DE2453347C2

DE2453347C2 - Halbleitervorrichtung, insbesondere Halbleiterlaser

Info

Publication number: DE2453347C2
Application number: DE2453347A
Authority: DE
Inventors: Morton B. Springfield N.J. Panish; George Arthur Chatham N.J. Rozgonyi
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1973-11-12
Filing date: 1974-11-11
Publication date: 1984-06-20
Also published as: JPS5081486A; IT1025701B; FR2251101B1; CA1040514A; NL181830B; GB1492808A; FR2251101A1; JPS5818792B2; NL181830C; NL7414702A; DE2453347A1; US3958263A

Description

genügen.

2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bruchteile von Al, Ga und P in der ersten und zweiten Schicht der Bedingung

0,03 < — < 0,05

y-x

genügen.

3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bruchteile von AI, Ga und P in der ersten und zweiten Schicht etwa der Bedingung

— = 0,04

y-x

genügen.

4. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch χ = 0.

5. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der zweiten Schicht kleiner ist als etwa 1 bis 2 μπι, wenn zzwischen 0,03 und 0,01 liegt

6. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch

— eine aktive Schicht (14) aus Al_pGai _ ^As mit ρ < y, angrenzend an die zweite Schicht (12) auf der der ersten Schicht (10) gegenüberliegenden Seite, und

— eine weitere Schicht (16) aus AlpGai _ _?Asi _ _mP_m mit q > p, angrenzend an die andere Seite der aktiven Schicht.

7. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ρ praktisch Null ist.

8. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß

— die erste und zweite Schicht (10,12) η-leitend sind und
— die weitere Schicht (16) p-leitend ist.

9. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht (14) p-leitend ist.

10. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine auf der weiteren Schicht (16) erzeugte Kontaktschicht (18) aus p-GaAs mit einem niedrigen spezifischen Widerstand.

so Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung, insbesondere Halbleiterlaser, mit einem Mehrschicht-Halbleiterkörper, zu dem eine erste Schicht aus AUGa ι _ ,As und eine an die erste Schicht angrenzende zweite Schicht aus AlyGai _ ^As ι _ _ZP₂ gehören, wobei y > χ > 0.

Das quarternäre Material AlGaAsP ist als Halbleitermaterial für lichtemittierende Dioden bekannt. Hierzu wird es auf GaAs- oder GaP-Substrate im Flüssigphasenepitaxieverfahren (EPL-Verfahren) niedergeschlagen.

Es ist ein Direktübergangs-Halbleiter für Gallium- und Phosphorsubstitutionsgrade von je bis zu etwa 50% (siehe IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 11(1969), Nr. 12, Seite 1634).

1970 haben I. Hayashi und M. B. Panish zum ersten Mal über das erfolgreiche Arbeiten eines Halbleiterlasers mit p-n-Übergang beim Raumtemperatur, der heute unter der Bezeichnung Laser mit Doppelheterostruktur (DH-Laser) bekannt ist, berichtet (vgl. »Applied Physics Letters«, Band 17, Nr.3, Seiten 109 bis 111, I. August

1970). Dieser Erfolg war das Ergebnis von intensiven Bemühungen sowohl auf physikalischem Gebiet, was zum Bau des DH-Lasers führte, als auch auf chemischen Gebiet, was zu verbesserten Flüssigphasenepitaxieverfahren (LPE-Verfahren) zur Herstellung des DH-Lasers führte.

