DE2822146A1 - Halbleiterlaser und verfahren zur herstellung eines halbleiterlasers - Google Patents

Halbleiterlaser und verfahren zur herstellung eines halbleiterlasers

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Description

Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH Ulm, 18.05.1978 6000 Frankfurt (Main) 70 ^2^/^/i
"Halbleiterlaser und Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers"
Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser mit einer in Form einer Heterostrukturdiode ausgebildeten Schichtenfolge bei der eine im wesentlichen homogen dotierte laseraktive Zone beidseitig von jeweils zwei unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten eingeschlossen ist, und wobei Mittel zur Einengung des in Durchlaßrichtung der Diode fließenden Stroms auf einen schmalen, streifenförmigen Bereich der laseraktiven Zone vorgesehen sind.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleiterlasers.
Bei der Einkopplung von Lichtenergie aus einem Halbleiterlaser in eine Lichtleitfaser treten im allgemeinen Verluste auf, die hauptsächlich auf eine Modenfehlanpassung zwischen Laser und Faser zurückzuführen sind. In einer Lichtleitfaser, deren Kerndurchmesser in der Größenordnung der Wellenlänge der emittierten Strahlung liegt,ist in der Regel nur ein Grundmode ausbreitungsfähig, während die Halbleiterlaser bekannter Bauart eine große Anzahl von Moden ausstrahlen.
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Zur Verwendung in optischen Nachrichtenübertragungssystemen werden vorzugsweise Halbleiterlaser verwendet, die in Form von Heterostrukturdioden ausgebildet sind. Die bei einer bestimmten Schwellstromdichte beginnende Laserstrahlung tritt aus einem dünnen zwischen entgegengesetzt dotierten halbleitenden Schichten liegenden Bereich (laseraktive Zone) aus dem Laserresonator aus, der durch die Spaltflächen an den Kristallenden begrenzt ist. Infolge der senkrecht zur Scheibenebene zwar geringen, parallel zu dieser Ebene jedoch üblicherweise großen Ausdehnung der aktiven Zone ist die Austrittsfläche der Laserstrahlung wesentlich größer als die Einkoppelfläche beispielsweise einer Lichtleitfaser, so daß zum Ausgleich der dabei entstehenden Verluste hohe Lichtenergien erforderlich sind.
Es sind jedoch auch bereits Halbleiterlaser bekannt bei denen Mittel zur Einengung des in Durchlaßrichtung der Diode fließenden Stroms vorgesehen sind.
So ist beispielsweise aus Applied Physics Letters, Bd. 18, No. 4-, 15. Febr. 1971, S. 155-157 ein in Form einer Doppelheterostrukturdiode aufgebauter Halbleiterlaser bekannt, bei dem ein erster metallischer Kontakt eine erste Außenfläche des Halbleiterlasers ganzflächig kontaktiert und bei dem auf einer zweiten, gegenüberliegenden Fläche des Halbleiterlasers ein zweiter metallischer Kontakt derart auf einer unmittelbar darunterliegenden isolierenden Schicht angeordnet ist, daß die Stromzufuhr zum Halbleiterkörper nur über einen schmalen Streifen dieser zweiten Kontaktfläche erfolgt.
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Weiterhin ist aus der Druckschrift "Japanese Journal of Applied Physics, VoI 12, No. 10, October 1973" ein GaAs-Al Ga^ As Doppelheterostruktur-Planarstreifenlaser bekannt, bei dem zum Zwecke der Einengung des Anregungsstroms ein schmaler, streifenförmiger Bereich vorgesehen ist, der aus p-leitendem Material besteht. Die Eindiffusion des p-Kanals erfolgt hier durch ein streifenförmiges Fenster in einer diffusionshemmenden Maske 15» Figur 1, die nach der Diffusion wieder entfernt werden kann. Als Folge der prinzipiell unvermeidlichen seitlichen Unterdiffusion unter die Maske tritt eine Aufweitung des p-Kanals auf. Der Stromfluß weitet ebenfalls auf und die zugehörige Laseremission ist relativ breit und in der Richtung parallel zur aktiven Zone vielmodig und instabil.
