DE2929719A1

DE2929719A1 - Halbleiterlaser

Info

Publication number: DE2929719A1
Application number: DE19792929719
Authority: DE
Inventors: Dan Botez
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1978-07-31
Filing date: 1979-07-21
Publication date: 1980-02-14
Also published as: SE7905635L; GB2027261A; GB2027261B; IT1121922B; IT7923845A0; DE2929719C2; SE436670B

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser mit einem ein in einer Oberfläche eine schwalbenschwanzförmige Nut aufweisendes Substrat enthaltenden Halbleiterkörper, wobei sich auf der Substratoberfläche eine erste Epitaxialschicht, auf dieser eine dünne, zweite Epitaxialschicht und darauf eine dritte Epitaxialschicht befinden und die erste und dritte Epitaxialschicht zueinander entgegengesetzten Leitungstyp besitzen, während die zweite Epitaxialschicht die aktive Laser-Rekombinationszone darstellt. Vorzugsweise betrifft die Erfindung einen einen Einzellichtfaden emittierenden Halbleiterlaser, insbesondere einen solchen, in welchem der Lichtfaden-Bereich reproduzierbar einzustellen ist.

Es sind bereits Halbleiterlaser mit einem im allgemeinen aus einer III-V-Verbindung oder einer Legierung solcher Verbindungen bestehenden Halbleiterkörper entwickelt worden, welche eine dünne Aktivzone zwischen Zonen entgegengesetzten Leitungstyps, d. h. eine p-leitende Zone an einer Seite der Aktivzone und eine η-leitende Zone auf der anderen Seite der Aktivzone, aufweisen. Die Aktivzone besteht im allgemeinen aus einem mit jeder der angrenzenden Zonen einen HeteroÜbergang bildenden Material, so daß das erzeugte Licht im wesentlichen auf die Aktivzone beschränkt ist. Eine Schwierigkeit eines solchen, in der US-PS 3 747 016 beschriebenen Halbleiterlasers besteht darin, daß Licht von mehr als einer Frequenz, besonders in der Richtung längs der Ebene des pn-Übergangs emittiert wird. Der ausgesandte Lichtstrahl weist daher ein kompliziertes, zusammengesetztes Fernfeld-Strahlungsdiagramm auf und findet deshalb nur beschränkte Anwendung. Ein Frequenzgang mit steigendem Steuerstrom ist ebenfalls in der Praxis bei verschiedenen Laser-Anwendungen unerwünscht .

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Mit dem Ziel, einen stabilen Einzelmode-Lichtfaden zu erreichen, sind bereits verschiedene Halbleiterlaser-Bauformen entwickelt worden. Anfangs wurde der durch den Übergang führende Stromfluß auf einen zentralen Bereich des Übergangs beschränkt, indem einer der Kontakte in Form eines schmalen Streifens auf die Oberfläche des Körpers aufgebracht wurde. Auf diese Weise konnte jedoch das Ziel, einen Einzelfrequenz- oder Einfachmode-Lichtfaden zu schaffen, nicht vollkommen erreicht werden. Es ist auch verschiedentlich versucht worden, einen optischen Einzelfrequenzausgang durch Bildung einer vergrabenen, schmalen Aktivzone zu schaffen. Gemäß der US-PS 3 978 428 besteht ein Verfahren zum Herstellen einer vergrabenen

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Aktivzone darin, daß eine Nut in ein Substrat eingebracht und die Aktivzone epitaxial in der Nut niedergeschlagen wird. Eine weitere, in der US-PS 3 983 510 beschriebene Technik zum Herstellen eines Halbleiterlasers mit Doppel-Heterostruktur besteht darin, Teile des Halbleiterkörpers abzutragen und begrenzende Zonen auf jede Seite der verbleibenden Aktivzone aufzubringen. Dieses Verfahren befriedigt jedoch deshalb nicht vollständig, weil es nur schwierig auszuführen ist. In der Zeitschrift "Applied Physics Letters", Band 32, Nr. 4, 15. Februar 1978, Seiten 261 bis 263, ist ein Halbleiterlaser beschrieben worden, welcher ein Einzelfrequenz-Laser-Licht (single optical mode of lasing light) liefert. In eine Oberfläche des zugehörigen Substrats ist eine schwalbenschwanzförmige Nut eingebracht worden, während die Laser-Bereiche durch Epitaxie aus der FlUssigphase in die Nuten, über deren Ränder und auf die an die Nuten angrenzende Substratoberfläche niedergeschlagen worden sind. Auf diese Weise entsteht eine an einen Rand der Nut angrenzende Aktivzone mit einem schmalen Bereich minimaler Dicke. Das monofrequente Licht wird in diesem schmalen Bereich minimaler Dicke gebildet. Bei diesem Verfahren weicht jedoch die Lage des dünnen Bereichs minimaler

