DE2538471A1 - Optisches bauelement mit doppelheterostruktur - Google Patents

Optisches bauelement mit doppelheterostruktur

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DE2538471A1 DE19752538471 DE2538471A DE2538471A1 DE 2538471 A1 DE2538471 A1 DE 2538471A1 DE 19752538471 DE19752538471 DE 19752538471 DE 2538471 A DE2538471 A DE 2538471A DE 2538471 A1 DE2538471 A1 DE 2538471A1
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Description

BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMER ZWIRNER · HIRSCH
PATENTANWÄLTE !N MÜNCHEN UND WIESBADEN 9538471
Postadresse München: Patentconsult 8 München 60 RadedcestraOe 43 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Postadresse Wiesbaden: Patentconsult 62 Wiesbaden Sonnenbsrger Straße 43 Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237
Western Electric Company, Incorporated Logan, R.A. 26-2-6-9
Broadway
New York, N.Y. 10007
Optisches Bauelement mit Doppelheterostruktur
Die Erfindung betrifft ein optisches Bauelement mit Doppelheterostruktur, das eine erste und eine zweite Schicht mit großem Energie-Bandabstand sowie eine Zone mit kleinerem Bandabstand aufweist, die sich dicht benachbart zwischen der ersten und zweiten Schicht befindet, und eine Strahlungsausbreitung zulässt, sowie ein Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung solcher Bauelemente.
Ein wichtiger Schritt bei der Entwicklung monolithischer integrierter optischer Bauelemente ist die wirksame Lichtübertragung von einer Wellenleiterschicht zu einer anderen, damit verschiedene Schaltungsbauteile, beispielsweise Laser, Modulatoren und Detektoren optisch miteinander verbunden werden können. Ein Verfahren zur Ermöglichung einer solchen Lichtübertragung unter Verwendung
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ORIGINAL INSPBCTED
sich verjüngender Koppler wurde von Tien et al vorgeschlagen und deren Zweckmäßigkeit in Organosilikon-Filmwellenleitern gezeigt (vergleiche Applied Optics, Band 12, Seite 1909, 1973 und Applied Physics Letters, Band 24, Seite 547, 1974). In AlGaAs-Wellenleitern wurde diese Übertragung zwischen einem passiven Wellenleiter mit erhöhtem Energie-Bandabstand und -breite durchgeführt, der in Reihe mit der aktiven Schicht eines Doppelheterostruktur-(DH)-Übergangslasers oder -detektors mit verringertem Bandabstand liegt. (Vergleiche Deutsche Patentanmeldung P 25 27 179.8).
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verjüngt sich in einem Doppelheterostruktur-Übergangslaser die aktive Zone innerhalb der Anordnung auf die Dicke Null. Die Verjüngung verläuft in Richtung der Lichtausbreitung, wodurch eine Kopplung der in. der aktiven Zone erzeugten Strahlung in eine benachbarte, darunterliegende oder darüberliegende passive Wellenleiterschicht bewirkt wird. Solche Bauelemente haben bei Herstellung im GaAs-AlGaAs-System hohe Verjüngungs-Koppelwirkungsgrade und niedrige Laser-Schwellenwertstromdichten gezeigt. Ein Vorteil dieses Typs von DH-Lasern besteht darin, daß die beispielsweise in einer GaAs-Zone erzeugte Strahlung mit gutem Wirkungs-
G 0 9 8 :■* ü / Π R /.
.3- 2538^7 1
grad in eine AlGaAs-Wellenleiterschicht mit größerem Bandabstand und demgemäß kleinerer Dämpfung eingekoppelt wird. Die Aussendung und Modulation innerhalb einer integrierten Schaltung findet daher in der Schicht kleiner Dämpfung statt, und falls gewünscht, kann die Strahlung an verschiedenen Punkten innerhalb der Schaltung zurück in eine GaAs-Schicht gekoppelt werden, beispielsweise zum Zwecke der Anzeige oder Verstärkung.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die sich verjüngende aktive Zone kurz vor den Laser-Spiegeln enden kann, wodurch die empfindliche aktive Zone gegen eine Vergiftung aus der Umgebung geschützt wird. Demgemäß verringert sich die Notwendigkeit einer Passivierung. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Verjüngung im aktiven Bereich durch eine dünne Maske am Boden einer der Bohrungen einer LPE-Züchtungsapparatur mit Schieber (siehe unten) erzeugt. Die Maske ist dem Substrat dicht benachbart und verhindert, daß Teile der Nährlösung direkt oberhalb der Maske das Substrat berühren. Die seitlich benachbarten Teile der Schmelze berühren jedoch das Substrat und bewirken das Wachsen einer Schicht, die eine Zone gleichmäßiger Dicke angrenzend an eine sich verjüngende Zone besitzt, deren Dicke an den Kanten der Maske auf Null abnimmt. Die Länge der Ver-
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Düngungen beträgt etwa 100 um, während die Zone gleichmäßiger Dicke nur 0,5 Vim dick ist. Es wurden Verjüngungs-Kopp elwirkungsgr ade von mehr als 70% zwischen einer sich verjüngenden GaAs-Schicht und einer darunterliegenden AIq 15Ga0 gt-As-Schicht erreicht. Die sich verjüngenden Schichten wurden unter Verwendung einer Saphir-Maske gezüchtet .
