DE69115596T2 - Verfahren zur Herstellung einer optischen Halbleitervorrichtung - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer optischen Halbleitervorrichtung

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Description

    Verfahren zur Herstellung einer optischen Halbleitervorrichtung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Halbleiterbausteins und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Halbleiterbausteins, z. B. eines einzelnen Halbleiterlasers, einer Kombination aus einem optischen Halbleiterlaser und einem optischen Halbleitermodulator oder einem Wellenleiter, die in einem gemeinsamen Substrat integriert sind, zur Verwendung in einem optischen Kommunikationssystem, einem optischen Informationsverarbeitungssystem usw.
  • Für optische Halbleiterbausteine, z. B. Halbleiterlaser zur Verwendung in einem optischen Kommunikationssystem oder optischen Informationsverarbeitungssystem, werden höhere Leistungen und billige Herstellung zum öffentlichen Einsatz gefordert, weshalb ein solcher optischer Halbleiterbaustein aus einer großen Halbleiterscheibe in hoher Ausbeute hergestellt werden muß. Zur Erfüllung dieser Forderungen wird der optische Halbleiterbaustein durch ein Verfahren hergestellt, bei dem Kristallziehen durch Gasphasenepitaxie erfolgt, z. B. durch metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE), durch die ein epitaktisches Ziehen auf großer Fläche mit hoher Einheitlichkeit realisiert wird. Durch eine solche Gasphasenepitaxie kann ein Halbleiterlaser mit Quantenmuldenstruktur und solchen Kennwerten wie geringe Schwelle und Betrieb mit hoher Leistung oder schmalem Spektrum hergestellt werden.
  • In einem ersten herkömmlichen Verfahren zur Herstellung eines optischen Halbleiterbausteins wird eine Doppelheterostruktur (DH-Struktur), die aus einer n-InP-Mantelschicht, einer InGaAsP-Aktivschicht und einer p-InP-Mantelschicht besteht, auf einem n-InP-Substrat ausgebildet. Danach wird eine SiO&sub2;-Schicht auf der p-InP-Mantelschicht ausgebildet und zu Streifen strukturiert, die jeweils 2 µm breit sind. Anschließend wird die DH-Struktur mit Ausnahme des durch die SiO&sub2;- Schicht maskierten Gebiets mesa-geätzt, bis die Oberfläche des n-InP-Substrat freiliegt. Die Breite der verbleibenden Aktivschicht, die so dem Mesa-Ätzen unterzogen wurde, wird 1,5 µm, wodurch die transversale Grundmode stabil gehalten werden kann. Im Anschluß daran werden eine vergrabene p-InP- und n-InP-Schicht in dieser Reihenfolge auf die freiliegende Oberfläche des n-InP-Substrats abgeschieden, um die durch das Mesa-Ätzen auf beiden Seiten der verbleibenden Doppelheterostruktur gebildeten Furchen zu verfüllen. Abschließend werden nach Entfernen der SiO&sub2;-Schicht eine p-InP-Schicht und eine p&spplus;-InGaAs-Deckschicht in dieser Reihenfolge abgeschieden, um die hergestellte Oberfläche des n-InP-Substrats zu bedecken.
  • In einem zweiten herkömmlichen Verfahren zur Herstellung eines optischen Halbleiterbausteins wird eine DH-Struktur, die aus einer ersten Mantelschicht, einer Aktivschicht und einer zweiten Mantelschicht besteht, auf einem Substrat ausgebildet. Danach wird eine SiO&sub2;-Schicht ausgebildet und zu Streifen mit jeweils vorbestimmter Breite strukturiert. Anschließend wird die DH-Struktur mit Ausnahme des durch die SiO&sub2;-Schicht maskierten Gebiets mesa-geätzt, bis die Oberfläche des n-InP-Substrats freiliegt. Nach Entfernen der SiO&sub2;- Schicht werden danach eine dritte Mantelschicht und eine Deckschicht in dieser Reihenfolge abgeschieden, um die hergestellte Oberfläche des n-InP-Substrats mit der DH-Struktur zu bedecken. Abschließend wird ein hochohmiger Bereich auf beiden Seiten der DH-Struktur durch Implantieren von Protonen ausgebildet, um einen in der DH-Struktur fließenden Strom einzuschließen.
  • Andererseits besteht ein hoher Bedarf an einem integrierten optischen Halbleiterbaustein, z. B. einem Baustein mit einem Halbleiterlaser mit verteilter Rückführung (DFB-Laser) und einem optischen Halbleitermodulator mit schmalem Spektrum und schneller Modulation oder einem Baustein mit einem Halbleiterlaser mit verteilter Braggscher Reflexion (DBR- Laser) und variabler Wellenlänge.
