DE2453347A1 - Mehrschichtenmaterial mit verminderter spannung - Google Patents

Mehrschichtenmaterial mit verminderter spannung

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DE2453347A1 DE19742453347 DE2453347A DE2453347A1 DE 2453347 A1 DE2453347 A1 DE 2453347A1 DE 19742453347 DE19742453347 DE 19742453347 DE 2453347 A DE2453347 A DE 2453347A DE 2453347 A1 DE2453347 A1 DE 2453347A1
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Description

c :-'··· ν1
BLUMBACH · WESER · BERGEN & KRAMER PATENTANWÄLTE IN WIESBADEN UND MÜNCHEN DIPL-ING. P. G. BLUMBACH · DIPL-PHYS. DR. W. WESER · DIPL-ING. DR. JUR. P. BERGEN DIPL-ING. R. KRAMER
«2 WIESBADEN · SONNENBERGER STRASSE 43 . TEL. (M121) M2943, «1998 MÖNCHEN
Western Electric Company Incorporated Panish,M.B.10/11-4-/6 Few York/USA
Mehrschichtenmaterial mit verminderter Spannung
Die Erfindung betrifft ein Mehrschichtenmaterial, das aus einer ersten Schicht aus Al Ga,, ,.As und einer an die erste Schicht angrenzenden zweiten Schicht besteht und eine verminderte Spannung aufweist.
1970 haben I. Hayashi und M.B. Panish zum ersten Mal über das erfolgreiche Arbeiten eines Halbleiterlasers mit p-n-Übergang bei Raumtemperatur, der heute unter der Bezeichnung Laser mit Doppelheterostruktur (DH-Laser) bekannt ist, berichtet (vgl. "Applied Physics Letters", Band 17» Nr. 3, Seiten 109-111, 1. Aug. 1970). Dieser Erfolg war das Ergebnis von intensiven Bemühungen sowohl auf physikalischem Gebiet, was zum . Bau des DH-Lasers führte, als auch auf chemischem Gebiet, was zu verbesserten Plüssigphasenepitaxieverfahren (LPE-Verfahren) zur Herstellung des DH-Lasers führte.
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. Der DH-Laser weist einen schmalen aktiven Energiebandabstandsbereich auf, der entweder vom η-Typ, vom p-Typ sein oder einen p-n-übergang aufweisen kann, wobei im letzteren Falle"beide Leitungstypen vorhanden sind. Der aktive Bereich ist sandwichartig zwischen Schichten mit einer elektrischen Leitung vom entgegengesetzten Typ mit einem verhältnismäßig breiteren Energiebandabstand, die zwei HeteroÜbergänge bilden, einen an jeder Grenzfläche zu dem aktiven Bereich, angeordnet. Diese HeteroÜbergänge dienen bekanntlich dazu, sowohl die injizierten Träger als auch die stimulierte Strahlung auf den aktiven Bereich zu begrenzen. Hayashi und Panish haben daher frühzeitig erkannt, daß die HeteroÜbergänge so wenig Defekte wie möglich aufweisen sollten, weil diese Defekte als nicht-strahlende Hekombinationszentren wirken könnten, welche die Leistung vermindern und die Laserschwellenwerte erhöhen könnten. Sie haben daher ihre DH-Laser durch LPE aus dem GaAs-AlAs-Halbleitersystem hergestellt, d.h. die frühen Formen der DH-Laser wiesen ein n-GaAs-Substrat auf, auf welches die folgenden Schichten wachsen gelassen wurden: n-A^Ga^^As, p-GaAs (der aktive Bereich) und P-AlxGa^_xAs. Da GaAs und AlAs bei der Wachstumstemperatur (etwa 8000C) ein nahezu angepaßtes Gitter haben, war bei GaAs und AlGaAs die Gitteranpassung noch besser, so daß bei der LPE-Herstellung besonders gute HeteroÜbergänge entstanden.