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher "beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 die schematische Ansicht eines DH-Lasers mit einer einzigen Verjüngung in der aktiven Zone entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 die schematische Seitenansicht eines DH-Lasers mit zwei Verjüngungen in der aktiven Zone entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 3 die schematische Seitenansicht einer monolithischen Anordnung eines DH-Modulators und eines DH-Lasers entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 4A eine teilweise weggeschnittene perspektivische Querschnittsansicht einer LPE-Züchtungsapparatur zur Herstellung von DH-Lasern;
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Fig. 4B eine teilweise weggeschnittene perspektivische Ansicht von zwei Einheiten, die in der Apparatur nach Fig. 4A zur Herstellung der in Fig. 1 gezeigten Anordnung entsprechend einem weiteren Merkmal der Erfindung benutzt werden.
In Fig. 1 ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung ein DH-Laser gezeigt, der im wesentlichen ein Substrat 10 aufweist, auf dem die folgenden Schichten in der angegebenen Reihenfolge epitaktisch aufgebracht sind: Eine erste Schicht 12 mit großem Bandabstand, eine passive Wellenleiterschicht 14, eine aktive Zone 16 mit kleinem Bandabstand und eine zweite Schicht 18 mit großem Bandabstand. Der Energie-Bandabstand der passiven Wellenleiterschicht 14 ist kleiner als der der Schichten 12 und 18 mit großem Bandabstand, und der Bandabstand der aktiven Zone 16 ist kleiner als der der Schichten 14 und 18. Im allgemeinen sind die passive Wellenleiterschicht 14 und die aktive Zone 16 vom gleichen Leitfähigkeitstyp, während die Schichten 12 und 18 mit großem Bandabstand vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp sind.
Ein pn-übergang wird in der Schichtanordnung dadurch erzeugt, daß man in der Folge des Schichtenwachstums zuerst
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2 5 3 8 t, 7Ί
Schichten gleichen Leitfähigkeitstyps wie das Substrat und dann Schichten des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps aufwachsen läßt. Beispielsweise läßt man nach dem Aufbringen der aktiven Zone 16, die den gleichen Leitfähigkeitstyp wie die vorhergehenden Schichten 12, 14 und das Substrat hat, die Schicht 18 mit dem entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufwachsen, wodurch sich ein pn-übergang zwischen der Schicht 18 und denjenigen Bereichen der Schichten 14 und 16 bildet, die in Kontakt mit der Schicht 18 sind.
Entsprechend einem Merkmal der Erfindung endet die aktive Zone 16 innerhalb der Anordnung in einer glatten Verjüngung 16.1. Die Dicke der Verjüngung 16.1 nimmt in Richtung der Strahlungsausbreitung (Pfeil 13) allmählich auf Null ab.
Auf der Schicht 18 und dem Substrat 10 sind Ohmsche Kontakte 20 und 22 gebildet. Durch Spalten erzeugte parallele Flächen 24 und 26 bilden die Spiegel des Laser-Resonators. Bei einer Vorspannung in Durchlaßrichtung oberhalb des Laser-Schwellenwertes mit Hilfe der an die Kontakte 20 und 22 angeschlossenen Batterie 28 findet eine stimulierte Strahlungsemission in der aktiven Zone 16 statt. Für einen
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_ 2 5 3 9 A 7 1
Dauerstrichbetrieb bei Raumtemperatur beträgt die Dicke der aktiven Zone 16 vorzugsweise zwischen λ/2 und 1,0 um, wobei λ die Wellenlänge der Strahlung gemessen in der aktiven Zone ist. Diese Strahlung wird entsprechend dem Pfeil 11 aus der aktiven Zone 16 über die Verjüngung 16.1 in die darunterliegende passive Wellenleiterschicht 14 gekoppelt. Da die Schicht 14 einen größeren Bandabstand als die aktive Zone 16 besitzt, wird die eingekoppelte Strahlung nur wenig gedämpft. Die auf diese Weise erzielte Verringerung der optischen Dämpfung kann von besonderer Bedeutung sein, wenn die eingekoppelte Strahlung über lange Entfernungen übertragen werden soll oder wenn sie in der Wellenleiterschicht 14 beeinflußt (beispielsweise moduliert) werden soll.
Zur Verringerung der Strahldivergenz und der Energiedichte auf der Oberfläche 24 kann die passive Wellenleiterschicht 14 mit einer Zone 14.1 größerer Dicke nahe der Ausgangsfläche 24 versehen sein. Darüberhinaus kann die Oberfläche 26 mit einer reflektierenden Beschichtung (nicht gezeigt) versehen sein und/oder die Oberfläche 24 kann mit einer reflektionsverringernden Beschichtung (nicht gezeigt) versehen werden, um die Abstrahlung durch die Fläche 24 zu verbessern.
