DE2926367A1

DE2926367A1 - Halbleiterlaservorrichtung und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE2926367A1
Application number: DE19792926367
Authority: DE
Inventors: Kunio Aiki; Naoki Chinone; Atsutoshi Doi; Ryoichi Ito; Satoshi Nakamura
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-06-30
Filing date: 1979-06-29
Publication date: 1980-01-03
Also published as: DE2926367C2; CA1125898A; FR2430110B1; US4329658A; GB2025123A; FR2430110A1; JPS5522807A; NL7905104A; JPS5741834B2; GB2025123B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Injektions-Halbleiterlaservorrichtung. Sie richtet sich insbesondere auf eine Injektions-Halbleiterlaservorrichtung mit einem Aufbau, der den Transversalmode stabilisiert, und ein Verfahren zur Herstellung desselben.

Bei Injektions-Halbleiterlaservorrichtungen wurde eine Gleichstromoszillation bei ungefähr Raumtemperatur durch Vorsehen einer GaAs-Al Ga_1- As-Doppelheterostruktur ermöglicht.

In jüngerer Zeit ist die Technik der optischen Fasern weiter fortgeschritten und hat zur Entwicklung von Fasern geführt, die stark verminderte Übertragungsverluste im Wellenlängenbereich von ungefähr 1 bis ungefähr 1,3 μπι haben. Infolgedessen ist ein Halbleiterlaser dieses Wellenlängenbereichs als Lichtquelle für optische Nachrichtenübertragung mit diesen Fasern besonders wertvoll.

Aus diesem Grunde kam es zu einer großen Anzahl von Vorschlägen im Zusammenhang mit der Stabilisierung des Transversalmode bei Injektions-Halbleiterlaservorrichtungen. Hier kann beispielsweise ein Aufbau erwähnt werden, der bei Aiki et al., Applied Physics Letters, Band 30, Nr. 12, Seiten 649 bis 651 (1977) veröffentlicht ist. Im einzelnen ist dort eine Halbleiterlaservorrichtung mit Doppelheterostruktur vorgeschlagen, welche eine erste Halbleiterschicht mit einem sogenannten aktiven Bereich und eine zweite und dritte Halbleiterschicht, die zu beiden Seiten der ersten Halbleiterschicht angeordnet sind und größere Bandabstände als die erste Halbleiterschicht haben, umfaßt. Bei dieser Halbleiterlaservorrichtung ändert sich die Dicke der zweiten HaIbleiterschicht stufenförmig, wobei eine Schicht aus einem

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vierten Material mit in Bezug auf Laserstrahlen geändertem komplexen Brechungsindex zumindest an der Außenseite des dickenverminderten Bereichs der zweiten Halbleiterschicht vorgesehen ist. Der Transversalmode wird durch den Effekt des "Auslaufens" von Laserstrahlen in den Bereich aus dem vierten Material stabilisiert. Dieser Vorschlag ist in der Tat wirksam für Injektions-Halbleiterlaservorrichtungen mit GaAs-Al Ga_1- As-Doppelheterostruktur, bei GaAs-Al Ga_1- As-

Ji I ^X X ι """Jt

Halbleiterlaservorrichtungen ist jedoch eine langwellige Oszillation, insbesondere eine Oszillation bei einer Wellenlänge zwischen 0,9 und 1,7 μπι theoretisch kaum möglich. Als Halbleiterlaservorrichtungen mit Langwellenoszillation lassen sich InP-Ga In₁ _ As P., -Halbleiterlaservorrichtungen anführen. Wendet man bei diesem Typ von Halbleiterlaservorrichtung allein den Aufbau mit stufenförmiger Änderung der zweiten Halbleiterschicht an, läßt sich keine ausreichende Stabilisierung des Transversalmode erreichen. Der Grund dafür liegt darin, daß die Absorption von Laserstrahlen der durch die Ga In₁ As P₁ -Schicht gebildeten aktiven

χ ι —χ y ι —y

20 Schicht in der InP-Schicht nicht ausreichend ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Halbleiterlaservorrichtung zu schaffen, bei welcher die Oszillationswellenlänge vergrößert und der Transversalmode stabilisiert ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine Injektions-Halbleiterlaservorrichtung mit Doppelheterostruktur vor, welche eir a erste Halbleiterschicht mit einem aktiven Bereich und kxeinem Bandabstand, eine unter der ersten Halbleiterschicht angeordnete zweite Halbleiterschicht und eine über der ersten Halbleiterschicht angeordnete dritte Halbleiterschicht aufweist, wobei die zweite und die dritte Halbleiterschicht die erste Halbleiterschicht sandwichartig

