DE69923919T2

DE69923919T2 - Halbleiterlaser, Halbleitervorrichtung und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69923919T2
Application number: DE69923919T
Authority: DE
Inventors: Takeharu Shinagawa-ku Asano; Tsunenori Shinagawa-ku Asatsuma; Tomonori Shinagawa-ku Hino; Shigetaka Shinagawa-ku Tomiya; Takashi Shinagawa-ku Yamaguchi; Takashi Shinagawa-ku Kobayashi
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1998-11-26
Filing date: 1999-11-19
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2019-11-20
Also published as: JP2000223781A; EP1005123A2; EP1005123A3; KR100639747B1; TW443016B; EP1005123B1; JP3804335B2; DE69923919D1; KR20000035669A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterlaser und auf sein Herstellungsverfahren und außerdem auf eine Halbleitervorrichtung und auf ihr Herstellungsverfahren, die insbesondere zur Anwendung auf mit einem Steg strukturierte Halbleiterlaser unter Verwendung von Nitrid-III-V-Verbindungshalbleitern geeignet sind.
Beschreibung verwandter Gebiete
Forschungen und Entwicklungen von Halbleiterlasern, die AlGaInN- oder andere Nitrid-II-V-Verbindungshalbleiter als Halbleiterlaser verwenden, die Licht über den Bereich von einem blauen Gebiet bis zu dem ultravioletten Gebiet aussenden können, das für optische Platten mit höheren Dichten erforderlich ist, sind in letzter Zeit energisch fortgeschritten. Um beschreibbare optische Platten zu realisieren, sind Lichtabgabeleistungen von wenigstens 20 mW erforderlich. Nakamura u. a. berichteten über die Herstellung eines Hochleistungslasers, der diese Materialien verwendet (Appl. Phys. Lett., 72 (1998) 2014, Jpn. J. Appl. Phys., 37 (1998), L627). Dieser Halbleiterlaser besitzt einen stegförmigen Streifen, wobei die Seitenflächen seines Stegs mit einer Isolierdünnschicht wie etwa mit einer SiO₂-Dünnschicht beschichtet sind, während seine p-Seiten-Elektrode so konfiguriert ist, dass sie lediglich mit einem Abschnitt einer p-Kontaktlage an der Oberseite des Stegs in Kontakt steht.
Der berichtete Halbleiterlaser weist bei der praktischen Anwendung Probleme auf, d.h. einen Knick in seiner Lichtausgangsleistungs-Strom-Kennlinie und eine Zunahme des Stroms, die sofort nach Leistungsversorgung beginnt. Der Knick demonstriert, dass eine Oszillation in einer Mode höherer Ordnung auftritt, während die Lichtausgangsleistung zunimmt. Um dies zu verhindern, muss die Differenz des Brechungsindex zwischen dem Stegabschnitt und der Substanz außerhalb des Stegabschnitts verringert werden oder muss die Strei fenbreite verringert werden. Da die Substanz außerhalb des Stegabschnitts SiO₂ oder Luft mit einem kleinen Brechungsindex ist, ist es in diesem Fall aber nicht leicht, die Differenz des Brechungsindex zu ändern. Die Verringerung der Streifenbreite ist von Schwierigkeiten im Herstellungsprozess begleitet.
Hinsichtlich der Zunahme des Stroms direkt nach der Leistungsversorgung wird sie vermutlich durch thermische Verschlechterung der aktiven Lage verursacht. Um sie zu verhindern, ist es erforderlich, die in der aktiven Lage erzeugte Wärme effektiv nach außen freizusetzen. Da die Oberseite des Stegs mit Ausnahme der Oberfläche der p-Kontaktlage in dem Halbleiterlaser dieses Typs aber von SiO₂ mit einer niedrigen thermischen Leitfähigkeit bedeckt ist, ist es schwierig, die Wärme abzustrahlen.
US 4,752,933 offenbart einen Halbleiterlaser, der einen Verbindungshalbleiter mit einer lichtemittierenden aktiven Lage, einer unteren Mantellage, die auf eine Unterseite der aktiven Lage ausgerichtet ist, einer obere Mantellage, die auf eine Oberseite der aktiven Lage ausgerichtet ist, einer Kontaktlage, die auf die Oberseite der oberen Mantellage ausgerichtet ist, und einer Strom/Licht-Einschlusslage, die auf die Oberseite der unteren Mantellage ausgerichtet ist, verwendet. Die Licht/Strom-Einschlusslage wird dadurch gebildet, dass eine Supergitterlage angeordnet wird und in die Supergitterlage mit Ausnahme eines Bereichs, der dem Strahlungsbereich des Halbleiterlasers entspricht, p-Störstellen diffundiert werden. Außerhalb des Strahlungsbereichs wird das Supergitter gestört und in eine feste Lösung geändert, wobei der Brechungsindex in der festen Lösung verringert wird.
AUFGABEN UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Somit ist eine Aufgabe der Erfindung die Schaffung eines Halbleiterlasers, der eine Transversalmode stabil steuern und Oszillationen von Moden höherer Ordnung bei hoher Ausgangsleistung verhindern kann, sowie eines Herstellungsverfahrens des Halbleiterlasers.
Eine weigere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Halbleitervorrichtung, die eine ausgezeichnete Wärmeableitung und eine lange Lebensdauer besitzt, sowie eines Herstellungsverfahrens der Halbleitervorrichtung.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Halbleiterlaser geschaffen, der einen Verbindungshalbleiter verwendet und einen stegförmigen Streifen besitzt, mit:
einer vergrabenen Halbleiterlage, die aus einem Verbindungshalbleiter hergestellt ist, von dem zumindest ein Teil kein Einkristall ist und in dem gegenüberliegende Seiten des Stegs vergraben sind.
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Halbleiterlaser geschaffen, der eine Nitrid-III-V-Verbindung verwendet und einen stegförmigen Streifen besitzt, mit:
einer vergrabenen Halbleiterlage, die aus einem Nitrid-III-V-Verbindungshalbleiter hergestellt ist, von dem zumindest ein Teil kein Einkristall ist und in dem gegenüberliegende Seiten des Stegs vergraben sind.
Gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren für die Herstellung eines Halbleiterlasers unter Verwendung eines Verbindungshalbleiters, der einen stegförmigen Streifen besitzt, geschaffen mit den folgenden Schritten:
Bilden des stegförmigen Streifens;
Aufwachsenlassen einer vergrabenen Halbleiterlage aus einem Verbindungshalbleiter für die Abdeckung des Stegs, bei der wenigstens ein Teil der vergrabenen Halbleiterlage auf gegenüberliegenden Seiten des Stegs kein Einkristall ist; und
Entfernen eines Teils der vergrabenen Halbleiterlage von der Oberseite des Stegs.
Gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren für die Herstellung eines Halbleiterlasers unter Verwendung eines Nitrid-III-V-Verbindungshalbleiters, der einen stegförmigen Streifen besitzt, geschaffen mit den folgenden Schritten:
Bilden des stegförmigen Streifens;
Aufwachsenlassen einer vergrabenen Halbleiterlage aus einem Nitrid-III-V-Verbindungshalbleiter für die Abdeckung des Stegs, bei der wenigstens ein Teil der vergrabenen Halbleiterlage auf gegenüberliegenden Seiten des Stegs kein Einkristall ist; und
Entfernen eines Teils der vergrabenen Halbleiterlage von der Oberseite des Stegs.
Der Halbleiterlaser im dem ersten, zweiten, dritten und vierten Aspekt der Er findung ist typisch ein Realindex-geführter Halbleiterlaser. Der Brechungsindex der vergrabenen Halbleiterlage ist typisch nicht höher als jener einer aktiven Lage.
Gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung wird eine Halbleitervorrichtung geschaffen, mit:
einem aus einem Verbindungshalbleiter hergestellten Grundkörper, der einen Schutz besitzt; und
einer vergrabenen Halbleiterlage, die aus einem Verbindungshalbleiter hergestellt ist, von der wenigstens ein Teil kein Einkristall ist und die dazu vorgesehen ist, den Schutz zu vergraben.
Gemäß dem sechsten Aspekt der Erfindung wird eine Halbleitervorrichtung geschaffen, mit:
einem aus einem Nitrid-III-V-Verbindungshalbleiter hergestellten Grundkörper, der einen Schutz besitzt; und
einer vergrabenen Halbleiterlage, die aus einem Nitrid-III-V-Verbindungshalbleiter hergestellt ist, von der wenigstens ein Teil kein Einkristall ist und die dazu vorgesehen ist, den Schutz zu vergraben.