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? R 1 R /.. 7 1
Bei dem Ausführungsbeispiel ist der DH-Laser gemäß Fig. 1 im GaAs-AlGaAs-System hergestellt. Das heißt, daß das Substrat 10 aus n-GaAs besteht. Die Schichten 12 und 14 sind gebildet aus Al Ga1 R bzw. Al Ga,. R bei y < x, wobei R wenigstens As und eventuell außerdem P enthält.
Die aktive Zone 16 ist gebildet aus Al2Ga1 R für OS z<y.
Die Schicht 18 enthält Al11Ga1 _rR für r > ζ und y. In typischer Weise sind das Substrat 10 und die Schichten 12, 14 η-leitend, die Schicht 18 ist p-leitend und die aktive Zone kann entweder n-oder p-leitend oder beides sein (wenn der pn-übergang sich innerhalb der aktiven Zone befindet. In diesem Fall umfasst der Kontakt 20 in typischer Weise eine p+-GaAs-Schicht, die auf einer Al Ga1 R-Schicht 18 gebildet ist, um die Herstellung eines guten elektrischen Kontaktes zu erleichtern.
Generell sollten die zur Herstellung der Schichten verwendeten Stoffe eine gute GitterübereinStimmung besitzen, um die Wahrscheinlichkeit für die Bildung von Fehlstellen (nicht strahlende Rekombinationszentren) in der aktiven Zone 16 oder in den HeteroÜbergängen 15 und 17 zu verringern. Im Hinblick darauf enthalten die Schichten zweckmäßig AlGaAsP.
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9 „ 2 5 3 ο -'■■- / 1
Beispiel
Unter Verwendung einer LPE-Apparatur und der nachfolgend beschriebenen Verfahren wurde ein DH-Laser der in Fig. 1 gezeigten Art mit folgenden Bestandteilen hergestellt; Ein (100)-orientiertes GaAs-Substrat mit einer n-Dotierung
AQ ~Z
von etwa 2x10 /cm , eine Schicht 12 aus Aln OoGan 7OAs
u,έ.έ. u, /o
mit einer Dicke von etwa 3,3 *im und einer η-Dotierung mit Sn bei etwa 3x10 /cm , eine Schicht 14 von Aln ^cGan ocAs
KJ f I ^ \J f O^
mit einer Dicke von etwa 0,4 um und η-dotiert mit Sn bei
17 ^
etwa 10 /cm , eine Schicht (aktive Zone 16) aus GaAs mit einer Dicke von etwa 0,5 Jim und einer unfreiwilligen
η-Dotierung durch normalerweise vorhandene Verunreinigungen
16 ^5
mit etwa 10 /cm und eine Schicht 18 von A1Q 22^a0 78^s mit einer Dicke von etwa 2,8pm und einer p-Dotierung mit Ge bei etwa 3x10 /cm . Auf der Schicht 18 wurde eine übliche Kontaktschicht (nicht gezeigt) von P+GaAs mit einer Zn-Hautdiffusion hergestellt. Die Kontakte 20 und 22 wurden aus Gold bzw. Zinn gebildet.
Bei diesem Beispiel nimmt die Dicke der Verjüngung 16.1 regelmäßig über eine Länge von etwa 100yum auf Null ab und die Zone 14.1 war ebenfalls etwa 100 um lang.
Zur Durchführung von Messungen wurden aus einem einzigen
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- ίο -
Blättchen sowohl Kontrollaser aus einheitlichen Abschnitten (ohne die Zone 14.1 und die Verjüngung 16.1) als auch über eine Verjüngung gekoppelte Laser (TCL) der in Fig. gezeigten Art geschnitten (abgespalten).
Alle Messungen erfolgten bei Raumtemperatur mit einer Erregung durch Stromimpulse von 100 ns. Typische Kontrolllaser hatten aktive Zonen mit einer Dicke von etwa 0,5yum und eine Resonatorlänge von etwa 0,5 mm. Für diese Kon-
trollaser betrug die Schwellenwert-Stromdichte J^j1- 2,6 kA/cm und die differentiellen Quantenwirkungsgrade betrugen η ^ 38%, wobei im Laser-Betrieb etwa 80% des Spiegels beleuchtet waren. Die entsprechenden Werte für kürzere Kontrollaser mit Resonator längen von etwa 0,25 mm waren ^th = ^ k&/cm und 1J^- ^3% bei einer Spiegelausleuchtung von 60%. Aus diesen Daten wurde ein interner Quantenwirkungsgrad 1] . - 80 - 20% bei einer typischen Dämpfungskonstante 0, —16 cm" abgeleitet.