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Dicke von Bauelement zu Bauelement ab. Das Licht geht daher bei verschiedenen Bauelementen von verschiedenen Teilen längs der emittierenden Endfläche des Bauelements aus. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, den Kontakt an die Stelle der Oberfläche des Bauelements zu plazieren, bei der ein optimaler Stromfluß durch die Aktivzone auftritt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterlaser eingangs genannter Art zu schaffen, bei dem der Lichtfaden-Bereich im Halbleiterkörper reproduzierbar einzustellen ist, der einen monofrequenten Lichtfaden aussendet und bei dem zum Anbringen eines Kontakts die örtliche Lage des lichtaussendenden Bereichs eindeutig zu reproduzieren ist. Für einen Halbleiterlaser eingangs genannter Art besteht die erfindungsgemäße Lösung darin, daß die Substratoberfläche eine parallel zur ersten schwalbenschwanzförmigen Nut und mit Abstand von dieser verlaufende, zweite schwalbenschwanzförmige Nut aufweist, daß die erste Epitaxialschicht über den Bereich der Substratfläche zwischen den Nuten als ebene Oberflächenzone ausgebildet ist und die lichterzeugende Zone in der Nähe des sich über der ebenen Oberflächenzone der ersten Epitaxialschicht befindlichen Bereichs der zweiten Epitaxialschicht liegt.

Der Halbleiterkörper des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers ist somit vor allem durch ein Paar, auf Abstand gesetzter, im wesentlichen paralleler, schwalbenschwanzförmiger Nuten in der Oberfläche des Substrats gekennzeichnet. Eine erste Epitaxialschicht befindet sich dabei auf der Substratoberfläche und den Oberflächen der Nuten. Auf der ersten Epitaxialschicht liegt sodann eine zweite Epitaxialschicht. Die zweite Epitaxialschicht besitzt dabei einen Bereich gleichmäßiger Dicke oberhalb des zwischen den Nuten befindlichen Substrat-Oberflächenbereichs.

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Auf der zweiten Epitaxialschicht liegt ferner eine dritte Epitaxialschicht. Die erste und die dritte Epitaxialschicht haben zueinander entgegengesetzte Leitungstypen, während die zweite Epitaxialschicht die aktive Laser-Rekombinationsschicht darstellt, in deren Zone minimaler Dicke bzw. in der Nähe derselben das Licht erzeugt wird.

Anhand der schematischen Darstellung von Ausführungsbeispielen werden weitere Einzelheiten der Erfindung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen Halbleiterlasers;

Fig. 2 einen Schnitt durch das Substrat während des Herstellens der erfindungsgemäßen Laser-Diode;

Fig. 3 einen Schnitt gemäß Fig. 2 mit auf das Substrat aufgebrachter erster Epitaxialschicht;

Fig. 4 einen vergrößerten Schnitt der Laser-Diode während des Hersteilens der Aktivzone;

Fig. 5 einen Schnitt durch einen Teil der Laser-Diode mit einem Ausführungsbeispiel einer herzustellenden Dickschicht;

Fig. 6 einen Schnitt ähnlich demjenigen gemäß Fig. 5 mit einem anderen Ausführungsbeispiel der Dickschicht; und

Fig. 7 einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterlasers.

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In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer insgesamt mit 10 bezeichneten erfindungsgemäßen Laser-Diode dargestellt worden. Die Laser-Diode 10 weist einen Körper aus einkristallinem Halbleitermaterial auf, der die Form eines Parallelepipeds hat. Als Halbleitermaterial ist im allgemeinen eine III-V-Verbindung - d. h. eine Verbindung eines Elements der III. mit einem Element der V. Gruppe des Periodensystems der Elemente - oder eine Legierung solcher Verbindungen vorgesehen. Der Halbleiterkörper 12 besitzt mit Abstand voneinander parallele, lichtreflektierende Endflächen 14, wobei wenigstens eine der Endflächen 14 gegenüber dem von dort aus zu emittierenden Licht teilweise transparent ist. Der Halbleiterkörper 12 weist außerdem mit Abstand voneinander parallele Seitenflächen 16 auf, welche zwischen den Endflächen 14 und senkrecht zu diesen verlaufen.