Gemäß dem siebenten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren für die Herstellung einer Halbleitervorrichtung geschaffen, die einen aus einem Verbindungshalbleiter hergestellten Grundkörper besitzt, einen Schutz aufweist und eine vergrabene Halbleiterlage besitzt, die aus einem Verbindungshalbleiter hergestellt ist, wovon wenigstens ein Teil kein Einkristall ist, um den Schutz zu vergraben, mit den folgenden Schritten:
Bilden des Schutzes;
Aufwachsenlassen einer vergrabenen Halbleiterlage aus einem Verbindungshalbleiter, um den Schutz abzudecken, so dass zumindest ein Teil der vergrabenen Halbleiterlage um den Schutz kein Einkristall ist; und
Entfernen eines Teils der vergrabenen Halbleiterlage von der Oberseite des Schutzes.
Gemäß dem achten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren für die Herstellung einer Halbleitervorrichtung geschaffen, die einen aus einem Nitrid-III-V-Verbindungshalbleiter hergestellten Grundkörper besitzt, einen Schutz aufweist und eine vergrabene Halbleiterlage besitzt, die aus einem Nitrid-III-V-Verbin dungshalbleiter hergestellt ist, wovon wenigstens ein Teil kein Einkristall ist, um den Schutz zu vergraben, mit den folgenden Schritten:
Bilden des Schutzes;
Aufwachsenlassen einer vergrabenen Halbleiterlage aus einem Nitrid-III-V-Verbindungshalbleiter, um den Schutz abzudecken, so dass zumindest ein Teil der vergrabenen Halbleiterlage um den Schutz kein Einkristall ist; und
Entfernen eines Teils der vergrabenen Halbleiterlage von der Oberseite des Schutzes.
Der in der vergrabenen Halbleiterlage enthaltene Nicht-Einkristall-Abschnitt ist in der Erfindung typisch polykristallin, kann aber amorph sein oder sowohl einen Polykristallabschnitt als auch einen amorphen Abschnitt enthalten. Die vergrabene Halbleiterlage enthält typisch einen Einkristallabschnitt und einen Polykristallabschnitt, wobei der Einkristallabschnitt üblicherweise durch epitaktisches Wachstum in einem Teil der vergrabenen Halbleiterlage, der mit der Grundlage in Kontakt ist, gebildet wird. Die vergrabene Halbleiterlage besitzt typisch eine säulenartige Struktur. Die Dicke (Breite) des säulenartigen Kristalls, der die vergrabene Halbleiterlage bildet, liegt im Bereich von 5 nm bis 300 nm.
Jeder Nitrid-III-V-Verbindungshalbleiter enthält in der Erfindung wenigstens ein Gruppe-III-Element, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ga, Al, In, B und Tl besteht und wenigstens N mit oder ohne As oder P als Gruppe-V-Elemente enthält. Beispiele solcher Nitrid-III-V-Verbindungshalbleiter sind GaN, AlGaN, AlN, GaInN, AlGaInN, InN usw.
Als das Material der vergrabenen Halbleiterlage sind in der Erfindung je nach den Materialien des Halbleiterlasers oder der Halbleitervorrichtung verschiedene Arten von Verbindungshalbleitern verwendbar. Beispiele davon sind Nitrid-III-V-Verbindungshalbleiter, Al_xGa_1-xAs (0 ≤ x ≤ 1), (Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1), Zn_xMg_1-xS_ySe_1-y (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1) usw. Genauer sind in einem Halbleiterlaser, der Nitrid-III-V-Verbindungshalbleiter verwendet, als das Material der vergrabenen Halbleiterlage z.B. Al_xGa_1-xN (0 ≤ x ≤ 1), Al_xGa_1-xAs, (Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP, Zn_xMg_1-xS_ySe_1-y usw. verwendbar. In einem GaAs-Halbleiterlaser sind als das Material der vergrabenen Halbleiterlage z.B. Al_xGa_1-xAs und (Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP verwendbar. In einem AlGaInP-Halbleiterlaser kann (Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP als das Material der vergrabenen Halbleiterlage verwendet werden.
In der Erfindung wächst die vergrabene Halbleiterlage, insbesondere die, die aus einem Nitrid-III-V-Verbindungshalbleiter hergestellt wird, bei einer Wachstumstemperatur nicht niedriger als die Zerlegungstemperatur des Aufwachsausgangsmaterials und nicht höher als 760°C, d.h. z.B. bei einer Wachstumstemperatur nicht niedriger als 480°C und nicht höher als 760°C und vorzugsweise bei einer Wachstumstemperatur nicht niedriger als 520°C und nicht höher als 760°C auf. Für das Aufwachsen der vergrabenen Halbleiterlage können z.B. eine metallorganische chemische Abscheidung aus der Dampfphase (MOCVD), ein epitaktisches Wachstum in der Hydrid-Dampfphase, die Halogenid-Dampfphasenepitaxie (HVPE) oder eine Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder alternativ eine Elektronen-Zyklotronresonanz-Katodenzerstäubung (ECR-Katodenzerstäubung) verwendet werden.
Wenn in der Erfindung Al_xGa_1-xAs als das Material der vergrabenen Halbleiterlage verwendet wird, beträgt seine Wachstumstemperatur allgemein 400 bis 600°C. Wenn (Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP verwendet wird, beträgt seine Wachstumstemperatur allgemein 400 bis 600°C. Wenn Zn_xMg_1-xS_ySe_1-y verwendet wird, beträgt seine Wachstumstemperatur allgemein 300 bis 600°C. In diesen Fällen kann die vergrabene Halbleiterlage durch eine metallorganische chemische Abscheidung aus der Dampfphase (MOCVD) oder durch eine Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder alternativ durch eine Elektronen-Zyklotronresonanz-Katodenzerstäubung (ECR-Katodenzerstäubung) aufwachsen.
Da die Abschnitte an gegenüberliegenden Seiten des Stegs in dem Halbleiterlaser mit der oben zusammengefassten Struktur und seinem Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung durch die vergrabene Halbleiterlage, die aus einem Verbindungshalbleiter oder aus einem Nitrid-III-V-Verbindungshalbleiter, von dem wenigstens ein Teil kein Einkristall ist, vergraben sind, kann der gesamte Steg mit guter Glätte vergraben werden. Somit wird die Wärmeableitung aus dem Stegabschnitt verbessert, die Verschlechterung der aktiven Lage verhindert und die Lebensdauer des Halbleiterlasers verlängert.
Außerdem kann durch geeignete Bestimmung der Mischkristall-Zusammensetzungsverhältnisse des Verbindungshalbleiters oder des Nitrid-III-V-Verbindungshalbleiters, der die vergrabene Halbleiterlage bildet, die Differenz des Bre chungsindex zwischen dem Stegabschnitt und der vergrabenen Halbleiterlage leicht gesteuert werden, um eine Oszillation von Moden höherer Ordnung zu verhindern und Knicks in der Lichtabgabe-Strom-Kurve zu entfernen. Somit kann der Halbleiterlaser ohne Notwendigkeit eines äußerst schmalen Streifens leicht hergestellt werden.
Wenn für das Aufwachsen der aus einem Nitrid-III-V-Verbindungshalbleiter hergestellten vergrabenen Halbleiterlage eine metallorganische chemische Abscheidung aus der Dampfphase, ein epitaktisches Wachstum in der Hydrid-Dampfphase, ein epitaktisches Wachstum in der Halogeniddampfphase oder eine Molekularstrahlepitaxie verwendet wird, kann außerdem insbesondere der gesamte Steg mit guter Glätte vergraben werden, indem die Wachstumstemperatur nicht höher als 760°C eingestellt wird.
Da in der Halbleitervorrichtung mit der oben zusammengefassten Struktur und ihrem Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung die gegenüberliegenden Seiten des Schutzes durch die vergrabene Halbleiterlage, die aus einem Verbindungshalbleiter oder aus einem Nitrid-III-V-Verbindungshalbleiter hergestellt ist, von dem wenigstens ein Teil kein Einkristall ist, vergraben sind, kann der gesamte Schutz mit guter Glätte vergraben werden. Somit wird die Wärmeableitung von dem Schutz verbessert, die Verschlechterung des Elements verhindert und die Lebensdauer der Halbleitervorrichtung verlängert, falls der Schutz eine Wärmequelle ist.
Wenn für das Aufwachsen der vergrabenen Halbleiterlage, die aus einem Nitrid-III-V-Verbindungshalbleiter hergestellt wird, eine metallorganische chemische Abscheidung aus der Dampfphase, ein epitaktisches Wachstum in der Hydriddampfphase, ein epitaktisches Wachstum in der Halogeniddampfphase oder eine Molekularstrahlepitaxie verwendet wird, kann außerdem insbesondere der gesamte Schutz mit guter Glätte vergraben werden, indem die Wachstumstemperatur nicht höher als 760°C eingestellt wird.
