WO1995031741A1 - Halbleiterbauelement mit verzweigtem wellenleiter - Google Patents

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WO1995031741A1
WO1995031741A1 PCT/DE1995/000612 DE9500612W WO9531741A1 WO 1995031741 A1 WO1995031741 A1 WO 1995031741A1 DE 9500612 W DE9500612 W DE 9500612W WO 9531741 A1 WO9531741 A1 WO 9531741A1
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Bernhard STEGMÜLLER
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H01S5/106—Comprising an active region having a varying composition or cross-section in a specific direction varying thickness along the optical axis

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor component with a branched integrated waveguide, in particular a VMZ laser diode.
  • Forks of waveguides in semiconductor components are said to couple little energy of the guided light waves in radiation modes.
  • the y-shaped branches of the waveguides must form a very small angle and the separating layers between the waveguide branches must be as pointed as possible. Unwanted mode jumps can already occur if the angle between the two branches of a waveguide branching is greater than 1 °.
  • J. E. Zucker et al . "Interferometric Quantum Well Modulators with Gain” in Journ. of Lightwave Techno1. 10, 924 to 932 (1992) describes a Mach-Zehnder interferometer as a branched waveguide in InP.
  • a VMZ laser diode is e.g. B. in the German patent application P 44 01 444.9 described.
  • the object of the present invention is to provide a structure for a branched waveguide integrated in a semiconductor component, in which the opening angle of two waveguide branches is sufficiently small or increases slowly enough to effectively prevent radiation losses.
  • This integrated waveguide structure should in particular be suitable for the construction of a Mach-Zehnder interferometer. For this purpose, a sufficiently simple manufacturing process should be specified.
  • the strip-shaped waveguide is divided in one area into two branches arranged vertically with respect to one another with respect to the layer structure.
  • the waveguide is formed from a plurality of individual layers grown one above the other. A middle one of these layers is grown substantially thicker in a section of the waveguide than in the sections adjoining in the longitudinal direction of the waveguide. In this way, the layer sequence forming the waveguide is divided into two parts which are separated from one another by this thick layer. In transition areas in which the branching of the waveguide onto the two branches takes place, the thickness of this layer is continuously reduced to the size of the other layers, so that the branching of the waveguide is effected in this way. In the following the areas in which the waveguide is not branched are referred to as single areas and the areas in which the waveguide is divided into two branches are referred to as double areas.
  • FIG. 1 shows a component with the wave guide according to the invention in a longitudinal section.
  • Figures 2 and 3 show the cross sections designated in Figure 1.
  • Figure 4 shows an alternative to Figure 1 embodiment.
  • a buffer layer 2 which can also be omitted, is first grown on a substrate 1.
  • the waveguide which is formed by a layer 5 in the single regions and by a lower layer 6 and an upper layer 7 in the double region shown.
  • these layers 6, 7 of the waveguide are separated from one another by a separating layer 3, so that here separate waveguiding, but at the same time also coupling of the guided modes, is possible.
  • this separating layer 3 has the indicated thickness 11 in the double region.
  • branching regions 10 the waveguide is branched continuously from the layer 5 of the individual region into the two layers 6, 7 of the double region.
  • a contact 9 provided for current injection is located on the top side and is electrically insulated from the semiconductor material outside the double region by an insulating layer 8.
  • the cross section shown in FIG. 2 through a single region shows the strip-shaped waveguide 5, which here consists of several individual layers and has the width 13.
  • the cover layer 4 is applied to the layer 5 of the waveguide and fills the area between the side areas 12 of semiconductor material in a planarizing manner.
  • the metal layer of the contact 9 is electrically insulated from the semiconductor material of this cover layer 4 by the insulating layer 8.
  • a corresponding cross section is shown in FIG shown the double area.
  • the two layers 6, 7 of the waveguide are separated from one another here by the separating layer 3.
  • the strip-shaped layer structure is also laterally bordered by the side regions 12 made of semiconductor material.
  • the planarizing cover layer 4 is applied to the top.
  • the contact 9 is located here in the strip-shaped region of the waveguide directly on the semiconductor material of this cover layer 4 or a highly doped contact layer 14 applied thereon, but is electrically insulated laterally therefrom by the insulating layer 8.
  • the dashed lines indicate the hidden contours of the side area 12.
  • Other contacts provided for the current injection are z. B. on the underside of the substrate 1 or laterally to the strip-shaped waveguide structure.