Andererseits besaßen die über eine Verjüngung gekoppelten Laser eine typische Länge der aktiven Zone von etwa 0,6 mm
und eine Dicke von etwa 0,5 Aim. Dies ergab d+i,— 2,6 kA/cm und i) dC 28% bei einer typischen Spiegelausleuchtung von 60% im Laserbetrieb. Nimmt man an, daß keine Dämpfung
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in der Zone 14.1 der passiven Wellenleiterschicht auftritt, so wurde ein Verjüngungs-Koppelwirkungsgrad t von > 70% gefunden. Bei allen gemessenen, über eine Verjüngung gekoppelten Lasern (TCL) ergab sich kein Hinweis auf ein Lasern rechtwinklig zum Verjüngungsgradienten. Außerdem endeten die Verjüngungen sauber ohne irgendein Anzeichen von Streifen oder Überwachsen über den verjüngten Abschnitt hinaus. Solche Erscheinungen traten gelegentlich vor Entwicklung des nachfolgend beschriebenen Züchtungsverfahrens auf.
Der Kontakt 20 erstreckt sich gemäß Fig. 1 über die passive Zone 14.1, aber der Stromfluß ist in der Hauptsache beschränkt auf die aktive Schicht 16 aufgrund der verringerten Potentialsperre für eine Injektion in den HeteroÜbergang zwischen den Schichten 18 und 16 im Vergleich zu der zwischen den Schichten 18 und 14.
Alle TCL-Bauelemente zeigten einen hohen Polarisierungsgrad der Laserstrahlung mit TE-Moden mit Ausnahme der Bereiche nahe den Kanten des Bauteils. Das Vorhandensein der Verjüngungen veränderte den Grad der Polarisierung nur wenig im Vergleich zu dem der Kontrollaser. Die Polarisationserscheinung zeigen zusammen mit den
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oben beschriebenen kennzeichnenden Versuchen klar eine gute Steuerung für das Wachsen der Verjüngung, wodurch eine monolithische Integration von optischen Wellenleiterbauteilen in kleinem Maßstab möglich wird. Dieses Koppelverfahren ermöglicht außerdem eine völlige Trennung der aktiven Zone von Außenflächen, beispielsweise Spaltspiegeln, wodurch eine Vergiftung der aktiven Zone durch die Umgebungsatmosphäre verringert wird.
Es wurde außerdem das Fernfeldmuster für ein TCL-Bauelement gemessen. Für die aus der engen aktiven Zone 16 an der Oberfläche 26 (wo die Dicke der Zone etwa 0,5 yum beträgt) austretende Strahlung betrug der Winkel für das Strahlungsfeld bis zur halben Leistung etwa 48 , während der entsprechende Wert für die passive Wellenleiterschicht an der Oberfläche 24 (wo die Dicke etwa 1,5 p ist) etwa 29° betrug. Diese Werte stimmen gut mit den auf der Grundlage der Wellenleiterabmessungen und Brechungsindices ermittelten Schätzwerten überein. Das Fernfeldmuster wurde bei verschiedenen Pumppegeln bis zu Strömen entsprechend 2J^j1 geprüft. Es wurde keine Änderung des Musters über diesen großen Bereich an Stromdichten beobachtet. Der Moden-Auswahlmechanismus aufgrund der dünnen aktiven Zone 16 und der passiven Wellenleiterschicht 14 war demgemäß
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sehr wirksam. Der Versucht zeigte darüber hinaus, daß eine Moden-Umwandlung in der Zone 14.1 der passiven Wellenleiterschicht 14 vernachlässigbar ist, was sich durch den kleinen Halbenergie-Strahlungswinkel erweist.
Alternativanordnungen
Gemäß Fig. 2 wurde außerdem ein TCL-Bauelement hergestellt, in welchem die aktive GaAs-Schicht 16* (mit einer Dicke von etwa 0,5 lim ) zwei Verjüngungen 16.1 und 16.2 besitzt, derart, daß die Schicht 16' kurz vor den beiden Oberflächen (Spiegeln) 24' und 26' endet. In der aktiven Zone 16' erzeugte Strahlung koppelt über beide Verjüngungen in eine passive AIq 15Ga0 gj-As-Wellenleiterschicht 14', die eine einheitliche Dicke von etwa 0,5 Jtim besitzt. Die Zone 14.1 gemäß Fig. 1 ist also weggefallen. Die restlichen Schichten sind im übrigen im wesentlichen identisch mit denen in Fig. 1. Dieses TCL-Bauelement wurde bei /5 kA/cm und 11H ^ 14% zum Lasern gebracht.
Um zu zeigen, daß integrierte Schaltungen unter Verwendung von TCL-Bauelementen sich leicht herstellen lassen, wurde die monolithische Laser-Modulatorkombination gemäß Fig. 3 gebaut. Die Zusammensetzung der Schichten ist im wesentlichen identisch mit den vorher beschriebenen. Die aktive GaAs-Zone 16'' des TCL-Lasers war etwa 0,5 Aim
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dick und hatte eine einzige Verjüngung 16.1'·, die die Zone 16'· im Inneren der Anordnung enden läßt. Die passive AIq -icGaQ gt-As-Wellenleiterschicht 14'' hatte eine gleichmäßige Dicke von etwa 0,5 um. Vor Bildung der metallischen elektrischen Kontake wurde die zweite Schicht 18' ' mit großem Bandabstand, wie AIq £2^a0 78As en"thäl"t;> maskiert und dann selektiv mit einer Lösung von Ip und KI gelöst in Wasser geätzt, um eine V-förmige Rinne 19 zu bilden, die nach unten bis zur Schicht 18" ' führt. Die Rinne 19 dient zur elektrischen Isolierung des TCL-Lasers vom Abschnitt 21, der bei einer Vorspannung in Sperrichtung durch die Batterie 23 zur Modulation der in die passive Wellenleiterschicht 14'' eingekoppelten Strahlung dient. Die Modulation erfolgt entsprechend der Information aus der Quelle 25. Der Modulator war ein DH-Modulator. Die Rinne 19 kann mit einem elektrischen Isolator, beispielsweise einem Oxyd gefüllt werden, oder anstelle einer Ätzung kann gleich zu Anfang eine Isolation durch einen Protonenbeschuß erzielt werden.