Schmale, aber transversal vielmodige Laser zeigen in den Licht/Strom-Kennlinien schon bei geringen Lichtausgangsleistungen ausgeprägte Nichtlinearitäten. Diese sogenannten "Kinks" in den Kennlinien werden durch abrupte Änderungen der transversalen Modenverteilung verursacht. Die Kennlinie eines solchen Lasers ist in Figur 2 dargestellt. Derartige Laser sind für Anwendungen als Sendelichtquelle in optischen Nachrichtenübertragungssystemen ungeeignet.
Mit diesen bekannten Vorschlägen konnte das Problem einer optischen Anpassung eines Halbleiterlasers, z.B. an eine zur Weiterleitung des Lichts vorgesehene Lichtleitfaser insbesondere Monomodefaser, also noch nicht in befriedigender Weise gelöst werden.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein in einfacher Technologie herstellbarer Halbleiterlaser mit transversal grundmodiger Abstrahlung anzugeben, der sich zudem durch weitgehend lineare Licht- und Stromkennlinien, sowie durch eine geringe Fluktuationsneigung auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine monokristalline Schicht vorgesehen ist, welche in der Schichtenfolge oberhalb einer der unterschiedlich dotierten Haitilei teinschichten oder einer darauf aufgebrachten Zusatzschicht angeordnet ist und deren Oberfläche eine im wesentlichen senkrecht zur Austrittsfläche der Laserstrahlung verlaufende grabenförmige Vertiefung aufweist, und daß durch Diffusion von Dotierungsmaterial durch die strukturierte Oberfläche hindurch erzeugte halbleitende Bereiche unterschiedlicher Dotierung vorgesehen sind, welche durch eine der strukturierten Oberfläche entsprechende Diffusions front voneinander derart getrennt sind, daß unterhalb der grabenförmigen Vertiefung ein bis zur laseraktiven Zone reichender halbleitender Bereich von im wesentlichen gleichem Leitfähigkeitstyp ausgebildet ist.
Zweckmäßigerweise besitzt die grabenförmige Vertiefung in der Oberfläche der monokristallinen Schicht eine Tiefe, die mindestens in der Größenordnung der Breite des Grabens liegt.Die Breite des Grabens soll dabei< 3 μΐ& sein. Die Form des Grabens soll möglichst scharf strukturiert, vorzugsweise v-förmig ausgebildet sein.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist insbesondere darin zu sehen, daß durch die Strukturierung der Oberfläche der monokristallinen Schicht das Profil einer nachfolgenden Diffusion in der Weise vorgegeben werden kann, daß eine tiefliegende Einengung des Strompfades erzielt wird.
Die Herstellung einzelner Halbleiterlaser erfolgt in der Regel in der Weise, daß zunächst eine große Anzahl einzelner Laserelemente auf einem gemeinsamen Substrat hergestellt werden, und daß anschließend die einzelnen Laserelemente voneinander getrennt werden.
Ein entsprechendes Herstellungsverfahren ist auch bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen (Bsp. 1 - Figur 3 bis 9, Bsp. 2 - Figur 10) von Vorteil.
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Beispiel 1
. In Figur 3 ist ein GaAs Substrat 1 dargestellt, auf dem vorzugsweise mittels Flüssigphasenepitaxie die Schichten 2 bis 6 epitaktisch aufgewachsen wurden:
1: GaAs Substrat, η-typ, η >10 cm ^ Dicke d ca. 100 um, Orientierung (100)
2: Ga^xAlxAs Schicht, η-typ, η^\.5 ίο'1' cm~^, d^ 4 um
3: Gax, Al As Schicht, η od. p-typ, y\.0.05, d<0.5 um (laseraktive Zone)
4: Ga^xAlxAs Schicht, p-typ, pc^5 101^ cm"^, d^1 um
5: Ga-1 Al As Schicht, η-typ, n^10 ' cm ^, d^0.5 um
17 — -5 6: GaAs Schicht, η-typ, n~ 5 10 ' cm ^, d^2 um
Im ausgeführten Beispiel wurde x=xix"=0.35 gewählt. Die Aluminiumkonzentration und die angegebenen Dotierungswerte stellen lediglich typische Werte dar.
