DE2600195C2

DE2600195C2 - Injektionslaser und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2600195C2
Application number: DE2600195A
Authority: DE
Inventors: David Francis Waltham Abbey Essex Lovelace; George Horace Brooke Harlow Essex Thompson
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1975-01-09
Filing date: 1976-01-05
Publication date: 1983-12-15
Also published as: DE2600195A1; US4011113A; FR2297507A1; AU1002376A; CH596680A5; FR2297507B1; GB1531238A; AU500573B2

Description

Nach dem Ätzen wird das Plättchen erhitzt, damit das p-Ieitende Dotierungsmaterial der Schicht 4 in die darunterliegenden η-leitenden Schichten 2 und 3 diffundiert, gleichsam die pn-Ubergangsfront 8 in die Schicht 2 hineintragend. Zu diesem Zweck muß die Schicht 4 eine größere Trägerkonzentration besitzen als die darunterliegenden Schichten 2 und 3, und die Beweglichkeit ihres Dotierungsmaterials muß ebenfalls größer sein.- Ein weiterer Verfahrensschritt besteht in der Ausbildung von durch Metallisierung aufgebrachten Kontaktschichten 9 und 10 auf den p- und n-Ieitenden Seiten des Bauelements. Die dielektrische Schicht 11 unter dem Kontakt 9 schützt vor einem Kurzschließen des pn-Übergangs. Die Schicht 11 kann nach einer der üblichen Techniken zur Ablagerung einer Passivie- '"> rungsschicht hergestellt werden, jedoch verlangt dies normalerweise die Entfernung der ursprünglichen Maske, die die vorstehende Rippe bedeckt und somit ist eine Demaskierung erforderlich, damit die Passivierung oben von der Rippe entfernt werden kann, um diese gegenüber der Kontaktschicht 9 freizulegen. Diese Demaskierung erfordert eine genaue Ausrichtung für den Fall von dünnen, breiten Rippen, und ej ist deshalb vorzuziehen, die Isolierung durch ein Verfahren aufzubringen, das von der Maske Gebrauch macht, die zur Ausbildung der Rippe selbst Anwendung findet und somit eine Demaskierung vermeidet Eine Möglichkeit besteht darin, die Schicht 11 anodisch aufzubringen. Die so gebildete Schicht muß in der Lage sein, den Temperaturen zu widerstehen, die bei der nachfolgenden Diffusion des p-leitenden Dotierungsmaterials durch die Schicht 3 in die Schicht 2 auftreten.

Um eine größtmögliche Kontrolle sowohl der Tiefe als auch der seitlichen Ausbreitung der Diffusion zu bekommen, sollte diese so flach wie möglich durchge- *> führt werden, d. h. daß die n-Ieitende Schicht 3 dünn sein muß. Ihre zulässige Grenzstärke ist durch die zulässige Nähe der optischen Führungsschicht 2 zur Grenzfläche zwischen der Schicht 3 und der dielektrischen Schicht 11 gegeben. Da der Brechungsindex der dielektrischen Schicht 11 geringer ist als der der Schicht 4, bewirkt eine geringe Entfernung der optischen Führungsschicht 2 von der Grenzfläche zwischen der Schicht 3 und der dielektrischen Schicht 11, daß das in der optischen Führungsschicht 2 geführte Licht von den Zonen unter ⁴> der Grenzfläche ferngehalten und somit unter der Rippe konzentriert wird. Nur wenn die Ausschaltung so groß wird, daß transversale Moden höherer Ordnung unter der Rippe ausgebildet werden können, kann man die Grenzfläche als zu nahe liegend ansehen. Die Bedin- '" gung für eine einzelne Triode hängt von der Breite der Rippe ab, und zwar so, daß, je schmaler die Rippe ist, die Menge aw Material um so größer ist, das von den Zonen entfernt werden kann, die die Rippe flankieren, bevor transversale Moden höherer Ordnung auftreten. Das bedeutet, daß bei einer schmaleren Rippe die Schicht 3 dünner sein kann mit dem Ergebnis, daß das p-leitende Dotierungsmaterial durch eine kürzere Strecke hindurch diffundieren muß und daß somit die seitliche Diffusion verringert wird und die Übergangsbreite mehr der Breite der Rippe entspricht. Diese Faktoren wirken in einer Weise zusammen, daß eine Rippenbreite von ca. 1 |im in einem Bauelement mit einer Stärke der Schicht 3 von 0.1 bis 0.2 μπι nicht unpraktisch ist.