  • In einem dritten herkömmlichen Verfahren zur Herstellung eines optischen Halbleiterbausteins wird ein Gitter nur im DBR-Bereich auf der Oberfläche eines n-InP-Substrats ausgebildet. Danach werden eine n-InGaAsP-Leitschicht, eine Aktivschicht und eine p-InP-Mantelschicht in dieser Reihenfolge abgeschieden. Anschließend werden die p-InP-Mantelschicht und die InGaAsP-Aktivschicht in allen Bereichen mit Ausnahme des Aktivbereichs unter Verwendung einer SiO&sub2;-Schicht als Maske entfernt. Im Anschluß daran werden eine InGaAsP-Wellenleiterschicht und eine p-InP-Mantelschicht selektiv auf einem vorbestimmten Bereich gezogen. Danach wird die hergestellte Oberfläche des n-InP-Substrats mit Ausnahme der die Elemente bildenden Gebiete unter Verwendung einer SiO&sub2;-Schicht als Maske mesa-geätzt. In der Folge werden eine Fe-dotierte hochohmige InP-Schicht und eine n-InP-Schicht gezogen, um vergraben zu werden. Nach Entfernen der SiO&sub2;-Schicht werden anschließend eine p-InP-Schicht und eine p&spplus;-InGaAs-Deckschicht gezogen. Danach werden Furchen zur Isolation zwischen den Laser- und Wellenleiterbereichen und zwischen den benachbarten Halbleiterlasern ausgebildet. Anschließend wird eine SiO&sub2;-Schicht auf der gesamten hergestellten Oberfläche des n- InP-Substrats abgeschieden. Danach werden nach Ausbilden von Öffnungen im SiO&sub2; über den Wellenleitergebieten des Modulator-, DBR-, Phaseneinstell- und Aktivbereichs p-Elektroden ausgebildet, um ihre Wellenleitergebiete durch die Öffnungen zu verbinden, während eine n-Elektrode auf der Rückfläche des Substrats ausgebildet wird.
  • Beim ersten bis dritten herkömmlichen Verfahren zur Herstellung eines optischen Halbleiterbausteins besteht jedoch ein Nachteil darin, daß es schwierig ist, die Breite von Wellenleitern oder Aktivschichten genau zu steuern, da zu den herkömmlichen Verfahren die Schritte des Halbleiterätzens unter Verwendung einer SiO&sub2;-Schicht als Maske gehören.
  • Beim Halbleiterätzen, z. B. Mesa-Ätzen, läßt sich die Dicke des Halbleiters genau steuern, wobei jedoch die Breite aufgrund von Schwankungen der Mesa-Struktur oder auftretendem Seitenätzen schwankt. Eine Breitenschwankung der Aktivschicht oder des Wellenleiters kann solche Kennwerte des Bausteins wie Schwellenstrom, Schwingungswellenlänge und Strahlmuster beeinflussen. Folglich kann eine solche Breitenschwankung zu einer verringerten Ausbeute oder Bereichsüberschreitungen im Auslegungsbetrieb führen.
  • Ferner muß in der Herstellung die Lage der Aktivschicht mit der des Wellenleiters in übereinstimmung gebracht werden, so daß die Schritte des Ätzens und Ziehens vergrabener Schichten kompliziert werden und Probleme mit der Einheitlichkeit und Reproduzierbarkeit mit sich bringen, die die Kennwerte des Bausteins und die Ausbeute in der Herstellung beeinflussen.
  • Die JP-A-62-144385 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Halbleiterbausteins mit einer Maske mit einer StreifenÖffnunh, die auf einem Substrat ausgebildet ist, wobei Halbleiterschichten auf dem Substrat durch ein MOCVD-Verfahren gezogen werden.
  • Folglich besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Halbleiterbausteins vorzusehen, bei dem die Breite einer Aktivschicht oder eines Wellenleiters genau gesteuert wird. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche gelöst.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Erfindung wird näher anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
  • Fig. 1A bis 1E Querschnittansichten eines Halbleiterlasers in verschiedenen Herstellungsstufen gemäß einem ersten herkömmlichen Verfahren zur Herstellung eines optischen Halbleiterbausteins;
  • Fig. 2A bis 2E Querschnittansichten eines Halbleiterlasers in verschiedenen Herstellungsstufen gemäß einem zweiten herkömmlichen Verfahren zur Herstellung eines optischen Halbleiterbausteins;
  • Fig. 3 eine Perspektivansicht eines integrierten optischen Wellenleiterbausteins, der durch ein drittes herkömmliches Verfahren zur Herstellung eines optischen Halbleiterbausteins hergestellt ist;
  • Fig. 4A und 4B Perspektivansichten einer Struktur eines Kristallziehsubstrats und eines Ziehkristalls;
  • Fig. 5 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen SiO&sub2;-Streifenbreite und Ziehgeschwindigkeit;
  • Fig. 6 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen SiO&sub2;-Streifenbreite und Zusammensetzungsverhältnis im Kristall;
  • Fig. 7 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen SiO&sub2;-Streifenbreite und Emissionswellenlänge;
  • Fig. 8A bis 8F Querschnittansichten eines Halbleiterlasers in verschiedenen Herstellungsstufen gemäß einem Verfahren zur Herstellung eines optischen Halbleiterbausteins in einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
  • Fig. 9A bis 9F Querschnittansichten eines integrierten optischen Bausteins in verschiedenen Herstellungsstufen gemäß einem Verfahren zur Herstellung eines optischen Halbleiterbausteins in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; und
  • Fig. 10 eine Perspektivansicht eines Halbleiterlasers, der durch ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Halbleiterbausteins in einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hergestellt ist.