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_ Ω —

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zwischen sich einschließen und sowohl die zweite als auch die dritte Halbleiterschicht einen kleinen Brechungsindex und einen größeren Bandabstand als die erste Halbleiterschicht hat. Im allgemeinen ist der Leitungstyp der zweiten Halbleiterschicht dem der dritten Halbleiterschicht entgegengesetzt. Die Dicke des aktiven Bereichs der ersten Halbleiterschicht ist auf der Seite der zweiten Halbleiterschicht gegenüber anderen Abschnitten vergrößert, so daß ein Bereich, wo sich der effektive Brechungsindex für Laserstrahlen in Richtung der Ausbreitung derselben und senkrecht dazu stufenförmig ändert, erzeugt wird. Bei der erfindungsgemäßen Halbleiterlaservorrichtung des Injektionstyps ändert sich der effektive Brechungsindex stufenförmig in einer zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlen senkrechten Richtung und Strahlen in seitlicher Richtung werden durch den so ausgebildeten optischen Führungskanal eingegrenzt, wodurch der Transversalmode stabilisiert wird. Im folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben.

20 Auf dieser ist bzw. sind

Fign. 1, perspektivische Ansichten von Ausführungsformen 4, 5 un 6 _{der er}fi_ndungsgemäßen Injektions-Halbleiterlaser-

vorrichtung, 25

Fig. 2 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs

zwischen dem Strom und der Laserausgangsleistung der Injektions-Halbleiterlaservorrichtung gemäß der Erfindung,
30

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Fig. 3 eine Schnittansicht eines Geräts zur Verwendung bei der Herstellung der Injektions-Halbleiterlaservorrichtung gemäß der Erfindung, und

Fign. 7 Schnitt- und Seitenansicht der erfindungsgemäßen Halbleiterlaservorrichtung mit verteilter Rückkopplung.

Die Injektions-Halbleiterlaservorrichtung gemäß der Erfindung wird nun im einzelnen unter Bezugnahme auf eine Laservorrichtung mit GalnAsP-InP-Doppelheterostruktur als Beispiel beschrieben.

Ein typisches Beispiel ist in Fig. 1 dargestellt. In einem n-InP-Kristall-Substrat als zweiter Halbleiterschicht ist eine Vertiefung einer Breite von 7 μπι und auf dem Substrat eine Schicht aus Ga In₁ As P₁ (0,01 < χ < 0,5 und

X I—Χ γ I —y — —

0,01 < y ^. 1) als erste Halbleiterschicht ausgebildet. Es wird bevorzugt, daß die obere Fläche der ersten Halbleiterschicht eben ist. Die stufenförmige Änderung des effektiven Brechungsindex für Laserstrahlen wird an der Grenzfläche zwischen der ersten Halbleiterschicht und der zweiten Halbleiterschicht herbeigeführt. Der stufenförmige Aufbau an der Grenzfläche zwischen erster Halbleiterschicht und zweiter Halbleiterschicht ist so eingestellt, daß folgende Be-

25 dingung erfüllt ist.

Im Falle des TE-Mode gilt:

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292636?

η-,

W = w

1 +

η.

ν/

(2)

H =

(3)

T = d_x I 1 +

!.ρ

ν \ (L₁ (4)

15 Im Falle des TM-Mode gilt:

2 / d.

ν \ w (5)

H = d₂ I 1 +

n-,

n.

T = d-, 1 +

ν =

- n

²)^l/2 (6) (7)

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In obigen Formeln stehen w, d.. und d für die Breite des dicken Abschnitts der ersten Halbleiterschicht, die Dicke des dicken Abschnitts bzw. die Dicke des dünnen Abschnitts, und n₁ und n~ stehen für den Brechungsindex der ersten Halbleiterschicht bzw. der zweiten Halbleiterschicht.

Im allgemeinen ist d. ungefähr 0,2 bis 1 μΐη, vorzugsweise 0,2 bis 0,5 μΐη. Wenn d* übermäßig groß ist, führt dies zu einer Erhöhung des Schwellenstroms. Der Wert für £*d ( = cL· - cL) wird auf 20 nm bis 0,1 μΐη, vorzugsweise 20 nm bis 0,5 μΐη, eingestellt. Wenn der Wert kleiner als 20 nm ist, ist es unmöglich, eine für die Stabilisierung des Transversalmode ausreichende Brechungsindexdifferenz zu erreichen. Ferner wird w zu ungefähr 2 bis ungefähr 20 μπι gemacht und entsprechend der geforderten Ausgangsleistung oder dergleichen geeignet eingestellt. Auf der ersten Halbleiterschicht mit dem aktiven Bereich wird eine Schicht aus Ga In₁ As_4-P₁ . (0.01 < s < 0,5 und 0,01 < t<

S t — S u ι — L — ~ —

< 1) ausgebildet, womit die Doppelheterostruktur aufgebaut ist.

