DE2812727A1 - Verfahren zur herstellung eines doppelheterostruktur-injektionslasers - Google Patents
Verfahren zur herstellung eines doppelheterostruktur-injektionslasersInfo
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Description
G.H.B. Thompson 23-6
VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES DOPPELHETEROSTRUKTUR-INJEKTIONSLASERS
Aus der DE-OS 26 00 195 ist ein Doppelheterostruktur- Injektionslaser
und ein Verfahren zu seiner Herstellung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt.
Bei diesem Laser, der aus Material der dritten und fünften Gruppe des Periodensystems besteht, ist der pn-übergang durch
Diffusion eines beweglichen Dotierungsmaterials im Bereich eines schmalen Streifens in die aktive Zone hinein verlagert.
Als Folge der Diffusion ist die aktive Zone mit einem Streifen eines Leitfähigkeitstyps (p) versehen, der vom übrigen
Bereich durch einen pn-übergang getrennt ist, der in Bereichen außerhalb dieses Streifens an beiden Seiten von Halbleitermaterial
mit größerer Bandlücke begrenzt wird. Unter geeigneten Bedingungen kann diese Konfiguration von sich schneidenden
pn- und HeteroÜbergängen einen Stromfluß über den pn-übergang hinweg bewirken, der scheinbar ausschließlich auf das Gebiet
oder die Gebiete beschränkt ist, wo der pn-übergang eine Grenze des Streifens in der aktiven Zone bildet.
Aufgabe
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Herstellungsverfahren
für einen Laser der eingangs genannten Art anzugeben, durch das eine geeignete räumliche Strombegrenzung beim Betrieb
des Lasers erreicht wird.
Kg/Sch
20.O3.1978
20.O3.1978
809841/073S
G.H.B.Thompson 23-6
Lösung
Die Aufgabe wird wie im Patentanspruch 1 angegeben gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind den
ünteransprüchen entnehmbar.
Es sei zunächst bemerkt, daß die aktive Schicht nicht notwendigerweise
eine durchgehende Zusammensetzung zu haben braucht. Insbesondere kann die aktive Schicht selbst eine
dreischichtige Struktur sein, die aus einer mittleren Schicht aus Material mit kleiner Bandlücke besteht, die sich zwischen
zwei Schichten aus Material mit etwas größerer Bandlücke befindet. Alle diese drei Schichten, die eine solche tiefe
Zone darstellen, bestehen jedoch aus Material mit kleinerer Bandlücke als das Material größerer Bandlücke der Schichten,
zwischen denen sich die aktive Zone befindet. Die Verwendung einer zusammengesetzten aktiven Zone dieser Art ermöglicht
eine gewisse Trennung der Funktionen der Lichtbeschränkung und der Minoritätsträgerbeschränkung in der zur Ebene der
aktiven Zone senkrechten Richtung. Dies ist eingehender in der britischen Patentschrift 1 263 835 beschrieben.
Außerdem soll erwähnt werden, daß der Doppelheterostruktur-Injektionslaser
nicht ein Ga1 Al As-System sein muß. Die Erfindung ist auch anwendbar auf andere Halbleiter, so
auch auf Dreikomponenten-Halbleiter wie z.B. Ga1^xInxAs und
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G.H.B.Thompson 23-6
auf Vierkomponenten-Halbleiter wie z.B. Ga.. In As« P .
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:
Die Fig.1a, 1bf 1c drei Varianten des mittleren Teils
des herzustellenden Lasers,
die Fig.2a, 2b, 2c drei weitere Varianten des mittleren
Teils des herzustellenden Lasers,
die Fig.3a bis 3c aufeinanderfolgende Schritte bei der
Herstellung des Lasers und
die Fig.4a bis 4b die aufeinanderfolgenden Schritte eines
zu den Figuren 3a-3c alternativen Herstellungsverfahrens.
Die Figuren 1a, 1b und 1c zeigen jeweils eine aktive Zone aus n-leitendem Ga«_x-j Alx-JAs-Material mit kleinera:Bandlücke,
wobei x1^0 ist, und diese Zone sich zwischen einer oberen
und einer unteren Schicht 11 und 12 aus η-leitendem Gai_X2A1 X2As"
Material mit größerer Bandlücke befindet (x2 y x1). Die Schicht
11 ist mit einer p-leitenden Schicht 11a bedeckt, also mit einem Material mit größerer Bandlücke. In jede dieser
Strukturen ist entlang eines Streifens, der sich in der Laserrichtung erstreckt, Zink eindiffundiert und hat durch
Umwandlung eines Teils des ursprünglich η-leitenden Materials in p-leitendes Material eine Absenkung des ursprünglich
zwischen den Schichten 11 und 11a verlaufenden pn-Ubergangs
13 bewirkt.