Bei ihrem Betrieb (cw.) bei Raumtemperatur wiesen jedoch diese frühen Formen des DH-Lasers in der Eegel eine verhält-
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nismäßig kurze Lebensdauer von nur ein paar Minuten bis zu einigen zehn Stunden auf.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch ein Mehrschichtenmaterial (eine Mehrschichtenstruktur) gelöst, das (die) dadurch gekennzeichnet ist, daß die zweite Schicht aus Al Ga,| AS1- Pz besteht, wobei der Bruchteil y von Al in der zweiten Schicht den Bruchteil χ von Al in der ersten Schicht übersteigt und die Bruchteile von Al, Ga und P in der ersten und in der zweiten Schicht so aufeinander abgestimmt werden, daß die durchschnittliche Spannung in der zweiten Schicht im Vergleich zu der Spannung in dieser Schicht, die in Abwesenheit von Phosphor im wesentlichen bei Raumtemperatur darin entsteht, vermindert wird.
Da, wie R.L. Hartman . und A.R. Hartman gezeigt haben, die Verminderung der durch die Herstellung induzierter Spannung (z.B. der durch das Verbinden der Kontakte erzeugten Spannung) die Lebensdauer von DH-Lasern erhöht (vgl. "Applied Physics Letters", Band 23, Seite 147 (1973)), wird angenommen, daß durch Verminderung der durch das Wachstum erzeugten Spannung die Lebensdauer noch weiter verlängert werden kann. Es wurde insbesondere gefunden, daß, obgleich GaA~s und AlAs bei der LPE-^achstumstemperatur ein fast angepaßtes Gitter haben, ihre Gitterfehlanpassung bei Raumtemperatur (sofern die Laser in Betrieb genommen
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werden sollen) vergrößert wird wegen der verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Materialien» Deshalb liegt bei Raumtemperatur in den gewachsenen epitaktischen Schichten eine beträchtliche Spannung vor.
Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, das Verfahren umzukehren, d.h. eine geringfügige Gitterfehlanpassung absichtlich bei der Wachstumstemperatur einzuführen, so daß die Differenz in der Wärmeausdehnung, die bisher ein nachteiliger Paktor war, ausgenutzt werden kann zur Erzielung einer besseren Gitteranpassung bei Raumtemperatur, bei der DH-Laser meistens betrieben werden. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann daher die durchschnittliche Spannung zwischen aneinander .grenzenden (benachbarten) Schichten aus AlxGa^_xAs und Al Ga^ As (O^ x,j- 1, y> x) bei Raumtemperatur vermindert werden durch Zugabe von geringen, kontrollierten Mengen Phosphor während des Wachstums der Gitterschicht, so daß anstelle von ternärem Al Ga1 As quaternäres Al Ga^ AsxJ P wächst. Es wurde nun gefunden, daß die zugegebene Phosphormenge in geeigneter Weise ausgewählt werden muß: eine zu geringe zugegebene Menge kann dazu führen, daß die Spannung sich nur minimal vermindert, während eine zu große zugegebene Menge tatsächlich zu einer Erhöhung der Spannung und zum Auftreten von Versetzungen führen kann. Zur Verminderung der durchschnittlichen Spannung in der quaternären Schicht auf weniger als etwa 2 χ 10 Dyn/cm
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sollte die zugegebene Phosphormenge insbesondere der folgenden Bedingung genügen:
Den Beweis für die vorteilhafte Wirkung der Zugabe von Phosphor haben Versuche ergeben, die zeigten, daß DH-Laser mit auf ein GaAs-Substrat aufgewachsenen AIGaAsP-GaAs-AlGaAsP-Schichten gemäß der Erfindung im allgemeinen Laserschwellenwerte (-ansprechwerte) aufwiesen, die um etwa 25 % niedriger waren als bei den konventionellen, kein Phosphor enthaltenden AlGaAs-DH-Lasern. Darüber hinaus konnten viele Phosphor enthaltende DH-Laser, wie oben, angegeben, bei Raumtemperatur mehr als 5000 Stunden und einige sogar mehr als 10 000 Stunden lang mit Erfolg betrieben werden. Obgleich in dem zuletzt angegebenen Falle der genaue Zusammenhang zwischen der Zugabe von Phosphor und der längeren Lebensdauer noch nicht geklärt ist, wird angenommen, daß durch die Verminderung der Spannung in dieser Form die Laserlebensdauer erhöht wird.
