DE112004000211T5 - System und Verfahren unter Verwendung von Migration-Enhanced-Epitaxie zum Abflachen aktiver Schichten und zur mechanischen Stabilisierung von mit oberflächenemittierenden Lasern assoziierten Quantentöpfen - Google Patents

System und Verfahren unter Verwendung von Migration-Enhanced-Epitaxie zum Abflachen aktiver Schichten und zur mechanischen Stabilisierung von mit oberflächenemittierenden Lasern assoziierten Quantentöpfen Download PDF

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Ralph H. Murphy Johnson
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Abstract

Verfahren zum Entwickeln eines stickstoffhaltigen aktiven Gebiets, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
– Aufwachsen mindestens einer stickstofffreien Schicht durch abwechselndes Abscheiden einzelner Atomschichten aus Bestandteilen der Gruppe III und Bestandteilen der Gruppe V ohne Anwesenheit von Stickstoff, wobei die mindestens eine stickstofffreie Schicht im wesentlichen flach ist und sich eignet für das Aufwachsen von Schichten aus stickstoffhaltigem Halbleitermaterial; und
– Aufwachsen mindestens einer stickstoffhaltigen Schicht auf oder bei der stickstofffreien Schicht.

Description

  • PRIORITÄT VERWANDTER ANMELDUNGEN
  • Die vorliegende Erfindung beansprucht Priorität als Teilfortsetzung zu den folgenden US-Patentanmeldungen: laufende Nummern 09/217,223 mit dem Titel „MECHANICAL STABILIZATION OF LATTICE MISMATCHED QUANTUM WELLS", eingereicht am 12. Dezember 1998; laufende Nummer 10/026,016, mit dem Titel „VERTICAL CAVITY SURFACE EMITTING LASER INCLUDING INDIUM, ANTIMONY AND NITROGEN IN THE ACTIVE REGION", eingereicht am 20. Dezember 2001; laufende Nummer 10/026,019 mit dem Titel „VERTICAL CAVITY SURFACE EMITTING LASER INCLUDING INDIUM AND NITROGEN IN THE ACTIVE REGION", eingereicht am 20. Dezember 2001; laufende Nummer 10/026,055 mit dem Titel „VERTICAL CAVITY SURFACE EMITTING LASER INCLUDING INDIUM IN THE ACTIVE REGION", eingereicht am 20. Dezember 2001; laufende Nummer 10/026,044 mit dem Titel „INDIUM FREE VERTICAL CAVITY SURFACE EMITTING LASER", eingereicht am 27. Dezember 2001; und laufende Nummer 10/026,050 mit dem Titel „VERTICAL CAVITY SURFACE EMITTING LASER INCLUDING INDIUM AND ANTIMONY IN THE ACTIVE REGION", eingereicht am 27. Dezember 2001.
  • ERFINDUNGSGEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Systeme und Verfahren zum Herstellen von oberflächenemittierenden Lasern (VCSELs – vertical cavity surface emitting lasers). Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem die Ausnutzung von Kombinationen aus Stickstoff (N), Aluminium (Al) Antimon (Sb), Phosphor (P) und/oder Indium (In) als Materialsystem und als ein Mittel zum Erhöhen der VCSEL-Bauelementwellenlänge über 1200 Nanometer (nm) unter Verwendung gewöhnlicher MOCVD- oder MBE-Geräte. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Entwicklung eines VCSEL unter Verwendung von Migration-Enhanced-Epitaxie (MEE) bei der Verarbeitung von InGaAs, InGaAsN, InGaAsNSb, GaAsNSb, AlGaAsNSb und/oder anderen Kombinationen.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Festkörperhalbleiterlaser sind wichtige Bauelemente bei Anwendungen wie etwa optoelektronischen Kommunikationssystemen und schnellen Drucksystemen. Es gibt ein zunehmendes Interesse an VCSELs, obwohl in der großen Mehrzahl der Anwendung gegenwärtig kantenemittierende Laser verwendet werden. Ein Grund für das wachsende Interesse an VCSELs besteht darin, daß kantenemittierende Laser einen Strahl mit einer großen Winkeldivergenz erzeugen, was die effiziente Sammlung des emittierten Strahls erschwert. Zudem können kantenemittierende Laser erst getestet werden, nachdem der Wafer in individuelle Bauelemente gespalten worden ist, deren Kanten die Spiegelfacetten jedes Bauelements bilden. Im Gegensatz dazu weist nicht nur der Strahl eines VCSEL eine kleinere Winkeldivergenz auf, ein VCSEL emittiert Licht senkrecht zur Oberfläche des Wafers. Weil VCSELs im allgemeinen Spiegel monolithisch in ihrem Design enthalten, gestatten sie außerdem ein Testen auf dem Wafer und die Herstellung eindimensionaler oder zweidimensionaler Laserarrays.
  • VCSELs werden in der Regel hergestellt durch Aufwachsen mehrerer Schichten auf einem Substratmaterial. VCSELs enthalten einen ersten verspiegelten Stapel, der auf dem Substrat durch Halbleiterherstellungstechniken ausgebildet ist, ein auf dem ersten verspiegelten Stapel ausgebildetes aktives Gebiet und einen auf dem aktiven Gebiet ausgebildeten zweiten verspiegelten Stapel. Durch Bereitstellen eines ersten Kontakts auf dem zweiten verspiegelten Stapel und eines zweiten Kontakts auf der Rückseite des Substrats wird ein Strom durch das aktive Gebiet gezwungen, wodurch der VCSEL angesteuert wird.
  • Das aktive Gebiet besteht weiterhin aus einem oder mehreren Quantentöpfen, die zwischen zwei Abstandshaltermantelgebiete geschichtet sind. Innerhalb der Abstandshalter ist das aktive Gebiet von einschließenden Schichten eingeschlossen. Die einschließenden Schichten oder Gebiete werden verwendet zur Bereitstellung eines elektrischen Einschlusses von Minoritätsträgern. Durch Wahl der entsprechenden Materialien für den Quantentopf, die einschließenden Schichten und die Barrierenschichten kann ein VCSEL im allgemeinen aufgewachsen oder hergestellt werden, der Licht mit einer gewünschten vorbestimmten Wellenlänge erzeugt. Beispielsweise können durch Verwendung von InGaAs-Quantentöpfen auf GaAs-Substraten VCSELs mit längeren Wellenlängen hergestellt werden. Die Verwendung von InGaAs-Quantentöpfen verursacht jedoch eine Verspannung in den Quantentöpfen. Wenn die Quantentöpfe über ihre kritische Dicke hinaus aufgewachsen werden, können sie sich durch Erzeugen von Versetzungen entspannen, und somit ergibt sich ein aktives Gebiet mit schlechter Qualität.
  • VCSELs, die mit GaAs hergestellt sind und Licht im Bereich 850 Nanometer emittieren, sind in der Technik bekannt. Weil der Quantentopf für die kurzwelligen 850-Nanometer-VCSELs aus GaAs hergestellt ist (dem gleichen Material wie das Substrat), können die verschiedenen epitaxial abgeschiedenen Schichten, deren Dicke zur Wellenlänge in Beziehung steht, ihre kleinste mechanische Verspannung ohne mechanische Relaxation aufrechterhalten. Falls im aktiven Gebiet InGaAs bei dem größeren Bauelementwellenlängenbereich von 1,3 μm verwendet würde (z.B. 1200–1650 nm) ist die Gitterfehlanpassung im allgemeinen derart, daß große Schichten im allgemeinen ihre Verspannungen relaxieren und Versetzungen erleiden würden, Gleitlinien erzeugen oder ein Inselwachstum entwickeln würden, was die ordnungsgemäße Lasertätigkeit stören würde.
  • Um zu der ordnungsgemäßen Bandlücke für das zu gehen, was in der Technik als Laser mit einer Wellenlänge von 1,3 μm bezeichnet wird (d.h. über 1200 nm), verwendet man im allgemeinen InGaAs, GaAsSb oder eine bestimmte Kombination davon anstelle von GaAs in der aktiven Schicht. Indiumgalliumarsenid (InGaAs) und Galliumarsenidantimonid (GaAsSb) besitzen jedoch nicht die gleiche Gitterkonstante wie GaAs bei den für 1,3-Mikron-Laser nützlichen Zusammensetzungen. Dies macht es sehr schwer, eine ordnungsgemäße Quantentopfstruktur aufzubauen.
  • Die Dicke der verschiedenen Schichten in dem aktiven Gebiet sind zwar nicht willkürlich, weisen aber eine gewisse Flexibilität innerhalb der Beschränkungen des Designs und des Prozesses auf.
  • Die kombinierte Dicke der Abstandskalter, der einschließenden Schichten, der Barrieren und der durch die Spiegel geschichteten aktiven Gebiete muß deshalb derart sein, daß ein Fabry-Perot-Resonator ausgebildet wird. Die Quantentöpfe sollten im allgemeinen so positioniert sein, daß sie grob an einem Schwingungsbauch des optischen elektrischen Felds zentriert sind. Diese beiden Anforderungen definieren die Abstandshalterdicke hinsichtlich der anderen Schichtdicken.
  • Die Barrierenschichtdicken zwischen den Quantentöpfen müssen ausreichend groß sein, damit die Quantentöpfe adäquat definiert werden, aber ausreichend klein, daß die Quantentopfpositionen nicht übermäßig weit weg von dem Schwingungsbauch des elektrischen Felds entfernt sind. Die Dicke der Barrierenschichten an den Grenzen der Quantentopfgebiete weisen eine gewisse Flexibilität auf. Optimalerweise müssen sie zumindest dick genug sein, daß die Energieniveaus jedes der Quantentöpfe nominell gleich sind. Sie können dicker sein, wenn Materialqualitätsfragen dies erfordern.
  • Die Dicke des Quantentopfs steht durch Quantenmechanik zu den Topf-und-Barrieren-Zusammensetzungen, der gewünschten Emissionswellenlänge und der Dichte von Zuständen in Beziehung. Bei einer höheren Dichte von Zuständen können schmalere Quantentöpfe optimal verwendet werden.
  • Quantentöpfe mit langen Wellenlängen stellen für die Konstruktion eine Herausforderung dar. Die Technik der Halbleiterlaser, z.B. VCSEL, benötigt Mittel, um Quantentöpfe mit langen Wellenlängen zu erreichen, die normalerweise auf GaAs-Substraten hergestellt werden. Es ist deshalb sehr wünschenswert, sich einen Quantentopf auszudenken (d.h. die aktive Schicht (oder Quantentopfschicht) und die Barrierenschichten um die aktive Schicht herum) unter Verwendung von Materialien wie etwa GaAs, InGaAs oder GaAsSb bei der Konstruktion eines über dem 1200 nm-Bereich arbeitenden VCSEL. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung erkannten, daß es vorteilhaft wäre, die obigen und andere Mängel bei herkömmlichen Bauelementen zu beheben und die Produktion von VCSELs mit längeren Wellenlängen zu erleichtern, indem die Migration-Enhanced-Epitaxie (MEE) in den VCSEL-Herstellungsprozeß eingeführt wird.
  • Deshalb haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung Systeme und Verfahren unter Ausnutzung von MEE während MBE-Aufwachsen (Molekularstrahlepitaxy) von Quantentöpfen entwickelt, die in Halbleiterlasereinrichtungen wie etwa VCSELs verwendet werden. Die vorliegende Erfindung beschreibt Verfahren und Systeme zum Herstellen von Halbleiterlasern, die eine verbesserte Quantentopfleistung aufweisen.
  • KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Die folgende kurze Darstellung der Erfindung wird bereitgestellt, um ein Verständnis einiger der für die vorliegende Erfindung einzigartigen innovativen Merkmale zu erleichtern, und sie soll keine vollständige Beschreibung sein. Obwohl im ganzen Text dieser Offenbarung auf VCSEL-Bauelemente oder oberflächenemittierende Laserbauelemente Bezug genommen wird, versteht der Fachmann, daß ein Aspekt der vorliegenden Erfindung für Halbleiterlaser im allgemeinen gelten kann, wo Aspekte der vorliegenden Erfindung von Vorteil wären. Die Verwendung von VCSEL in dieser ganzen Offenbarung der Erfindung soll nicht als eine Beschränkung der vorliegenden Erfindung ausgelegt werden. Zu einer umfassenden Würdigung der verschiedenen Aspekte der Erfindung kann man gelangen, indem man die ganze Patentschrift, Ansprüche, Zeichnungen und Zusammenfassung insgesamt nimmt. Zusätzliche Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich dem Durchschnittsfachmann bei der Lektüre der Patentschrift.
  • Entsprechend der Behandlung der Beschränkungen des Stands der Technik werden neue und verbesserte Festkörperlasereinrichtungen vorgestellt, die eine Wellenlänge von 1200 nm übertreffen können.
  • Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht in der Aufnahme der Migration-Enhanced-Epitaxie (MEE) in Systeme und Verfahren, die zum Herstellen von VCSELs verwendet werden.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung kann ein VCSEL bereitgestellt werden, bei dem InGaAs mit N unter Verwendung von MEE in Quantentöpfe und mindestens GaAsN oder GaAs in Barrierenschichten eingeführt wird. Ein optimaler Arsenfluß für das Aufwachsen von stickstoffhaltigen Schichten wird definiert.