Die Schichtenfolge 2-4 entspricht zusammen mit der aktiven Zone 3 cLer bekannten Doppelheterostruktur in der bei Strominjektion die Lasertätigkeit auftritt.
Neu gegenüber der bekannten Doppelheterostruktur-Schichtfolge ist in diesem Beispiel die Zusatzschicht 5 und die von ρ nach η geänderte Dotierung der Schicht 6.
Im darauffolgenden Schritt wird gemäß Figur 4 zur Ätzung von Gräben in Schicht 6 eine Photoresistmaske 7 aufgebracht. Wird bei dem Belichtungsprozeß die Belichtungsmaske so auf die (100) Kristalloberflache justiert, daß die Streifen der Maske parallel zu einer <11 O^ Richtung liegen, entwickeln sich die Flanken der Ätzgräben beim nachfolgenden Ätzen
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in den (111) Kristallebenen. Diese Kristallflächen (Ätzflanken) bilden mit der (100) Wafer-Oberflache einen Winkel von ca. 55°. Auf diese Weise ist es möglich, v-förmige Gräben, wie in Figur" 4- angedeutet, in die Oberfläche zu ätzen. Als Ätzmittel eignet sich hierfür beispielsweise ein Gemisch von H2SO^:H2O2:HgO im Verhältnis von 1:8:40 Volumenteilen. Um einen schädlichen Einfluß des Kontaktes 9 auf die aktive Schicht 3 zu vermeiden, sollte der Abstand des Grabenbodens von der aktiven Zone 3 nicht wesentlich unter 2 jum liegen.
Statt mittels eines chemischen Ätzverfahrens, wie soeben beschrieben, können die Gräben auch mittels eines Sputter-Ätzverfahrens in die Schicht 6 eingebracht werden.
In einer nachfolgenden Zinkdiffusion nach bekanntem Verfahren, etwa einer Ampullendiffusion mit einer Zinkarsenid-Quelle, wird Zink nach Entfernen der Photoresistschicht 7 ganzflächig von der Oberfläche her bei Temperaturen unter 700°0 eindiffundiert. Auf Grund der Strukturierung der Oberfläche ergibt sich dann die in Figur 5 eingezeichnete Diffusionsfront 8. Die Diffusionstiefe wird so gewählt, daß diese Front die Schicht 5 gerade durchdringt. Eine Feinmodifizierung sowohl der Eindringtiefe, als auch des Profils des Zinks kann durch eine Nachtemperung erfolgen. In den Gebieten, in denen Zink eindiffundiert ist, liegt wegen der relativ hohen Konzentration der Zinkatome
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(p>5 10 ') dann nur noch p-Typ-Material vor. Auf diese Weise wird zwischen Oberfläche und Schicht 4 ein p-leitender, schmaler Kanal gebildet.
Schließlich werden noch gemäß Figur 6 auf beiden Oberflächen ohm-sche Kontakte 9 und 10 aufgebracht und die Kristallscheibe in einzelne Laserelemente von (200 - 400) um Länge zer-
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teilt. Die Endflächen, die gleichzeitig die Laserspiegel bilden, werden durch Spalten des Kristalls gebildet. Die Laserelemente werden schließlich mit dem p-Kontakt 9 nach unten auf eine vergoldete Cu-Wärmesenke 11 mittels Indium 12 aufgelötet (Figur 7).