Der Bequemlichkeit halber werden nachfolgend gelegentlich die Abkürzungen AlGaAs bzw· AlGaAsP verwendet, die für die ternäre Verbindung Aluminiumgalliumansenid und die quaternäre Terbindung Aluminiumgalliumarsenidphosphid stehen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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Pig. 1 aneinandergrenzende Schichten aus GaAs und Al Ga^ As^j- P , -die erfindungsgemäß hergestellt worden sind;
Pig. 2 eine schematische Zeichnung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen DH-Lasers;
Pig. 3 ein Diagramm, welches die durchschnittliche Spannung zwischen den GaAs- und AlGaAsP-Schichten zu der in der zuletzt genannten Schicht enthaltenen Menge an Phosphor und Aluminium in Beziehung setzt; und
Pig. 4· ein Diagramm, welches die Änderung der Gitterparameter von AlAs (Kurve I), GaAs (Kurve ΪΙ) und AlGaAsP (Kurve III), die für ein an GaAs angepaßtes Gitter einer quaternären Zusammensetzung bei Baumtemperatur errechnet worden ist) in Abhängigkeit von der Temperatur darstellt.
Es wurde nun gefunden, daß in den auf GaAs-Substraten aufgewachsenen Flüssigphasen-Epitaxie (LPE)-Schichten aus Al Ga^ As bei Raumtemperatur Druckspannungen bis zu Werten von 10° bis 1CP Dyn/cm , je nach dem Wert von ys dem Aluminiumbruchteil in der aufgewachsenen Schicht, auftreten. Die Spannung, die elastischer Natur ist (d.h. es werden keine Eehlanpassungs- oder durch das Wachstum induzierte.Versetzungen erzeugt)
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kann auf die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Schicht und des Substrats zurückgeführt werden. Diese eingewachsenen Spannungen sind, wie angenommen wird, für die Leistung und die Lebensdauer von Lasern mit Doppelheterostruktur potentiell nachteilig. Es wurde nun gezeigt, daß auf GaAs-Substrate aufgewachsene LPE-Schichten aus Al Ga^ Asx, P HeteroÜbergangsspannungen vermindern oder eliminieren, vorausgesetzt, daß die zugegebene Phosphormenge richtig ausgewählt worden ist. Das Wesen der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung einer quaternären Verbindung zur freiwilligen Fehlanpassung der Epischicht bei der Wachstumstemperatur, so daß beim Abkühlen die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substrats und der Schicht ermöglichen, daß die Gitterparameter bei Raumtemperatur im wesentlichen aneinander angepaßt sind. Im Gegensatz dazu weist eine ternäre Al Ga^ As-Schicht bei Raumtemperatur einen größeren Gitterparameter auf als das GaAs-Substrat, eine Situation, die, wie oben erwähnt, zum Auftreten von beträchtlichen Druckspannungen in der aufgewachsenen Schicht führt.
Der Bruchteil ζ des Phosphors in der quaternären Schicht Al Ga,-As,. P wurde aus der Änderung der Spannung in der aufgewachsenen Schicht im Vergleich zu derjenigen in Al Ga^- As mit dem gleichen Bruchteil y an Aluminium errechnet. Diese Spannungsverminderung wurde in eine äquivalente Dehnungsverminderung umgewandelt, da die Spannung £ = Λ a/a = S" (2V /E), wobei V und E
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das Poisson-Verhältnis bzw. den Toung-Modul bedeuten, a den Gitterparameter des "binären Substrate und Aa die Gitterparameterdifferenz zwischen der quaternären Schicht und dem binären Substrat darstellen. Unter Verwendung von (i) der Werte von Eu Vf ür GaAs, wie sie von Brantley in "Journal of Applied Physics", Band 44, Seite 534 (1973), veröffentlicht worden sind, (ii) eines Substratgitterparameters von 5»6537 S und (iii) der wie nachfolgend angegeben als Funktion der Phosphorzusammensetzung in "der Wachstumslösung bestimmten Spannungsdaten wurde eine Gitterparameterverschiebung von etwa 0,0012 S. pro 10"-^ Atombruchteil Phosphor in der Wachstumslösung errechnet« Da die Gitterparameterdifferenz bei Raumtemperatur zwischen GaP und GaQ g,- AIq ^As etwa 0,21 S beträgt, wurde davon ausgegangen, daß das Vegard-Gesetz anwendbar ist und es wurde ein Phosphorkonzentrationsverhältnis zwischen Feststoff und Flüssigkeit von etwa 300 für das Wachstum bei 79O0C veranschlagt.