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Dieser pn-übergang kann, wie in Fig.1a gezeigt, teilweise
durch die aktive Schicht verlaufen, er kann, wie in Fig.1b, vollkommen in die aktive Schicht hineingreifen oder er
kann durch die aktive Schicht 10 hindurch in die untere Schicht 12 hineinreichen, aber nicht über diese hinausgehen,
wie in Fig.1c gezeigt. Die Zinkdiffusion bewirkt also einen Streifen 14 aus p-leitendem Material innerhalb der aktiven
Zone 10. Der pn-übergang 13 wird auf einer oder auf beiden Seiten durch Material mit kleinerer Bandlücke begrenzt, wo
er am Rand des Streifens 14 liegt. Anderswo wird der pnübergang auf beiden Seiten von Material mit größerer Bandlücke
begrenzt.
Wenn eine solche Anordnung in Vorwärtsrichtung leicht vorgespannt wird, so fließt der Strom über den pn-übergang
hinweg fast ausschließlich durch das Gebiet, wo dieser im Material mit kleinerer Bandlücke liegt. Dies beruht darauf,
daß der Spannungsabfall am pn-übergang hier kleiner ist als anderswo. Mit steigender Vorspannung kann der Zustand eintreten,
daß der Reihenwiderstand im Bereich des Stromflusses
einen Potentialabfall hervorruft, der gleich dem Bandlückenunterschied ist. Wenn dies geschieht, wird der
Strom beginnen über andere Teile des Übergangs zu fließen, falls der resultierende Stromfluß nicht dem gleichen Potentialabfall
unterliegt. Daher ist innerhalb des in den Figuren 1a, 1b und 1c gezeigten Bereiches bei kleinen Spannungen
in Vorwärtsrichtung der Strom gut räumlich beschränkt, jedoch ist bei ansteigender Spannung die Form des pn-überganges
nicht allein ausreichend, um den Stromfluß über den pn-übergang auf den Bereich des Streifens 14 zu beschränken. Sollte
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in einem von dem Streifen 14 entfernten Gebiet der pn-übergang nur an einer Seite von Material mit größerer Bandlücke
beschränkt sein, so wird die vom pn-übergang bewirkte Strombegrenzung weniger effektiv sein, als wenn der pn-übergang
auf beiden Seiten von Material mit größerer Bandlücke beschränkt wäre. Aus diesem Grund ist dafür gesorgt, daß der pn-übergang
überall, außer an den Rändern des Streifens 14, auf beiden Seiten von Material mit größerer Bandlücke begrenzt ist.
Normalerweise wird das Material der unteren Schicht 12 mit größerer Bandlücke auf einem GaAs-Substrat gezüchtet,
und in diesem Fall darf es nicht zugelassen werden, daß die Zinkdiffusion den pn-übergang durch die untere Schicht 12
hindurch in das Substrat hineinverlagert. Würde der pnübergang in das Substratmaterial eindringen, so würde dies
parallel zur der Strombegrenzung des Streifens 14 einen weiteren Bereich der Strombegrenzung zur Folge haben. Falls
die aktive Zone aus GaAs hergestellt ist, haben die Gebiete der Strombegrenzung ähnliche Impedanzen. Wenn aber die aktive
Zone etwas AlAs enthalten soll, so würde das Gebiet des pn» Übergangs im Substratmaterial die niedrigere Impedanz haben
und somit eine Art Kurzschluß über den Streifen 14 hinweg darstellen.
Wie man aus den 2a, 2b und 2c sieht, muß die aktive Zone nicht notwendigerweise eine einheitliche Zusammensetzung
haben, sondern kann aus Gründen, die in der britischen Patentschrift 1 263 835 beschrieben sind, beispielsweise
eine mittlere Schicht aus Ga. ..Al ..As haben, die sich
zwischen zwei Schichten 22 aus Gai_X3AlX3As befindet. Alle
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diese drei Schichten haben eine kleinere Bandlücke als die Schichten 11 und 12, d.h. es ist x2>x3>x1>0. In
einer typischen Struktur ist x1 =0,05, X3 = 0,1 und x2 = 0,4,
Die Figuren 3a bis 3c zeigen aufeinanderfolgende Schritte bei der Herstellung eines Lasers gemäß der Erfindung. Der
Laser ist aufgebaut aus einem Plättchen (Fig.3a), das aus fünf Schichten 31 bis 35 besteht, die epitaxial auf einem
Substrat 30 aus η-leitendem GaAs gezüchtet sind, das eine typii
hat.
hat.