Natürlich kann die Doppelheterostruktur auch durch Verwendung von Ga In₁ AS P_1- (0,01 S. x < 0,5 und 0.01 < y < 1) als erster Halbleiterschicht und Ga In_1- AS-P_1-, (0.01 < χ < 0.5, 0,01 ^. y -£ 1 und y > t) als zweiter und dritter Halbleiterschicht verwirklicht werden. Als Beispiel kann ein Aufbau mit einer zweiten Halbleiter schicht aus Ga„ ₀₄In_ _qfiAs_n ..-

P _n, einer ersten Halbleiterschicht aus Ga_n -,In_n -,As_n _n~ u,y u,ou,/u,/

P_{n 3} und einer drJ cten Halbleiterschicht aus Ga_{n 04} ^In ₀ g6^Aso P _Q angeführt werden. Bei diesem Beispiel beträgt der Bandabstand der zweiten und dritten Halbleiterschicht 1,25 eV und der Bandabstand der ersten Halbleiterschicht 0,91 eV.

Bei einer Halbleiterlaservorrichtung mit obigem Aufbau läßt sich eine Oszillation in einem Wellenlängenbereich

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zwischen 1,6 und 0,7 μπι durchführen.

Die Erfindung wird nun im einzelnen unter Bezugnahme auf folgende nicht einschränkend zu verstehende Beispiele beschrieben.

BEISPIEL 1

Es wird nun eine Injektions-Halbleiterlaservorrichtung mit dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau beschrieben.

Ein SiOp-FiIm einer Dicke von 0,3 um wird auf einem n-InP-Kristallsubstrat 2 einer Dicke von 400 μπι (Ladungs-

18 — 3

trägerkonzentration η = 2 · 10 cm ) durch chemische Gasphasenabscheidung (im folgenden als "CVD" bezeichnet) ausgebildet. Der SiO₂-FiIm wird in einer Tiefe von 0,08 um in Form eines Streifens einer Breite von 7 \xm unter Ver-Wendung eines gewöhnlichen Photoresists mittels einer photolitographischen Technik entfernt. Das InP-Kristallsubstrat wird im Streifenteil mit dem SiO_-Film als Maske unter Verwendung einer Ätzlösung des H₂SO₄-TyPs (H₂SO₄/H₂O₂/H₂O = 5/1/1) geätzt. Danach wird der SiO_-Film mit Flußsäure entfernt. Auf diese Weise wird eine streifenförmige Einsenkung in der Oberfläche des n-InP-Kristallsubstrats 2 ausgebildet. Danach werden nach einem bekannten Flüssigphasen-Epitaxialverfahren eine Schicht 1 aus Ga In₁ As P₁ und eine Schicht 3 aus p-InP (Ladungsträgerkonzentration

ρ = 1 · 10¹⁸ cm"³) auf der Oberfläche des n-InP-Kristallsubstrats 2 aufgewachsen. Die Schicht 1 wird so aufgewachsen, daß die Oberseite der Schicht 1 im wesentlichen eben ist.

Bei Ausbildung der Halbleiterschichten auf dem n-InP-Kristallsubstrat durch Flüssigphasenepitaxie wird zum Schütze des n-InP-Substrats das folgende Verfahren bevorzugt.

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Wenn InP oder GaInAsP auf einem InP-Kristallsubstrat durch Flüssigphasenepitaxie aufgewachsen wird, kommt es wegen der leichten thermischen Zersetzung von InP zu einem selektiven Verdampfen von P von der Oberfläche des InP-Kristallsubstratsund die Ebenheit der Oberfläche des InP-Kristallsubstrats geht leicht verloren. Zur Beseitigung dieses Nachteils wird ein Deckel aus einem Material, das bei Erwärmung P freisetzen kann, etwa ein InP-Kristall, auf dem InP-Kristallsubstrat angebracht, bevor das epitaxiale Aufwachsen initiert und das Epitaxialaufwachsen aus der Flüssigphase durchgeführt wird, wodurch erreicht wird, daß sich der Oberflächenzustand des InP-Kristallsubstrats nicht wesentlich ändert.