Die obigen sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden leicht aus ihrer folgenden ausführlichen Beschreibung sichtbar, die in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung zu lesen ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine Querschnittsansicht zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung einer Probe, das für ein Vorexperiment verwendet wird;
2 ist eine Querschnittsansicht zur Erläuterung des Verfahrens zur Herstellung der Probe, das für das Vorexperiment verwendet wird;
3 ist eine Querschnittsansicht zur Erläuterung des Verfahrens zur Herstellung der Probe, das für das Vorexperiment verwendet wird;
4 ist eine Querschnittsansicht eines Stegabschnitts und seiner benachbarten vergrabenen AlGaN-Lage, die bei der Wachstumstemperatur von 800°C aufgewachsen ist;
5 ist eine Querschnittsansicht eines Stegabschnitts und seiner benachbarten vergrabenen AlGaN-Lage, die bei der Wachstumstemperatur von 760°C aufgewachsen ist;
6 ist eine Querschnittsansicht eines Stegabschnitts und seiner benachbarten vergrabenen AlGaN-Lage, die bei der Wachstumstemperatur von 730°C aufgewachsen ist;
7 ist ein schematisches Diagramm, das die Struktur einer vergrabenen AlGaN-Lage zeigt, die bei der Wachstumstemperatur von 520°C aufgewachsen ist;
8 ist ein schematisches Diagramm, das die Struktur einer vergrabenen AlGaN-Lage zeigt, die bei der Wachstumstemperatur von 730°C aufgewachsen ist;
9 ist ein schematisches Diagramm, das die Struktur einer vergrabenen AlGaN-Lage zeigt, die bei der Wachstumstemperatur von 760°C aufgewachsen ist;
10 ist eine perspektivische Ansicht, die einen GaN-Verbindungshalbleiterlaser mit einer vergrabenen Stegstruktur gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
11 ist eine Querschnittsansicht zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens des GaN-Verbindungshalbleiterlasers mit der vergrabenen Stegstruktur gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
12 ist eine Querschnittsansicht zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens des GaN-Verbindungshalbleiterlasers mit der vergrabenen Stegstruktur gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
13 ist eine Querschnittsansicht zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens des GaN-Verbindungshalbleiterlasers mit der vergrabenen Stegstruktur gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
14 ist eine Querschnittsansicht zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens des GaN-Verbindungshalbleiterlasers mit der vergrabenen Stegstruktur gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
15 ist eine Querschnittsansicht zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens des GaN-Verbindungshalbleiterlasers mit der vergrabenen Stegstruktur gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
16 ist eine Querschnittsansicht zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens des GaN-Verbindungshalbleiterlasers mit der vergrabenen Stegstruktur gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
17 ist eine Querschnittsansicht zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens des GaN-Verbindungshalbleiterlasers mit der vergrabenen Stegstruktur gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
18 ist eine Querschnittsansicht zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens des GaN-Verbindungshalbleiterlasers mit der vergrabenen Stegstruktur gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
19 ist ein schematisches Diagramm, das ein Ergebnis der Messung einer Lichtabgabe-Strom-Kennlinie des GaN-Halbleiterlasers mit der vergrabenen Stegstruktur gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
20 ist eine perspektivische Ansicht eines GaN-Halbleiterlasers mit einer vergrabenen Stegstruktur gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
21 ist eine perspektivische Ansicht eines GaN-Halbleiterlasers mit einer vergrabenen Stegstruktur gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGS FORMEN
Bevor Ausführungsformen der Erfindung erläutert werden, wird eine Erläuterung eines Ergebnisses eines Vorexperiments gegeben, das ausgeführt wurde, um die Vergrabungseigenschaft der vergrabenen Lage und die Kristalleigenschaft der vergrabenen Lage zu bewerten. Die 1 bis 3 zeigen ein Verfahren zur Herstellung einer Probe zur Bewertung.
Anhand von 1 wächst zunächst z.B. auf einem c-Ebenen-Saphirsubstrat 1 mit einer z.B. durch thermische Reinigung zuvor gereinigten Oberfläche durch MOCVD bei einer Temperatur von etwa 520°C eine undotierte GaN-Pufferlage 2 auf. Anschließend wachsen auf der GaN-Pufferlage 2 bei der Wachstumstemperatur von 1000°C aufeinander folgend durch MOCVD eine undotierte GaN-Lage 3, eine vergrabene p-AlGaN-Lage 4 und eine p-GaN-Lage 5 auf. Die Ausgangsmaterialien für das Aufwachsen dieser GaN-Verbindungshalbleiterlagen können z.B. Trimethylgallium ((CH₃)₃Ga, TMG) als das Ausgangsmaterial des Gruppe-III-Elements Ga, Trimethylaluminium ((CH₃)₃Al, TMA) als das Ausgangsmaterial des Gruppe-III-Elements Al, Trimethylindium ((CH₃)₃In, TMI) als das Ausgangsmaterial des Gruppe-III-Elements In und Ammonium (NH₃) als das Ausgangsmaterial des Gruppe-V-Elements N sein. Das Trägergas kann z.B. ein Mischgas aus Wasserstoff (H₂) und Stickstoff (N₂) sein. Hinsichtlich der Dotierungsmittel sind z.B. Monosilan (SiH₄) als das n-Dotierungsmittel und Bis(methylcyclopentadienyl)magnesium ((CH₃C₅H₄)₂Mg) oder Bis(cyclopentadienyl)magnesium ((C₅H₅)₂Mg) als das p-Dotierungsmittel verwendbar.
Danach wird das c-Ebenen-Saphirsubstrat 1 mit der aufgewachsenen GaN-Halbleiterlage aus der MOCVD-Vorrichtung entnommen. Wie in 2 gezeigt ist, wird daraufhin, nachdem auf der gesamten Oberfläche der p-GaN-Lage 5 durch CVD, Vakuumverdampfung, Katodenzerstäubung oder dergleichen eine 0,4 μm dicke SiO₂-Dünnschicht 6 hergestellt wurde, auf der SiO₂-Dünnschicht 6 durch Lithographie ein (nicht gezeigtes) Resistmuster mit einem vorgegebenen Muster gebildet. Daraufhin wird die SiO₂-Dünnschicht 6 unter Verwendung des Resistmusters als eine Maske durch Nassätzen unter Verwendung eines Ätzmittels, das z.B. aus einer Reihe von Fluorwasserstoffsäuren ausgewählt wurde, oder durch reaktives Ionenätzen (RIE) unter Verwendung eines Ätzgases wie etwa CF₄ oder CHF₃, das Fluor enthält, geätzt, um sie zu einem Streifen zu formen. Anschließend wird die vergrabene p-AlGaN-Lage 4 unter Verwendung der SiO₂-Dünnschicht 6 als eine Maske z.B. durch RIE auf eine bestimmte Tiefe davon geätzt, um den Stegabschnitt zu bilden. Das Ätzgas für das RIE kann z.B. ein Gas auf Chlorgrundlage sein.
Anhand von 3 wächst nachfolgend wieder durch MOCVD auf der gesamten Substratoberfläche eine vergrabene AlGaN-Lage 7, die z.B. 60% Al enthält, um die gegenüberliegenden Seiten des Stegabschnitts zu vergraben.