Die Spannung in der quaternären Schicht, die Substrat-Schicht-Gitterparameterdifferenz und die defekte Struktur der quaternären Schicht wurden unter Verwendung einer modifizierten Lang-Röntgenkamera für topographische Aufnahmen auf dreierlei verschiedene Arbeitsweisen analysiert. Zuerst wurde die Gitterkrümmung des Substrats als Folge der Anwesenheit der heteroepitaktischen quaternären Schicht bestimmt durch Auftragen der Änderung der Position des Bragg-Winkels ΔϋΒ als
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Funktion der Erobenposition. Die Diagramme wurden automatisch aufgezeichnet und als ABAC-Kurven (-Linien) (automatische Bragg-Winkelkontrolle) ,bezeichnet und der Substratradius wurde auf an sich bekannte Weise, wie von G-.A. Rozgonyi in "Review of Scientific Instruments", Band 44, Seite 1053, August 1953» beschrieben, in die Schichtspannung umgewandelt. Dann wurde eine topographische [220]-Röntgentransmissionsaufnähme erhalten· Da die LPE-Schicht nicht das gesamte Substrat bedeckte, konnten nur die der Schicht eigenen Defekte leicht identifiziert werden. Nachdem die topographische Röntgentransmissionsplatte einmal belichtet'(bestrahlt) worden war, wurde der Kristall gedreht und es wurde eine (400)-Reflexions-Schwankungskurve erhalten, indem man die ABAC-Apparatur so betätigte, daß sie die Intensität I als Punktion des Bragg-Winkels aufzeichnete. Die ΐ/θη-Kurven enthielten charakteristische K - K -Spitzenwerte sowohl aus der
0H a2
Schicht als auch aus dem Substrat. Die gemessene Spitzenwert verschiebung (K PS) wurde dazu bestimmt, die Raumtemperatur-Gitterparameterdifferenzen zwischen der Schicht und dem Substrat zu ermitteln (abzuschätzen).
Die Fig. 1 der beiliegenden Zeichnung zeigt eine erste Schicht 1 aus.Al Ga^ As und eine zweite Schicht 2 aus Al Ga^ As«^_ Pz, die an die erste Schicht angrenzt.
In einer Vorrichtung des von M.B. Panish in ?rJournal of
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Applied Physics", Band 44, Seite 2659 (Juni 1975),beschriebenen ft Typs wurden
bei 79O"C auf (lÖO)-orientierte GaAs-Substrate bei einer Abkühlungsgeschwindigkeit von 0,10G pro Minute für Zeiträume innerhalb des Bereiches von 5 bis 60 Minuten quaternäre Al Ga^ As^^P^Schichten aufwachsen gelassen. Die Wachstumsflüssigkeit enthielt beispielsweise 0,0020 Atombruchteile Al, 0,985 Atombruchteile Ga und 0,013 Atombruchteile As, wobei die Phosphorkonzentration innerhalb des Atombruchteilbereiches von 10" bis 10"-' variierte· Die zur Erzielung der gewünschten quaternären Znsammensetzungen erforderlichen Konzentrationen der Ausgangsflüssigkeit wurden durch eine thermodynamische Behandlung der quaternären Zusammensetzung, bei der die Flüssigkeit als einfache Lösung und der Peststoff als genau reguläre Lösung angenommen wurden, ermittelt (abgeschätzt)·
Aus der obigen Zusammensetzung wurde der Wert für j (Aluminiumanteil) bestimmt aus der Spitzenwertenergie der Photolumineszenz, die etwa 0,34- betrug im Vergleich zu den in der Fig. 1 eines Artikels von M.B. Panish in "Journal of Applied Physics", Band 44·, Seiten 2667 (Juni 1973)» angegebenen Daten. Unter Anwendung der vorstehend beschriebenen Versuche wurde die Spannung in quaternären Schichten aus A1Q ^ GaQ gg As^_zPz für variierende Werte von ζ innerhalb des Bereiches von 0 bis etwa 0,04 gemessen und die dabei erhaltenen Daten wurden in ^orm des Diagramms I der Fig. 3 aufgezeichnet. Das Diagramm