Zu dem Halbleiterkörper 12 gehört ein Substrat 18 des einen Leitungstyps, z. B. mit η-Leitung, welches mit Abstand voneinander parallele Hauptflächen 20 und 22 besitzt, die sich zwischen den beiden Endflächen 14 und den beiden Seitenflächen 16 des Halbleiterkörpers 12 erstrecken und senkrecht zu diesen Flächen verlaufen. In der Hauptfläche 20 des Substrats 18 befindet sich ein Paar paralleler, schwalbenschwanzformxger Nuten, welche sich mit Abstand voneinander zwischen den Endflächen 14 des Halbleiterkörpers 12 erstrecken. Die Oberkanten der Nuten 24 werden entfernt, so daß ein Teil der an die Hauptfläche 20 angrenzenden Seiten der Nuten spitz auseinanderlaufen. Jede Nut 24 wird teilweise mit einer ersten Epitaxialschicht 26 gefüllt, welche sich über den Bereich 20a der Hauptfläche 20 zwischen den Nuten 24 und die Aussenränder der Nuten 24 erstreckt. Die erste Epitaxialschicht 26 hat denselben Leitungstyp wie das Substrat 18. Auf der ersten Epitaxialschicht 26 befindet sich eine

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zweite Epitaxialschicht 28. Diese ist dünn und besitzt einen Bereich 28a von gleichmäßiger Dicke, der sich unmittelbar auf dem Oberflächenbereich 20a zwischen den Nuten 24 befindet. Über die zweite Epitaxialschicht 28 erstreckt sich eine dritte Epitaxialschicht 30, welche einen Leitungstyp besitzt, der demjenigen der ersten Epitaxialschicht 26 entgegengesetzt ist. Bei η-Leitung in der ersten Epitaxialschicht 26 ist die dritte Epitaxialschicht 30 also p-leitend. Über die dritte Epitaxialschicht 30 erstreckt sich eine vierte Epitaxialschicht 32, welche denselben Leitungstyp wie die dritte Epitaxialschicht 30 aufweist. Die vierte Epitaxialschicht 32 ist mit einer elektrisch isolierenden Schicht 24 aus einem elektrisch isolierenden Material, wie Siliziumdioxid, abgedeckt, durch die eine Öffnung führt, welche die Form eines sich längs des direkt zwischen den Nuten 24 befindlichen Oberflächenteils 20a des Substrats 18 erstreckenden Streifens hat. Auf der Isolierschicht 24 befindet sich eine metallisch leitende Kontaktfläche 36, welche sich in die Öffnung der Isolierschicht hineinerstreckt und dort die Oberfläche der vierten Epitaxialschicht 32 ohmisch kontaktiert. Auf der Hauptfläche 22 des Substrats 18 befindet sich außerdem ein metallisch leitender Kontakt 38.

Die zweite Epitaxialschicht 28 stellt die aktive Rekombinationszone der Laser-Diode 10 dar.Obwohl die zweite Epitaxialschicht 28 irgendeinen Leitungstyp haben kann, soll das Material dieser Zone vorzugsweise nicht gewollt dotiert sein. Die erste und die dritte Epitaxialschicht 26 und 30 bestehen aus einem Material mit leicht niedrigerem Brechungsindex als das Material der zweiten Epitaxialschicht 28, derart, daß die zweite Epitaxialschicht 28 einen HeteroÜbergang sowohl mit der ersten als auch mit der dritten Epitaxialschicht 26 bzw. 30 bildet. Diese

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HeteroÜbergänge dienen dazu, das in der zweiten Epitaxialschicht 28 erzeugte Licht in dieser Schicht einzuschließen. Wenn beispielsweise die zweite Epitaxialschicht 28 aus Galliumarsenid besteht, können die erste und die dritte Epitaxialschicht 26 bzw. 30 aus Aluminiumgalliumarsenid hergestellt sein. Die zweite Epitaxialschicht 28 kann ebenfalls aus einem Aluminiumgalliumarsenid bestehen, welches weniger Aluminium als das Material der ersten und dritten Epitaxialschichten 26 und 30 enthält. Das Substrat 18 soll aus einem leicht in der Substratform zu beziehenden Material bestehen, auf dem die erste Epitaxialschicht 26 ohne weiteres aufzuwachsen ist. Wenn die erste Epitaxialschicht 26 aus Aluminiumgalliumarsenid besteht, kann als Material für das Substrat 18 Galliumarsenid verwendet werden. Die vierte Epitaxialschicht 32 ist eine die dritte Epitaxialschicht 30 schützende Deckschicht. Wenn für die dritte Epitaxialschicht 30 Aluminiumgalliumarsenid verwendet ist, kann die vierte Epitaxialschicht 32 aus Galliumarsenid bestehen.

