DE69925547T2

DE69925547T2 - Herstellung der Endflächen von Laserdioden durch Epitaxie auf Basis von III-V Materialien

Info

Publication number: DE69925547T2
Application number: DE69925547T
Authority: DE
Inventors: Yong Mountain View Chen; Shih-Yuan Palo Alto Wang
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 1998-08-27
Filing date: 1999-07-02
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2019-07-03
Also published as: US6240115B1; EP0982819B1; DE69925547D1; JP2000077770A; EP0982819A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Halbleiterlaser und insbesondere randemittierende Laser, die auf GaN- oder anderen III-V-Materialsystemen beruhen.
Hintergrund der Erfindung
III-V-Materialien wie GaN sind insbesondere bei der Konstruktion von Lasern und LEDs im blauen und grünen Wellenlängenbereich nützlich. Diese Laser werden typischerweise auf einem Saphirsubstrat aufgebracht. Facetten in den GaN-Schichten stellen die Spiegel für die Enden der Laserkavität zur Verfügung. Diese Facetten müssen zueinander parallel sein und glatte Oberflächen aufweisen.
Es gibt zwei Techniken im Stand der Technik, um die Facetten herzustellen. Die erste Technik umfaßt ein Spalten der GaN-Schichten und des darunterliegenden Saphirsubstrats. Die Gitterkonstanten des GaN und des Saphirs unterscheiden sich um 13%. Außerdem ist das Saphirsubstrat sehr hart. Daher liegt die Spaltebene nicht immer präzise senkrecht zu der Ebene der aktiven Schicht des Lasers. Dies führt zu Facetten, die nicht perfekt parallel zueinander sind. Daher ist eine zusätzliche Bearbeitung in Form von zeitaufwendigen Poliervorgängen notwendig, um die Spaltfehler zu korrigieren. Zusätzlich muß vor dem Spalten das Saphirsubstrat in dem Bereich, in dem die Spaltung stattfindet, ausgedünnt werden. Der Vorgang des Ausdünnens erhöht auch die Kosten der Bearbeitung.
Das zweite Verfahren aus dem Stand der Technik umfaßt das Maskieren der GaN-Schichten und ein reaktives Ionenätzen der Säule, um die Spiegelfacetten zu bilden. Unglücklicherweise weisen die Masken oft kleine Fehler auf, die zu Riefen auf der Facettenoberfläche führen. Diese Riefen bewirken, daß die Spiegel optisch verlustreich sind.
EP-A-1 171 143, welches ein Dokument nach Art. 54(3) EPÜ ist, offenbart einen randemittierenden Laser, der unterliegende Masken zum Reduzieren von Versetzungen aufweist. Der Laser umfaßt ein Saphirsubstrat, eine erste GaN-Schicht, eine SiO₂-Maske, eine zweite GaN- Schicht und eine Insel, die aus SiO₂ hergestellt ist und in der ersten Schicht verdeckt ist, eine erste Kapselschicht, eine aktive Schicht, eine zweite Kapselschicht und eine dritte Kontaktschicht. Die erste Kapselschicht, die aktive Schicht und die zweite Kapselschicht bilden eine optische Kavität, wobei die aufliegende Kontaktschicht zur Ultraviolettemission benutzt wird.
Ando S. et al., „Novel Hexagonal-Facet GAAS/ALGAAS Laser Grown by Selectiva Area Metalorganic Chemical Vapor Deposition", Japanese Journal of Applied Physics, JP, Band 32 (1993) September 15, Nr. 9B, Teil 02, Tokio, Japan offenbart einen Laser, der auf einem GaAs-Substrat eine erste AlGaAs-Schicht, eine SiO₂-Maske, eine zweite AlGaAs-Kapselschicht und eine aktive GaAs-Schicht und eine zweite AlGaAs-Kapselschicht aufweist. Diese Druckschrift betrifft jedoch keine GaN-Laser.
Im weitesten Sinne ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten GaN-Laser zur Verfügung zu stellen.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Laser zur Verfügung zu stellen, bei dem es nicht notwendig ist, die Facetten durch Spalten des unterliegenden Substrats und der GaN-Schichten zu erzeugen.
Es ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Laser zur Verfügung zu stellen, bei dem es nicht erforderlich ist, die Spiegelfacetten zu ätzen oder zu polieren.