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I zeigt, daß die Spannung bei Raumtemperatur innerhalb der experimentellen Fehlergrenze linear von der der quaternären Schicht einverleibten Phosphormenge abhängt. Ein wesentlicher Aspekt des Diagramms I ist die Tatsache, daß bei zunehmendem ζ die Spannung zuerst abnimmt von einer
8 ? maximalen Druckspannung von etwa 8 χ 10 Dyn/cm bei ζ = (d.h. in einer Al^ -,,. Ga« ,-,-As-Schicht auf einem GaAs-Sub-
U1P^f . U,ob
strat) bis auf eine Spannung von praktisch 0 bei ζ .= 0,013· Die Zugabe von weiterem Phosphor führt von diesem Punkte an zu einer Erhöhung der Spannung und zu einem Umschlag von einer Druckspannung in eine Zugspannung. Die Zugabe von zu viel Phosphor (d.h. ζ > 0,03) führt nämlich zum Auftreten einer Zugspannung, welche diejenige einer ternären AIq a^Ga-Q As-Schicht (z = 0) übersteigt·
Auf ähnliche Weise wird dann, wenn die quaternäre Schicht weniger Aluminium als y = 0,34· enthält, das Diagramm I in der Fig. 3 nach links verschoben, z.B. zu dem ,Diagramm III für y - 0,17. Andererseits wird dann, wenn die quaternäre Schicht mehr Aluminium als y = 0,34 enthält, das Diagramm I in der Fig. 3 nach rechts verschoben, z.B. zu dem Diagramm II für y = 0,51. In den beiden zuletzt genannten Fällen verschiebt sich deshalb auch der Punkt, an dem die durchschnittliche Spannung praktisch 0 beträgt, der für y = 0,17 etwa bei ζ a 0,006 und für y » 0,51 etwa bei ζ = 0,019 liegt. ' Im allgemeinen tritt eine durchschnittliche Spannung, die
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praktisch O "beträgt, in der quaternären Schicht auf einem GaAs-Substrat dann auf, wenn die Phosphormenge ζ zu der Aluminiummenge y in der folgenden Beziehung steht:
z/y CZ 0,04 (2)
In der Praxis reicht es jedoch bei vielen Anwendungszwecken (z.B. in DH-Lasern) aus, wenn die durchschnittliche Spannung auf einen Wert unter 2 χ 10 Dyn/cm vermindert wird, was immer dann der Fall ist, wenn etwa der folgenden Ungleichung genügt wird:
0,03 < z/y < 0,05 (3)
Noch allgemeiner gilt, daß dann, wenn das Substrat kein reines GaAs ist, sondern noch etwas Aluminium enthält (d.h. für ein Al Ga,, As-Substrat oder eine darunterliegende Schicht),
Ji I ^3C
die durchschnittliche Spannung, die im wesentlichen 0 beträgt, dann auftritt bei
ττΗ} β °'Μ
und zur Verminderung der durchschnittlichen Spannung auf
Q ρ
einen Wert von weniger als etwa 2 χ 10 Dyn/cm sollte etwa die folgende Ungleichung erfüllt sein:
0,03 ί(54-Γέ 0,05 (5) 509820/0833
worin die Größe (y - x) der Absolutwert der Differenz zwischen y und χ ist. Es sei darauf hingewiesen, daß die Ungleichungen (1) und (5) identisch sind.
Die Entstehung der Gleichung (4) ist aus der folgenden kurzen Diskussion verständlich. Es ist bekannt und durch Versuche, mit durch LPE gewachsenen GaAlAs-Ga-As-Schichten bestätigt worden, daß die Gitterfehlanpassung bei Raumtemperatur zwischen AlAs und GaAs etwa 0,008 S beträgt (vgl. Fig. 4-). Es wurde auch bereits festgestellt, daß in auf GaAs-Substrate aufgewachsenen quaternären Al Ga,* Asx, P -Schichten die Gitterparameteränderung für jedes Prozent des der Komponente der Gruppe V der Verbindung zugegebenen Phosphors etwa 0,002 S
die
beträgt. Deshalb kann allgemein/für die zur Verminderung der durchschnittlichen Spannung in einer auf eine ternäre Schicht aus AlxGa^-xAs aufgewachsenen quaternären Schicht aus Al Ga^ As1_z]?z auf einen Y/ert von praktisch 0 erforderliche Phosphormenge durch die folgende Gleichung ermittelt werden
die der Gleichung (4-) entspricht.