  • the waveguide consists of a sequence of several individual layers.
  • the middle of the layers is widened to the thickness 11 in the double region and forms the separating layer 3.
  • the number of layers grown is therefore the same over the length of the waveguide.
  • the layer 5 of the waveguide has the same number of individual layers as in the double region, both layers 6, 7 of the waveguide and the separating layer 3, ie the entire area encompassed by the layers 6, 7 of the waveguide.
  • all layers are grown relatively thicker than in the individual regions.
  • the layer thickness in the branching regions 10 increases continuously.
  • the layer 5 of the waveguide has a maximum thickness of 0.2 ⁇ m in the individual areas.
  • the lower layer 6 and the upper layer 7 of the waveguide have a thickness of 0.01 to 0.3 ⁇ m in each case in the double region.
  • the length of the branch region 10 is typically at least 30 ⁇ m.
  • the section of the double region between these branching areas can be shorter than 5 mm his.
  • the width 13 of the waveguide shown in FIG. 2 in the individual areas is z. B. 5 ⁇ m maximum.
  • Layers of different thicknesses or continuously increasing thicknesses can, for. B. produce by adapting the conditions when growing to the required thicknesses of these layers. Depending on the epitaxial process, the layer growth is accelerated or slowed down by widening the opening of the mask used.
  • the shape of the mask opening can therefore be used in epitaxy to determine in which sections of the waveguide which layer thicknesses grow.
  • a uniform width of the layer structure of the strip-shaped waveguide can, for. B. can be achieved by subsequent anisotropic etching using a mask with a rectangular opening.
  • the side areas are then evenly filled with semiconductor material.
  • the planarization takes place through the top layer 4, which can optionally consist of several layer layers.
  • the buffer layer 2 or an upper portion of the buffer layer 2 in the branching areas can be grown with increasing thickness. The greater thickness of all the individual layers in the double region compared to the individual region and the steady decrease in the layer thicknesses present in the branching regions on the longitudinal outlets of the double region are illustrated in FIG. 1.
  • the separating layer 3 can be a layer separated from the waveguide layers. This separating layer 3 is then grown using a mask which completely covers the individual areas.
  • the different layers of the waveguide can each be single-layer or multi-layer layers.
  • the layer 5 of the waveguide comprises at least three layers in the individual regions, of which the lower layer continues the waveguide into the lower layer 6 of the double region, the middle layer extends to the separating layer 3 of the double area in each case expands and the upper layer the upper Forms layer 7 in the double region.
  • the opening angle of the waveguide in the branches is greatly exaggerated in FIG. 1. With the structure according to the invention, very small opening angles of the waveguides can be produced without the problems occurring at a horizontal realization of the waveguide branching occurring at the branching points.
  • the buffer layer 2 which can in principle also be omitted, grew thinner as an example in the double region than in the individual regions.
  • the waveguide forks are curved in an S-shape here.
  • the opening angle between the (tangential) directions of the branches of the waveguide in the waveguide forks gradually increases from 0 to a maximum and then back to 0, so that the layers 6, 7 of the waveguide are straight in the middle section of the double region and are guided parallel to each other.
  • the separating layer 3 is shown as the middle layer of the layer 5 of the waveguide in the individual regions.
  • an active layer for radiation generation and a tuning layer can be arranged one above the other in the layer structure of the waveguide in the double region.
  • This tuning layer and this active layer can be separated from one another by a separating layer both in the lower layer 6 or the upper layer 7 of the waveguide in the double region.
  • the tuning layer and the active layer can be distributed over the lower layer 6 of the waveguide and the upper layer 7. Separate current injection into these two layers takes place above and in between located doped layers of semiconductor material.
  • the separating layer 3 consists of doped semiconductor material.
  • the portion of the top layer 4 located on the upper side of the upper layer 7 and at least the portion of the buffer layer 2 located under the lower layer 6 are also doped.
  • the signs of the doping are selected so that current is separated into the active layer and contacts via the top surface of the component via contacts connected to the regions in an electrically conductive manner (eg via lateral doped semiconductor regions and / or the doped substrate 1) the tuning layer can be injected.
  • an electrically conductive manner eg via lateral doped semiconductor regions and / or the doped substrate 1
  • Zehnder interferometer are manufactured, which avoids the disadvantages of previously tunable VMZ laser diodes at the abrupt transitions between single and double areas.