Die 4 bis 6 sind Diagramme, die von Rasterelektronenmikroskop-Photographien (SEM-Photographien) von Querschnitten des Stegabschnitts und der benachbarten vergrabenen AlGaN-Lage 7 in einer Probe gezeichnet wurden, die durch Einstellen der Wachstumstemperatur (Tg) jeweils auf 800°C, 760°C und 730°C für das Aufwachsen der vergrabenen AlGaN-Lage 7 vorbereitet wurde. Wie aus den 4 bis 6 sichtbar ist, vergräbt die vergrabene AlGaN-Lage 7 keine Abschnitte entlang der Seitenflächen des Stegabschnitts (Hohlräume), wenn die Wachstumstemperatur 800°C beträgt. Wenn die Wachstumstemperatur 730°C beträgt, ist die Oberfläche der vergrabenen AlGaN-Lage 7 flach, während sie uneben wird, während die Wachstumstemperatur zunimmt. Wenn die Wachstumstemperatur 800°C beträgt, ist die vergrabene AlGaN-Lage 7 einkristallin, während sie teilweise säulenartig strukturiert ist, wenn die Wachstumstemperatur 760°C beträgt. Obgleich dies nicht gezeigt ist, ist außerdem die Unebenheit an der Oberfläche der vergrabenen AlGaN-Lage 7 nicht so groß, wenn die Wachstumstemperatur 900°C beträgt, wobei in der vergrabenen AlGaN-Lage 7 aber Risse erzeugt werden. Wie oben überprüft wurde, umfasst die Verwendung einer Einkristalllage zum Vergraben des Stegabschnitts die Probleme des Nichtvergrabens der Seitenflächen des Stegabschnitts, der großen Unebenheit an der Oberfläche und der Erzeugung von Rissen. Somit muss die zum Vergraben des Stegabschnitts verwendete Halb leiterlage wenigstens teilweise polykristallin sein, um die Stegseitenflächen zuverlässig zu vergraben und Risse zu verhindern. Außerdem ist es wünschenswert, dass die Unebenheit an der Oberfläche der vergrabenen AlGaN-Lage 7 unter dem Gesichtspunkt der Erleichterung des Laserprozesses, nachdem der Steg vergraben worden ist, und unter dem Gesichtspunkt der Sicherstellung eines engen Kontakts der vergrabenen Lage mit der Elektrode, um die Wärmeableitung zu verbessern, so klein wie möglich ist. Werden diese berücksichtigt, ist die Wachstumstemperatur zum Aufwachsen der vergrabenen AlGaN-Lage 7 durch MOCVD vorzugsweise nicht höher als 760°C.
Die 7 bis 9 zeigen schematisch in Proben, die jeweils durch Einstellen der Wachstumstemperatur (Tg) auf 520°C, 730°C und 760°C für das Aufwachsen der vergrabenen AlGaN-Lage 7 vorbereitet wurden, Querschnittsstrukturen vergrabener AlGaN-Lagen 7, die durch ein Strahlungs-Elektronenmikroskop (TEM) beobachtet wurden.
Wie in 7 gezeigt ist, wächst die vergrabene AlGaN-Lage 7 als ein Einkristall von der Grundlage epitaktisch als Teil davon in Kontakt mit der Grundlage auf, wobei der Kristall darauf in Form von Säulen aufwächst, um eine säulenartige Struktur zu bilden, wenn die Wachstumstemperatur 520°C beträgt. Die Dicke der Epitaxielage betrug etwa 70 nm. Der Durchmesser der unteren Abschnitte der säulenartigen Kristalle betrug 50 bis 80 nm. An der Oberfläche der vergrabenen AlGaN-Lage 7 wurde eine so hohe Unebenheit wie etwa 30 nm erzeugt.
Wie in 9 gezeigt ist, zeigt der Teil der vergrabenen AlGaN-Lage 7 in Kontakt mit der Grundlage bei der Wachstumstemperatur von 760°C einen fehlerfreien Einkristall, der epitaktisch von der Grundlage aufgewachsen ist, wobei der Kristall über ihm in einer säulenartigen Form aufwächst, um eine säulenartige Struktur zu bilden. Die Dicke der Epitaxielage betrug extra 130 nm und der Durchmesser des unteren Teils jedes säulenartigen Kristalls etwa 270 nm. Diese säulenartigen Kristalle sind in Bezug auf die Orientierung im Wesentlichen ausgerichtet. Ferner wurde in die jeweiligen säulenartigen Kristalle eine große Anzahl planarer Defekte eingeführt. An der Oberfläche der vergrabenen AlGaN-Lage 7 gab es eine so große Unebenheit wie etwa 160 nm.
Anhand der Zeichnung wird nun im Folgenden eine Erläuterungen von Ausführungsformen der Erfindung gegeben. In allen Figuren, die Ausführungsformen veranschaulichen, sind die gleichen oder einander entsprechende Komponenten mit gemeinsamen Bezugszeichen bezeichnet.
10 zeigt einen GaN-Verbindungshalbleiterlaser mit einer vergrabenen Stegstruktur gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung. Der hier gezeigte GaN-Verbindungshalbleiter besitzt eine SCH-Struktur (Separate Confinement Heterostructure).
Wie in 10 gezeigt ist, enthält der GaN-Halbleiterlaser gemäß der ersten Ausführungsform z.B. über einer undotierten GaN-Pufferlage 12 eine n-GaN-Kontaktlage 13, eine n-AlGaN-Mantellage 14, eine n-GaN-Lichtleiterlage 15, eine aktive Lage 16 mit einer undotierten Ga_1-xIn_xN/Ga_1-yIn_yN-Mehrpotentialtopfstruktur, eine p-GaN-Lichtleiterlage 17, eine p-AlGaN-Mantellage 18 und eine p-GaN-Kontaktlage 19, die aufeinander folgend mit einer Dicke von 400 μm auf einem c-Ebenen-Saphirsubstrat 11 mit einer Dicke von 400 μm gestapelt sind.
Die GaN-Pufferlage 12 ist z.B. 30 nm dick. Die n-GaN-Kontaktlage 13 ist z.B. 4 μm dick und als ihre n-Störstellen z.B. mit Silicium (Si) dotiert. Die n-AlGaN-Mantellage 14 ist z.B. 0,7 μm dick und als ihre n-Störstellen z.B. mit Si dotiert. Die n-GaN-Lichtleiterlage 15 ist z.B. 0,1 μm dick und als ihre n-Störstellen z.B. mit Si dotiert. In der aktiven Lage mit der undotierten Ga_1-xIn_xN/Ga_1-yIn_yN-Mehrpotentialtopfstruktur ist z.B. jede Topflage 3 nm dick und jede Barrierenlage 4 nm dick.
Die p-GaN-Lichtleiterlage 17 ist 0,1 μm dick und als ihre p-Störstellen z.B. mit Magnesium (Mg) dotiert. Die p-AlGaN-Mantellage 18 ist z.B. 0,7 μm dick und als ihre p-Störstellen z.B. mit Mg dotiert. Die p-GaN-Kontaktlage 19 ist z.B. 0,3 μm dick und als ihre p-Störstellen z.B. mit Mg dotiert.
Die oben liegenden Abschnitte der n-GaN-Kontaktlage 13, der n-AlGaN-Mantellage 14, der n-GaN-Lichtleiterlage 15, der aktiven Lage 16, der p-GaN-Lichtleiterlage 17 und der p-AlGaN-Mantellage 18 besitzen eine Mesakonfiguration einer vorgegebenen Breite. In dem Mesaabschnitt bildet der oben liegende Abschnitt der p-AlGaN-Mantellage 18 und der p-GaN-Kontaktlage 19 einen Stegabschnitt mit einer vorgegebenen Breite, der in einer Richtung verläuft. Die Verlaufsrichtung des Stegabschnitts kann z.B. die <11–20>-Richtung sein, wobei die Breite z.B. 4 μm ist.
Auf den gegenüberliegenden Seiten des Stegabschnitts ist z.B. eine undotierte vergrabene AlGaN-Lage 20 vorgesehen. Die vergrabene AlGaN-Lage 20 ist wenigstens teilweise polykristallin (oder säulenartig strukturiert).
In dem Stegabschnitt ist an der p-GaN-Kontaktlage 19 und ihren benachbarten Abschnitten der vergrabenen AlGaN-Lage 20 eine p-Seiten-Elektrode 21 vorgesehen. Die p-Seiten-Elektrode 21 besitzt eine Ni/Pt/Au-Struktur, bei der z.B. eine Ni-Dünnschicht, eine Pt-Dünnschicht und eine Au-Dünnschicht aufeinander folgend gestapelt sind, wobei diese Ni-Dünnschicht, Pt-Dünnschicht und Au-Dünnschicht jeweils z.B. 10 nm dick, 100 nm dick und 300 nm dick sind. Da die vergrabene AlGaN-Lage 20 einen hohen Widerstand besitzt, fließt der Strom unabhängig von der p-Seiten-Elektrode 21, die sowohl mit der GaN-Kontaktlage 19 als auch mit der vergrabenen AlGaN-Lage 20 in Kontakt steht, lediglich in dem Stegstreifenabschnitt. In dem von dem Mesa-Abschnitt verschiedenen Bereich ist an der n-GaN-Kontaktlage 13 eine n-Seiten-Elektrode 22 vorgesehen. Die n-Seiten-Elektrode 22 besitzt z.B. eine Ti/Al/Pt/Au-Struktur, bei der eine Ti-Dünnschicht, eine Al-Dünnschicht, eine Pt-Dünnschicht und eine Au-Dünnschicht aufeinander folgend gestapelt sind, wobei diese Ti-Dünnschicht, Al-Dünnschicht, Pt-Dünnschicht und Au-Dünnschicht jeweils z.B. 10 nm dick, 100 nm dick, 100 nm dick und 300 nm dick sind.