Der DH-Laser weist einen aktiven Bereich mit relativ schmalem Energiebandabstand auf, der entweder n- oder p-leitend sein oder einen p-n-Übergang aufweisen kann, wobei im letzteren Falle beide Leitungstypen

vorhanden sind. Der aktive Bereich ist sandwichartig zwischen Schichten angeordnet, die zueinander entgegengesetzten Leitungstyp und ein verhältnismäßig breiteren Energiebandabstand haben und zwei HeteroÜbergänge bilden, einen an jeder Grenzfläche zu dem aktiven Bereich. 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 Rekombinationszentren wirken könnten, welche die Leistung vermindern und die Laserschwellenwerte erhöhen könnten. Sie haben daher ihre DH-Laser im Flüssigphasenepitaxieverfahren (LPE-Verfahren) aus dem GaAs-AlAs-Halbleitersystem hergestellt, d. h. die frühen Formen der DH-Laser wiesen ein n-GaAs-Substr it auf, auf dem die folgenden Schichten aufwachsen gelassen wurden: n-Al*Gai _ »As, p-GaAs (der aktive Bereich) und p-Al*Gai _ »As. Da GaAs und AlAs bei der Wachstumstemperatur (etwa 800° C) im Gitter nahezu angepaßt sind, war bei GaAs und AlGaAs die Gitteranpassung noch besser, so daß bei LPE-Herstellung besonders gute HeteroÜbergänge entstanden.

Im Dauerstrich-Betrieb bei Raumtemperatur wiesen jedoch diese frühen Formen des DH-Lasers in der Regel eine verhältnismäßig kurze Lebensdauer von nur ein paar Minuten bis zu einigen zehn Stunden auf.

Da, wie R. L Hartmann und A. R. Hartmann gezeigt haben, eine Verringerung herstellungsinduzierter (mechanischer) Spannungen, z. B. einer durch Kontaktbonden erzeugten Spannung, die Lebensdauer von DH-Lasern erhöht (vgl. »Applied Physics Letters«, Band 23, Nr. 3, Seite 147—149 (1973)), kann angenommen werden, daß durch eine Verminderung wachstumsinduzierter Spannungen die Lebensdauer noch weiter verlängert werden kann. Es wurde vorliegend gefunden, daß, obgleich GaAs und AlAs bei der LPE-Wachstumstemperatur ein fast angepaßtes Gitter haben, ihre Gitterfehlanpassung bei Raumtemperatur, bei der die Laser in Betrieb genommen werden sollen, vergrößert wird wegen der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten beider Materialien. Deshalb liegt bei Raumtemperatur in den epitaktisch aufgewachsenen Schichten eine beträchtliche Spannung vor.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, dij bei der Halbleitervorrichtung der eingangs genannten Art mechanisehen Spannungen zwischen Schichten unterschiedlicher Zusammensetzungen im Galliumaiuminiumarsenidphosphid-Mischkristallsystem zu verringern. Dabei soll diese Spannungsverringerung insbesondere im Hinblick auf eine Erhöhung der Lebensdauer von DH-Lasern vorgesehen werden.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruches 1 gelöst

Erfindungsgemäß wird also das Verfahren im Prinzip umgekehrt, d. h. es wird absichtlich eine geringfügige Gitterfehlanpassung bei Wachstumstemperatur eingeführt, so daß die Differenz in der Wärmeausdehnung, die bisher ein nachteiliger Faktor war, ausgenutzt werden kann zur Erzielung einer besseren Gitteranpassung bei Raumtemperatur, bei der DH-Laser meistens betrieben werden. Gemäß der Erfindung wird hierzu die durchschnittliche Spannung zwischen aneinander grenzenden Schichten aus

Al»Gai _ »As und AlyGai __yAs (0 < x,y < \,y > x)

bei Raumtemperatur vermindert durch Zugabe von geringen, kontrollierten Mengen Phosphor während des Wachstums der letzteren Schicht, so daß anstelle von ternärem ALGai_j,As quaternäres h\_y. Gai _ jAsi _ zP^wächst. Dabei muß die zugegebene Phosphormenge in geeigneter Weise ausgewählt werden: ein zu geringer Zusatz kann dazu führen, daß sich die Spannung nur minimal vermindert, während ein zu großer Zusatz 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 · 10³ N/cm³ sollte die zugegebene Phosphormenge insbesondere der folgenden Bedingung genügen:

0,03 <-i-< 0,05 (1)

y-x

Den Beweis für die vorteilhafte Wirkung der Zugabe von Phosphor haben Versuche ergeben, die zeigten, daß DH-Laser mit auf einem GaAs-Substrat aufgewachsenen AlGaAsP-GaAs-AlGaAsP-Schichten gemäß der Erfindung im allgemeinen Laserschwellenwerte aufwiesen, die um etwa 25% niedriger waren als bei den konventionellen, keinen Phosphor enthaltenden AlGaAs-DH-Lasern. Darüber hinaus konnten viele Phosphor in den angegebenen Mengen enthaltende DH-Laser bei Raumtemperatur länger als 5000 Stunden und einige sogar länger als 10 000 Stunden lang im Dauerstrichbetrieb erfolgreich betrieben werden. Obgleich im letzteren 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 Alunimiumgalliumarsenid und die quarternäre Verbindung Aluminiumgalliumarsenidphosphid stehen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 aneinandergrenzende Schichten aus Al,Gai _ _rAs und AIyCa₁ _ _yAsi _ _ΖΡ_Λ

F i g. 2 eine schematische Zeichnung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen DH-Lasers;

F i g. 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

F i g. 4 ein Diagramm zur Darstellung der Temperaturabhängigkeit der Gitterparameter von AlAs (Kurve I), GaAs (Kurve II) und AlGaAsP (Kurve III, die für ein an GaAs angepaßtes Gitter einer quaternären Zusammensetzung bei Raumtemperatur errechnet worden ist).

Es wurde gefunden, daß in den auf GaAs-Substraten aus flüssiger Phase epitaktisch aufgewachsenen Schichten (LPE-Schichten) aus Al/}ai _ ,As bei Raumtemperatur Druckspannungen bis zu Werten von 10³ bis ΙΟ⁴ N/ cm²,je nach dem Wert vony, dem Aluminiumbruchteil in der aufgewachsenen Schicht, auftreten. Die Spannung, die elastischer Natur ist (d. h. es werden keine fehlanpassungs- oder wachstumsinduzierte Versetzungen erzeugt)

kann auf die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Schicht und des Substrates zurückgeführt werden. Diese eingewachsenen inneren Spannungen sind, wie angenommen wird, für die Leistung und die Lebensdauer von Lasern mit Doppelheterostruktur potentiell nachteilig. Es wurde jedoch gefunden, daß auf GaAs-Substraten aufgewachsene LPE-Schichten aus ALGai _ ^Asi _ _Z-P_z (mechanische) Spannungen am Heteroübergang vermindern oder eliminieren, vorausgesetzt, daß die zugegebene Phosphormenge richtig ausgewählt worden ist. Das Wesen der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung einer quaternären Verbindung zur bewußten Fehlanpassung der Epischicht bei Wachstumstemperaturen derart, daß wegen der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Substrat und Schicht diese Gitterparameter bei Raumtemperatur dann im wesentlichen aneinander angepaßt sind. Im Gegensatz dazu hat bei Raumtemperatur eine ternäre Al^Gai _ ^As-Schicht einen größeren Gitterparameter als das GaAs-Substrat, eine Situation, die, wie oben erwähnt, zum Auftreten von beträchtlichen Druckspannungen in der aufgewachsenen Schicht führt.

Der Atombruchteil ζ des Phosphors in der quaternären Schicht ALGai _ _;Asi _ _ZP_Z wurde aus der Änderung _¥._t

der Spannung in der aufgewachsenen Schicht im Vergleich zu derjenigen in ALGai __yAs mit dem gleichen jg

Bruchteil y an Aluminium errechnet. Diese Spannungsverminderung wurde in eine äquivalente Dehnungsver- if

is minderung umgewandelt, da diese gegeben ist durch ε = Aa/a = σ(2 v/E), wobei ν und £das Poisson-Verhältnis s?|

bzw. den Young-Modul bedeuten, a den Gitterparameter des binären Substrats und Aa die Gitterparameterdif- |j:

ferenz zwischen der quaternären Schicht und dem binären Substrat darstellen. Unter Verwendung erstens der |jj