  • Preferred semiconductor materials for the described exemplary embodiment are e.g. B. InP or GaAs for the substrate 1, a sequence of alternating InGaAsP and InGaAlAs for the MQW individual layers (this may include the separating layer 3), InP for the buffer layer 2 which may be present, the cover layer 4 and possibly the separating layer 3 and conventional dielectric materials such as Al 2 O 3 or SiO x for the insulating layer 8.
  • a sufficiently low-resistance transition between the semiconductor material and the metal of the contact 9 is achieved by at least an upper layer portion of the covering layer 4 being highly doped.
  • a contact layer 14 see FIGS.
  • the side regions 12 can be semi-insulating Fe: InP or electrically conductive doped InP. All
  • Layers 5, 6, 7 of the waveguide can be undoped.
  • the substrate for the conductivity type of the buffer layer 2 is also doped.
  • the doped regions in the side regions 12 are preferably delimited laterally by insulation regions. The contact is made by contacts on the upper side, which are each connected in an electrically conductive manner to the areas and layers to be connected by doped areas of the appropriate sign.
  • the electrical connection through the contact 9 can be omitted. It is possible to attach several double regions of the type shown along the waveguide.
  • Layers of the waveguide can be braced in one or more layers or be braced.
  • the materials and doping used can in principle correspond to those of waveguide branches produced horizontally in the layer plane.
  • the thickness of the separating layer 3 can also vary over the entire length of the double region.
  • the layers of the waveguide can bend in the branching regions 10 at the longitudinal ends of the double region or, as in FIG. 4, gradually approach one another without a sudden change in direction, so that the
  • Tips of the separating layer 3 run particularly flat in the waveguide forks.
  • this component is designed as a VMZ laser diode
  • the layers of the waveguide in the double region are arranged so closely adjacent to one another and provided with dimensions and material compositions that a coupling between different modes carried in these layers occurs in the double region.
  • the length of the double region is approximately a natural multiple of the coupling length belonging to these modes.

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Abstract

Halbleiterbauelement mit streifenförmigem Wellenleiter (5, 6, 7) auf einem Substrat (1), bei dem eine vertikale Verzweigung in zwei übereinander angeordnete Schichten (6, 7) vorhanden ist. Eine Trennschicht (3) zwischen diesen Schichten wird durch geeignetes Einstellen der Wachstumsbedingungen beim Aufwachsen der Schichten so hergestellt, daß in den Verzweigungsabschnitten (10) ein kontinuierliches Anwachsen der Dicke (11) dieser Trennschicht (3) erfolgt. Die Anzahl der Einzelschichten ist jeweils in vertikaler Richtung gleich.

Description

Beschreibung
Halbleiterbauelement mit verzweigtem Wellenleiter
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem verzweigten integrierten Wellenleiter, insbesondere eine VMZ-Laserdiode.
Gabelungen von Wellenleitern in Halbleiterbauelementen sollen wenig Energie der geführten Lichtwellen in Strahlungsmoden koppeln. Um dies zu gewährleisten, müssen bei y-förmigen Verzweigungen von Wellenleitern die Wellenleiterzweige einen sehr kleinen Winkel bilden und die Trennschichten zwischen den Wellenleiterzweigen möglichst spitz auslaufen. Uner¬ wünschte Modensprünge können bereits auftreten, wenn der Winkel zwischen den beiden Zweigen einer Wellenleiterverzwei¬ gung größer ist als 1°. In der Veröffentlichung von J. E. Zucker e.a.: "Interferometric Quantum Well Modulators with Gain" in Journ. of Lightwave Techno1. 10., 924 bis 932 (1992) ist ein Mach-Zehnder-Interferometer als verzweigter Wellen¬ leiter in InP beschrieben. In dieser Veröffentlichung wird auch das Problem erörtert, daß der Krümmungsradius bei s- förmig geschwungenen Verzweigungen des Wellenleiters mög- liehst groß sein muß, um zu hohen Strahlungsverlust an der Verzweigungsstelle zu verhindern. Eine VMZ-Laserdiode ist z. B. in der deutschen Patentanmeldung P 44 01 444.9 beschrie¬ ben.
