DE2450162C3 - Doppelheterostruktur-Laserdiode und Verfahren zur Herstellung derselben - Google Patents

Doppelheterostruktur-Laserdiode und Verfahren zur Herstellung derselben

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Description

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Die Erfindung betrifft eine Doppelheterostruktur-Laserdiode mit einem Halbleiterkörper aus einem Substrat und einer darauf epitaktisch abgeschiedenen ersten Schicht aus Halbleitermaterial mit verhältnismäßig großem Bandabstand, die das Substrat bedeckt, mit einer zweiten Schicht aus Halbleitermateria! mit kleinerem Bandabstand und einer darauf abgeschiedenen dritten Schicht aus Halbleitermaterial mit großem Bandabstand, wobei die zweite und dritte Schicht sich nur über einen Teil der ersten Schicht erstrecken und an einen einheitlichen Halbleiterbereich anschließen, der den übrigen Teil der ersten Schicht bedeckt, wobei der Halbleiterkörper zwei Zonen verschiedenen Leitfähigkeitstyps und einen dazwischenliegenden PN-Übergang aufweist, sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben.
Aus der DE-OS 2137 892 ist eine derartige Doppelheterostruktur-Laserdiode bekannt Dabei soll die Einkopplung von Lichtenergie aus einem Halbleiterlaser in einen Lichtleiter verbessert werden, wobei das Problem auftaucht, daß aufgrund des bekannten Aufbaus eines Halbleiterlasers bei der Einkopplung von Lichtenergie in eine Lichtleitfaser im allgemeinen große Verluste auftreten, die sich auf eine Modenfehlanpassung zwischen Laser und Faser zurückführen lassen. Um die bei bekannten Halbleiterlasern erforderliche hohe Schwellenstromdichte herabzusetzen, die weitere Nachteile mit sich zieht wie beispielsweise das Entstehen von relativ großen Wärmemengen, wird gemäß diesem bekannten Vorschlag vorgeschlagen, daß mindestens eine der im geringen Abstand von der lichtemittierenden aktiven Zone liegenden Schichten isolierende Bereiche und/oder durch Sperrschichten voneinander getrennte entgegengesetzt dotierte halbleitende Bereiche vorgesehen sind, die derart ausgebildet werden, daß ein in Durchlaßrichtung der Diode fließender Strom auf schmale zwischen den isolierenden Bereichen oder den Sperrschichten hindurchführende Strompfade zusammengedrängt wird.
Zur Verringerung der wirksamen Austrittsfäche in der Art, daß sich die aktive Zone nicht über die gesamte Breite des Halbleiterlasers erstreckt, wird ein Halbleiterlaser verwendet, der zunächst aus einer obenliegenden η-Schicht und einer darunterliegenden p-Schicht besteht. Auf die Oberfläche der η-Schicht wird zunächst eine Maske beispielsweise S1O2 aufgebracht, die im wesentlichen den seitlichen Begrenzungen der Zone entspricht, durch die der Strom hindurchgeführt werden soll. Durch die nicht bedeckten Teile der Oberfläche werden daraufhin Substanzen eindiffundiert, die in den darunterliegenden Teilen der η-Schicht eine p-Leitfähigkeit erzeugen.
Da jedoch auch eine geringe Diffusion bei der Abdeckung von der Seite her erfolgt, lassen sich die Stromkanäle nicht genau mit den gewünschten Abmessungen entsprechend denjenigen der Abdeckung herstellen. Bei einer Massenproduktion führt dies jedoch zu starken Schwankungen der einzelnen Produkte untereinander, so daß dieses bekannte Herstellungsverfahren vergleichsweise wenig vorteilhaft ist.
Wird die Diode dann in Durchlaßrichtung vorgespannt, so sind die neu entstandenen pn-Übergänge gesperrt und der Strom kann nur durch den schmalen η-Kanal hindurch gelangen. Die dadurch erreichte hohe Stromdichte bewirkt auch bei bereits geringen Ansteuerströme.n ein Auftreten von Laserstrahlung, wobei jedoch weder Licht noch die Ladungsträger in Längsund Querrichtung des Halbleiterlasers begrenzt bzw. gesperrt Werden können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform besteht der Halbleiterlaser aus einer Heterostrukturdiode, die zunächst aus einem Substrat aus GaAs besteht, auf dem dann das Aufwachsen mehrerer verschiedener Schichten erfolgt
Zur Herstellung der seitlichen Bereiche, von denen mindestens der eine isoliert sein muß, wird auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers ebenfalls eine Maske aufgebracht, die den seitlichen Begrenzungen der stromführenden Bereiche entspricht Die njcht abgedeckten Oberflächenteile werden durch ein Ätzverfahren abgetragen, wobei die Tiefe der so gewonnenen Rinnen beliebig sein kann und sich bis in das Substrat erstrecken kann. Das Abtragen von Material wird bei dieser bekannten Laserdiode immer von zwei Seiten her durchgeführt, wobei der Abstand der Abtragstellen zueinander im wesentlichen der Breite der aktiven Zone entsprechen muß.