  • Vor der Beschreibung eines Verfahrens zur Herstellung eines optischen Halbleiterbausteins in den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden die vorstehend beschriebenen herkömmlichen Verfahren zur Herstellung eines optischen Halbleiterbausteins erläutert.
  • Zunächst wird das erste herkömmliche Verfahren zur Herstellung eines optischen Halbleiterbausteins durch MOVPE anhand von Fig. 1A bis 1E erläutert. Beim ersten herkömmlichen Verfahren zur Herstellung eines optischen Halbleiterbausteins wird gemäß Fig. 1A eine Doppelheterostruktur (DH-Struktur), die aus einer n-InP-Mantelschicht 2, einer InGaAsP-Aktivschicht 3 und einer p-InP-Mantelschicht 4 besteht, auf einem n-InP-Substrat 1 ausgebildet. Danach wird gemäß Fig. 1B eine SiO&sub2;-Schicht 21 auf der p-InP-Mantelschicht 4 ausgebildet und zu Streifen strukturiert, deren Breite jeweils 2 µm beträgt.
  • Anschließend wird gemäß Fig. 1C die DH-Struktur mit Ausnahme des durch die SiO&sub2;-Schicht 21 maskierten Gebiets mesa-geätzt, bis die Oberfläche des n-InP-Substrat 1 freiliegt. Die Breite der verbleibenden Aktivschicht 3, die so dem Mesa-Ätzen unterzogen wurde, wird 1,5 µm, wodurch die transversale Grundmode stabil gehalten werden kann. Im Anschluß daran werden gemäß Fig. 1D eine vergrabene p-InP- und n-InP-Schicht 14 und 15 in dieser Reihenfolge auf die freiliegende Oberfläche des n-InP-Substrats 1 abgeschieden, um die durch das Mesa-Ätzen auf beiden Seiten der verbleibenden Doppelheterostruktur gebildeten Furchen zu verfüllen. Abschließend werden gemäß Fig. 1E nach Entfernen der SiO&sub2;-Schicht 21 eine p-InP-Schicht 5 und eine p+-InGaAs-Deckschicht 7 in dieser Reihenfolge selektiv abgeschieden, um die hergestellte Oberfläche des n-InP- Substrats 1 zu bedecken.
  • Als nächstes wird das zweite herkömmliche Verfahren zur Herstellung eines optischen Halbleiterbausteins anhand von Fig. 2A bis 2E erläutert. Beim zweiten herkömmlichen Verfahren zur Herstellung eines optischen Halbleiterbausteins wird gemäß Fig. 2A eine DH-Struktur, die aus einer ersten Mantelschicht 8, einer Aktivschicht 3 und einer zweiten Mantelschicht 4 besteht, auf einem Substrat 1 ausgebildet. Danach wird gemäß Fig. 2B eine SiO&sub2;-Schicht 21 ausgebildet und zu Streifen mit jeweils vorbestimmter Breite strukturiert. Anschließend wird gemäß Fig. 2C die DH-Struktur mit Ausnahme des durch die SiO&sub2;-Schicht 21 maskierten Gebiets mesa-geätzt, bis die Oberfläche des n-InP-Substrats 1 freiliegt. Nach Entfernen der SiO&sub2;-Schicht 21 werden gemäß Fig. 2D danach eine dritte Mantelschicht 5 und eine Deckschicht 7 in dieser Reihenfolge abgeschieden, um die hergestellte Oberfläche des n- InP-Substrats 1 mit der DH-Struktur zu bedecken. Abschließend wird gemäß Fig. 2E ein hochohmiger Bereich 31 auf beiden Seiten der DH-Struktur durch Implantieren von Protonen ausgebildet, um einen in der DH-Struktur fließenden Strom einzuschließen.
  • Als nächstes wird das dritte herkömmliche Verfahren zur Herstellung eines optischen Halbleiterbausteins anhand von Fig. 3 erläutert. Der integrierte optische Wellenleiterbaustein weist vier wellenlängenvariable Halbleiterlaser, vier optische Halbleitermodulatoren und zwei optische Wellenleiter mit vier Anschlüssen auf, die mit den vier Modulatoren verbunden sind, um vier parallele Laser- und Modulatorstrukturen zu bilden. Jeder der vier wellenlängenvariablen Halbleiterlaser ist ein DBR-Laser mit drei Elektroden und einem Aktivbereich, einem Phaseneinstellbereich und einem DBR-Bereich. Eine Aktivschicht 3 ist nur im Aktivbereich ausgebildet, während eine Wellenleiterschicht 10 gemeinsam im Phaseneinstellbereich, DBR-Bereich, Modulatorbereich und Wellenleiterbereich ausgebildet ist. Die Aktivschicht 3 und die Wellenleiterschicht 10 sind miteinander an einem Stoß 12 verbunden. Die Aktivschicht 3 und die Wellenleiterschicht 10 werden jeweils zu einem etwa 1,5 µm breiten Streifen mesa-geätzt. Eine hochohmige InP-Schicht 13 wird ausgebildet, um zwischen zwei benachbarten der vier parallelen Strukturen vergraben zu werden, um so einen Strom einzuschließen, der in jeder der Strukturen fließt, und eine Isolation zwischen ihnen herzustellen.