In der Veröffentlichung von E. Colas e.a.: "In situ defini- tion of semiconduetor struetures by selective area growth and etching" in Appl. Phys. Lett. 5_9_, 2019 bis 2021 (1991) ist ein Verfahren beschrieben, mit dem sich taperartig in der Vertikalen verjüngende Schichten aus Halbleitermaterial mittels Gasphasenepitaxie hergestellt werden können. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Struktur für einen in einem Halbleiterbauelement integrierten verzweigten Wellenleiter anzugeben, bei der der Öffnungswinkel zweier Wellenleiterzweige ausreichend klein ist oder ausreichend langsam anwächst, um Abstrahlungsverluste wirksam zu verhin¬ dern. Diese integrierte Wellenleiterstruktur soll insbeson¬ dere für den Aufbau eines Mach-Zehnder-Interferometers geeig¬ net sein. Dazu soll ein hinreichend einfaches Herstellungs¬ verfahren angegeben werden.
Diese Aufgabe wird mit dem Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. mit dem Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruches 7 gelöst. Weitere Ausgestal¬ tungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement ist der strei- fenförmige Wellenleiter in einem Bereich in zwei vertikal bezüglich der Schichtstruktur zueinander angeordnete Zweige aufgeteilt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Wellenleiter aus mehreren übereinander aufgewachsenen Einzel- schichten ausgebildet. Eine mittlere dieser Schichten wird in einem Abschnitt des Wellenleiters wesentlich dicker aufge¬ wachsen als in den in Längsrichtung des Wellenleiters angren¬ zenden Abschnitten. Auf diese Weise ist die den Wellenleiter bildende Schichtfolge in zwei Anteile, die durch diese dicke Schicht voneinander getrennt sind, aufgeteilt. In Übergangs¬ bereichen, in denen die Verzweigung des Wellenleiters auf die beiden Zweige erfolgt, wird die Dicke dieser Schicht kontinu¬ ierlich auf das Maß der übrigen Schichten reduziert, so daß auf diese Weise die Verzweigung des Wellenleiters bewirkt ist. Im folgenden werden die Bereiche, in denen der Wellen¬ leiter nicht verzweigt ist, als Einfachbereiche und die Bereiche, in denen der Wellenleiter in zwei Zweige aufgeteilt ist, als Doppelbereiche bezeichnet.
Es folgt eine Beschreibung des erfindungsgemäßen Bauelementes anhand der Figuren 1 bis 4. Figur 1 zeigt ein Bauelement mit dem erfindungsgemäßen Wel¬ lenleiter in einem Längsschnitt. Figuren 2 und 3 zeigen die in Figur 1 bezeichneten Quer¬ schnitte. Figur 4 zeigt ein zu Figur 1 alternatives Ausführungsbei- spiel.
Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist auf einem Substrat 1 zunächst eine Pufferschicht 2, die auch weggelassen sein kann, aufgewachsen. Darauf befindet sich der Wellenleiter, der in den Einfachbereichen durch eine Schicht 5 und in dem dargestellten Doppelbereich durch eine untere Schicht 6 und eine obere Schicht 7 gebildet wird. In dem Doppelbereich werden diese Schichten 6, 7 des Wellenleiters durch eine Trennschicht 3 voneinander getrennt, so daß hier getrennte Wellenführung, aber gleichzeitig auch Verkopplung der geführten Moden möglich ist. In dem dargestellten Bei¬ spiel besitzt in dem Doppelbereich diese Trennschicht 3 die eingezeichnete Dicke 11. In Verzweigungsbereichen 10 wird der Wellenleiter aus der Schicht 5 des Einzelbereiches jeweils kontinuierlich in die beiden Schichten 6, 7 des Doppelberei¬ ches verzweigt. Auf der Oberseite dieser Schichtstruktur befindet sich eine Deckschicht 4, die das Bauelement gleich¬ zeitig planarisiert. Ein für Strominjektion vorgesehener Kontakt 9 befindet sich auf der Oberseite und ist außerhalb des Doppelbereiches durch eine Isolierschicht 8 von dem .Halbleitermaterial elektrisch isoliert.