Diese und weitere Ziele der vorliegenden Erfindung werden den Fachleuten aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung und aus den beigefügten Zeichnungen deutlich.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist ein Laser mit einer ersten Schicht eines III-V-Halbleitermaterials eines ersten Halbleitertyps, auf den eine Maske mit einer Öffnung darin aufgebracht wird. Eine zweite Schicht eines III-V-Halbleitermaterials des ersten Halbleitertyps ist von einem Teil der ersten Schicht aufgewachsen, der unter der Öffnung in der Maske liegt, und erstreckt sich über die Maske. Eine erste Kapselschicht eines III-V-Halbleitermaterials des ersten Halbleitertyps wird über die zweite Schicht aufgewachsen, um die zweite Schicht zu bedecken. Die aktive Schicht, die das Licht durch die Rekombination von Löchern und Elektronen darin erzeugt, wird über die erste Kapselschicht aufgewachsen. Eine zweite Kapselschicht eines III-V-Halbleitermaterials wird über die aktive Schicht aufgewachsen, wobei die zweite Kapselschicht ein III-V-Halbleitermaterial des der ersten Schicht entgegengesetzten Halbleitertyps umfaßt. Eine dritte Schicht eines III-V-Halbleitermaterials wird über die zweite Kapselschicht aufgewachsen. Die dritte Schicht eines III-V-Halbleitermaterials umfaßt ein III-V-Halbleitermaterial des entgegengesetzten Halbleitertyps, und die dritte Schicht eines III-V-Halbleitermaterials umfaßt eine kristalline Schicht, welche die Kapselschicht bedeckt. Zwei Facetten der kristallinen Schicht bilden die Spiegel an den entgegengesetzten Enden der optischen Kavität, welche die aktive Schicht umfaßt. Das bevorzugte III-V-Halbleitermaterial ist GaN. Die Maske wird aus einem Material konstruiert, auf dem das III-V-Halbleitermaterial nicht nukleiert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Ansicht eines typischen Lasers der auf GaN beruht.
2 bis 4 sind Querschnittsansichten, die das Aufwachsen von GaN auf einem Saphirsubstrat darstellen.
5 ist eine Querschnittsansicht einer GaN-Schicht, die auf dem Saphirsubstrat aufgewachsen ist.
6 bis 12 stellen die Schritte bei der Konstruktion des Lasers gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung läßt sich einfacher im Zusammenhang mit der 1 verstehen, die eine perspektivische Ansicht eines typischen Lasers 10 ist, der auf GaN beruht. Zur Vereinfachung sind nur die wichtigsten epitaktischen Schichten gezeigt. Der Laser 10 ist aus fünf Schichten eines GaN-Materials aufgebaut, einer GaN-Schicht 11 vom Typ N, einer AlGaN-Kapselschicht 12 vom Typ N, einer aktiven Schicht 13, einer AlGaN-Kapselschicht 14 vom Typ P und einer GaN-Schicht 15 vom Typ P. Es ist darauf zu achten, daß jede der Kapsel schichten oft aus mehreren Schichten mit leicht unterschiedlichen Zusammensetzungen aufgebaut ist. Um die Zeichnungen zu vereinfachen, ist jede Kapselschicht als eine einzelne Schicht gezeigt.
Die aktive Schicht 13 erzeugt Licht durch die Rekombination von Löchern und Elektronen, die aus einem Potential resultieren, das zwischen den Schichten 11 und 15 angelegt wird. Dieses Licht ist auf eine Kavität eingeschränkt, die von den Kapselschichten 12 und 14 und den Facetten, die bei 18 und 19 gezeigt sind, begrenzt ist. Die Facetten, die bei 21 und 22 gezeigt sind, sind viel weniger kritisch, weil diese Facetten nicht für das Vor- und Zurückreflektieren des Lichts durch den aktiven Bereich verantwortlich sind. Kontakte 17 und 16 liefern die Verbindungspunkte zum Anlegen des Potentials über die n-p-Diodenstruktur. Der Laser 10 wird typischerweise durch Auftragen der verschiedenen Schichten auf ein Substrat und anschließend durch Erzeugen der verschiedenen Facetten aufgebaut.
Die Facetten 18 und 19 müssen parallel und glatt sein, um einen Laser mit einer hohen elektrischen Wirkungsgrad zu liefern. Wie vorhergehend bemerkt, führen Schwierigkeiten beim Erzeugen dieser Facetten zu hohen Kosten und einer geringeren Produktionsausbeute.
