DE2903942A1

DE2903942A1 - Heterostruktur-halbleiterlaser

Info

Publication number: DE2903942A1
Application number: DE19792903942
Authority: DE
Inventors: George Horace Brooke Thompson
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1978-02-14
Filing date: 1979-02-02
Publication date: 1979-08-23
Also published as: NL7900756A; FR2417195B1; US4251298A; FR2417195A1; AU531085B2; GB1570479A; AU4407079A

Description

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G.H.B.Thompson-25

Heterostruktur-Halbleiterlaser

Die Erfindung betrifft einen Heterostruktur-Halbleiterlaser mit mehreren auf einem Substrat mit einer Rille in seiner Oberfläche aufgebrachten Schichten, bei dem zwischen zwei Schichten mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp eine Schicht aus aktivem Material mit größerem Brechungsindex und kleinerer Bandlücke angeordnet ist, deren Schichtdicke im Bereich oberhalb der Rille größer ist als in ihren anderen Bereichen, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Stand der Technik

Ein derartiger Heterostruktur-Halbleiterlaser ist bekannt aus der DE-OS 26 52 532. Die optischen Eigenschaften eines solchen Lasers sind zum großen Teil dadurch bestimmt, bis zu welchem Grad der Strom über den pn-übergang auf den Bereich oberhalb der Rille, in dem die aktive Schicht am dicksten ist, begreret werden kann. Zu diesem Zweck ist bei dem bekannten Laser entweder das aktive Material auf einen Streifen beschränkt, der oberhalb der Rille liegt, oder es ist auf der Oberseite eine Streifenkontaktelektrode vorgesehen, die oberhalb der Rille verläuft.

Aufgabe

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Laser der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die räumliche Strombegrenzung mit anderen als den bekannten Mitteln erreicht ist, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

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Lösung

Die Aufgabe wird wie in den Patentansprüchen 1 und 2
angegeben gelöst. Weiterbildungen ergeben sich aus den
Unteransprüchen.

Figurenbeschreibung

Die Erfindung wird nun anhand der Figuren beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Die Figuren 1, 2 und 3 die Auswirkungen eines mit einer Rille versehenen Substrates auf die Flüssigphasen-Epitaxie unter unterschiedlichen

Wachstumsbedingungen und

Fig.4 und 5 erfindungsgemäße Laser.

Wenn ein Dotierungsmittel mit einem einzigen Leitfähigkeitstyp in Material mit dem anderen Leitfähigkeitstyp eindiffundiert, so verläuft der entstehende pn-übergang nicht exakt entlang der Diffusionsfront. Dies hat seinen Grund darin, daß sich die Dotierungsmittelkonzentration im Bereich der Diffusionsfront nicht genau durch eine Stufenfunktion beschreiben
läßt, sondern einen endlichen Gradienten aufweist. Daher liegt der pn-übergang in Wirklichkeit in einem kurzen Abstand hinter der Diffusionsfront. Jedoch wird in der folgenden Beschreibung aus Gründen der Vereinfachung die Tatsache
eines geringen Abstandes zwischen den beiden Flächen nicht berücksichtigt. Bei dem eingangs genannten bekannten Verfahren werden in einem Halbleitermaterial Wellenleiterstrukturen durch Flüssigphasen-Epitaxie hergestellt. Dabei macht man

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von der vorteilhaften Tatsache Gebrauch, daß bei der Flüssigphasen-Epitaxie eine Lösung, die bezüglich einer ebenen festen Oberfläche gerade gesättigt ist, bezüglich dieser Oberfläche untersättigt wäre, wenn diese Oberfläche konvex wäre, und übersättigt wäre, wenn diese Oberfläche konkav wäre. Die Beschreibung dieses Verfahrens zeigt insbesondere die Effekte auf, die erreicht werden können, wenn das epitaxiale Wachstum auf einem ebenen Substrat erfolgt, dessen Oberfläche eine Rille aufweist. Durch eine geeignete Vorgabe der Wachstumsbedingungen kann man irgendeine der in den Figuren 1, 2 und 3 gezeigten Strukturen erhalten, wobei 1 das Material der Substratschicht und 2 das epitaxial gezüchtete Material ist. Um die Struktur nach Fig.1 herzustellen, werden solche Wachstumsbedingungen vorgegeben, bei denen die Schmelze nur in Bezug auf konkave Oberflächen übersättigt ist. Wenn man die Wachstumsbedingungen leicht abändert, so daß die Schmelze nun auch in Bezug auf ebene Oberflächen übersättigt ist, so gelangt man zu der Struktur nach Fig.2. Wenn jedoch die Schmelze auch hinsichtlich konvexer Oberflächen an den oberen Rändern der Rille übersättigt ist, so erfolgt das Wachstum in Form einer durchgehenden Schicht, wie in Fig.3 gezeigt.