Wird nun an den Laser eine Spannung mit der in Figur 7 eingezeichneten Polarität gelegt, so kann der Strom im Laser im wesentlichen nur über den durch die Diffusion gebildeten, schmalen p-Kanal zur aktiven Zone 3 fließen lind, dort die auf einen entsprechend schmalen Streifen begrenzte Lasertätigkeit in der aktiven Zone hervorrufen. In den Seitengebieten, abseits des Grabens kann kein Strom fließen, da der zwischen den Schichten 4· und 5 gebildete pn-übergang 13 in Sperrichtung gepolt ist. Um die Sperrwirkung dieses pn-Überganges sicherzustellen, muß verhindert werden, daß Löcher aus dem in Durchlaßrichtung gepolten, durch die Zinkdiffusion gebildeten pn-übergang 1A-, in den sperrenden pn-übergang 13 injiziert werden und diesen leitend machen. Zur Verhinderung dieses Transistoreneffektes in den Seitenbereichen wurde die Zusatzschicht 5 eingeführt. Auf Grund des größeren Bandabstandes von GaAlAs gegenüber GaAs wird an der Grenze von n-GaAs zu nGaAlAs im Valenzbandverlauf eine Barriere gebildet, die die aus dem pn-übergang 14 injizierten Löcher nicht überwinden können. Ein Stromfluß in den Seitengebieten kann jedoch auch auf andere Weise, z. B. durch eine isolierende Zwischenschicht zwischen Kontakt und Halbleiteroberfläche unterbunden werden. Der an den Seitenflanken der Diffusionsfront, im Bereich der Schicht 5 gebildete pn-übergang ist in Durchlaßrichtung gepolt. Ein Stromfluß wird hier dadurch verhindert, daß dieser pn-übergang im GaAlAs Material liegt, wodurch sich wegen des höheren Bandabstandes eine höhere Diffusionsspannung ergibt.
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Durch die Strukturierung der Oberfläche wird eine Verringerung der Breite des stromführenden Kanals in der Tiefe erreicht, die zu einer günstigen Stromverteilung in der aktiven Zone führt. Die erfindungsgemäße Struktur kommt damit einem sehr schmalen Streifenkontaktlaser gleich, dessen Kontaktstreifen sich zudem im Abstand von <1 μη. von der aktiven Zone befindet. Die direkte Realisierung eines solchen Streifenkontaktlasers ist jedoch wegen des schädlichen Einflusses eines legierten Kontaktes auf die aktive Zone bei einem Abstand von weniger als 2 um unmöglich. Aus diesem vergrößerten Abstand würde aber andererseits sofort eine beträchtliche Stromaufweitung in der aktiven Zone resultieren.
Figur 8 zeigt die an einem erfindungsgemäßen Laser im Dauerbetrieb bei Raumtemperatur gemessene Kennlinie. Es sind keine Anzeichen von Kinks bis zu einer Ausgangslichtleistung von 25 mV von einem Spiegel erkennbar. Bei dieser Lichtleistung führt schon die Überbeanspruchung der Kristall-Spiegelflächen zur Zerstörung des Lasers. Um zu höheren Lichtleistungen gehen zu können, sind die Spiegel durch eine Schutzschicht zu passivieren. Diese Passivierung kann z. B. durch eine λ/2 Schicht von AIpO, geschehen.
In Figur 9 ist noch die an einer Spiegelfläche eines erfindungsgemäßen Lasers gemessene Licht-Intensitätsverteilung parallel zur aktiven Zone dargestellt. Die glockenförmige Verteilung demonstriert, daß der Laser im transversalen Grundmode schwingt. Die relativ große Halbwertsbreite von ca. 8 um ist darauf zurückzuführen, daß in diesem Beispiel der Graben bei 5 um Breite noch einen flachen Boden aufwies. Bei Verwendung entsprechend schmaler und wie in Figur 4 angedeutet, spitz zulaufender V-Gräben, können bei einer optimierten Struktur wenige um breite Nahfeld-Lichtverteilungen am Laserspiegel erzielt werden.