18 typische Ladungsträgerkonzentration von etwa 10 cm
Die aktive Zone ist die Schicht 32 und ist aus n-leitendem
Ga1 ,.Al ..As hergestellt, wobei x1 einen typischen Wert von
0,05 hat. Die Wahl der Ladungsträgerkonzentration dieser Schicht stellt einen Kompromiß dar. Eine hohe Ladungsträgerkonzentration
ist wünschenswert, da dies eine gute Elektroneninjektion in den Teil der Schicht hinein ergibt, die später
in p-leitendes Material umgewandelt wird. Jedoch ergibt eine hohe Ladungsträgerkonzentration auch einen großen Unterschied
im Brechungsindex, und dies ist für viele Anwendungsfälle unerwünscht, weil ein Ansteigen der Brechungsindexdifferenz
eine entsprechende Verkleinerung der Streifenbreite erfordert, um den Einmodenbetrieb zu erhalten. Bei einer aktiven Zone
mit einer typischen Dichte zwischen 0,1 und 0,5 ym kann eine
17 -3 Ladungsträgerkonzentration in der Größenordnung von 5 χ 10 cm
für eine Streifenbreite von etwa 3 ym gewählt werden.
17 -3 Eine ähnliche Ladungsträgerkonzentration von etwa 5 χ 10 cm
läßt sich bei den Schichten 33 und 31 verwenden. Beid.e diese Schichten sind aus Ga1 __ 2A1 2As hergestellt, wobei x2
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typischerweise 0,35 beträgt und beide Schichten aus n-leitendem
Material bestehen. Die Schicht 31 ist die untere Schicht aus Material mit großer Bandlücke der HeteroStruktur und ist
eine relativ dicke Schicht von 3 bis 4 ym, so daß ein wesentlicher Spielraum besteht, die darauffolgende Diffusion
von p-Material ohne ein Risiko des Eindringens des pnübergangs
in das darunterliegende Substrat 30 fehlerfrei zu beenden. Falls erwünscht, kann die Ladungsträgerkonzentration
dieser unteren Schicht 31 erhöht werden, um die Weiterverlagerung des pn-überganges an der oberen Oberfläche
dieser Schicht zu sperren.
Die Schichten 34 und 35 bestehen beide aus p-leitendem
Material. Die Schicht 34 ist aus Material mit der größeren Bandlücke und hat, abgesehen von dem Ladungsträgertyp der
Dotierung, die gleiche Zusammensetzung wie die darunterliegende obere Schicht 33 mit der größeren Bandlücke. Die
Ladungsträgerkonzentrationen der Schichten 33 und 34 sind ebenfalls etwa gleich, wogegen die Schicht 35, die als
Kontaktschicht dienen soll, eine höhere Ladungsträgerkonzen-
tration von etwa 2 χ 1019 cm~3aufweist. Die Schicht 35, die
aus GaAs hergestellt ist, ist etwa 1 pm dick. Die Schichten
33 und 34 sind zusammen auch etwa 1 pm dick oder etwas dicker,
um den richtigen Abstand der Licht absorbierenden Schicht hoher Ladungsträgerkonzentratxon von der aktiven Zone ohne
Einführung eines übermäßigen Reihenwiderstandes vorzusehen.
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Die Schichten 33 und 34 sind die übereinanderliegenden Teile der oberen Schicht der HeteroStruktur, die aus dem
Material mit der größeren Bandlücke besteht.
Die oben liegende Oberfläche des Plättchens ist mit einer undurchlässigen Maskierungsschicht 36 versehen, beispielsweise
aus durch Hochfrequenzablagerung aufgebrachtem
Siliziumdioxid. Mit einer herkömmlichen photolotographischen Technik wird mit Fluorwasserstoffsäure ein Schlitz 37 durch
die Siliziumdioxid-Maskierungsschicht 36 hindurchgeätzt, um das darunterliegende Halbleitermaterial freizulegen,(Aus
Gründen der Darstellung zeigen die Fig.3a bis 3c und 4a bis 4d jeweils ein Plättchen mit nur einem Schlitz. Nur ein
Schlitz ist notwendig bei der Herstellung eines einzelnen Lasers, aber entsprechend der normalen Praxis bei der Herstellung
von Halbleiteranordnungen werden im allgemeinen die Laser reihenweise hergestellt, und aus diesem Grund wird
ein Plättchen normalerweise mit einer Reihe von Schlitzen versehen sein, um die Fertigung einer Reihe von Lasern auf
einem einzigen Plättchen zu ermöglichen).