Werte von E und ν für GaAs, wie diese von Brantley in »Journal of Applied Physics«, Band 44, Nr. 1, Seite 534, 3

535, (1973), angegeben sind, zweitens eines Substratgitterparameters von 0,56537 nm und drittens der wie

nachfolgend angegeben als Funktion der Phosphorkonzentration in der Wachstumslösung bestimmten Span- _;;;

nungsdaten wurde eine Gitterparameterverschiebung von etwa 0,00012 nm pro ΙΟ-⁵ Atombruchteil Phosphor in /

der Wachstumslösung errechnet. Da die Gitterparameterdifferenz bei Raumtemperatur zwischen GaP und ^:

Gao,6eAlo34As etwa 0,021 nm beträgt, wurde davon ausgegangen, daß das Vegard-Gesetz anwendbar ist, und ein Phosphorkonzentrationsverhältnis zwischen Feststoff und Flüssigkeit von etwa 300 für das Wachstum bei 790° C

veranschlagt. :

Die Spannung in der quaternären Schicht, die Substrat-Schicht-Gitterparameterdifferenz und die defekte Struktur der quaternären Schicht wurden unter Verwendung einer modifzierten 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 ΑΘβ als Funktion der Probenposition. Die Diagramme ,

wurden automatisch aufgezeichnet und als /4Ä4C-Kurven (automatische Bragg-Winkelkontrolle) bezeichnet, und der Substratradius wurde in bekannter Weise, wie von G. A. Rozgonyi in »Review of Scientific Instruments«, Band 44, Seite 1053—1057, August 1953, beschrieben, in die Schichtspannung umgewandelt. Dann wurde eine [220]-Durchlicht-Röntgenstrahlungs-Topographie erhalten. Da die LPE-Schicht nicht das gesamte Substrat

bedeckte, konnten die nur der Schicht eigenen Defekte leicht identifiziert werden. Nach Belichtung der Platte im ■

Röntgenstrahlungs-Durchlicht wurde der Kristall gedreht und es wurde eine (400)-Reflexions-Schwankungskurve erhalten, indem man die /^/MC-Apparatur so betätigte, daß sie die Intensität /als Funktion des Bragg-Winkels aufzeichnete. Die //Ös-Kurven enthielten charakteristische K_at — /C^-Spitzen sowohl aus der Schicht als auch aus dem Substrat Die gemessene Spitzenverschiebung (K_xPS) diente dazu, die bei Raumtemperatur ',. [

vorhandenen Gitterparameterdifferenzen zwischen Schicht und Substrat zu ermitteln. ^;, i

Die F i g. 1 der Zeichnung zeigt eine erste Schicht 1 aus AUGai _ *As und eine zweite Schicht 2 aus ALGai -jAsi -z-Pz, die an die erste Schicht angrenzt fj' In einer Vorrichtung des von M. B. Panish in »Journal of Applied Physics«, Band 44, Seite 2659—2666 (Juni r; 1973), beschriebenen Typs wurden 5 bis 60 Minuten lang bei 790°C und einer Abkühlgeschwindigkeit von 0,l°C 3

pro Minute quaternäre ALGai -^Asi __zPz -Schichten auf (lOO)-GaAs-Substraten 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 10~⁶ bis 10~⁵ 1

variierte. Die zur Erzielung der gewünschten quaternären Zusammensetzungen erforderlichen Konzentrationen η

der Ausgangsflüssigkeit wurden durch eine thermodynamische Behandlung der quaternären Zusammensetzung .;';■

ermittelt, wobei die Flüssigkeit als einfache Lösung und der Feststoff als streng reguläre Lösung angenommen wurden.