Die Laser-Diode 10 wird ausgehend von einem Substrat 14 mit dem gewünschten Halbleitermaterial und Leitungstyp hergestellt. Beispielsweise kann η-leitendes Galliumarsenid mit einer Hauptfläche 20 verwendet werden, welche fast parallel zur (100)-Kristallebene verläuft und leicht (bis zu 3°) längs der /J5ll7 -Kristallrichtung gegenüber der (100)-Kristallebene geneigt ist. Die Hauptfläche 20 des Substrats 18 wird mit einer Maskenschicht 40, z. B. aus Siliziumdioxid, bedeckt. Die Maskenschicht 40 aus Siliziumdioxid kann auf bekannte Weise durch pyrolythische Zersetzung eines Silizium enthaltenden Gases, z. B. Silan, in Sauerstoff oder Wasserdampf hergestellt werden. In der Maskenschicht 40 wird ein Paar auf Abstand gesetzter, paralleler streifenartiger Öffnungen 42 und 44 gebildet. Dieses läßt sich durch Bedecken der Masken -

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schicht 40 mit einer Fotolackschicht und Versehen der letzteren mit mit den Öffnungen 44 korrespondierenden Öffnungen mit Hilfe üblicher fotolithografischer Technik erreichen.

Die freigelegten Teile der Maskenschicht 40 können dann mit einem Ätzmittel, wie gepufferter Flußsäure (HF) entfernt werden, so daß die Öffnungen 42 und 44 entstehen. Der Fotolack wird dann mit einem passenden Lösungsmittel abgetragen. Die Öffnungen 42 und 44 sollten so angeordnet werden, daß sie parallel zu der auf die Hauptfläche 20 gerichteten ZPlU-Kristallrichtung des Substrats 14 verlaufen. Aus weiter unten zu erläuternden Gründen wird es vorgezogen, jede der Öffnungen 42 und 44 etwa 4 bis 6 Mikrometer breit zu machen und einen Mittenabstand der Öffnungen 42 und 44 von etwa 20 bis 45 Mikrometer zu wählen.

Die durch die Öffnungen 42 und 44 freigelegten Teile der Oberfläche 20 des Substrats 14 werden dann mit einem Ätzmittel in Berührung gebracht, welches £lOQ7-orientierte Oberflächen gegenüber /2117-orientierten Oberflächen selektiv ätzt. Ein solches Ätzmittel ist z. B. eine Lösung mit einem Teil Schwefelsäure, acht Teilen Wasser und acht Teilen Wasserstoffsuperoxid. Gemäß Figur 2 führt dieses zum Entstehen schwalbenschwanzförmiger Nuten 24 mit einer Tiefe von etwa 4 Mikrometern und den (100)- und (111) A-Ebenen als Boden- bzw. Seitenflächen. Beim Ätzen werden die Seitenflächen der Nuten 24 unter die Maskenschicht 40 unterätzt, derart, daß ausgehend von Öffnungen 42 und 44 mit einer Breite von 4 bis 6 Mikrometern Nuten 24 entstehen, die an ihrem oberen Rand etwa 10 bis 12 Mikrometer breit sind, wenn etwa 4 Mikrometer tiefe Kanäle gewünscht werden. Abschließend wird die aus Siliziumdioxid bestehende Maskenschicht 40 mit Hilfe von gepufferter Flußsäure (HF) abgetragen.

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Die Hauptfläche 20 des Substrats 14 wird dann gereinigt, um ein gutes epitaktisches Aufwachsen der verschiedenen Epitaxialschichten der Laser-Diode 10 zu gewährleisten. Das Reinigen kann durch leichtes Ätzen der Oberfläche mit Hilfe einer 1:1-Mischung einer wässrigen Lösung von Natriumhydroxid (8 g Natriumhydroxid und 200 ml Wasser) und einer wässrigen Lösung von Wasserstoffsuperoxid (20 ml von 30 %igem Wasserstoffsuperoxid auf 200 ml Wasser) bei 30⁰C und einer Zeitdauer von etwa einer Minute erfolgen. Das Substrat wird dann in heiße Flußsäure getaucht, um alle auf der Hauptfläche 20 gebildeten Oxide abzutragen, und wird dann nochmals leicht in der oben beschriebenen Mischung bei 30⁰C während einer halben Minute geätzt. Daraufhin erfolgt ein Waschen des Substrats in Wasser und ein Eintauchen in Isopropylalkohol. In diesem Stadium können die verschiedenen Epitaxialschichten auf das Substrat aufgebracht werden.