  • Gemäß noch einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung kann ein VCSEL bereitgestellt werden, bei dem InGaAs mit N in Quantentöpfe und mindestens GaAsN oder GaAs unter Verwendung von MEE in Barrierenschichten eingeführt wird, wobei N physisch daran gehindert werden kann, während des Aufwachsens von Schichten ohne Stickstoff in eine Waferverarbeitungskammer einzutreten.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung kann Hardware beschrieben werden, bei der N physisch daran gehindert wird, während des Barrierenschichtenwachstums in eine MBE-Systemkammer einzutreten, indem ein Absperrventil an einer Stickstoffquellenleitung zwischen der Stickstoffquellenleitung und ihrem physischen Eintritt in ein MBE-Systemgehäuse aufgenommen wird.
  • Gemäß noch einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung kann ein aktives VCSEL-Gebiet bereitgestellt werden, das InGaAsN-Quantentöpfe enthält, getrennt durch Barrierenschichten, mit mindestens einem von: einer zweischichtigen GaAsN-GaAs- oder dreischichtigen GaAs-GaAsN-GaAs-Barriere; GaAs-erweiterten Barrierenschichten, vor und hinter dem aktiven Gebiet angeordnet; und AlGaAs-einschließenden Gebieten, vor und hinter den GaAs-erweiterten Barrierenschichten gegenüber dem aktiven Gebiet vorgesehen, wobei die GaAs-erweiterten Barrierenschichten verhindern, daß sich Al und N zwischen dem aktiven Gebiet und den AlGaAs-einschließenden Gebieten kombinieren.
  • Gemäß noch einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung kann ein VCSEL bereitgestellt werden, bei dem Barrierenschichten, die mindestens Zweischicht umfassen einschließlich mindestens einer von GaAsN und InGaAsN, zwischen mehr als einem Quantentopf mit N und mindestens einem von In, Ga, As, Sb und P, in den/die Quantentöpfe eingeführt, vorgesehen sind.
  • Gemäß noch einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung kann ein VCSEL mit einer Indium-freien GaAs-Struktur mit einer oder mehreren Quantentöpfen, GaAsN-GaAs-Barrierenschichten und AlGaAs-einschließenden Schichten vorgesehen werden.
  • Gemäß noch einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung kann ein aktives VCSEL-Gebiet mit einem oder mehreren Indium-freien GaAsSbN-Quantentöpfen und GaAsN-GaAs-GaAsN-Barrierenschichten, vor und hinter den Quantentöpfen innerhalb des aktiven Gebiets angeordnet; äußeren GaAs-Barrierenschichten, vor und hinter dem aktiven Gebiet angeordnet; und AlGaAs-einschließenden Gebieten, neben den äußeren Barrierenschichten dem aktiven Gebiet gegenüber angeordnet vorgesehen werden.
  • Die vorliegende Erfindung kann allgemein verwendet werden, gilt aber spezifisch für GaAs-Substrate; InGaAs-, InGaAsN-, GaAsN-, GaAsNSb-, InGaAsSb- und InGaAsSbN-Quantentöpfe; mechanische GaAs-, GaAsN- und GaAsP-Stabilisierer oder beliebige Kombinationen davon. Gemäß verschiedener Aspekte der vorliegenden Erfindung können Quantentöpfe und/oder assoziierte Barrierenschichten mit mehreren neuartigen Kombinationen aus Gallium, Arsen, Stickstoff, Aluminium, Antimon, Phosphor und/oder Indium aufgewachsen werden, in oder um ein typisches GaAs-Substrat plaziert, um eine langwellige VCSEL-Leistung zu erzielen, z.B. innerhalb des Bereichs 1260 bis 1650 nm, was für die faseroptische Kommunikation nützlich ist.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die beiliegenden Figuren, bei denen sich gleiche Bezugszahlen in den verschiedenen Ansichten auf identische oder funktionell ähnliche Elemente beziehen, und die in die Patentschrift aufgenommen sind und Teil dieser bilden, veranschaulichen weiter die vorliegende Erfindung und dienen zusammen mit der ausführlichen Beschreibung der Erfindung der Erläuterung der Grundlagen der vorliegenden Erfindung.
  • 1 ist eine graphische Darstellung von „Energie über Position" und „Verspannung" für einen VCSEL mit AlGaAs-Einschlußschichten, GaAs-Barrierenschichten und InGaAs-Quantentöpfen;
  • 2 ist eine graphische Darstellung von „Energie über Position" und „Verspannung" für einen VCSEL mit AlGaAs-Einschlußschichten, GaAs-Barrierenschichten und InGaAsN-Quantentöpfen;
  • 3 ist eine graphische Darstellung von „Energie über Position" und „Verspannung" für einen VCSEL mit GaAsN-Barrierenschichten und InGaAsN-Quantentöpfen;
  • 4 ist eine graphische Darstellung von „Energie über Position" und „Verspannung" für einen VCSEL mit AlGaAs-Einschlußschichten, GaAsN-Barrierenschichten und InGaAsN-Quantentöpfen;
  • 5 ist eine graphische Darstellung von „Energie über Position" und „Verspannung" für einen VCSEL mit GaAsN-Barrierenschichten und InGaAsNSb-Quantentöpfen;
  • 6 ist eine graphische Darstellung von „Energie über Position" und „Verspannung" für einen VCSEL mit GaAs-Barrierenschichten und InGaAsNSb-Quantentöpfen;
  • 7 ist eine graphische Darstellung von „Energie über Position" und „Verspannung" für einen VCSEL mit AlGaAs-Barrierenschichten und InGaAsN-Quantentöpfen;
  • 8 ist eine graphische Darstellung von „Energie über Position" und „Verspannung" für einen VCSEL mit GaAs-Barrierenschichten und GaAsNSb-Quantentöpfen mit >1% Stickstoff;
  • 9 ist eine graphische Darstellung von „Energie über Position" und „Verspannung" für einen VCSEL mit AlGaAs-Einschlußschichten, GaAsN-Barrierenschichten und InGaAs-Quantentöpfen;
  • 10 ist eine graphische Darstellung von „Energie über Position" und „Verspannung" für einen VCSEL mit GaAsN-Barrierenschichten und GaAsNSb-Quantentöpfen;
  • 11 ist eine graphische Darstellung von „Energie über Position" und „Verspannung" für einen VCSEL mit AlGaAs- Einschlußschichten, GaAsP-Barrierenschichten und GaAsSbN-Quantentöpfen;
  • 12 ist eine beispielhafte Schnittansicht eines VCSEL gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 13 ist eine weitere beispielhafte Schnittansicht eines VCSEL gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 14 ist eine perspektivische Darstellung eines VCSEL gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 15 ist eine schematische Darstellung einer InGaAs-Gitterrelaxation auf einem GaAs-Substrat;
  • 16 ist eine schematische Ansicht der Energiebänder über der Tiefe eines aktiven Abschnitts eines 1,3-Mikron-VCSEL gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 17 ist eine schematische Ansicht einer alternativen Quantentopfstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 18 veranschaulicht eine schematische Darstellung der mechanischen Energie innerhalb des mechanisch stabilisierten InGaAs- Quantentopfs unter Verwendung der GaAs-Stabilisierungsschichten;
  • 19 veranschaulicht eine graphische Darstellung der Ausgabewellenform für einen wenig Stickstoff enthaltenden Quantentopf;
  • 20 veranschaulicht eine graphische Darstellung der Ausgabewellenform für einen Stickstoff enthaltenden und ein 3-D-Wachstum erfahrenden Quantentopf;
  • 21 ist eine graphische Darstellung eines gewünschten Photolumineszenzspektrums, wobei ein Bauelement Stickstoff in seinem aktiven Gebiet enthält;
  • 22 veranschaulicht ein Flußdiagramm von Schritten, die unternommen werden können, um stickstoffhaltige aktive Gebiete herzustellen und eine Schichtabflachung zu erzielen;
  • 23 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines Systems, das zum Durchführen der Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
  • 24 ist eine Darstellung eines Flußdiagramms von Schritten, die während einer Halbleiterlaser-Waferherstellung unternommen werden können, um ein aktives Gebiet zu erzeugen und gleichzeitig eine Abflachung von Schichten innerhalb aktiver Gebiete aufrechtzuerhalten;
  • 25 ist eine Darstellung eines weiteren Flußdiagramms von Schritten, die während einer Halbleiterlaser-Waferherstellung unternommen werden können, um ein aktives Gebiet zu erzeugen und gleichzeitig eine Abflachung von Schichten innerhalb aktiver Gebiete aufrechtzuerhalten;
  • 26 ist ein Diagramm, das übliche Elektronen- und Loch-Leckprobleme veranschaulicht, die innerhalb aktiver Gebiete in schnellsten optoelektronischen Lichtemittern angetroffen werden;
  • 27 ist ein Diagramm, das veranschaulicht, wie eine teilweise Reduzierung der Barrierenschichtkante innerhalb des Leistungsbands auf der Eingabeseite des Quantentopfs die Wahrscheinlichkeit erhöhen kann, daß Elektronen innerhalb des Quantentopfs eingefangen und/oder zurückgehalten werden können;
  • 28 ist ein Diagramm, das ein Drei-Topf-Bauelement darstellt, das verarbeitet werden kann, um die in 27 beschriebenen Vorzüge zu liefern;
  • 29 veranschaulicht ein Flußdiagramm, das Prozeßschritte zeigt, die unternommen werden können, um ein Zweischicht-Barrierensystem wie in 28 gezeigt herzustellen;
  • 30 veranschaulicht ein mehrschichtiges Barrierensystem, bei dem ein halbleitendes Laserbauelement ein dreischichtiges Barrierensystem enthalten kann, das GaAsN-Schichten verwendet, die direkt auf beiden Seiten der Quantentöpfe eingesetzt oder angeordnet sind, und weiterhin mit einer zwischen GaAsN-Schichten eingesetzten GaAs-Schicht;
  • 31 veranschaulicht ein mehrschichtiges Barrierensystem mit einem aktiven Gebiet mit mehr als einem Quantentopf;
  • 32 veranschaulicht ein Flußdiagramm von Prozeßschritten, die mit dem Herstellen von Mehrkomponenten-Barrierenschichten assoziiert sind;
  • 33 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die die Verwendung von AlGaAs-einschließenden Schichten in Bauelementen ermöglicht, wo aktive Gebiete Stickstoff enthalten;
  • 34 veranschaulicht Prozeßschritte zum Herstellen eines Bauelements gemäß der in 33 dargestellten Ausführungsform und
  • 35 ist eine graphische Darstellung einer Wellenform, die mit der Verwendung eines Bauelements wie in 33 dargestellt assoziiert ist.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die neuartigen Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich dem Fachmann bei der Untersuchung der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung oder können durch Ausübung der vorliegenden Erfindung in Erfahrung gebracht werden. Es versteht sich jedoch, daß die ausführliche Beschreibung der Erfindung und der vorgelegten spezifischen Beispiele, wenngleich sie bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung andeuten, nur zu Veranschaulichungszwecken vorgelegt werden, weil verschiedene Änderungen und Modifikationen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung sich dem Fachmann anhand der ausführlichen Beschreibung der Erfindung und Ansprüche, die folgen, ergeben.
  • Die Herstellung langwelliger Quantentöpfe auf GaAs hat sich als sehr schwierig herausgestellt, doch ist die in der vorliegenden Beschreibung vorgelegte Technologie bis zu dem Punkt fortgeschritten, daß längerwellige Quantentöpfe und effizientere VCSELs nun möglich sind. Ein Problem besteht darin, daß langwellige Verbindungen im allgemeinen nicht an GaAs gitterangepaßt sind. Dies ist jüngst durch die Verwendung durch Stickstoff in den Quantentöpfen gemildert worden, der das Energieband reduziert und die Gitterkonstante im Gegensatz zu jedem anderen bandlückenreduzierenden Element reduziert und somit die Aufnahme anderer Elemente (z.B. In, Sb) gestattet, und der die Bandlücke reduziert, aber die Gitterkonstante erhöht. Der Einsatz von Stickstoff kann leider den negativen Aspekt haben, daß der Einschluß in dem Valenzband reduziert wird, und stellt im allgemeinen möglicherweise ein Material mit schlechterer Nutzbarkeit her, wenn mehr Stickstoff zugesetzt wird.
  • Die vorliegende Erfindung kann Verspannungskompensation mit oder ohne Stickstoff in den Barrierenschichten verwenden, um die Einbringung von mehr In und/oder Sb in die Quantentöpfe ohne Relaxation zu gestatten und somit längere Wellenlängen zu erzielen.
  • Es wird nun eine vorläufige Beschreibung der 1–11 geliefert, bevor die Vorzüge der Erfindung ausführlich beschrieben werden. Unter Bezugnahme auf 1 sollen Abschnitte der Darstellungen in 1–11 auf der linken Seite der Zeichnungen graphisch die Position eines Quantentopfs 11, von Barrierenschichten 12 und Einschlußschichten 13 eines VCSEL darstellen. Leistung wird in den 1–11 mit Linien dargestellt, die bezüglich der Position der erwähnten Komponenten vertikal gezeichnet sind. Auf der rechten Seite der 1–11 ist auch die Verspannung für jedes dargestellte Bauelement graphisch gezeigt, wobei auch die Komprimierung vertikal nach unten und die Zugspannung vertikal nach oben dargestellt ist.