Für die obige Zusammensetzung wurde der Wert für y(Aluminiumanteil) aus der Photolumineszenszspitze zu -.';

etwa 034 bestimmt, und zwar durch Vergleich mit den in F i g. 1 eines Artikels von M. B. Panish in »Journal of Applied Physics«, Band 44, Seiten 2667—2675 (Juni 1973), angegebenen Daten. Unter Anwendung der vorste-

hend beschriebenen Versuche wurde die Spannung in quaternären Schichten aus Alo34Gao,66Asi - *P* für variie- S

rende Werte von ζ innerhalb des Bereiches von 0 bis etwa 0,04 gemessen und die dabei erhaltenen Daten wurden Js

in Form der Kurve I der F i g. 3 aufgezeichnet Die Kurve I zeigt, daß die Spannung bei Raumtemperatur iif

innerhalb der experimentellen Fehlergrenze linear von der der quaternären Schicht einverleibten Phosphormen- J?

ge abhängt Ein wesentlicher Aspekt der Kurve I ist die Tatsache, daß bei zunehmendem ζ die Spannung zuerst Jf

abnimmt von einer maximalen Druckspannung von etwa 8 · 10³ N/cm² bei ζ = 0 (d. h. in einer Alo^GaoÄAs- S|

Schicht auf einem GaAs-Substrat) bis auf eine Spannung von praktisch 0 bei ζ = 0,013. Die Zugabe von ig

weiterem Phosphor führt von diesem Punkte an zu einer Erhöhung der Spannung und zu einem Umschlag von φ

einer Druckspannung in eine Zugspannung. Die Zugabe von zuviel Phosphor (d. h. ζ > 0,03) führt nämlich zum |.j

Auftreten einer Zugspannung, welche diejenige einer ternären Alo^GaaK-As-Schicht (z = 0) übersteigt β

Auf ähnliche Weise wird dann, wenn die quaternäre Schicht weniger Aluminium als y = 034 enthält, die ||

Kurve I in der F i g. 3 nach links verschoben, z. B. zur Kurve III für y = 0,17. Andererseits wird dann, wenn die S|

quaternäre Schicht mehr Aluminium als y = 034 enthält, die Kurve I in der F i g. 3 nach rechts verschoben, z. B. §|

zur Kurve II füry - 0,51. In den beiden zuletzt genannten Fällen verschiebt sich deshalb auch der Punkt, an dem ||

4 M

die durchschnittliche Spannung praktisch Null ist. Er liegt füry = 0,17 etwa bei ζ = 0,006 und für/ = 0,51 etwa bei ζ = 0,019. Im allgemeinen tritt eine durchschnittliche Spannung von praktisch Null in einer quaternären Schicht auf einem GaAs-Substrat dann auf, wenn die Phosphormenge ζ zur Aluminiummenge y in der folgenden Beziehung steht:

z/y » 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 · 10³ N/cm² vermindert wird, was immer dann der Fall ist, wenn etwa der folgenden Ungleichung genügt wird: ι ο

0,03 < z/y< 0,05 (3)

Verallgemeinert gilt, für den Fall daß das Substrat kein reines GaAs ist sondern noch etwas Aluminium enthält, also für ein unter der quaternären Schicht liegendes Al»Gai _ »As-Material (Substrat oder Schicht), daß eine durchschnittliche Spannung von im wesentlichen Null auftritt bei

= 0,04 (4)

Zur Verminderung der durchschnittlichen Spannung auf einen Wert von weniger als etwa 2 ■ 10³ N/cm² sollte etwa die folgende Ungleichung erfüllt sein:

ö^ ⁽⁾

worin die Größe (y — x) der Absolutwert der Differenz zwischen y und χ ist

Die Entstehung der Gleichung (4) ist aus der folgenden kurzen Diskussion verständlich. Es ist bekannt und vorliegend durch Versuche mit aus flüssiger Phase epitaktisch gewachsenen GaAlAs-GaAs-Schichten bestätigt worden, daß die Gitterfehlanpassung bei Raumtemperatur zwischen AlAs und GaAs etwa 0,008 nm beträgt (vgl. F i g. 4). Es wurde vorliegend auch festgestellt, daß in auf GaAs-Substraten aufgewachsenen quaternären AIy. Gai _ jAsi _ ^-Schichten die Gitterparameteränderung für jedes Prozent des der Komponente der III-V-Verbindung zugegebenen Phosphors etwa 0,002 nm beträgt Deshalb kann allgemein die für die zur Verminderung der durchschnittlichen Spannung in einer auf eine ternäre Schicht aus Al_xGaI _ *As aufgewachsenen quaternären Schicht aus Al^Gai _ ^Asi _ _ZP_Z auf einen Wert von praktisch Null erforderliche Phosphormenge durch die folgende Gleichung ermittelt werden.