Die dabei erhaltenen Rinnen werden mit einer Schutzschicht die vorzugsweise hochohmig ist und mit einer weiteren Schicht aufgefüllt Als isolierende Substanzen werden Materialien verwende'., die einen kleineren Brechungsindex aufweisen als z. B. die aktive Zone, wodurch eine seitliche Wellenführung der Laserstrahlen infolge von Totalreflexion in der aktiven Zone möglich wird.
Es ergibt sich somit daß bei der Herstellung eines Halbleiterkörpers entsprechend der letzteren Ausführungsform, die Steuerung der Breite der aktiven Zone nur sehr schwierig möglich ist
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Doppelheterostruktur-Laserdiode der eingangs definierten Art derart weiter zu verbessern, daß sie einen weit erniedrigten Schwellenstrom besitzt, wobei gleichzeitig Licht- und Ladungsträger in Längs- und Querrichtung der Laserdiode bzw. in zwei Dimensionen begrenzt bzw. gesperrt werden sollen und ferner ein vereinfachtes Verfahren zur Herstellung der genannten Laserdiode anzugeben.
Ausgehend von der Doppelheterostruktur-Laserdiode der eingangs definierten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der einheitliche Halbleiterbereich aus Halbleitermaterial mit großem Bandabstand besteht, daß die Zone des einen Leitfähigkeitstyps das Substrat und den Hauptteil der ersten bis dritten epitaktischen Schichten umfaßt, und daß die Zone des anderen Leitfähigkeitstyps den seitlich an die epitaktischen Schichten anschließenden einheitlichen Halbleiterbereich und den an diesen Halbleiterbereich unmittelbar anschließenden Teil der ersten bis dritten Schichten umfaßt.
Das Verfahren zur Herstellung der Laserdiode mit den zuvor angegebenen Merkmalen ist dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Substrat eines bestimmten Leitfähigkeitstyps drei Schichten des gleichen Leitfähigkeitstyps und eine Schicht des anderen Leitfähigkeitstyps epitaktisch ausgebildet werden und daß man die Halbleiterschichten bis zur ersten epitaktischen Halbleiterschicht selektiv wegätzt und den weggeätzten Abschnitt mit einer weiteren Schicht ausfüllt, daß der weggeätzte Abschnitt mit einem dotierten Halbleitermaterial des anderen Leitfähigkeits^ typs ausgefüllt wird, und dann ein art das dotierte Halbleitermaterial unmittelbar anschließender Teil der epitaktischen Halbleiterschichten in den Leitfähigkeits· typ des dotierten Halbleitermaterials durch Eindiffundieren geeigneter Dotierungsstofe aus dem einheitlichen Halbleiterbereich in die epitaktischen Schichten umgewandelt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren besteht ein hervorspringender Vorteil gegenüber dem Bekannten darin, daß das noch nicht fertiggestellte, aus den verschiedenen Schichten aufgebaute Halbleiterelement nur an einer einzigen Stelle selektiv geätzt werden braucht und das den weggeätzten Abschnitt auffüllendt Material nur an einer einzigen Stelle epitaktisch gezüchtet werden braucht, was eine zeitliche Verkürzung des gesamten Herstellungsverfahrens bedingt aber auch entscheidende zur genauen Dimensionierung des für die Laserlichterzeugung maßgebenden Halbleiterspaltes in der Laserdiode beiträgt.
Beim Gegenstand der Erfindung läßt sich weiter die Breite der aktiven Zone beispielsweise durch die Dauer der Hitzebehandlung sehr genau einstellen, so daß man bei einer Massenproduktion Produkte mit genau übereinstimmenden Eigenschaften erhält
Weiter ist bei einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Laserdio'':: die Wärmevertei- !ung im Inneren der Diode sehr vie1 gleichmäßiger b?«/ die Wärmeabfuhr erfolgt aufgrund der massiven Konstruktion sehr viel besser als vergleichsweise bei dem bekannten Halbleiterelement bei welchem die in der aktiven Zone entwickelte Wärme keinen guten bzw. allseitigen Ableitweg findet.
Besonders zweckmäßige Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Laserdiode ergeben sich aus den Ansprüchen 2 und 3.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Hinweis auf die Zeichnungen häher erläutert. Es zeigen
Fig. la bis Id Querschnitte, die die Schrittfolge des Verfahrens gemäß der Erfindung zur Herstellung eines Halbleiterlasers veranschaulichen und
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines nach den in den F i g. 1 erläuterten Verfahrensschritten hergestellten Halbleiterlasers.