Es sei betont, daß in dem obigen Verfahren die Wahrscheinlichkeit der Grenzflächen-Fehlanpassungsversetzungen erhöht
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wird, weil die Substrat-Schicht-Gitterparameter bei der .Wachstumstemperatur absichtlich fehlangepaßt werden. Diejenigen Proben, die eine Spannungsabnähme durch Erzeugung von Fehlanpassungen aufweisen, krümmen notwendigerweise das Substrat in einem geringeren Grade und ergeben einen niedri-' geren Schichtspannungswert. Es ist daher wichtig, daß die Gesamtenergie der Schichtfehlanpassungsdehnung bei der Wachstumstemperatur (die proportional sowohl zu der Schichtdicke als auch zu der Gitterfehlanpassung bei dieser Temperatur ist) unterhalb eines Schwellenwertes gehalten wirdo Insbesondere wurden Schichten mit einer Druckspannung in der Nähe des minimalen Räumtemperaturspannungsbereiches der Fig. 3 (d.h. in denen ζ die Ungleichung (5) erfüllt) ohne j?ehlanpassimgsversetaungen aufwachsen gelassen, vorausgesetzt, daß die Dicke der quaternären Schicht unterhalb eines Wertes innerhalb des Bereiches von etwa 1 pm bis etwa 2 um gehalten wurde, wenn ζ innerhalb des Bereiches von etwa 0,05 bis O9OI lag. Natürlich ergibt sich durch die Herstellungs- und/oder Vorrichtungs-"bedingungen eine Grenze, wie dünn die Schicht sein kanno Innerhalb dieses Dickenbereiches hängt die tatsächlich verwendete Dicke von dem Viert ζ ab, d«h. größere Werte von ζ erfordern dünnere Schichten.
Die Anwendung der vorstehend beschriebenen Spannungsverminderungsverfahren auf das LPE-Wachstum von Lasern mit Doppelheterostruktur führte zu beträchtlichen und reproduzierbaren Verminderungen der Schwellenwert spannungsdichte für Laser«,
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Wie in der Pig· 2 dargestellt, besteht ein DH-Laser gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aus einem n-GaAs-Substrat 10, auf das durch LPE-Wachstum die folgenden Schichten in der angegebenen Reihenfolge aufwachsen gelassen wurden: eine'n-Al Ga^ As-1 _zPz-Schicht 12, eine GaAs-Schicht
vom η-Typ, p-Typ oder vom kompensierten Typ, eine p-Al Ga^ J- P -Schicht 16 und eine p-GaAs-Schicht 18. Im allgemeinen kann natürlich die Schicht 14 auch Al oder Al + P enthalten und die Leitungstypen der Schichten können umgekehrt sein, wenn ein Substrat vom p-Typ verwendet wird. Bekanntlich sollte jedoch der der Schicht,14· zugesetzte Bruchteil an Al geringer als etwa 0,4· sein, weil das der P/unkt ist, an dem AlGaAs von einem direkten Energiebandabstand-Halbleiter in einen indirekten Energiebandabstand-Halbleiter umschlägt·
Die Schichten 12, 14· und 16 weisen eine Doppelheterostruktur auf und die Grenzflächen 13 und 15 dazwischen bilden ein Paar HeteroÜbergänge, welche dazu dienen, sowohl das Licht als auch die injizierten Träger auf den aktiven Bereich (Schicht 14·) zu begrenzen, wenn die Vorrichtung in Durchlaßrichtung vorgespannt wird. In der Regel bildet die Heterostruktur einen symmetrischen Wellenleiter, wobei in diesem Falle y = q und ζ = p. Die Schicht 18 wird verwendet, um einen guten elektrischen Kontakt gegenüber der Vorrichtung herzustellen und in der Regel weist sie eine dünne (0,2 pn dicke) Oberflächenschicht (nicht dargestellt) mit hoher elek-
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trischer Leitfähigkeit auf, die durch Eindiffundieren von Zn gebildet wird. Die elektrischen Kontakte 20 und 22 werden durch Ablagerung oder auf andere Weise auf der Schicht 18 bzw. dem Substrat 10 erzeugt· Die Spiegel 24- und 26, bei denen es sich in der Regel um Spaltungsflächen des GaAs-Eristails handelt, bilden einen Resonator. Auf an sich bekannte Weise können ein oder mehrere Kühlbleche (nicht dargestellt) an das Substrat 10 oder die Schicht 18 thermisch angekuppelt sein.