die der Gleichung (4) entspricht

Es sei betont, daß in dem obigen Verfahren die Wahrscheinlichkeit von Grenzflächen-Fehlanpassungsversetzungen erhöht wird, weil die Substrat-Schicht-Gitterparameter bei der Wachstumstemperatur absichtlich fehlangepaßt werden. Diejenigen Proben, in welchen Spannungen durch Entstehen von Fehlanpassungsversetzungen, abgebaut werden, zeigen notwendigerweise eine geringere Substratkrümmung und haben einen niedrigeren 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 wird Insbesondere wurden druckspannungsbehaftete Schichten in der Nähe des minimalen Spannungsbereiches bei Raumtemperatur in F i g. 3 (d. h. ζ erfüllt die Ungleichung (5)) ohne Fehlanpassungsversetzungen aufwachsen gelassen, vorausgesetzt, daß die Dicke der quaternären Schicht unterhalb etwa 1 bis 2 μπι gehalten wurde, wenn ζ zwischen etwa 0,03 bis 0,01 lag. Natürlich ergibt sieh durch die Herstellungs- und/öder Vorrichtungsbedingungen eine Grenze, wie dünn die Schicht sein kann. Innerhalb dieses Dickenbereiches hängt die tatsächlich verwendete Dicke von dem Wert ζ ab, d. h. größere Werte von ζ erfordern dünnere Schichten.

Die Anwendung der vorstehend beschriebenen Spannungsvermindeningsverfahren auf das LPE-Wachstum von Lasern mit Doppelheterostruktur führte zu beträchtlichen und reproduzierbaren Verminderungen der Schwellenwertstromdichte für Laser.

Wie in der Fig.2 dargestellt, besteht ein DH-Laser in einer hier bevorzugten Ausführungsform aus einem n-GaAs-Substrat 10, auf das die folgenden LPE-Schichten in der angegebenen Reihenfolge aufwachsen gelassen wurden: eine n-AljGai _ jAsi _ zPz-Schicht 12, eine GaAs-Schicht 14 vom η-Typ, p-Typ oder vom kompensierten Typ, eine p-Al^Gai _,Ast_pPp-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 Punkt ist, an dem AlGaAs von einem Direktbandabstand-Halbleiter in einen Indirektbandabstand-Halbleiter umschlägt

Die Schichten 12,14 und 16 umfassen eine Doppelheterostruktur, 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 zur Vorrichtung herzustellen und in der Regel weist sie eine dünne (0,2 μπι dicke) Oberflächenschicht (nicht dargestellt) mit hoher elektrischer Leitfähigkeit auf, die durch Eindiffundieren von Zn gebildet wird. Die elektrischen Kontakte 20 und 22 werden durch Niederschlagen 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 Spaltungeflächen des GaAs-Kristalls handelt, bilden einen Resonator. Auf an sich bekannte Weise können ein oder mehrere Wärmesenken (nicht dargestellt) an das Substrat 10 oder die Schicht 18 thermisch angekuppelt sein.

Bei einer Ausführungsform wird eine Streifenkontaktgeometrie definiert durch Bombardieren der räumlich

ίο voneinander getrennten Zonen 28 mit energiereichen Protonen 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 der nicht-bombardierten Zone 30 (die etwa 13 μπι breit ist) zugeführten elektrischen Strom einzugrenzen. Außerdem wird durch diese Konfiguration die Laserstrahlung eingegrenzt, so daß sie im transversalen Grundmode parallel zur Ebene der HeteroÜbergänge 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 angeregt wurde.