  • Unter Bezugnahme auf 1 ist eine graphische Darstellung von „Energie über Position" und „Verspannung" für einen VCSEL mit AlGaAs-Einschlußschichten 13, GaAs-Barrierenschichten 12 und einem InGaAs-Quantentopf 11 gezeigt und dient als ein Orientierungswert für in 2–11 vorgenommene Einstellungen. Durch die Verwendung eines InGaAs-Quantentopfs auf einem GaAs-Substrat können längere Wellenlängen erreicht werden, doch wird in dem Quantentopf auch eine Verspannung verursacht, wie durch die Tiefe 15 (komprimierend 15 in der Zeichnung) der assoziierten Verspannungsmessung gezeigt.
  • Unter Bezugnahme auf 2 ist ein VCSEL mit AlGaAs-Einschlußschichten, GaAs-Barrierenschichten und einem InGaAsN-Quantentopf gezeigt. Dem InGaAs-Quantentopf von 1 wird Stickstoff zugesetzt, was zu einer Verringerung 20, wie durch nach unten zeigende Pfeile gezeigt, bei Energie-21- und Valenz-22-Band-Einschluß führt, im Vergleich zum stickstofffreien Bauelement von 1. In 2 jedoch wurde die Verspannung reduziert 23, wie durch den nach oben weisenden Pfeil 22 gezeigt, im Vergleich zu dem stickstofffreien Bauelement von 1.
  • Unter Bezugnahme auf 3 wird Stickstoff (N) auch den Barrierenschichten des in 2 gezeigten Bauelements zugesetzt. Wie durch die nach unten weisenden Pfeile 34 in 3 gezeigt, wird der Lochtopf durch die Einführung von Stickstoff in die Barrierenschichten im Vergleich zu dem in 2 gezeigten Bauelement erzeugt. Außerdem wurde eine Verspannungskompensation 33 dem Bauelement durch den Zusatz von Stickstoff zu den Barrierenschichten bereitgestellt, wie durch die nach unten weisenden Pfeile gezeigt. Es sei angemerkt, daß eine Verspannungskompensation selbst dann realisiert werden würde, wenn Stickstoff nicht auch in den Quantentopf eingeführt wird.
  • Unter Bezugnahme auf 4 wird nun Aluminium (Al) den Einschlußschichten/-Bereichen des in 3 gezeigten Bauelements zugesetzt. Durch das Bereitstellen von Al zu den Einschlußschichten werden unerwünschte Töpfe an den Kanten des Bauelements eliminiert oder im wesentlichen reduziert, wie durch die Pfeile 41 in 3 gezeigt. Die Einführung von Al weist jedoch einen vernachlässigbaren Effekt auf die Verspannung des Bauelements auf, wie gezeigt.
  • Unter Bezugnahme auf 5 wird nun dem Quantentopf des zuvor in 4 betrachteten Bauelements Antimon (Sb) zugesetzt. Die Einführung von Sb in den Quantentopf bewirkt eine Verringerung bei der Bandlücke, eine Erhöhung 52 in dem Valenzbandtopf und eine Verringerung 51 in dem Leitungsbandtopf, wie durch die Pfeile gezeigt. Eine Verspannung in dem Bauelement wird durch die Einführung von Sb erhöht 53.
  • Unter Bezugnahme auf 6 wurde Antimon (Sb) dem Quantentopf für das in 2 dargestellte Bauelement zugesetzt. Die Bandlücke für das Bauelement erhöht den Valenzbandtopf 61, wie durch den nach oben weisenden Pfeil gezeigt, verringert aber den Leitungsbandtopf 62, wie durch den nach oben weisenden Pfeil gezeigt. Eine komprimierende Verspannung in dem Quantentopf nimmt auch wie gezeigt mit Sb zu 63, wie durch den nach unten weisenden Pfeil gezeigt.
  • Unter Bezugnahme auf 7 wird Aluminium (Al) den Barriere- und Einschlußschichten des zuerst in 2 gezeigten Bauelements zugesetzt. Wie in der graphischen Darstellung von 7 zu sehen, wird der Valenzbandtopf unter Verwendung von Al erzeugt 72. Die Verspannungskompensation ist ab ihrer anfänglichen Position in 2 unbeachtlich.
  • Unter Bezugnahme auf 8 wird ein indiumfreies Bauelement gezeigt. Indium wird aus dem Quantentopf für das in 6 gezeigte Bauelement entfernt. Der Quantentopf enthält GaAsNSb. Die Bandlücke nimmt für den Valenzbandtopf ab 82 und nimmt in dem Leitungsbandtopf ab 81. Es zeigt sich, daß sich die Bauelementverspannung 83 mit dem Entfernen von In verbessert, wie durch den nach oben weisenden Pfeil gezeigt.
  • Unter Bezugnahme auf 9 wird Stickstoff für das in 4 gezeigte Bauelement aus dem Quantentopf entfernt. Das Entfernen von N aus dem Quantentopf erhöht 94 die Bandlücke und den Locheinschluß, wie durch die nach oben weisenden Pfeile gezeigt. Die Verspannung nimmt jedoch auch in dem Quantentopf zu 93, wie durch die nach unten weisenden Pfeile gezeigt, wird aber in dem Barrierengebiet 93 kompensiert.
  • Unter Bezugnahme auf 10 wird ein Verspannungskompensiertes Bauelement dargestellt. Das Bauelement von 8 wird verbessert, indem den Barrierenschichten Stickstoff und den Einschlußschichten Aluminium zugesetzt wird. Der Quantentopf umfaßt GaAsSbN. Diese Kombination verringert 101 den Elektronentopf und vergrößert 102 den Lochtopf. Die Gesamtverspannung in dem Bauelement wird reduziert, wie durch die nach oben weisenden Pfeile 103 gezeigt.
  • Unter Bezugnahme auf 11 ist eine zusätzliche Verspannungskompensation gezeigt 113 durch Zusatz von Phosphor (P) zu den Barrierenschichten. Das Bauelement in 11 ist gezeigt, daß es AlGaAs-Einschlußschichten und einen GaAsSb-Quantentopf aufweist. Auch Indium kann in dem Quantentopf verwendet werden.
  • Für Datenkommunikationsanwendungen ist erwünscht, 1310 nm-Quantentöpfe zu erreichen, die in VCSELs und kantenemittierenden Lasern verwendet werden. Wieder unter Bezugnahme auf 1 ist ein typischer InGaAs-verspannter Quantentopf auf GaAs dargestellt. Durch weitere Verwendung von Stickstoff zur Verspannungskompensation in den Barrieren (wie in 3, 9 gezeigt), kann den Quantentöpfen genug Indium ohne Relaxation zugesetzt werden, um 1310 nm zu erreichen, und weil in dem Quantentopf selbst wenig oder kein Stickstoff verwendet wird, werden Locheinschluß und Materialqualität aufrechterhalten. Die Verwendung von AlGaAs-einschließenden Schichten mit ausreichend Al, um die Ausbildung zusätzlicher Töpfe zu vermeiden, kann vorteilhaft sein; die paarweise Verwendung von Aluminium und Stickstoff kann tiefe Haftstellen innerhalb des Bauelements erzeugen, was strahlungslose Rekombinationen verstärkt. Deshalb sollten Al und N während der Bauelementverarbeitung nicht paarweise auftreten oder sich überlappen dürfen.
  • Wie oben erwähnt zeigt 8 einen GaAsNSb-Quantentopf mit GaAs-Barrieren. In diesem Fall senken Sb als auch Stickstoff die Bandlücke. Das Sb bewirkt, daß der Quantentopf zu einem schlechteren Elektroneneinschluß mit gutem Locheinschluß tendiert, und der Stickstoff tendiert dahingehend, in der entgegengesetzten Richtung zu einem schlechten Locheinschluß und einem guten Elektroneneinschluß zu gehen. Durch Einstellen des Verhältnisses dieser kann in dem Leitungsband eine Topftiefe von mindestens 0,07 eV und in dem Valenzband eine Tiefe von 0,05 eV erzielt werden, während eine Lichtemission sowohl bei 1310 nm als auch bei 1550 nm erreicht wird.
  • Wenn in den Quantentöpfen große Mengen an Sb und kleine Mengen an N verwendet werden, so daß in den Quantentöpfen eine übermäßige Druckverspannung vorliegt, kann den Barrierenschichten Stickstoff oder Phosphor zugesetzt werden, um die übermäßige Druckverspannung zu kompensieren, da sie dazu tendiert, den Elektronentopf zu vertiefen, während Sb in dem Quantentopf dazu tendiert, den Elektronentopf flacher zu machen. Es ist außerdem nützlich, die Lücke der einschließenden Schichten mit Al oder sogar P zu vergrößern, um zusätzliche Töpfe zu vermeiden.
  • Indium kann in dem Quantentopf zum Einstellen der Wellenlänge, der Topftiefen und der Verspannung in den Quantentöpfen verwendet werden. Mit abnehmender Bandlücke werden die Töpfe komprimierender. Das Zusetzen von Indium weist jedoch nur einen sekundären Effekt auf die relativen Bandoffsets auf (Valenzband oder Leitungsband), wie in 5 und 6 gezeigt. Die in 6 dargestellte Ausführungsform arbeitet für aktive Gebiete sowohl bei 1310 nm als auch 1550 nm.
  • Wie in 7 gezeigt, können AlGaAs-Barrierenschichten für InGaAsN-Quantentöpfe verwendet werden, um die Lochtopftiefe zu vergrößern. weil Stickstoff die effektive Elektronenmasse erhöht, können die stickstoffhaltigen Quantentöpfe dünner ausgeführt werden, beispielsweise unter 50 A. Bei VCSELs bedeutet dies, daß es keine Quantentöpfe mehr gibt.
  • Alle Aspekte der vorliegenden Erfindung können für einzelne sowie mehrere Quantentöpfe sowohl in Kantenemittern als auch VCSELs und anderen Halbleiterlasern gelten. Bei allen der obigen läßt sich eine Topftiefe von mindestens 0,07 eV in dem Leitungsband und eine Tiefe von 0,05 eV im Valenzband aufrechterhalten.
  • Epitaxyabflachungstechniken, die das Bündeln von Schritten reduzieren, können in Kombination mit Obigem verwendet werden. Mit Obigem können auch mechanische Intra-Quantentopf-Stabilisatoren verwendet werden.
  • Unter Bezugnahme auf 12 ist eine Schnittansicht eines oberflächenemittierenden Lasers 100 (VSCEL) dargestellt. Ein VCSEL 100 kann durch Techniken wie etwa metallorganische Molekularstrahlepitaxy oder metallorganische chemische Dampfabscheidung aufgewachsen werden. Bezug genommen wird auf das eigene US-Patent Nr. 5,903,588, das wegen seiner Lehre hier unter Bezugnahme aufgenommen ist, das in der Technik verwendete Verfahren zur VCSEL-Herstellung beschreibt. Der VCSEL kann aufgrund der robusten Natur und geringen Kosten des Materials bevorzugt auf einem GaAs-Substrat 101 aufgewachsen werden, doch ist zu erkennen, daß als das Substrat auch Halbleitermaterialien, beispielsweise Ge, verwendet werden könnten. Der VCSEL 100 kann dann durch Anordnen von Schichten auf dem Substrat ausgebildet werden.
  • Epitaxiale Schichten können enthalten: einen ersten, auf dem Substrat 101 angeordneten Spiegelstapel 105, ein auf dem ersten Spiegelstapel 105 angeordnetes erstes Mantelgebiet 108, ein auf dem ersten Mantelgebiet 108 angeordnetes aktives Gebiet 110, ein auf dem aktiven Gebiet 110 angeordnetes zweites Mantelgebiet 112 und einen auf dem zweiten Mantelgebiet 112 angeordneten zweiten Spiegelstapel 115. Das aktive Gebiet 110 kann weiterhin ein oder mehrere Quantentöpfe 120 enthalten, die durch Barrierenschichten 125 voneinander getrennt sind, je nach der Anwendung, für die der VCSEL 100 ausgelegt ist. Für den Durchschnittsfachmann ist es offensichtlich, die Anzahl der Quantentöpfe 120 in dem aktiven Gebiet 110 des VCSEL abzuändern.
  • Der erste Spiegelstapel 105 kann durch epitaxiales Abscheiden von Spiegelpaarschichten 106 auf dem Substrat 101 aufgewachsen werden. Um das Kristallgitter des Spiegelstapels 105 an das Substrat 101 anzupassen, sollte ein geeignetes Halbleitermaterialsystem für die gespiegelten Paare 106 verwendet werden. Bei diesem spezifischen Beispiel, das nicht als eine Beschränkung des vollen Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung angesehen werden sollte, ist das Substrat 101 GaAs, deshalb kann ein GaAs/AlGaAs-Materialsystem verwendet werden. Um einen hohen Prozentsatz an Reflexionsvermögen zu erzielen, kann die Anzahl der Spiegelpaarschichten 106 in dem Stapel 105 je nach der Differenz zwischen den Brechungsindizes der Schichten im Bereich zwischen 20 und 40 liegen. Unterschiedliche Brechungsindizes lassen sich auch erzielen durch Abändern des Aluminiumgehalts in dem Spiegelstapel 105.
