DE69524693T2

DE69524693T2 - Halbleiterlaserdiode

Info

Publication number: DE69524693T2
Application number: DE69524693T
Authority: DE
Inventors: Jun-Ichi Hashimoto; Tsukuru Katsuyama; Michio Murata; Ichiro Yoshida
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1994-09-02
Filing date: 1995-09-01
Publication date: 2002-07-18
Anticipated expiration: 2015-09-02
Also published as: EP0701309A2; DE69524693D1; EP0701309A3; JPH0878771A; EP0701309B1; US5734671A

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiter- Laserdiode, welche als Anregungslichtquelle von Verstärkern für optische Fasern verwendet wird.

Stand der Technik

Mit der Entwicklung der Laserdioden-Technologie sind verschiedene Arten von neuen Laserdioden vorgeschlagen worden. Solche neuen Laserdioden werden im US-Patent 5,389,396 oder in den erweiterten Zusammenfassungen des 54. Herbsttreffens der Japan Society of Applied Physics, Seite 1049, 1993 beschrieben.
Aus Applied Physics Letters, Band 62, Nr. 10, 8 März 1993, Seiten 1062-1064, "High-Power Barred InGaAsP/GaAs (λ = 0.8 gm) Laser Diodes" von. D. Z. Garbuzov et al. ist eine Laserdiode mit kurzer Wellenlänge (0.8 um) bekannt, welche ein GaAs-Substrat und eine InGaAsP-Aktivschicht hat. Die InGaAsP-Energiebandlücke ist breit, um dadurch die Gitterkonstanten-Differenz zwischen InGaAsP und GaAs zu minimieren.
Aus Applied Physics Letter, Band 65, Nr. 7, 15. August 1994, Seiten 892-894, "Low Threshold 1.3-um Wavelength InGaAsP Strained-Layer Multiple Quantum Well Lasers Grown by Gas Source Molecular Beam Epitaxy" von Guang-Jye Shiau et al. ist ein Halbleiterlaser mit langer Wellenlänge (1.3 um) bekannt, der ein Substrat verwendet, das aus InP hergestellt ist, und ein aktives Gebiet, das aus vier durch Drücken gespannte Quantenwannen besteht, welche aus InGaAsP hergestellt sind.