Außerdem müssen die verschiedenen GaN-Schichten frei von Defekten sein. Defekte entstehen typischerweise durch die Fehlanpassung der Gitterkonstanten zwischen GaN und Saphir, dem ausgewählten Substrat. Techniken zum Verringern der Defektdichte unter Verwendung eines Wachstums über einem SiO₂-Pad sind den Fachleuten bekannt.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Beobachtung, daß geringe Versetzungsbereiche von GaN beobachtet werden, wenn eine GaN-Schicht über einer SiO₂-Schicht aufgewachsen wird, indem das GaN seitlich von einem Bereich des GaN ausgebreitet wird, der an dem SiO₂-Bereich angrenzt. Dieses Phänomen ist den Fachleuten gut bekannt und wird daher hier im Detail nicht diskutiert. Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung kann das Phänomen einfacher mit Bezug auf die 2 bis 4 verstanden werden, welche Querschnittsansichten sind, die das Wachstum von GaN auf einem Saphirsubstrat 41 darstellen. Bezugnehmend auf die 2 beginnt das Verfahren durch Aufwachsen einer Schicht von GaN 42 über dem Substrat 41. Die Schicht 42 besitzt eine hohe Dichte von Versetzungen, wie bei 43 gezeigt ist. Ein Streifen aus SiO₂ 44 wird anschließend auf die GaN-Schicht aufgebracht, wie in 3 gezeigt ist, und eine neue GaN-Schicht wird anschließend über die Oberfläche der Schicht 42 und des Streifens 44 epitaktisch aufgewachsen, wie in 4 gezeigt ist. Das GaN an den Seiten des Streifens 44 wirkt als eine Keimfläche für das Wachstum des GaN, das sich nach oben und seitlich über den Streifen 44 verbreitet, wie in 4 gezeigt ist.
Die Versetzungen in den Bereichen, die von dem Streifen 44 nicht bedeckt sind, werden durch das neue Wachstum verbreitet, wie bei 46 gezeigt ist. Es wurde jedoch experimentell entdeckt, daß der Bereich 45 des seitlichen Wachstums über dem Streifen 44 verhältnismäßig wenig Versetzungen aufweist. Die Versetzungsdichte im Bereich 45 kann einige Größenordnungen geringer sein als die Versetzungsdichte in dem Bereich 46.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Beobachtung, daß nicht nur die Versetzungsdichte erheblich verringert ist, sondern daß auch der Rand 47 des GaN, das sich über die SiO₂-Schicht verbreitet, perfekt vertikal ist, wodurch eine natürliche Facette gebildet wird. Die vorliegende Erfindung hängt von einem Anfangsmaterial ab, das einen im wesentlichen defektfreien Bereich vor dem Aufbringen der SiO₂-Maske aufweist. Die Art, in der ein solches Anfangsmaterial erzeugt wird, kann einfacher im Zusammenhang mit der 5 verstanden werden, die eine Querschnittsansicht eines GaN-Schichtwachstums auf einem Saphirsubstrat 201 zeigt. Die GaN-Schicht wird begonnen, indem eine Schicht von GaN 202 auf dem Saphirsubstrat epitaktisch aufgewachsen wird. Wie vorhergehend bemerkt, besitzt eine solche Schicht eine hohe Dichte von Versetzungen, die durch die Fehlanpassung zwischen dem GaN und dem Saphir hervorgerufen wird. Zur Vereinfachung haben wir ein GaN-Wachstum direkt auf einem Saphir gezeigt. In bestimmten Fällen werden AlN- oder GaN-Pufferschichten vor dem Aufwachsen des Bulk-GaN aufgewachsen. Diese Pufferschichten dienen Nukleationszwecken.
Eine Schicht mit weniger Versetzungen wird erzeugt, indem ein SiO₂-Streifen 203 auf der Schicht 202 aufgebracht wird und anschließend eine zusätzliche Schicht 207 aus GaN über den Streifen epitaktisch aufwächst. Wie vorhergehend bemerkt, ist das GaN, das sich über den SiO₂-Streifen erstreckt, im wesentlichen frei von Defekten. Es gibt jedoch einen großen Defekt über dem Streifen an dem Ort, an dem sich das GaN-Wachstum von jeder Seite des Streifens trifft. Ein solcher Defekt ist bei 205 gezeigt. Die Bereiche 206 zwischen dem Defekt und dem Rand des SiO₂-Streifens sind jedoch im wesentlichen frei von Defekten bzw. weisen eine erheblich geringere Defektdichte auf.