Der nächste Verfahrensschritt besteht darin, ein sehr
bewegliches Dotierungsmaterial vom p-Typ wie z.B. Zink oder Magnesium durch den Schlitz 37 eindiffundieren zu
lassen, um den unter dem Schlitz liegenden Teil des pnübergangs nach unten in oder durch die aktive Schicht
hindurch zu verlagern. Zu diesem Zweck kann man Zink in das Plättchen, das in einer reaktionstragen Atmosphäre
eindlffundieren lassen.
wie beispielsweise Wasserstoff gehalten wird/YEntsprechend
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einem dazu alternativen bevorzugten Verfahren wird eine bestimmte Menge Zink in Gallium gelöst und dazu eine
geeignete Menge von Galliumarsenid hinzugefügt. Die relativen Mengen von Gallium und Galliumarsenid werden
derart gewählt, daß ein Verhältnis von Gallium zu Arsen entsteht, das, bei der Temperatur, bei der die Diffusion
erfolgen soll, geeignet ist zur Züchtung von Material mit der gleichen Zusammensetzung wie der der Schicht 34 mittels
Flüssigphasen-Epitaxie.
Dieses Quellenmaterial bringt man an ein Ende einer Kapsel aus Siliziumdioxid, und das Plättchen bringt man an das
andere Ende. Ein kleines Stück Silizium wird in die Kapsel gebracht, die darauf evakuiert und abgedichtet wird. Das
Siliziumdioxid dient als eine Art "Fangstoff" für den Fall, daß Sauerstoff entsteht. Die Diffusion wird darauf bewirkt,
indem die abgedichtete Kapsel in einen Ofen gebracht wird, der das Ende mit dem Quellenmaterial auf eine leicht höhere
Temperatur aufheizt als das das Plättchen enthaltende Ende. Diese Diffusion bewirkt, daß der darunter liegende Teil des
zwischen den Schichten 33 und 34 bestehenden pn-Ubergangs nach unten in Form eines näherungsweise ü-förmigen Kanals
38 (Fig.3b) versetzt wird. Die Diffusion endet, wenn der Boden dieses Kanals die gewünschte Lage bezogen auf den
HeteroÜbergang zwischen den Schichten 31 und 32 erreicht hat.
Nach abgeschlossener Diffusion wird eine Metallkontaktschicht 39 (Fig.3c) durch Aufdampfen auf die Oberfläche der
Siliziumdioxid-Maske und in ihren Schlitz 37 hinein aufgebracht, um einen Kontakt mit dem darunterliegenden p-Material der
Schicht 35 herzustellen.
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Ein möglicher Nachteil des oben beschriebenen Herstellungsverfahrens
besteht darin, daß die Maskierungsschicht 36 aus Siliziumdioxid zurückbleibt, um den Stromfluß in der oberen
Oberfläche auf den Bereich unmittelbar oberhalb des p-leitenden Streifens in der aktiven Zone zu beschränken. Diese Schicht
von Siliziumdioxid bringt eine mechanische Spannung in das darunter liegende Halbleitermaterial.