Zusammenfassung der Erfindung

In der optischen Kommunikation, wenn Zwischenverstärker mit Verstärkern für optische Fasern, welche das Signallicht direkt verstärken können, verwendet werden, können eine weitere Übertragung und größere Kapazität in Verstärkern für optische Fasern und Pr-dotierte Fluoridfaser-Verstärker das Signallicht verstärken.
In einem Er-dotierten optischen Faserverstärker wird eine mit Erbium (Er) dotierte optische Faser verwendet, um Signallichtbei einem Wellenlängemband von 1.5 um zu verstärken, während eine Halbleiter-Laserdiode mit einer Wellenlänge von 1.48 um oder 0.98 um als Pumpquelle für die Verstärkung verwendet wird. Der Dotierstoff in dem optischen Faserverstärker wird durch Licht der Halbleiter-Laserdiode mit 0.98 um angeregt.
In dem Pr-dotierten Fluoridfaserverstärker verstärkt eine mit Praseodym (Pr) dotierte optische Faser das Signallicht bei einem Wellenlängenband von 1.3 um, während eine Halbeliter- Laserdiode mit einer Wellenlänge von ungefähr 1.02 um als Pumpquelle für diese Verstärkung verwendet wird.
Eine Halbleiter-Laserdiode mit einer Oszillationswellenlänge von ungefähr 0.98 um, welche auf solch eine optische Faser angewendet wird, hat gewöhnlich eine Heteroübergangsstruktur mit getrennter Einschließung, welche eine gespannte GaInAs- Quantenwannen-Aktivschicht enthält, welche zwischen GaAs- oder GaInAsP-Barrierenschichten gehalten wird, und die Struktur ist wirksam, um darin Ladungsträger einzuschließen. Diese Struktur wurde angewendet, um den Anstieg des Schwellenstroms usw. zu verhindern.
Nichtsdestotrotz ist die erforderliche Zuverlässigkeit für die Halbleiter-Laserdiode, welche für die Pumpquelle des optischen Faserverstärkers verwendet wird, höher als jene, welche für die herkömmlichen Halbleiter-Laserdiode mit der GaInAs-Aktivschicht erforderlich ist, und dementsprechend wird nach einer Halbleiter-Laserdiode mit einer höheren Zuverlässigkeit als Pumpquelle gesucht.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Halbleiter-Laserdiode, welche auf optische Faserverstärker angewendet werden kann, um eine hohe Zuverlässigkeit zu erreichen, und welche Licht mit einer Wellenlänge von ungefähr 1 um erzeugen kann. Es wird auch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Halbleiter-Laserdiode bereitgestellt.
Die vorliegende Erfindung nach Anspruch 1 schafft eine Halbleiter-Laserdiode, welche ein GaAs-Substrat und eine auf dem Substrat gebildete aktive Schicht bzw. Aktivschicht hat. Die aktive Schicht umfasst eine aktive gespannte Quantenwanne aus GaInAsP, deren Energiebandlücke kleiner ist als jene von GaAs, und die Laserdiode hat bei Raumtemperatur eine Oszillations-Wellenlänge, welche eingestellt ist nicht kürzer als 0.96 um zu sein.
In einem Aspekt hat die aktive Schicht, welche die gespannten Quantenwanne aus GaInAsP umfasst, eine Struktur, bei welcher eine Barrierenschicht, welche GaInAsP umfasst, deren Energiebandlücke größer ist als jene der aktiven Schicht, mit einem Heteroübergang gebildet ist.
In einem Aspekt haben die aktive Schicht und die Barrierenschicht im wesentlichen das gleiche Zusammensetzungsverhältnis von Ga : In.
In einem Aspekt hat die Barrierenschicht eine solche Struktur, welche in großer Nähe zur aktiven Schicht eine Druckspannung empfängt, welche kleiner ist als jene, die an die aktive Schicht angelegt ist.
In einem Aspekt ist eine Halbleiter-Fensterschicht, deren Energiebandlücke größer ist als jene der aktiven Schicht, auf einer Endoberfläche gewachsen.
In einem Aspekt ist die Halbleiter-Laserdiode auf solch eine Art und Weise hergestellt, dass wenn die aktive Schicht und die Barrierenschicht gewachsen werden, ein Ga-Material und ein In-Material mit konstanten Mengen zugeführt wird, so dass beide Schichten im wesentlichen das gleiche Zusammensetzungsverhältnis von Ga : In haben.
In einem Aspekt wird ein Abschnitt, der die Barrierenschicht und die aktive Schicht enthält, gewachsen während er zwischen Hüllschichten gehalten wird. Dieser Abschnitt und die Hüllschichten werden durch ein Material gebildet, das P enthält.
In einem Aspekt wird die Halbleiter-Laserdiode auf solch eine Art und Weise hergestellt, dass wenn die aktive Schicht, die Barrierenschicht und die Hüllschicht gewachsen werden, ein Ga-Materialund ein In-Material mit konstanten Mengen zugeführt werden, so dass all diese Schichten im wesentlichen das gleiche Zusammensetzungsverhältnis von Ga : In haben.
In der Halbleiter-Laserdiode nach der vorliegenden Erfindung, im Vergleich mit dem Fall, bei dem GaInAs als aktive Schicht verwendet wird, wird der Betrag der Spannung größer bei der gleichen Oszillations-Wellenlänge, wodurch es möglich wird aufgrund der Spannung die Charakteristiken zu verbessern. Diese Wirkung wird größer, wenn die Oszillations-Wellenlänge licht kürzer als 0.96 im ist. Ebenfalls, da sowohl die aktive Schicht als auch die Barrierenschicht P enthalten, treten bei der Herstellung an ihren Grenzflächen kaum Defekte auf. Dementsprechend können die Defekte verringert werden. Ferner, da GaInAsP eine Trägerrekombinations-Geschwindigkeit an seiner Grenzfläche mit einem Silizium-Nitrid-Film (Überzugsschicht) oder dergleichen hat, welche langsamer ist als jene von GaInAs, kann die Zuverlässigkeit verbessert werden, wenn eine Endoberflächen-Beschichtung vorgesehen wird.
Wenn eine aktive Schicht als GaInAs mit einer Dicke von ungefähr 80 Angström (1 nm = 10 Å) gewachsen wird, und dann mit ihrem Ga : In-Zusarnmensetzungsverhältnis eine GaInAsP- Bärrierenschicht gewachsen wird, so dass ihr Gitter mit dem eines Substrats zusammenpasst, wird die Energiebandlücke der Barrierenschicht so klein, dass die ursprüngliche Funktion (Wirkung) der Barriere vermindert werden könnte. Andererseits, wenn die aktive Schicht aus GaInAsP der vorliegenden Erfindung angewendet wird, kann die Energiebandlücke der GaInAsP-Barrierenschicht groß werden, selbst wenn das Ga : In-Zusammensetzungsverhältnis konstant gemacht wird. Wenn die Zusammensetzungen von Ga und In in der aktiven Schicht im wesentlichen gleich sein können wie jene der Barrierenschichten, können die Zuführungsmengen von Ga und In auf ihren konstanten Pegeln gehalten werden. Dementsprechend können vorteilhafte Wirkungen bei der Herstellung erzielt werden, indem Herstellungsschritte vereinfacht werden, usw.
Die vorliegende Erfindung wird besser verständlich aus der ausführlichen Beschreibung, welche im folgenden gegeben wird, und den begleitenden Zeichnungen, welche nur zur Veranschaulichung präsentiert werden, und nicht als Beschränkung der vorliegenden Erfindung betrachtet werden sollen.
Der weitere Anwendungsumfang der vorliegenden Erfindung geht aus der im folgenden präsentierten, ausführlichen Beschreibung hervor. Man sollte jedoch verstehen, dass die ausführliche Beschreibung und spezifischen Beispiele, während sie bevorzugte Ausführungen der Erfindung angeben, im Wege der Veranschaulichung gegeben werden, da verschiedene Änderungen und Modifikationen innerhalb des Geists und Umfangs der Erfindung für den Fachmann aus der ausführlichen Beschreibung hervorgehen werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1A ist eine vertikale Schnittansicht, welche die Struktur der Halbleiter-Laserdiode nach der ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 1B und 1C sind Erklärungsansichten, welche Profile von Euergiebandlücken in wesentlichen Teilen der Halbleiter-Laserdiode der Fig. 1A nach der ersten Ausführung zeigen;
Fig. 2 ist ein Diagramm, das die Charakteristiken der Halbleiter-Laserdiode nach der ersten Ausführung mit jenen einer Halbleiter-Laserdiode vergleicht, die eine aktive Schicht mit GaInAs hat;
Fig. 3 ist eine erklärende Ansicht, welche ein Beispiel des Verfahrens zur Herstellung det Halbleiter- Laserdiode nach der ersten Ausführung zeigt;
Fig. 4 ist eine erklärende Ansicht, welche die Struktur der Halbleiter-Laserdiode nach der zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt, unter Bezugnahme auf ein Profil von Energiebandlücken in ihren wesentlichen Teilen;
Fig. 5 ist eine erklärende Ansicht, welche ein Beispiel der Herstellung der Halbleiter-Laserdiode nach der zweiten Ausführung zeigt;
Fig. 6 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte in dem Verfahren zur Herstellung der Halbleiter-Laserdiode nach der dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig. 7A-7C sind erklärende Ansichten, welche die Vorrichtungsstrukturen nach dem Flussdiagramm der Fig. 6 zeigen.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungen

Die Struktur der Halbleiter-Laserdiode und das Verfahren zu ihrer Herstellung nach der ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1A-3 beschrieben.
Fig. 1A zeigt eine Querschnittsstruktur der Halbleiter- Laserdiode, in welcher eine Richtung senkrecht zur Spaltebene des Kristalls als senkrechte Richtung z angegeben ist, eine Richtung, in welcher jede Halbleiterschicht überlagert ist, als vertikale Richtung x angegeben ist, und eine Richtung senkrecht zu den xy-Richtungen als parallele Richtung y angegeben ist.
Eine kleine n-Typ Hüllschicht 2 mit einer Dicke von ungefähr 2 um wird auf einem n-Typ GaAs-Substrat 1 gewachsen. Eine aktive Schicht 4 ist sandwichartig gelegen zwischen einer ersten Barrierenschicht 3 und einer zweiten Barrierenschicht 5, und diese Schichten werden auf der n-Typ Hüllschicht 2 gewachsen. Eine Druckapannung wird an die aktive Schicht 4 angelegt.
Eine p-Typ Hüllschicht 6, eine n-Typ Stromsperrschicht 10, eine p-Typ GaInAsP-Pufferschicht 7a, eine p-Typ GaAs- Kontaktschicht 7b und eine p-Typ Elektrodenschicht 8 werden nacheinander gebildet.
Auf der Rückoberfläche des Halbleitersubstrats 1 wird eine n- Typ Elektrodenschicht 9 aufgebracht. Obwohl es nicht abgebildet ist, werden die p-Typ GaAs-Kontaktschicht 7b und die p-Typ Elektrodenschicht 8 nicht innerhalb des Bereichs von ungefähr 20 um von der Peripherie der Vorrichtung der Fig. 1A gebildet.
Wenn ein Teil der p-Tvp GaAs-Kontaktschicht 7b und der p-Typ Elektrodenschicht 8 auf diese Weise entfernt wird, wird das Fliessen eines Anregungsstroms an den Endoberflächen der Vorrichtung verhindert.
Die n-Typ Hüllschicht 2 und die p-Typ Hüllschicht 6 bestehen aus AlGaInP. Die p-Typ Hüllschicht 6 hat einen flachen Abschnitt, der eine Dicke von ungefähr 0.4 um hat, welcher sowohl auf der zweiten Barrierenschicht 5 als auch als Mesa- Streifenabschnitt mit einer Dicke von ungefähr 2 um und einer Breite von ungefähr 1.5 um gewachsen wird. Der Rest dieser Schicht wird durch Fotolithographie und chemisches Ätzen entfernt, und dann wird die aus n-AlGaInP bestehende Stromsperrschicht 10, deren Kristall wieder gewachsen ist, darauf gebildet.
Die erste und zweite Barrierenschicht 3, 5 umfassen GaInAsP und werden bis zu einer Schichtdicke von ungefähr 340 Angström gewachsen. Die aktive Schicht 4 umfasst GaInAsP und wird bis zu einer Schichtdicke von ungefähr 80 Angström gewachsen. Die übrigen Schichten werden durch die herkömmlichen, bekannten Verfahren gewachsen.
Die ersten und zweiten Barrierenschichten 3, 5 und die aktive Schicht 4 werden unter den Wachstumsbedingungen gewachsen, welche in der folgenden Tabelle I gezeigt sind. Zum Vergleich werden auch die Wachstumsbedingungen für die aktive Schicht aus GaInAs, um eine Oszillationswellenlänge von 0.98 um zu erhalten, als "(Referenz)" gezeigt.
Nach den in der folgenden Tabelle I gezeigten Wachstumsbedingungen, werden die Flussraten von TEGa (Triethyl-Gallium) und TMIn (Trimethyl-Indium), welche aus Bubblern zugeführt werden, wenn die Barrierenschichten 3, 5 gewachsen werden, auf die gleichen Mengen gesteuert, wie jene, die zugeführt werden, wenn die aktive Schicht 4 gewachsen wird. Andererseits, wenn die Barrierenschichten 3, 5 gewachsen werden, werden die Flussräten von AsH&sub3; und PH&sub3; anders gesteuert als jene, die zugeführt werden, wenn die aktive Schicht 4 gewachsen wird. Vorbestimmte Wachstumszeiten sind so eingestellt, dass die Dicken w&sub1;, w&sub2; der Barrierenschichten 3, 5 ungefähr 340 Angström betragen, und die Dicke d der aktiven Schicht 4 ungefähr 80 Angström beträgt. Ebenso wird das As : P-Zusammensetzungsverhältnis der Barrierenschichten 3, 5 anders gewählt als jenes der aktiven Schicht 4. Wenn diese Wachstumsbedingungen angewendet werden, kann eine Oszillationswellenlänge von ungefähr 0.98 um erhalten werden, während die Barrierenschichten 3, 5 eine Energiebandlücke Eg&sub1; haben, welche größer ist als die Energiebandlücke Eg&sub2; der aktiven Schicht 4, wie in Fig. 1B in vergrößertem Maßstab gezeigt. Dementsprechend kann die Ladungseinschlusseffizienz verbessert werden. Tabelle I
Da die aktive Schicht aus GaInAs, welche in der obigen Tabelle I als "(Referenz)" gezeigt ist, kein P in der aktiven Schicht enthält, unterscheidet sich ihre Bedingung zur Steuerung der Flussrate von TMIn von jener dieser Ausführung.