Es wird nun auf die 6 bis 12 Bezug genommen, die den Aufbau eines Lasers 50 gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen. Der Herstellungsprozeß beginnt mit der Erzeugung eines im wesentlichen defektfreien Bereichs von n-GaN, auf den eine SiO₂-Maske aufgebracht wird. Wie vorhergehend bemerkt, kann dies durch Aufwachsen einer n-GaN-Schicht 52 auf einem Saphirsubstrat 51 ausgeführt werden, wie es in den 6 und 7 gezeigt ist. 7 ist eine Aufsicht auf den Laser 50, und 6 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 71-72, die in 7 gezeigt ist. Ein SiO₂-Pad 58 wird anschließend auf die Schicht 52 aufgebracht, und eine zweite Schicht 53 eines n-GaN-Wachstums über das Pad wird durch epitaktisches Wachstum von dem Teil der Schicht 52 zu den Seiten des Pads 58 aufgewachsen. Wie vorhergehend bemerkt, bildet sich ein Bereich von im wesentlichen defektfreiem GaN über dem Pad 58. Eine SiO₂-Maske 54 wird anschließend auf die Schicht 53 aufgebracht und bedeckt den Defekt 205, der vorhergehend im Zusammenhang mit der 5 beschrieben wurde. Die Maske 54 besitzt eine Öffnung 55, welche über dem im wesentlichen defektfreien Bereich der Schicht 53 liegt.
Die verschiedenen Schichten des Lasers 50 werden nun aufgebracht, wobei der defektfreie Bereich in der Öffnung 55 als Keim für die Schichten verwendet wird, die sich über die Maske 45 erstrecken, wie in den 8 bis 10 gezeigt ist. 9 ist wiederum eine Aufsicht auf die Vorrichtung, 8 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 71-72, und 10 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 73-74, die in 9 gezeigt sind. Die Schichten sind in der Reihenfolge des Wachstums die n-GaN-Schicht 61, eine AlGaN-Kapselschicht 63 des Typs n, eine aktive Schicht 64, eine AlGaN-Kapselschicht 65 des Typs p und eine GaN-Schicht 66 des Typs p. Die natürlichen Facetten der p-GaN-Schicht 66 stellen die Abschlußspiegel für die optische Kavität des Lasers zur Verfügung.
Der Kontakt 67 für die p-GaN-Schicht, die bei 66 gezeigt ist, ist so angeordnet, daß der Teil der aktiven Schicht 64, der unter dem Kontakt liegt, die vertikalen Abschnitte der aktiven Schicht umfaßt. Die Verbindungen zur Schicht 61 können durch Aufbringen einer oder mehrerer Kontakte auf die Oberfläche der Schicht 53 hergestellt werden, wie bei 69 gezeigt ist. Es ist darauf zu achten, daß die Maske 54 den Stromfluß zu dem gewünschten Teil der aktiven Schicht einschränkt.
Es wird nun auf die 11 und 12 Bezug genommen, die Querschnittsansichten des Lasers 50 zeigen, nachdem zwei optionale Ätzschritte ausgeführt wurden. Die 11 ist eine Ansicht entlang der Linie 71-72, die in der 9 gezeigt ist, und 12 ist eine Ansicht entlang der Linie 73-74. In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Wände des Lasers, die senkrecht zu den Spiegelfacetten liegen, geätzt, um jegliche Fehlstromwege zu entfernen. Da die Reflektivität dieser Wände für die Verstärkung des Lasers nicht bestimmend ist, beeinflussen Fehler in den geätzten Wänden den Betrieb des Lasers nicht.
Es wird nun auf die 12 Bezug genommen. Während die Facetten der verschiedenen Schichten dafür bekannt sind, vertikal und parallel zueinander in den Bereichen über der SiO₂-Maske in bestimmten Richtungen von Kristallebenen zu wachsen, können die Details des aufgewachsenen Musters an der SiO₂-GaN-Grenzfläche so sein, daß verschiedene Schichten elektrisch kurzgeschlossen sind bzw. in sehr enger Nachbarschaft zueinander liegen. Ein Verfahren zur Abhilfe dieser Situation ist das Maskieren der Seitenwände und das Ätzen einer schmalen Unterschneidung, wie bei 75 gezeigt ist.
Bei den vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird eine n-GaN-Schicht in Kontakt mit dem Saphirsubstrat und ein p-GaN-Schicht über der aktiven Schicht verwendet. Es wird jedoch für die betreffenden Fachleute aus der vorhergehenden Diskussion deutlich, daß die Schichten des p-Typs und des n-Typs umgekehrt werden können.
Obgleich bei den vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung GaN-Schichten benutzt wurden, können die Lehren der vorliegenden Erfindung auch auf eine Schicht angewandt werden, die aus einem beliebigen III-V-Material, wie InP, GaAs usw., aufgebaut wird. Es ist außerdem zu beachten, daß verschiedene Schichten des Lasers aus unterschiedlichen III-V-Halbleitermaterialien oder aus Kombinationen von Schichten verschiedener III-V-Halbleitermaterialien aufgebaut werden können.