  • Beim dritten herkömmlichen Verfahren zur Herstellung eines optischen Halbleiterbausteins wird ein Gitter 11 nur im DBR-Bereich auf der Oberfläche eines n-InP-Substrats 1 ausgebildet. Danach werden eine n-InGaAsP-Leitschicht 8, eine Aktivschicht 3 und eine p-InP-Mantelschicht 4 in dieser Reihenfolge abgeschieden. Anschließend werden die p-InP-Mantelschicht 4 und die InGaAsP-Aktivschicht 3 in allen Bereichen mit Ausnahme des Aktivbereichs unter Verwendung einer SiO&sub2;- Schicht als Maske entfernt. Im Anschluß daran werden eine InGaAsP-Wellenleiterschicht 10 und eine p-InP-Mantelschicht 4 selektiv auf dem vorbestimmten Bereich gezogen. Danach wird die hergestellte Oberfläche des n-InP-Substrats 1 mit Ausnahme der die Elemente bildenden Gebiete unter Verwendung einer SiO&sub2;-Schicht als Maske mesa-geätzt. In der Folge werden eine Fe-dotierte hochohmige InP-Schicht 13 und eine n-InP-Schicht 5 gezogen, um vergraben zu werden. Nach Entfernen der SiO&sub2;- Schicht werden anschließend eine p-InP-Schicht 6 und eine p&spplus;- InGaAs-Deckschicht 7 gezogen. Danach werden Furchen zur Isolation zwischen den Laser- und Wellenleiterbereichen und zwischen den benachbarten Halbleiterlasern ausgebildet. Anschließend wird eine SiO&sub2;-Schicht 21 auf der gesamten hergestellten Oberfläche des n-InP-Substrats 1 abgeschieden. Danach werden nach Ausbilden von Öffnungen im SiO&sub2; über den Wellenleitergebieten des Modulator, DBR-, Phaseneinstell- und Aktivbereichs p-Elektroden 32 ausgebildet, um ihre Wellenleitergebiete durch die Öffnungen zu verbinden, während eine n- Elektrode 33 auf der Rückfläche des Substrats ausgebildet wird. Die Ziehvorgänge erfolgen durch metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE).
  • Im folgenden wird das Grundprinzip eines weiteren herkömmlichen Verfahrens zur Herstellung eines optischen Halbleiterbausteins beschrieben. In Fig. 4A wird ein Dünnfilm 21 zum selektiven Ziehen auf einer Oberfläche (100) eines Halbleitersubstrats 1 ausgebildet. Anschließend wird der Dünnfilm 21 selektiv entfernt, so daß er Streifen bildet, die Seitenwände 21a parallel zur Richtung [0 1] oder [011] haben. Danach wird gemäß Fig. 48 eine DH-Struktur, die aus einer ersten Mantelschicht 2, einer Aktivschicht 3 und einer zweiten Mantelschicht 4 besteht, durch MOVPE ausgebildet.
  • In einem solchen Fall hat die DH-Struktur Facetten einer Oberfläche (111)A in Richtung [0 1] und einer Oberfläche (111)B in Richtung [011]. Außerdem haben alle die DH-Struktur bildenden Schichten sehr flache Oberflächen (100). Die Mischkristallzusammensetzungen der Schichten sind innerhalb jeder Oberfläche einheitlich, sofern die Streifenbreite des Dünnfilms 21 nicht zu groß ist, so daß eine derart ausgebildete Schicht als Aktivschicht oder Wellenleiterschicht verwendet werden kann. Wie vorstehend erläutert wurde, hat jede der Schichten Facetten (111), so daß sich die Breite der Schichten genau steuern läßt, sofern die Strukturierung einer SiO&sub2;- Schicht als Maske genau durchgeführt wird. Beim selektiven Ziehen können die Facetten der Aktivschicht mit einer oberen Mantelschicht während ihres Ziehens bedeckt werden, so daß ein Halbleiterlaser mit ausgezeichneten Kennwerten im Hinblick auf geringe Rekombination der Grenzflächenzusammensetzung, Steuerbarkeit und Reproduzierbarkeit herstegestellt werden kann.
  • Bei diesem Verfahren zur Herstellung eines optischen Halbleiterbausteins werden eine p-InP-Mantelschicht und eine p&spplus;-InGaAs-Deckschicht durch selektives Ziehen ausgebildet, und zum Verfahren gehört kein Ätzen von Halbleiterschichten, das mehrere Probleme mit sich bringt, obgleich zu ihm eine Strukturierung von dielektrischen Dünnfilmen, z. B. einer SiO&sub2;-Schicht, und selektives Ziehen gehören. Daher werden in einem diskontinuierlichen Ziehverfahren aus einer großen Halbleiterscheibe optische Halbleiterbausteine hergestellt, die eine ausgezeichnete Leistung, z. B. Einheitlichkeit oder Reproduzierbarkeit, infolge des selektiven Ziehens einer Aktivschicht haben.