Herstellung von LPE-Bauelementen
Die Bauelemente gemäß Fig. 1 bis 3 wurden durch epitaktisches Aufwachsen aus der flüssigen Phase (LPE von liquid phase epitaxy) unter Verwendung einer herkömmlichen, in Fig. 4A
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dargestellten Züchungsapparatur 50 mit einem Schiffchen und einem Schieber hergestellt. Die Anordnung enthält ein KohleSchiffchen 52 mit einer Vielzahl von Bohrungen oder Gruben 54 (zur Erläuterung sind nur vier dargestellt), die von der Oberseite des Schiffchens in einen Kanal führen, in welchem ein Kohleschieber 56 verschiebbar gelagert ist. Der Schieber, der den Boden der Gruben bildet, weist zwei Ausnehmungen auf seiner Oberseite auf, in die ein Substrat 57 und Sättigungskeime 59 eingebracht sind. Der Abstand zwischen den Keimen und dem Substrat ist gleich dem Abstand zwischen benachbarten Gruben, und die Keime 59 gehen dem Substrat 57 unter jeder Grube voraus. Der Schieber wird von links nach rechts mit Hilfe eines Quarzstabes 58 bewegt, der in eine Bohrung 60 eingesetzt ist, welche im Boden des Schiffchens 92 verläuft. Im Stab 58 ist ein Thermoelement 62 angeordnet, um die Temperatur des Schiffchens zu messen.
Auswechselbare dünnwandige (Wandstärke beispielsweise 0,5 mm) Kohlekästchen 1, 2, 3, 4 ohne Boden passen sauber in jede Grube. In die Gruben, d.h., in das Innere der Kästchen sind Züchtungslösungen 64 eingebracht. Die gesamte Apparatur befindet sich in einem Quarzrohr 66,
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das innerhalb eines Ofens angeordnet ist. In dem Quarzrohr wird eine reine Hp-Umgebung aufrecht erhalten.
Zum Züchten der Schichten beispielsweise gemäß Fig. 1 war das Substrat 57 (100)-orientiertes η-leitendes GaAs. Die Kästchen 1, 2 und 4 enthielten Al, Ga, As und Dotierstoffe mit entsprechenden Anteilen zur Züchtung der Schichten 12, 14 und 18, die zusammengesetzt sind aus
0>220>78As, n-AlQf15GaOf85As bzw. pzusammengesetzt sind. Das Kästchen 3 enthielt Ga und As zum Züchten der aktiven Zone 16 aus n-GaAs, das unabsichtlich durch normalerweise vorhandene Verunreinigungen dotiert ist. Die Schichten wurden durch Aufheizen der Lösungen bis zur Sättigung und dann sequentielles Verschieben des Substrats 57 unter die Lösungen gezüchtet, wobei der Ofen von 8500C mit 0,20C/min abgekühlt wurde. Man beachte, daß Dotierstoffe und überschüssiges GaAs zu Jeder Züchtungslösung erst nach einem vorhergehenden Ausheizen bei 8000C für 16 Stunden mit Zugriff zum Quarzrohr 66 durch eine Durchströmungsöffnung hinzugegeben wurden, um das ausgeheizte Ga nicht wieder zu oxidieren. Die Sättigung am Boden der Lösungen wurde durch die Sättigungskeime 59 sichergestellt.
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Zur Herstellung der Zone 14.1 der passiven Wellenleiterschicht in Fig. 1 wurde das Kästchen 2 abgeändert. Wie in Fig. 4B gezeigt, enthält das Kästchen 2 eine Trennwand 68 aus Kohle, die die Grube in zwei Teile teilt. Die Trennwand 68, die eine Dicke von 100 um besaß und nach unten auf 25yum verjüngt war, wurde so angeordnet, daß ein schmaler Spalt zwischen ihrer Unterseite und der Oberseite des Substrats verblieb. Die Aufwachsgeschwindigkeit unter der Trennwand ist eine Funktion der Größe des Spaltes
/O
und nimmt ab von etwa 35 um/ C bei einem Spalt von etwa 30 um auf 4 um/°C bei einem Spalt von 70/um.