Der in Figur 2 dargestellte Querschnitt durch einen Einfach- bereich zeigt den streifenförmigen Wellenleiter 5, der hier aus mehreren Einzelschichten besteht und die Breite 13 hat. Die Deckschicht 4 ist auf der Schicht 5 des Wellenleiters aufgebracht und füllt den Bereich zwischen den Seitenberei¬ chen 12 aus Halbleitermaterial planarisierend auf. Die Me- tallschicht des Kontaktes 9 ist durch die Isolierschicht 8 von dem Halbleitermaterial dieser Deckschicht 4 elektrisch isoliert. In Figur 3 ist ein entsprechender Querschnitt durch den Doppelbereich dargestellt. Die beiden Schichten 6, 7 des Wellenleiters sind hier durch die Trennschicht 3 voneinander getrennt. Die streifenförmige Schichtstruktur wird auch hier seitlich von den Seitenbereichen 12 aus Halbleitermaterial eingefaßt. Auf der Oberseite ist die planarisierende Deck¬ schicht 4 aufgebracht. Der Kontakt 9 befindet sich hier in dem streifenförmigen Bereich des Wellenleiters direkt auf dem Halbleitermaterial dieser Deckschicht 4 oder einer darauf aufgebrachten hoch dotierten Kontaktschicht 14, ist aber lateral davon durch die Isolierschicht 8 elektrisch isoliert. In Figur 1 geben die gestrichelten Linien die verdeckten Konturen des Seitenbereiches 12 an. Weitere für die Strominjektion vorgesehene Kontakte befinden sich z. B. auf der Unterseite des Substrates 1 oder lateral zu der streifen- förmigen Wellenleiterstruktur.
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der Wellenleiter aus einer Folge mehrerer Einzelschichten. Die mittlere der Schichten ist in dem Doppelbereich auf die Dicke 11 aufgeweitet und bildet die Trennschicht 3. Die Anzahl der aufgewachsenen Schichten ist also über die Länge des Wellen¬ leiters hin gleich. In dem Einfachbereich besitzt die Schicht 5 des Wellenleiters dieselbe Anzahl von Einzelschichten wie in dem Doppelbereich beide Schichten 6, 7 des Wellenleiters und die Trennschicht 3, d. h. der gesamte von den Schichten 6, 7 des Wellenleiters umfaßte Bereich, zusammen. In dem Doppelbereich, in dem der Wellenleiter in zwei Schichten 6, 7 aufgespalten ist, sind alle Schichten relativ dicker aufge¬ wachsen als in den Einzelbereichen. Dabei nimmt die Schicht- dicke in den Verzweigungsbereichen 10 kontinuierlich zu. Bei einer typischen Ausführung hat die Schicht 5 des Wellenlei¬ ters in den Einzelbereichen eine maximale Dicke von 0,2 um. Die untere Schicht 6 und die obere Schicht 7 des Wellenlei¬ ters haben in dem Doppelbereich eine Dicke von jeweils 0,01 bis 0,3 um. Die Länge des Verzweigungsbereiches 10 beträgt typisch mindestens 30 um. Der Abschnitt des Doppelbereicies zwischen diesen Verzweigungsbereichen kann kürzer als 5 mm sein. Die in Figur 2 eingezeichnete Breite 13 des Wellenlei¬ ters in den Einzelbereichen beträgt z. B. maximal 5 um. Schichten mit unterschiedlicher Dicke bzw. kontinuierlich zunehmender Dicke kann man z. B. herstellen, indem die Bedin- gungen beim Aufwachsen an die erforderlichen Dicken dieser Schichten angepaßt werden. Je nach Epitaxieverfahren wird das Schichtwachstum durch eine Verbreiterung der Öffnung der verwendeten Maske beschleunigt oder verlangsamt. Durch die Form der Maskenöffnung kann daher bei der Epitaxie festgelegt werden, in welchen Abschnitten des Wellenleiters welche Schichtdicken aufwachsen. Eine gleichmäßige Breite der Schichtstruktur des streifenförmigen Wellenleiters kann z. B. durch nachträgliches anisotropes Ätzen unter Verwendung einer Maske mit rechteckiger Öffnung erreicht werden. Die Seitenbe- reiche werden dann gleichmäßig mit Halbleitermaterial aufge¬ füllt. Die Planarisierung geschieht durch die Deckschicht 4, die ggf. aus mehreren Schichtlagen bestehen kann. Ebenso kann bereits die Pufferschicht 2 oder ein oberer Anteil der Puf¬ ferschicht 2 in den Verzweigungsbereichen mit zunehmender Dicke aufgewachsen werden. Die in dem Doppelbereich größere Dicke aller Einzelschichten gegenüber dem Einzelbereich sowie die in den Verzweigungsbereichen an den längsseitigen Ausläu¬ fern des Doppelbereiches vorhandene stetige Abnahme der Schichtdicken ist in Figur 1 veranschaulicht.