Als bewegliches p-leitendes Dotierungsmaterial für die Schicht 4 eignet sich Zink, das eine wesentlich größere Beweglichkeit als Zinn oder Tellur aufweist, die als Dotierungsmaterial 'är η-leitende Schichten verwendet werden können. Im Vergleich zur Schicht 4 sind die Schichten 2 und 3 niedrig dotiert, so daß die Diffusion des Zinks in die Schichten 2 und 3 leicht zu einer Umkehr des Leitungstyps führt Die Schicht 4 besitzt eine charakteristische Trägerkonzentration von 3 bis 4 · 10¹⁸ cm-³, die Schichten 2 und 3 dagegen eine von 1 bis 2- 10^I8cm-³. Die Schicht 1 besitzt eine etwas höhere Trägerkonzentration von ca. 2 - I0^I8cm-³, um die Gefahr auf ein Minimum zu senken, daß der pn-Obergang in sie eindringt Die Schicht 5 besitzt eine höhere Trägerkonzentration, charakteristischerweise von Co. 10^l9cm-³, um den Widerstand des ohmschen Kontakts möglichst zu verringern. Eine hohe Dotierbeweglichkeit ist nicht erwünscht und somit können Germanium oder Magnesium als geeignetes Dotierungsmaterial benutzt werden.

Die Anforderungen bezüglich der Stärke und die Zusammensetzungen der Schichten 1 und 2 sind die gleichen wie die bei herkömmlichen Doppelheterostruktur-L-asern. Die Schicht 1 ist gewöhnlich eine 1 μπι starke Schicht aus Gao/AIo^As unc¹ die Schicht 2 eine 0,2 μΐη dicke Schicht aus GaAs. Dis Schichten 3 und 4 haben den gleichen Prozentgehalt an AlAs wie die Schicht 1. Die Schicht 4 ist 1 μπι dick, und bei einer Rippenbreite von 2 μπι liegt die Stärke der Schicht 3 vorzugsweise bei 0,2 μπι.

Die Schicht 2 kann wahlweise aus GaAlAs hergestellt sein, vorausgesetzt daß der Prozentgehalt an Aluminium wesentlich unter dem der Schichten 1,3 und 4 liegt

Drei Schichten können anstelle einer einzigen Schicht 2 verwendet werden, um einen etwas komplexeren Aufbau zu erzeugen, bei dem die Funktionen der elektrischen Begrenzung und der optischen Führung im wesentlichen voneinander getrennt sind. In diesem Fall wird die Mittelschicht der drei Schichten aus einem Material kleineren Bandabstands hergestellt als die zwei flankierenden Schichten, die wiederum aus Material kleineren Bandabstands gegenüber den Schichten 1 und 2 hergestellt sind. Die Vorteile einer derartigen fünfschichtigen HeteroStruktur sind in der GB-PS 12 63 835 erläutert, auf die hiermit verwiesen wird.