Identische Lösungen wurden auf beiden Seiten der Trennwand 68 eingebracht, so daß die passive Wellenleiterschicht 14 eine einheitliche Zusammensetzung von
hatte. Da die Kohle-Trennwand als Kühl0 50 oc-
fläche wirkt, ist die Wachstumsgeschwindigkeit direkt unter der Trennwand größer als in benachbarten Bereichen, so daß die ursprünglich gewachsene Schicht 14 zwei flache Bereiche verbunden durch eine dickere Zone in Form eines symmetrischen Höckers besitzt, dessen Breite etwa gleich der der Trennwand ist. Man beachte, daß die Anordnung gemäß Fig. 1 nur eine der flachen Zonen 14.2 zeigt, da das Plättchen zur Bildung der Zone 14.1 an der Spitze
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des Höckers gespalten worden ist.
Entsprechend einem weiteren Merkmal der Erfindung wird ein LPF-Wachstum von Schichten mit kontinuierlichen Verjüngungen entsprechend beispielsweise der GaAs-Schicht 16 in Fig. 1 durch Abänderung des Kästchens 3 erzielt, derart, daß es eine Saphir-Maske 70 mit einer Dicke von 0,25 mm und einer Breite von 1,1 mm enthält, die zur gleichen Achse 55 wie die Trennwand 68 des Kästchens 2 zentriert ist. Der Abstand zwischen dem Substrat und der Maske betrug 70 um. Die Maske 70 wurde durch Einkerbungen (nicht gezeigt) auf der Unterseite des Kästchens 3 gehalten. Es ergeben sich zwei Verjüngungen, die der Kante 70.1 bzw. 70.2 der Maske 70 benachbart sind. Die aufwachsenden Schichten haben eine Zone einheitlicher Dicke und eine Verjüngung nahe der Maske, die gleichmäßig über eine Länge von 100 bis 150 um auf die Dicke Null abnimmt, wobei die Punkte mit der Dicke Null nahe den Kanten 70.1 und 70.2 liegen. Die Verjüngungen hatten einen Abstand von 1,1 mm entsprechend annähernd der Breite der Maske. Man beachte wiederum, daß nur eine Verjüngung in Fig. 1 gezeigt ist, und zwar wegen der Art und Weise, in welcher das Plättchen gespalten wurde.
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Es wurde außerdem gefunden, daß die Verwendung einer Kohlemaske anstelle einer Saphir-Maske unzweckmäßig ist, weil eine Kohlemaske einen thermischen Gradienten bewirkt, der das Aufwachsen nahe den Kanten 70.1 und 70.2 verstärkt und bewirkt, daß die Schicht (Verjüngung) mit einem plötzlichen Wall endet, statt gleichmäßig in ihrer Dicke abzunehmen. Allgemein ausgedrückt sollte das Material für die Maske die folgenden Eigenschaften besitzen: Inert gegen Reaktionen mit den Züchtungslösungen, maschinell bearbeitbar oder formbar und mit genügend kleiner thermischer Leitfähigkeit, so daß sich keine merkbare örtliche Abkühlung der Schmelze ergibt, die ein örtliches Aufwachsen begünstigt. Zu solchen Materialien zählen beispielsweise weitere Oxyde (Quarz) und Bohrnitrid.
Es sei darauf hingewiesen, daß die oben beschriebenen Anordnungen lediglich Beispiele für viele mögliche Abwandlungen im Rahmen der Erfindung sind. Insbesondere ermöglicht das bei der Schichtenzüchtung verwendete Verfahren mit den Kästchen große Variationen für die Züchtungsverfahren, wobei diese Variationen für das Züchten von monolithischen integrierten optischen Bauteilen zweckmäßig sind, ohne daß für jede gewünschte Folge von epitaktischen Schichten ein völlig neues Züchtungsschiffchen entwickelt werden muß. Darüber hinaus beeinflußt die Variation der
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2 5 3 8 4 7 Ί
Eigenschaften einer Schicht, die unter Verwendung eines geeignet ausgebildeten Kästchens erzielt worden sind, die Wachstumsbedingungen der benachbarten Schichten nicht. Die Verwendung der Maske 70 ermöglicht zwar das Aufwachsen von Schichtabschnitten mit verjüngten Kanten, aber dieses Verfahren kann auch benutzt werden, um einen Bereich des Wellenleiters freizulassen, beispielsweise in Form der Grube 19 in Fig. 3. Der auf diese Weise gebildete passive Einzel-Heterostruktur-Wellenleiterabschnitt kann eine elektrische Isolierung zwischen benachbarten Bauteilen bewirken, und an dem freiliegenden Wellenleiter kann man verschiedene Verarbeitungsoperationen bekannter Art zur Herstellung von Bauteilen durchführen, beispielsweise verteilten Bragg-Reflektoren, Durchlaßfiltern, rippenförmigen Wellenleitern zur Verbesserung der Moden-Steuerung für seitlich passive Wellenleiter und weitere Bauelemente, deren Betriebsweise kein Wiederaufwachsen von ummantelnden Schichten erfordert. Die Möglichkeit einer unabhängigen Beeinflußung des Divergenz-Winkels über die Zone 14.1 ermöglicht eine Optimierung für die Ankopplung des Lasers an optische Fasern. Darüber hinaus kann eine Molekularstrahl-Epitaxie (MBE) ebenfalls zum Züchten von Schichten mit Verjüngungen benutzt werden. Sowohl das LPE- als auch das MBE-Verfahren sind in bekannter Weise generell zum Züchten von Schichten der Gruppe-IIl(a)-V(a)-Verbindungen geeignet.