Bei einer Ausführungsform wird eine Streifenkontaktgeometrie definiert durch Bombardieren der räumlich voneinander getrennten Zonen 28 mit Hochenergieprotonen entlang der Länge der Vorrichtung und etwa bis zur Tiefe des HeteroÜberganges 13. Eine solche Protonenbombardierung führt zu einem hohen spezifischen Widerstand in den Zonen 28, der dazu dient, den über den Kontakt 20 an die nicht-bombardierte Zone 30 (die etwa 13 jum breit ist) angelegten elektrischen Strom zu begrenzen. Außerdem wird durch diese Konfiguration die Laserstrahlung eingegrenzt, so daß sie grundsätzlich transversal parallel zu der Ebene der HeteroÜbergänge oszilliert (schwingt). Es wurden jedoch auch Laser mit breiter Kontaktfläche hergestellt, bei denen keine Protonenbombardierung durchgeführt wurde und bei denen daher der Laser über seine gesamte Breite und Länge aufgepumpt wurde.
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Aus Gründen eines symmetrischen Aufbaus wurden zahlreiche Laser des in der Fig. 2 dargestellten Typs hergestellt unter Verwendung von Phosphor zusammensetzungen innerhalb des Bereiches von etwa 30 /bis etwa 150 /ig GaP pro 4 g Ga in den Wachstumslösungen der Schichten 12 und 16. Die Schichten wurden durch LPE bei etwa 7800C und bei einer Abkühlungsgeschwindigkeit von 0,1°C/Mn. aufwachsen gelassen. Der entsprechende Bruchteil ζ vonJFhosphor lag deshalb innerhalb des Bereiches von etwa 0,00A- bis etwa 0,02, während der Bruchteil (y = q)von Aluminium etwa 0,24- betrug. Bei verschiedenen Vorrichtungen lag die Dicke d des aktiven Bereichs (Schicht 14) innerhalb des Bereiches von etwa 0,15 bis etwa 0,40 pn. Bei einem Beispiel des in der Fig. 2 dargestellten DH-Lasers
1fi 'S
bestand das Substrat 10 aus mit Si bis zu 3 χ 10 /cnr dotiertem n-GaAs, die Schicht 12 war 1,95 pm dick und bestand aus mit Te bis zu 2,5 x 10 V cnr dotiertem H-Aln 2Z, Ga0 75"~
1^2P2, die Schicht 14 bestand aus mit Ge bis zu 4 χ dotiertem p-GaAs, die Schicht 16 war 0,79 /uia dick und sie bestand aus mit Ge bis zu 3 »3 x 10 '/cm ^ dotiertem P-AIq ^tf
Gan rtC Asx, ^- P^ (p = z) und die Schicht 18 bestand aus mit u» /ο «""Ρ Ρ
Ge bis zu 2 χ 10 /cnr- dotiertem p-GaAs. Außerdem betrug die Resonatorlänge etwa 380 um. Beim Einsetzen von y = 0,24 und χ = 0 in die Ungleichung (1) nahm die Spannungsverminderung in diesen Schichten auf etwa 0,007-< ζ<0,012 ab.
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Die niedrigsten Schwellenwerte für diese Laser wurden mit den niedrigsten Schwellenwerten ähnlicher ternärer DH-Laser (in denen die Schichten 12 und 16 kein Phosphor enthielten) verglichen. Im Durchschnitt wiesen die quaternären Laser (Fig. 2) Schwellenwerte auf, die um etwa 25 % niedriger lagen als die Schwellenwerte der ternären'Laser. So betrug beispielsweise bei d = 0,15 jum der niedrigste Schwellenwert von quaternären Streifengeometrie-Lasern etwa
P 2
1,4 kA/cm , während derjenige von ternären Lasern 1,8 kA/cm betrug. Bei d = 0,4- um betrug der quaternäre Schwellenwert
ρ ρ
3,0 kA/cm , während der ternäre Schwellenwert 3,7 kA/cm betrug. In entsprechender Weise betrug bei Lasern-mit breiter Kontaktfläche bei d = 0,15 paa. der niedrigste Schwellenwert der quaternären Laser etwa 0,92 kA/cm , während derjenige der ternären Laser 1,22 kA/cm betrug. Bei d = 0,3 Aim lagen
die entsprechenden Vergleichswerte bei 1,15 kA/cm gegenüber
1,48 kA/cm . Daraus ist zu ersehen, daß durch Zugabe von geeigneten Phosphormengen zu den Schichten 12 und 16 beträchtliche Herabsetzungen der Laserschwellenwerte erzielt werden können.