Ebenfalls, wie in Fig. 1C in vergrößertem Maßstab gezeigt, können die Barrierenschichten 3, 5 eine Zusammensetzung haben, welche in großer Nähe zur aktiven Schicht 4 eine Druckspannung empfängt, welche kleiner ist als jene, die an die aktive Schicht 4 angelegt ist. Bei dieser Zusammensetzung kann der Abschnitt großer Nähe als Spannungsentlastungsschicht dienen, welche die Erzeugung von Defekten, welche sich aus der Spannung ergeben, verringert. Obwohl eine Zusammensetzung, deren Gitter mit jenem des Substrats übereinstimmt, in dem nahen Abschnitt der Barrierenschichten 3, 5 im allgemeinen vorzuziehen ist, kann ein Teil der Barrierenschichten 3, 5 eine Zusammensetzung haben, welche eine Zugspannung empfängt, um die akkumulierte Spannung zu kompensieren. Eine solche Spannungskompensation ist insbesondere in Fällen wirksam, in welchen es mehrere Quantenwannen gibt. Während die Spannungsentlastungsschichten vorzugsweise auf beiden Seiten der aktiven Schicht 4 platziert sind, wie abgebildet, kann der oben erwähnte Effekt auch erhalten werden, wenn die Spannungsentlastungsschicht nur auf einer Seite angeordnet ist.
In der Halbleiter-Laserdiode, welche die oben erwähnte Struktur in Übereinstimmung mit dieser Ausführung der vorliegenden Erfindung hat, können weiterhin die folgenden Wirkungen erzielt werden.
Im allgemeinen, wenn ein Material, das zur Gruppe V gehört, durch AsH&sub3; und PH&sub3; im Prozess zur Herstellung der Halbleiter- Laserdiode gewachsen wird, können ihre Flussraten relativ leicht gesteuert werden, da sie Gase sind und die zuzuführenden Flussraten groß sind. Andererseits, wenn ein Material das zur Gruppe III gehört, durch TEGa und TMIn gewachsen wird, müssen sie durch Blasenbildung bzw.. Bubbling in Gase umgewandelt werden, da sie intrinsisch Flüssigkeiten sind. Dementsprechend ist es schwierig ihre Flussraten zu steuern. Ferner, da ihre Flussraten auf kleine Werte eingestellt sind, ist eine lange Zeit erforderlich, damit die Flussraten nach einer Änderung stabilisiert werden.
Daher, wie im Fall des als "(Referenz)" in der obigen Tabelle I angegebenen Stands der Technik, wenn die Flussraten von TEGa und TMIn gesteuert werden müssen, indem sie zwischen dem Wachstum der Barrierenschicht und dem Wachstum der aktiven Schicht umgeschaltet werden, ist ein langes Intervall (Unterbrechung) notwendig, um die Flussraten zu stabilisieren, und somit können die Schichten nicht schnell hergestellt werden.
Wie in der obigen Tabelle I gezeigt, um andererseits die Dicken und Zusammensetzung der Barrierenschichten 3, 5 und der aktiven Schicht 4 zu verwirklichen, um eine gewünschte Oszillations-Wellenlänge in der Struktur nach dieser Ausführung zu erreichen, ist es ausreichend, dass die Flussraten von TEGa und TMIn konstant gehalten werden (d. h. es ist nicht notwendig, dass die Flussraten geändert werden), während die Flussraten von AsH&sub3; und PH&sub3; gesteuert werden, welche leicht zu steuern sind, wenn die Barrierenschichten 3, 5 und die aktive Schicht 4 gewachsen werden, da alle diese Schichten P enthalten.
Dementsprechend, wenn die Halbleiter-Laserdiodenstruktur dieser Ausführung angewendet wird, ist keine lange Wachstumsunterbrechung notwendig, wie im Falle des Standes der Technik. Somit kann die Kontamination auf der Oberfläche während der Wachstumsunterbrechung minimiert werden. Während im Stand der Technik eine Unterbrechung von mehreren Minuten für die Flussraten von TEGa und TMIn in einem Reaktornotwendig ist, um eine Stabilisierung nach der Umschaltsteuerung zu erzielen, erfordert es nur eine Unterbrechung von 3 Sekunden oder weniger in dieser Ausführung, um die Flussraten von AsH&sub3; und PH&sub3; im Reaktor zu stabilisieren, nachdem die Umschaltung gesteuert wurde. Somit kann die für den Herstellungsprozess erforderliche Zeit wesentlich verkürzt werden. Dieser vorteilhafte Effekt kann bei den Herstellungsprozessen sowohl mit OMVPE als auch MBE erzielt werden.
Ebenso hat der Stand der Technik das Problem, dass wenn eine aktive Schicht, welche kein P enthält, und eine Barrierenschicht, welche P enthält, gewachsen werden, wahrscheinlich Defekte an der dazwischenliegenden Grenzfläche erzeugt werden. Da andererseits in dieser Ausführung alle Barrierenschichten 3, 5 und die aktive Schicht 4 P enthalten, können diese Defekte stark verringert werden, um so eine Halbleiter-Laserdiode zu schaffen, welche eine hohe Zuverlässigkeit und verbesserte Leistungsfähigkeit hat.
Fig. 2 zeigt einen Vergleich der Charakteristiken der Halbleiter-Laserdiode, welche eine GaInAs-Aktivschicht hat, mit jenen der Halbleiter-Laserdiode, welche in Übereinstimmung mit dieser Ausführung eine GaInAsP- Aktivschicht hat, bestätigt durch die folgenden Experimente. Die Oszillations-Wellenlänge jeder Halbleiter-Laserdiode beträgt ungefähr 0.98 um.
