabstandsschicht konzentrieren. Ein schwingender Laserstrahl kann daher in einem Wellenleiterkanalbereich der Laseranordnung längs der Länge der Öffnung blockiert oder gesperrt werden. Als Ergebnis kann eine wirksame oder effektive Stromsperroperation vorgesehen sein, während ein Ansteig des Serien- oder Reihenwiderstands der Anordnung unterdrückt wird. Da zudem der stark dotierte Schichtbereich einfach dadurch hergestellt werden kann, daß die Zwischenbandabstandsschicht beim Halbleiterkristall-Aufwachsprozeß lediglich in zusätzlicher Weise mit einem ausgewählten Fremdatom bzw. Dotierstoff dotiert wird, läßt sich auch unter Berücksichtigung des derzeitigen Fertigungstechnikstands eine wirksame und wirtschaftliche Fertigung solcher Halbleiter-Laseranordnungen ohne große Schwierigkeiten realisieren.
Diese Erfindung nebst ihren Aufgaben und Vorteilen ergibt sich deutlicher aus der folgenden genauen Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform.
In der folgenden genauen Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Verstärkungswellenleitertyp- oder Gewinnführungs-Halbleiter-Laseranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2A bis 2E schematische Darstellungen von Hauptstrukturen, die in Hauptprozessen zur Fertigung der Halbleiter-Laseranordnung nach Fig. 1 erhalten werden,
Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung eines Kristallaufwachsofens, wie er bevorzugt für die Herstellung der Halbleiter-Laseranordnung nach Fig. 1 eingesetzt wird,
Fig. 4A eine graphische Darstellung eines Modells einer Bandstruktur an einer Heterogrenzfläche zwischen Kontakt- und Zwischenbandabstandsschichten einer nach normaler Fertigungstechnik hergestellten Halbleiter-Laseranordnung,
Fig. 4B eine graphische Darstellung eines Modells einer Bandstruktur an einer Heterogrenzfläche zwischen Kontakt- und Zwischenbandabstandsschichten einer nach einer verbesserten Fertigungstechnik gemäß dieser Erfindung hergestellten Halbleiter-Laseranordnung,
Fig. 5 eine auf Versuchen beruhende graphische Darstellung der Abhängigkeit der (Ladungs-)Trägerdichte einer P-InGaP-Zwischenbandabstandsschicht der Halbleiter-Laseranordnung gemäß der Ausführungsform dieser Erfindung von einer Kristallaufwachstemperatur, wobei auf der Ordinate die Trägerdichten von Zwischenbandabstandsschichten, die jeweils bei Aufwachstemperaturen Tg von 600ºC, 650ºC bzw. 700ºC erhalten wurden, und auf der Abszisse ein Verhältnis der molaren Strömungsmenge eines Dotierstoffs der Gruppe III zur molaren Strömungsmenge von DMZ (dieses Verhältnis steht für eine DMZ-Zuführströmungsmenge im Aufwachsofen) aufgetragen wird,
Fig. 6A bis 6F schematische Darstellungen von Hauptstrukturen aus Hauptprozessen der Fertigung einer Brechzahlführungswellenleitertyp-Halbleiter-Laseranordnung, die vom Halbleiterlaser nach Fig. 1 verschieden ist,
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Hauptteils einer laminierten Struktur bzw. Schichtstruktur eines Halbleiterlasers zur Erläuterung der Auslegung (designing) einer optimalen Größe des Halbleiterlasers gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform nach Fig. 1,
Fig. 8 eine auf Messung beruhende graphische Darstellung einer Änderung des Flachheitsgrads der Oberseite einer Kontaktschicht 30 als Funktion der Dicke L einer Stromsperrschicht,
Fig. 9A und 9B schematische Darstellungen jeweiliger Flachheitsgrade (flatnesses) von Kontaktschichten bei Halbleiterlasern, die unter verschiedenen Konstruktionsbedingungen erhalten wurden,
Fig. 10 eine auf Messung beruhende graphische Darstellung einer Änderung der Kurzschlußhäufigkeit oder -rate, wenn Halbleiterlaser mit Grundplatten schmelzverbunden werden oder sind, als Funktion der Dicke L der Stromsperrschicht und
Fig. 11 eine auf Messung beruhende graphische Darstellung einer Änderung der maximalen Betriebstemperatur (d.h. der Höchsttemperatur, bei der ein einwandfreier Betrieb eines Halbleiterlasers möglich ist) als Funktion der Dicke L der Stromsperrschicht.
In Fig. 1 ist ein Gewinnführungs(typ)-Halbleiterlaser gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung und mit einer Doppelheterostruktur zum Schwingenlassen (oscillating) eines roten Lichtstrahls allgemein mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Ein halbleitendes oder Halbleiter-Substrat 12 eines N-Leitungstyps ist ein Galliumarsenid-Substrat (im folgenden als "N-GaAs-Substrat" bezeichnet). Auf dem Substrat 12 ist als Pufferschicht eine N-GaAs-Schicht 14 erzeugt. Auf der N-GaAs- Pufferschicht 14 sind erste und zweite Überzugsschichten 16 bzw. 18 und eine dazwischen eingefügte aktive Schicht oder Aktivschicht 20 geformt, so daß eine Doppelheterostruktur gebildet ist. Bei dieser Ausführungsform ist die erste Überzugsschicht 16 eine N-In0,5(Ga0,3Al0,7)0,5P-Schicht. Die zweite Überzugsschicht 18 ist eine P-In0,5(Ga0,3Al0,7)-0,5P-Schicht. Die Aktivschicht 20 ist eine undtierte In0,5Ga0,5P-Schicht.
Eine auf der zweiten Überzugsschicht 18 geformte P-In0,5Ga0,5P-Schicht 22 dient als eine "Zwischenbandabstandsschicht". Auf der Zwischenbandabstandsschicht 22 ist eine Stromsperrschicht 24 so geformt, daß sie auf der Zwischenbandabstandsschicht 22 eine langgestreckte Öffnung 26 festlegt, die (im folgenden als "Wellenleiteröffnung" bezeichnet) zur Festlegung eines Wellenleiterkanals für einen schwingenden Laserstrahl in der Doppelheterostruktur dient. Es ist darauf hinzuweisen, daß ein Fremdatomdiffusionsbereich 28 (im folgenden als stark dotierter Diffusionsbereich oder einfacher als "stark dotierter Bereich" bezeichnet) in den Oberflächenbereichen der Zwischenbandabstandsschicht 22 und der Stromsperrschicht 24 durch Dotieren derselben mit einem Fremdatom bzw. Dotierstoff, z.B. Zink (Zn), des gleichen Leitungstyps wie bei der zweiten Überzugsschicht 18 geformt ist. Zur besseren Verdeutlichung der Anordnung nach Fig. 1 ist der stark dotierte Bereich 28 schraffiert dargestellt. Die Ladungs-Trägerkonzentration des stark dotierten Bereichs 28 ist um etwa das weifache größer als die der Zwischenbandabstandsschicht 22. Wenn bei der Laserstruktur gemäß Fig. 1 die Zwischenbandabstandsschicht 22 eine Dicke von 0,05 nm und eine Trägerkonzentration von 3 x 10¹&sup7;cm&supmin;³ aufweist, ist oder wird die Trägerkonzentration der stark dotierten Schicht 28 auf 1 x 10¹&sup8;cm&supmin;³ eingestellt. Auf der Stromsperrschicht 24 ist eine die Wellenleiteröffnung 26 bedeckende P-GaAs-Schicht 30 abgelagert, die als Kontaktschicht zur Gewährleistung eines ohmschen Kontakts dient. Auf den Oberflächen des Substrats 12 und der Kontaktschicht 30 sind jeweils leitfähige Schichten bzw. Leiterschichten 32 bzw. 34 erzeugt, die jeweils als P- bzw. N-Typ-Elektroden der Laseranordnung dienen.