Nachfolgend wird ein Herstellungsverfahren des GaN-Halbleiterlasers mit der oben erläuterten Struktur gemäß der ersten Ausführungsform erläutert.
Zur Herstellung des GaN-Halbleiterlasers wächst zunächst, wie in 11 gezeigt ist, auf einem c-Ebenen-Saphirsubstrat 11 mit einer zuvor z.B. durch thermische Reinigung gereinigten Oberfläche bei einer Temperatur von z.B. etwa 520°C durch MOCVD eine undotierte GaN-Pufferlage 12 auf. Anschließend wird die Substrattemperatur auf eine vorgegebene Wachstumstemperatur erhöht, wobei auf der GaN-Pufferlage 12 eine n-GaN-Lage 3, eine n-AlGaN-Mantellage 14, eine n-GaN-Lichtleiterlage 15, eine aktive Lage 16 mit der undotierten Ga_1-xIn_xN/Ga_1-yIn_yN-Mehrpotentialtopfstruktur, eine p-GaN-Lichtleiterlage 17, eine p-AlGaN-Mantellage 18 und eine p-GaN-Kontaktlage 19 aufeinander folgend gestapelt werden. Für Lagen, die kein In enthalten, d.h. für die n-GaN-Kontaktlage 13, für die AlGaN-Mantellage 14, für die n-GaN-Licht leiterlage 15, für die p-GaN-Lichtleiterlage 17, für die p-AlGaN-Mantellage 18 und für die p-GaN-Kontaktlage 19, wird die Wachstumstemperatur z.B. auf 1000°C eingestellt. Für die aktive Lage 16 mit der Ga_1-xIn_xN/Ga_1-yIn_yN-Mehrpotentialtopfstruktur, die In enthält, wird die Wachstumstemperatur z.B. auf 700 bis 800°C eingestellt. Die Ausgangsmaterialien für das Aufwachsen dieser GaN-Verbindungshalbleiterlagen können z.B. Trimethylgallium ((CH₃)₃Ga, TMG) als das Ausgangsmaterial des Gruppe-III-Elements Ga, Trimethylaluminium ((CH₃)₃Al, TMA) als das Ausgangsmaterial des Gruppe-III-Elements Al, Trimethylindium ((CH₃)₃In, TMI) als das Ausgangsmaterial des Gruppe-III-Elements In und Ammonium (NH₃) als das Ausgangsmaterial des Gruppe-V-Elements N sein. Das Trägergas kann z.B. ein Mischgas aus Wasserstoff (H₂) und Stickstoff (N₂) sein. Hinsichtlich der Dotierungsmittel sind z.B. Monosilan (SiH₄) und das n-Dotierungsmittel und Bis(methylcyclopentadienyl)magnesium ((CH₃C₅H₄)₂Mg) oder Bis(cyclopentadienyl)magnesium ((C₅H₅)₂Mg) als das p-Dotierungsmittel verwendbar.
Danach wird das c-Ebenen-Saphirsubstrat 11 mit der aufgewachsenen GaN-Halbleiterlage aus der MOCVD-Vorrichtung entnommen. Wie in 12 gezeigt ist, wird daraufhin, nachdem auf der gesamten Oberfläche der p-GaN-Lage 19 durch CVD, Vakuumverdampfung, Katodenzerstäubung oder dergleichen eine 0,4 μm dicke SiO₂-Dünnschicht 23 hergestellt wurde, auf der SiO₂-Dünnschicht 23 durch Lithographie ein (nicht gezeigtes) Resistmuster mit einem vorgegebenen Muster gebildet. Daraufhin wird die SiO₂-Dünnschicht 23 unter Verwendung des Resistmusters als eine Maske durch Nassätzen unter Verwendung eines Ätzmittels, das z.B. aus einer Reihe von Fluorwasserstoffsäuren ausgewählt wurde, oder durch RIE unter Verwendung eines Ätzgases wie etwa CF₄ oder CHF₃, das Fluor enthält, geätzt, um sie zu einem Streifen zu formen. Anschließend wird die p-AlGaN-Mantellage 18 unter Verwendung der SiO₂-Dünnschicht 23 als eine Maske z.B. durch RIE auf eine bestimmte Tiefe davon geätzt, um den Stegabschnitt zu bilden. Das Ätzgas für das RIE kann z.B. ein Gas auf Chlorgrundlage sein.
Wie in 13 gezeigt ist, wächst nachfolgend wieder durch MOCVD, wobei die Wachstumstemperatur z.B. auf 520°C eingestellt wird, auf der gesamten Substratoberfläche eine vergrabene AlGaN-Lage 20 auf, die z.B. 60% Al enthält, um die gegenüberliegenden Seiten des Stegabschnitts zu vergraben. Bei der Wachstumstemperatur von 520°C wird wenigstens ein Teil der vergrabenen AlGaN-Lage 20 polykristallin. In diesem Fall wird selbst bei der Al-Zusammensetzung von 60% in der vergrabenen AlGaN-Lage 20 kein Riss erzeugt. Gleichzeitig kann der gesamte Steg mit guter Glätte vergraben werden.
Danach wird das c-Ebenen-Saphirsubstrat 11 mit der darauf aufgewachsenen vergrabenen AlGaN-Lage 20 aus der MOCVD-Vorrichtung entnommen. Wie in 14 gezeigt ist, wird danach, nachdem auf der gesamten Substratoberfläche z.B. durch CVD, Vakuumverdampfung oder Katodenzerstäubung z.B. eine 0,4 μm dicke SiO₂-Dünnschicht 24 gebildet worden ist, durch Lithographie auf der SiO₂-Dünnschicht 24 mit Ausnahme des vorstehenden bzw. geschützten Abschnitts der vergrabenen AlGaN-Lage 20 ein (nicht gezeigtes) Resistmuster mit einer vorgegebenen Konfiguration hergestellt. Daraufhin wird unter Verwendung des Resistmusters als eine Maske durch Nassätzen unter Verwendung eines Ätzmittels, das z.B. aus einer Reihe von Fluorwasserstoffsäuren ausgewählt worden ist, oder durch RIE unter Verwendung eines Ätzgases wie etwa CF₄ oder CHF₃, das Fluor enthält, die SiO₂-Dünnschicht 24 geätzt.
Wie in 15 gezeigt ist, wird anschließend unter Verwendung der SiO₂-Dünnschicht 24 als eine Maske z.B. durch RIE ein Ätzen durchgeführt, um den vorstehenden Abschnitt der vergrabenen AlGaN-Lage 20 über dem Stegabschnitt zu entfernen.
Danach wird die SiO₂-Dünnschicht 24 entfernt und auf der Substratoberfläche in dem gleichen Prozess, wie er oben erläutert wurde und in 16 gezeigt ist, eine SiO₂-Dünnschicht 25 mit einer vorgegebenen Konfiguration gebildet.
Wie in 17 gezeigt ist, wird anschließend unter Verwendung der SiO₂-Dünnschicht 25 als eine Maske z.B. durch RIE ein Ätzen durchgeführt, bis die n-GaN-Kontaktlage 13 freiliegt, um den oben liegenden Abschnitt der n-GaN-Kontaktlage 13, der n-AlGaN-Mantellage 14, der n-GaN-Lichtleiterlage 15, der aktiven Lage 16 mit der undotierten Ga_1-xIn_xN/Ga_1-yIn_yN-Mehrpotentialtopfstruktur, der p-GaN-Lichtleiterlage 17, der p-AlGaN-Mantellage 18 und der vergrabenen AlGaN-Lage 20 zu einer Mesakonfiguration zu strukturieren.
Daraufhin wird die SiO₂-Dünnschicht 25 durch Ätzen entfernt. Danach wird auf der Substratoberfläche ein (nicht gezeigtes) Resistmuster mit einer vorgegebenen Konfiguration gebildet, woraufhin auf der gesamten Substratoberfläche z. b. durch Vakuumverdampfung aufeinander folgend eine Ti-Dünnschicht, eine Al-Dünnschicht, eine Pt-Dünnschicht und eine Au-Dünnschicht gebildet werden. Daraufhin wird das Resistmuster zusammen mit der darüber liegenden Ti-Dünnschicht, Al-Dünnschicht, Pt-Dünnschicht und Au-Dünnschicht entfernt (Abheben). Wie in 18 gezeigt ist, wird im Ergebnis an einem Ort der n-GaN-Kontaktlage 13, der zu dem Mesaabschnitt benachbart ist, die n-Seiten-Elektrode 22 gebildet. Anschließend wird die n-Seiten-Elektrode 22 für einen Ohmschen Kontakt legiert. Außerdem wird in einem ähnlichen Prozess in dem Mesaabschnitt auf der p-GaN-Kontaktlage 19 und ihren benachbarten Abschnitten der vergrabenen AlGaN-Lage 20 die p-Seiten-Elektrode 21 gebildet und für einen Ohmschen Kontakt legiert.
