DE2819843A1 - Lichtemittierende diode mit streifengeometrie sowie herstellungsverfahren hierfuer - Google Patents

Lichtemittierende diode mit streifengeometrie sowie herstellungsverfahren hierfuer

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Description

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Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf lichtemittierende Dioden, vor allem auf Halbleiterübergangslaser, insbesondere jene mit Streifengeometrie und seitlicher Stromeinschnürung. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Herstellungsverfahren für solche Dioden.
In der US-PS 33.63.195 ist ein Halbleiterübergangslaser mit Streifengeometrie als ein Mittel zur Reduzierung der Moden beschrieben, in denen die stimulierte Emission auftritt. Die Streifengeometrie reduziert gleichfalls die Schwellenwertstromdichte für stimulierte Emission, was sich vorteilhaft auf Wärmeableitprobleme und dergleichen auswirkt, und begrenzt die Breite des Ausgangsstrahlenbündels, was dessen Einkopplung in einen optischen Faser-Wellenleiter erleichtert. Seit jenem frühen Vorscnlag sind zahlreiche Laser-Konfigurationen zur Verwirklichung des Streifengeometriekonzeptes entworfen worden. Die derzeit zumeist bevorzugte und benutzte Ausführungsform eines solchen Streifengeometrie-Lasers ist der mittlerweise weitverbreitete benutzte und recht zuverlässige protonenbombardierte Doppelheterostruktur-Laser (DH-Laser), der in Applied Physics Letters, Band 10,
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ORIGINAL INSPECTED
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Seite 84 (1967) und US-PS 38.24.133 beschrieben ist.
Ungeachtet des Erfolges der DH-Übergangslaser mit einer durch Protonenbombardement herausgearbeiteten Streifengeometrie sind noch weitere Konfigurationen vorgeschlagen worden, mit denen hauptsächlich eines oder mehrere Ziele wie Erniedrigung der Laserschwellenwertstromdichte, Steuerung von fadenförmigem Ausgangslicht und Erzeugung symmetrischer Lichtstrahlenbündel angestrebt werden. Hierher gehört der Übergangslaser mit seitlicher Strombegrenzung, bei der der Streifen oder Kanal, durch den der Strom in Durchlaßrichtung zur aktiven Zone fließt, durch seitlich getrennte in Sperrichtung vorgespannte p-n-Übergänge definiert wird. Der Abstand zwischen den Übergängen definiert den Streifen.
Ein Streifengeometrie-Übergangslaser mit seitlicher Strombegrenzung ist der Heteroisolationslaser nach K. Itoh et al. in IEEE J. Quant. Electr., Band QE-11, Nr. 7, Seiten 421-426 (1975). Dieser Laser ist ein üblicher n-n-p AlGaAs DH-Laser, außer daß eine n-AlGaAs-Schicht auf der p-GaAs-D&ckschicht aufgewachsen worden ist, um einen blockierenden übergang an der Grenzfläche hierzwischen zu erzeugen.Durch die n-AlGaAs-Schicht ist dann ein Streifen durchgeätzt, um die darunter liegende p-GaAs-Schicht freizulegen und dadurch sowohl die n-AlGaAs-Schicht als auch den blockierenden Übergang aufzuteilen. Sodann wird ein Metallkontakt sowohl über
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die aufgeteilte n-AlGaAs-Schicht als auch den freiliegenden p-GaAs-Streifen niedergeschlagen. Wenn der p-n-Übergang der aktiven Zone in Durchlaßrichtung vorgespannt wird, wird der aufgeteilte (gegabelte) p-n-übergang in Sperrichtung vorgespannt. Danach ist ein Stromfluß durch die n-AlGaAs-Segmente blockiert und auf einen Durchfluß durch den p-GaAs-Streifen zur aktiven Zone eingeschnürt. Die Schwellenwerte dieser Laser sind aber recht hoch; sie liegen beispielsweise bei 460 mA für den Grundmode bei
762 nm (Fig. 5 a.a.O) und bei 3000 A/cm für eine 200 bis 300 nm dicke aktive Zone (Fig. 4 a.a.O.).
Eine weitere Variante des Streifengeometrie-Übergangslasers mit seitlicher Strombegrenzung derjenigen Bauart, bei der in Sperrichtung vorgespannte p-n-übergänge zur Definition des Streifens benutzt werden, ist von R. D. Burnham et al. in IEEE J. Quant. Elektr., Band QE-11, Nr. 7, Seiten 418-4 (1975) beschrieben. Hiernach wird eine Streifenmaske auf ein n-GaAs-Substrat niedergeschlagen und dann Zink in die freiliegenden Teile eindiffundiert. Auf diese Weise werden seitlich getrennte blockierende p-n-übergänge im Substrat erzeugt. Sodann wird eine übliche npp-AlGaAs-GaAs-AlGaAs DH-Diode auf der diffundierten Substratoberfläche aufwachsen gelassen. Wenn der p-n-übergang der aktiven Zone in Durchlaßrichtung vorgespannt wird, sind die blockierenden Übergänge im Substrat in Sperrichtung vorgespannt, wodurch der Stromfluß auf den
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Streifen hierzwischen eingeschnürt wird. Aber auch bei diesen Lasern sind die Schwellenwerte hoch. So lagen die im Impulsbetrieb festgestellten Schwellenwerte höher
als etwa 150 mA (8000 A(cm ) für eine Streifenbreite von 10 um und einer 450 nm dicken aktiven Zone.
Eine weitere Modifizierung des Lasers mit seitlicher Stromeinschnürung ist in der US-PS 39.84.262 beschrieben, wonach seitlich getrennte in Sperrichtung betriebene p-n-Ubergänge nicht nur im Substrat, sondern auch an der oberen Oberfläche des Doppelheterostruktur-Lasers vorgesehen sind (vgl. Spalte 5, Zeilen 1 bis 19 a.a.O.). Die Betriebsparameter wie Laserschwellenwert sind für diesen modifizierten Laser mit seitlicher Stromeingrenzung nicht angegeben.
