DE2822146C2 - Heterostruktur-Halbleiterlaserdiode und Verfahren zur Herstellung einer Heterostruktur-Halbleiterdiode - Google Patents
Heterostruktur-Halbleiterlaserdiode und Verfahren zur Herstellung einer Heterostruktur-HalbleiterdiodeInfo
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Description
la: InP Substrat, n-typ
3: Ini -,GaxASjPt -/Schicht, n- oder p-typ
laseraktive Zone
4: InP Schicht, p-typ
6: InP Schicht, n-typ
4: InP Schicht, p-typ
6: InP Schicht, n-typ
bestehende Schichtelfolge vorgesehen ist, und daß
die grabenförmige Vertiefung in die Oberfläche von Schicht 6 eingebracht ist
8. Verfahren zur Herstellung einer Laserdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet daß in einer monokristallinen Deckschicht (6), nach dem Aufbringen einer
Ätzmaske mit streifenförmigen öffnungen, die im wesentlichen senkrecht zur Austrittsfläche der
Laserstrahlung stehen, mit Hilfe eines Ätzverfahrens Kristallebenen ausgebildet werden, die parallel zu
den Maskenöffnungen verlaufen und die zusammen eine V-förmige Vertiefung bilden, daß eine derart
strukturierte Oberfläche zur Formung einer Diffusionsfront (8) dient und daß abschließend der
Halbleiterkörper mit Anregungselektroden (9, 10) versehen wird.
9. Verfahren zur Herstellung einer Laserdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche einer monokristallinen Deckschicht (6) eine Ätzmaske mit
einer schmalen, streifenförmigen öffnung aufgebracht wird, daß mittels eines Sputter-Ätzverfahrens
in die Oberfläche eine grabenförmige Vertiefung eingebracht wird, daß eine derart strukturierte
Oberfläche zur Formung einer Diffusionsfront (8) dient und daß abschließend der Halbleiterkörper mit
Anregungselektroden (9,10) versehen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine große Anzahl von parallel
zueinander verlaufenden grabenförmigen Vertiefungen in die Oberfläche der monokristallinen Deckschicht
(6) eingebracht werden, wobei die Abstände der Vertiefungen voneinander so gewählt werden,
daß sie der Breite einer einzelnen Laserdiode entsprechen, daß anschließend die der strukturierten
Oberfläche entsprechende Diffusionsfront (8) gebildet wird, daß sodann der Halbleiterkörper mit
Anregungselektroden (9,10) versehen wird, und daß abschließend die einzelnen Laserdioden voneinander
getrennt werden.
laseraktive Zone
bestehende Schichtenfolge vorgesehen ist, und daß die grabenförmige Vertiefung in die Oberfläche von
Schicht 6 eingebracht ist.
Die Erfindung betrifft eine Heterostruktur-Halbleiterlaserdiode
nach dem Oberbegriff des Patentanspruehs 1.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Heterostruktur-Halbleiterlaserdiode.
Eine derartige Heterostruktur-Halbleiterlaserdiode wird im folgenden Halbleiterlaser oder auch Laserdiode
genannt
Bei der Einkopplung von Lichtenergie aus einem Halbleiterlaser in eine Lichtleitfaser treten im allgemei-
nen 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 eine Grundmode s
ausbreuungrfahig, während d:s Halbleiterlaser bekannter
Bauart eins große Anzahl von Moden ausstrahlen.
Zur Verwendung in optischen Nachrichtenübertragungssystemen werden vorzugsweise Halbleiterlaser
verwendet, die in Form von Heterostrukturdioden ausgebiidet 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
Weiterhin ist aus der Druckschrift »Japanese Journal of Applied Physics, VoL 12, No. 10, October 1973, Seite
1585-1592«, ein GaAs-AlXJai-As Doppelheterostruktur-Planarstreifenlaser
der eingangs genannten Art 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, Fig. 1, die nach der Diffusion wieder
entfernt werden kann. Als Folge der prinzipiell unvermeidlichen seitlichen Unterdiffusion unter die so
Maske tritt eine Aufweitung des p-Kanals auf. Der 4: Stromfluß weitet ebenfalls auf und die zugehörige
Laseremission ist relativ breit und in der Richtung 5: parallel zur aktiven Zone vielmodig und instabil. Ein
derartiger Halbleiterlaser ist auch in der Zeitschrift 55 6:
Electronics Bd. 46, Heft 13, 21. Juni 1973, Seiten 5E, 6E beschrieben.