Aus Fig. la geht hervor, daß eine erste Halbleiterschicht 32 aus N-leitfäliigem Galliumaluminiumarsenid (Oai- *AI,As mit χ kleiner 1 und größer 0 durch epitaxiales Wachstum aus der flüssigen Ph -.e auf einer der einander gegenüberliegenden Hauptflächen eines Halbleitersubstrats 30 aus N-leitfähigem Galliumarsenid (GaAs) aufwachsen gelassen wutde. Dann sind auf die Halbleiterschicht 32 in der angegebenen Reihenfolge nacheinander durch epitaxiales Wachstum aus der flüssigen Phase eine zweite Halbleiterschicht 34 aus N-Ieitfähigem Galliumarsenid (GaAs), eine dritte Halbleiterschicht 36 aus N-Ieitfähigem Gai-rALAs und eine vierte Halbleiterschicht 38 aus P-leitfähigem Gai - ,AI1As aufwachsen gelassen worden. Das verwendete Galliumaluminiumarsenid (Gai-jAUAs) besaß einen Aluminiumgehalt von etwa * = 0,3 entsprechend der Formel Gi, .,AUAs. Das Galliumarsenid und Galliumaluminiumarsenid enthielten ihre eigenen Verunreinigungen, deren Konzentration 4 ■ IO18 Atome pro cm3 entsprach.
Dann ist, wi·. Fig. Ib zeigt, auf der freiliegenden Fläche d;r P-leitfähigen Halbleiterschicht 38 selektiv ein Siliziumdioxid-(SiO2-)Film 40 abgelagert, Der nicht mit dem Siliziumdioxidfilm 40 bedeckte Teil der vierten Halbleiterschicht 38 wird mit einem Ätzmittel, z. B. einem Schwefelsäuresystem, zusammen mit den unter dem wegzuätzenden Teil der obersten Schicht 38 liegenden Teilen der Halbleiterschichten 36 und 34 weggeätzt, bis der von dem weggeätzten Teil der Schicht 34 überdeckte Teil der Halbleiterschicht 32
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if;
teilweise an- bzw. weggeätzt worden ist. Der weggeätzte Teil der Halbleiterschichten ist mit 42 bezeichnet.
Sämtliche beim epitaxialen Wachstum der Schichten 32 bis 38 verwendeten Schmelzen können zum Wegätzen des Bereichs 42 verwendet werden. Dann wird ein mit 1 · 1019 Zinkatomen pro cm3 verunreinigtes, P-Ieitfähiges Galliumaluminiumarsenid (Gai - ,AI1As) auf der freiliegenden Oberfläche der Halbleiterschicht 32 epitaxial wachsen gelassen, bis die nun gewachsene Schicht vollständig den entfernten Bereich 42 ausfüllt, im vorliegenden Fall enthält das Galliumaluminiumarsenid das Aluminium in einer Menge von etwa χ = 0,3. :Die gezüchtete Schicht des p-leitfähigen Gai _ ,AUAs ist ebenfalls mit 42 bezeichnet. Die Fig. Ib zeigt den Aufbau der Anordnung nach der Züchtung der P-leitfähigen Schicht 42.
Hierauf wird die in Fig. Ib dargestellte Anordnung bei einer geeigneten Temperatur einer thermischen Behandlung unterworfen, um das Zink in der Schicht 42 in die benachbarten Teile der Schichten 32,34,36 und 38 zur Bildung entsprechender Diffusionszonen 32', 34', 36' und 38' mit einer in Fig. Ic gestrichelt gezeichneten Grenze zu diffundieren. Die Tiefe der Diffusion läßt sich durch die jeweilige thermische Behandlungstemperatur-Und -dauer steuern, im vorliegenden Fall beträgt die Diffusionstiefe 1,5 Mikron.
Von den Diffusionszonen erfährt die Zone 38' lediglich eine Änderung in der Störstellendichte, da sie ursprünglich eine P-Leitfähigkeit aufweist und in diese Zone P-leitfähige Störstellen bzw. Verunreinigungen eindiffundiert wurden. Die restlichen Zonen 32' bis 36', die ursprünglich eine N-Leitfähigkeit aufwiesen, gehen durch das Eindiffundieren des Zinks in den P-Leitertyp über. Die Zonen 32' bis 38' besitzen im vorliegenden Fall jeweils eine Störstellendichte von etwa 4 · 1018 Atomen pro cm3. Folglich wird der Strahlenrekombinationsbereich von der Zone 34' gebildet. Schließlich wird der Siliziumdioxidfilm 40 in üblicher bekannter Weise entfernt, worauf ein Elektrodenpaar 44 mit der anderen Seite des Substrats 30 und der freiligenden Oberseite der Schicht 38 und des Bezirks 42 in ohmschen Kontakt gebracht wird.