Das Grundprinzip dieses Verfahrens ist in Fig. 3 dargestellt. 35 bezeichnet eine Lösungsaufnahme aus Graphit und 36 eine ebenfalls aus Graphit bestehende Gleitplatte. 31 bezeichnet ein n-InP-Kristallsubstrat und 32 einen als Deckel dienenden InP-Kristall für die Anordnung oberhalb des n-InP-Kristallsubstrats zur Freisetzung von P. Die Maßnahmen sind die gleichen wie bei dem bekannten Flüssigphasenepitaxialverfahren, nur daß der Deckel vorgesehen ist. Eine erste Lösung 33 wird durch Auflösen von 5 g In, 25 mg GaAs, 260 mg InAs und 51 mg InP unter Erwärmung auf 973 K (700⁰C) und nachfolgendes Abkühlen der Lösung nach Auflösen aller Lösungsbestandteile hergestellt. Eine zweite Lösung 34 wird hergestellt, indem 0,3 mg Zn und 55 mg InP mit 5 g In in Berührung gebracht werden. Das so eingerichtete Schiffchen wird bei 923 K (650⁰C) 30 Minuten lang erwärmt und dann mit einer Geschwindigkeit von 0,3° pro Minute abgekühlt. Während des Abkühlens wird die Gleitplatte 36 bewegt, um das n-InP-Kristallsubstrat 31 aufeinanderfolgend mit der ersten Lösung und der zweiten Lösung in Berührung zu bringen, wo-

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durch die GalnAsP-Schicht 1 und p-InP-Schicht 3 gezogen werden. Dieses den P-freisetzenden Deckel verwendende Verfahren ist äußerst einfach und hinsichtlich der Herstellung der erfindungsgemäßen Halbleiterlaservorrichtung äußerst wirkungsvoll. Anstelle dieses den P-freisetzenden Deckel verwendenden Verfahrens könnte ein Verfahren ins Auge gefaßt werden, bei welchem ein Dampf aus P zugeführt wird, dieses Verfahren ist jedoch nicht sehr praktisch.

Die Ausbildung der Schicht 1 mit ebener Oberseite auf dem die Einsenkung aufweisenden p-InP-Substrat läßt sich nach dem bekannten Flüssigphasenepitaxialverfahren leicht bewerkstelligen. Generell beobachtet man bei dem Flüssigphasen- Epitaxialver fahren die Neigung, daß konvexe und konkave Unebenheiten des Substrats eingeebnet werden und man ein ebenes Aufwachsen erzielt. Dementsprechend läßt sich eine Schicht mit ebener Oberseite nach dem Flüssigphasen-Epitaxialverfahren ohne Schwierigkeit verwirklichen. Besondere Zusammensetzungen von GalnAsP-Schichten so hergestellter Halbleiterlaservorrichtungen sind zusammen mit anderen

20 Auslegungsfaktoren in Tabelle 1 zusammengestellt.

Danach wird ein SiO₃-FiIm einer Dicke von 300 nm durch CVD ausgebildet. Mit einer photolitographischen Technik unter Verwendung eines gewöhnlichen Photoresists wird der SiO2-Film in Form eines Streifens einer Breite von 10 μπι,

der der Einsenkung im n-InP-Substrat entspricht, selektiv entfernt. Eine p-seitige Elektrode 5 auf AuZn und eine n-seitige Elektrode 6 aus AuSn werden durch Vakuumaufdampfung ausgebildet. Beispiele der so hergestellten Halbleiterlaservorrichtungen sind in Tabelle 1 gezeigt.

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	co &	Wellenlänge (μη)	Probe 1	Tabelle 1	Probe 3	i	^Ga0, ^Αεο,	Probe 4	1	i I	2326367
	co OD *******	erste Halb leiterschicht	1,15	Probe 2	1,30	I		1,50
	θ ω to	zweite Halb leiter schicht	^Ga0,17^In0,83" ^As0,4^P0,6	1,15	^Ga0,27^In0,,,73" ^A30,62^p0,3S		*τ·-** 3Q0,62 P
		dritte Halb leiter schicht	n-InP	^Ga0,17^In0,83~ ^As0, 4^P0,6	n-InP		n-lnP
ORIGi		Ci₁ (μη)	P-InP	n-InP	P-InP		P-InP
NAL iNSPECTE		Ad (ira)	Or 3	P-InP	0,2		0,3
		ν/ (μηι)	0/06	0,3	ι 0,04 I		Ο,ϋΰ
			14	0,06	3 j		7
			7