Grundsätzlich kann die Trennschicht 3 eine von den Wellenlei¬ terschichten getrennte Schicht sein. Diese Trennschicht 3 wird dann unter Verwendung einer Maske aufgewachsen, die die Einzelbereiche vollständig abdeckt. Die verschiedenen Schich- ten des Wellenleiters können jeweils einlagige oder mehrla¬ gige Schichten sein. In Hinsicht auf eine vereinfachte Her¬ stellung des Bauelementes empfiehlt es sich, wenn die Schicht 5 des Wellenleiters in den Einzelbereichen mindestens drei Schichten umfaßt, von denen die untere den Wellenleiter in die untere Schicht 6 des Doppelbereiches fortsetzt, die mittlere Schicht sich zu der Trennschicht 3 des Doppelberei¬ ches jeweils aufweitet und die obere Schicht die obere Schicht 7 in dem Doppelbereich bildet. Der Deutlichkeit halber ist in Figur 1 der Öffnungswinkel des Wellenleiters in den Verzweigungen jeweils stark überzeichnet. Mit der erfin¬ dungsgemäßen Struktur lassen sich sehr geringe Öffnungswinkel der Wellenleiter herstellen, ohne daß die bei einer horizon¬ talen Realisierung der Wellenleiterverzweigung auftretenden Probleme an den Verzweigungsstellen auftreten.
Bei dem in Figur 4 dargestellten alternativen Ausführungsbei- spiel ist die Pufferschicht 2, die grundsätzlich auch wegge¬ lassen sein kann, als Beispiel in dem Doppelbereich dünner aufgewachsen als in den Einzelbereichen. Die Wellenleiterga¬ beln sind hier s-förmig geschwungen. Der Öffnungswinkel zwischen den (tangentialen) Richtungen der Zweige des Welle - leiters in den Wellenleitergabeln nimmt hier allmählich von 0 bis zu einem Maximum zu und anschließend wieder auf 0 ab, so daß in dem mittleren Abschnitt des Doppelbereiches die Schichten 6, 7 des Wellenleiters gerade und parallel zuein¬ ander geführt sind. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Trennschicht 3 als mittlere Schicht der Schicht 5 des Wellenleiters in den Einzelbereichen dargestellt.
Mehrere Einzelschichten, die die Schichten des Wellenleiters bilden, sind insbesondere dann erforderlich, wenn der Wellen- leiter als MQW-Schicht (Multiple Quantum Well) ausgebildet werden soll. Für die Verwendung als vertikales Mach-Zehnder- Interferometer (z. B. VMZ-Laserdiode) können in der Schicht¬ struktur des Wellenleiters in dem Doppelbereich übereinander eine aktive Schicht für Strahlungserzeugung und eine Abstimm- schicht angeordnet sein. Diese Abstimmschicht und diese aktive Schicht können durch eine Trennschicht voneinander getrennt beide in der unteren Schicht 6 oder der oberen Schicht 7 des Wellenleiters im Doppelbereich vorhanden sein. Statt dessen können die Abstimmschicht und die aktive Schicht auf die untere Schicht 6 des Wellenleiters und die obere Schicht 7 verteilt sein. Separate Strominjektion in diese beiden Schichten erfolgt jeweils über darüber und dazwischen befindliche dotierte Schichten aus Halbleitermaterial. Bei Anordnung der aktiven Schicht z. B. in der unteren Schicht 6 des Wellenleiters und der AbStimmschicht in der oberen Schicht 7 des Wellenleiters besteht die Trennschicht 3 aus dotiertem Halbleitermaterial. Der auf der Oberseite der oberen Schicht 7 befindliche Anteil der Deckschicht 4 und zumindest der unter der unteren Schicht 6 befindliche Anteil der Pufferschicht 2 sind ebenfalls dotiert. Die Vorzeichen der Dotierung sind dabei so gewählt, daß über mit den Berei- chen elektrisch leitend (z. B. über laterale dotierte Halb¬ leiterbereiche und/oder das dotierte Substrat 1) verbundene Kontakte auf Oberseiten des Bauelementes getrennt Strom in die aktive Schicht und die Abstimmschicht injiziert werden kann. Auf diese Weise kann mit dem erfindungsgemäßen Wellen- leiter eine abstimmbare Laserdiode mit integriertem Mach-
Zehnder-Interferometer hergestellt werden, das die Nachteile bisheriger abstimmbarer VMZ-Laserdioden an den abrupten Übergängen zwischen Einfach- und Doppelbereichen vermeidet.