Die verschiedenen Epitaxialschichten werden unter Verwendung eines in der US-PS 3 753 801 beschriebenen Abscheidegerätes mit Hilfe der bekannten Flüssigphasen-Epitaxie niedergeschlagen. Im allgemeinen gehört zu diesem Gerät ein Ofenschiffchen mit mehreren darin mit Abstand vorgesehenen Mulden, von denen je eine einer der niederzuschlagenden Epitaxialschichten zugeordnet ist, und mit einem Schlitten, welcher in Längsrichtung durch das Schiffchen und quer zum Boden jeder Mulde zu verschieben ist. Der Schlitten weist an seiner Oberfläche ein Paar auf Abstand gesetzter Einstiche auf, die sich in jede Mulde erstrecken. Einer der Einstiche wird zum Aufnehmen einer Quellensubstanz bzw. eines Source-Scheibchens ausgebildet, während der andere Kinskich so angeordnet wird, daß er das Substrat, auf dem die Epitaxialschicht niederzuschlagen ist, tragen kann. In jeder Mulde befinden sich eine Charge an niederzuschlagendem Halbleitermaterial, ein Lösungsmittel für das Halbleitermaterial und ein Dotierstoff,

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falls ein solcher gebraucht wird. Auf der Charge jeder Mulde befindet sich ein Gewicht, um die abzuscheidende Lösung über den gesamten Bereich der Mulde auszubreiten. Falls erwünscht, kann das Source-Scheibchen zwischen das Gewicht und die Charge eingefügt werden. Beim Herstellen der Laser-Diode 10 wird es vorgezogen, in der ersten Mulde ein Source-Scheibchen zwischen dem Gewicht und der Charge anzuordnen.

Beim Herstellen der Laser-Diode 10 wird ein Schiffchen mit mindestens vier Mulden benutzt. In der ersten Mulde befindet sich eine aus Galliumarsenid und Alluminiumarsenid als Halbleitermaterial, aus Gallium als Lösungsmittel und aus Zinn als n-Dotiermittel bestehende Füllung, auf der ein aus Galliumarsenid bestehendes Source-Scheibchen liegt. Die zweite Mulde enthält eine Füllung aus Galliumarsenid und möglicherweise Aluminiumarsenid als Halbleitermaterial sowie Gallium als Lösungsmittel; die Füllung der zweiten Mulde enthält aber keinen Dotierstoff. In der dritten Mulde befindet sich eine Ladung aus Galliumarsenid und Aluminiumarsenid als Halbleitermaterial, Gallium als Lösungsmittel und Germanium als p-Dotierstoff. Die dritte Mulde enthält eine Ladung aus Galliumarsenid als Halbleitermaterial, Gallium als Lösungsmittel und Germanium als p-Dotierstoff. Das Quellen- bzw. Source-Scheibchen im Einstich des Schlittens besteht aus Galliumarsenid. Das die Nuten 24 aufweisende Substrat 14 wird so in den ihm zugeordneten Einstich des Schlittens eingesetzt, daß die Nuten 24 parallel zur Längsbewegung des Schlittens stehen.

Das Ofenschiffchen wird zusammen mit den Ladungen und dem Scheibchen in eine Ofenröhre gesetzt, und es wird ein Strom hochreinen Wasserstoffs durch die Ofenröhre über das Ofenschiffchen geführt. Die Ofenröhre wird so aufgeheizt, daß der Inhalt des Ofenschiffchens eine Tempe-

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ratur zwischen etwa 820 und 860 C erhält. Dadurch werden das Lösungsmittel geschmolzen und die Halbleitermaterialien sowie Dotierstoffe im geschmolzenen Lösungsmittel gelöst. Diese Temperatur wird so lange aufrechterhalten, bis ein vollständiges Schmelzen und Homogenisieren der Bestandteile der Füllung sichergestellt ist. Das Schiffchen und sein Inhalt werden dann um etwa 3 bis 5 C abgekühlt und der Schlitten wird so bewegt, daß das Substrat 14 direkt in die Lösung der ersten Mulde gelangt.