Es ist jedoch offensichtlich, daß der Laserschwellenwert für diese Klasse von Streifengeometrie-DH-Lasern mit seitlicher Stromeingrenzung weit davon entfernt ist, eine Verbesserung gegenüber üblichen Doppelheterostrukturlasern darzustellen, die regelmäßig Schwellenwerte von etwa 100 mA haben.
Mit der Erfindung ist nun eine neue Streifengeometrie mit einer durch in Sperrichtung betriebene p-n-Übergänge bewirkten seitlichen Stromeingrenzunq entwickelt worden, die
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allgemein bei lichtemittierenden DH-Dioden und speziell bei DH-Lasern anwendbar ist. Gleichzeitig ist mit der Erfindung ein Herstellungsverfahren hierfür entwickelt worden. Soweit es sich dabei um Laser handelt, kann hierdurch der Laser-Schwellenwert gegenüber dem vergleichbarer bekannter Streifengeometrie-DH-Laser oder DH-Laser mit seitlicher Stromeinschnürung beträchtlich reduziert werden. Tatsächlich konnten mit solcherart ausgebildeten Lasern Schwellenwerte für Impulsbetrieb und Dauerstrichbetrieb bis herab zu 45 mA bzw. "65 mA für ein Streifengebiet von 14 χ 150 μπι erreicht werden.
Die Erfindung ist in den Ansprüchen im einzelnen gekennzeichnet .
Entsprechend einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind im wesentlichen folgende Schritte vorgesehen .
1) Wird eine Streifenmesa auf einer Hauptfläche eines d.n-Tcristallinen Substrates des einen Leitungstyps erzeugt, wobei die Breite der Mesa der gewünschten Laserstreifenbreite entspricht.
2) Wird im Flüssigphasenepitaxieverfahren ein erstes Paar
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von Schichten des entgegengesetzen Leitungstyps auf der Hauptfläche und angrenzend an die Seitenwände der Mesa epitaktisch aufwachsen gelassen. Hierbei ist es ein Merkmal des Verfahrens, daß eine Wachstumskeimbildung auf der Oberseite der Mesa blockiert ist, so daß das erste Schichtenpaar tatsächlich gleichzeitig in zwei getrennten Zonen - je eine auf jeder Seite der Mesa aufwächst.
3) Wird ein Laseraufbau epitaktisch auf dem ersten Schichtenpaar und der Mesa aufwachsen gelassen und dabei an der Grenzfläche zu dem ersten Schichtenpaar ein erstes Paar seitlich im Abstand voneinander liegender blockierender p-n-übergänge erzeugt, die von der Mesa getrennt sind. Der Laseraufbau enthält selber eine aktive Zone und einen hierin (oder an deren Grenzfläche) gelegenen lichtend, ttierenden p-n-übergang, der bei Beaufschlagung mit Strom in Durchlaßrichtung und oberhalb des Schwellenwertes die aktive Zone zur Strahlungsemission stimuliert. Die selbe hierzu angelegte Durchlaßspannung ist dahingehend wirksam, die Blockierübergänge in Sperrichtung vorzuspannen und den Anregungsstromfluß auf einen schmalen streifenförmigen Kanal durch die Mesa einzuschnüren.
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Bevorzugt resultiert der Schritt 3) zur Herstellung eines Doppelheterostruktur-Lasers und ist gefolgt von der Erzeugung eines zweiten Paares seitlich im Abstand gelegener blockierender p-n-übergänge, die durch ein im wesentlichen mit der Mesa ausgerichtetes Fenster getrennt sind.
Beispielsweise wird das letztere Paar von p-n-übergängen hergestellt durch folgende, sich den obigen Schritten 1) bis 3) anschließende Schritte.
4) ftird eine dritte Schicht auf der Anordnung epitaktisch mit einem Leitfähigkeitstyp aufwachsen gelassen, der gegenüber dem angrenzenden Teil der Anordnung entgegengesetzt ist.
5) Wird in die dritte Schicht ein Streifenfenster eingeätzt, um einen Streifen der darunter liegenden Anordnung freizulegen.
6) Wird ein Metallkontakt auf die aufgeteilte dritte Schicht und den freiliegenden Streifen der darunter liegenden Anordnung niedergeschlagen.
Im Betrieb wird das zweite Paar der seitlich im Abstand
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gelegener p-n-übergänge wie das erste Paar in Sperrrichtung vorgespannt, wenn der lichtemittierende p-n-übergang in Durchlaßrichtung betrieben wird. Diese Konfiguration schnürt den Stromfluß noch weiter auf einen schmalen streifenförmigen Kanal zwischen dem Streifenfenster und der Streifenmesa ein und führt zu den außerordentlich niedrigen Schwellenwerten der solcherart ausgebildeten Laser.