Gemäß Fig. 1 ist die stark dotierte Schicht 28 am Oberflächenbereich der Stromsperrschicht 24 flach, während sie im Schichtabschnitt oder -bereich (in welchem ein injizierter Strom blockiert bzw. gesperrt wird) der an der Wellenleiteröffnung 26 freiliegenden Zwischenschicht 22 tief ist. Ein tiefer Abschnitt 28a der stark dotierten Schicht 28 ist ausreichend tief, um sich lokal bzw. örtlich zum Oberflächenbereich der unter der Zwischenbandabstandsschicht 22 befindlichen zweiten Überzugsschicht 18 zu erstrecken. Ein Überlappungsabschnitt des tiefen Bereichs 28a und der zweiten Überzugsschicht 18 besitzt eine Tiefe, die gleich groß oder kleiner ist als die eines flachen Abschnitts 28b der stark dotierten Schicht 28 an der Stromsperrschicht 24. Da die Trägerkonzentration der stark dotierten Schicht 28, wie oben beschrieben, das Zweifache oder mehr derjenigen der Zwischenbandsabstandsschicht 22 beträgt, ist die Trägerkonzentration der letzteren Schicht 22 im Stromsperrbereich (28a) vergrößert, während diejenige des restlichen Bereichs, der mit der Stromsperrschicht 24 bedeckt ist, verringert ist.
Wenn bei dieser Anordnung der Laser 10 durch Zuspeisung eines Treiberstroms (zu ihm) angeregt wird, wird der injizierte Strom in der Wellenleiteröffnung 26 durch eine durch die Stromsperrschicht 24 gebildete invertierte Schicht blockiert bzw. gesperrt. Als Ergebnis findet eine Laseremission auf der Länge der Öffnung 26 der Stromsperrschicht 24 in der undotierten InGaP-Aktivschicht 20 statt, wodurch eine rote Laserschwingung einer Wellenlänge von etwa 670 bis 680 nm gewährleistet wird.
Bei dieser Ausführungsform besitzt die Zwischenbandabstandsschicht 22 eine erhöhte Trägerkonzentration nur in dem an die Wellenleiteröffnung 26 anstoßenden bzw. angrenzenden zentralen Bereich 28a, während sie im restlichen Umfangsbereich eine verringerte Trägerkonzentration aufweist. Der injizierte Strom breitet sich somit nicht zum Schichtbereich der Zwischenbandabstandsschicht 22 unter der Stromsperrschicht 24 aus, und er kann sich effektiv praktisch nur im Wellenleiterkanalbereich der Laseranordnung konzentrieren, wodurch eine wirksame oder effektive Stromsperroperation gewährleistet wird. Die Verhinderung einer unerwünschten Ausbreitung oder auch Verteilung eines injizierten Stroms trägt in großem Maße zur Minimierung eines ineffektiven Energieverbrauchs und zu einer Erhöhung des Emissionswirkungsgrads bei. Die oben angegebene "ungleichmäßige Trägerkonzentration"-Charakteristik der Zwischenbandabstandsschicht 22 gewährleistet gleichzeitig die Verhinderung einer unerwünschten Erhöhung des Serien- oder Reihenwiderstands der Anordnung als Endergebnis.
Darüber hinaus kann die Anordnung gemaß dieser Ausführungsform unter Anwendung derzeit verfügbarer Fertigungstechniken wirksam bzw. wirtschaftlich mit hohem Fertigungsausbringen hergestellt werden. Dies ist deshalb der Fall, weil eine effektive Stromsperrung einfach dadurch realisiert werden kann, daß ein vorbestimmtes Fremdatom in die Zwischenbandabstandsschicht 22 und die Stromsperrschicht 24 dotiert bzw. eindiffundiert wird, um zusätzlich die stark dotierte Schicht 28 auszubilden. Mit anderen Worten: die Herstellung dieser Anordnung erfordert keine sorgfältige Einstellung bzw. Steuerung eines Ätzprozesses für genaue Dickeneinstellung der Zwischenbandabstandsschicht 22 und/oder sorgfältige anfängliche Dickenauslegung der Zwischenbandabstandsschicht 22 zum Kompensieren eines Überätzens. Der Umstand, daß Hochleistungs-Halbleiterlaser durch Hinzufügung nur eines Vorgangs des Eindiffundierens eines Fremdatoms oder Dotierstoffs herstellbar sind, ist für die Hersteller von Halbleiterlasern äußerst günstig.
Die Ausbildung der stark dotierten Schicht 28 einer ungleichmäßigen Tiefe in der Laserstruktur gemäß Fig. 1 kann effektiv und einfach unter Berücksichtigung des Stands der derzeit verfügbaren Fremdatom-Dotiertechniken erfolgen. Ein Herstellungsverfahren für den beschriebenen Laser ist nachstehend anhand der Fig. 2A bis 2F im einzelnen beschrieben.
Gemäß Fig. 2A wird eine Doppelheteroübergangsstruktur durch aufeinanderfolgendes Stapeln bzw. Übereinanderlegen der Pufferschicht 14, der ersten Überzugsschicht 16 einer Dicke von 1 um, der Aktivschicht 20 und der zweiten Überzugsschicht 18 einer Dicke von 1um auf dem Halbleitersubstrat 12 nach einem an sich bekannten metallorganischen chemischen Aufdampf- bzw. MOCVD-Verfahren bereitgestellt. Ein Kristallaufwachsprozeß für die Doppelheteroübergangsstruktur wurde bei einer Umgebungstemperatur von 700ºC durchgeführt, wobei in einem Doppelheteroübergangsbereich ausgezeichnete Kristalleigenschaften erzielt wurden. Die Zwischenbandabstandsschicht 22 wird auf der zweiten Überzugsschicht 18 mit einer Dicke von 1 um geformt. Eine darunterliegende Schicht oder Unterlageschicht 40 zur Ausbildung der Stromsperrschicht 24 wird auf der Zwischenbandabstandsschicht 22 abgelagert. Bei dieser Ausführungsform ist die Schicht 40 eine 1 um dicke GaAs-Schicht des N-Leitungstyps. Anschließend wird eine Photoresistschicht 42 auf die Schicht 40 aufgebracht. Gemäß Fig. 2A wird in der Photoresistschicht 42 nach an sich bekannter photolithographischer Technik eine streifenförmige Öffnung 44 ausgebildet.
Sodann erfolgt ein selektives Ätzen zum Aus- oder Wegätzen eines Teils der an der Öffnung 44 der Photoresistschicht 42 freiliegenden Unterlageschicht 40, um damit die Stromsperrschicht 24 mit der Wellenleiteröffnung 26 zu bilden (vgl. Fig. 2B). Zur Vervollständigung der Öffnung 26 der Stromsperrschicht 24, d.h. zum Freilegen der Oberseite der Zwischenbandabstandsschicht 22 über die Öffnung 26 in einem ausgezeichneten Zustand bei diesem Prozeß, wird als Ätzlösung für die Zwischenbandabstandsschicht 22 eine Ätzlösung benutzt, die einen Ätzgrad aufweist, der von dem einer Ätzlösung für die Unterlageschicht 40 zur Ausbildung der Stromsperrschicht 24 verschieden ist. Als eine derartige Ätzlösung wird bevorzugt eine Mischlösung benutzt, die durch Vermischen von Schwefelsäure, Wasserstoffperoxid und Wasser in einem Volumenverhältnis von 8 : 1 : 1 zubereitet worden ist.