•Hie Zinkdiffusion wird beendet wenn der pn-übergang in der aktiven Schicht 23 liegt, die von den fünf Schichten die Mittelschicht und auch diejenige mit dem kleinsten Bandabstand ist. Das ist die in dem Bandabstandsdiagramm nach Fig.2a aufgezeigte Bedingung. Wenn jedoch die Diffusion nicht tief genug ginge, so daß der pn-übergang in der Schicht 22 unmittelbar oberhalb der aktiven Schicht zum Stehen käme, würde die Bedingung gelten, wie sie in dem Bandabstandsdiagramm nach F i g. 2b aufgezeigt ist. In diesem Fall wäre eine zusätzliche Spannung ο V erforderlich, um die injizierten Elektronen über aie Potentialbarriere und in die aktive Schicht zu bringen. Nach einer groben Abschätzung, die von einer Trägerkonzentration in der aktiven Schxht von ca. 2 · 10^l8cm-³ beim Laser-Schwellwert ausgeht, betrag« diese zusätzliche Spannung ca. 20 mV für eine AIAs-Stufe von 16% an dem HeteroÜbergang zwischen der Schicht-21-Kolizentration an der Heteroübergangsgrenze und der aktiven Schicht 22. Eine analoge Situation (F i g. 2c) würde eintreten, wenn die Diffusion so tief wäre, daß der pn-Übergang in (!er Schicht 24 unmittelbar unterhalb der aktiven Schicht zum Stillstand käme. In diesem Fall würden die injizierten Löcher eine zusätzliche Spannung ο V erfordern, um unter der Potentialbarriere in den η-leitenden Teil der Schicht 24 zu gelangen. Unter den gleichen Vorausset-

zungen wie oben läßt sich berechnen, daB bei einer AIAs-Stufe von 10% der Spannungsabfall weniger als 20 mV betragen würde. Für einen Spannungsabfall von 100 mV wird berechnet, daß beide oben genannten AIAs-Stufen um ca. 6% erhöht werden könnten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: 26 OO

1. Doppelheterostruktur-Injektionslaser mit einer die aktive Zone enthaltenden Schicht, die oben und unten durch Schichten mit kleinerem Brechungsindex und größerem Bandabstand begrenzt ist, einer über der obersten Schicht vorstehenden Rippe, welche sich in einem schmalen Streifen in Richtung der optischen Achse des Lasers von einem Ende desselben zum anderen ausdehnt und mit einem die Seiten der Rippe und die von der Rippe nicht überdeckten Teile der obersten Schicht bedeckenden Medium mit kleinerem Brechungsindex, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bereich unterhalb der Rippe (7), der in Längs- und *5 Querrichtung im wesentlichen von Größe und Lage der Rippe (7) bestimmt ist und der in der Tiefe sich bis in die die aktive Zone enthaltende Schicht (2) erstreckt, denselben Leitungstyp aufweist wie die Rippe (7^„ daß die übrigen Bereiche der die aktive Zone enthaltenden Schicht (2), der darüberliegenden Schicht (3) bzw. Schichten und die Schicht (1) unter der die aktive Zone enthaltenden Schicht (2)'den dem Leitungstyp der Rippe (7) entgegengesetzten Leitungstyp aufweisen und daß das die oberste Schicht (3) bedeckende Medium (11) mit kleinerem Brechungsindex so nahe avi der die aktive Zone enthaltenden Schicht (2) liegt, daß die Laserstrahlung sich vorzugsweise in dem Bereich unter der Rippe (7) ausbreitet *>

2. Doppelheterostruktur-Injektionslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser aus GaAIAs besteht.

3. Verfahren zur Herstellung eines Doppelheterostruktur-lnjektionslasers nacK Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: Ausbildung einer Doppelheterostruktur mit einer Schicht, begrenzt auf beiden Seiten durch Schichten des gleichen Leitungstyps, aber mit größerem Bandabstand, wobei die obere der beiden Schichten eine Stärke besitzt in der Größenordnung der Wellenlänge der Laserstrahlung in ihr, Ausbildung einer Epitaxschicht entgegengesetzten Leitungstyps auf der oberen Schicht unter Verwendung eines den Leitungstyp bestimmenden Dotierungsmaterials größerer Beweglichkeit und in größerer Konzentration als bei der Ausbildung der darunterliegenden Schichten der Doppelheterostruktur, selektive Entfernung der gesamten Epitaxschicht bis auf einen Streifen, der sich senkrecht zur Trennebene erstreckt, und Erhitzen der Struktur zur Förderung der Diffusion des mobileren Dotierungsmaterials, bis der pn-Übergang unter dem Streifen in die Schicht der Doppelheterostruktur übergeführt ist, die einen kleineren Bandabstand aufweisl.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser aus GaAIAs hergestellt ist und das Dotierungsmaterial größerer Beweglichkeit Zink ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive Entfernung durch einen selbstbegrenzenden elektrochemischen Ätzvorgang bewirkt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive Entfernung durch anodisches Ätzen bewirkt wird.