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253847Ί
Herstellung von MBE-Bauteilen
Mit Hilfe einer Molekularstrahl-Epitaxie (MBE) wurden extrem gleichmässige und graduelle Verjüngungen mit hohem Kopplungswirkungsgrad hergestellt. Die Anordnung enthielt ein GaAs-Substrat, auf dem drei Schichten aufgewachsen wurden: AIq ^Gsq gAs, AIq -jGaQ gAs und GaAs. Die GaAs-Schicht war verjüngt. Die beiden AlGaAs-Schichten wurden mit Hilfe bekannte MBE-Verfahren gezüchtet, die in der USA-Patentschrift 3 615 931 und in einem Aufsatz von Cho in J. Vac. Sc. and Tech, Band 8, Seite 531, 1971 beschrieben sind. Das Substrat wurde auf einer Temperatur von etwa +6000C gehalten und die Wachstumsgeschwindigkeiten betrugen etwa 1 um/h. Vor Beginn des Auf Wachsens der GaAs-Schicht wurde eine 0,25 mm dicke scharfkantige Maske aus Tantal in ihre Lage etwa 1,4 mm oberhalb der Fläche des Substrats gekippt, wodurch ein Teil des Substrats gegen die etwa 60 mm von der Maske entfernten Ga-und As-Quellen abgedeckt wurde. Es wuchs dann die GaAs-Schicht auf den unmaskierten Bereichen auf, begrenzt durch lineare Verjüngungen mit einer Breite von etwa 200 um im Halbschattenbereich der Maskenkanten. Diese Verjüngungen waren außerordentlich regelmäßig mit Ausnahme eines 20 um breiten Streifens nahe ihrer Kante mit der Dicke Null. Die optische Durchlässigkeit dieser Verjüngung betrug etwa 84% nahe dem GaAs-Bandabstand (A=O,93 Aim) und nahezu 100% bei 1,06 Aim
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unter Verwendung einer Laserquelle. Eine optische Prüfung der Oberfläche zeigte, daß die Hauptverluste auf einer Streuung aus der Verjüngung in dem rauhen, 20 Aim breiten Streifen herrührten, die mit abnehmender Wellenlänge zunahmen .
Zur Verringerung des Bereichs schlechten GaAs-Wachstums an der Kante der Verjüngung wurde eine schlitzförmige Öffnung von 6,1 mm vor die Ga-Kanone mit einem Durchmesser von 9j5 mm gesetzt, wodurch die Quelle auf einen Bereich verhältnismäßig gleicher Flußdichte gebracht und die Innenwände der Kanone ausgeschaltet wurden, die eine kleinere Flußdichte erzeugen. Es ergab sich eine wesentliche Verbesserung. Das in einem Interferenz-Mikroskop betrachtete Profil war von merklich besserer Linearität, der rauhe Bereich war auf nur einige wenige Mikrometer verringert und der Kopplungswirkungsgrad stieg auf im wesentlichen 100% bei allen Wellenlängen an. Die Verjüngungen waren außerdem etwas kurzer, ihre Länge betrug etwa 160 um. Die verbesserte Güte brachte einen verringerten Bereich mit langsamem Wachstum ( ^.0,1 um/h) an der Kante der Verjüngung mit der Dicke Null mit sich, die auf der Apertur der Kanone beruhte.
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Claims (17)

  1. BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMER
    PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN
    Postadresse München: Patentconsult 8 München 60 Radeckestraße 43 Telefon (089)883603/883604 Telex 05-212313 Postadresse Wiesbaden: Pateniconsult 62 Wiesbaden Sonnenberger Straße 43 Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237
    Western Electric Company, Incorporated Logan, R.A. 26-2-6-ζ
    Broadway
    New York, N.Y. 10007 U.S.A.
    Patentansprüche
    / 1.J Optisches Bauelement mit Doppelheterostruktur, das eine erste und eine zweite Schicht mit großem Energie-Bandabstand sowie eine Zone mit kleinerem Bandabstand aufweist, die sich dicht benachbart zwischen der ersten und zweiten Schicht befindet und eine Strahlungsausbreitung zulässt,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Zone eine passive optische Wellenleiterschicht mit einem Energie-Bandabstand kleiner als der der ersten und zweiten Schicht und eine an die Wellenleiterschicht angrenzende aktive Schicht enthält, deren Energie-Bandabstand kleiner als der der Wellenleiterschicht ist,
    daß die aktive Schicht an einem Ende innerhalb des Bauelementes mit einer gleichmäßigen Verjüngung ausläuft, die in der Lage ist, Strahlung aus der aktiven
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    Schicht in die Wellenleiterschicht zu koppeln, und daß sich die Verjüngung in Richtung der Strahlung sausbreitung erstreckt.