In anderer Hinsicht betrifft die Erfindung auch einen Streifengeometrie-Übergangslaser mit seitlicher Strombegrenzung, der ein Substrat des einen Leitungstyps und eine Streifenmesa auf einer Hauptfläche des Substrates aufweist, ferner ein erstes Paar von Schichten des entgegengesetzten Leitungstyps auf den Hauptflächen auf beiden Seiten der Mesa und an deren Wandungen angrenzend, sowie einen Laseraufbau, der sich auf dem ersten Schichtenpaar und der Mesa befindet und an den Grenzflächen zu dem ersten Paar Schichten ein erstes Paar seitlich im Abstand voneinander liegender und durch die Mesa voneinander getrennter blockierender p-n-Ubergänge bildet. Der Laseraufbau selber besitzt eine aktive Zone und einen hierin gelegenen lichtemittierenden p-n-Übergang, der bei Beaufschlagung mit einem Strom oberhalb des Schwellenwertes in Durchlaßrichtung die aktive Zone zu Laserstrahlung stimuliert. Dieselbe hierzu erforderliche Vorspannung ist dahingehend wirksam, daß die Blockierübergänge
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in Sperrichtung vorgespannt werden, so daß der Anregungsstromfluß auf die Mesa und folglich auf einen schmalen streifenförmigen Kanal durch die aktive Zone eingeschnürt ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines solchen Lasers handelt es sich wiederum um eine Doppelheterostruktur, wobei noch ein zweites Paar seitlich im Abstand voneinander gelegener blockierender p-n-übergänge auf der freien Hauptfläche der DH-Struktur vorgesehen ist derart, daß ein zwischen dem zweiten Übergangspaar gelegenes Fenster im wesentlichen mit der Mesa ausgerichtet ist. Die Vorspannung des lichtemittierenden p-n-übergangs in Durchlaßrichtung spannt zugleich auch das zweite Paar blockierender p-nübergänge in Sperrichtung vor und schnürt den Anregungsstromfluß weiter auf einen schmalen streifenförmigen Kanal zwischen Fenster und Mesa ein.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben, deren einzige Figur eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispieles zeigt.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Streifengeometrie-Übergangslaser mit seitlicher
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Stromeingrenzung, der der Deutlichkeit halber nicht maßstabsgerecht gezeichnet ist. Der Laser weist ein einkristallines Halbleitersubstrat 10 des einen Leitungstyps (n-Leitung) und eine Streifenmesa 10.1 auf der oberen Hauptfläche des Substrates auf. Die Mesa 10.1 erstreckt sich in Längsrichtung des Bauelementes von einem Laserspiegel zum anderen (die durch geschliffene, parallel zur Papierebene verlaufende Flächen gebildet sind). Seitlich im Abstand voneinander gelegene epitaktische Schichten 12.1 und 12.2 des entgegengesetzten Leitungstyps (p-Leitung) sind auf der Hauptfläche beidseits der Mesa 10.1 an deren Seitenwände angrenzend aufwachsen gelassen. Weiterhin ist ein epitaktisch aufgewachsener Laseraufbau 15 mit einer aktiven Zone 16.1, die bei Vorspannung in Durchlaßrichtung Strahlung, stimuliert emittiert, auf den Schichten 12.1 und 12.2 und auf der Oberseite der Mesa 10.1 vorgesehen und bildet an der Grenzfläche mit den beiden Schichten 12.1 und 12.2 ein erstes Paar seitlich im Abstand gelegener blockierender p-n-übergänge 13.1 und 13.2.
Hierzu muß die erste Schicht des Aufbaues 15 vom selben
i/ie das -Substrat iO
Leitungstyp^ und vom entgegengesetzten Leitungstyp wie die Schichten 12.1 und 12.2 sein. Die seitliche Stromeingrenzung. wird, wie dargestellt, vorzugsweise vervollständigt durch ein zweites Paar seitlich im Abstand voneinander gelegener blockierender p-n-übergänge 21.1 und 21.2 auf der obersten Hauptfläche des Laseraufbaues 15. Diese beiden p-n-übergänge
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sind durch ein Fester 22.1 voneinander getrennt, das
mit der Mesa 10.1 im wesentlichen ausgerichtet ist. Auf
der Unterseite des Substrates 10 ist eine Elektrode 26
aufgebracht, und eine weitere Elektrode 24 befindet sich
auf der Oberseite der Anordnung 15, so daß nur der Elektrodenteil 24.1 im Fenster 22.1 in Kontakt mit dem Laseraufbau 15 steht.
Beim Betrieb wird die aktive Zone 16.1 (die im Innern
oder an einer ihren beiden Grenzflächen einen p-n-übergang (nicht dargestellt) aufweist) mit Anregungsstrom in Durchlaßrichtung beaufschlagt. Dieses geschieht mit Hilfe einer Spannungsquelle 28 (z. B. einer Batterie), die an die Elektroden 24 und 26 angeschlossen ist. Unter diesen Bedingungen sind beide Paare der blockierenden übergänge, die mit
-x-x-x- in der Zeichnung kenntlich gemacht sind, in Sperrrichtung vorgespannt und schnüren deshalb den Anregungsstromfluß 19 auf einen schmalen (beispielsweise etwa 10 μΐη breiten) streifenförmigen Kanal zwischen dem Elektrodenteil 24.1 über die Mesa 10.1 zur Substratelektrode 26 ein. Der Stromflußkanal definiert daher in der Schicht 16 eine Zone 16.1, die der tatsächlich aktive Bereich im Sinne einer hier erfolgenden stimulierten Strahlungsemission ist. Für Dauerstrichbetrieb bei Zimmertemperatur wird der Laser typischerweise auf
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einer nicht dargestellten Wärmesenke in bekannter Weise montiert und ist die aktive Schicht 16 (für III-V-Verbindungshalbleiter) weniger als etwa 1 \im dick.
Vorzugsweise ist der Laseraufbau 15 ein Doppelheterostruktur-Laser, der eine erste und eine zweite Ummantelungsschicht 14 bzw. 18 breiten Energiebandabstandes und entgegengesetzten Leitungstyps aufweist, die voneinander durch eine aktive Schicht 16 schmaleren Energiebandabstandes getrennt sind- Letztere kann kompensiert, n-, p- oder sowohl n- als auch p-leitend sein (im letzteren Fall ist die Schicht 16 selbst aus aneinander angrenzenden n- und p-Schichten aufgebaut, wie diese bei den allgemein bekannten PpnN- oder Ppn'N-Doppelheterostruktur-Lasern der Fall ist). Die Schichten selber sind typischerweise binäre, ternäre oder quarternäre Verbindungen von III-V-Materialien, die so gewählt sind, daß die Ummantelungssjhichten im Kristallgitter an die aktive Schicht angepaßt werden können. Beispielsweise sind die Schichten 14, 16 und 18 aufgebaut aus Al Ga1 ,As, Al Ga1- As bzw.