Das Herstellungsverfahren, das nun anhand der Fig.4 beschrieben
wird, ist weitgehend ähnlich mit dem bereits anhand von Fig.3 beschriebenen. Es ist jedoch bei Fig.4 eine zusätzliche
epitaxiale Schicht 40 vorgesehen, die es ermöglicht, das Siliziumdioxid wieder zu entfernen. Die Schicht 40 wird auf
der Schicht 35 gezüchtet, bevor die Siliziumdioxid-Schicht aufgebracht wird. Die Schicht 40 ist eine η-leitende Schicht
und bewirkt einen pn-übergang 41, der dazu dient, den Stromfluß zu beschränken, indem der übergang während des normalen
Laserbetriebs in Sperrrichtung vorgespannt wird. Im Bereich des herausgeätzten Schlitzes 37 muß dieser pn-übergang 41
entfernt werden. Dies kann in herkömmlicher Weise dadurch erreicht werden, daß dafür gesorgt wird, daß die Schicht 40
aus Ga1 Al As ausreichend Aluminiumarsenid enthält, um von
i-x χ Fluordem Ätzmittel für Wasserstoffsäure, mit dem der Schlitz 37
herausgeätzt wird, angegriffen zu werden (Fig.4a). Nun wird an diesem Plättchender gleiche Zinkdiffusionsprozess wie
bereits an Hand von Fig.4b beschrieben durchgeführt. (Fig.4b)
Als nächster Schritt wird die Maskierungsschicht 36 aus Siliziumdioxid entfernt (Fig.4c). Dies kann wie üblich durch
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G.H.B.Thompson 23-6
Plasmaätzen in beispielsweise Schwefelhexafluorid geschehen. ' Eine bekannte Anordnung zum Plasmaätzen ist im britischen
Patent 1 461 636 beschrieben. Die vom Plasmaätzen übrig bleibenden Rückstände lassen sich durch Eintauchen des
Plättchensin Brommethanol und Spülen in Methanol entfernen.
Schließlich wird die obere Metallkontaktschicht 39 durch Aufdampfen auf die obere Oberfläche (Fig.4d) aufgebracht.
Wenn der Laser in Betrieb ist, ist der pn-übergang in Durchlaßrichtung
vorgespannt, die Bereiche des pn°übergangs 42 jedoch in Sperrrichtung, so daß dar Stromfluß vom oberen Kontakt
in das darunter liegende Halbleitermaterial auf das Streifengebiet 42 beschränkt wird, wo der Metallkontakt an
dem p-Material anliegt»
80984t/073S
Claims (1)
- Dipl.-Phys.Leo Thul
Kurze Str.8
7 Stuttgart 30G.H-B.Thompson 23-6INTERIiATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORKPatentansprüche1. Verfahren zur Herstellung eines Doppelheterostruktur-Injektionslasers, dessen aktive Zone aus einer Schicht aus einem Halbleitermaterial mit kleiner Bandlücke besteht, wobei diese Schicht zwischen einer unteren und einer oberen Schicht aus Halbleitermaterial mit größerer Bandlücke liegt und diese drei Schichten den gleichen Leitfähigkeitstyp haben, bei dem diese drei Schichten und mindestens eine darüberliegende Schicht entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps epitaxial gezüchtet werden, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem epitaxialen Züchten auf die oberste Schicht (35) des Halbleitermaterials (30-35) eine undurchlässige Maskierungsschicht (36) aufgebracht wird, die einen sie durchsetzenden Schlitz (37) aufweist, daß darauf eine Diffusion eines den Leitfähigkeitstyp bestimmenden Dotierungsmaterials, dessen Ladungsträgertyp entgegengesetzt zu dem der aktiven Zone (32) und dessen Ladungsträgerbeweglichkeit größer als die der drei Schichten (31, 32, 33) ist, durch den Schlitz (37) bewirkt wird, derart, daß dadurch im Bereich unterhalb des Schlitzes (37) der pn-übergang (13) nach unten mindestens bis zur aktiven Zone (10, Fig.1a) verlagert wird, und daß nachKg/sch 8098 A 1/073517.3.1978 . ORIGINAL INSPECTEDG.H.B.Thonpson 23-6Beendigung der Diffusion eine Metallkontaktschicht (39) auf die oben befindliche Oberfläche der Anordnung aufgebracht wird (Fig.3c).2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daßder pn-übergang (13) im Bereich unterhalb des Schlitzes (14) bis zum HeteroÜbergang zwischen der aktiven Zone (10) und der unteren Schicht (12) verlagert wird (Fig.1b).3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der pn-übergang (13) im Bereich des Schlitzes (14, Fig.1c) in die unterhalb der aktiven Zone (10) liegende Schicht (12) hinein verlagert wird.4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen der undurchlässigen Maskierungsschicht (36) eine Schicht (40, Fig 4a-d) mit dem gleichen Leitfähigkeitstyp (n) wie die aktive Zone (32) auf der Schicht (35), deren Leitfähigkeitstyp (p) entgegengesetzt zu dem (n) der aktiven Zone (32) ist, gezüchtet wird und daß nach Herausätzen deB Schlitzes (37) aus der Maskierungsschicht (36) und aus der unmittelbar unter dieser befindlichen Schicht (40), die Maskierungsschicht (36) wieder entfernt wird (Fig.1c), bevor die Metallkontaktschicht (39) aufgebracht wird.8098 4 1/0735
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