Die Struktur nach Fig.1 kann dazu verwendet werden, Heterostruktur-Laser herzustellen, die eine starke Lichtleitung und Minoritätsträgerbeschränkung aufweisen, nicht nur in der Richtung senkrecht auf die Ebene der Substratoberfläche, sondern auch in seitlicher Richtung in der Ebene des Substrats rechtwinklig zu der Rille. Zu diesem Zweck wird nach dem Wachstum des Materials 2 die freigelegte Oberfläche vollständig mit einer weiteren Schicht 3 überzogen. Die Substrat-

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schicht 1 und die weitere Schicht 3 haben einen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp und bestehen aus Material mit einer größeren Bandlücke und mit einem kleineren Brechungsindex, verglichen mit dem Material 2. Bei der Struktur nach Fig.1 ist der Streifen aus dem Material 2 ringsum von Material mit dem kleineren Brechungsindex umgeben» so daß eine Lichtleitung in allen Richtungen gegeben ist. Wenn das Material 2 einen einzigen Leitfähigkeitstyp hat, so erstreckt sich der pn-übergang über eine Oberfläche des Streifens, und der Stromfluß über den pn-übergang wird wirksam auf diesen Bereich beschränkt, da anderswo der pn-übergang von beiden Seiten durch das Material mit der größeren Bandlücke begrenzt ist. (Wenn das Material 2 teilweise aus η-leitendem und teilweise p-leitendem Material besteht, so verläuft der pn-übergang durch den Streifen hindurch. Unter diesen Umständen wird der Stromfluß über den pn-übergang ebenso auf den Streifen beschränkt sein. Im allgemeinen wird dies keine bevorzugte Zusammensetzung sein, da das η-leitende Material eine etwas größere Bandlücke als das p-leitende Material hat und somit die beiden Materialteile leicht unterschiedliche Laserwellen aussenden wurden).

Wenn dagegen die Wachstumsbedingungen des Lasers derart gewählt sind, daß eine Struktur vom Typ der Fig.2 entsteht, so ist immer noch im Streifenbereich eine Lichtleitung in allen Richtungen gegeben, jedoch ist der Stromfluß über den pn-übergang nicht mehr ausschließlich auf den Bereich des mittleren Streifens beschränkt, weil es nun ebenso günstige Bereiche des pn-übergangs auf beiden Seiten des Streifens gibt, wo ein Wachstum des Materials 2 stattgefunden hat. Wenn schließlich die Wachstumsbedingungen des Lasers so gewählt sind, daß eine Struktur nach der Art der Fig.3

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entsteht, so gibt es dort nicht nur keine Beschränkung des Stromflusses über den pn-übergang und keine seitliche Beschränkung der Minoritätsträger, sondern es ist dadurch auch die Lichtleitung in der seitlichen Richtung abgeschwächt. Es sei darauf hingewiesen, daß die Lichtleitung in der seitlichen Richtung nicht beseitigt ist, weil immer noch eine rippenförmige Leiterstruktur geblieben ist, da das Material in der Mitte der Rille am dicksten und an ihren seitlichen Rändern am dünnsten ist. Die vorliegende Erfindung betrifft hauptsächlich Laserstrukturen nach Art der Figur 2, bei denen die Beschränkung des Stromflusses über den pnübergang verbessert ist.

Der Laser nach der Figur 2 hat ein p-leitendes Substrat aus GaAs, das ein bewegliches Akzeptor-Dotierungsmittel, wie z.B. Zink enthält. Dieses Substrat enthält eine Rille in einer Oberfläche, die unter einem Winkel 1/2° und 3° um die <100>-Richtung gegen die 100-Ebene geneigt ist. Die Rille 41 verläuft rechtwinklig zu dieser Neigungsachse, der <1OO>-Richtung. Die Neigung der Seitenflächen der Rille gegenüber dem Rillenboden gibt der Rille einen Querschnitt in Form eines abgestumpften Vs infolge einer kleineren Ätzgeschwindigkeit von 111-Ebenen verglichen mit der Ktzgeschwindigkeit von 100-Ebenen. Der Grund für die besondere Orientierung der Substratoberfläche bezüglich seiner Kristallebenen liegt in der Geschwindigkeit, mit der die Rille beim darauffolgenden epitaxialen Wachstum ausgefüllt wird. Diese Zusammenhänge sind in der Beschreibung des bekannten Verfahrens erläutert.