Al Ga1 As, mit y<x,z; 0<vx,z; 0i>y<0,4 (die Direkt/Indirekt-ζ ι — ζ *~-
Überkreuzung) für einen Betrieb im Wellenlängenbereich von etwa 800 bis 900 nm. Beispielsweise sind χ und ζ je gleich 0,24 und ist y = 0,08. Al Ga As. P mit kleinen Phosphoranteilen (g^.0,03) arbeitet im selben Bereich. Bei größeren Wellenlängen von etwa 1,0 bis 1,3 μΐη kann GaAsSb für die
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aktive Schicht mit AlGaAsSb-Ummantelungsschichten verwendet werden, oder es kann InGaAsP für die aktive Schicht zusammen mit InP-ümmantelungsschichten verwendet werden.
Nachstehend sind die einzelnen Verfahrensschritte für die Herstellung eines GaAs-AlGaAs-Doppelheterostruktur-Lasers mit Streifengeometrie und seitlicher Stromeingrenzung der oben erörterten Art beschrieben.
Ein handelsübliches 100 μΐη dickes GaAs-Plätzchen, das nach (100) orientiert und mit Silicium^ cm n-leitend dotiert war, wurde als Substrat 10 ausgewählt und mit einem AZISSO-Fotolack maskiert. Eine parallele Reihe schmaler, streifenförmig maskierter Gebiete mit einer Breite von etwa 5 bis 25 μΐη (380 μΐη-Zentren) wurde auf dem Plättchen nach üblichen fotolitografischen Methoden erzeugt. Die freiliegenden Teile des Plättchens wurden mit H3SO4:H„02(30%):H20 = 1:8:10 bei 24° Celsius geätzt, wonach der Fotolack entfernt wurde. Mit diesem Schritt erhielt man eine parallele Reihe von Mesastreifen (von denen einer bei 10.1 dargestellt ist) , die etwa 5 μΐη hoch, 5 bis 25 μΐη breit und längs der QlIOJ -Richtung orientiert waren.
Die Schichten 12.1-12.2, der Laseraufbau 15 und die Schicht
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22 wurden dann in einem einzigen Flüssigphasenepitaxiezyklus nach Standardabkühlmethoden und unter Verwendung einer üblichen Schiffchen-Schieberapparatur aufwachsen gelassen. Im einzelnen wurden die folgenden epitaktischen Schichten auf das Substrat 10 in der angegebenen Reihenfolge aufwachsen gelassen.
Schichten 12.1-12.2: P-Aln „Gan -,QAs ümmantelungsschicht 14: n-Alo ^1-Ga „As Aktive Schicht 16: p-GaAs
UmmantelungsSchicht 18: p-Al_ .-Ga t-c-AS
Ätzstopp- und Kontaktierungsschicht 20: p-GaAs Schicht 22: n-Aln .,.Ga k^s
Im einzelnen waren die p-Al^ O-Ga. _,„As-Schichten 12.1-12.2
1 Uf ZZ (J, /O
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mit Germanium auf etwa 10 cm dotiert. Die Dicke dieser Schichten neigte dazu, benachbart den Mesaseitenwänden ein Maximum anzunehmen und von da aus allmählich abzunehmen. Nach Zerschneiden in einzelne Laser, von denen einer in der Figur dargestellt ist, betrug die kleinste Dicke etwa 1,3 μΐη. Mehrere Faktoren sind wichtig. Erstens sollten die kleinste Dicke und die Ladungsträgerkonzentration (Dotierung) dieser Schichten so aufeinander abgestimmt sein, daß unter normalen Betriebsbedingungen (z. B. 10 Volt von der Quelle ?.8)
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der den in Sperrichtung vorgespannten übergängen 13.1-13.2 zugeordnete Raumladungsbereich nicht in das Substrat übergreift und einen Durchbruch erzeugt. Zweitens sollte die maximale Dicke nicht viel größer als die Mesahöhe sein, so daß sich die getrennten Schichten 12.1-12.2 nicht während des Wachstums zu einer einzigen vereinigen. Drittens wird das Wachstum getrennter Schichten 12.1-12.2 ermöglicht, weil Keimbildung auf der Oberseite der Mesa 10.1 blockiert ist. Viertens reduziert, obgleich die Schichten 12.1-12.2 aus p-GaAs sein könnten, die Gegenwart von Al in diesen Schichten die Löslichkeit von As in der Ga-As-Al-Wachstumslösung, ein Umstand, der ein Wiederaufschmelzen des Substrates vorteilhaft verhindert und dadurch die Unversehrtheit der Mesa 10.1 bewahrt.
Die η-Al .j-Ga ,-,-As-Ummantelungsschicht 14 war mit Sn auf
KJ r Q~) U/ J J
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etwa 2 χ 10 cm dotiert und etwa 2,3 μπι dick. Die aktive
17 -3
p-GaAs-Schicht 16 war mit Germanium auf etwa 1,5 χ 10 cm dotiert und war etwa 0,2 μΐη dick. Die p-AlQ 45Ga „As-Um-
17 —3
mantelungsdchicht 18 war mit Germanium auf etwa 10 cm dotiert und etwa 0,9 μπι dick. Die Schichten 14, 16 und 18 bildeten eine Doppelheterostruktur.
Die p-GaAs-Ätzstopp- und Kontaktierungsschxcht 20 war mit
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18 -3
Ge auf etwa 10 cm dotiert und etwa 0,5 μΐη dick, und die n-Al - .Ga -t-As-Schicht 22 war mit Sn auf etwa
KJ , " J U/ JJ
17 -3
10 cm dotiert und etwa 2,3 μΐη dick.