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Beispiel 2
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser, der im langwelligen Spektralbereich zwischen 1.0 und 1.6 μι Wellenlänge emittiert. Das Ausführungsbeispiel ist in Figur 10 dargestellt. Hierbei geht man von folgender Schichtenfolge aus, die auf einem einkristallinen InP Substrat epitaktisch aufgewachsen wird.
1: InP Substrat, η-typ, n^10 cm J % d^100 um
/IQ _2
2: InP Schicht, η-typ, n^10 cm , d=^5 um
3'· In^] Ga As Ρ,- laseraktive Zone, η od. p-typ, d^0.5 μιη, 0.1<χ10Λ7, X/y = 0.47
1R — 'λ
4: InP Schicht, p-typ, p^-10 cm J, ί^Λ um
5: InP Schicht, η-typ, n^10 cm ^, d>2 um
Ausgehend von dieser Schichtenfolge verläuft das Herstellungsverfahren analog zu dem im ersten Beispiel beschrieben.en Verlauf.
Aufgrund der experimentell nachgewiesenen vorteilhaften Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich der geringen Fluktuationsneigung, ergänzt durch eine hohe Lebensdauer, ist dieses Bauelement bevorzugt geeignet als Sender in optischen Nachrichtenübertragungssystemen.
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Claims (10)

  1. 2822H6
    Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH Ulm, 18.05.1978 6000 Frankfurt (Main) 70 ^/'*
    Patentansprüche
    (ii Halbleiterlaser mit einer in Form einer Heterostrukturdiode ausgebildeten Schichtenfolge bei der eine im wesentlichen homogen dotierte laseraktive Zone beidseitig von jeweils zwei unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten eingeschlossen ist, und wobei Mittel zur Einengung des in Durchlaßrichtung der Diode fließenden Stroms auf einen schmalen, streifenförmigen Bereich der laseraktiven Zone vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine monokristalline Schicht vorgesehen is~, welche in der Schichtenfolge oberhalb einer der unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten oder einer darauf aufgebrachten Zusatzschicht angeordnet ist und deren Oberfläche eine im wesentlichen senkrecht zur Austrittsfläche der Laserstrahlung verlaufende grabenförmige Vertiefung aufweist, und daß durch Diffusion von Dotierungsmaterial durch die strukturierte Oberfläche hindurch erzeugte halbleitende Bereiche unterschiedlicher Dotierung vorgesehen sind, welche durch eine der strukturierten Oberfläche entsprechende Diffusionsfront voneinander derart getrennt sind, daß unterhalb der grabenförmigen Vertiefung ein bis zur laseraktiven Zone reichender halbleitender Bereich von im wesentlichen gleichem Leitfähigkeitstyp ausgebildet ist.
    - 2 909847/0480
    ORIGINAL INSPECTED
    2822U6
    - 2 - UL 78/37
  2. 2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die grabenförmige Vertiefung in der Oberfläche der monokristallinen Schicht eine Tiefe aufweist, die mindestens in der Größenordnung der Breite des Grabens liegt.
  3. 3. Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Grabens -^- 3 um ist.
  4. 4-. Halbleiterlaser nach den Ansprüchen 1 - 3» dadurch gekennzeichnet, daß die grabenförmige Vertiefung im wesentlichen v-förmig ausgebildet ist.
  5. 5. Halbleiterlaser nach den Ansprüchen 1 - 4- , dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Grabenbodens der grabenförmigen Vertiefung von der laseraktiven Zone^2 um ist.
  6. 6. Halbleiterlaser nach den Ansprüchen 1-5» dadurch gekennzeichnet, daß eine aus den Schichten 1 bis 6
    1: GaAs Substrat, n-typ
    2: Ga,, Al As Schicht, n-typ
    3: Ga^. Al As Schicht, η od. p-typ, laseraktive Zone
    4: Ga Al As Schicht, p-typ
    1-x' x1
    5: Ga Al As Schicht, n-typ x, x'x">y 1-x" x" ' '
    6: GaAs Schicht, n-typ
    bestehende Schichtenfolge vorgesehen ist, und daß die grabenförmige Vertiefung in die Oberfläche von Schicht 6 eingebracht ist.