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Auf dem Substrat wird durch Flüssigphasen-Epitaxie eine Folge von vier Schichten 42, 43, 44 und 45 erzeugt. Die Schicht 43 ist in drei Bereiche 4 3a, 43b und 43 c unterteilt, weil sie unter Bedingungen aufgewachsen ist, die dazu führen, daß in den Bereichen, wo die darunterliegende Obez'flache bezüglich der Schmelze am meisten konvex ist, keine Materialablagerung erfolgt. Die Schicht 42 ist pleitend und die Schichten 44 und 45 sind η-leitend, wogegen die Schicht 43 n- oder p-leitend sein kann. Die Schicht 43, die das aktive Material des Lasers darstellen soll, ist aus Ga Al As mit y^O gezüchtet. Die Schichten 42 und 44 werden aus Ga₁ Al As gezüchtet, wobei x>y ist, um die be-

I ™"*X Λ

schränkenden Eigenschaften der HeteroÜbergänge, die zwischen äem Material dieser Schichten und dam Material der Schicht 43 gebildet werden, zu bewirken. Die Schicht 45 wird aus GaAs gezüchtet und dient dazu, eine gute elektrische Verbindung zwischen dem Halbleitermaterial und einem Oberflächenkontakt in Form einer Metallisierungsschicht 46 herzustellen.

in diesem Stadium der Herstellung bildet der pn-Übergang eine Grenze der drei Bereiche 43a, 43b und 43c des Materials mit der kleineren Bandlücke oder er verläuft durch diese drei Bereiche hindurch. Zwischen diesen Bereichen wird der pn-übergang auf beiden Seiten durch das Material mit der größeren Bandlücke begrenzt. Wenn daher die Anordnung in diesem Zustand in Vorwärtsrichtung vorgespannt würde, so wäre der entstehende Stromfluß über den pn-übergang effektiv auf die drei Bereiche beschränkt, in denen der pn-übergang an wenigstens einer Seite von Material mit der kleineren Bandlücke begrenzt wird. Zu der erwünschten Laseremission

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trägt jedoch nur derjenige Stromfluß über den pn-übergang etwas bei, der in dessen mit dem mittleren Bereich 4 3b verbundenem ilittelteil stattfindet. Daher ist es v/ünschenswert, einen Stromfluß über die beiden anderen Bereiche zu verhindern. Dies wird dadurch erreicht, daß man das bewegliche Dotierungsmittel des Substrats durch einen Teil der epitaxial gezüchteten Schichten hindurch diffundieren läßt und somit die beiden Teile des pn-Übergangs, die ursprünglich an die Bereiche 4 3a und 43c angegrenzt haben, in das darüberliegende, die größere Bandlücke aufweisende Material der Schicht 44 verschiebt. Die Konfiguration muß dabei so sein, daß dieser Zustand erreicht wird, bevor der an den Bereich 43b angrenzende Teil des pn-übergangs in das Material mit der größeren Bandlücke hinein verschoben

In
worden ist. Figur 4 ist die Lage der Diffusionsfront durch die Linie 47 angedeutet.

Das gleiche Diffusionsprinzip kann angewendet werden, wenn man ein bewegliches Dotierungsmittel von oberhalb der aktiven Schicht anstatt von unterhalb der aktiven Schicht eindiffundieren läßt. Wenn, wie zuvor Zink als das bewegliche Dotierungsmittel verwendet wird, so kann die Struktur wie in Fig.5 gezeigt sein. Diese hat ein n-leiuendes Substrat aus GaAs mit einer Rille 51 in seiner oberen Oberfläche. Die Kristallorientierung und die diesbezügliche Lage der Rille sind die gleichen wie bei dem anhand von Figur 4 beschriebenen Laser. Die Schichten 52, 53, 54 und 55 werden durch Flüssigphasenepitaxie gezüchtet. Diese Schichten entsprechen den äquivalenten Schichten 42, 43, 44 und 45 des Lasers nach Fig.4, bis auf die Ausnahme,

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daß die Schicht 52 η-leitend und die Schicht 54 p-leitend sind anstatt umgekehrt. In diesem Falle läßt man das p-leitende bewegliche Dotierungsmittel Zink in die Anordnung von einer externen Quelle (nicht gezeigt) eindiffundieren. Zu diesem Zweck ist es zu bevorzugen, eine Quelle zu verwenden, die aus Zink in einer Galliumlösung besteht, die mit GaAs gesättigt ist, um die mit den Diffusionseigenschaften von Zink unter hohem Arsendruck zusammenhängenden Probleme zu vermeiden. Die Diffusion wird gestoppt, wenn die Diffusionsfront, die durch die Linie angedeutet ist, die Teile des pn-übergangs, die ursprünglich an die Bereiche 53a und 53c angrenzten, abwärts in die Schicht 52 hinein verschoben hat. Nach der Diffusion wird ein Oberflächenkontakt in Form einer Metallisierungsschicht 56 aufgebracht.