  • Ein erstes Mantelgebiet 108 kann aus einer oder mehreren, epitaxial auf dem ersten Spiegelstapel 105 abgeschiedenen Schichten bestehen. Das erste Mantelgebiet 108 in der gegenwärtig beschriebenen Ausführungsform der Erfindung kann aus einem GaAsN-Materialsystem bestehen.
  • Es hat sich gezeigt, daß dem Quantentopf 120 zugesetzter Stickstoff den Effekt aufweisen kann, die Verspannung zwischen den Schichten zu erhöhen, was die Bandlückenenergie des angeregten Zustands reduziert. Eine Bandlückenenergiereduzierung verringert im allgemeinen die Energiemenge, die erforderlich ist, um das Material anzuregen, und erhöht die Wellenlänge des emittierten Photons. Dies kann wünschenswert sein, um längerwellige VCSELs 100 zu erzielen. Je mehr Stickstoff dem Quantentopf 120 zugesetzt wird, um so größer kann diese Reduzierung bei der Bandlückenenergie sein, und somit können längerwellige VCSELs 100 hergestellt werden.
  • Wie oben erörtert kann durch die Verwendung von Stickstoff in den GaAsN-Barrierenschichten und sekundär in den Quantentöpfen selbst die Verspannung in der Struktur reduziert werden, was die zulässige Dicke der Quantentöpfe erhöht, und die Energielücke kann reduziert werden, was beides in der Lage ist, die zulässige Wellenlänge zu erhöhen.
  • Die Verwendung von Stickstoff in den Quantentöpfen kann die Valenzbanddiskontinuität nicht-einschließend oder vom Typ II machen. Durch Verwendung von AlGaAs oder AlGaAsN als das einschließende Material jedoch und GaAsN-, AlGaAs- oder AlGaAsN- oder GaAsP-Barrierenschichten kann auch das Nichteinschließungsproblem reduziert werden. Wenn außerdem Sb einen Teil des As in dem Quantentopf ersetzt, kann der durch Stickstoff verursachte Typ-II-Übergang weiter vermieden werden, was noch mehr Stickstoff gestattet. Weil noch mehr Stickstoff zulässig ist, ist auch mehr Indium zulässig. Weil Stickstoff, Indium und Antimon alle die Bandlückenenergie reduzieren, erstrecken sich die erzielbaren Wellenlängen zu Wellenlängen länger als entweder 1310 nm, für Datenkommunikation verwendet, oder 1550 nm, für Telekommunikation verwendet.
  • Durch Zusatz von Stickstoff zu den InGaAs-Quantentöpfen kann die Gesamtverspannung in dem Topf signifikant weniger werden, was mehr Indium gestattet, bevor die kritische Dicke erreicht wird, wodurch längerwellige VCSELs möglich werden. Durch die Verwendung von Stickstoff zur Verspannungskompensation in den Barrieren, kann die zulässige Verspannung in dem Quantentopfgebiet zunehmen, was bedeutet, daß in den Quantentöpfen noch mehr Indium verwendet werden kann. Mehr Indium ist im allgemeinen zulässig, ohne daß die kritische Dicke verletzt wird, was noch eine niedrigere Bandlücke und längere Wellenlängen ergibt. Zusätzlich kann die Verwendung von Stickstoff in den Barrierenschichten zwischen den Quantentöpfen auch die Energie dieser Barrieren in dem Leitungsband reduzieren, wodurch die Energie des Quantenzustands herabgesetzt wird, was die zulässige Wellenlänge weiter erhöht. Die Verwendung von Stickstoff in den Barrierenschichten kann auch vorteilhaft sein durch das Vermeiden des Typ-II-Verhaltens in dem Valenzband, weil durch das Einsetzen von Stickstoff in den Quantentöpfen die Leitungsbanddiskontinuität zunimmt und die Valenzbanddiskontinuität abnimmt. Weiterhin kann die Verwendung von AlGaAs oder AlGaAsN für die einschließende Struktur weiterhin unbeabsichtigte Töpfe in dem Valenzband an der Barrierenschicht einschließenden Schichtgrenze vermeiden. Schließlich kann die Verwendung von Sb in dem Quantentopf die Bandlückenenergie weiter reduzieren und gleichzeitig das Typ-II-Verhalten vermeiden (was noch mehr Stickstoff gestattet). Alle diese Aspekte tragen zu der Fähigkeit bei, sehr langwellige aktive Gebiete herzustellen.
  • Das Einführen von Stickstoff in das aktive Gebiet 110 ist im allgemeinen nicht ohne Nachteile. GaN und InN können bei ihren Gitterkonstanten sowie bei den Bedingungen für optimales Aufwachsen große Unterschiede aufweisen. Aufgrund dieser Gitterfehlanpassung kann die Qualität des Materials stark beeinträchtigt werden, wenn das aktive Gebiet 110 umfassende Schichten über eine bestimmte kritische Dicke hinweg aufgewachsen werden. Schichten, die dicker sind als diese kritische Dicke, können Fehlanpassungsversetzungen aufweisen, wodurch die Verspannung zwischen den Schichten entspannt und die Materialqualität herabgesetzt wird. Dies kann die Qualität des VCSEL 100 wesentlich beeinträchtigen.
  • Durch Aufnehmen von Stickstoff in die Barrierenschichten 125 kann die Herabsetzung der Bandlückenenergie beobachtet werden, wie sie ist, wenn Stickstoff lediglich dem aktiven Gebiet 110 zugesetzt wird. Jedoch kann die Stickstoffmenge, die in dem aktiven Gebiet 110 verwendet wird, um eine gegebene Bandlückenenergiereduzierung und deshalb eine längere Wellenlänge zu erzielen, reduziert werden. Die Gitterfehlanpassung kann deshalb im allgemeinen nicht so streng sein, als wenn Stickstoff nur dem aktiven Gebiet 110 zugesetzt wird, wodurch sich das Materialsystem leichter herstellen läßt. Hochwertigere VCSELs können erzielt werden durch Einführen von Stickstoff in die Barrierenschichten 125, als wenn Stickstoff nur dem aktiven Gebiet 110 zugesetzt wird.
  • Das aktive Gebiet 110 kann als nächstes epitaxial auf dem ersten Mantelgebiet 108 abgeschieden werden. Das aktive Gebiet 110 kann einen oder mehrere Quantentöpfe 120 enthalten. Die bevorzugte Ausführungsform verwendet Quantentöpfe 120 von weniger als 50 Angström. Wenn Stickstoff in das aktive Gebiet 110 oder das Mantelgebiet 108 oder 112 eingeführt wird, kann die effektive Elektronenmasse in den Gebieten dramatisch ansteigen. Mit dieser erhöhten Dichte der Zustände nimmt im allgemeinen die Indium- oder Stickstoffmenge ab, die benötigt wird, um in dem aktiven Gebiet 110 ein gegebenes Ausmaß an Verstärkung zu erzeugen. Deshalb kann auch das Volumen des Quantentopfs 120 herabgesetzt werden, wodurch man weniger Volumen erhält, in dem parasitäre Effekte auftreten können.
  • Ein zweites Mantelgebiet 112 kann aus einer oder mehreren Schichten hergestellt sein, die epitaxial auf dem aktiven Gebiet 110 angeordnet sind. Das zweite Mantelgebiet 112 kann aus einem GaAsN-Materialsystem hergestellt sein.
  • Ein zweiter Spiegelstapel 115 kann als nächstes durch epitaxiales Abscheiden von Spiegelpaareschichten 116 auf dem zweiten Mantelgebiet 115 aufgewachsen werden. Um das Kristallgitter des Spiegelstapels 115 an das Substrat 101 anzupassen, sollte ein geeignetes Halbleitermaterialsystem für die verspiegelten Paare 116 abgeschieden werden. Das Substrat 101 ist aus GaAs ausgebildet, weshalb ein GaAs/AlGaAs-Materialsystem verwendet werden kann. Um einen hohen Prozentsatz an Reflexionsvermögen zu erzielen, kann die Anzahl der Spiegelpaarschichten 116 in dem Stapel 115 je nach der Differenz zwischen den Brechungsindizes der Schichten im Bereich zwischen 20 und 40 liegen. Unterschiedliche Brechungsindizes lassen sich auch erzielen durch Abändern des Aluminiumgehalts in dem Spiegelstapel 115.
  • Nunmehr unter Bezugnahme auf 13 wird eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Eine Abflachungsschicht 235 kann zwischen die untere einschließende Schicht 208 und die Quantentöpfe 220 geschichtet werden. Wenn die verschiedenen Schichten auf dem Substrat aufgewachsen werden, bilden sich Bündel von Molekularstufen auf der Oberfläche der neu ausgebildeten Schichten. Die Stufen auf der Oberfläche der Schicht erhöhen die Wahrscheinlichkeit, daß sich Schichten neben dem Substrat 201 gegenüber dem Substrat 201 versetzen können. Eine vor dem aktiven Gebiet 210 aufgewachsene stark komprimiert verspannte InGaAS-Abflachungsschicht 235 in einer Entfernung, die ausreicht, um die Verspannungseffekte auf die Quantentopfschichten 220 zu minimieren, weist im allgemeinen den Effekt auf, daß sie die Oberfläche, an der das aktive Gebiet 210 angeordnet ist, abflacht. Der Abstand zwischen der Abflachungsschicht 235 und den Quantentöpfen 220 kann mehrere hundert Angström betragen. Das Aufwachsen dieser Abflachungsschicht 235 zwischen der unteren einschließenden Schicht 201 und dem ersten Spiegelstapel 205 verflacht diese Molekularstufen. Die Oberfläche kann weiter abgeflacht werden, wenn die Epi-Schichten auf Substraten mit einer Orientierung „100 oder 111 ein" aufgewachsen werden. Wenn sich das Substrat in einer „aus"-Orientierung befindet, kann die Anzahl der Molekularstufen zunehmen und die Wahrscheinlichkeit des Bündelns von Stufen nimmt zu, wodurch die Wahrscheinlichkeit für eine Versetzung zunimmt. Durch Abflachen der Oberfläche, auf der die Stapel abgeschieden werden, kann die Verspannung zwischen Schichten durch den Zusatz größerer Mengen an In oder Sb in dem aktiven Gebiet weiter erhöht werden. Diese Erhöhung bei In oder Sb verringert im allgemeinen die Bandlückenenergie, wodurch das Aufwachsen von VCSELs 201, die längere Wellenlängen emittieren, leichter wird.
  • Wie in 14 zu sehen, weist ein VCSEL 301 bei Betrachtung vom Boden nach oben eine Metallkontaktschicht 313 daneben und ein Substrat 315 von einem ersten Leitfähigkeitstyp, in diesem Fall vom N-Typ, auf, auf dem ein Spiegelstapel 317 vom N-Typ abgeschieden ist. Das aktive Gebiet 319 befindet sich neben dem Spiegelstapel vom N-Typ und umfaßt GaAs-Barrierenschichten und eine InGaAs-Quantentopfschicht, wie unten näher erläutert. Auf dem aktiven Gebiet 319 ist ein Spiegelstapel 321 vom zweiten Leitfähigkeitstyp, in diesem Fall vom P-Typ, abgeschieden, auf dem eine P-Metallkontaktschicht 323 abgeschieden ist. Ein Stromblockiergebiet 324, wie in der Technik bekannt, ist in dem P-Typ-Spiegelstapel 321 angeordnet.
  • Wenngleich in der bevorzugten Ausführungsform detaillierte Strukturen mit Ausnahme des aktiven Gebiets von konventioneller Konstruktion sind, können natürlich andere Strukturen oder Schichten, die hier nicht detailliert sind, aber dem Durchschnittsfachmann bekannt sind, natürlich zu den hier vorgestellten Strukturen hinzugefügt werden.
  • Wie oben erörtert gibt es bestimmte Probleme mit der Aufrechterhaltung der mechanischen Verspannung bei langwelligen VCSEL-Schichten, die für eine Emission bei mindestens 1,3 Mikron erforderlich sind; beim Versuch der Verwendung von GaAs-Substraten mit InGaAs-Quantentopfschichten und AlGaAs-Spiegeln, d.h. üblichen Materialien, abgeschieden durch die Verwendung von üblichem Verarbeitungs-/Herstellungsgerät, wie etwa MOCVD oder MBE.
  • Wie in 15 zu sehen, eine schematische Darstellung einer GaAs-Schicht 325, auf der eine InGaAs-Schicht 327 abgeschieden ist, weil diese beiden Materialien (GaAs und InGaAs) unterschiedliche Gitterkonstanten aufweisen, wenn man versucht, eine zu dicke Schicht aus InGaAs auf der GaAs-Schicht unter ihr abzuscheiden, oder Substrat, an einen bestimmten Punkt entspannt sich die mechanische Verspannung des InGaAs, wie bei 329 gezeigt, was eine Versetzung, eine Gleitlinie oder einen Beschädigungspunkt verursacht, der die ordnungsgemäße Laseraktivität negiert oder stört. Leider muß eine bestimmte Dicke aufrechterhalten werden, um die ordnungsgemäßen Energieniveaus zu erhalten, damit die längerwellige Laseraktivität produziert wird, z.B. 1,3 Mikron. Somit sollten die InGaAs-Schichten dünner ausgeführt werden.