Gemäß Fig. 2C wird sodann die Photoresistschicht 42 nach an sich bekannter Technik geätzt. Als Ergebnis werden die Oberfläche der Stromsperrschicht 24 und ein über die Öffnung 26 der Stromsperrschicht 24 freigelegter oder freiliegender Oberflächenbereich der Zwischenbandabstandsschicht 22 (nach außen hin) freigelegt. Anschließend wird eine laminierte Struktur bzw. Schichtstruktur 46 gemäß Fig. 2C auf einem tischförmigen Träger (susceptor) 50 montiert, der in einen Quarz-Reaktionskolben 51 eines in Fig. 3 gezeigten Reaktionsofens 52 eingesetzt ist, worauf die Struktur einem metallorganischen Aufwachsprozeß unterworfen wird. Bei dieser Ausführungsform wird als organisches Metall Zink (Zn) benutzt. Die Atmosphäre in der Reaktionskammer 52 wird auf einen Druck von 50 Torr evakuiert. Die Temperatur im Ofen 52 wird mittels einer externen Heizeinrichtung 54, bestehend aus einer Hochfrequenz-Heizspule, auf einer zweckmäßigen Rekristallisierungstemperatur von z.B. 600ºC gehalten. In diesem Prozeß wird eine vorbestimmte Menge an Dimethylzink (DMZ) als Material für ein organisches Metallfremdatom konstant oder ständig über einen Zuführstutzen 56 des Reaktionsofens 52 in Richtung eines Pfeils 58 der auf dem Tisch 50 befindlichen Struktur 46 zugeführt. Infolgedessen wird Zink in die Zwischenbandabstandsschicht 22 und den Oberflächenbereich der Stromsperrschicht 24 eindiffundiert, wodurch die in Fig. 2D durch eine gestrichelte Linie angegebene stark dotierte Schicht 28 erzeugt wird. Es ist darauf hinzuweisen, daß auch dann, wenn die Zuführmenge am Zink in den Ofen konstant ist, die Diffusionstiefe der Zwischenbandabstandsschicht 22 an der Öffnung 26 aufgrund einer Differenz in der Diffusionsrate oder -geschwindigkeit von Zink in die Zwischenbandabstandsschicht 22 und die Stromsperrschicht 24 natürlicherweise zunimmt. Genauer gesagt: da die Diffusionsgeschwindigkeit von Zink in die Zwischenbandabstandsschicht 22 größer ist als diejenige von Zink in die Stromsperrschicht 24, reicht die Diffusion im freigelegten Oberflächenbereich der Zwischenbandabstandsschicht 22 an der Öffnung 26 tief genug, um in die Oberfläche der Schicht 18 unterhalb der Schicht 22 zu reichen bzw. einzudringen. Wesentlich ist, daß keine spezifische Fertigungsprozeßsteuerung nötig ist, um eine solche Differenz der Diffusionstiefe der stark dotierten Schicht 28 zu realisieren.
Im Anschluß hieran wird auf der resultierenden Struktur im Reaktionsofen 52 eine Kontaktschicht 30 erzeugt, worauf der zweite Kristallaufwachsprozeß Rekristallisierungsaufwachsprozeß) abgeschlossen ist. Daraufhin wird die Gold-Zink-(AuZn-)Schicht 32 als P-Elektrode auf der Kontaktschicht 30 gezüchtet oder zum Aufwachsen gebracht, während die Gold-Germanium-(AuGe-)Schicht 34 als N-Elektrode auf dem Substrat 12 zum Aufwachsen gebracht wird (vgl. Fig. 2E). Als Ergebnis ist ein Gewinnführungs -Halbleiterlaser mit der stark dotierten Schicht 28 gemäß der Ausführungsform dieser Erfindung fertiggestellt.
Im zweiten Kristallaufwachsprozeß werden Dimethylzink (DMZ) als Material eines organischen Metallfremdatoms und Phosphin (PH&sub3;) vor dem Aufwachsprozeß der wiederaufwachsenden Kontaktschicht 30 (vor dem Temperaturanstieg) konstant bzw. ständig in den Reaktionskolben 51 eingeleitet. Die Parallelströmung von PH&sub3; unterdrückt die Verdampfung der Phosphorkomponente (P) aus dem Schichtbereich der P-InGaP-Zwischenbandabstandsschicht 22 an der Öffnung 26. Anschließend wird die Heizeinrichtung 54 aktiviert, um die Temperatur im Ofen auf eine Rekristallisations-Aufwachstemperatur zu erhöhen, wobei die Rekristallisationstemperatur auf 600ºC eingestellt wurde, was um 100ºC niedriger ist als die Aufwachstemperatur im ersten Kristallaufwachsprozeß. Weiterhin wurde die Zuführmenge an DMZ bei diesem Prozeß so eingestellt, daß sie praktisch gleich der DMZ-Zuführmenge beim Aufwachsen der P-InGaP-Schicht (Aktivschicht) 20 im ersten Kristallaufwachsprozeß war. Nachdem die Temperatur im Ofen 600ºC erreicht hat, wird Arsin (AsH&sub3;) anstelle von PH&sub3; in die Reaktionskammer 52 eingespeist, um damit die Kontaktschicht 30 gemäß Fig. 2E zu bilden. Durch die Erfinder vorliegender Erfindung bei einer Versuchsfertigung durchgeführte Experimente haben bestätigt, daß die Trägerkonzentration der Zwischenbandabstandsschicht 22 nach Abschluß des ersten Kristallaufwachsprozesses 3 x 10¹&sup7; cm&supmin;³ betrug, während die Trägerkonzentration des freiliegenden oder freigelegten Bereichs der Zwischenbandabstandsschicht 22 an der Öffnung 26 (d.h. die Trägerkonzentration der stark dotierten Schicht 28a) auf 2 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ erhöht war.
Um beim Herstellungsverfahren dieser Erfindung die Trägerkonzentration der Zwischenbandabstandsschicht 22 an der Wellenleiteröffnung 26 zu erhöhen, d.h. die stark dotierte Schicht 28 zu formen, in welcher die Diffusionstiefen der Stromsperrschicht 24 und der Zwischenbandabstandsschicht 22 voneinander verschieden sind, wird eine vorbestimmte Menge eines Fremdatoms (Zink) konstant bzw. ständig in den Reaktionsofen 52 eingespeist, in welchen die Doppelheteroübergangsstruktur eingesetzt ist. Dabei ist keine spezielle Dotiersteuertechnik nötig, um die stark dotierte Schicht 28 mit unterschiedlichen Diffusionstiefen zu realisieren. Dies ist deshalb der Fall, weil eine gewünschte stark dotierte Schicht 28 in der Halbleiterlaserstruktur einfach und genau lediglich dadurch erzeugt werden kann, daß die Differenz zwischen den Diffusionsgeschwindigkeiten des bei dieser Ausführungsform benutzten Fremdatoms (Zink) in die Stromsperrschicht 24 und die Zwischenbandabstandsschicht 22 genutzt wird. Der Halbleiterlaser gemäß dieser Ausführungsform dieser Erfindung läßt sich somit unter Berücksichtigung des Stands der derzeit verfügbaren Fertigungstechniken einfach und wirtschaftlich herstellen. Da außerdem im Fremdatom-Dotierprozeß auch Phosphin (PH&sub3;) in den Reaktionsofen 52 eingespeist wird, kann die Verdampfung von Phosphor aus der Zwischenbandabstandsschicht 22 über die streifenförmige Öffnung 26 unterdrückt werden. Dies führt zu einer Verbesserung der Güte einer Rekristallisations-Grenzfläche in der Schichtstruktur des Halbleiterlasers.