Das Verfahren gemäß der Erfindung wurde im Zusammenhang mit einem GaAs/Gat-jAUAs-System beschrieben. Selbstverständlich lassen sich die der Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnisse und die erfindungsgemäB durchgeführten Maßnahmen auch mit anderen Kombinationen zweier Halblcitcrtypcn mit voneinander verschiedener Breite des verbotenen Bandes anwenden. Ferner kann der Film 40 auch aus Siliziumnitrid (S13N4) oder SUN/)* bestehen. Das im vorliegenden Fall (Fi g. Ib) zum V/egätzen des Bereichs 42 verwendete Ätzmittel (Schwefelsäuresystem) kann
auch durch ein anderes Ätzmittelsystem mit Bor und Methanol und dergleichen ersetzt werden. Die zum Wegätzen des Bereichs 42 verwendete Schmelze muß nicht aus einer der beim epitaxialen Wachstum der Schichten 32 bis 38 verwendeten Schmelzen bestehen.
Sie kann vielmehr aus irgendeiner anderen Schmelze gebildet pein. Weiterhin können die Schichten 38 und 36 chemisch weggeätzt und dann die Schicht 34 und ein Teil der '.Schicht 32 mit einer beliebigen Schmelze weggeätzt werden. Andererseits kann die zum Wachsen der mit Zink dotierten Galliumaluminiumarsenidschicht verwendete Schmelze zum Wegätzen der Schicht 34 und eines Teils der Schicht 32 und zum anschließenden Züchten des P-leitfähigen Galliumaluminiumarsenids im Bereich 42 verwendet werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Doppelheterostruktur-Laserdiode mit einem Halbleiterkörper aus einem Substrat und einer darauf epitaktisch abgeschiedenen ersten Schicht aus Halbleitermaterial mit verhältnismäßig großem Bandabstand, die das Substrat bedeckt, mit einer zweiten Schicht aus Halbleitermaterial mit kleinerem Bandabstand und einer darauf abgeschiedenen dritten Schicht aus Halbleitermaterial mit großem Bandabstand, wobei die zweite und dritte Schicht sich nur über einen Teil der ersten Schicht erstrecken und an einen einheitlichen Halbleiterbereich anschließen, der den übrigen Teil der ersten Schicht bedeckt, wobei der Halbleiterkörper zwei Zonen verschiedenen Leitfähigkeitstyps und einen dazwischenliegenden PN-Übergang aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der einheitliche Halbleitertwreich (42) aus Halbleitermaterial mit großem Bandabstand besteht, daß die Zone des einen Leitfähigkeitstyps das Substrat (30) und den Hauptteil der ersten bis dritten epitaktischen Schichten (32,34,36) umfaßt, und daß die Zone des anderen Leitfähigkeitstyps den seitlich an die epitaktischen Schichten anschließenden einheitlichen Halbleiterbereich (42) und den an diesen Halbleiterbereich unmittelbar anschließenden Teil (32', 34', 36') der ersten bis dritten Schichten umfaßt.
2. Laserdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daT das Material des einheitlichen Halbleiterbereichs (42) s'is G2"iumaJuminiumarsenid (Gai-,AIiAs) besteht, welches mit 1 · 10" Zinkatomen pro cm3 dotiert ist.
3. Laserdiode nach Ansprucn 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar auf der dritten epitaktischen Schicht (36) neben dem einheitlichen Halbleiterbereich (42) eine vierte epitaktische Halbleiterschicht (38) vom anderen Leitfähigkeitstyp angeordnet ist, und daß die freiliegende *0 Oberseite der vierten Halbleiterschicht (38) und des einheitlichen Halbleiterbereichs (42) des anderen Leitfähigkeitstyps in ohmschen Kontakt mit einer Elektrode (44) stehen.
4. Verfahren zur Herstellung einer Laserdiode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Substrat eines bestimmten Leitfähigkeitstyps drei Schichten des gleichen Leitfähigkeitstyps und eine Schicht des anderen Leitfähigkeitstyps epitaktisch ausgebildet werden, und daß man die Halbleiterschichten bis zur ersten epitaktischen Halbleiterschicht selektiv wegätzt und den weggeätzten Abschnitt mit einer weiteren Schicht ausfüllt, daß der weggeätzte Abschnitt mit einem dotierten Halbleitermaterial des anderen Leitfähigkeitstyps ausgefüllt wird, und dann ein an das dotierte Halbleitermaterial unmittelbar a !schließender Teil der epitaktischen Halbleiterschichten in den Leitfähigkeitstyp des dotierten Halbleitermaterials durch Eindiffundieren geeigneter Dotierungsstofe aus dem so einheitlichen Hälbleitefbereich in die epitaktischen Schichten umgewandelt wird.
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