  • 16 veranschaulicht eine graphische Darstellung der Energie über Position. Wie in 16 gezeigt, besteht ein 225 Å-Quantentopf 333 aus InGaAs und ist auf beiden Seiten von Barrierenschichten 311 aus GaAs umgeben. Innerhalb des Quantentopfs 333 können sich sechs im wesentlichen äquidistante 9,5 Å dicke Galliumarsenid-Abstandshalterschichten 337 befinden, umgeben von sieben InGaAs-Schichten 339 mit einer Dicke von etwa 24 Å. Eine Wellenfunktionslinie 300 und eine kleinste-zulässige-Energie-Linie 320 für das aktive Gebiet sind in der graphischen Darstellung enthalten. Es kann andere Anordnungen von GaAs-Abstandshalterschichten geben, wie etwa zwei oder vier Schichten innerhalb der Quantentöpfe, und es ist wahrscheinlich, daß die InGaAs- und GaAs-Schichtbreiten vielfache der Gitterkonstanten sein müssen. Somit kann sich die Dicke des Quantentopfs geringfügig ändern, damit man eine optimale Laserleistung erzielt.
  • Es sei angemerkt, daß sich die mechanisch stabilisierten Quantenwellenfunktionen in die GaAs-Barrierenschichten 311 erstrecken. Die Abmessungen können so gewählt werden, daß die Gitterverspannung der mechanisch verstärkten InGaAs-Schichten 339 ein Bandsplitting verursacht, das die InGaAs-Bandlücke modifiziert. Die Dicke der GaAs-Stabilisiererschicht, die Dicke der InGaAs-Schicht, die InGaAs-Zusammensetzung und die Gesamttopfdicke oder -breite bestimmen die Position der Quantenniveaus 19 relativ zur Bandkante. Es wird jedoch angenommen, daß die gezeigten Abmessungen gute Annäherungen an wünschenswert für Indium-7-Gallium-3-Arsenid-Zusammensetzung der InGaAs-Schicht sind.
  • Wie in 17 gezeigt, können durchaus auch alternative Formen eines Quantentopfs gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert werden. Der Quantentopf 335 kann etwa zweihundert Angström breit sein mit einem Supergitter aus äquidistanten Stabilisierungsschichten 353 aus 11,2 Angström-GaAs-Substratmaterial umgeben von InAs-Halbleiterlegierungsschichten 349 von jeweils etwa 12 Angström.
  • Die mit einer mechanischen Stabilisierungsschicht versehenen Quantentöpfe gemäß der vorliegenden Erfindung sollen unter Verwendung von üblicherweise bekannten Ätz- und Abscheidungstechniken für standardmäßiges MOCVD-Gerät oder MBE-Gerät konstruiert werden.
  • Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Quantentöpfe des von GaAs-Barrierenschichten umgeben, auf denen geeigneterweise hocheffiziente AlGaAs-Spiegel abgeschieden werden, deren Gitterkonstante der der GaAs-Barrierenschichten entspricht. In 18 ist eine mechanische-Energie-Diagrammdarstellungslinie 341 gezeigt, um zu veranschaulichen, daß die Verspannung auf der InGaAs-Schicht auf einem Niveau über dem der mechanischen GaAs-Stabilisatoren 337 gehalten wird, was aufgrund der Gitterkonstantenanpassung ein unverspannter Zustand ist.
  • Während des Wachstumsprozesses folgt die verspannte epitaxiale Schicht der Gitterkonstanten des Substrats, bis sie die kritische Dicke passiert. Bei dieser Dicke wird sie mit Versetzungen entspannt, anstatt die Verspannung aufrechtzuerhalten. Indem die Dicke unter der kritischen Dicke gehalten wird, entspannen sich die Schichten nicht und bilden Versetzungen. Die mechanischen GaAs-Stabilisatoren sind nicht verspannt, da sie der Gitterkonstanten des Substrats folgen. Das Aufwachsen einer InGaAs-Schicht auf dem mechanischen GaAs-Stabilisator ist ähnlich dem Aufwachsen auf einem assoziierten Substrat. Die Gesamtdicke des Quantentopfs kann dann willkürlich groß sein und das übertreffen, was man für die kritische Dicke berechnen würde.
  • Stickstoffhaltige Quantentöpfe wachsen im allgemeinen auf dreidimensionale Weise. 19 veranschaulicht graphisch das Photolumineszenzspektrum für einen Quantentopf mit Stickstoff, der aber nicht auf dreidimensionale Weise gewachsen ist. Wie man aus dem Diagramm erkennen kann, liefert der Quantentopf ein akzeptables Spektrum mit einer einzelnen schmalen Spitze. Unter Bezugnahme auf 20 jedoch ist gezeigt, daß eine nachfolgende Probe mit der gleichen nominellen Struktur wie der in 19 gezeigten ein gewisses 3-D-Wachstum erfährt, wie durch das breite mehrspitzige Spektrum gezeigt wird. In dem Diagramm gezeigte breite Doppelspitzen implizieren eine Quantenpunktentwicklung oder -absonderung. Quantentöpfe, die irgendeine Menge an Stickstoff enthalten, können ein 3-D-Wachstum erfahren und verursachen eine Verbreiterung des Spektrums und ermöglichen auch die Ausbildung von Quantenpunkten. Durch Abflachen der angrenzenden Oberfläche (z.B. typischerweise der Barrierenschichten) unmittelbar vor dem Aufwachsen von stickstoffhaltigen Quantentöpfen wird für das 3-D-Aufwachsen innerhalb der Quantentopfschichten eines Bauelements kein Keim bereitgestellt oder verfügbar gemacht. Manchmal enthalten mit einem Quantentopf assoziierte Barrierenschichten auch Stickstoff, weshalb jede Nicht-Stickstoff-Schicht vor dem Aufwachsen der stickstoffhaltigen Schicht abgeflacht werden sollte – ob die stickstoffhaltige Schicht eine Barrierenschicht oder ein Quantentopf ist.
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, daß Migration-Enhanced-Epitaxie (MEE) als Lösung für das Abflachen von Oberflächen bereitgestellt werden kann und dadurch die Quantenpunktproduktion und andere dreidimensionale Wachstumseffekte eliminiert werden. Unter Bezugnahme auf 21 wird eine graphische Darstellung eines wünschenswerteren Photolumineszenzspektrums gezeigt. Es ist wohlbekannt, daß zum Offenlegen der Ergebnisse eines MEE-verarbeiteten Bauelements Spektralmessungen unter Verwendung von Photolumineszenz verwendet werden können.
  • MEE kann dazu verwendet werden, Bauelementschichten abzuflachen, bevor Schritte ergriffen werden, um stickstoffhaltige Quantentöpfe oder eine assoziierte Barrierenschicht aufzuwachsen, was zu wünschenswerten langwelligen Spektren führt. Bei einem Bauelement, das Stickstoff und eine beliebige Kombination von In, Ga, As und Sb in den Quantentöpfen und/oder eine beliebige Kombination von In, Ga, As, N, Sb und P in den Barrierenschichten verwendet, kann der Einsatz einer abflachenden Schicht vor dem Aufwachsen beliebiger stickstoffhaltiger Schichten sehr vorteilhaft sein. Von den Erfindern der vorliegenden Erfindung ist beispielsweise gezeigt, daß die Verwendung von MEE vor und/oder nach und/oder zwischen einem stickstoffhaltigen Quantentopf eine Oberfläche derart abflacht, daß für ein 3-D-Aufwachsen kein Keim zur Verfügung steht.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Einsatz von MEE zum Erreichen einer Abflachung ausgeführt werden durch alternatives Abscheiden einatomiger Schichten von Bestandteilen der Gruppe III und Bestandteilen der Gruppe V. Insbesondere funktionieren Ga und As gut auf einem GaAs-Substrat.
  • MEE und die Verwendung von Wachstumsunterbrechungen zum Abflachen von Oberflächen sind gewöhnliche Epitaxytechniken, die in MBE (Molekularstrahlepitaxy) regelmäßig und manchmal bei MOCVD-(metallorganische Dampfabscheidunq) oder MOVPE-(metallorganische Dampfphasenepitaxy)-Prozessen verwendet werden. MEE wird üblicherweise auch in Lehrbüchern beschrieben, die Epitaxyprozesse beschreiben, doch ist die Verwendung von MEE in dem bisherigen Stand der Technik zu Zwecken des Steuerns der Produktion von stickstoffhaltigen Halbleiterlaserquantentöpfen nicht gelehrt oder beschrieben worden. Die Verwendung von Absperrventilen ist möglicherweise in der Technik bekannt, wurde aber nicht zum Zweck des effektiven Implementierens von MEE durch Blockieren von Stickstoff während der Schichtverarbeitung unter Verwendung von MBE-, MOCVD- und MOVPE-Systemen vorgeschlagen.
  • InGaAsN mit fakultativ Sb enthaltende Quantentöpfe existieren nicht im Gleichgewicht. Wo kein Gleichgewicht aufrechterhalten wird, kann infolgedessen eine Phasenabsonderung stattfinden. Um eine Phasenabsonderung innerhalb Quantentöpfen zu vermeiden, wurden während der Verarbeitung niedrige Wachstumstemperaturen verwendet. Leider können niedrige Wachstumstemperaturen zu Punktfehlstellen führen, was in dem Bauelement eine schlechte optische Qualität hervorrufen kann. Weiterhin können höhere Wachstumstemperaturen in InGaAsN-Quantentöpfen effektiv aufrechterhalten werden und können somit zu einem hochwertigen optischen Material führen, wenn auch ein starker Fluß an As verwendet wird. Ein starker As-Fluß kann nichtpaarige Bindungen der Gruppe III eliminieren und auch die physische Bewegung von Bestandteilen verhindern, die für die Ermöglichung einer Phasenabsonderung verantwortlich sind. Es hat sich während des Aufwachsens von stickstoffhaltigen Schichten als vorteilhaft herausgestellt, As-Flüsse mit einem BEP (beam equivalent pressure) von mindestens 1,1e-5 Torr zu verwenden. Bevorzugt wird ein BEP von 2,06e-5 Torr verwendet. Außerdem hat sich herausgestellt, daß die Verwendung von hauptsächlich As4 gegenüber As2 das dreidimensionale Wachstum weiter blockiert.
  • Eine Monoschicht aus Ga ohne As zu ihrer Stabilisierung migriert schnell und flacht die Oberfläche ab. RHEED (reflected high energy electron diffraction) ist eine nützliche Technik, um zu bestimmen, daß eine Oberfläche flach ist. Eine hohe RHEED-Schwingungsamplitude zeigt im allgemeinen an, daß die Oberfläche flach ist. Optimale Bauelementergebnisse sind zu beobachten, wenn ein maximales RHEED-Schwingungssignal mit einer Substrattemperatur von etwa 400°C während des MEE-Prozesses erzielt wird.
  • Ein starker Fluß kann erreicht werden, wenn der Strahldruck von As über 1,1e-5 Torr bevorzugt bei oder über 2,06e-5 Torr gehalten wird. Dies ist viel höher als die BEP-Einstellung, die normalerweise für solche Quantentöpfe verwendet wird. Ein unter diesen Bedingungen erreichter Druck kann eine Phasenabsonderung verhindern und ein Quantentopfwachstum bei höheren Temperaturen ~400°C ermöglichen. Außerdem haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung bestimmt, daß As4 eine vorteilhaftere Arsenquelle sein kann als die häufiger verwendete Form As2 und gleichzeitig die Aufrechterhaltung akzeptabler Flußrichtlinien ermöglicht. As4 sollte anstelle von As2 verwendet werden, um einen hohen As-Druck zu erzielen. Die Spezies von Arsen zu ändern, kann so einfach sein, wie die Cracker-Temperatur zu ändern, wobei man bei einer Cracker-Temperatur von –900°C überwiegend As2 erhält, während unter 650°C überwiegend zu As4 führt.
  • Bei einer Substrattemperatur von ~400°C vorgenommene RHEED-Messungen können verwendet werden, um die Entwicklung des Prozesses zu unterstützen, indem die RHEED-Schwingungsamplitide maximiert wird. Dies führte zu 2 Sekunden Ga bei 0,5 ml/s und 4 Sekunden As, um die Oberfläche wiederherzustellen. Zehn (10) Molekularschichten aus GaAs können zu Beginn jeder Barrierenschicht ohne die Einleitung von Stickstoff verwendet werden, was möglich ist, wenn ein Absperrventil verwendet wird, was die Einleitung von Stickstoff von der Stickstoffquelle vollständig eliminieren kann.
  • Die Trägerrelaxation in typische Quantentöpfe kann erhebliche Zeit benötigen (in der Regel etwa 10 ps, was für einige Anwendungen signifikant sein kann), was dazu führen kann, daß Hochgeschwindigkeitsbauelemente langsamer sind als allgemein wünschenswert. Außerdem ist das Trägerleck an aktiven Quantentopfgebieten vorbei ein vertrautes Problem hinsichtlich der resultierenden Effizienz der meisten Quantentopflichtemitter.