Bandstrukturen der Heteroübergangs-Grenzfläche zwischen der P-InGaP-Zwischenbandabstandsschicht 22 und der P-GaAs-Kontaktschicht 30 sind nachstehend anhand der Fig. 4A und 4B beschrieben, von denen Fig. 4A eine Bandstruktur zeigt, in welcher die Trägerkonzentration der Zwischenschicht 22 eine vergleichsweise kleine Größe von 1 x 10¹&sup7; cm&supmin;³ aufweist; Fig. 4B veranschaulicht eine Bandstruktur, in welcher die Trägerkonzentration der Zwischenbandabstandsschicht 22 auf 2 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ erhöht ist. In beiden Fällen ist die Trägerkonzentration der Kontaktschicht 30 auf 5 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ eingestellt. Wenn gemäß Fig. 4A ein Strom in einen Halbleiterlaser geleitet wird, bei dem die Trägerkonzentration einer als Zwischenbandabstandsschicht 22 dienenden P-InGaP-Schicht, wie durch den Pfeil angedeutet, niedrig ist, liegt ein großer "Einschnitt" an der Heterogrenzfläche zwischen der Kontaktschicht 30 und der Zwischenbandabstandsschicht 22 vor, wie dies durch eine Kurve 60 modellmäßig dargestellt ist. Dieser Einschnitt erzeugt eine Hall-Barriere. Durch letztere wird ein Spannungsabfall im Halbleiterlaser in unerwünschter Weise vergrößert, was zu einer Verringerung des Emissionswirkungsgrads des Halbleiterlasers führt. Bei einem Halbleiterlaser, bei dem die Trägerkonzentration der Zwischenbandabstandsschicht 22 vergrößert ist, ist dagegen ein Heterogrenzflächen-Einschnitt 62 zwischen der Kontaktschicht 30 und der Zwischenbandabstandsschicht 22 gemäß Fig. 4B verkleinert. Infolgedessen kann der unerwünschte Spannungsabfall minimiert sein. Dieser Umstand zeigt deutlich an, daß der Emissionswirkungsgrad eines Halbleiterlasers dadurch erhöht werden kann, daß die stark dotierte Schicht 28 in der Zwischenbandabstandsschicht 22 geformt und ihre Trägerkonzentration an der Wellenleiteröffnung 26 gemäß dieser Erfindung erhöht wird.
Wie oben beschrieben, muß beim Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers gemäß der Ausführungsform dieser Erfindung die Aufwachstemperatur im ersten Kristallaufwachsprozeß relativ hoch-eingestellt sein. Bei der oben beschriebenen Ausführungsform betrugt die Aufwachstemperatur im ersten Kristallaufwachsprozeß 700ºC. Mit einer solchen Aufwachstemperatureinstellung kann eine Doppelhetero-Übergangsstruktur auf InGaAlP-Basis einer hohen Kristallgüte erhalten werden. Wenn jedoch bei der beschriebenen Ausführungsform Zink (Zn) als P-Typ-Fremdatom oder -Dotierstoff benutzt wird, kann nicht erwartet werden, daß die Trägerkonzentration der P-InGaP-Zwischenbandabstandsschicht 22 durch einfache Erhöhung der Aufwachstemperatur zufriedenstellend erhöht werden kann, weil Zn einen hohen Verdampfungsdruck aufweist. Beim beschriebenen Fertigungsverfahren wird daher die Aufwachstemperatur im zweiten Kristallaufwachsprozeß, der das Aufwachsen der Kontaktschicht 30 einschließt, niedriger als für den Doppelheteroübergang eingestellt (z.B. 600ºC). In diesem Fall wird vor Einleitung des zweiten Kristallaufwachsprozesses Zn in den Ofen 52 eingeleitet, so daß Zn in den Abschnitt oder Bereich der Zwischenbandabstandsschicht 22, welcher die Wellenleiteröffnung 26 definiert, eindiffundiert. Mit einer solchen Anordnung kann die Trägerkonzentration der P-InGaP-Zwischenbandabstandsschicht 22 nach Bedarf ausreichend oder zweckmäßig erhöht werden, weil der Partialdruck von Zn im Ofen 52 höher wird als der Verdampfungsdruck von Zn in der Zwischenbandabstandsschicht 22, obgleich die Zn-Zuführmenge in den Ofen vor der Rekristallisierung derjenigen bei der Ausbildung der P-InGaP-Schicht (Zwischenbandabstandsschicht 22) gleich ist. Wenn die P-GaAs-Kontaktschicht 30 anschließend erneut auf der resultierenden Struktur zum Aufwachsen gebracht wird, kann ein Spannungsabfall an der Wiederaufwachsgrenzfläche (regrowth interface) außerordentlich stark verringert sein.
Wenn weiterhin beim oben beschriebenen Fertigungs- bzw. Herstellungsverfahren die Ofentemperatur auf die Aufwachstemperatur der wiederaufwachsenden Kontaktschicht 30 erhöht werden soll, wird gleichzeitig mit dem P- Fremdatom (Zn) Phosphin (PH&sub3;) in den Ofen 52 eingespeist. Damit kann die Verdampfung von Phosphor (P) aus der Zwischenschicht 22 an der streifenförmigen Öffnung 26 des Halbleiterlasers wirksam verhindert oder unterdrückt werden. Wahlweise wird anstelle von PH&sub3; Arsin (AsH&sub3;) vor dem Einleiten des Wiederaufwachsprozesses der P-GaAs-Kontaktschicht 30 in den Ofen 52 eingeführt. Mit dieser Arbeitsweise kann eine ausgezeichnete Wiederaufwachsgrenzfläche erhalten werden.
Fig. 5 ist eine auf Versuche gestützte graphische Darstellung der Abhängigkeit der Trägerkonzentration der P-InGaP-Zwischenbandabstandsschicht 22 des Halbleiterlasers von einer Aufwachstemperatur. In dieser graphischen Darstellung sind die Trägerkonzentrationen der Zwischenbandabstandsschichten 22, die jeweils bei Aufwachstemperaturen Tg von 600ºC, 650ºC und 700ºC erhalten wurden, auf der Ordinate aufgetragen, während die Verhältnisse der molaren Strömungsmengen eines Fremdatommaterials der Gruppe III zu den molaren DMZ-Strömungsmengen (gleich den DMZ-Zufuhrströmungsmengen in den Aufwachsofen 52) auf der Abszisse aufgetragen sind. Wie aus dieser graphischen Darstellung hervorgeht, wird bei einer Erhöhung der Aufwachstemperatur Tg die Verdampfung bzw. das Ausdampfen von Zn an der Oberfläche einer aufwachsenden Schicht begünstigt und damit die Trägerkonzentration der aufwachsenden Schicht verringert. Wenn beispielsweise die Aufwachstemperatur Tg von 600ºC auf 700ºC erhöht wurde, wurde die Trägerdichte auf etwa 1/5 herabgesetzt.