Zunächst wurde ein Erregerstrom von 500 mA einer Vielzahl von Proben von Halbleiter-Laserdioden bei einer Umgebungstemperatur von 25ºC zugeführt. Nur jene, welche korrekt arbeiteten, wurden aus diesen Proben gewählt und dann einem 100 Stunden dauernden Einbrennen unterworfen, bei welchem ein Erregerstrom von 275 mA bei einer Umgebungstemperatur von 50ºCelsius zugeführt wurde.
Während die Umgebungstemperatur bei 50ºC gehalten wurde und der Erregerstrom auf höchstens 500 mA eingestellt war, wurde die optische Leistungscharakteristik bezüglich des Stroms bestimmt. Das Diagramm zeigt die COD-Pegel, (als "o" in der Zeichnung angegeben) und die maximalen Leistungspege l (angegeben als " " in der Zeichnung) der Laserdioden in welchen kein COD auftrat. Wie in diesem Diagramm ersichtlich, wurde empirisch bestätigt, dass die Halbleiter-Laserdiode, welche eine GaInAsP-Aktivschicht nach dieser Ausführung hat, eine Charakteristik aufweist, welche klar besser ist als jene der Halbleiter-Laserdiode welche eine GaInAs-Aktivschicht hat.
Bei dieser Ausführung können als ein Verfahren zum Ausschließen des Problems der genauen Steuerung des Wachstums der aktiven Schicht 4, welche eine Dicke von 80 Angström hat, vorzugsweise die folgenden Techniken verwendet werden. Fig. 3 zeigt nämlich die Abhängigkeit der Fotoluminiszenz- Wellenlänge der gespannten Quantenwanne aus GaInAsP von der PH&sub3;-Flussrate bei Raumtemperatur, erhalten wenn die gleichen Bedingungen, wie jene von GaInAsP dieser Ausführung verwendet wurden, außer für die Flussrate von PH&sub3; und die Dicke. Wenn solche Daten empirisch erhalten werden, und dann die tiefe Schicht aus GaInAsP auf der Grundlage dieser Daten gewachsen wird, kann eine Halbleiter-Laserdiode, welche eine gewünschte Oszillations-Wellenlänge hat, hergestellt werden, selbst wenn die Dicke d der aktiven Schicht ungewiss ist (d. h. nicht genau gleich der Dicke von d = 80 Angström).
Das Zusammensetzungsverhältnis, die Ladungsträgerkonzentration und die Dicke jeder Schicht sind in Tabelle II gezeigt. Tabelle II
Im folgenden wird die zweite Ausführung der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5 beschrieben. In dieser Ausführung wird das Zusammensetzungsverhältnis eines Teils der Hüllschichten 2, welche in Fig. 1A gezeigt sind, so verändert, dass eine Energiebandlücke Eg erzeugt wird, welche in Fig. 4 gezeigt ist, während der Rest der Schichtstruktur (insbesondere die ersten und zweiten Barrierenschichten 3, 5 und die aktive Schicht 4) die gleichen sind wie jene der ersten Ausführung.
Der Hauptabschnitt der Hüllschichten 2, 6 besteht nämlich aus (Al0.1Ga0.9)0.5In0.5P während (Al0.9Ga0.1)0.57In0.43P in einem Teil der Hüllschicht 2 gewachsen wird, und eine breite Energiebandlücke Eg zu verwirklichen. Da eine solche breite Energiebandlücke eingestellt ist, wird verhindert, dass Ladungsträger in der aktiven Schicht 4 überfließen. Ebenso, da die In-Zusammensetzung in diesem Teil der Schicht niedrig eingestellt ist, um eine Zugspannung zu empfangen, wird der Barriereneffekt bezüglich der Ladungsträger vergrößert.
Ferner, da dieser Teil der Schicht nicht direkt in Kontakt steht mit der aktiven Schicht 4, aber die gleiche Energiebandlücke, wie jene im Rest der Hüllschicht 2 dazwischen geschaltet ist, wird ein Ladungsträgerverlust verhindert.
Fig. 5 zeigt die Konfiguration einer Vorrichtung zur Herstellung einer Halbleiter-Laserdiode, welche die oben beschriebene Struktur hat. Die Systeme zur Zuführung von AsH&sub3; und PH&sub3; sind in dieser Zeichnung nicht abgebildet. Diese Vorrichtung hat einen ersten Bubbler 1, welcher OMVPE anwendet, und für das Wachstum der Hüllschichten 2, 6, welche Al verwendet wird, und einen zweiten Bubbler 12, welcher unabhängig von dem ersten Bubbler 11 ist, und verwendet wird für das Wachstum der ersten und zweiten Barrierenschichten 3, 5, und der aktiven Schicht 4, welche kein Al enthalten.
Mittels einer Umschaltvorrichtung 13 sind die Bubbler 11, 12 über Röhren mit einem Reaktor 15 verbunden. Auch ist eine Umleitungsröhre 14 mit der Umschaltvorrichtung 13 verbunden. Abgas wird an den Enden des Reaktors 15 und der Umleitungsröhre 14 ausgestoßen.