Im Anschluß an den Flüssigphasenepitaxie-Wachstumsschritt wurde eine genetische Oxidschicht als Maskierung (nicht dargestellt) auf der n-Aln Ac.Ga ,.^As-Schicht 22 anodisch erzeugt. Unter Verwendung derselben fotolitografischen Maske, die auch zur Erzeugung der Mesen 10.1 benutzt wurde, wurden 10 bis 30 um breite Fenster in der Maske erzeugt, die im wesentlichen mit der ersten Fenstergruppe, die zur Erzeugung der fiesen benutzt wurde, ausgerichtet waren. Die freiliegenden Teile der n-Schicht 22 wurden dann einem Jod-Ätzmittel
(z. B. 113 g KI, 65 Q I«, 100 cm H3O), das dahingehend selektiv wirkt, daß es AlGaAs ätzt, nicht aber GaAs in nennenswertem Umfang. Folglich findet eine Ätzung des η-Al-. .j-Ga _(-As-Materials in den Fensters 22.1 solange statt,
(J , rr J CJ , JJ
bis der darunter liegende Teil der p-leitenden Ätzstopp-GaAs-Schicht 20 freigelegt ist. Sodann hört die Ätzeinwirkung in der vertikalen Richtung im wesentlichen auf. Die Verwendung dieses Typs einer ÄtzStoppbehandlung ist bevorzugt, weil ein Materialabtrag automatisch nur solange stattfindet, bis die n-Schicht 22 vollständig durchgeätzt ist und so die n-Schicht 22 und der p-n-übergang an der Grenzfläche zwischen
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den Schichten 2Ö und 22 in ein Paar im Abstand gelegener Blockierübergänge 21.1 und 21.2 auf-geteilt werden, die dann durch das Fenster 22.1 voneinander getrennt sind.
Wie bei den p-AlGaAs-Schichten 12.1-12.2 werden Dicke und Dotierung der n-AlGaAs-Schicht 22 so aufeinander abgestimmt, daß ein Durchbruch unter normalen Betriebsbedingungen des Lasers verhindert ist.
Sodann wurden übliche Elektrodenmetallisierungen aufgebracht. Beispielsweise wurde eine Cr-Au-Elektrode auf die n-Schicht 22 und den im Fenster 22.1 gelegenen freiliegenden Teil der p-GaAs-Schicht 20 niedergeschlagen (eine Metallisierung auf GaAs ist leichter als ciuf AlGaAs zu bewerkstelligen, daher rührt der Ausdruck "Kontaktierungsschicht" 20 her). Weiterhin wurde eine In-Au-Elektrode auf die Unterseite des Substrats niedergeschlagen. Schließlich wurden die einzelnen Laser, die nach Zerschneiden des Substrates erhalten wurden, auf Kupferwärmesenken montiert.
Bei Doppelheterostrukturlasern mit seitlicher Stromeingrenzung und Streifenbreiten von etwa 14 μκι oder weniger, die im Lasermode niedrigster Ordnung mit Anregungsströmen bis zu etwa dem zweifachen des Schwellenwertstromes betrieben wurden, wurde eine optische Ausgangsleistung von 16 mW
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pro Spiegelfläche gemessen. Bei diesen Lasern nahm die Halbleistungsbreite des Modes niedriger Ordnung symmetrisch zu, wenn der Injektionsstrom über den Schwellenwert erhöht wurde. Für Laser mit Streifenbreiten von etwa 20 μπι oder darüber wurden manchmal selbst bei Strömen in der Nähe des Schwellenwertes klar aufgelöste Transversalmoden höherer Ordnung in der Übergangsebene leicht angeregt.
Bei allen geprüften Lasern wurde eine ausgezeichnete Linearität der optischen Ausgangsleistung vom Injektionsstrom für alle Streifenbreiten zwischen etwa 10 und 30 μΐη erhalten, wobei bis zu einer Ausgangsleistung von 16 mW pro Spiegelfläche gemessen wurde. Hierbei fiel ein Laser mit einer Streifenbreite von etwa 18 μπι heraus, der eine schwache "Kinke" bei etwa 3 mW entwickelte. Unterhalb 3 mW wurde beobachtet, daß diese Diode in einem Faden stimuliert emittierte, der sehr viel schmaler war als die Streifenbreite, und nicht das übliche Modenmuster zeigte, das bei bei anderen Dioden mit ähnlichen Streifenbreiten beobachtet wurde.
Es wurden Laser mit drei Rechteckstreifengrößen hergestellt: (1) 32 μιΐιχ 240 μπι, (2) 2O px 200 μια. und (3) 12 μίαχ 265 j*m. Bei (1) und (2) blieb, obgleich Transversalmoden sukzessive höherer Ordnung in der Übergangsebene
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mit zunehmendem Injektionsstrom angeregt wurden, die Lichtausgangsleistung in Abhängigkeit vom Strom linear. Die Schwellenwertströme für Impuls- und Dauerstrichbetrieb bei Zimmertemperatur waren bis zu 45 mA bzw. 65 mA herunter für ein Streifengebiet von etwa 14 μΐη χ 150 μπι zu beobachten. Für Dioden mit 20 μπι χ 200 μΐη und 30 μπι χ 250 μπι Streifen lagen die typischen Schwellenwertströme (gepulst) bei 70 mA bzw. 90 mA.
Die Abhängigkeit der Schwellenwertstromdichte für Impulsbetrieb bei Zimmertemperatur von der oberen Streifenbreite (Fenster 22.1) wurde gleichfalls untersucht. Die Schwellenwertstromdichte lag dicht bei den mit anderen Streifengeometrie-Lasern erhaltenen. Um diese Resultate mit Streifengeometrie-Lasern zu vergleichen, wo eine Stromausbreitung signifikant ist, wurde Laser mit identischer Zusammensetzung wie die vorliegenden Doppelheterostrukturlaser mit seitlicher Stromeingrenzung hergestellt, jedoch mit der Ausnahme, daß das untere Paar der blockierenden Übergänge 13.1-13.2 weggelassen wurde. Für diese Einfach-Stromeinschnürungs-Laser wurden bei Zimmertemperatur für Impulsbetrieb Schwellenwerte bis herab zu 75 mA (für Streifenabmessungen von 11 μπι χ 190 μπι) erhalten. Die Schwellenwertstromdichte für Impulsbetrieb bei Zimmertemperatur als Funktion der oberen Kanalbreite für Einfach-Stromeinschnürungs-Laser wurde gleichfalls gemessen. Im allgemeinen hatten die vorliegenden Laser um etwa 30 % kleinere Schwellenwertstromdichten als die
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? Q 1 C O / O
Einfach-Stromeinschnürungs-Laser, was anzeigt, daß eine Stromausbreitung reduziert worden ist.