Bevorzugte Halbleitermaterialien für das beschriebene Ausfüh¬ rungsbeispiel sind z. B. InP oder GaAs für das Substrat 1, eine Folge aus abwechselnd InGaAsP und InGaAlAs für die MQW- Einzelschichten (darin eingeschlossen ist ggf. die Trenn¬ schicht 3), InP für die ggf. vorhandene Pufferschicht 2, die Deckschicht 4 und ggf. die Trennschicht 3 sowie übliche dielektrische Materialien wie AI2O3 oder SiOx für die Iso¬ lierschicht 8. Ein ausreichend niederohmiger Übergang zwi¬ schen dem Halbleitermaterial und dem Metall des Kontaktes 9 wird erreicht, indem zumindest ein oberer Schichtanteil der Deckschicht 4 hoch dotiert wird. Es kann aber zusätzlich eine Kontaktschicht 14 (s. Figuren 1 und 3) zumindest in dem Bereich des Metall-Halbleiter-Kontaktes zwischen der Deck¬ schicht 4 und dem Kontakt 9 vorhanden sein. Je nach Ausfüh¬ rungsbeispiel können die Seitenbereiche 12 semiisolierendes Fe:InP oder elektrisch leitend dotiertes InP sein. Alle
Schichten 5, 6, 7 des Wellenleiters können undotiert sein. Im Fall einer VMZ-Laserdiode mit angesteuertem Doppelbereich ist die Trennschicht 3 oder eine Einzelschicht, die als Trenn¬ schicht zwischen der aktiven Schicht und der Abstimmschicht fungiert, in einer der Schichten 6, 7 des Wellenleiters zusammen mit zumindest einem Anteil der Seitenbereiche 12 für den einen Leitungstyp dotiert, während die Pufferschicht 2 und die Deckschicht 4 sowie ggf. die KontaktSchicht 14 für den dazu entgegengesetzten Leitungstyp dotiert sind. Bei elektrischem Anschluß über das Substrat 1 ist auch das Substrat für den Leitungstyp der Pufferschicht 2 dotiert. Die dotierten Bereiche in den Seitenbereichen 12 sind vorzugs¬ weise lateral durch Isolationsbereiche begrenzt. Die Kontak- tierung erfolgt durch Kontakte auf der Oberseite, die jeweils durch dotierte Bereiche passenden Vorzeichens mit den anzu¬ schließenden Bereichen und Schichten elektrisch leitend verbunden sind.
Bei alternativen Ausführungsformen z. B. für passive Verzwei¬ gungen kann der elektrische Anschluß durch den Kontakt 9 weggelassen sein. Es ist möglich, mehrere Doppelbereiche der gezeigten Art längs des Wellenleiters anzubringen. Die
Schichten des Wellenleiters können einlagig oder mehrlagig verspannt oder unverspannt sein. Die verwendeten Materialien und Dotierungen können grundsätzlich denjenigen bei horizon¬ tal in der Schichtebene hergestellten Wellenleiterverzweigun- gen entsprechen. Die Dicke der Trennschicht 3 kann auch über die gesamte Länge des Doppelbereiches variieren. Die Schich¬ ten des Wellenleiters können wie in Figur 1 in den Verzwei¬ gungsbereichen 10 an den längsseitigen Enden des Doppelberei¬ ches abknicken oder wie in Figur 4 ohne plötzliche Richtungs- änderung sich allmählich einander annähern, so daß die
Spitzen der Trennschicht 3 in den Wellenleitergabeln beson¬ ders flach auslaufen. Bei einer Ausführung dieses Bauelemen¬ tes als VMZ-Laserdiode werden die Schichten des Wellenleiters in dem Doppelbereich so dicht benachbart zueinander angeord- net und mit solchen Abmessungen und Materialzusammensetzungen versehen, daß in dem Doppelbereich eine Kopplung zwischen in diesen Schichten geführten unterschiedlichen Moden auftritt. Die Länge des Doppelbereiches beträgt dabei etwa ein natürli¬ ches Vielfaches der zu diesen Moden gehörenden Koppellänge.