Gleichermaßen können andere Maskenmaterialien benutzt werden. Beliebiges Material, das mit den Verfahrensbedingungen verträglich ist und welches die Eigenschaft hat, daß das III-V-Material darauf nicht nukleieren kann, kann benutzt werden. In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Maskenmaterial dielektrisch, wie SiO₂, SiC, Si₃N₄, TiN AlN, usw. Es können jedoch auch Masken auf Grundlage von Leitern, wie karbonisierte Polymere, unter der Voraussetzung benutzt werden, daß alle Schichten, die von der Maske kurzgeschlossen wären, von der Maske getrennt werden, nachdem die Schichten aufgebracht wurden.
Verschiedene Modifikationen an der vorliegenden Erfindung werden den betreffenden Fachleuten aus der vorhergehenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen deutlich. Die vorliegende Erfindung ist daher alleine durch den Umfang der nachfolgenden Ansprüche beschränkt.

Claims

Laser (50), der folgendes umfaßt: eine erste Schicht (52) eines III-V-Halbleitermaterials eines ersten Leitungstyps; eine Maske (54) mit einer Öffnung darin in Kontakt mit der ersten Schicht (52), wobei die Maske (54) ein Material umfaßt, auf dem das III-V-Halbleitermaterial nicht nukleiert; eine zweite Schicht (61) eines III-V-Halbleitermaterials des ersten Leitungstyps, wobei die zweite Schicht (61) von dem Abschnitt der ersten Schicht aus aufgewachsen ist, welcher unter der Öffnung der Maske (54) liegt, und sich über die Maske (54) erstreckt; eine erste Kapselschicht (63) eines III-V-Halbleitermaterials des ersten Leitungstyps, wobei die erste Kapselschicht (63) über der zweiten Schicht (61) liegt; eine aktive Schicht (64), die dafür eingerichtet ist, Licht unter Rekombination von Löchern und Elektronen darin zu erzeugen, wobei die aktive Schicht (64) über der ersten Kapselschicht (63) liegt; eine zweite Kapselschicht (65) eines III-V-Halbleitermaterials, wobei die zweite Kapselschicht (65) ein III-V-Halbleitermaterial des entgegengesetzten Leitungstyps der ersten Schicht (52) umfaßt und die zweite Kapselschicht (65) über der aktiven Schicht (64) liegt; und eine dritte Schicht (66) eines III-V-Halbleitermaterials, wobei die dritte Schicht (66) eines III-V-Halbleitermaterials ein III-V-Halbleitermaterial des entgegengesetzten Leitungstyps umfaßt und die dritte Schicht (66) des III-V-Halbleitermaterials eine kristalline Schicht umfaßt, die über der zweiten Kapselschicht liegt, wobei zwei Facetten der kristallinen Schicht Spiegel an gegenüberliegenden Enden einer optischen Kavität bilden, welche die aktive Schicht (64) umfaßt; wobei das III-V-Halbleitermaterial in einer der Schichten GaN umfaßt.
Laser (50) nach Anspruch 1, der weiterhin eine Insel eines Materials umfaßt, auf dem die erste Schicht (52) des Halbleitermaterials nicht nukleiert, wobei die Insel unter der ersten Schicht (52) verborgen ist und unter der Öffnung in der Maske (54) liegt.
Laser (50) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Maske (54) SiO₂, Si₃N₄, TiN oder AlN umfaßt.
Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die aktive Schicht (69) eben ist und die Facetten Ebenen umfassen, welche die aktive Schicht (64) rechtwinklig schneiden.
Verfahren zum Konstruieren eines Halbleiterlasers (50), der auf einem III-V-Halbleitermaterial beruht, wobei der Laser (50) mehrere III-V-Halbleitermaterialschichten umfaßt, die eine aktive Schicht (64) umgeben, die aktive Schicht (64) Licht durch die Rekombination von Löchern und Elektronen darin erzeugt, wobei das Verfahren ein epitaktisches Aufwachsen einer der Schichten durch Erweitern einer vorherigen Schicht über einer Maskenschicht (54) aufweist, wodurch eine kristalline Schicht gebildet wird, wobei zwei Facetten der kristallinen Schicht Spiegel an gegenüberliegenden Enden einer optischen Kavität bilden, welche die aktive Schicht (64) umfaßt, die Maskenschicht (54) ein Material aufweist, auf dem die III-V-Halbleiter während des epitaktischen Wachsens nicht nukleiert, dadurch gekennzeichnet, daß das III-V-Halbleitermaterial in einer der Schichten GaN umfaßt.