Weiterhin wurden die Einflüsse einer Fehlausrichtung von Mesa 10.1 und Fenster 22.1 untersucht. Es wurde gefunden, daß ausgerichtete und um etwa 10 μΐη fehlausgerichtete Laser derselben Streifenbreite etwa dieselben Schwellenwertstromdichten hatten. Obgleich sie beide saubere optische Modenmuster besaßen, hatten sie recht unterschiedliche optische Intensitätsverteilungen in der Übergangsebene am Ausgangsspiegel. Bei den ausgerichteten Lasern waren sowohl Stromfluß als auch optische Modenintensität in der Mitte das streifenförmigen Kanals zwischen dem Fenster 22.1 und der Mesa 10.1 zentriert. Bei den fehlausgerichteten Lasern ging der Stromfluß durch das Fenster 22.1 und dann in Richtung zu einer Seite des Kanals. Dieses Stromflußmuster äußerte sich in einer seitlichen Verschiebung des angeregten Modes zu dieser Seite hin.
Zahlreiche Abwandlungen sind möglich. Beispielsweise ist zwar die Mesa 10.1 als mit trapezförmiger Gestalt dargestellt, andere Formen, z. B. eine umgekehrte Trapezform, sind gleichfalls geeignet und können unter Verwendung allgemein bekannter Kombinationen von Kristallorientierung und kristallrichtungsabhängigen Ätzmitteln hergestellt werden.
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Weiterhin kann der Leitfähigkeitstyp der einzelnen Schichten des dargestellten Ausführungsbeispiels auch jeweils der umgekehrte sein. Ferner kann, obgleich die hier beschriebenen Versuche anhand von Streifenbreiten zwischen 1O und 30 μΐη erfolgten, auch eine kleinere Streifenbreite bis herab zu 1 μιη benutzt werden. Schließlich können die vorstehend im Zusammenhang mit Übergangslaser beschriebenen seitlichen Stromexnschnürungsanordnungen auch bei lichtemittierenden Dioden angewandt werden, ob diese nun vom Kantenemissionstyp (d. h. solche, bei denen die Strahlung parallel zur übergangsebene wie bei einem Laser emittiert wird) oder vom Senkrechtemissionstyp sind (d. h. eine Burrus-Diode , die die Strahlung senkrecht zur übergangsebene emittiert).
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eerseite

Claims (2)

  1. BLUMBÄCH · WESER · BERGEN · KRAMER
    ZWIRNER · HIRSCH . BREHM ?p . Qo , ~
    PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN
    Patentconsull Radedcestreße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Pateniconsull
    Western Electric Company, Incorporated Logan 29-2 New York, N. Y. 10038, USA
    LICHTEMITTIERENDE DIODE MIT STREIFENGEOMETRIE, SOWIE HERSTELLUNGSVERFAHREN HIERFÜR
    Patentan Sprüche
    Π Λ Verfahren zum Herstellen einer lichtemittierenden Diode, bei dem eine Mesa auf einer Rauptflache eines einkristallinen Halbleiterkörpers des einen Leitungstyps erzeugt wird,
    gekennzeichnet durch gleichzeitiges Aufwachsenlassen eines Paares seitlich im Abstand voneinander gelegener epitaktischer Schichten (12.1-12.2) des entgegengesetzten Leitungstyps auf der Hauptfläche und angrenzend an die Seitenwände der Mesa (10.1), mit Hilfe eines
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    München: R.Kramer Dipl.-Ing. ■ W. Weser Dipl.-Phys. Or. ror. nat. · P. Hirsch Dipl.-Ing. · H.P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P.G. Blumbach Dipl.-Ing. . P.Bergen Dipl.-Ing. Dr.Jur. · Θ.Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.
    • : ORIGINAL INSPECTED
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    Flüssigphasen-Epitaxieverfahrens, bei dem auf der Oberseite der Mesa die Wachstumskeinbildung blockiert ist,und
    Aufwachsenlassen eines lichtemittierenden Diodenaufbaues (15) auf den im Abstand voneinander liegenden Schichten und auf der Oberseite der Mesa derart, daß ein erstes Paar in seitlichem Abstand voneinander gelegener und von der Mesa getrennter blockierender p-n-Übergänge (13.1-13.2) an der Grenzfläche mit dem Paar epitaktischer Schichten erzeugt werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1,
    gekennzeichnet durch Anpassen der zur Züchtung des Schichtenpaares (12.1-12.2) benutzten Lösung im Sinne einer Verhinderung eines Wiederaufschmelzens der Mesa (10.1).
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Züchten des Schichtenpaares (12.1-12.2) mit einer Dicke und Ladungsträgerkonzentration derart, daß ein Durchbruch des ersten Paares der blockierenden Übergänge (13.1-13.2) unter normalen Betriebsbedingungen der Diode verhindert wird.
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    ORIGINAL INSPECTED
    10 \ 3 ..· ■-*
    4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Erzeugen eines zweiten Paares (21.1-21.2) seitlich im Abstand gelegener p-n-übergänge auf dem Diodenaufbau (15) derart, daß diese durch ein Streifenfenster (22.1) voneinander getrennt sind, das im wesentlichen mit der Mesa (10.1) ausgerichtet ist.