Das Source-Scheibchen im Schlitten passiert die erste Mulde ohne Halt und tritt in die zweite Mulde ein, während das Substrat 14 in die erste Mulde gebracht wird. Das Source-Scheibchen zwischen Gewicht und Lösung in der ersten Mulde wird dazu benutzt, die Lösung in der ersten Mulde zu sättigen. Wenn die Hauptfläche 20 des Substrats 14 mit der Lösung der ersten Mulde in Kontakt kommt, tritt - wie in Fig. 3 gezeigt - ein teilweises Abschmelzen der Oberkanten der Nuten 24 auf. Das Ofenschiffchen und sein Inhalt werden dann mit relativ großer Geschwindigkeit, wenigstens etwa 1°C pro Minute, abgekühlt. Hierdurch wird etwas von dem Halbleitermaterial der Lösung der ersten Mulde und der Dotierstoffe aus der Lösung ausgeschieden und in den Nuten 24 sowie auf der Hauptfläche 20 des Substrats 14 abgeschieden, so daß sich die erste Epitaxialschicht 26 gemäß Fig. 3 bildet. Die Zeit zum Abscheiden der ersten Epitaxialschicht 26 soll so gewählt werden, daß die entstehende Schichtdicke d im Bereich auf halbem Wege zwischen den beiden Nuten 24 zwischen etwa 0,8 und 2 Mikrometer liegt und die Schichtdicke d₁ an den Rändern der Nuten 24 zwischen etwa 0,3 und 1 Mikrometer beträgt ( vgl. Fig. 3 ). Vorzugsweise soll die
Schichtdicke d- am dünneren Ende ihres Bereiches liegen, weil dann eine größere Stabilität des Grundbetriebes erreicht wird. Außerdem soll der Bereich 26a der Oberfläche

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der Epitaxialschicht 26 oberhalb des Substrat-Oberflächenbereichs 20 zwischen den Nuten 24 auf einer Breite w von etwa 4 bis 15 Mikrometern im wesentlichen eben sein (vgl. Fig. 3 und 4).

Während die erste Epitaxialschicht 26 auf dem Substrat 14 niedergeschlagen wird befindet sich das Source-Scheibchen des Schlittens in der zweiten Mulde und sättigt die Lösung in der letzteren. Nachdem die erste Epitaxialschicht 26 mit der gewünschten Schichtdicke auf dem Substrat 14 niedergeschlagen worden ist, wird der Schlitten so vorwärts bewegt, daß das Substrat 14 in die zweite Mulde gelangt und die erste Epitaxialschicht 26 mit der in der zweiten Mulde befindlichen Lösung in Kontakt kommt. Das Ofenschiffchen und sein Inhalt werden erneut abgekühlt um etwas von der Halbleitermaterial-Lösung der zweiten Mulde auszufällen und auf der ersten Epitaxialschicht 26 zwecks Bildung der zweiten Epitaxialschicht 28 niederzuschlagen. Das Abscheiden des Halbleitermaterials aus der Lösung der zweiten Mulde erfolgt nur für kurze Zeit um zu erreichen, daß der Teil der zweiten Epitaxialschicht 28 oberhalb des zwischen den Nuten 24 befindlichen Oberflächenteils 20a des Substrats 18 sehr dünn, zwischen 0,5 und 0,3 Mikrometer, wird.

Es ist bekannt, daß die Abscheidegeschwindigkeit bei der Flüssigphasenepitaxie von der Oberflächenkrümmung abhängt. Je größer der Betrag der positiven Krümmung, d. h. der Konkavkrümmung ist, um so größer ist die Abscheidegeschwindigkeit. Das epitaktische Wachsen erfolgt vorzugsweise am Boden der beiden oberhalb der beiden Nuten 24 an der Oberseite der ersten Epitaxialschicht 26 gebildeten Rinnen. Demgegenüber ist das epitaktische Wachsen auf dem ebenen Bereich der oberhalb des Oberflächenbereichs 20a des Substrats befindlichen Oberseite der ersten

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Epitaxialschicht 26 aus zwei Gründen vermindert, nämlich wegen der relativ starken negativen Krümmung dieses Oberflächenbereichs und wegen der seitlichen Massenbewegung in Richtung auf Bereiche mit verstärktem Wachstum, d. h. in Richtung auf die beiden konkaven Teile über den Nuten 24 der Oberfläche der ersten Epitaxialschicht 26. Der Bereich 26a der zweiten Epitaxialschicht 28 oberhalb des Oberflächenbereichs 20a des Substrats erhält daher - wie in Fig. 4 dargestellt worden ist - im Bereich der Breite W eine gleichmäßige Schichtdicke und nach den Seiten hin, wo die zweite Epitaxialschicht 28 über die Kanten der Nuten 24 läuft, eine zunehmende Schichtdicke. Eine sehr dünne zweite Epitaxialschicht 28 kann erhalten werden, wenn ein kleines Lö'sungsvolumen gemäß US-PS 3 753 801 benutzt wird, wobei dann die Niederschlagsdauer nicht mehr kritisch ist.