Die vorstehend beschriebenen Materialien bzw. Strukturen und Verfahren können in zahlreichen anderen Vorrichtungen, beispielsweise in Lasern mit Einfachheterostruktur und LED mit HeteroStruktur, angewendet werden. Darüber hinaus können sie auch in nicht-optischen Vorrichtungen verwendet werden,
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wenn Spannungen oder FehlänpassungsverSetzungen vermindert werden sollen.
Patentansprüche:
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Claims (11)

BLUMBACH · WESER · BERGEN & KRAMER PATENTANWÄLTE IN WIESBADEN UND MÜNCHEN ίο DIPL-ING. K G. BtUMBACH · DIPL-PHYS. DR. W. WESER . DIPL-ING. DR. JUR. P. BERGEN ?2!£2£.*' *"*"* WIESBADEN · SONNENBERGER STRASSE 43 . TEL (06121) »2943, 541998 MÖNCHEN Western Electric Company Incorporated Panish,M.B.1O/11-4-/6 New York/USA Patentansprüche
1. Mehrschichtenmaterial mit einer ersten Schicht aus AlxGa^__xAs und einer an die erste Schicht angrenzenden zweiten Schicht,
dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht (2) aus Al Ga^ As^-2P besteht, wobei der Bruchteil j von Al in der zweiten Schicht (2) den Bruchteil χ von Al in der ersten Schicht (1) übersteigt und die Bruchteile für Al, Ga und P in der ersten Schicht (1) und in der zweiten Schicht (2) wechselseitig so aufeinander abgestimmt sind, daß die durchschnittliche Spannung in der zweiten Schicht (2) im Vergleich zu der Spannung, die in Abwesenheit von Phosphor im wesentlichen bei Raumtemperatur darin vorliegen würde, vermindert ist.
2. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bruchteile von Al, Ga und P in der ersten Schicht (1) und in der zweiten Schicht (2) der Bedingung 0,03 4: -^- < 0,05
j "λ.
genügen, so daß die durchschnittliche Spannung in der zweiten Schicht (2) im wesentlichen bei Raumtemperatur auf weniger
ο ρ
als etwa 2 χ 10° Dyn/cm vermindert ist.
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3. Material nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bruchteile von Al, Ga und P in der ersten Schicht
(1) und in der zv/eiten Schicht (2) etwa der Bedingung
—-— = 0,CW- genügen, so daß die durchschnittliche Spannung in der zweiten Schicht (2) im wesentlichen auf O vermindert ist,
4. Material nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,, daß x=0, wodurch die erste Schicht (1) aus GaAs besteht und die Bruchteile von ρ und Al in der zweiten Schicht (2) der Bedingung 0,034 ^ <0,05 genügen.
5. Material nach Anspruch 4·, dadurch gekennzeichnet, daß ^ ungefähr .=· 0,04, so daß die durchschnittliche Spannung in der zweiten Schicht praktisch auf 0 vermindert ist.
6. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der zweiten Schicht (2) geringer ist als ein Wert, der innerhalb des Bereiches von etwa 1 um bis 2 um liegt, wenn ζ innerhalb des Bereiches von 0,03 bis 0,01 liegt, um die Bildung von Fehlanpassungsversetzungen an der Grenzfläche zwischen der ersten Schicht (1) und der zweiten Schicht
(2) zu unterdrücken.
7. Material nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der zweiten Schicht (2) um eine Schicht mit einem breiten Energiebanäabsfcandhandelt und daß es außerdem eine ak-
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--active Schicht aus Al Ga^ As, wobei ρ < y, die auf der Schicht mit dem breiten Energiebandabstand erzeugt worden ist, und eine zweite Schicht mit einem breiten Energiebandabstand aus A1nGai-qAsi-m'Em' wol:)e:'- 1> P» die auf ^er aktiven Schicht erzeugt worden ist, aufweist.
8. Material nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß ρ
- praktisch O ist und daß die aktive Schicht aus GaAs besteht.
9. Material nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein solches vom η-Typ, die Al Ga^ As^- P· „sticht eine solche vom η-Typ und die Al Ga,, -As^ P -Schicht-eine solche vom p-Typ ist.
10· Material nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht eine solche vom p-Typ ist.
11. Material nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem eine auf der Al Ga^ As,] P -Schicht erzeugte Kontaktschicht aus p-GaAs mit einem niedrigen spezifischen Widerstand aufweist.
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