  • Als nächstes wird die Beziehung zwischen der Breite der streifenförmigen SiO&sub2;-Schicht als Maske und der Ziehgeschwindigkeit der Halbleiterschichten erläutert. Bei diesem selektiven Ziehen durch MOVPE wird die Ziehgeschwindigkeit hoch, wenn die Breite des SiO&sub2;-Streifens groß wird, und die Zusammensetzung des Elements der Gruppe III, z. B. In, ist von seiner Breite abhängig, wenn die zu ziehende Halbleiterschicht ein Mischkristallhalbleiter ist. Eine solche Analyse berichten Y. D. Galeuchet et al. in "Journal of Crystal Growth" 107 (1991), Seiten 147 bis 150, und J. Finders et al., Seiten 151 bis 155 (ebenda).
  • Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen SiO&sub2;-Streifenbreite und Ziehgeschwindigkeit im Fall von InP und InGaAs, während Fig. 6 die Beziehung zwischen SiO&sub2;-Streifenbreite und Zusammensetzungsverhältnis von In im Mischkristall aus InxGa1-xAs und InxGa1-xAs0,6P0,4 zeigt, bei dem Licht mit einer Wellenlänge von 1,3 µm emittiert wird. Die Ziehgeschwindigkeit der Halbleiterschicht wird groß, wenn die Breite des SiO&sub2;-Streifens groß wird, da die Ausgangsstoffe beim Ziehen, die in Seitenrichtungen entlang der SiO&sub2;-Schicht diffundieren, um die Halbleiteroberfläche zu erreichen, eine große Menge annehmen, wenn die Breite groß wird. Das In-Verhältnis in der Zusammensetzung des Mischkristalls wird groß, wenn dessen Breite groß wird, da der In-Ausgangsstoff in Seitenrichtung leichter als der von Ga diffundiert. Daher wird beim selektiven Ziehen einer Quantenmuldenstruktur unter Verwendung von InGaAs als Mulde die Dicke der Mulde groß, und die Gitterverzerrung (Druckspannung) wirkt auf die Mulde, so daß die In- Menge in der Zusammensetzung des die Mulde bildenden Mischkristalls durch Verbreitern des SiO&sub2;-Streifens zunimmt. Folglich wird die Übergangsenergie der Quantenmuldenstruktur klein.
  • Fig. 7 zeigt die Beziehung zwischen SiO&sub2;-Streifenbreite und Emissionswellenlänge der selektiv gezogenen Schicht für eine Mehrfach-Quantenmuldenstruktur (MQW-Struktur) mit einer InxGa1-xAs-Mulde und einer InxGa1-xAsyP1-y-Barriere, die selektiv gezogen sind. Die wellenlänge wird lang, wenn die Breite des SiO&sub2;-Streifens groß wird. In der Praxis nehmen die Wellenlängen Werte von etwa 1,4 µm und 1,55 µm an, wenn die Breiten etwa 4 µm bzw. 10 µm betragen. Daher können ein Halbleiterlaser, der Licht einer Wellenlänge von 1,55 µm abstrahlt, und eine Wellenleiterschicht, die Licht einer Wellenlänge von 1,3 µm überträgt, gleichzeitig durch das gleiche Verfahren hergestellt werden, indem die Breiten des Halbleiterlasers und der Wellenleiterschicht so festgelegt werden, daß sie ein vorbestimmtes Verhältnis haben. Anders ausgedrückt läßt sich durch Kristallziehen ein Laserschwingungsbereich in Parallelrichtung zu einem Wellenleiter und ein gegenüber Licht transparenter Wellenleiterbereich herstellen.
  • Im folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Halbleiterbausteins in einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung anhand von Fig. 8A bis 8F erläutert.