An den einander gegenüberliegenden Endflächen 7 und 8 der in Fig. 1 gezeigten Injektions-Halbleiterlaservorrichtung werden zueinander parallele Resonanzreflexionskristallflachen durch Spaltung ausgebildet. Die Kurvendarstellung des Zusammenhangs zwischen Injektionsstrom (mA) und Laserausgangsleistung (mW), der beobachtet wird, wenn die Halbleiterlaservorrichtung bei Raumtemperatur kontinuierlich betrieben wird, ist in Fig. gezeigt. Die Kurve A zeigt die Charakteristik der in Tabelle 1 aufgeführten Probe 2, während Kurve B die Ausgangscharakteristik einer Vergleichsvorrichtung zu der in Fig . gezeigten Injektions-Halbleiterlaservorrichtung zeigt, bei welcher keine stufenförmige Änderung des effektiven Brechungsindex für Laserstrahlen in der ersten Halbleiterschicht vorhanden, sondern bloß eine einfache Doppelheterostruktur ausgebildet ist. Die mit Kurve B gezeigte Charakteristik deutet auf einen instabilen Mode und Mode höher Ordnung hin, die für eine einfache Doppelheterostruktur typisch sind.

Ferner wurde auch eine Halbleiterlaservorrichtung mit dem folgenden Aufbau hergestellt.

Eine streifenförmige Einsenkung einer Breite von 8 um

wird auf einem n-InP-Kristallsubstrat (Ladungsträgerkonzen-

18 —3
tration η = 2 · 10 cm ) nach dem gleichen Verfahren wie oben ausgebildet. Dann werden in der in Fig. 4 gezeigten Weise eine Schicht 1 aus Ga_n ,.In_n __QAs_n ..P_n ^₀ mit einer

u, £ \ υ, / y U/4o u,D-c

Dicke von 0,3 μπι {d^ = 0,3 um, Ad = 0₇1 um), eine p-InP-Schicht 3 einer Dicke von 2 um und eine Schicht 7 aus

n-Ga_n T₁In_n T_nAs_n ._DP_{n co} einer Dicke von 1 \xm aufeinanderu,zi u,/y u,4o u,o<i

folgend nach dem Flüssigphasen-Epitaxialverfahren aufgewachsen. Zur Ausbildung eines Diffusionsbereichs 8 wird Zn von der Oberseite der Schicht 7 zur p-InP-Schicht 3 diffundiert. Auf diesen Bereich wird eine aus AuZn aufge-

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baute p-seitige ohmsche Elektrode 5 und auf der Unterseite des n-InP-Kristallsubstrats 2 eine n-seitige Elektrode 6 durch Vakuumabscheidung ausgebildet. Auf den Endflächen 7 und 8 werden zueinander parallele Resonanzreflexionskristallflachen durch Spaltung ausgebildet. Bei dieser Halbleiterlaservorrichtung erfolgte wie bei den oben genannten Halbleiterlaservorrichtungen eine stabile Oszillation bei einer Oszillationswellenlänge von 1,2 μπι.

Bei den vorstehenden Beispielen ist die aktive Schicht 1 durch InP-Kristalle sandwichartig eingeschlossen. Die an die aktive Schicht anstoßenden Halbleiterschichten müssen nicht die gleiche Zusammensetzung haben. Bei der in Beispiel 3 gezeigten Vorrichtung unterscheiden sich die Zusammensetzungen der an die aktive Schicht angrenzenden

15 Halbleiterschichten.

BEISPIEL 2

Bei den vorstehenden Beispielen wurde ein n-InP-Kristallsubstrat für die zweite Halbleiterschicht verwendet. Im vorliegenden Beispiel wird eine mehrschichtig aufgebaute Halbleiterschicht als Substrat einer Halbleiterlaservorrichtung verwendet. Dieses Beispiel ist in Fig. 5 dargestellt. Auf einem GaAs-Kristallsubstrat 10 wird eine Schicht 11 aus GaAs. P (0 ς y g 0,3) als Staffelungsschicht (grading layer) durch Gasphasenepitaxie und eine Schicht 12 aus GaAs_n -,P_n -. mit einer Dicke von ungefähr 50 μκι auf der Staffelungsschicht 11 ebenfalls durch Gasphasenepitaxie ausgebildet. Danach wird eine Schicht 9 aus n-Ga^ggln^ 3^^^_g9 (Se-dotiert) mit einer Dicke von 2 μπι auf der Schicht 12 durch Flüssigphasenepitaxie ausgebildet. Nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 wird eine streifenförmige Einsenkung mit einer Breite von 2 μπι und einer Tiefe von 0/2 μπι ausgebildet.