Aus Gründen eines symmetrischen Aufbaus wurden zahlreiche Laser des in der F i g. 2 dargestellten Typs hergestellt unter Verwendung von Phosphorzusätzen von etwa 30 bis 150 μg GaP pro 4 g Ga in den Wachstumslösungen der Schichten 12 und 16. Die Schichten wurden bei etwa 780°C und einer Abkühlungsgeschwindigkeit von 0,l°C/Min. aufwachsen gelassen. Der entsprechende Atom-Bruchteil ζ von Phosphor lag deshalb zwischen etwa 0,004 und 0,02, während der Atom-Bruchteil (y = q) von Aluminium etwa 0,24 betrug. Bei verschiedenen Vorrichtungen lag die Dicke d des aktiven Bereichs (Schicht 14) zwischen etwa 0,15 und 0,40 μπι. Bei einem Beispiel des in der F i g. 2 dargestellten DH-Lasers bestand das Substrat 10 aus mit Si auf 3 · 10¹⁸/cm³ dotierten n-GaAs; die Schicht 12 war 1,95 μπι dick und bestand aus mit Te auf 2,5 · 10¹⁷/cm³ dotiertem n-Alo.24 Ga_o,76—Asi __ZP_Z; die Schicht 14 bestand aus mit Ge auf 4 ■ lO'Vcm³ dotiertem p-GaAs; die Schicht 16 war 0,79 μπι dick und bestand aus mit Ge auf 3,3 · 10'⁷/cm³ dotiertem p-Alo24-Gao,76Asi - _PP_P (p — z); und die Schicht 18 bestand aus mit Ge auf 2 · 10¹⁸/cm³ dotiertem p-GaAs. Die Resonatorlänge war etwa 380 μπι. Beim Einsetzen von y = 0,24 und χ = 0 in die Ungleichung (1) reduziert sich diese auf etwa 0,007 < ζ < 0,012 für eine Spannungsverminderung in diesen Schichten.

Die niedrigsten Schwellenwerte für diese Laser wurden mit den niedrigsten Schwellenwerten ähnlicher ternärer DH-Laser (in denen die Schichten 12 und 16 keinen Phosphor enthielten) verglichen. Im Durchschnitt wiesen die quaternären Laser (F i g. 2) Schwellenwerte auf, die um etwa 25% niedriger lagen als die der ternären Laser. So betrug beispielsweise bei d = 0,15 μπι der niedrigste Schwellenwert von quaternären Streifengeometrie-Lasern etwa 1,4 kA/cm², während derjenige von ternären Lasern 1,8 kA/cm² betrug. Bei d = 0,4 μπι betrug der quaternäre Schwellenwert 3,0 kA/cm², während der ternäre Schwellenwert 3,7 kA/cm² betrug. In entsprechender Weise betrug bei Lasern mit breiter Kontaktfläche bei d = 0,15 μπι der niedrigste Schwellenwert der quaternären Laser etwa 0,92 kA/cm², während derjenige der ternären Laser 1,22 kA/cm² betrug. Bei d = 0,3 μπι lagen die entsprechenden Vergleichswerte bei 1,15 kA/cm² gegenüber 1,48 kA/cm². 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 Bauelementen, beispielsweise in Lasern mit Einfachheterostruktur und LED's mit HeteroStruktur, angewendet werden. Darüber hinaus können sie auch in nicht-optischen Vorrichtungen verwendet werden, wenn Spannungen oder Fehlanpassungsversetzungen vermindert werden sollen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleitervorrichtung, insbesondere Halbleiterlaser, mit einem Mehrschicht-Halbleiterkörper, zu dem eine erste Schicht aus Al_xGai_xAs und eine an die erste Schicht angrenzende zweite Schicht aus Al^. Gai_,Asj_zPz gehören, wobei y> χ > 0, dadurch gekennzeichnet, daß die Bruchteile von Al, Ga und P in der ersten und in der zweiten Schicht der Bedingung

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y-z