Schmale, aber transversal vielmodige Halbleiterlaser
zeigen in den Licht/Strom-Kennlinien schon bei Problem einer optischen A fipfttsiing sines Halbleiterlasers,
z, B, an eine zur Weir.srii-iiiS'.^ des Lichts
/crgesehene Lichtleitfaser, insbesondere MonomodeiV
s=r, aiso noch nicht in befriedigender Weise gelöst
v-'erden.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, die
Heterostruktur-Halbleiterlaserdiode der eingangs genannten
Art so zu verbessern, daß sie eine transversal grundmodige Strahlung abgibt und sich zudem durch
weitgehend lineare Licht- and Stromkennlinien sowie durch eine geringe Fluktuationsneigung auszeichnet,
und ein einfaches Verfahren zur Herstellung einer solchen Laserdiode anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die in den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche
1 und 9 angegebenen Merkmale. Zweckmäßige Ausführungsarten der Erfindung sind den Unteransprüchen
entnehmbar.
Zweckmäßigerweise besitzt die grabenförmige Vertiefung in der Oberfläche der monc'^istallinen Deckschicht
eine Tiefe, die mindestens in de- Größenordnung der Breite des Grabens liegt Die Breite des
Grabens soll dabei <3 μΐη 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 - F i g. 3 bis 9, Bsp. 2 - F i g. 10) von Vorteil.
In F i g. 3 ist ein GaAs Substrat 1 dargestellt auf dem vorzugsweise mittels Flüssigphasenepitaxie die Schichten
2 bis 6 epitaktisch aufgewachsen wurden:
1:
3:
n-typ,n»5 1017cm-3, </^4μΐπ
η- od. ρ-typ, ^2*0.05, dSOJi μηι
(laseraktive Zone)
p-typ,pat51017Cm-3 c/«l μτη
n-typ.n« 1017 cm-3, dm0.5 μιη
n-typ,nä*5 10l7cm-3,c/»2 μιη
■ 035
gewählt Die Alumiwiumkcnzentration und die angege-
geringen Lichtausgangsleistungen ausgeprägte Nichtli- §0 benen Dotierungswerte stellen lediglich typische Werte
nearitäten. Diese sogenannten »Kinks« in den Kennli- dar. nien werden durch abrupte Änderungen der transversalen
Modenverteilung verursacht. Die Kennlinie eines solchen Halbleiterlasers Derartige Halbleiterlaser
ist in Fig.2 dargestellt,
sind für Anwendungen als Sendelichtquelle in optischen Nachrichtenübertragungssystemen
ungeeignet
Mit diesen bekannten Vorschlägen konnte das Die Schichttnfolge 2-4 entspricht zusammen mit der aktiven Zone 3 der bekannten Doppelheterostruktur, in der bei Strominjektiön die I-asei täligkeit auftritt.
Mit diesen bekannten Vorschlägen konnte das Die Schichttnfolge 2-4 entspricht zusammen mit der aktiven Zone 3 der bekannten Doppelheterostruktur, in der bei Strominjektiön die I-asei täligkeit auftritt.
Neu gegenüber der bekannten Doppelheteros'uktur-Schichtfolge
ist in diesem Beispiel die Zusaizschiciu
5.
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
<110> Richtung liegen, entwickeln sich die Flanken
der Ätzgräben beim nachfolgenden Ätzen in den (111)
Kristallebenen. Diese Kristallflächen (Ätzflanken) bilden mit der (100) Wafer-Oberfläche einen Winkel von
ca. 55°. Auf diese Weise ist es möglich, V-förmige Gräben, wie in F i g. 4 angedeutet, in die Oberfläche zu
ätzen. Als Ätzmittel eignet sich hierfür beispielsweise ein Gemisch von
H2SO4 : H2O2: H2O
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 μπι 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° C eindiffundiert. Auf Grund der Strukiurierung der Oberfläche ergibt sich
dann die in F i g. 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 (p>5 1017)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 Fig.6 auf beiden *o
Oberflächen ohmsche Kontakte 9 und 10 aufgebracht und die Kristallscheibe in einzelne Laserelemente von
(200-400) μπι Länge zerteilt 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(Fig. 7).
Wird nun an den Laser eine Spannung mit der in F i g. 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 und 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-Obergang 13 in Sperrichtung gepolt ist Um die Sperrwirkung dieses
pn-Oberganges sicherzustellen, muß verhindert werden, daß Löcher aus dem in Durchlaßrichtung gepolten,
durch die Zinkdiffusion gebildeten pn-Obergang 14, 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 GaAIAs 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 S gebildete pn-übergang ist in Durchlaßrichtung gepolt Ein Stromfluß wird hier dadurch verhindert,
daß dieser pn-Übergang im GaAIAs Material liegt, wodurch sich wegen des höheren Bandabstandes eine
höhere Diffusionsspannung ergibt.
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 Struktur gemäß
F i g. 7 kommt damit einem sehr schmalen Streifenkontaktlaser gleich, dessen Kontaktstreifen sich zudem im
Abstand von < 1 μπι 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 μπι unmöglich. Aus diesem
vergrößerten Abstand würde aber andererseits sofort eine beträchtliche Stromaufweitung in der aktiven Zone
resultieren.