  • Unter Bezugnahme auf 22 ist ein Flußdiagramm gezeigt 2200, das Schritte umreißt, die während der Bauelementherstellung ergriffen werden können, um unter Verwendung von MEE-Verarbeitungstechniken eine Schichtabflachung über ein aktives Gebiet hinweg zu erzielen. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, daß die Schichtabflachung innerhalb eines aktiven Halbleiterlasergebiets eintreten kann durch Abwechseln des Aufwachsens von As und Ga, die hier als ein Beispiel für Material bezeichnet werden, das verwendet werden kann, aber nicht als eine Einschränkung der vorliegenden Erfindung angesehen werden sollten. Die MEE-Verarbeitung beginnt wie gezeigt bei Schritt 2210. Wie im Schritt 2220 gezeigt, wird während der Verarbeitung einer ersten Schicht Gruppe-III-Material wie etwa Ga verwendet. Während dieses Schritts des Prozesses wird eine Einzelschicht eines Gruppe-III-Bestandteils bei Abwesenheit von Stickstoff und solange abgeschieden, bis mindestens eine vorgewählte Zeit, Temperatur oder Schichtdicke erfüllt ist. Als nächstes wird, wie in Schritt 2230 gezeigt, ein Gruppe-V-Material wie etwa As während der Verarbeitung einer zweiten Schicht verwendet. Während dieses Schritts des Prozesses wird eine Einzelschicht aus Gruppe-V-Bestandteil bei Abwesenheit von Stickstoff und solange abgeschieden, bis mindestens eine vorgewählte Zeit, Temperatur oder Schichtdicke erfüllt ist. Wie in Schritt 2240 gezeigt, können die Schritte 2220 und 2230 wiederholt werden, bis mindestens eine vorgewählte Zeit, Temperatur oder Anzahl abwechselnder Schichten erzielt ist. Schließlich kann, wie in Schritt 2250 gezeigt, der Prozeß dann zur nachfolgenden Verarbeitung des aktiven Gebiets/der Schicht übergehen, wie gezeigt, wenn der Prozeß der Schritte 2210–2240 beendet ist.
  • Nicht-Stickstoff-Schritte des MEE-Prozesses können ausgeführt werden durch abwechselndes Öffnen und Schließen von Ga- und As-Verschlüssen, so daß sie nicht beide zur gleichen Zeit offen sind, und so, daß die Zeit, während der der GA-Verschluß offen ist, eine Atomschicht abscheidet. Bei einem Beispiel öffneten die Erfinder der vorliegenden Erfindung abwechselnd 2 Sekunden lang eine 0,5-Monoschicht-pro-Sekunde-Galliumquelle mit der As-Quelle für 4 Sekunden. Während der Zeit, während der die Ga-Quelle ohne As offen war, migrierten die Ga-Atome große Entfernungen, um Stufen zu finden. Dies führte zu einer Abflachung der Oberfläche.
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, daß, wenn der GA-Verschluß geschlossen und der As-Verschluß offen ist, die Oberfläche arsenstabilisiert wird und nach einer Warteperiode sich die Oberfläche noch weiter abflacht. Die Aufwachstemperaturen, As-Dampfdrücke und Haftkoeffizienten können derart sein, daß ein erheblicher Überschuß an As erforderlich ist.
  • Bei stickstoffhaltigen Quantentöpfen, die normalerweise in MBE verwendet werden, ist es jedoch wichtig, jegliche Stickstoffquelle effektiv abschalten zu können, während versucht wird, eine MEE-Struktur aufzuwachsen. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben ein Absperrventil an der in das MBE-System führenden Quellenleitung integriert, um eine vollständige Stickstoffblockierung zu bewerkstelligen. Es hat sich herausgestellt, daß Verschlüsse nur minimal nützlich sind, um den Stickstoff zu unterbrechen.
  • Unter Bezugnahme auf 23 ist ein MBE-System 2300 mit einer Halbleiterwaferverarbeitungskammer 2320 dargestellt. Eine typische Verarbeitungskammer kann einen Port 2323 enthalten, durch den hindurch ein Halbleiterwafer 2305 auf einem Waferhalter 2325 plaziert werden kann. Der Waferhalter kann dann mit dem Wafer in einer optimalen Verarbeitungsposition in der Kammer 2320 über eine Bahn 2327 plaziert werden. Mehrere Quellen 2310 (z.B. Ga, As, Sb, In, P, N usw.) können in die Kammer 2320 führen. Jede Quelle 2310 wird im allgemeinen in der Kammer mit Verschlüssen 2340 gesteuert. Leider ist die Verwendung eines Verschlusses nicht effektiv, wenn es um das Blockieren von Stickstoff 2370 für MEE-Prozesse geht. Deshalb kann ein Absperrventil 2360 in die Stickstoffquellenleitung 2350 geschaltet werden. Das Absperrventil 2360 kann dazu verwendet werden, den Fluß von Stickstoff 2370 in die Kammer 2320 während Nicht-Stickstoff-MEE-Verarbeitungsschritten vollständig abzustellen.
  • Ein vollständiges Abstellen des Stickstoffs kann erreicht werden mit manueller (z.B. durch einen menschlichen Operator), elektromechanischer und/oder Mikroprozessorsteuerung eines Mikroprozessors oder Operators (nicht gezeigt). Ein Mikroprozessor basiertes System 2380 wird üblicherweise mit der Verarbeitungshardware (z.B. Kammer, Verschlüsse, Absperrventile usw.) verwendet zur Ausführung programmierter Verarbeitungsanweisungen (z.B. Softwareprogramme), Sammeln von Meßdaten von Meßwandlern (nicht gezeigt), Bereitstellen und Aufrechterhalten einer Verarbeitungssteuerung, Berichtserstellung und Daten-/Softwarespeicherung.
  • Unter Bezugnahme auf 24 veranschaulicht ein Flußdiagramm 2400 Schritte, die während der Halbleiterlaser-Waferherstellung ergriffen werden können, um ein aktives Gebiet herzustellen und gleichzeitig eine Abflachung von Schichten innerhalb des aktiven Gebiets aufrechtzuerhalten, wodurch Quantentöpfe mit einer höheren Leistung erzeugt werden, als sie bisher bereitgestellt wurden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung herausgefunden, daß eine Schichten abflachung durch abwechselndes Aufwachsen von Materialien der Gruppe III und V eintreten kann. Der Prozeß kann wie bei Block 2410 gezeigt nach der Herstellung einer Einschlußschicht beginnen, die in der Regel dem aktiven Gebiet vorausgeht. Wie im Schritt 2240 gezeigt, mindestens eine stickstofffreie Schicht durch abwechselndes Abscheiden von einzelnen Atomschichten von Bestandteilen der Gruppe III und Gruppe V und bis mindestens eine vorgewählte Zeit, Temperatur oder Anzahl abwechselnder Schichten erreicht ist. Die Verarbeitung für Schritt 2420 kann unter Verwendung der in 22 gezeigten Prozeßschritte durchgeführt werden. Als nächstes kann, wie in Schritt 2430 gezeigt, mindestens eine stickstoffhaltige Schicht auf der stickstofffreien Schicht hergestellt werden, die sich aus Schritt 2420 ergibt. Die in Schritt 2430 hergestellte stickstoffhaltige Schicht führt in der Regel zu einem Quantentopf oder einer Barrierenschicht, die GaAs und eines oder mehrere von Antimon, Indium und Phosphor enthalten kann. Dann können, wie im Schritt 2440 gezeigt, die Schritte 2420 und 2430 wiederholt werden, bis eine vorgewählte Zeit oder eine gewünschte Anzahl abwechselnder Schichten erreicht sind. Nachdem der Prozeß des Herstellens eines aktiven Gebiets beendet ist, was im allgemeinen der Fall ist, nachdem ein Bauelement mit der gewünschten Anzahl von Quantentöpfen sich aus dem Prozeß ergeben hat, kann der Prozeß übergehen zu nachfolgenden Bauelementverarbeitungsschritten, wie im Schritt 2450 gezeigt.
  • Unter Bezugnahme auf 25 wird ein Prozeß 2500 ähnlich dem in 24 gezeigten gezeigt. Die in 24 gezeigten Schritte werden wie in 25 gezeigt geändert, so daß nach der Beendigung der Schritte 2410–2440 im Schritt 2550 eine stickstofffreie Schicht erzeugt ist. Die im Schritt 2550 erzeugte Schicht kann der im Schritt 2420 erzeugten ähnlich sein. Nachdem der Prozeß des Herstellens eines aktiven Gebiets beendet ist, was im allgemeinen der Fall ist, nachdem ein Bauelement mit der gewünschten Anzahl von Quantentöpfen sich aus dem Prozeß ergeben hat, kann der Prozeß übergehen zu nachfolgenden Bauelementverarbeitungsschritten, wie im Schritt 2560 gezeigt. Es sei angemerkt, daß eine Diffusion in den meisten Epi-Prozessen auftritt, so daß etwas Stickstoff in der anfänglich stickstofffreien Schicht enthalten sein wird. Der vielleicht wichtigste Teil der Abflachung besteht darin, daß die Schicht im wesentlichen stickstofffrei ist, wenn sie aufgewachsen wird. Es sei auch darauf hingewiesen, daß andere Abflachungstechniken verwendet werden können, doch ist es bei allen diesen Techniken wichtig, daß zur Abflachung eine stickstofffreie Schicht verwendet wird.
  • Zusätzlich zu der Erzielung einer Schichtabflachung wurde auch entdeckt, daß der/die Formen der Quantentöpfe weiterhin die Fähigkeit der Bauelemente vergrößern kann, Elektronen und Löcher einzufangen, wodurch die Gesamteffizienz des Halbleiterlaserbauelements verbessert wird. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben verbesserte Barrierenschichten- und Quantentopfdesigns entwickelt, die einen Quantentopfträgereinschluß verbessern können. Zudem ermöglichen die verbesserten Designs eine Trägerinjektion bei niedrigeren Energien, was zu einer reduzierten Relaxationszeit führen kann.
  • Wie in 26 gezeigt, bestehen die üblichen, mit aktiven Gebieten in den meisten schnellen optoelektronischen Lichtemittern angetroffenen Probleme in der Elektronenleckstelle 355 und der Lochleckstelle 365. Bei der Elektronenleckstelle 350 migrieren einige in die aktive Schicht eintretende Elektronen „e" im allgemeinen an dem Quantentopf 350 vorbei und rekombinieren außerhalb der Quantentöpfe, so daß die Rekombinationsenergie beim Fördern der Lasertätigkeit unnütz ist. Wie bei dem Elektronenloch können einige sich in dem Bauelement gegenüber dem aktiven Gebiet bewegende „Löcher" dazu tendieren, an dem Quantentopf vorbei zu migrieren und außerhalb der Quantentöpfe 360 zu rekombinieren, was als eine Lochleckstelle bezeichnet werden kann.
  • Beim normalen Betrieb verbreitet im allgemeinen thermische Energie die Population von Elektronen über dem Leitungsband, wo Kollisionen mit Phononen auftreten müssen, damit die Elektronenenergie derart reduziert wird, daß sie in einen Quantentopf fallen kann. Unter Bezugnahme auf 27 kann eine teilweise Reduzierung der Barrierenschichtkante 390 innerhalb des Leitungsbands auf der Eingabeseite des Quantentopfs die Wahrscheinlichkeit erhöhen, daß Elektronen innerhalb des Quantentopfs 350 gefangen und/oder zurückgehalten werden können.
  • Zusätzlich kann nun von der Phononenkollision reduzierte Energie erwartet werden, wodurch die Phononenkollisionszeit reduziert wird, was die Zeit reduziert, die der Träger benötigt, um in den Topf zu relaxieren und das Bauelement schneller zu machen. Einen ähnlichen Vorzug findet man bezüglich Löchern unter der Valenzbandkante, wobei ein Teil der Barrierenschicht 395, der mit der reduzierten Barrierenschichtkante 390 assoziiert ist, erweitert wird, was zu einer verbesserten Barriere zum Einfangen von Löchern führt. Die hier unter Bezugnahme auf 27 beschriebene Ausführungsform modifiziert die Barrierenschichten innerhalb des aktiven Gebiets eines Laserbauelements, was zu dem führt, was als ein zweischichtiges Barrierensystem bezeichnet werden kann.
  • 28 veranschaulicht ein Beispiel für ein Drei-Topf-Bauelement 470, das so verarbeitet werden kann, daß es die in 27 beschriebenen Vorzüge liefert. Bei einem beispielhaften zweischichtigen Barrierensystem kann eine GaAsN-Schicht 475 neben einer GaAs-Schicht 473 aufgewachsen werden, und die kombinierten Schichten können zusammen verbesserte Barrierenschichtfunktionen anstelle einzelner Barrierenschichten ausführen, die normalerweise auf einer der beiden und/oder auf beiden Seiten der Quantentöpfe 477 verwendet werden. GaAs liefert einen eine weitere Lücke aufweisenden Barrierenschichtabschnitt 473 des Barrierenschichtsystems, während GaAsN, das in dem Valenzband einen umgekehrten Offset besitzt, wenn es zunehmenden Stickstoffmengen ausgesetzt wird, für den eine schmalere Energiebandlücke aufweisenden Abschnitt 475 der Barrierenschicht verwendet werden kann. Die Verwendung von GaAsN in dem eine schmalere Lücke aufweisenden Abschnitt 475 kann auch einen umgekehrten Offset in dem Valenzbandoffset verursachen, was die Lochblockierungsfähigkeit von Barrierensektionen 479 erhöht. Schließlich kann InGaAsN beispielsweise als Material zum Entwickeln der Quantentöpfe 477 verwendet werden. Ein mit den oben beschriebenen Materialien entwickeltes System kann ein verbessertes Elektronen- und/oder Locheinfangen sowohl im Leitungs- bzw. als auch Valenzband liefern. Es versteht sich, daß andere Kombinationen von Materialien zur Entwicklung eines Bauelements verwendet werden können, das das Phänomen und Vorzüge wie beschrieben bereitstellt.