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-is- 232636?

Danach werden eine Schicht 1 aus Ga_n _.In. „-As_n T₁P_n _na

Ufi/ u/z.j U/iii υ, / y

(d.. = 1 μπι, Ad = 0,2 μπι) mit einer Dicke von 1 μπι und eine Schicht 3 aus P-Ga_{n iC}In_n -,,,As_{n n1}P_n _nn (Zn-dotiert)

U(Db U/J4 υ,υι u/y y

mit einer Dicke von 2 μπι aufeinanderfolgend durch Flüssigphasenepitaxie ausgebildet. Hierauf wird ein SiO--Film einer Dicke von 300 nm durch chemische Gasphasenabscheidung ausgebildet und dieser SiO₂-FiIm in einem Streifenbereich von 4 μπι entsprechend der Einsenkung der n-Ga_ _cc-In_Q 34As₀ q^Pq QQ-Schicht 9 selektiv entfernt. Danach werden eine AuZn-Schicht als p-seitige Elektrode 5 und eine AuSn-Schicht als n-seitige Elektrode 6 ausgebildet. Auf den Endflächen des Kristalls werden durch Spaltung parallele Reflexions-Kristallflachen ausgebildet. Bei der nach diesem Beispiel hergestellten Halbleiterlaservorrichtung

15 kann eine stabile Oszillation durchgeführt werden.

BEISPIEL 3

Es wird nun ein in Fig. 6 gezeigtes Beispiel beschrieben. Eine Schicht 13 aus Ga_{n no}In_{n Qfi}As. _ni-P_n qa ^mit einer Dicke von 0,1 μΐη wird nach dem Flüssigphasen-Epitaxialverfahren auf einem n-InP-Kristallsubstrat 3 aufgewachsen. Dann wird nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 eine Maske aus einem SiO_-Film ausgebildet. Die Schicht 13 wird in Form eines Streifens in einer Breite von 5 μπι mittels der oben genannten A'tzlösung des H^SO.-Typs selektiv entfernt. Dann wird die Maske für das selektive Ätzen entfernt, wonach eine Schicht 1 aus Ga_n .,-,In_{n o}-,As_n .P_n ,

U₇I/ (J,OJ U , 4 U,b

mit einer Dicke von 0,3 μπι, eine p-InP-Schicht 3 mit einer Dicke von 2 μπι und eine n-Ga_n .Jn_{n O}o^As_n .P_n ,-Schicht 7

U, I/ U,ÖJ U,4 U,D

mit einer Dicke von 1 μπι nach dem bekannten kontinuierlichen Flüssigphasen-Epitaxialverfahren aufgewachsen werden. Hierauf wird ein Zn-diffundierter Bereich 8 durch Eindif-

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fusion von Zn von der Oberseite der Schicht 7 her ausgebildet. Im oberen Abschnitt des Bereichs 8 wird eine AuZn-Schicht als p-seitige Elektrode 5 und auf der Unterseite des n-InP-Kristallsubstrats 2 eine n-seitige Elektrode 6 durch Vakuumabseheidung ausgebildet. Auf den Endflächen des Kristalls werden durch Spalten parallele Reflexions-Kristallflachen ausgebildet. Obwohl die Schichten 13 und 2 unter dem ersten Halbleiter vorhanden sind, wird der mit der Erfindung beabsichtigte Zweck in ausrei-

10 chendem Maße erreicht.

In diesem Beispiel wird die Schicht 13 im Streifenbereich vollkommen entfernt. Wenn die Dicke der Schicht groß ist, muß die Schicht 13 nicht vollständig bis zum Substrat 2 entfernt werden.

BEISPIEL 4

Bei den vorstehenden Beispielen werden Resonanzreflexionsflächen unter Verwendung gespaltener Kristallendflächen ausgebildet. Natürlich können auch Halbleiterlaservorrichtungen mit verteilter Rückkopplung erfindungsgemäß gestaltet sein. Eine solche Ausfuhrungsform wird nun beschrieben. Hierbei können natürlich verschiedene Abwandlungen bei der unten beschriebenen Laservorrichtung mit verteilter Rückkopplung vorgenommen werden.

Fig. 7 zeigt einen Schnitt, der Halbleiterlaservorrichtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlen und Fig. 8 ei. .e Seitenansicht dieser Halbleiterlaservorrichtung.

Ein n-InP-Substrat 41 wird nach dem CVD-Verfahren mit einem SiO.-Film beschichtet und ein Photoresistfilm darauf ausgebildet. Auf dem Photoresistfilm werden unter Verwendung einer Laservorrichtung Interferenzstreifen von Laserstrahlen ausgebildet.