Während des Niederschiagens der zweiten Epitaxialschicht 28 auf die erste Epitaxialschicht 26 befindet sich das Source-Scheibchen des Schlittens in der dritten Mulde, wo es die Lösung mit dem Halbleitermaterial sättigt. Der Schlitten wird dann in die dritte Mulde bewegt, so daß die zweite Epitaxialschicht 28 in Kontakt mit der Lösung der dritten Mulde gelangt. Die Temperatur des Ofenschiffchens und seines Inhalts wird weiter abgekühlt, um einen Teil des Halbleitermaterials und der Dotierstoffe aus der Lösung der dritten Mulde niederzuschlagen. Hierdurch wird die dritte Epitaxialschicht 30 gebildet. Die Niederschlagsdauer für die dritte Epitaxialschicht 30 wird so gewählt, daß eine minimale Schichtdicke dieser Epitaxialschicht im Bereich zwischen den Nuten 24 der Hauptfläche 20 des Substrats von etwa 0,9 bis 2 Mikrometer aufwächst.

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Der Schlitten wird dann wiederum vorwärts bewegt und damit das Substrat mit den Epitaxialschichten in die vierte Mulde gebracht, welche eine vorher durch das Source-Scheibchen gesättigte Lösung enthält. Das Schiffchen und sein Inhalt werden weiter abgekühlt, um einen Teil des Halbleitermaterials und der Dotierstoffe aus der Lösung der vierten Mulde auszufällen und damit die vierte Epitaxialschicht 32 zu bilden, die vorzugsweise eine minimale Schichtdicke zwischen 0,2 und 1 Mikrometern erhalten soll.

Es hat sich herausgestellt, daß die Oberflächenkontur der vierten Epitaxialschicht 32 von der Dicke dieser Schicht abhängt. Wenn die minimalen Schichtdicken der dritten und vierten Epitaxialschicht 30 und 32 die oben genannten Minimalwerte haben, erhält die Oberfläche der vierten Epitaxialschicht 32 einen leichten Buckel direkt oberhalb des zwischen den Nuten 24 liegenden Teils der Hauptfläche 20 des Substrats (vgl. Fig. 5). Wenn dagegen die minimalen Schichtdicken der dritten und vierten Epitaxialschicht 30 und 32 am oben genannten Maximum liegen, erhält die Oberfläche der vierten Epitaxialschicht 32 gemäß Fig. 6 eine Delle direkt oberhalb des zwischen den Nuten 24 liegenden Teils der Hauptfläche 20 des Substrats. In jedem Fall wird die Position des eine gleichmäßige Dicke aufweisenden Teils der zweiten Epitaxialschicht 28 so sichtbar angedeutet, daß der Ort zum Anbringen des Streifenkontakts leicht zu finden ist.

Nach dem Herausnehmen des Substrats 14 mit den darauf befindlichen Epitaxialschichten aus dem Ofenschiffchen wird eine Siliziumdioxid-Schicht 34 auf die vierte Epitaxialschicht 32 niedergeschlagen. Dieses kann vorzugsweise durch pyrolytische Zersetzung eines Silizium enthaltenden Gases, wie Silan, in Sauerstoff oder in Wasserdampf ausgeführt werden.

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In der Siliziumdioxid-Schicht 34 unmittelbar oberhalb des Buckels oder der Senke in der Oberfläche der vierten Epitaxialschicht 32 wird eine streifenförmige Öffnung gebildet. Wie bereits erwähnt, kann diese Öffnung durch Aufbringen eines Fotolacks auf die Siliziumdioxid-Schicht ausgenommen im für die Öffnung vorgesehenen Bereich und Wegätzen des letztgenannten freiliegenden Bereichs der Siliziumdioxid-Schicht gebildet werden. Die Siliziumdioxid-Schicht und der freigelegte Teil der Oberfläche der vierten Epitaxialschicht 32 werden dann mit einer metallischen Kontaktfläche 36 bedeckt. Dieses Metallisieren kann vorzugsweise durch bekanntes Verdampfen in Vakuum erfolgen. Auf dieselbe Weise kann die Metallschicht 36 auf die untere Hauptfläche 22 des Substrats 14 aufgebracht werden.