  • Zunächst wird eine SiO&sub2;-Schicht 21 mit einer Dicke von etwa 0,2 µm (2000 Å) auf einer Oberfläche (100) eines n-InP- Substrats 1 durch chemisches Abscheiden aus der Gasphase (CVD-Verfahren) abgeschieden. Danach wird die SiO&sub2;-Schicht 21 durch Fotolithografie so strukturiert, daß sie gemäß Fig. 8A zwei Streifen mit jeweils 10 µm Breite in einem Abstand von 1,8 µm bildet. Anschließend werden eine Si-dotierte n-InP- Mantelschicht 2 mit einer Dicke von 0,1 µm (1000 Å) und einer Trägerkonzentration von 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³, eine InGaAsP-Aktivschicht 3 mit einer Dicke von 0,08 µm (800 Å) und einer Zusammensetzung, die einer Wellenlänge von 1,55 µm entspricht, und eine Zn-dotierte p-InP-Mantelschicht 4 mit einer Dicke von 0,05 µm (500 Å) und einer Trägerkonzentration von 5 x 10¹&sup7; cm&supmin;³ selektiv in dieser Reihenfolge gezogen, um eine DH- Struktur auf der Oberfläche des n-InP-Substrats 1 entlang der SiO&sub2;-Schicht 21 und zwischen den benachbarten SiO&sub2;-Schichten 21 gemäß Fig. 8B auszubilden. Die Dicken der vorgenannten Schichten werden im Gebiet zwischen den beiden SiO&sub2;-Streifen 21 gemessen, das einem Aktivbereich entspricht, und ihre Dikken sind im Aktivbereich einheitlich. Anschließend werden gemäß Fig. 8C die SiO&sub2;-Schichten 21 in einer Breite von 10 µm entfernt, wobei die Mittellinie des Entfernens auf die Mittellinie des Aktivbereichs eingestellt wird. Hiernach werden eine p-InP-Mantelschicht 6 mit einer Dicke von 1,5 µm und einer Trägerkonzentration von 5 x 10¹&sup7; cm&supmin;³ und eine p&spplus;-Ingaks- Deckschicht 7 mit einer Dicke von 0,3 µm und einer Trägerkonzentration von 1 x 10¹&sup9; cm&supmin;³ selektiv in dieser Reihenfolge im Gebiet zwischen den beiden verbleibenden SiO&sub2;-Schichten 21 gezogen. Nach Entfernen der SiO&sub2;-Schichten 21 wird im Anschluß eine zweite SiO&sub2;-Schicht 22 auf der gesamten hergestellten Oberfläche des n-InP-Substrats 1 ausgebildet, und die zweite SiO&sub2;-Schicht 22 wird so geätzt, daß sie gemäß Fig. 8E einen Streifen als Öffnung über dem Aktivbereich hat. Abschließend wird gemäß Fig. 8F eine p-Elektrode 32 ausgebildet, um eine Verbindung mit dem Aktivbereich durch die StreifenÖffnunh herzustellen, während eine n-Elektrode 33 auf der Rückfläche des n-InP-Substrats ausgebildet wird.
  • Eine Untersuchung der Kennwerte des so hergestellten Lasers erfolgte bei einer Resonatorlänge von 300 µm, um als Ergebnisse einen mittleren Schwellenstrom von 10,2 mA bei einer Standardabweichung von 0,2 mA und einen mittleren Lichtleistung-Strom-Wert, auch Flankenwirkungsgrad genannt, von 0,23 W/A bei einer Standardabweichung von 0,04 W/A zu liefern. Die mittlere Breite der Aktivschicht beträgt 1,52 µm bei einer Standardabweichung von 0,12 µm. Ein solches Ergebnis zeigt, daß der durch die erste Ausführungsform hergestellte Halbleiterlaser nahezu die gleichen Kennwerte wie der durch das herkömmliche Herstellungsverfahren von Fig. 1 und 2 hergestellte Halbleiterlaser hat und die Kennwertverteilung schmal wird.
  • In dieser bevorzugten Ausführungsform wird eine Volumenschicht aus InGaAsP für die Aktivschicht verwendet; anstelle der Volumenschicht kann aber auch eine MQW-Struktur verwendet werden, um ihre Merkmale beträchtlich zu verbessern. In der Ausführungsform kann anstelle eines n-Substrats ein p-Substrat verwendet werden. In diesem Fall kehrt sich die Art der Leitung der jeweiligen Schichten im Vergleich zur Ausführungsform um.
  • Im folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Halbleiterbausteins in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung anhand von Fig. 9A bis 9F erläutert.
  • Zunächst wird gemäß Fig. 9A ein Gitter (Beugungsgitter) 11 in die Richtung [011] nur in einem Laserbereich auf einer Oberfläche (100) eines n-InP-Substrats 1 ausgebildet. Anschließend werden gemäß Fig. 9B eine n-InGaAsp-Leitschicht 8 mit der einer Wellenlänge von 1,3 µm entsprechenden Zusammensetzung, einer Trägerkonzentration von 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,1 µm (1000 Å) sowie eine n-InP-Abstandsschicht 9 mit einer Trägerkonzentration von 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,05 µm (500 Å) in dieser Reihenfolge auf dem n-InP-Substrat 1 gezogen. Danach wird eine SiO&sub2;-Schicht 21 auf der n-InP-Abstandsschicht 9 ausgebildet, und die SiO&sub2;- Schicht 21 wird so strukturiert, daß sie gemäß Fig. 9C zwei parallel zueinander verlaufende Streifen in einem Abstand von 2 µm bildet, die jeweils eine Breite von 10 µm im Laserbereich und 6 µm im Modulatorbereich haben. Jeder der Streifen hat eine Übergangsbreite von 20 µm. Im Anschluß daran werden gemäß Fig. 9D eine n-InP-Mantelschicht 2 mit einer Trägerkonzentration