Die vorliegende Erfindung betrifft Doppelheterostruktur-Injektionslaser nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und ein Verfahren zur Herstellung solcher Laser.

Ein Laser dieser Art ist aus der DE-OS 23 12 162 bekannt

In der GB-PS 12 73 284 wird ein Weg beschrieben, wie man eine seitliche Begrenzung des Stromflusses in einem Injektionslaser mit HeteroStruktur erLält, wobei sich der pn-übergang nur mit einem geringen Teil seiner Länge in das Material mit kleinerem Bandabstand hinein erstreckt Unter diesen Bedingungen wird der Stromfluß durch den pn-übergang auf den Bereich begrenzt, der sich in dem Material mit dem kleineren Bandabstand befindet Diese Strombegrenzung ist von einer optischen Begrenzung begleitet, die durch die HeteroÜbergänge bewirkt wird. Diese optische Begrenzung kann verhältnismäßig stark sein, aber ni>x in einem der beschriebenen Ausbildungsformen umfaßt der HeteroÜbergang völlig die aktive Zone und bewirkt eine starke optische Begrenzung über die gesamte aktive Zone.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Alternative für die seitliche optische Begrenzung des Laserraums anzugeben.

Die Aufgabe wird bei einem Injektionslaser gemäß dem Oberbegriff f-ts Hauptanspruchs erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs. Ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Ihjektionslasers wird in Anspruch 3 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Es folgt eine Beschreibung der Herstellung eines GaAlAs-Doppelheterostruktur-Lasers, der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung verkörpert. Die Beschreibung bezieht sich auf die Zeichnungen, in denen

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Querschnitts durch den Laser und

F i g. 2 das Banddiagramm einer modifizierten Version des Lasers nach F i g. 1 darstellt.

F i g. 1 zeigt die Folge von drei η-leitenden Schichten 1, 2 und 3 und zwei p-leitenden Schichten 4 und 5, die epitaktisch auf einem η-leitenden GaAs-Substrat 6 aufgewachsen sind. Die mittlere η-leitende Schicht 2 besitzt einen kleineren Bandabstand als die Schichten 1 und 3. Die Schichten 2 und 3 sind wiederum dünner als die Schicht 1. Die Schicht 2 sollte eine Trägerkonzentration (n-Leitungstyp) besitzen, die ungefähr gleich ist der Elektronenkonzentration, die in diesen Teil injiziert wird, der die aktive Schicht des Lasers darstellt, wenn der Laser den Schwellwert erreicht (ca. I bis Ί ■ 10¹⁸cm-³). Die Schicht 4 sollte eine größere Trägerkonzentration und einen größeren Bandabstand als die Schicht 2 aufweisen, während die Schicht 5 aus GaAs besteht und den elektrischen Kontakt mit dem p-leitenden Material erleichtern soll.

Der Mittelstreifen der Schicht 5 ist maskiert, so daß der Rest der Schichten 4 und 5 selektiv weggeätzt werden kann und die Rippe 7 zurückbleibt. Die Maske wird so ausgerichtet, daß die Rippe sich senkrecht zur Trennebene erstreckt. Der Ätzvorgang soll am pn-Übergang enden, der die Grenze zwischen den Schichten 3 und 4 bildet, und deshalb ist es von Vorteil, wenn man ein selbstbegrenzendes elektrochemisches Ätzverfahren für diesen Schritt verwendet.

Gegebenenfalls kann das erforderliche Material auch durch anodisches Ätzen entfernt werden.