Fig.8 zeigt die an einem Laser gemäß Fig.7 im
Dauerbetrieb bei Raumtemperatur gemessene Kennlinie. Es sind keine Anzeichen von Kinks bis zu einer
Ausgangslichtleistung von 25 mW 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 «ar.n
z. B. durch eine λ/2 Schicht von A^O3 geschehen.
In Fig.9 ist noch die an einer Spiegelfläche eines
Lasers gemäß F i g. 7 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 μπι ist darauf
zurückzuführen, daß in diesem Beispiel der Graben bei 5 μπι Breite noch einen flachen Boden aufwies. Bei
Verwendung entsprechend schmaler und wie in Fig.4 angedeutet, spitz zurufender V-Gräben, könnet! bei
einer optimierten Struktur wenige μιτι breite Nahfeld-Lichtverteilungen
am Laserspiegel erzielt werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispie! der Erfir-iung
betrifft einen Halbleiterlaser, der im langwelligen Spektralbereich zwischen 1.0 und 1.6 μπι Wellenlänge
emittiert Das Ausführungsbeispiel ist in Fig. 10 dargestellt Hierbei geht man von folgender Schichtenfolge
aus, die auf einem einkristallinen InP Substrat epitaktisch aufgewachsen wird.
la: InPSubstrat,η-typ,n» 1018cm-3,rf» 100 μπι
Ur. InP Schicht η-typ, η» ΙΟ18 cm-3, ί/«5μπι
3: InI-^Ga1ASyPi -y
Ur. InP Schicht η-typ, η» ΙΟ18 cm-3, ί/«5μπι
3: InI-^Ga1ASyPi -y
laseraktive Zone, η- oder p-typ,
d=*0J5 μητ,Ο.1
< χ <0.47,*/,=*0.47
4: inPSchichtp-typ,p»10l8cm-3,</»l μπι
6: Inp Schicht, η-typ, η «ΙΟ18 cm-3, c/> 2 μπι
4: inPSchichtp-typ,p»10l8cm-3,</»l μπι
6: Inp Schicht, η-typ, η «ΙΟ18 cm-3, c/> 2 μπι
Ausgehend von dieser Schichtenfolge verläuft das Herstellungsverfahren analog zu dem im ersten Beispiel
beschriebenen 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.
Claims (7)
1. Heterostrukiur-Halbleiterlaserdiode mit einer
auf einem Substrat ausgebildeten Schichtenfolge, bei der eine laseraktive Zone zwischen Schichten
einander entgegengesetzten Leitungstyps angeordnet ist, bei der auf der dem Substrat abgewandten
Sd*?. der Schichtenfolge eine monokristalline Deckschicht vom Leitungstyp der substratseitig an
die aktive Zone angrenzenden Halbleiterschicht ausgebildet ist und bei der in der Deckschicht ein von
der Außenseite der Schichtenfolge her eindiffundierter, den zur Deckschicht entgegengesetzten Leitungstyp
aufweisender Halbleiterbereich vorgesehen ist, welcher in einer streifenförmigen, senkrecht
zur Austrittsfiäche der Laserstrahlung verlaufenden Flächenzone die Grenzebene zwischen Deckschicht
und benachbarter Halbleiterschicht durchdringt und bis zur laseraktiven Zone reicht, so daß der in
Durchlaßrichtung der Diode fließende Strom auf einen schmalen, streifenförmigen Bereich der
laseraktiven Zone eingeengt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (6) eine
senkrecht zur Austrittsfiäche der Laserstrahlung verlaufende grabenförmige und im wesentlichen
V-förmig ausgebildete Vertiefung aufweist und daß durch Diffusion von Dotierungsmaterial durch die
derart strukturierte Oberfläche der Deckschicht (6) hindurch mit einer dieser strukturierten Oberfläche
entsprechenden Diffusionsfront (8) der diffundierte Halbleiterbereich gebildet ist
2. Laserdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß substratseitig an J.ie Deckschicht (6) angrenzend eine Zusatzschicht (5) von demselben
Leitungstyp, jedoch größeren Bandabstandes vorgesehen ist und die Diffusionsfront (8) den pn-Übergang
zwischen Zusatzschicht und der dieser substratseitig benachbarten Halbleiterschicht (4)
erreicht
3. Laserdiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die grabenförmige Vertiefung
in der Oberfläche der monokristallinen Deckschicht (6) eine liefe aufweist, die mindestens in der
Größenordnung der Breite des Grabens liegt
4. Laserdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Grabens
< 3 μΐπ ist
5. Laserdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des
Grabenbodens der grabenförmigen Vertiefung von der laseraktiven Zone (3)
> 2 μπι ist.
6. Laserdiode nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß eine aus den Schichten
1 bis 6
7. Laserdiode nach Anspruch 1, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus den Schichten
Ibis 6
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