von 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,05 µm (500 Å), eine MQW-Aktivschicht 3 und eine p-InP-Mantelschicht 4 mit einer Trägerkonzentration von 5 x 10¹&sup7; cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,05 µm (500 Å) selektiv in dieser Reihenfolge unter Verwendung der Streifen der SiO&sub2;-Schicht 21 als Masken gezogen, um einen Wellenleiterbereich auszubilden. Die MQW- Aktivschicht 3 hat eine MQW-Struktur mit einer Mulde aus InGaAs und einer Barriere aus InGaAsP sowie einer Muldenanzahl von 4. Zu beachten ist, daß die Ziehbedingungen der Schichten so eingestellt werden, daß die Mulde und die Barriere beide in Gitterübereinstimmung mit dem n-InP-Substrat 1 im Aktivbereich kommen und die Dicken der Mulde und der Barriere 7,5 nm (75 Å) bzw. 15 nm (150 Å) betragen. Dadurch wird die Emissionswellenlänge im Aktivbereich 1,56 µm und im Modulatorbereich 1,48 µm. Danach werden die SiO&sub2;-Schichten auf beiden Seiten des Wellenleiterbereichs entfernt, um streifenförmige Öffnungen mit einer Breite von 2 µm gemäß Fig. 9E zu erhalten. Anschließend werden gemäß Fig. 9F eine p-InP-Mantelschicht 8 mit einer Trägerkonzentration von 5 x 1017 cm&supmin;³ und einer Dicke von 1,5 µm und eine p&spplus;-InGaAs-Deckschicht 7 mit einer Dicke von 0,3 µm und einer Trägerkonzentration von 1 x 10¹&sup9; cm&supmin;³ selektiv in dieser Reihenfolge gezogen. Als nächstes wird eine SiO&sub2;-Schicht auf der gesamten hergestellten Oberfläche des n-InP-Substrats 1 ausgebildet, und die SiO&sub2;-Schicht wird entfernt, um eine streifenförmige Öffnung mit einer Breite von 20 µm über dem Laserbereich und dem Modulatorbereich zu bilden. Danach wird die p&spplus;-InGaAs-Deckschicht 7 im Gebiet zwischen dem Laser- und Modulatorbereich durch Ätzen entfernt, um eine Isolation zwischen ihnen herzustellen. Abschließend werden kissenförmige p-Elektroden auf der hergestellten Oberfläche ausgebildet, um eine Verbindung mit dem Laser- und Modulatorbereich durch die Öffnunhen herzustellen, während eine n-Elektrode auf der Rückfläche des n- InP-Substrats 1 ausgebildet wird. Die Länge des Laserbereichs mit Spaltfläche beträgt 500 µm und die Länge des Modulatorbereichs 200 µm.
  • Es erfolgte eine Untersuchung der Kennwerte des so hergestellten integrierten optischen Bausteins. Bei einem typischen integrierten optischen Baustein beträgt der Schwingungsschwellenstrom 20 mA und die maximale optische CW-Ausgabeleistung vom Modulator 30 mW. Die Schwingungswellenlänge beträgt 1,55 µm und der Dämpfungsfaktor 20 dB, wenn am Modulatorbereich eine Spannung von -3 V anliegt. Geschätzt anhand der Dämpfungscharakteristik, wurde für den Koppelwirkungsgrad ein Wert von bis zu 98 % festgestellt. Der Isolationswiderstand zwischen dem Laser- und Modulatorbereich beträgt 50 kΩ . Jede von 20 zufällig aus den hergestellten Bausteinen ausgewählten Proben zeigt einen Dämpfungsfaktor von mindestens 15 dB unter der Voraussetzung, daß -5 V anliegen.
  • Im folgenden wird anhand von Fig. 10 ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Halbleiterbausteins in einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erläutert.
  • Zunächst wird ein Gitter 11 nur im DBR-Bereich auf einem n-InP-Substrat 1 ausgebildet. Danach werden eine InGaAsP- Leitschicht 8 mit einer Zusammensetzung, die einer Wellenlänge von 1,3 µm entspricht, einer Trägerkonzentration von 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ und einer Dicke von etwa 0,1 µm (1000 Å) sowie eine n-InP-Abstandsschicht 9 mit einer Trägerkonzentration von 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,05 µm (500 Å) in dieser Reihenfolge gezogen. Anschließend wird eine SiO&sub2;-Schicht auf der n-InP-Abstandsschicht 9 ausgebildet, und die SiO&sub2;- Schicht wird zu einem Paar Streifen strukturiert, die in einem Abstand von 2 µm parallel zueinander verlaufen, jeweils eine Breite von 10 µm im Aktivbereich und 4 µm im Phaseneinstellbereich und DBR-Bereich haben. Jeder der Streifen hat eine übergangsbreite von 20 µm. Im Anschluß daran werden eine n-InP-Mantelschicht 2 mit einer Trägerkonzentration von 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,05 µm (500 Å), eine MQW-Aktivschicht 3 und eine p-InP-Mantelschicht 4 mit einer Trägerkonzentration von 5 x 1017 cm&supmin;³ und einer Dicke von 0,05 µm (500 Å) selektiv in dieser Reihenfolge gezogen, wobei die Streifen der SiO&sub2;-Schicht als Masken zur Ausbildung eines Wellenleiterbereichs dienen. Die MQW-Aktivschicht 3 hat eine MQW-Struktur mit einer Mulde aus InGaAs und einer Barriere aus InGaAsP sowie einer Muldenanzahl von 4. Zu beachten ist, daß die Ziehbedingungen der Schichten so eingestellt werden, daß die Mulde und die Barriere beide in Gitterübereinstimmung