  • Unter Bezugnahme auf 29 veranschaulicht das Flußdiagramm 2900 Schritte, die ergriffen werden können, um ein zweischichtiges Barrierensystem wie in 28 gezeigt herzustellen. Der Prozeß des Herstellens eines aktiven Gebiets mit einer mehrkomponentigen Barrierenschicht kann wie in Schritt 2910 gezeigt beginnen. Wie in Schritt 2920 gezeigt, kann mindestens eine stickstofffreie Schicht erzeugt werden durch abwechselndes Abscheiden einzelner Atomschichten aus Bestandteilen der Gruppe III und Gruppe V bei Abwesenheit von Stickstoff und bis mindestens eine vorgewählte Zeit, Temperatur und/oder Anzahl abwechselnder Schichten erreicht ist. Dann kann, wie im Schritt 2930 gezeigt, mindestens eine stickstoffhaltige Schicht auf der stickstofffreien Schicht erzeugt werden. Die gleichen Materialien und Prozeß beschrieben und gezeigt in Schritt 2920 können mit Stickstoff kombiniert werden, um im Schritt 2930 die Schicht herzustellen. Wie in Schritt 2940 gezeigt, kann ein Quantentopf hergestellt werden. Der Quantentopf kann auch Stickstoff enthalten. Wie in Schritt 2950 gezeigt, kann eine Entscheidung erfolgen, die Schritte 2920–2940 zu wiederholen, wenn für das aktive Gebiet mehr Quantentöpfe gewünscht werden. Nachdem eine gewünschte Anzahl von Töpfen erzeugt worden sind, kann der Prozeß wie in Schritt 2960 enden durch Erzeugen mindestens einer stickstofffreien Schicht durch abwechselndes Abscheiden einzelner Atomschichten aus Bestandteilen der Gruppe III und Gruppe V bei Abwesenheit von Stickstoff und bis mindestens eine vorgewählte Zeit, Temperatur oder Anzahl abwechselnder Schichten erreicht ist.
  • Unter Bezugnahme auf 30 wird eine weitere Ausführungsform zum Bereitstellen eines mehrschichtigen Barrierensystems dargestellt. Wie in 30 gezeigt kann ein halbleitendes Laserbauelement 480 ein dreischichtiges Barrierensystem enthalten, das GaAsN-Schichten 485 verwendet, die direkt auf beiden Seiten der Quantentöpfe 487 eingesetzt oder angeordnet sind, und weiterhin mit einer zwischen GaAsN-Schichten 485 eingesetzten GaAs-Schicht 483. 30 zeigt außerdem eine Definition eines Quantentopfs infolge der Barrierenschichtkonfiguration. Eine Einstellung an Barrierensektoren 489, die mit stickstoffhaltigen Barrierenschichtsektionen assoziiert sind, ist gezeigt. Es besteht weiterhin ein adäquater Locheinschluß mit einem dreischichtigen Systemdesign.
  • Unter Bezugnahme auf 31 wird ein mehrschichtiges Barrierensystem 490 mit mehr als einem Quantentopf 487 dargestellt. Das Mehr-Quantentopf-Bauelement ist ähnlich zu dem in 30 gezeigten Bauelement konfiguriert. Auch in 31 gezeigt und durch gestrichelte Linien dargestellt sind Umrißlinien 493 der Schichten, die mit den zweischichtigen und dreischichtigen Komponenten assoziiert sind, die ein mehrschichtiges Barrierensystem bilden können.
  • Unter Bezugnahme auf 32 veranschaulicht ein Flußdiagramm 3200 die mit dem Herstellen von Mehrkomponentenbarrierenschichten assoziierten Prozeßschritte. Der Prozeß kann wie im Schritt 3210 gezeigt beginnen. Bei Schritt 3220 kann mindestens eine stickstofffreie Schicht erzeugt werden durch abwechselndes Abscheiden einzelner Atomschichten aus Bestandteilen der Gruppe III und Gruppe V bei Abwesenheit von Stickstoff und bis mindestens eine vorgewählte Zeit, Temperatur oder Anzahl von abwechselnden Schichten erreicht ist. Dann kann, wie in 3230 gezeigt, mindestens eine stickstoffhaltige Schicht auf der stickstofffreien Schicht erzeugt werden. Die gleichen Materialien und Prozeß beschrieben und gezeigt in Schritt 3220 können mit Stickstoff kombiniert werden, um im Schritt 3230 die Schicht herzustellen. Wie in Schritt 3240 gezeigt, kann dann ein Quantentopf hergestellt werden. Der Quantentopf kann auch Stickstoff enthalten. Wie in Schritt 3250 gezeigt, kann mindestens eine stickstoffhaltige Schicht fakultativ auf einer in Schritt 3240 bereitgestellten Quantentopfschicht erzeugt werden. Dies liefert den mit Schicht 485 in 30 gezeigten Effekt. Wie im Schritt 3260 gezeigt, kann eine Entscheidung getroffen werden, die Schritte 3220–3250 zu wiederholen, wo möglicherweise mehr Quantentöpfe für das verarbeitete jeweilige aktive Gebiet erwünscht werden. Nachdem eine gewünschte Anzahl an Töpfen erzeugt worden sind, kann der Prozeß wie im Schritt 3270 gezeigt enden.
  • Zusätzlich zu der Reduzierung der Trägerleckstellen und den verbesserten Geschwindigkeitsvorzügen, die mit dem neuen zwei- und dreischichtigen Barrierensystemdesign erfahren werden können, versteht sich, daß man mit der Verwendung von GaAsN in Barrierenschichten auch eine Verspannungskompensation erhalten kann. Selbst wenn ein derartiges Design nur innerhalb des Leitungsbands implementiert war, was für Leckstellen- und Geschwindigkeitsmängel notorisch ist, sollte außerdem der Betrieb des Bauelements durch Realisierung der meisten der erörterten Vorzüge verbessert werden. Es versteht sich außerdem, daß MEE während der Entwicklung eines ein zweischichtiges Barrierensystem enthaltenden Bauelements verwendet werden kann. Zudem ist zu verstehen, daß, obwohl das hier beschriebene Barrierenschichtdesign den Elektroneneinfang für Halbleiterlaser mit Wellenlängen über 1200 nm erhöhen kann, sich ein solches Design auch für Halbleiterlaser unter dem 1200 nm-Bereich (z.B. wie etwa 850 nm-VCSELs) oder andere lichtemittierende Bauelemente wie LEDs eignen kann.
  • Unter Bezugnahme auf 33 wird nun ein Bauelement 500 beschrieben, das eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, die die Verwendung von AlGaAs-einschließenden Schichten 520 in Bauelementen ermöglicht, wo aktive Gebiete 510 Stickstoff enthalten. Aktive Gebiete 510 in lichtemittierenden Bauelementen, die Stickstoff enthalten, wie etwa InGaAsNSb oder InGaAsN, sind unter Verwendung von AlGaAs-einschließenden Schichten 520 nicht erfolgreich hergestellt worden. Das Problem bei solchen Bauelementen besteht darin, daß die Al-Stickstoff-Paarung tiefe Haftstellen erzeugen kann, ein Phänomen, das die strahlungslose Rekombination erhöht. Wie oben bezüglich MEE und 23 beschrieben, kann ein Bauelement entwickelt und verwendet werden, das Al und Stickstoff verwendet, indem eine positive Abschaltung (Absperrventil) an Stickstoffquellen verwendet wird, die in das Verarbeitungsgerät führen, und indem der Beginn der einschließenden Schichten außerhalb des stickstoffhaltigen Gebiets plaziert wird und die beiden Bereiche durch eine äußere oder erweiterte Barrierenschicht 530 getrennt werden, die aus GaAs ausgebildet ist. Weil die optimale Temperatur für das Aufwachsen von AlGaAs viel höher ist als für die Stickstoff oder Sb enthaltenden Quantentöpfe, erfolgt eine Wachstumsunterbrechung, um Zeit für die Temperaturänderung zu gestatten, optimalerweise während des Aufwachsens der erweiterten Barrierenschicht.
  • Wie mit MEE kann ein Absperrventil oder eine beliebige andere positive Absperrung verwendet werden, um die Einleitung des Stickstoffs in die Kammer mit Al während Bauelementverarbeitungsprozeduren unter Verwendung von MBE oder anderen Verabreitungstechniken wie etwa MOCVD vollständig zu verhindern.
  • Die Einführung einer „erweiterten Barrierenschicht" 530 unmittelbar außerhalb des aktiven Gebiets, das kein Al oder Stickstoff enthält, sollte aufgewachsen werden, um die Diffusion von Stickstoff während des nachfolgenden Aufwachsens oder der nachfolgenden Verarbeitung zu kompensieren. Es sollte nicht zugelassen werden, daß der Stickstoff in die Al-haltigen Schichten diffundiert. SIMS (Sekundärionenmassenspektroskopie) liefert ein zweckmäßiges Verfahren, um zu bestimmen, wie weit der Stickstoff diffundiert.
  • Unter Bezugnahme auf 34 wird ein Flußdiagramm gezeigt, das Prozeßschritte veranschaulicht zum Erzeugen eines Bauelements mit erweiterten Barrierenschichten zwischen Al-haltigen Schichten. Der Prozeß der Entwicklung eines Halbleiterlasers, der einschließende Bereiche enthält, die Aluminium enthalten, außerhalb stickstoffhaltiger aktiver Gebiete angeordnet, beginnt bei Block 3440. In Schritt 3420 wird ein erster Einschlußbereich, der Al enthält, vor der Ausbildung eines aktiven Gebiets ausgebildet. Als nächstes wird bei Schritt 3430 eine erste stickstofffreie äußere Barrierenschicht ausgebildet. Die stickstofffreie äußere Barrierenschicht kann als entweder mit dem Einschlußbereich oder aktiven Gebiet assoziiert oder unassoziiert angesehen werden, während der Vorzug ihrer Al-N-Barrierenfunktion aufrechterhalten wird. Wie in Schritt 3440 gezeigt, kann ein stickstoffhaltiges aktives Gebiet, das mindestens einen Quantentopf und mindestens zwei mit dem mindestens einen Quantentopf assoziierte Barrierenschichten enthält, ausgebildet werden. Nach der Erzeugung des aktiven Gebiets im Schritt 3440 kann eine zweite stickstofffreie äußere Barrierenschicht ausgebildet werden, wie in Schritt 3450 gezeigt. Als nächstes kann bei Schritt 3460 der zweite Al-enthaltende einschließende Bereich außerhalb des aktiven Gebiets ausgebildet werden, aber nach der im Schritt 3450 ausgebildeten stickstofffreien äußeren Barriere. Die Bauelementherstellung und die Abschlußschritte können dann fortgesetzt werden 3470.
  • Unter Bezugnahme auf 35 wird ein durch eine erweiterte Barriere verbessertes Bauelement 500 mit dem Stickstoffprofil, der Zeichnung der Leitungsbandkante und dem Indium gezeigt. Das Diagramm ist eine gute Darstellung des Verhaltens eines Bauelements wie etwa des in 33 dargestellten Bauelements, dem Diagramm überlagert gezeigt. Das AlGaAs-Material überlappt nicht das Stickstoffprofil, außer dort, wo es sich auf dem Hintergrundniveau des SIMs-Instruments befindet. Bei eigentlichen Bauelementen wurde ein Abstand zwischen Materialien, die absichtlich Stickstoff und Al enthalten, zwischen 128 und 200 A verwendet.
  • Durch Befolgen der Lehren der vorliegenden Erfindung kann somit ein 1,3 Mikron-Wellenlänge-VCSEL unter Verwendung von Quantentöpfen aus InGaAsN oder anderen Halbleiterverbindungen mit Galliumarsenid oder mechanischen GaAsN-Stabilisierungsschichten hergestellt werden, damit die Halbleiterschichten dünn genug gehalten werden, um die mechanische Verspannung aufrechtzuerhalten und gleichzeitig übliche AlGaAs-Spiegelstrukturen zu verwenden.