Wie vorstehend in Verbindung mit den Fig. 4A und 4B beschrieben, muß zur Unterdrückung eines unerwünschten Spannungsabfalls an der GaAs/InGaP-Heterogrenzfläche die Trägerkonzentration der als Zwischenbandabstandsschicht dienenden InGaP-Schicht 22 auf 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ oder mehr eingestellt werden. Um jedoch im ersten Kristallaufwachsprozeß am Halbleiterlaser eine ausgezeichnete Kristallgüte zu erzielen, muß die Kristallaufwachstemperatur auf 700ºC oder höher eingestellt werden. Demzufolge ist eine Zwischenbandabstandsschicht 22 einer Trägerkonzentration von 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ oder mehr schwierig aus zubilden. Aus diesem Grund ist in der Wiederaufwachsperiode (regrowth period) der Prozeß oder Vorgang der zusätzlichen Bewirkung einer Zn-Diffusion zwecks Erhöhung der Trägerkonzentration des die Wellenleiteröffnung 26 festlegenden Bereichs der Zwischenbandabstandsschicht 22 erforderlich.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers ist es sehr wichtig, die Rekristallisationstemperatur und die Zuführ- oder Speiseströmungsmenge eines P-Fremdatoms der Gruppe III (d.h. Zink bei dieser Ausführungsform) im Ofen bzw. in den Ofen während der Erhöhungsperiode der Ofentemperatur mit hoher Genauigkeit einzustellen oder zu regeln. Durch die Erfinder durchgeführte Versuche haben gezeigt, daß die Kristallaufwachstemperatur und die DMZ-Zuführströmungsmenge jeweils sorgfältig (genau) innerhalb spezifischer Bereiche, in denen eine Trägerkonzentration von 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ oder mehr erreicht werden kann, eingestellt werden müssen, und zwar unter Bezugnahme auf die Abhängigkeit der Trägerkonzentration von der Kristallaufwachstemperatur Tg gemäß Fig. 5, um die Trägerkonzentration der Zwischenbandabstandsschicht 22 durch zusätzliches Eindiffundieren von Zn in der Kristallaufwachsperiode auf 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ einzustellen. Wenn gemäß der graphischen Darstellung von Fig. 5 die Kristallaufwachstemperatur Tg im Wiederaufwachsprozeß beim Halbleiterlaser auf 650ºC eingestellt ist oder wird, muß die DMZ- Zuführströmungsmenge auf 1 oder mehr eingestellt werden. Wenn die Kristallaufwachstemperatur Tg auf 600ºC und die DMZ-Zuführströmungsmenge auf 0,4 oder höher eingestellt werden oder sind, kann eine Trägerkonzentration von 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ oder mehr erreicht werden. Indem die Kristallaufwachstemperatur Tg auf diese Weise auf einen niedrigen Wert von 600ºC eingestellt wird, wird der Bereich der DMZ-Zuführströmungsmenge, in welchem eine zweckmäßige Trägerkonzentration erzielbar ist, erweitert. Damit kann die Reproduzierbarkeit der resultierenden Zwischenbandabstandsschicht 22 des Halbleiterlasers verbessert werden. Wenn die Kristallaufwachstemperatur Tg weiter auf unter 600ºC erniedrigt wird, wird die Zersetzungswirksamkeit des Fremdatoms der Gruppe III (Zn) herabgesetzt. Es ist also (hierbei) schwierig, eine wiederaufwachsende oder Wiederaufwachsschicht einer ausgezeichneten Kristallgüte bereitzustellen.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers wurden auf der Grundlage der Analysebzw. Auswertungsergebnisse der Versuche (1) die Temperatur, bei welcher die P-GaAs-Kontaktschicht 30 im zweiten Kristallaufwachsprozeß erzeugt wurde, niedriger eingestellt als die Temperatur, bei welcher die Doppelheterostruktur im ersten Kristallaufwachsprozeß erzeugt wurde, und (2) DMZ in den Ofen 52 eingeleitet, bevor der Anstieg der Umgebungstemperatur im Ofen 52 für Wiederaufwachsen bis auf die Wiederaufwachstemperatur abgeschlossen war, so daß die Trägerkonzentration der als oberste Schicht der Doppelheterostruktur dienenden P-InGaP-Zwischenbandabstandsschicht 22 zweckmäßig eingestellt war oder wurde, um den oben angegebenen Bedingungen zu genügen. Als Ergebnis wurde ein unerwünschter Spannungsabfall aufgrund einer Banddiskontinuität zwischen der Zwischenbandabstandsschicht 22 und der Kontaktschicht 30 wirkungsvoll unterdrückt. Gleichzeitig wurden die Spannung/Stromcharakteristika des Halbleiterlasers und damit auch seine fundamentalen oder Grundelementcharakteristika verbessert.
Gemäß von den Erfindern durchgeführten Vergleichsversuchen besaßen Halbleiterlaser (herkömmliche Elemente), die durch Einstellung der Kristallaufwachstemperatur auf 700ºC während der gesamten ersten und zweiten Kristallaufwachsprozesse ohne Zuspeisung von DMZ hergestellt worden waren, eine Ausgangsleistung von 3 mW, eine Betriebs- oder Arbeitsspannung von 2,8 bis 3,5 V bei einer Betriebstemperatur von 25ºC und eine große Variation zwischen den einzelnen Lasereinheiten. Im Gegensatz dazu wurde bei dem unter Anwendung der beschriebenen Fertigungstechnik hergestellten Halbleiterlaser unter den gleichen Bedingungen eine Betriebsspannung von 2,3 V gemessen, wobei eine Variation zwischen den verschiedenen Elementen sehr gering war. Darüber hinaus waren auch die Temperatureigenschaften des Halbleiterlasers verbessert und seine Betriebslebensdauer verlängert.
Das oben beschriebene erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist auch auf die Herstellung eines Brechzahlführungs-Halbleiterlasers anwendbar, der von einem Gewinnführungslaser verschieden ist. Dieser Fall ist nachstehend anhand der Fig. 6A bis 6F im einzelnen beschrieben.
Gemäß Fig. 6A werden eine InGaAlP-Überzugsschicht 72, eine InGaP-Aktivschicht 74, eine erste P-InGaAlP-Überzugsschicht 76, eine P-InGaP-Ätzstopperschicht 78, eine zweite P-InGaAlP-Überzugsschicht 80, eine P-InGaP-Zwischenbandabstandsschicht 82 und eine P-GaAs-Kontaktschicht 84 nach einer an sich bekannten MOCVD-Methode aufeinanderfolgend auf einem N-GaAs-Substrat 70 unter Ausbildung einer Doppelheterostruktur gezüchtet bzw. zum Aufwachsen gebracht. Auf der Kontaktschicht 84 wird eine gemusterte Isolierschicht 86 erzeugt, die durch eine Siliziumdioxid-(SiO&sub2;-)Schicht gebildet sein kann.
Anschließend erfolgt ein Ätzen unter Verwendung einer gewählten Ätzlösung (z.B. Br&sub2; + HBr + H&sub2;O) und der Isolierschicht als Maske. Dabei werden die Zwischenbandabstandsschicht 82 und die Kontaktschicht 84 so geätzt, daß sie das gleiche zweidimensionale Muster wie die Maskenschicht 86 aufweisen (vgl. Fig. 6B). In Fig. 6B bezeichnen die Bezugsziffern 82' und 84' jeweils die geätzten Schichten 82 bzw. 84. Dabei wird die freiliegende Oberseite der zweiten Überzugsschicht 80 unterhalb der Schicht 82 lokal bzw. örtlich geätzt.
Das erhaltene Gebilde wird anschließend einem selektiven Ätzprozeß mittels heißer Phosphorsäure unterworfen. Dabei werden durch das Ätzen beide Seitenbereiche der zweiten Überzugsschicht 80 abgetragen, so daß ein Mesastreifenabschnitt eines trapezförmigen Querschnitts gemäß Fig. 6C erhalten wird. Die dem selektiven Ätzen unterworfene zweite Überzugsschicht 80 ist in Fig. 6C mit der Bezugsziffer 80' bezeichnet.