Claims

Patentansprüche
1. Halbleiterbauelement mit einem darin integrierten, für eine Ausbreitungsrichtung vorgesehenen Wellenleiter, bei dem mindestens ein Einfachbereich vorhanden ist, in dem dieser Wellenleiter als Schicht (5) vorhanden ist, bei dem mindestens ein Doppelbereich vorhanden ist, in dem dieser Wellenleiter als zwei übereinander aufgebrachte und voneinander getrennte Schichten (6, 7) vorhanden ist, und bei dem diese Schichten (6, 7) dieses Doppelbereiches sich in Richtung auf diesen Einfachbereich einander annähern und in die Schicht (5) des Wellenleiters in dem Einfachbereich einmünden.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem der Doppelbereich in der Ausbreitungsrichtung beid- seitig durch Einfachbereiche begrenzt ist und bei dem die Schichten (6, 7) des Wellenleiters in diesem Doppelbereich sich jeweils in Richtung auf einen Einfachbe- reich einander annähern und in die Schicht (5) des Wellenlei¬ ters in diesem Einfachbereich einmünden.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem alle Schichten (5, 6, 7) des Wellenleiters durch eine streifenförmige Schichtstruktur aus übereinander vorhandenen Einzelschichten gebildet sind und bei dem in dem Einfachbereich die Schicht (5) des Wellenlei¬ ters so viele dieser Einzelschichten hat wie in dem Doppelbe¬ reich der von den beiden Schichten des Wellenleiters umfaßte Bereich (3, 6, 7) .
4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem in dem Doppelbereich in dem Wellenleiter übereinander eine aktive Schicht und eine Abstimmschicht vorhanden sind und bei dem Mittel vorgesehen sind, die eine getrennte Stromin¬ jektion in diese aktive Schicht und diese Abstimmschicht ermöglichen.
5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, bei dem die Mittel für getrennte Strominjektion dotierte Halbleiterschichten, die die aktive Schicht und die Abstimm¬ schicht vertikal bezüglich der Schichtebenen begrenzen, und Kontakte, die elektrisch leitend mit je einer dieser Halblei- terschichten verbunden sind, umfassen.
6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die Schichten (6, 7) des Wellenleiters in dem Doppel¬ bereich so dicht benachbart zueinander angeordnet sind und solche Abmessungen und MaterialZusammensetzungen aufweisen, daß in dem Doppelbereich eine Kopplung zwischen in diesen Schichten (6, 7) geführten unterschiedlichen Moden auftritt, und bei dem die Länge des Doppelbereichs etwa ein natürliches Vielfaches der zu diesen Moden gehörenden Koppellänge ist.
7. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem in einem ersten Schritt auf ein Substrat (1, 2) unter Verwendung einer Maske eine streifenförmige Schicht oder Schichtfolge aus Halbleitermaterial zur Ausbildung eines unteren Anteils der Schicht (5) des Wellenleiters in dem Einfachbereich und der unteren Schicht (6) des Wellenleiters in dem Doppelbereich aufgewachsen wird, bei dem in einem zweiten Schritt unter Verwendung einer Maske auf diese Schicht oder Schichtfolge eine streifenförmige Schicht aus Halbleitermaterial derart aufgewachsen wird, daß sich diese Schicht in einem für einen Doppelbereich vorgese¬ henen Abschnitt des Wellenleiters in einem für eine vorgese- hene Trennung der Schichten des Wellenleiters in diesem Doppelbereich ausreichenden Ausmaß verdickt, bei dem in einem dritten Schritt unter Verwendung einer Maske auf diese Schicht eine streifenförmige Schicht oder Schicht¬ folge aus Halbleitermaterial zur Ausbildung eines oberen Anteils der Schicht (5) des Wellenleiters in dem Einfachbe- reich und der oberen Schicht (7) des Wellenleiters in dem Doppelbereich aufgewachsen wird und bei dem in einem vierten Schritt diese streifenförmigen Schichten mit Halbleitermaterial überwachsen werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem in einem zweiten Schritt durch Verwendung einer Maske mit einer streifenförmigen Öffnung variierender Breite er¬ reicht wird, daß die streifenförmige Schicht in dem für den Doppelbereich vorgesehenen Abschnitt mit einer zu einem angrenzenden für einen Einzelbereich vorgesehenen Abschnitt hin abnehmenden Dicke (11) aufwächst.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem in dem zweiten Schritt die Öffnung der Maske auf den für den Doppelbereich vorgesehenen Abschnitt begrenzt ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die in dem zweiten Schritt aufgewachsene Schicht eine für getrennte Strominjektion in jede der Schichten des Wel- lenleiters in dem Doppelbereich vorgesehene Dotierung erhält.
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