Die Verwendung dieses Diffusionsprozesses, gleichgültig ob von oben oder von unten, ist auch dann noch wirksam auf die Begrenzung des Stromflusses über den pn-übergang auf den mittleren Bereich, der über der Rille 41 liegt, wenn die Wachstumsbedingungen derart sind, daß die Schicht 43 nicht in drei unterschiedliche Bereiche aufgeteilt ist, sondern als durchgehende Schicht gebildet ist. Jedoch ist die Wirksamkeit der Anordnung dann verringert, weil die in der Schicht 42 durch diesen Stromfluß erzeugten Minoritätsträger nicht daran gehindert werden, seitlich in diese Schicht 42 in die Ränder der Anordnung abzufließen, wo sie zu der erwünschten Laserstrahlung nichts beitragen.

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Claims

Patentanwalt
Dipl.-Phys.Leo Thul
Kurze Str.8
7 Stuttgart 30

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IKTERNATIOWAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK

Patentansprüche

.1. Heterostruktur-Halbleiterlaser mit mehreren auf einem Substrat mit einer Rille in seiner Oberfläche aufgebrachten Schichten, bei dem zwischen zwei Schichten mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp eine Schicht aus aktivem Material mit größerem Brechungsindex und kleinerer Bandlücke angeordnet ist, deren Schichtdicke im Bereich oberhalb der Rille größer ist aJs in ihren anderen Bereichen, dadurch gekennzeichnet, daß der pn-übergang in den an die Rille (41; 51) angrenzenden Bereichen innerhalb einer (42; 54} der Schichten (44, 42; 54, 52) verläuft, die an die Schicht (43; 53) aus dem aktiven Material angrenzen, und in dem oberhalb der Rille (41; 51) liegenden Bereich an mindestens einer Seite durch das die geringere Bandlücke aufweisende Material begrenzt ist.
2. Verfahren zur Herstellung eines Heterostruktur-Halbleiterlasers nach Anspruch 1, bei dem auf einem Substrat mit einer Rille in seiner Oberfläche mehrere Schichten unter solchen Bedingungen gezüchtet werden, daß zwischen zwei Schichten mit

Kg/Sch
29.OI.1979

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entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp, durch die zunächst der pn-übergang des Lasers gebildet wird, eine Schicht aus aktivem Material mit größerem Brechungsindex und kleinerer Bandlücke entsteht, deren Schichtdicke im Bereich oberhalb der Rille größer ist als in ihren anderen Bereichen, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Dotierungsmittel durch eine der Schichten (42; 54) hindurch, die an die Schicht (43; 53) aus dem aktiven Material angrenzen, diffundieren läßt und damit den pn-übergang in den an die Rille angrenzenden Bereichen in das Material der anderen Schicht (44; 52) hinein verschiebt, während der oberhalb der Rille liegende Bereich des pn-übergangs mindestens an einer Seite durch das die geringere Bandlücke aufweisende Material begrenzt bleibt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das Dotierungsmittel von der Unterseite des Substrats (14) her eindiffundieren läßt, derart, daß die ursprünglich in den Randbereichen (43a, 43c) der aktiven Schicht (43) verlaufenden Teile des pn-übergangs in die darüberliegende Schicht (44) mit größerer Bandlücke verschoben werden (Fig.4).
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das Dotierungsmittel von der obersten, durch Flüssijphasenlipitaxie aufgebrachten Schicht (55) her eindiffundieren läßt, derart, daß die ursprünglich in den Randbereichen (53a, 53c) der aktiven Schicht (53) verlaufenden Teile des pn-übergangs in die darunterliegende Schicht (54) mit größerer Bandlücke verschoben woxlen und daß nach beendeter Diffusion eine metallische Schicht (56) als oberste Schicht aufgebracht wird.

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5. Verfahren oder Laser nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dotierungsmittel Zink ist.

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