mit dem n-InP-Substrat 1 im Aktivbereich kommen und die Dikken der Mulde und der Barriere 7,5 nm (75 Å) bzw. 15 nm (150 Å) betragen. Dadurch wird die Emissionswellenlänge im Aktivbereich 1,56 µm und im Phaseneinstellbereich und DBR-Bereich etwa 1,48 µm. Danach werden die SiO&sub2;-Schichten auf beiden Seiten des Wellenleiterbereichs entfernt, um streifenförmige Öffnungen mit einer Breite von 2 µm zu erhalten. Anschließend werden eine p-InP-Mantelschicht 6 mit einer Trägerkonzentration von 5 x 10¹&sup7; cm&supmin;³ und einer Dicke von 1,5 µm und eine p&spplus;-InGaAs-Deckschicht 7 mit einer Dicke von 0,3 µm und einer Trägerkonzentration von 1 x 10¹&sup9; cm&supmin;³ selektiv in dieser Reihenfolge gezogen. Als nächstes wird eine SiO&sub2;- Schicht auf der gesamten hergestellten Oberfläche des n-InP- Substrats 1 ausgebildet, und die SiO&sub2;-Schicht wird entfernt, um eine streifenförmige Öffnung mit einer Breite von 20 µm zu bilden. Danach wird die p+-InGaAs-Deckschicht 7 im Gebiet zwischen den Bereichen durch Ätzen entfernt, um eine Isolation zwischen ihnen herzustellen. Abschließend werden kissenförmige p-Elektroden 32 auf der hergestellten Oberfläche ausgebildet, während eine n-Elektrode 33 auf der Rückfläche des n-InP-Substrats 1 ausgebildet wird. Die Länge des Aktivbereichs mit Spaltfläche beträgt 500 µm, die Länge des Phaseneinstellbereichs 150 µm und die Länge des DBR-Bereichs 300 µm. Der Abstand zwischen den Wellenleitern beträgt 600 µm, und eine Strahlungsfacette des DBR-Bereichs wird mit einem Vergütungsfilm beschichtet.
  • Es erfolgte eine Untersuchung der Kennwerte der so hergestellten DBR-Halbleitergruppierung nach Schneiden in jeweilige Strukturen mit 4 Kanälen. In einer typischen 4-Kanal- DBR-Halbleitergruppierung beträgt der Schwingungsschwellenstrom 18 mA. Die Schwingungswellenlänge der 4 Kanäle beträgt 1,553 µm 1 0,003 µm, wenn ein Strom nur in den Aktivbereich injiziert wird. Nachgewiesen wurde, daß die DBR-Halbleitergruppierung in einer Monomode arbeitet, bis die optische Ausgabeleistung 30 mW erreicht. Es läßt sich ein großer Bereich der Wellenlängenvariabilität erzielen, die in jedem Kanal nicht schmaler als 5 nm ist, während für die optische Ausgabeleistung 5 mW beibehalten wird, indem ein Strom in den Phaseneinstell- und den DBR-Bereich injiziert wird.
  • In der zweiten und dritten Ausführungsform kann die Struktur zum Stromeinschluß durch eine solche ersetzt werden, bei der anstelle des selektiven Ziehens ein Protonen-Implantierungsverfahren verwendet wird.
  • Obwohl die Erfindung zwecks vollständiger und deutlicher Offenbarung anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, sind die beigefügten Ansprüche nicht auf diese beschränkt, und dem Fachmann dürften alternative Konstruktionen deutlich sein, die den dargelegten Grundlehren entsprechen.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung eines optischen Halbleiterbausteins mit den folgenden Schritten:
a) Ausbilden einer dielektrischen Schicht auf einem Halbleitersubstrat;
b) Strukturieren der dielektrischen Schicht zu mindestens zwei Streifen, die in einem vorbestimmten Abstand parallel zueinander verlaufen;
c) selektives Ziehen eines Kristalls durch metallorganische Gasphasenepitaxie auf dem Halbleitersubstrat unter Verwendung der Streifen der dielektrischen Schicht als Maske; und
d) Ausbilden einer Mehrschichtstruktur, die eine vorbestimmte Breite haben muß, die durch die Breite des zwischen den beiden Streifen gezogenen Kristalls bestimmt ist; gekennzeichnet durch:
e) Ätzen der Streifen der dielektrischen Schicht, um die Breite zum weiteren selektiven Ziehen eines Kristalls zu ändern.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt a) eine SiO&sub2;-Schicht ausgebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei in Schritt d) eine Mehrschichtstruktur mit einer Schicht ausgebildet wird, die ausgewählt ist aus einer Gruppe, zu der eine Aktivschicht und eine Wellenleiterschicht gehört.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, ferner mit dem Schritt eines Ätzens der beiden Streifen der dielektrischen Schicht, die teilweise gegenüberliegen, um eine Oberfläche des Halbleitersubstrats nach dem Schritt des Ziehens eines Kristalls freizulegen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit dem Schritt eines selektiven Ziehens eines Kristalls zu einer Mantelschicht auf dem Halbleitersubstrat, zu der mindestens das Gebiet zwischen den beiden Streifen der dielektrischen Schicht gehört, nach dem Schritt des Ätzens der beiden Streifen der dielektrischen Schicht.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in Schritt c) III-V-Verbindungen selektiv gezogen werden.
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