Zunächst, um die Hüllschicht 2 zuwachsen, wird die Umschaltvorrichtung 13 so geschaltet, dass der erste Bubbler 11 mit dem Reaktor 15 verbunden ist, während der zweite Bubbler 12 abgeschnitten ist. Die Al enthaltende Hüllschicht 2, welche in Fig. 4 gezeigt ist, wird somit gewachsen. Dann wird der zweite Bubbler 12 mit dem Reaktor 15 verbunden, während der erste Bubbler 11 abgekoppelt wird. Die ersten und zweiten Barrierenschichten 3, 5 und die aktive Schicht 4, welche kein Al enthalten und in Fig. 4 gezeigt sind, werden somit gewachsen.
Danach wird die Umschaltvorrichtung 13 so geschaltet, dass der erste Bubbler 11 mit dem Reaktor 15 verbunden wird, während der zweite Bubbler 12 abgekoppelt wird. Die Al enthaltende Hüllschicht 6, welche in Fig. 4 gezeigt ist, wird somit gewachsen. Der Rest der Schichten wird durch das herkömmliche OMVPE-Verfahren gewachsen.
Da die zwei Systeme der ersten und zweiten Bubbler 11, 12 durch die Umschaltvorrichtung 13 umgeschaltet werden, kann die Flussrate jedes Materials genauer gesteuert werden, als in dem Fall, in welchem ein einziges Bubbler-System angewendet wird, um die gleiche Aufgabe zu lösen.
In einem einzelnen Bubbler-System wird Al nämlich nicht wirklich ausgespült, wenn die Massenflusssteuerung (MFC) von Al abgekoppelt wird, da in der Röhre verbleibendes Al in den Reaktor 15 fließen kann. In dieser Ausführung können andererseits die Barrierenschichten 3, 5 und die aktive Schicht 4, welche kein Al enthalten, gewachsen werden, da die Verbindungen der ersten und zweiten Bubbler 11, 12 zum Reaktor 15 durch die Umschaltvorrichtung 13 schnell geschaltet werden.
Ferner, da bei dieser Ausführung dieser Umschaltvorgang ein steiles Profil verwirklichen kann, wie in Fig. 4 gezeigt, können Halbleiter-Laserdioden mit gleichmäßigen Charakteristiken hergestellt werden.
In dieser Ausführung, wie bei der ersten Ausführung, enthalten die ersten und zweiten Barrierenschichten 3, 5 und die aktive Schicht 4 P. Dementsprechend, wie bei den in der obigen Tabelle gezeigt en Wachstumsbedingungen, können die Flussraten von TEGa und TMIn für das Wachsen von GaInAsP- Barrierenschichten 3, 5 auf den gleichen Pegeln gehalten werden, wie jene für das Wachstum der GaInAsP-Aktivschicht 4, wodurch die Prozesssteuerung und dergleichen vereinfacht wird.
Ferner, wenn zwei solche Bubbler-Systeme angewendet werden, kann die Spannung der aktiven Schicht 4 eingestellt werden, während die Zusammensetzungen der Barrierenschichten 3, 5 gehalten werden wie sie sind. Wenn nämlich die Flussraten von TEGa und TMIn unabhängig eingestellt werden, um so ihre Pegel zu vergrößern oder zu verringern, und dann die Flussrate von PH&sub3; auf der Grundlage von Daten wie jenen in Fig. 3 gezeigten gesteuert wird, kann jede Schicht so wachsen, dass eine Halbleiter-Laserdiode mit einer gewünschten Oszillations-Wellenlänge einfach hergestellt wird.
Im folgenden wird die dritte Ausführung der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 6 und 7A-7C beschrieben. Dies ist eine weitere Ausführung, welche das Verfahren zur Herstellung der Halbleiter-Laserdiode betrifft. Die Fig. 6 und 7A-C zeigen die Schritte des Prozesses und die diesen Schritten jeweils entsprechenden Vorrichtungsstrukturen.
Nachdem eine Wafer-artige Vorrichtung (ein Zwischenprodukt) mit einer Struktur, wie der in Fig. 1A gezeigten, hergestellt ist, wird die gesamte Oberfläche des Wafers mit einem Silizium-Nitrid-Film (SiN) 111 im ersten Schritt S1 überzogen, bevor externe Elektroden an der p-Typ Elektrodenschicht 8 und der n-Typ Elektrodenschicht 9 angebracht werden.
Im zweiten Schritt S2 wird der mit Silizium-Nitrid überzogene Wafer auf eine Resonatorlänge von ungefähr 1.5mm gespalten, um einen sogenannten Chip-Riegel bzw. Chip-Bar (siehe Fig. 7A) zu erzeugen.
Der Chip-Riegel 112 hat zwei Spaltebenen 112a und 112b, welche einander gegenüberstehen, und die Resonatorlänge wird definiert durch den Abstand zwischen den Spaltebenen 112a und 112b.
Im dritten Schritt S3, während der Chip-Riegel 112 so platziert ist, dass die mit dem Silizium-Nitrid-Film (SiN) 111 überzogene Endfläche, d. h. eine der Endflächen, wo die Elektrodenschicht 8, 9 gebildet werden sollen, auf der Oberseite ist, wird eine GaInP-Fensterschicht 113 mit einer Dicke von 1000 Angström auf den Spaltoberflächen 112a und 112b durch OMVPE gewachsen. Die Endoberflächen 112a und 112b der Tiefenschicht 4 werden durch die Fensterschicht 113 bedeckt.