Anschließend wird das c-Ebenen-Saphirsubstrat 11 mit der darauf gebildeten Laserstruktur z.B. durch Spaltung in Riegel unterteilt, um Hohlraumränder zu bilden. Nachfolgend werden die Hohlraumränder durch Randbeschichtung beschichtet, wobei jeder Riegel z.B. durch Spaltung in Chips unterteilt wird. Durch diese Schritte wird der GaN-Verbindungshalbleiterlaser mit der beabsichtigten vergrabenen Stegstruktur und SCH-Struktur wie in 10 fertig gestellt.
19 zeigt ein Ergebnis einer Messung einer Lichtabgabe-Strom-Kennlinie des GaN-Verbindungshalbleiterlasers gemäß der ersten Ausführungsform. Die Wachstumstemperatur der vergrabenen AlGaN-Lage 20 beträgt 520°C. Aus 19 wird angemerkt, dass eine gute Lichtabgabe-Strom-Kennlinie erhalten wurde.
Da der Steg wie oben erläutert gemäß der ersten Ausführungsform durch die vergrabene AlGaN-Lage 20 vergraben ist, die bei der Wachstumstemperatur von 520°C wenigstens teilweise polykristallin aufwächst, kann der gesamte Steg mit guter Oberflächenglätte vergraben werden, ohne dass selbst bei einer hohen Al-Zusammensetzung in der vergrabenen AlGaN-Lage 20 Risse erzeugt werden. Da das Kontaktgebiet zwischen der p-Seiten-Elektrode 21 und der Grundlage erhöht werden kann, kann außerdem die während des Betriebs erzeugte Wärme effektiv freigesetzt werden und eine Zunahme des während der Leistungsversorgung erzeugten Stroms verhindert werden, um dadurch die Lebensdauer des Halbleiterlasers zu verlängern. Außerdem kann durch Ändern der Al-Zusammensetzung in der vergrabenen AlGaN-Lage 20 die Differenz des Bre chungsindex zwischen dem Stegabschnitt und dem Restabschnitt gesteuert werden, wobei Transversalmoden leicht gesteuert werden können.
Außerdem besitzt die erste Ausführungsform den folgenden Vorteil. Das heißt, im Fall des Aufwachsens von GaN-Halbleitern gibt es allgemein das Problem, dass p-Störstellen (Akzeptor) in den aufgewachsenen Lagen durch den Wasserstoff in der Aufwachsatmosphäre deaktiviert werden, wobei ein Bedarf zum Nachtempern in einer Stickstoffatmosphäre nach dem Aufwachsen der p-Lagen besteht. Da die äußerste Oberfläche in der ersten Ausführungsform während des Aufwachsens der vergrabenen AlGaN-Lage 20 aber die vergrabene AlGaN-Lage 20 ist, greift der Wasserstoff in der Aufwachsatmosphäre die p-Lagen nicht direkt an, wobei Wasserstoff, der während des ersten epitaxialen Aufwachsens zum Aufwachsen von Lagen bis zu der p-GaN-Kontaktlage 19 in den p-Lagen gefangen ist, daraus durch die vergrabene AlGaN-Lage 20 entweichen kann. Somit können p-Störstellen in p-Lagen während des Aufwachsens der vergrabenen AlGaN-Lage 20 aktiviert werden, ohne dass ein Nachtempern ausgeführt wird.
20 zeigt eine GaN-Verbindungshalbleiterlage mit einer vergrabenen Stegstruktur gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung. Der GaN-Verbindungshalbleiterlaser besitzt ebenfalls eine SCH-Struktur.
Wie in 20 gezeigt ist, ist in dem GaN-Verbindungshalbleiterlaser gemäß der zweiten Ausführungsform auf den gegenüberliegenden Seiten des Stegabschnitts eine hochohmige vergrabene AlN-Lage 26 vergraben. Wenigstens ein Teil der vergrabenen AlN-Lage 26 ist polykristallin. Hinsichtlich der weiteren Aspekte ist der hier gezeigte GaN-Verbindungshalbleiterlaser der Gleiche wie in der ersten Ausführungsform. Somit wird ihre Erläuterung weggelassen.
Abgesehen davon, dass die vergrabene AlN-Lage 26 durch ECR-Katodenzerstäubung hergestellt wird, ist das Verfahren zur Herstellung des GaN-Verbindungshalbleiterlasers gemäß der zweiten Ausführungsform das Gleiche wie das Herstellungsverfahren des GaN-Verbindungshalbleiterlasers gemäß der ersten Ausführungsform.
Da der Steg gemäß der zweiten Ausführungsform durch die vergrabene AlGaN-Lage 20 vergraben wird, die wenigstens teilweise polykristallin durch ECR-Ka todenzerstäubung aufwächst, kann der gesamte Steg mit guter Oberflächenglätte vergraben werden, ohne dass in der vergrabenen AlGaN-Lage 20 Risse erzeugt werden. Da das Kontaktgebiet zwischen der p-Seiten-Elektrode 21 und der Grundlage erhöht werden kann, kann außerdem die während des Betriebs erzeugte Wärme effektiv freigesetzt werden und eine Zunahme des Stroms während der Leistungsversorgung verhindert werden, um die Lebensdauer des Halbleiterlasers zu verlängern. Da der Brechungsindex der vergrabenen AlN-Lage 26 größer als der von SiO₂ oder Luft ist, kann außerdem die Differenz des Brechungsindex zwischen dem Stegabschnitt und dem Restabschnitt im Vergleich zu herkömmlichen GaN-Verbindungshalbleiterlasern, die mit einem Steg strukturiert sind, verringert werden, wobei Transversalmoden stabilisiert werden können. Da die vergrabene AlN-Lage 26 durch ECR-Katodenzerstäubung hergestellt wird, ist der Vergrabungsprozess darüber hinaus einfacher.
21 zeigt einen GaAs-Verbindungshalbleiterlaser mit einer vergrabenen Stegstruktur gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung.
Wie in 21 gezeigt ist, enthält der GaAs-Verbindungshalbleiterlaser gemäß der dritten Ausführungsform eine n-GaAs-Pufferlage 32, eine n-AlGaAs-Mantellage 33, eine aktive Lage 34 mit einer Ein-Potentialtopf-Struktur oder einer Mehr-Potentialtopf-Struktur, eine p-AlGaAs-Mantellage 35 und eine p-GaAs-Decklage 36, die aufeinander folgend auf einem n-GaAs-Substrat 31 gestapelt sind. Ein oben liegender Abschnitt der p-AlGaAs-Mantellage 35 und der p-GaAs-Decklage 36 bilden einen Stegabschnitt mit einer vorgegebenen Breite, der in einer Richtung verläuft.
Auf den gegenüberliegenden Seiten des Stegabschnitts ist z.B. eine vergrabene n-AlGaAs-Lage 37 vergraben. Wenigstens ein Teil der vergrabenen n-AlGaAs-Lage 37 ist aus einem polykristallinen oder amorphen Bereich hergestellt.
In dem Stegabschnitt ist auf der p-GaAs-Decklage 36 und ihren benachbarten Abschnitten der vergrabenen n-AlGaAs-Lage 37 eine p-Seiten-Elektrode 38 vorgesehen. Die p-Seiten-Elektrode 38 kann z.B. eine Ti/Pt/Au-Elektrode sein. Auf der Unterseite des n-GaAs-Substrats 31 ist in Ohmschem Kontakt mit dem n-GaAs-Substrat 31 eine n-Seiten-Elektrode 39 vorgesehen. Die n-Seiten-Elektrode 39 kann z.B. eine AuGe/Ni-Elektrode oder eine In-Elektrode sein.
Nachfolgend wird ein Herstellungsverfahren des GaAs-Verbindungshalbleiterlasers mit der oben erläuterten Struktur gemäß der dritten Ausführungsform erläutert.
Zur Herstellung des GaAs-Verbindungshalbleiterlasers wachsen zunächst, wie in 21 gezeigt ist, z.B. durch metallorganische chemische Abscheidung aus der Dampfphase (MOCVD) bei einer Wachstumstemperatur von z.B. etwa 800°C auf dem n-GaAs-Substrat 31 aufeinander folgend die n-GaAs-Pufferlage 32, die n-AlGaAs-Mantellage 33, die aktive Lage 34, die p-AlGaAs-Mantellage 35 und die p-GaAs-Decklage 36 auf.