Anschließend wird gemäß Fig. 6D eine N-GaAs-Schicht 88 auf der Ätzstopperschicht 78 zum Wiederaufwachsen gebracht bzw. erneut gezüchtet (regrown), und zwar derart, daß sie die geätzten Seitenbereiche der zweiten Überzugsschicht 80 bedeckt. Die N-GaAs-Schicht 88 dient als Stromsperrschicht des Halbleiterlasers. Beim Wiederaufwachsen der Schicht 88 wurde ein Gemisch aus Trimethylgallium und Arsin als Quellengas benutzt. Dabei wurde kein Aufwachsen einer GaAs-Schicht auf der als Maskenschicht benutzten Isolierschicht 86 festgestellt.
Gemäß Fig. 6E werden die Maskenschicht 86 und die Kontaktschicht 84' nach an sich bekannter Technik abgetragen. Dabei wird der Oberseitenbereich der Stromsperrschicht 88 geringfügig entfernt oder abgetragen. Die dabei erhaltene Stromsperrschicht ist mit der Bezugsziffer 88' bezeichnet.
Gemäß Fig. 6F wird eine P-GaAs-Schicht 90 nach dem MOCVD-Verfahren erneut auf der resultierenden Struktur zum Aufwachsen gebracht. Die Schicht 90 dient als Kontaktschicht des Brechzahlführungs-Halbleiterlasers. Wenn die P-GaAs-Kontaktschicht 90 zum Aufwachsen gebracht werden soll, wird das oben beschriebene Gebilde auf dem Tisch 50 im Kristallaufwachsofen 52 (vgl. Fig. 3) plaziert. Dabei wurde, wie durch einen Pfeil 58 in Fig. 3 angedeutet, ein P-Typ-Fremdatom (Zn) konstant in den Ofen 52 eingeleitet, bevor das Kristallaufwachsen gestartet wurde; dies erfolgte auf die gleiche Weise wie bei der vorher beschriebenen Ausführungsform. Die Ofentemperatur wurde auf einen niedrigeren Wert als die Kristallaufwachstemperatur im ersten Kristallaufwachsprozeß zur Erzeugung der Doppelheteroübergangsstruktur, wie bei der vorher beschriebenen Ausführungsform, eingestellt. Ein auf diese Weise auf Versuchsbasis hergestellter Halbleiterlaser ist in Fig. 6F allgemein mit der Bezugsziffer 92 bezeichnet.
Bei dem auf diese Weise hergestellten Brechzahlführungs-Halbleiterlaser kann die Trägerkonzentration der P-InGaP-Zwischenbandabstandsschicht 82' zufriedenstellend erhöht sein oder werden, wobei eine ausgezeichnete Kristallgüte auf die gleiche Weise wie beim vorher beschriebenen Gewinnführungs-Halbleiterlaser erhalten bleibt. Ein unerwünschter Spannungsabfall aufgrund der Banddiskontinuität zwischen der Zwischenbandabstandsschicht 82' und der Kontaktschicht 90 kann damit unterdrückt oder verhindert werden. Dies bedeutet, daß das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren unter Gewährleistung der gleichen technischen Vorteile wirksam sowohl auf den Brechzahlführungs-Halbleiterlaser als auch den Gewinnführungs-Halbleiterlaser anwendbar ist.
Eine Anordnungsgrößeneinstellung des Halbleiterlasers gemäß der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform dieser Erfindung ist nachstehend beschrieben. Wenn der Halbleiterlaser Hilfsträger-montiert (sub-mounted) werden soll, wird die Laserstruktur gemäß Fig. 1 auf ein Baugruppensubstrat oder eine Basisplatte, etwa einen Schaft, aufgesetzt, wobei die Seite der P-Typ-Elektrode 32 nach unten weist (eine solche Montagemethode ist für den Fachmann als "P-Seiten-Abwärtsmethode" bekannt). Um dabei den Halbleiterlaser an der Basisplatte zu fixieren, wird ein Schmelzmittel benutzt. Im allgemeinen erstreckt sich ein Schmelzmittel in Kontakt oder Berührung mit den Seitenflächen der Struktur des Halbleiterlasers. Eine solche Erstreckung oder ein solcher Vorstand des Schmelzmittels ist unvorteilhaft, weil hierdurch ein Kurzschluß im Doppelheterostrukturabschnitt herbeigeführt wird. Zur Lösung dieses Problems können (1) die Dicke einer Schmelzmaterialschicht verringert oder (2) die Dicke der Kontaktschicht 30 auf einen größeren Wert als die Vorstandshöhe des Schmelzmittels vergrößert werden. Im ersteren Fall kann jedoch ein Trennen bzw. Ablösen des Halbleiterlasers von der Basisplatte auftreten, wodurch die Montagezuverlässigkeit beeinträchtigt wird. Im zweiten Fall erhöhen sich die Reihen- und thermischen Widerstände des Halbleiterlasers unter Beeinträchtigung der Grundelementcharakteristika.
Zur Lösung eines solchen Problems wird die Größe eines jeden Bauelements des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers so festgelegt, daß den folgenden Bedingungen genügt wird:
(1) Die Dicke der Stromsperrschicht 24 wird auf 0,5 bis 0,7 um eingestellt.
(2) Die Fremdatomkonzentration der stark dotierten Schicht 28 (Trägerkonzentration der Zwischenbandabstandsschicht 22 an der Wellenleiteröffnung 26) wird auf 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ bis 2 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ eingestellt; und
(3) die Dicke der Kontaktschicht 30 wird auf 3,3 bis 3,7 um eingestellt.
Die oben genannten, optimalen Entwurfs- oder Konstruktionsbedingungen wurden auf der Grundlage der Ergebnisse von durch die Erfinder vorliegender Erfindung durchgeführten Versuchen festgelegt.
Fig. 7 veranschaulicht schematisch im Schnitt einen Hauptteil des Halbleiterlasers gemäß dieser Erfindung. Wenn die Dicken der Kontaktschicht 30 und der Stromsperrschicht 34 jeweils mit "L" bzw. "M" und die Breite der Wellenleiteröffnung 26 mit "W" (vgl. Fig. 7) bezeichnet werden, gilt folgendes:
3,3 um ≤ L ≤ 3,7 um
0,5 um ≤ M ≤ 0,7 um (Obergrenze)
5 um ≤ W ≤ 7 um
Es ist darauf hinzuweisen, daß die Dicke und die Fremdatomdichte der Stromsperrschicht 24 durch die für diese Schicht 24 geforderte Durchbruchspannung bestimmt werden. Die Durchbruchspannung ist größer eingestellt als die Arbeits- oder Betriebsspannung (normalerweise 2,4 bis 3,0 V) des Halbleiterlasers. Zur Gewährleistung einer solchen Durchbruchspannung des Halbleiterlasers muß die Dicke M auf mindestens 0,5 um, vorzugsweise mehr eingestellt sein oder werden. Die Fremdatomkonzentration der Stromsperrschicht 24 wurde auf mindestens 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ oder höher eingestellt. Vom Standpunkt des Fertigungsverfahrens werden Dicke und Fremdatomkonzentration der Stromsperrschicht 24 bevorzugt minimiert. Unter Berücksichtigung dieses Punktes ist oder wird die Obergrenze der Dicke M der Stromsperrschicht 24 auf 0,7 um gesetzt, während die Obergrenze ihrer Fremdatomkonzentration insbesondere auf 2 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ gesetzt wird (dieser Wert kann mit den derzeit verfügbaren Dotiertechniken ohne weiteres realisiert werden).