Ferner wird in einer PH&sub3;-Atmosphäre die Temperatur erhöht, nachdem sie auf einen niedrigen Wert von ungefähr 600ºC zumindest zu Beginn des Wachstums eingestellt wurde. Bei dieser Stufe, da die ersten und zweiten Barrierenschichten 3, 5 und die aktive Schicht 4 P enthalten, wird die Substitution zwischen As und P erleichtert, wodurch die Verschlechterung der Charakteristiken verringert wird. Ebenso, wenn der Chip- Riegel 112 wie oben angemerkt platziert wird, kann eine GaInP-Fensterschicht auf den gesamten Spaltoberflächen 112a- 112b in einem einzigen Schritt gewachsen werden (siehe Fig. 7B).
In dem vierten Schritt S4 wird der Silizium-Nitrid-Film 111 entfernt.
Im fünften Schritt S5 werden die Spaltoberflächen AR- und HR- Beschichtungen unterzogen, so dass ein Film mit einem niedrigen Reflexionsgrad auf dem Licht aussendenden Ende gebildet wird, während ein Film mit einem hohen Reflexionsgrad auf dem Hinterende gebildet wird.
In dem sechsten Schritt S6 wird Wachs auf das Licht aussendende Ende 112a, die Seitenenden 112c und 112d, und das Hinterende 112b aufgebracht, und dann werden die p-Typ Elektrodenschicht 8 und die n-Typ Elektrodenschicht 9 auf den nicht mit Wachs bedeckten Oberflächen ohmisch (siehe Fig. 7c) gebildet (d. h. den zur Richtung x senkrechten Oberflächen).
Schließlich, wird im siebten Schritt S7 das oben erwähnte Wachs entfernt. In Fällen, in welchen eine kleine Menge Wachs im sechsten Schritt auf die Endoberflächen aufgebracht wurde, auf welchen die p-Typ Elektrodenschicht 8 und die n-Typ Elektrodenschicht 9 durch ohmsche Bildung gebildet werden sollen, wird dieses Wachs durch Azeton aufgelöst, und eine Legierung der ohmschen Elektrode wird hergestellt.
Diese Herstellungsschritte können die folgenden Ergebnisse schaffen. Im allgemeinen neigt die Endoberfläche des Licht aussendenden Abschnitts dazu zu brechen, wenn die Lichtaussendeleistung hoch ist. Dementsprechend kann ein GaInP-Fenster auf der Licht aussendenden Oberfläche gebildet sein.
In Fällen, in welchen das Zwischenprodukt, auf welchem die Elektrodenschichten 8, 9 gebildet worden sind, in einen Chip- Riegel gespalten wird, und dann die GaInP-Fensterschicht gebildet wird, muss der Chip-Riegel auf welchem die Elektrodenschichten 8, 9 gebildet worden sind, in einen Reaktionsofen eingebracht werden. Andererseits, in Übereinstimmung mit den Herstellungsschritten dieser Ausführung kann eine Halbleiter-Laserdiode mit gewünschter Struktur ohne die Notwendigkeit einer solchen Prozedur hergestellt werden.
Wie vorangehend beschrieben, schafft die vorliegende. Erfindung unter Verwendung einer GaInAsP-Aktivschicht einen Spannungsbetrag, der größer ist als jener, der bei der gleichen Oszillations-Wellenlänge erhalten wird, wenn eine GaInAs-Aktivschicht verwendet wird. Dementsprechend können die Charakteristiken durch Spannung verbessert werden. Insbesondere wird dieser Effekt größer, wenn die Oszillations-Wellenlänge nicht kürzer als 0.96 um ist.
Ebenso, da die aktive Schicht und die Barrierenschichten P enthalten, ist es während der Herstellung unwahrscheinlich, dass Defekte an ihren Grenzflächen auftreten, und somit können Defekt verringert werden.
Ferner, da GaInAsP an seiner Grenzfläche mit einem Silizium- Nitrid-Film eine Ladungsträgerrekombinations-Geschwindigkeit hat, welche langsamer als jene von GaInAs ist, kann die Zuverlässigkeit verbessert werden, wenn ein Endoberflächenüberzug angebracht wird.
Wenn eine aktive Schicht als GaInAs mit einer Dicke von ungefähr 80 Angström gewachsen wird, und dann mit seinem Ga : In-Zusammensetzungsverhältnis eine GaInAsP- Barrierenschicht gewachsen wird, so dass ihr Gitter mit jenem des Substrats übereinstimmt, wird die Energiebandlücke der Barrierenschicht so klein, dass der ursprüngliche Effekt der Barriere reduziert sein kann.
Andererseits, wenn die GaInAsP-Aktivschicht der vorliegenden Erfindung angewendet wird, kann die Energiebandlücke der GaInAsP-Barrierenschicht groß werden, selbst wenn das Ga : In- Zusammensetzungsverhältnis konstant ist. Wenn die Zusammensetzungen von Ga und In in der aktiven Schicht und den Barrierenschichten im wesentlichen gleich gemacht werden können, können die Zuführungsmengen von Ga und In auf konstanten Pegeln gehalten werden.
Dementsprechend können bei der Herstellung vorteilhafte Wirkungen erzielt werden, indem die Herstellungsschritte vereinfacht werden usw.
Aus der so beschriebenen Erfindung ist erkennbar, dass die Erfindung auf unterschiedliche Weise variiert werden kann. Solche Variationen gelten nicht als Abkehr vom Umfang der Erfindung, und alle solchen Modifikationen, welche für den Fachmann erkennbar sind, sollen in den Umfang der folgenden Ansprüche fallen.