Danach wird das n-GaAs-Substrat 31 mit den darauf aufgewachsenen AlGaAs-Verbindungshalbleiterlagen aus der MOCVD-Vorrichtung entnommen. Nachdem auf der gesamten Oberfläche der p-GaAs-Decklage 36 z.B. durch CVD, Vakuumverdampfung oder Katodenzerstäubung z.B. eine 0,4 μm dicke SiO₂-Dünnschicht gebildet worden ist, wird nachfolgend auf der SiO₂-Dünnschicht durch Lithographie ein (nicht gezeigtes) Resistmuster mit einer vorgegebenen Konfiguration gebildet. Unter Verwendung des Resistmusters als eine Maske wird die SiO₂-Dünnschicht durch Nassätzen unter Verwendung eines Ätzmittels, das z.B. aus einer Reihe von Fluorwasserstoffsäuren ausgewählt wurde, oder durch RIE unter Verwendung eines Ätzgases wie etwa CF₄ oder CHF₃, das Fluor enthält, geätzt, um sie zu einem Streifen zu formen. Daraufhin wird die p-AlGaAs-Mantellage 35 durch Nassätzen oder Trockenätzen unter Verwendung der SiO₂-Dünnschicht als eine Maske auf eine vorgegebene Tiefe geätzt, um einen Stegabschnitt zu bilden.
Danach wächst auf der gesamten Oberfläche wiederum durch MOCVD z.B. bei der Wachstumstemperatur von 450°C die vergrabene n-AlGaAs-Lage, um die gegenüberliegenden Seiten des Stegabschnitts zu vergraben. Bei der Wachstumstemperatur von 450°C wird die vergrabene n-AlGaAs-Lage 37 wenigstens teilweise polykristallin oder amorph. In diesem Fall wird in der vergrabenen n-AlGaAs-Lage 37 keine Flächenauflockerung erzeugt, wobei der gesamte Steg mit guter Oberflächenglätte vergraben werden kann.
Anschließend wird das n-GaAs-Substrat 31 mit der vergrabenen n-AlGaAs-Lage 37 darauf aus der MOCVD-Vorrichtung entnommen. Nachdem auf der gesamten Oberfläche des Substrats durch z.B. durch CVD, Vakuumverdampfung oder Katodenzerstäubung eine z.B. 0,4 μm dicke SiO₂-Dünnschicht gebildet worden ist, wird daraufhin auf der SiO₂-Dünnschicht mit Ausnahme des freiliegenden Abschnitts der vergrabenen n-AlGaAs-Lage 37 durch Lithographie ein (nicht gezeigtes) Resistmuster mit einer vorgegebenen Konfiguration gebildet. Die SiO₂-Dünnschicht wird unter Verwendung des Resistmusters als eine Maske durch Nassätzen unter Verwendung eines Ätzmittels, das z.B. aus einer Reihe von Fluorwasserstoffsäuren ausgewählt worden ist, oder durch RIE unter Verwendung eines Ätzgases wie etwa CF₄ oder CHF₃, das Fluor enthält, geätzt, um sie zu einem Streifen zu formen.
Danach wird unter Verwendung der SiO₂-Dünnschicht als eine Maske ein Ätzen z.B. durch Nassätzen oder RIE durchgeführt, um den vorstehenden Abschnitt der vergrabenen n-AlGaAs-Lage 37 über dem Stegabschnitt zu entfernen. Anschließend wird die SiO₂-Dünnschicht durch Ätzen entfernt.
Danach werden auf der gesamten Oberfläche des Substrats z.B. durch Vakuumverdampfung aufeinander folgend eine Ti-Dünnschicht, eine Pt-Dünnschicht und eine Au-Dünnschicht gestapelt, um die p-Seiten-Elektrode 38 zu bilden. Auf der Unterseite des n-GaAs-Substrats 31 werden eine AuGe/Ni-Dünnschicht oder eine In-Dünnschicht als die n-Seiten-Elektrode 39 gebildet.
Anschließend wird das n-GaAs-Substrat 31, auf dem die Laserstruktur gebildet worden ist, z.B. durch Spaltung in Riegel geteilt, um Hohlraumränder zu bilden. Nachfolgend werden die Hohlraumränder durch Randbeschichtung beschichtet und jeder Riegel z.B. durch Spaltung in Chips geteilt. Durch diese Schritte wird der beabsichtigte GaAs-Verbindungshalbleiterlaser, der mit einem vergrabenen Steg strukturiert ist, fertig gestellt.
Gemäß der dritten Ausführungsform können bei GaAs-Halbleiterlasern, die mit einem Steg strukturiert sind, die gleichen Vorteile wie in der ersten Ausführungsform erhalten werden.
Nachdem anhand der beigefügten Zeichnung spezifische bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden sind, ist die Erfindung selbstverständlich nicht auf diese genauen Ausführungsformen beschränkt, wobei daran vom Fachmann auf dem Gebiet selbstverständlich verschiedene Änderungen und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne von dem wie in den beigefügten Ansprüchen definierten Umfang der Erfindung abzuweichen.
Zum Beispiel sind die in der ersten, zweiten und dritten Ausführungsform vorgeschlagenen Zahlenwerte, Strukturen, Substrate, Ausgangsmaterialien und Prozesse lediglich Beispiele, wobei bei Bedarf andere geeignete Zahlenwerte, Strukturen, Substrate, Ausgangsmaterialien und Prozesse verwendet werden können.
Obgleich die erste und die zweite Ausführungsform in der Weise erläutert wurden, dass sich der Stegstreifenabschnitt in der <11–20>-Orientierung des c-Ebenen-Saphirsubstrats 11 erstreckt, kann er sich stattdessen in der <1–100>-Richtung erstrecken.
Obgleich die erste und die zweite Ausführungsform in der Weise erläutert wurden, dass sie das c-Ebenen-Saphirsubstrat als das Substrat verwenden, können, wenn angebracht, z.B. ein SiC-Substrat, ein Si-Substrat eines Spinellsubstrats verwendet werden.
Ferner sind die erste und die zweite Ausführungsform in der Weise erläutert worden, dass die Erfindung auf SCH-strukturierte GaN-Verbindungshalbleiterlaser angewendet wird. Allerdings ist die Erfindung z.B. ebenfalls auf GaN-Verbindungshalbleiterlaser mit einer DH-Struktur (Doppelheterostruktur) anwendbar.
Die dritte Ausführungsform ist in der Weise erläutert worden, dass die Erfindung auf GaAs-Verbindungshalbleiterlaser mit einer DH-Struktur (Doppelheterostruktur) angewendet wird. Allerdings ist sie ebenfalls auf SCH-strukturierte GaAs-Verbindungshalbleiterlaser anwendbar.
Da die gegenüberliegenden Seiten des Stegs gemäß dem Halbleiterlaser wie oben beschrieben durch die vergrabene Halbleiterlage vergraben sind, die aus einem Verbindungshalbleiter oder aus einem Nitrid-III-V-Verbindungshalbleiter hergestellt ist, von dem wenigstens ein Teil kein Einkristall ist, kann die Oszillation von Moden höherer Ordnung dadurch verhindert werden, dass die Transversalmoden stabil gesteuert werden, wobei eine ausgezeichnete Wärmeableitung sichergestellt werden kann.
Gemäß dem Herstellungsverfahren eines Halbleiterlasers gemäß der Erfindung kann der Halbleiterlaser mit den Vorteilen leicht hergestellt werden.
Da die gegenüberliegenden Seiten des Schutzes gemäß der Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung durch die vergrabene Halbleiterlage vergraben sind, die aus einem Verbindungshalbleiter oder aus einem Nitrid-III-V-Verbindungshalbleiter hergestellt ist, von dem wenigstens ein Teil kein Einkristall ist, wird eine ausgezeichnete Wärmeableitung sichergestellt.
Gemäß dem Herstellungsverfahren einer Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung kann die Halbleitervorrichtung mit den Vorteilen leicht hergestellt werden.

Claims

Halbleiterlaser, der einen Verbindungshalbleiter verwendet und einen stegförmigen Streifen besitzt, mit: einer vergrabenen Halbleiterlage, die aus einem Verbindungshalbleiter hergestellt ist, von dem zumindest ein Teil kein Einkristall ist und in dem gegenüberliegende Seiten des Stegs vergraben sind, dadurch gekennzeichnet, dass die vergrabene Halbleiterlage wenigstens teilweise polykristallin ist.
Halbleiterlaser nach Anspruch 1, wobei der Halbleiterlaser einen Nitrid-III-V-Verbindungshalbleiter verwendet.
Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die vergrabene Halbleiterlage aus einem Nitrid-III-V-Verbindungshalbleiter hergestellt ist.
Halbleiterlaser nach Anspruch 3, bei dem die vergrabene Halbleiterlage einen Bereich aus einem Einkristall und einen Bereich aus einem Polykristall enthält.
Halbleiterlaser nach Anspruch 3, bei dem die vergrabene Halbleiterlage eine säulenartige Struktur hat.
Halbleiterlaser nach Anspruch 5, bei dem der Durchmesser eines säulenartigen Kristalls, der die vergrabene Halbleiterlage bildet, im Bereich von 5 nm bis 300 nm liegt.
Halbleiterlaser nach Anspruch 3, bei dem die vergrabene Halbleiterlage einen Brechungsindex besitzt, der nicht höher als jener einer aktiven Lage ist.
Halbleiterlaser nach Anspruch 3, bei dem die vergrabene Halbleiterlage aus Al_xGa_1-xN (0 ≤ x ≤ 1) hergestellt ist.
Halbleiterlaser nach Anspruch 3, wobei der Halbleiterlaser ein Realindexgeführter Halbleiterlaser ist.
Verfahren für die Herstellung eines Halbleiterlasers unter Verwendung eines Verbindungshalbleiters, der einen stegförmigen Streifen besitzt, mit den folgenden Schritten: Bilden des stegförmigen Streifens; Aufwachsenlassen einer vergrabenen Halbleiterlage aus einem Verbindungshalbleiter für die Abdeckung des Stegs bei einer Wachstumstemperatur, bei der wenigstens ein Teil der vergrabenen Halbleiterlage auf gegenüberliegenden Seiten des Stegs ein Polykristall ist; und Entfernen eines Teils der vergrabenen Halbleiterlage von der Oberseite des Stegs.
Verfahren für die Herstellung eines Halbleiterlasers nach Anspruch 10, bei dem der Halbleiterlaser einen Nitrid-III-V-Verbindungshalbleiter verwendet.
Verfahren für die Herstellung eines Halbleiterlasers nach Anspruch 11, bei dem die vergrabene Halbleiterlage aus einem Nitrid-III-V-Verbindungshalbleiter hergestellt ist.
Verfahren für die Herstellung eines Halbleiterlasers nach Anspruch 12, bei dem die vergrabene Halbleiterlage einen Bereich aus einem Einkristall und einen Bereich aus einem Polykristall enthält.
Verfahren für die Herstellung eines Halbleiterlasers nach Anspruch 12, bei dem die vergrabene Halbleiterlage eine säulenartige Struktur hat.
Verfahren für die Herstellung eines Halbleiterlasers nach Anspruch 14, bei dem der Durchmesser eines säulenartigen Kristalls, der die vergrabene Halbleiterlage bildet, im Bereich von 5 nm bis 300 nm liegt.
Verfahren für die Herstellung eines Halbleiterlasers nach Anspruch 12, bei dem die vergrabene Halbleiterlage bei einer Wachstumstemperatur aufwächst, die nicht niedriger als die Zerlegungstemperatur eines Ausgangsmaterials für ihr Wachstum und nicht höher als 760°C ist.
Verfahren für die Herstellung eines Halbleiterlasers nach Anspruch 12, bei dem die vergrabene Halbleiterlage bei einer Wachstumstemperatur im Bereich von 480°C bis 760°C aufwächst.
Verfahren für die Herstellung eines Halbleiterlasers nach Anspruch 12, bei dem die vergrabene Halbleiterlage bei einer Wachstumstemperatur im Bereich von 520°C bis 760°C aufwächst.
Verfahren für die Herstellung eines Halbleiterlasers nach Anspruch 12, bei dem die vergrabene Halbleiterlage durch eine metallorganische chemische Abscheidung aus der Dampfphase, ein epitaktisches Wachstum in der Hydrid-Dampfphase oder eine Molekularstrahl-Epitaxie aufwächst.
Verfahren für die Herstellung eines Halbleiterlasers nach Anspruch 12, bei dem die vergrabene Halbleiterlage durch Elektronen-Zyklotronresonanz-Katodenzerstäubung aufwächst.
Verfahren für die Herstellung eines Halbleiterlasers nach Anspruch 12, bei dem die vergrabene Halbleiterlage einen Brechungsindex besitzt, der nicht größer als jener einer aktiven Lage ist.
Verfahren für die Herstellung eines Halbleiterlasers nach Anspruch 12, bei dem die vergrabene Halbleiterlage aus Al_xGa_1-xN (0 ≤ x ≤ 1) hergestellt ist.
Verfahren für die Herstellung eines Halbleiterlasers nach Anspruch 12, bei dem der Halbleiterlaser ein Realindex-geführter Halbleiterlaser ist.
Halbleitervorrichtung, mit: einem Verbindungshalbleiter-Grundkörper, der einen Schutz besitzt; und einer vergrabenen Halbleiterlage, die aus einem Verbindungshalbleiter hergestellt ist, von der wenigstens ein Teil kein Einkristall ist und die dazu vorgesehen ist, den Schutz zu vergraben, dadurch gekennzeichnet, dass die vergrabene Halbleiterlage zumindest teilweise polykristallin ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 24, bei der der Grundkörper aus einem Nitrid-III-V-Verbindungshalbleiter hergestellt ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 25, bei der die vergrabene Halbleiterlage aus einem Nitrid-III-V-Verbindungshalbleiter hergestellt ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 26, bei der die vergrabene Halbleiterlage einen Bereich aus einem Einkristall und einen Bereich aus einem Polykristall enthält.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 26, bei der die vergrabene Halbleiterlage eine säulenartige Struktur hat.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 28, bei der der Durchmesser eines säulenartigen Kristalls, der die vergrabene Halbleiterlage bildet, im Bereich von 5 nm bis 30 nm liegt.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 26, bei der die vergrabene Halbleiterlage aus Al_xGa_1-xN (0 ≤ x ≤ 1) hergestellt ist.
Verfahren für die Herstellung einer Halbleitervorrichtung, die einen aus einem Verbindungshalbleiter hergestellten Grundkörper besitzt, einen Schutz aufweist und eine vergrabene Halbleiterlage besitzt, die aus einem Verbindungshalbleiter hergestellt ist, wovon wenigstens ein Teil kein Einkristall ist, um den Schutz zu vergraben, mit den folgenden Schritten: Bilden des Schutzes; Aufwachsenlassen einer vergrabenen Halbleiterlage aus einem Verbindungshalbleiter, um den Schutz abzudecken, bei einer Wachstumstemperatur, bei der zumindest ein Teil der vergrabenen Halbleiterlage um den Schutz ein Polykristall ist; und Entfernen eines Teils der vergrabenen Halbleiterlage von der Oberseite des Schutzes.
Verfahren für die Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 31, bei dem der Grundkörper aus einem Nitrid-III-V-Verbindungshalbleiter hergestellt ist.
Verfahren für die Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 32, bei dem die vergrabene Halbleiterlage aus einem Nitrid-III-V-Verbindungshalbleiter hergestellt ist.
Verfahren für die Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 33, bei dem die vergrabene Halbleiterlage einen Bereich aus einem Einkristall und einen Bereich aus einem Polykristall enthält.
Verfahren für die Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 33, bei dem die vergrabene Halbleiterlage eine säulenartige Struktur hat.
Verfahren für die Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 35, bei der der Durchmesser eines säulenartigen Kristalls, der die vergrabene Halbleiterlage bildet, im Bereich von 5 nm bis 300 nm liegt.
Verfahren für die Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 33, bei dem die vergrabene Halbleiterlage bei einer Wachstumstemperatur aufwächst, die nicht niedriger als die Zerlegungstemperatur eines Ausgangsmaterials für das Wachstum und nicht höher als 760°C ist.
Verfahren für die Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 33, bei dem die vergrabene Halbleiterlage bei einer Wachstumstemperatur im Bereich von 480°C bis 760°C aufwächst.
Verfahren für die Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 33, bei der die vergrabene Halbleiterlage bei einer Wachstumstemperatur im Bereich von 520°C bis 760°C aufwächst.
Verfahren für die Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 33, bei der die vergrabene Halbleiterlage durch eine metallorganische chemische Abscheidung aus der Dampfphase, ein epitaktisches Wachstum in der Hydrid-Dampfphase oder eine Molekularstrahl-Epitaxie aufwächst.
Verfahren für die Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 33, bei dem die vergrabene Halbleiterlage durch Elektronen-Zyklotronresonanz-Katodenzerstäubung aufwächst.
Verfahren für die Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 33, bei dem die vergrabene Halbleiterlage aus Al_xGa_1-xN (0 ≤ x ≤ 1) hergestellt ist.