Die Erfinder dieser Erfindung stellten Halbleiter(laser) auf einer Versuchsbasis unter verschiedentlicher Änderung der Dicke L der Kontaktschicht 30 auf der Grundlage der oben angegebenen Entwurfs- oder Konstruktionsbedingungen her. Dabei wurden der Flachheitsgrad, die Kurzschlußeigenschaften und die Betriebstemperatureigenschaften dieser Halbleiterlaser gemessen. Die Versuchsergebnisse sind nachstehend anhand der Fig. 8 bis 11 erläutert.
Fig. 8 zeigt in graphischer Darstellung eine Änderung des Flachheitsgrads der Oberseite der Kontaktschicht 30 als Funktion der Dicke L der Stromsperrschicht 24. Der Ausdruck "Flachheitsgrad" (flatness) wird durch die Größe einer in der Oberseite der Kontaktschicht 30 geformten oder gebildeten Vertiefung bestimmt: Der Flachheitsgrad beträgt "1", wenn die Oberseite der Kontaktschicht 30 vollkommen flach oder eben ist; der Flachheitsgrad beträgt "0", wenn die Größe einer Vertiefung der Dicke der Kontaktschicht 30 gleich ist. Wenn - wie aus Fig. 8 hervorgeht - die Dicke L der Kontaktschicht 30 kleiner ist als 3,3 um, ist ihr Flachheitsgrad kleiner als 1. In diesem Fall ist gemäß Fig. 9A eine Vertiefung 100 in der Oberseite der Kontaktschicht 30 in Übereinstimmung mit der Vertiefungsform der Wellenleiteröffnung 26 der Stromsperrschicht 24 gebildet. Wenn die Dicke L gleich groß oder größer ist als 3,3 um, erreicht der Flachheitsgrad der Kontaktschicht 30 den Wert 1. In diesem Fall ist die Oberseite der Kontaktschicht 30 gemäß Fig. 9B vollkommen flach bzw. eben.
Fig. 10 ist eine graphische Darstellung einer Änderung der Kurzschlußrate beim Schmelzverbinden von Halbleiterlasern mit Basis- oder Grundplatten als Funktion der Dicke L der Stromsperrschicht 24. Wenn gemäß dieser graphischen Darstellung die Dicke L der Kontaktschicht 30 kleiner ist als 3,3 um, ist ihre Kurzschlußrate erhöht. Wenn beispielsweise die Dicke L 2,5 um beträgt, übersteigt die Kurzschlußrate des Halbleiterlasers einen Wert von 50 %. Dies bedeutet, daß mehr als die Hälfte der hergestellten Halbleiterlaser fehlerhaft ist. Im Gegensatz dazu wurde festgestellt, daß die Kurzschlußrate der Halbleiterlaser nur dann zu Null wurde, wenn die Dicke L gleich groß oder größer war als 3,3 um.
Fig. 11 zeigt in graphischer Darstellung eine Änderung der maximalen Arbeits- oder Betriebstemperatur (d.h. einer maximalen Temperatur, bei der ein Halbleiterlaser einwandfrei betrieben werden kann) als Funktion der Dicke L der Stromsperrschicht 24. Wenn gemäß dieser graphischen Darstellung die Dicke L der Kontaktschicht 30 größer ist als 3,7 um, fällt ihre (seine) maximale Betriebstemperatur von 80ºC stark ab. Im ungünstigen Fall wird die Laserschwingung des Halbleiterlasers beendet. Ein solcher Abfall der maximalen Betriebstemperatur wird dadurch verursacht, daß die thermischen und elektrischen Serien- bzw. Reihenwiderstände eines Halbleiterlasers mit zunehmender Dicke L der Kontaktschicht 30 ansteigen. Wenn die Dicke L gleich groß oder größer (bzw. kleiner) ist als 3,7 um, bleibt die maximale Betriebstemperatur des Halbleiterlasers in einem ausgezeichneten Zustand bei 80ºC.
Die Materialien bzw. Werkstoffe der die Doppelheterostruktur des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers bildenden Halbleiterschichten sind nicht auf die bei der oben beschriebenen Ausführungsform angegebenen beschränkt. Gemäß Fig. 1 ist beispielsweise bei der Anordnung nach der oben beschriebenen Ausführungsform die Zwischenbandabstandsschicht 22 durch die P-Typ-InGaP-Schicht gebildet. Die Schicht 22 kann jedoch wahlweise auch aus einer N-Typ-InGaP-Schicht oder einer undotierten InGaP- Schicht bestehen. Die Erfinder haben bereits festgestellt, daß bei Verwendung derartiger Materialien bzw. Werkstoffe die gleichen Wirkungen, wie in Verbindung mit der obigen Ausführungsform beschrieben, erzielbar sind. Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße Halbleiterlaser so abgewandelt werden, daß zusätzlich zwischen der Kontaktschicht 30 und der Elektrode 32 gemäß Fig. 1 eine stark dotierte GaAs-Schicht des gleichen Leitungstyps wie bei der Kontaktschicht 30 erzeugt wird. Die Erzeugung einer solchen zusätzlichen Kontaktschicht kann zu einer Verbesserung der elektrischen Übergangsoder Sperrschichteigenschaften der Elektrode 32 beitragen. Die zusätzliche Kontaktschicht läßt sich ohne weiteres auf der Kontaktschicht 30 im zweiten Kristallaufwachsprozeß am Halbleiterlaser, der im Aufwachsofen (vgl. Fig. 3) durchgeführt wird, durch erneutes Aufwachsen einer P&spplus;-Typ-GaAs-Schicht auf der Kontaktschicht 30 ausbilden.

Claims

1. Halbleiter-Laseranordnung (10), umfassend:

ein Halbleitersubstrat (12) eines ersten Leitungstyps; eine über (auf) dem Substrat angeordnete Doppelheterostruktur mit einer Aktivschicht (20) sowie ersten und zweiten Überzugsschichten (16, 18), welche die Aktivschicht zwischen sich einschließen und unterschiedliche Leitungstypen aufweisen, wobei die erste Überzugsschicht aus einem Halbleitermaterial des ersten Leitungstyps, die zweite Überzugsschicht aus einem Halbleitermaterial eines zweiten Leitungstyps besteht; eine auf der zweiten Überzugsschicht vorgesehen Halbleiterschicht (22) des zweiten Leitungstyps; eine auf der Halbleiterschicht vorgesehene, den ersten Leitungstyp aufweisende Stromsperrschicht (24) mit einer langgestreckten Öffnung (26); sowie eine den zweiten Leitungstyp aufweisende, die Stromsperrschicht und die Öffnung abdeckend angeordnete Kontaktschicht (30), wobei die Halbleiterschicht (22) einen mittleren, zwischen den Bandabständen der zweiten Überzugsschicht (18) und der Kontaktschicht (30) liegenden Bandabstand aufweist und als Zwischenbandabstandsschicht wirkt; dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenbandabstandsschicht (22) in einem der Öffnung entsprechenden ersten Bereich (28a) eine (Ladungs-)Trägerkonzentration, die ausreichend hoch ist, um einen in einem Schwingungsmodus der Anordnung injizierten Strom sich in diesem Bereich konzentrieren zu lassen, und in einem zweiten Bereich als dem Restabschnitt eine Trägerdichte aufweist, die ausreichend klein ist, um ein Ausbreiten des injizierten Stroms in den zweiten Bereich zu unterdrücken oder zu verhindern.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Trägerkonzentration des ersten Bereichs (28a) der Zwischenbandabstandsschicht mindestens das Zehnfache derjenigen des zweiten Bereichs der Zwischenbandabstandsschicht beträgt.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerdichte des ersten Bereichs (28a) der Zwischenbandabstandsschicht nicht weniger als 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ beträgt.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenbandabstandsschicht den zweiten Leitungstyp aufweist, welcher dem der zweiten Überzugsschicht gleich ist.