Claims

1. Halbleiter-Laserdiode, umfassend:

ein Substrat aus GaAs; und

eine aktive Schicht, die auf dem Substrat gebildet ist, welche eine aktive gespannte Quantenwanne aus GaInAsP hat, deren Energiebandlücke kleiner als jene von GaAs ist,

wobei die Halbleiter-Laserdiode bei Raumtemperatur eine Oszillations-Wellenlänge hat, welche nicht kürzer als 0.96 um eingestellt ist.

2. Halbleiter-Laserdiode nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Barrierenschicht aus GaInAsP, deren Energiebandlücke größer als jene der aktiven Schicht ist.

3. Halbleiter-Laserdiode nach Anspruch 2, wobei die aktive Schicht und die Barrierenschicht das gleiche Zusammensetzungsverhältnis von Ga zu In haben.

4. Halbleiter-Laserdiode nach Anspruch 3, wobei die Barrierenschicht eine Struktur hat, welche in großer Nähe zur aktiven Schicht eine Druckspannung empfängt, welche kleiner ist als jene, die an die aktive Schicht angelegt ist.

5. Halbleiter-Laserdiode nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Paar von Hüllschichten, welche einen Abschnitt, der die Barrierenschicht und die aktive Schicht enthält, sandwichartig umgeben, wobei der Abschnitt und die Hüllschichten ein Material umfassen, welches P enthält.

6. Halbleiter-Laserdiode nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Halbleiter-Fensterschicht, die auf einer Spaltebene der aktiven Schicht vorgesehen ist, wobei die Energiebandlücke der Halbleiter-Fensterschicht größer ist als jene der aktiven Schicht.