    50984 7/0489
    - 3 - UL 78/37
  7. 7. Halbleiterlaser nach den Ansprüchen 1 - 5 , dadurch gekennzeichnet, daß eine aus den Schichten 1 bis 5
    1: InP Substrat, n-typ
    2: InP Schicht, n-typ
    3: In. Ga As V._ Schicht, η od. p-typ, laseraktive Zone
    4-: InP Schicht, p-typ
    5: InP Schicht, n-typ
    bestehende Schichtenfolge vorgesehen ist, und daß die grabenförmige Vertiefung in die Oberfläche von Schicht 5 eingebracht ist.
  8. 8. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers nach
    den Ansprüchen 1-7» dadurch gekennzeichnet, daß auf eine
    der unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten oder einer darauf aufgebrachten Zusatzschicht eine monokristalline Schicht derart aufgewachsen wird, daß nach dem Aufbringen einer Ätzmaske mit streifenförmigen Öffnungen, die im wesentlichen senkrecht zur Austrittsfläche der Laserstrahlung stehen mit Hilfe eines Ätzverfahrens Kristallebenen ausgebildet v/erden, die parallel zu den Maskenöffnungen verlaufen und zusammen einen v-förmigen Graben bilden, daß - ggf. nach Entfernung der Ätzmaske - ein Dotierungsmaterial durch die
    Schichtoberfläche hindurch eindiffundiert wird, wobei die
    Verfahrensparameter derart gewählt werden, daß halbleitende Bereiche unterschiedlicher Dotierung erzeugt werden, welche durch eine der strukturierten Oberfläche entsprechende Diffusionsfront voneinander derart getrennt sind, daß unterhalb der grabenförmigen Vertiefung ein bis zur laseraktiven Zone reichender halbleitender Bereich von im wesentlichen gleichem
    909847/0489 " 4 "
    - 4- - UL 78/37
    Leitfähigkeitstyp ausgebildet ist, und daß abschließend der Halbleiterkörper mit Anregungselektroden versehen wird.
  9. 9. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers nach den Ansprüchen 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß auf einer der unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten oder einer darauf aufgebrachten Zusatzschicht eine monokristalline Schicht aufgebracht wird, daß auf der Oberfläche der monokristallinen-Schicht eine Ätzmaske mit einer schmalen, streifenförmigen öffnung aufgebracht wird, daß mittels eines Sputter-Ätzverfahrens in die Oberfläche der monokristallinen Schicht eine grabenförmige Vertiefung eingebracht wird und anschließend - ggf. nach Entfernung der Ätzmaske - ein Dotierungsmaterial durch die Schichtoberfläche hindurch eindiffundiert wird, wobei die Verfahrensparameter derart gewählt werden, daß halbleitende Bereiche unterschiedlicher Dotierung erzeugt werden, welche durch eine der strukturierten Oberfläche entsprechende Diffusionsfront voneinander derart getrennt sind, daß unterhalb der grabenförmigen Vertiefung ein bis zur laseraktiven Zone reichender halbleitender Bereich von im wesentlichen gleichem Leitfähigkeitstyp ausgebildet ist, und daß abschließend der Halbleiterkörper mit Anregungselektroden versehen wird.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9» dadurch gekennzeichnet, daß eine große Anzahl von parallel zueinander verlaufenden grabenförmigen Vertiefungen in die Oberfläche der monokristallinen Schicht eingebracht werden, wobei die Abstände der Vertiefungen voneinander so gewählt werden, daß sie der Breite eines einzelnen Lasers entsprechen, daß anschließend die der strukturierten Oberfläche entsprechende Diffusionsfront gebildet wird, daß sodann der Halbleiterkörper mit Anregungselektroden versehen wird, und daß abschließend die einzelnen Laser voneinander getrennt werden.
    909847/0489
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