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenbandabstandsschicht den ersten Leitungstyp aufweist, welche dem der zweiten Überzugsschicht entgegengesetzt ist.

6. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenbandabstandsschicht aus einem undotierten Halbleitermaterial besteht.

7. Verstärkungswellenleiter(typ)-Halbleiterlaser (10) zum Schwingenlassen von sichtbarem Licht, umfassend: ein auf einem Element der Gruppe(n) III-V basierendes Halbleitersubstrat (12) eines ersten Leitungstyps; eine auf einem Element der Gruppe(n) III-V basierende, über dem Substrat vorgesehene erste Halbleiter-Überzugsschicht (16) des ersten Leitungstyps; eine auf der ersten Überzugsschicht (16) vorgesehene, auf einem Element der Gruppe(n) III-V basierende Halbleiter-Aktivschicht (20); eine auf einem Element der Gruppe(n) III-V basierende, auf der Aktivschicht (20) vorgesehene zweite Halbleiter-Überzugsschicht (18) eines zweiten Leitungstyps, wobei die erste Überzugsschicht, die Aktivschicht und die zweite Überzugsschicht eine Doppelheterostruktur bilden; eine auf einem Element der Gruppe(n) III-V basierende, auf der zweiten Überzugsschicht vorgesehene Halbleiterschicht (22) des zweiten Leitungstyps; eine auf einem Element der Gruppe(n) III-V basierende, den ersten Leitungstyp aufweisende, auf der Halbleiterschicht vorgesehene Halbleiter-Stromsperrschicht (24) mit einer langgestreckten Wellenleiteröffnung (26); und eine auf einem Element der Gruppe(n) III-V basierende, den zweiten Leitungstyp aufweisende Halbleiter-Kontaktschicht (30), die so angeordnet ist, daß sie die Stromsperrschicht und die Öffnung abdeckt, wobei die Halbleiterschicht (22) einen mittleren, zwischen den Bandabständen der zweiten Überzugsschicht (18) und der Kontaktschicht (30) liegenden Bandabstand aufweist und als Zwischenbandabstandsschicht wirkt; dadurch gekennzeichnet, daß der Laser ferner umfaßt: eine den gleichen Leitungstyp wie die Zwischenbandabstandsschicht aufweisende, stark dotierte Fremdatomdiffusionsschicht (28), welche die Zwischenbandabstandsschicht (22) so überlappt, daß der größte Teil der stark dotierten Fremdatomdiffusionsschicht in einem ersten Bereich (28a) geformt ist, längs dessen Länge in der Doppelheterostruktur ein Wellenleiterkanal festgelegt ist und der mit der Öffnung (26) in Kontakt steht, wobei eine (Ladungs-)Trägerkonzentration des ersten Bereichs (28a) der Zwischenbandabstandsschicht (22) ausreichend hoch ist, um einen in einem Schwingungsmodus der Anordnung injizierten Strom sich im wesentlichen am ersten Bereich konzentrieren zu lassen, und eine Trägerdichte eines zweiten, vom ersten Bereich der Zwischenbandabstandsschicht verschiedenen Bereichs ausreichend klein ist, um ein Ausbreiten des injizierten Stroms in den zweiten Bereich zu unterdrücken oder zu verhindern.

8. Laser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenbandabstandsschicht (22) im ersten Bereich, in welchem die Zwischenbandabstandsschicht und die Diffusionsschicht einander überlappen, eine Trägerkonzentration aufweist, die das Zehnfache oder mehr derjenigen in ihrem zweiten Bereich beträgt.

9. Laser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsschicht (28) umfaßt: einen im ersten Bereich der Zwischenbandabstandsschicht (22) geformten ersten Diffusionsabschnitt (28a), der so tief geformt ist, daß er einen Oberflächenabschnitt der zweiten Überzugsschicht (18) unter der Zwischenbandabstandsschicht (22) überlappt, und einen in einem Oberflächenabschnitt der Stromsperrschicht (24) geformten zweiten Diffusionsabschnitt (28b), der flacher als der erste Diffusionsabschnitt (28a) (geformt) ist.

10. Laser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsschicht (28) ein Element der Gruppe II als in sie eindiffundiertes Metallfremdatom aufweist.

11. Verfahren zum Herstellen einer Halbleiter-Laseranordnung (10, 92) zum Schwingenlassen von sichtbarem Licht, umfassend die folgenden Schritte:

Erzeugen einer auf einem Halbleiter-Substrat (12) eines ersten Leitungstyps angeordneten Doppelheterostruktur durch Halbleiterkristallaufwachsen, wobei die Doppelheterostruktur eine Halbleiter-Aktivschicht (20) sowie die Aktivschicht zwischen sich einschließende und unterschiedliche Leitungstypen aufweisende, erste und zweite Überzugsschichten (16, 18; 76, 80) aufweist, die erste Überzugsschicht (16, 76) aus einem Halbleitermaterial des ersten Leitungstyps besteht, (und) die zweite Überzugsschicht (18, 80) aus einem Halbleitermaterial eines zweiten Leitungstyps besteht; durch Kristallaufwachsen erfolgendes Erzeugen einer Halbleiterschicht (22, 82) des zweiten Leitungstyps auf der zweiten Überzugsschicht; durch Kristallaufwachsen erfolgendes Erzeugen einer Halbleiter-Stromsperrschicht des ersten Leitungstyps mit einer langgestreckten Öffnung; und durch Kristallaufwachsen erfolgendes Erzeugen einer den zweiten Leitungstyp aufweisenden Halbleiter-Kontaktschicht (30, 90) in der Weise, daß sie die Stromsperrschicht und die Öffnung abdeckt, wobei die Halbleiterschicht (22) einen mittleren Bandabstand zwischen Bandabständen der zweiten Überzugsschicht (18) und der Stromsperrschicht (24) aufweist; dadurch gekennzeichnet, daß ein ausgewähltes Fremdatom im Kristall(auf)wachsofen (52) vor dem Kristallaufwachsen der Kontakt schicht (30, 90) so zugeführt wird, daß das Fremdatom zumindest örtlich in die Halbleiterschicht (22, 82) eingeführt wird zwecks Erhöhung einer (Ladungs-)Trägerkonzentration derselben auf eine Trägerdichte in einem ersten, die Öffnung festlegenden Bereich (28a), die ausreichend groß ist, um einen in einem Schwingungsmodus der Anordnung injizierten Strom sich an diesem Bereich konzentrieren zu lassen, und so daß sie in einem zweiten Bereich als Restabschnitt eine Trägerdichte aufweist, die ausreichend klein ist, um ein Ausbreiten des injizierten Stroms in den zweiten Bereich zu unterdrücken oder zu verhindern; und daß die Kontaktschicht (30, 90) durch Kristallaufwachsen erzeugt wird, nachdem die Ofentemperatur auf eine Kristallaufwachstemperatur der Kontaktschicht erhöht (worden) ist, die niedriger ist als die Kristallaufwachstemperatur der Doppelheterostruktur.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Fremdatom zusammen mit Phosphin in den Ofen (ein)geleitet und beim Erzeugen der Kontaktschicht (30, 90) zusammen mit Arsin in den Ofen geleitet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Fremdatom im wesentlichen konstant in den Ofen geleitet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Fremdatom Zink beinhaltet.

15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppelheterostruktur zusammen mit der Halbleiterschicht (82) zur Bildung eines Mesastreifens, der mit der Stromsperrschicht (88) verbundene Seitenendabschnitte aufweist, geätzt wird.