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Durch chemisches Ätzen unter Verwendung des Interferenzmusters des Photorestists als Maske werden periodische Konvexitäten und Konkavitäten 42 auf dem Substratkristall ausgebildet. Ein Gemisch aus Phosphorsäure/Wasserstoffsuperoxidlösung/Äthylenglykol (Mischungsverhältnis = 1/1/8) wird als Ätzlösung verwendet.

Dieses Verfahren zur Ausbildung periodischer Konvexitäten und Konkavitäten ist in der japanischen Patentanmeldung 35579/75 beschrieben.

Dann werden ein SiO₃-FiIm auf den periodischen Konvexitäten und Konkavitäten und eine bandartige Nut 4 3 mit einer Breite von 7 μΐη und einer Tiefe von 0,05 um senkrecht zu den periodischen Konvexitäten und Konkavitäten nach der herkömmlichen Photoresisttechnik ausgebildet.

Danach werden der SiO-FiIm entfernt und eine Schicht 44 aus Ga_ ₁₇In. _Oo^Asn A^n α (mit einer mittleren Dicke von

U/l/ U/OJ U / ft U/D

0,3 um), eine Schicht 45 aus p-InP (mit einer Dicke von 2 um) und eine Schicht 46 aus n-InP (mit einer Dicke von 1 um) nach dem kontinuierlichen Flüssigphasen-Epitaxialverfahren auf dem InP-Substrat, das eine bandartige Nut und die Nut im rechten Winkel kreuzende periodische Konvexitäten und Konkavitäten aufweist, aufgewachsen. Danach wird mit einem SiO₃-FiIm beschichtet und ein Teil des Kristalls selektiv geätzt, um getrennt ausgebildete Konvexitäten und Konkavitäten an die Oberfläche freizulegen, so daß der Film als Anpassungsmaske im Photoresistverfahrensschritt verwendet werden kann. Über der bandartigen Nut wird durch Ätzen des SiO₃-FiImS ein Streifen einer Breite von 10 um ausgebildet. Dann wird zur Ausbildung eines Diffusionsbereichs 47 Zn bei 923 K (650⁰C) unter Verwendung des SiO₃-FiImS als Maske eindiffundiert. Hierauf wird eine p-seitige Elektrode 48 aus einer AuZn-Legierung und eine n-seitige Elektrode 49 aus einer AuSn-

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Legierung ausgebildet. Die so hergestellte Schichtstruktur wird zur Gewinnung von Halbleiterlaserdioden in Chips unterteilt.

Die GalnAsP-Schicht wächst so, daß die auf dem Substrat ausgebildeten Konvexitäten und Konkavitäten zu einer ebenen Oberfläche abgedeckt werden. Wegen des Vorhandenseins solcher abgedeckter Konvexitäten und Konkavitäten ändert sich jedoch die Dicke der GalnAsP-Schicht. Dementsprechend wird ein Rippenwellenleiter in der seitlichen Richtung und ein Beugungsgitter in einer den Rippenwellenleiter im rechten Winkel kreuzenden Richtung ausgebildet. Man erhält daher eine Laseroszillation mit stabilen transversalen und longitudenalen Moden.

In den Fign. 7 und 8 geben zwei gestrichelte Linien in der Umgebung der Grenzfläche zwischen den Schichten 41 und 45 die Ober- und Untergrenze der in der Grenzfläche dieser Schichten ausgebildeten periodischen Konvexitäten und Konkavitäten an.

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Leerseite

ORIGINAL

Claims

PATENTANWÄLTE

SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS FlNCK

MARIAHILFPLATZ 2 & 3, MÜNCHEN 9O POSTADRESSEiPOSTFACH 95 O1 6O. D-8OOO MÖNCHEN 95

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HITACHI, LTD. 29. Juni 19 79

DEA-5949

Halbleiterlaservorrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung

PATENTANSPRÜCHE

ν Halbleiter laservorrichtung, gekennzeichnet durch einen Halbleitermaterialaufbau mit einem Substrat für Kristallwachstum, welches auf seiner Oberfläche eine zweite Halbleiterschicht (2) aufweist, einer ersten Halbleiterschicht (1) mit einem über dem Substrat für Kristallwachstum ausgebildeten aktiven Bereich und einer dritten Halbleiterschicht, wobei der Brechungsindex des zweiten Halbleitermaterialbereichs