  • Die Ausführungsform und Beispiele, die hier dargelegt sind, werden vorgelegt, um die vorliegende Erfindung und ihre praktische Anwendung am besten zu erläutern und es dem Fachmann dadurch zu ermöglichen, die Erfindung herzustellen und zu nutzen. Der Fachmann erkennt jedoch, daß die vorausgegangene Beschreibung und die vorausgegangenen Beispiele lediglich zum Zweck der Veranschaulichung und als Beispiel vorgelegt worden sind. Weitere Variationen und Modifikationen der vorliegenden Erfindung ergeben sich dem Fachmann, und es ist die Absicht der beigefügten Ansprüche, daß solche Variationen und Modifikationen abgedeckt sind. Die Beschreibung, wie sie dargelegt ist, soll nicht erschöpfend sein oder den Schutzbereich der Erfindung beschränken. Angesichts der obigen Lehre sind viele Modifikationen und Variationen möglich, ohne von dem Schutzbereich der folgenden Ansprüche abzuweichen. Es wird in Betracht gezogen, daß die Verwendung der vorliegenden Erfindung Komponenten mit unterschiedlichen Charakteristiken beinhalten kann. Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung soll durch die hier angefügten Ansprüche definiert werden, wodurch Äquivalente in jeder Hinsicht umfassend bekannt werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Verfahren und Systeme, die abflachende Schichten erzeugen, die mit stickstoffhaltigen Quantentöpfen assoziiert sind, und zum Verhindern eines 3-D-Aufwachsens von stickstoffhaltigen Schichten unter Verwendung starker As-Flüsse. MEE (Migration-Enhanced-Epitaxie) wird verwendet zum Abflachen von Schichten und Verbessern der Glattheft von Quantentopfgrenzflächen und zum Erreichen einer Verengung des Spektrums von von stickstoffhaltigen Quantentöpfen emittiertem Licht. MEE wird ausgeführt durch abwechselndes Abscheiden einzelner Atomschichten der Gruppe III und V vor, und/oder nach und/oder zwischen Quantentöpfen. Wenn GaAs verwendet wird, kann der Prozeß bewerkstelligt werden durch abwechselndes Öffnen und Schließen von Ga- und As-Verschlüssen in einem MEE-System, wobei gleichzeitig verhindert wird, daß beide zur gleichen Zeit offen sind. Wenn Stickstoff verwendet wird, enthält das System ein mechanisches Mittel, um zu verhindern, daß Stickstoff in die MEE-Verarbeitungskammer eintritt, wie etwa ein Absperrventil. Das Absperrventil gestattet das vollständige Abschalten der Stickstoffquelle von der Kammer während Nicht-Stickstoff-Verarbeitungsschritten, um die hier beschriebenen abflachenden Schichten zu erzielen. In mindestens stickstoffhaltigen Schichten wird dreidimensionales Aufwachsen auch durch die Verwendung starker Arsenströme reduziert und durch die Verwendung von im wesentlichen As4 als Hauptbestandteil des Arsenstroms.
    24

Claims (40)

  1. Verfahren zum Entwickeln eines stickstoffhaltigen aktiven Gebiets, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: – Aufwachsen mindestens einer stickstofffreien Schicht durch abwechselndes Abscheiden einzelner Atomschichten aus Bestandteilen der Gruppe III und Bestandteilen der Gruppe V ohne Anwesenheit von Stickstoff, wobei die mindestens eine stickstofffreie Schicht im wesentlichen flach ist und sich eignet für das Aufwachsen von Schichten aus stickstoffhaltigem Halbleitermaterial; und – Aufwachsen mindestens einer stickstoffhaltigen Schicht auf oder bei der stickstofffreien Schicht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bestandteile der Gruppe III und Gruppe V Ga und As enthalten.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die stickstoffhaltigen Schichten mindestens einen Quantentopf umfassen.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, weiterhin mit dem Schritt des Bereitstellens eines Arsen-BEP (beam equivalent pressure) über etwa 1,1e-5 Torr während des Aufwachsens der stickstoffhaltigen Schichten.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, weiterhin mit dem Schritt des Bereitstellens eines Arsen-BEP (beam equivalent pressure) über etwa 1,64e-5 Torr während des Aufwachsens der stickstoffhaltigen Schichten.
  6. Verfahren nach Anspruch 3, wobei ein Arsenfluß während des Aufwachsens der stickstoffhaltigen Schichten erzeugt wird und vorwiegend As4 umfaßt.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die stickstoffhaltigen Schichten mehrere Barrierenschichten umfassen.
  8. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die stickstoffhaltigen Schichten mehrere Barrierenschichten umfassen.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, weiterhin mit dem Schritt des Bereitstellens eines Arsen-BEP (beam equivalent pressure) über etwa 1,1e-5 Torr während des Aufwachsens der stickstoffhaltigen Schichten.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, weiterhin mit dem Schritt des Bereitstellens eines Arsen-BEP (beam equivalent pressure) über etwa 1,64e-5 Torr während des Aufwachsens der stickstoffhaltigen Schichten.
  11. Verfahren nach Anspruch 7, wobei ein Arsenfluß während des Aufwachsens der stickstoffhaltigen Schichten erzeugt wird und vorwiegend As4 umfaßt.
  12. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die stickstofffreien Schichten die mehreren Barrierenschichten umfassen.
  13. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der mindestens eine Quantentopf GaAS, N und mindestens eines von In, Sb und P enthält.
  14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Barrierenschicht GaAs und mindestens eines von In, Sb und P enthält.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der mindestens eine Quantentopf GaAs und mindestens eines von In, Sb und P enthält.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der mindestens eine Quantentopf N enthält.
  17. Verfahren zum Verarbeiten von stickstoffhaltigen aktiven Gebieten, die mit einem Halbleiterlaser assoziiert sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: – Bereitstellen eines GaAs-Substrats; – Entwickeln eines ersten einschließenden Gebiets mit Spiegelschichten über dem Substrat; – Entwickeln eines aktiven Gebiets, das stickstoffhaltige Schichten enthält, die mit stickstofffreien Schichten vermischt sind, über dem ersten einschließenden Gebiet, wobei die stickstoffhaltigen Schichten und die stickstofffreien Schichten mit mindestens einem Quantentopf oder mindestens einer Barrierenschicht assoziiert sind, wobei das Entwickeln eines aktiven Gebiets weiterhin das Aufwachsen mindestens einer stickstofffreien Schicht durch abwechselndes Abscheiden einzelner Atomschichten aus Bestandteilen der Gruppe III und Bestandteilen der Gruppe V bei Abwesenheit von Stickstoff und das Aufwachsen mindestens einer stickstoffhaltigen Schicht auf der mindestens einen stickstofffreien Schicht umfaßt; und – Entwickeln eines zweiten einschließenden Gebiets mit Spiegelschichten über dem aktiven Gebiet; – wobei der Schritt des abwechselnden Abscheidens einzelner Atomschichten aus Bestandteilen der Gruppe III und Gruppe V eine stickstofffreie Schicht liefert, die im wesentlichen flach ist und sich als Basis zum Aufwachsen mindestens einer stickstoffhaltigen Schicht eignet.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Bestandteile der Gruppe III und Gruppe V Ga und As umfassen.
  19. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die mindestens eine stickstoffhaltige Schicht ein Quantentopf ist.
  20. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die mindestens eine stickstoffhaltige Schicht eine Barrierenschicht ist.
  21. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die mindestens eine stickstofffreie Schicht ein Quantentopf ist.
  22. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die mindestens eine stickstofffreie Schicht eine Barrierenschicht ist.
  23. Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Quantentopf GaAs und mindestens eines von In, Sb und P umfaßt.
  24. Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Barrierenschicht Gags und mindestens eines von In, Sb und P umfaßt.
  25. Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Barrierenschicht GaAs und mindestens eines von In, Sb und P umfaßt.
  26. Verfahren nach Anspruch 21, wobei der Quantentopf GaAs und mindestens eines von In, Sb und P umfaßt.
  27. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des abwechselnden Abscheidens einzelner Schichten aus Bestandteilen der Gruppe III und Gruppe V wiederholt wird, bis mindestens eine vorgewählte Zeit, Temperatur oder Anzahl abwechselnder Schichten erreicht ist.
  28. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des abwechselnden Abscheidens einzelner Schichten aus Bestandteilen der Gruppe III und Gruppe V durchgeführt wird durch abwechselndes Öffnen und Schließen von Ga- und As-Verschlüssen, die assoziiert sind mit einem Herstellungssystem, das in dem Verfahren verwendet wird, so daß der Ga- und As-Verschluß nicht beide zur gleichen Zeit offen sind.
  29. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des Entwickelns eines aktiven Gebiets, der weiterhin das Aufwachsen mindestens einer stickstofffreien Schicht durch abwechselndes Abscheiden einzelner Atomschichten aus Bestandteilen der Gruppe III und Bestandteilen der Gruppe V in Abwesenheit von Stickstoff umfaßt, dem Schritt des Blockierens jeder mit einem für das Verfahren verwendeten Herstellungssystem assoziierten Stickstoffquelle umfaßt.
  30. Verfahren nach Anspruch 29, wobei das Blockieren jeder mit dem Herstellungssystem assoziierten Stickstoffquelle durchgeführt wird durch Verwenden eines Absperrventils, das entlang einer in das System führenden Stickstoffquellenleitung durchgeführt wird.
  31. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des abwechselnden Abscheidens einzelner Schichten aus Bestandteilen der Gruppe III und Gruppe V durchgeführt wird durch abwechselndes Öffnen und Schließen von Ga- und As-Verschlüssen, die assoziiert sind mit einem Herstellungssystem, das in dem Verfahren verwendet wird, so daß der Ga- und As-Verschluß nicht beide zur gleichen Zeit offen sind.
  32. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des Entwickelns eines aktiven Gebiets, der weiterhin das Aufwachsen mindestens einer stickstofffreien Schicht durch abwechselndes Abscheiden einzelner Atomschichten aus Bestandteilen der Gruppe III und Bestandteilen der Gruppe V in Abwesenheit von Stickstoff umfaßt, den Schritt des Blockierens jeder mit einem für das Verfahren verwendeten Herstellungssystem assoziierten Stickstoffquelle umfaßt.
  33. Verfahren nach Anspruch 32, wobei das Blockieren jeder mit dem Herstellungssystem assoziierten Stickstoffquelle durchgeführt wird durch Verwenden eines Absperrventils, das entlang einer in das System führenden Stickstoffquellenleitung durchgeführt wird.
  34. System zum Entwickeln eines aktiven stickstoffhaltigen Gebiets, umfassend: – eine Halbleiterwaferverarbeitungskammer; – mehr als eine an die Halbleiterwaferverarbeitungskammer gekoppelten Materialquellenleitung, wobei die mehr als eine Materialquellenleitung Halbleiterverarbeitungsmaterial in die Halbleiterwaferverarbeitungskammer führen, wobei das Halbleitermaterial Bestandteile der Gruppe III und Gruppe V enthält; – mindestens einen Verschluß, der mit jedem der mehr als einer Materialquellenleitungen assoziiert ist und innerhalb der Halbleiterwaferverarbeitungskammer liegt; – eine an die Halbleiterwaferverarbeitungskammer gekoppelte Stickstoffquellenleitung, wobei die Stickstoffquellenleitung bestimmt ist zum Liefern von Stickstoff in die Halbleiterwaferverarbeitungskammer; und – ein an der Stickstoffquellenleitung angeordnetes Absperrventil, wobei das Absperrventil dazu bestimmt ist, den Eintritt von Stickstoff in die Halbleiterwaferverarbeitungskammer zu blockieren, wenn es in eine geschlossene Position gestellt ist; – wobei mindestens eine stickstofffreie Schicht innerhalb der Halbleiterwaferverarbeitungskammer aufgewachsen werden kann durch Betätigen des mindestens einen mit jeder der mehr als einen Materialquellenleitung assoziierten Verschlusses zum abwechselnden Abscheiden einzelner Atomschichten aus Bestandteilen der Gruppe III und Gruppe V bei Einsatz des Absperrventils.
  35. System nach Anspruch 34, wobei die Materialquellenleitungen Ga, As, In, Sb, P und Al liefern.
  36. System nach Anspruch 34, das ein Molekularstrahlepitaxyverarbeitungssystem umfaßt.
  37. System nach Anspruch 34, das ein MOCVD-Verarbeitungssystem umfaßt.
  38. System nach Anspruch 34, das ein metallorganisches Dampfphasenepitaxyverarbeitungssystem umfaßt.
  39. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die stickstofffreien Schichten mindestens einen Quantentopf umfassen.
  40. Verfahren zum Entwickeln eines aktiven Gebiets für einen stickstoffhaltigen Halbleiterlaser, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: – Aufwachsen mindestens einer stickstofffreien Schicht, wobei die stickstofffreie Schicht bei Abwesenheit von Stickstoff im wesentlichen entlang ihrer Oberfläche bleibt; und – Aufwachsen mindestens einer stickstoffhaltigen Schicht auf oder bei der stickstofffreien Schicht; – wobei das aktive Gebiet Schichten aus stickstoffhaltigen Schichten enthält, die mit stickstofffreien Schichten vermischt sind, wobei die stickstoffhaltigen Schichten und die stickstofffreien Schichten mit mindestens einem Quantentopf oder mindestens einer Barrierenschicht assoziiert sind und wobei der Schritt des Aufwachsens mindestens einer stickstofffreien Schicht mindestens eine Halbleiterschicht liefert, die im wesentlichen flach ist und sich als Basis zum Aufwachsen mindestens einer stickstoffhaltigen Halbleiterschicht eignet.
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