    5. Verfahren nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Paar der p-n-Übergänge hergestellt wird durch Aufwachsenlassen einer ersten epitaktischen Schicht des entgegengesetzten Leitungstyps auf einer freien Hauptfläche der Diodenanordnung, wobei diese Schicht im wesentlichen gegenüber einem nachfolgenden selektiven Ätzschritt beständig ist,
    Aufwachsenlassen einer zweiten epitaktischen Schicht des einen Leitungstyps auf der ersten Schicht zum Erhalt eines blockierenden p-n-überganges an der Grenzfläche hierzwischen,
    Erzeugen einer ätzbeständigen Maske auf der zweiten Schicht,
    Eröffnen eines Streifenfensters in der Maske, das im wesentlichen mit der Mesa ausgerichtet ist, und selektive Ätzung der zweiten Schicht, in deren Verlauf im Gebiet des Fensters eine Öffnung durch die zweite
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    ORIGINAL INSPECTED
    Schicht bis etwa zu der Grenzfläche durchgeätzt wird und dadurch die zweite Schicht und der durch diese gebildete p-n-übergang in das zweite Paar (21.1-21.2) seitlich im Abstand voneinander gelegener und durch die Öffnung (21.1) getrennter blockierender p-n-übergänge aufgeteilt wird.
    6. Verfahren nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht in einer Dicke und mit einer Ladungsträgerkonzentration aufwachsen gelassen wird derart, daß ein Durchbruch des zweiten Paares der blockierenden p-n-Übergänge unter normalen Betriebsbedingungen der Diode verhindert wird.
    7. Verfahren nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode (26) auf einer freien Hauptfläche des Körpers und eine weitere Elektrode (24) auf den gegabelten Teilen der zweiten Schicht (21.1-21.2) und auf dem in der öffnung freiliegenden Teil der ersten Schicht (20) aufgebracht werden.
    8. Verfahren zum Herstellen eines p-n-übergangslasers mit Streifengeometrie nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
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    a) Erzeugen der Mesa (10.1) als Streifenmesa auf der Hauptfläche eines n-leitenden (100)-GaAs-Substrates,
    b) gleichzeitiges Aufwachsenlassen des Paares seitlich im Abstand voneinander gelegener epitaktischer Schichten in Form von p-AlGaAs-Schichten,
    c) Erzeugen des ersten Paares ρ-n-Übergänge (13.1-13.2) durch epitaktisches Aufwachseniassen einer ersten ümmantelungsschicht (14) aus η-Al Ga,_ As auf den im Abstand gelegenen Schichten (12.1-12.2) und auf der Oberseite der Mesa (10.1),
    d) Fortsetzen der Züchtung des Diodenaufbaues (15) durch epitaktisches Aufwachsenlassen einer aktiven Schicht (16) aus Al Ga,_ As auf der ersten Ummantelungsschicht,
    e) epitaktisches Aufwachsenlassen einer zweiten Ummantelungsschicht {18) aus p-Al Ga,_ -Aa auf der aktiven Schicht mit der Maßgabe, daß die Bedingungen 0<x,z; y< x,z; 0 ^y =0.4 erfüllt sind und mit den Schritten c, d und e eine Doppelheterostrukturlaser-Konfiguration erzeugt wird,
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    f) epitaktisches Aufwachsenlassen einer Ätzstopp- und Kontaktierungsschxcht (20) aus p-GaAs auf der zweiten ümmantelungsschicht,
    g) epitaktisches Aufwachsenlassen einer n-AlGaAs-Schicht (22) auf der p-GaAs-Schicht zum Erhalt eines blockierenden p-n-überganges an der Grenzfläche hierzwischen,
    h) Erzeugen einer gegenüber einem nachfolgenden Ätzschritt beständigen Oxidschicht auf der n-AlGaAs-Schicht nach Schritt (g),
    i) Eröffnen eines Streifenfensters in die Oxidschicht, das im wesentlichen mit der Mesa ausgerichtet ist,
    j) unterwerfen der n-AlGaAs-Schicht nach Schritt (g) einem selektiven Ätzmittel, das die Schicht in dem Fenster, jedoch nicht die Maske angreift und das eine Streifenöffnung in der n-AlGaAs-Schicht erzeugt/ aber in der Ätzwirkung an der Grenzfläche zur p-GaAs-Schicht aufhört, wodurch die η-AlGaAs-Schicht und der p-n-übergang nach Schritt (g) in ein zweites Paar seitlich im Abstand voneinander gelegener und durch die öffnung getrennter blockierender p-n-übergänge aufgeteilt werden,
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    'NSPECTED
    — ν—
    8 1 Ό01±
    kj Entfernen der restlichen Teile der Oxidschicht,
    1) Erzeugen einer Elektrode (26) auf einer freien Hauptfläche des Substrats (10), und
    m) Erzeugen einer Elektrode (24} auf der geteilten n-AlGaAs-Schicht (21.1-21.2) und dem durch die Öffnung freigelegten Teil der p-GaAs-Schicht.
    9. Verfahren nach Anspruch S,
    dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (a) die Mesa erzeugt wird durch Niederschlagen einer Streifenmaske auf das Substrat in demjenigen Gebiet, in dem die Mesa zu erzeugen ist und durch Aussetzen der unmaskierten Gebiete des Substrats einer Lösung von H3SO4, H2O3 und H3O, daß in Schritt (h) die Oxidschicht durch anodisches Aufwachsenlassen einer genetischen Oxidschicht auf der n-AlGaAs-Schicht erzeugt wird und daß für das Ätzmittel nach Schritt (j) eine Lösung von KI, I_ und H-_0 verwendet wird.