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und der dritten Halbleiterschicht kleiner als derjenige der ersten Halbleiterschicht sind und der Bandabstand des zweiten Halbleitermaterialbereichs und der dritten Halbleiterschicht breiter als derjenige der ersten Halbleiterschicht sind, eine auf der Oberfläche des Halbleitermaterialaufbaus auf der Seite der dritten Halbleiterschicht ausgebildete erste Elektrode (5), eine auf der Oberfläche des Halbleiteraufbaus auf der Seite des Substrats für Kristal lwachstum ausgebildete zweite Elektrode (6), und wenigstens eine Einrichtung für die Durchführung einer optischen Rückkopplung zur Erzeugung optischer Strahlung, wobei die Dicke des aktiven Bereichs in der Berührgrenzfläche zwischen der ersten Halbleiterschicht und dem Substrat für Kristallwachstum größer als die Dicke des anderen Abschnitts der ersten Halbleiterschicht ist, so daß der effektive Brechungsindex für Laserstrahlung in Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung stufenförmig geändert ist.
2. Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat für Kristallwachstum einen Mehrschichtenaufbau hat.
3. Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat für Kri-

909881/093^

stallwachsturn eine streifenartige Konkavität aufweist, die sich parallel zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung erstreckt,und daß die erste Halbleiterschicht (1) auf der Konkavität ausgebildet ist, wodurch die stufenförmige Änderung des Brechungsindex für die Laserstrahlung bewirkt wird.
4. Halbleiterlaservorrichtung'nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die streifenförmigenKönkavitäten aus der zweiten Halbleiterschicht mit einem die erste Halbleiterschicht und wenigstens eine über der ersten Halbleiterschicht angeordnete Schicht durchsetzenden Abschnitt ausgebildet sind.
5. Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche T bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Halbleiterschicht (1) aus Ga In., As P_1- aufgebaut ist, wobei χ im Bereich 0 < χ < 1 und y im Bereich 0 < y < liegt, und daß die zweite und die dritte Halbleiterschicht (2, 3) aus InP oder Ga In₁ As P₁ aufgebaut sind, wobei s im Bereich 0 *" s ·** 1 und t im Bereich 0 < t < 1 liegt und t kleiner y ist.
6. Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen

909881/093;-

-A-

der Dicke des aktiven Bereichs der ersten Halbleiterschicht (1) und der Dicke des anderen Abschnitts zwischen 20 nm und 0,5 μπι liegt.
7. Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen der Dicke des aktiven Bereichs der ersten Halbleiterschicht (1) und der Dicke des anderen Abschnitts zwischen 20 nm und 0,1 μΐη liegt.
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8. Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der ersten Halbleiterschicht (1) im vom aktiven Bereich verschiedenen Abschnitt 0,2 bis 1 μπι beträgt.
9. Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Durchführung einer optischen Rückkopplung eine Einrichtung zur Ausnutzung von Reflexionen an den Endflächen des HaIb-

20 leitermaterialaufbaus ist.
10. Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Durchführung einer optischen Rückkopplung ein im Halbleiter-

25 materialaufbau ausgebildetes Beugungsgitter ist.

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11. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterlaservorrichtung, gekennzeichnet durch das Herstellen eines Substrats für Kristallwachstum mit einer zweiten Halbleiterschicht wenigstens auf seiner Oberfläche, das Ausbilden einer streifenförmigen Konkavität auf dem Substrat für Kristallwachstum auf der Seite der zweiten Halbleiterschicht, das Ausbilden einer ersten Halbleiterschicht mit einem aktiven Bereich auf dem Substrat für Kristallwachstum und das Ausbilden einer dritten Halbleiterschicht auf der ersten Halbleiterschicht, wobei sowohl die zweite als auch die dritte Halbleiterschicht einen Brechungsindex, der kleiner als derjenigen der ersten Halbleiterschicht ist,und einen Bandabstand, der breiter als derjenige der ersten Halbleiterschicht ist hat.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Halbleiterschicht aus Ga In₁ As P_1- aufgebaut ist, wobei χ im Bereich 0 < χ <

Ji I -λ jj 1 jf

und y im Bereich 0 ^ y < 1 liegt, und daß die zweite und die dritte Halbleiterschicht aus InP oder Ga In₁ As.P₁ .

χ 1-s t 1-t

aufgebaut sind, wobei s im Bereich 0 <s < 1 und t im Bereich 0 < t < 1 liegt und t kleiner als y ist, und wobei wenigstens die erste Halbleiterschicht auf dem Substrat für Kristallwachstum in einer phosphordampfenthaltenden Athmosphäre durch Flüssigphasenepitaxie ausgebildet wird.

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