  2. 2. Bauelement nach Anspruch 1, mit einer Ausgangsfläche, von der Strahlung ausgeht,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiterschicht angrenzend an die Ausgangsfläche einen Bereich größerer Dicke als der übrige Teil der Wellenleiterschicht aufweist und daß die Dicke dieses Bereiches langsam von der Ausgangsfläche in Richtung auf das Innere des Bauelementes abnimmt.
  3. 3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Ende der aktiven Schicht in einer zweiten Verjüngung innerhalb des Bauelementes endet und daß sich beide Verjüngungen in Richtung der Strahlungsausbreitung, aber entgegengesetzt zueinander erstrecken.
  4. 4. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
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    -25- 25 3 8
    daß die erste und zweite Schicht Al Ga,. R und AlGa1 R beinhalten, wobei R wenigstens As enthält und χ > 0, y > 0 sind, daß die Wellenleiterschicht Al-Ga1 R bei 0 < ζ <x und y aufweist und daß die aktive Schicht Al Ga^_rAs bei 0<r<z enthält.
  5. 5. Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß r = 0 ist und die aktive Schicht GaAs enthält.
  6. 6. Bauelement nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß R sowohl P als auch As enthält.
  7. 7. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Schicht vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp sind, und daß die Wellenleiterschicht und die aktive Schicht den gleichen Leitfähigkeitstyp haben.
  8. 8. Bauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, um das Bauelement in Vorwärtsrichtung vorzuspannen und einen Strom oberhalb des Laser-Schwellenwertes der aktiven Schicht zu
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    liefern, wodurch eine Laser-Strahlung in der aktiven Schicht erzeugt wird.
  9. 9. Verfahren zur Herstellung einer Schicht auf einem Substrat, die eine Verjüngung angrenzend an eine Zone gleichmäßiger Dicke besitzt, mit Hilfe einer Epitaxie aus der flüssigen Phase, dadurch gekennzeichnet, daß eine Maske in dichtem Abstand über einem Teil des Substrats angeordnet wird,
    daß eine gesättigte Quellenlösung in Kontakt mit dem Substrat gebracht wird, während ein gesteuertes Abkühlprogramm für eine Zeitdauer aufrechterhalten wird, die zu einem Wachsen der Schicht bis zu der gewünschten Dicke führt, und daß die Verjüngung angrenzend an die Kanten der Maske gebildet wird.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 9»
    dadurch gekennzeichnet, daß die Quellenlösungen Ga enthalten und die Maske Saphir aufweist.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, daß die gesättigte Quellenlösung Ga und As enthält.
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    -27- 2533^71
  12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung aus Bestandteilen zusammengesetzt ist, die zum Aufwachsen einer Schicht führen, welche eine Verbindung der Form Al„Ga^ _Jt für 0 <x aufweist und wobei R wenigstens As enthält.
  13. 13. Verfahren nach einem der Anspruch 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß R außerdem P enthält, und daß die Schicht AlxGa1^As1 P für y > 0 aufweist.
  14. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar vor dem Aufwachsen der verjüngten Schicht eine erste Schicht mit einem größeren Energie-Bandabstand als die verjüngte Schicht gezüchtet wird, daß dann die Maske in dichtem Abstand von der ersten Schicht angebracht und unmittelbar nach dem Aufwachsen der verjüngten Schicht eine zweite Schicht mit einem größeren Energie-Bandabstand als die verjüngte Schicht gezüchtet wird.
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  15. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar vor dem Aufwachsen der verjüngten Schicht eine erste Schicht mit einem größeren Energie-Bandabstand als die verjüngte Schicht gezüchtet wird, daß dann die Maske in dichtem Abstand zu der ersten Schicht angebracht wird und Verarbeitungsoperationen auf demjenigen Teil der ersten Schicht durchgeführt werden, welcher sich unter der Maske befand.
  16. 16. Vorrichtung zur Herstellung des Bauelementes nach Anspruch 1 mit einem Halter für die Quellenlösung, der wenigstens eine Bohrung für eine Quellenlösung enthält, und mit einem Substrathalter, der eine Ausnehmung zur Aufnahme eines Substrats besitzt, wobei der Quellenlösungshalter und der Substrathalter relativ zueinander beweglich sind, um die Lösung und das Substrat in Kontakt miteinander zu bringen, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung eine dünne flache Maske enthält, die am Boden der Bohrung in dichtem Abstand von dem Substrat angeordnet ist, daß die Maske den unter ihr befindlichen Teil des Substrats gegen die Quellenlösung abschirmt und daß die Verjüngung an der Kante der Maske gebildet wird.
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  17. 17. Vorrichtung nach Anspruch 16,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein entfernbares hohles Modul enthält, das sauber in die wenigstens eine Bohrung passt, daß das Modul am Boden und der Oberseite offen ist, um die Aufnahme der Lösung und einen Kontakt mit dem Substrat zu ermöglichen, und daß die Maske quer über dem offenen Boden des Moduls befestigt ist.
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