    1O. Lichtemittierende Diode mit Streifengeometrie,, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Hauptfläche eines Halbleiterkörper (10) des einen Leitungstyps eine
    809845/1
    ORIGINAL INSPECTED
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    Streifenmesa (10.1) vorgesehen ist, daß ein Paar getrennter Schichten (12.1-12.2) des entgegengesetzten Leitungstyps auf der Hauptfläche auf gegenüberliegenden Seiten der Mesa und an deren Seitenwände angrenzend vorgesehen sind und daß auf den Schichten und der Oberseite der Mesa ein lichtemittierender Diodenaufbau (15) vorgesehen ist, der an der Grenzfläche mit den Schichten ein erstes Paar seitlich im Abstand voneinander gelegener und durch die Mesa getrennter blockierender p-n-übergänge (13.1-13.2) bildet, wobei der Diodenaufbau eine aktive Zone (16.1) und einen ersten p-n-übergang hierin aufweist, der bei Betrieb in Durchlaßrichtung mit Anregungsstrom (19) die aktive Zon^e zur Strahlungsemission veranlaßt, und wobei weiterhin die Vorspannung des ersten Überganges in Durchlaßrichtung dahingehend wirksam ist, daß das erste Paar der blockierenden p-n-übergänge in Sperrichtung vorgespannt wird und der Stromfluß im wesentlichen auf einen Kanal durch die Mesa.(10.1) hindurch eingeschränkt wird.
    11. Diode nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Paar seitlich im Abstand voneinander liegender, durch ein Streifenfenster (22.1) voneinander getrennter blockierender
    80S8S5/1G42
    p-n-übergänge (21.1-21-2) auf dem Diodenaufbau {15) vorgesehen ist, wobei das Fenster im wesentlichen mit der Mesa ausgerichtet ist, und daß die Vorspannung des ersten Überganges in Durchlaßrichtung dahingehend wirksam ist, daß auch das zweite Paar der blockierenden Übergänge (21.1-21.2) in Sperrichtung vorgespannt wird und der Stromfluß weiter auf einen Kanal zwischen Fenster und Mesa eingeschränkt ist.
    12. Diode nach Anspruch 10 oder 11,
    dadurch gekennzeichnet, daß ihr Aufbau (15) als Laser ausgebildet ist und ein Paar Ummantelungsschichten breiten Energiebandabstandes und entgegengesetzten Leitungstyps aufweist, die zwischen sich die aktive Zone einschließen, welche ihrerseits einen schmaleren Energiebandabstand als die Ummantelungsschichten aufweist.
    13. Laser nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet, daß die eine der Ummantelungsschichten (14) aus Al Ga1- As aufgebaut ist, ferner die andere (18) aus Al Ga1- As-Paares, und schließlich die
    Z IZ
    aktive Zone (16) aus Al Ga1 As, mit 0<x,z; 0 - Y»0.4;
    y -L-Y
    Y <x,z.
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    - 1O -
    2819 0 4
    14. Laser nach Anspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet, daß Y=O ist und daß die aktive GaAs-Zone p-leitend ist.
    15. Laser nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß Fenster und Mesa je 10 μπι oder weniger breit sind.
    16. Diode nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß Ladungsträgerkonzentration und Dicke des Paares der getrennten Schichten so aufeinander abgestimmt sind, daß unter normalen Betriebsbedingungen ein Durchbruch des ersten Paares der blockierenden übergänge vermieden ist.
    17. Laser nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daßjder Körper (10) monokristallxnes n-GaAs ist,
    das Paar der voneinander getrennten und auf gegenüberliegenden Seiten der Mesa auf der Hauptfläche aufgewachsenen epitaktischen Schichten (12.1-12.2) p-AlGaAs ist,
    der lichtemittierende Diodenaufbau (15) aufgebaut ist aus einer ersten epitaktischen ümmantelungsschicht aus
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    - Vt -
    η-Al Ga1 Asr einer hierauf epitaktisch -aufgewachsenen aktiven Schicht aus Al Ga._ As und einer zweiten, auf der aktiven Schicht epitaktisch aufgewachsenen Ummantelungsschicht aus p-Al Gan As, mit 0<x,z; y-^χ,ζ;
    2 I — Z
    O ^ Y-0.4,
    die aktive Schicht stimulierte Strahlung zu emittieren vermag, wenn Spannung an die Ümmantelungsschichten in Durchlaßrichtung angelegt und Stromfluß oberhalb einer Schwellenwertstromdichte aufrechterhalten wird, eine epitaktische p-GaAs-Schicht (20) auf der zweiten ümmantelungsschicht (18) vorgesehen ist, ein Paar seitlich im Abstand voneinander liegender und durch ein Streifenfenster (22.1) voneinander getrennter
    _ Schicht-
    epitaktischer n-AlGaAs-Schichten auf äsr p-GaAs''vorgesehen ist, wobei das Fenster einen Teil der p~GaAs-Schicht freilegt und im wesentlichen mit der Mesa ausgerichtet ist, um an der Grenzfläche mit der p-GaAs-Schicht ein zweites Paar seitlich im Abstand voneinander liegender und von dem Fenster voneinander getrennter blockierender p-n-Übergänge (21.1-Z1.2) zu bilden, eine Elektrode (26), auf dem n-GaAs-Körper vorgesehen ist,
    eine Elektrode (24), auf der im Abstand voneinander liegenden n-AlGaAs-Schichten (22) und auf dem freiliegenden
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    2819?43
    Teil der p-GaAs-Schicht (20) vorgesehen ist und die in Durchlaßrichtung angelegte Spannung dahingehend wirksam ist, das erste und zweite Paar der blockierenden Übergänge in Sperrichtung vorzuspannen, so daß der Anregungsstrom im wesentlichen in einem Kanal zwischen Fenster und Mesa fließt, wobei die Dicke und Ladungsträgerkonzentration der seitlich voneinander im Abstand liegenden p-AlGaAs-Schichten und der seitlich im Abstand voneinander liegenden n-AlGaAs-Schichten so aufeinander abgestimmt sind, daß ein Durchbruch des ersten und zweiten Paares der blockierenden übergänge unter normalen Laserbetriebsbedingungen verhindert ist.
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