Bei Betrieb des Halbleiterlasers 10 erzeugt ein durch den Laser zwischen den Kontakten 36 und 38 fließender Strom mit Schwellenwert Elektronen und Löcher, welche in die dünne Aktivzone, d. h. die zweite Epitaxialschicht 28, zu injizieren sind, wo die Elektronen und Löcher durch Rekombination Licht erzeugen. Der Laser-Effekt tritt in dem Bereich der Aktivzone gleichmäßiger Dicke auf, welcher direkt oberhalb des ebenen Bereichs 26a der Oberfläche der ersten Epitaxialschicht 26 und damit oberhalb des zwischen den Nuten 24 befindlichen Oberflächenteils 20a des Substrats liegt. Das von dem Halbleiterlaser 10 emittierte Licht ist ein sowohl räumlicher
(transversal und lateral) als auch longitudinaler Einzelfrequenzfaden (single mode filament). Dieses Einzelfrequenz-Laserlicht wird sogar erhalten, wenn der Halbleiterlaser 10 bei CW (mit ungedämpften Wellen) und entweder bei Zimmertemperatur oder 70 C betrieben wird. Der Lasereffekt wird durch den dünnen Wellenleiter erzielt, der durch die beiden HeteroÜbergänge zwischen der zweiten Epitaxialschicht 28 und der ersten bzw. dritten Epitaxialschicht 26 und 30 geschaffen wird. Auch die Breite der

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den Laserstrahl aussendenden Zone wird hauptsächlich durch einen Streueffekt aber auch in gewissem Maße durch eine selektive Schwingungsdämpfung festgelegt, wobei letztere dadurch gegeben ist, daß die zweite Epitaxialschicht 28 nach jeder Richtung von der minimalen Dicke aus zunehmende Dicke aufweist.

Obwohl die Richtungsabweichung der Hauptfläche 20 des Substrats 14, wie beschrieben, parallel zur Längsachse der Nut 24 verlaufen soll, kann eine Richtungsabweichung im Bereich eines Winkels zwischen etwa 45° und 135° mit Bezug auf die Längsachse der Nut 24 wünschenswert sein. Wie vorher für den Fall einer Ausrichtung parallel zu der Nut 24 beschrieben wurde, ist der Bereich der zweiten Epitaxialschicht 28 oberhalb des ebenen Oberflächenteils 26a der ersten Epitaxialschicht 26 symmetrisch, d. h. die Schicht läuft im wesentlichen gleichmäßig nach beiden Seiten von der Zone gleichmäßiger Dicke aus. Wenn jedoch die Richtungsabweichung nicht parallel zur Nut 124 verläuft, ergibt sich - wie in Fig. 7 gezeigt wird - ein nicht symmetrischer Bereich 128a der zweiten Epitaxialschicht 128 oberhalb des ebenen Bereichs 126a der Oberfläche der ersten Epitaxialschicht 126. Die Unsymmetrie äussert sich dabei darin, daß der Bereich 128a nach der einen Seite mit größerer Schichtdicke als nach der anderen Seite hin ausläuft. Die Unsymmetrie reicht aus, den Betrieb des Halbleiterlasers zu beeinträchtigen, wenn die Richtungsabweichung bei einem Winkel von wenigstens etwa 45° gegenüber der Längsachse der Nut 124 beträgt. Die Wirkung dieser Unsymmetrie besteht darin, daß der in der zweiten Epitaxialschicht 128 erzeugte Lichtpunkt größer ist als der in einer symmetrischen Schicht erzeugte Lichtpunkt. Unabhängig davon jedoch, ob der fragliche Bereich der zweiten Epitaxialschicht symmetrisch oder unsymmetrisch ist, findet der Lasereffekt in dieser unmittelbar oberhalb des flachen Bereichs der Oberfläche der ersten Epitaxialschicht statt.

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Der erfindungsgemäße Halbleiterlaser 10 besitzt eine Reihe von Vorteilen gegenüber anderen Strukturen, bei denen versucht wird, einen Einzelfrequenz-Lichtfaden-Ausgang (single mode filament light output) zu erzeugen. Im Verhältnis zu den Halbleiterlasern mit begrenzenden Zonen an jeder Seite der Aktivzone gemäß US-PS 3 983 510 ist der erfindungsgemäße Halbleiterlaser 10 einfacher herzustellen, da die verschiedenen Epitaxialschichten nur einfach nacheinander auf dem Substrat niederzuschlagen sind, wobei die verfeinerte Aktivzone automatisch gebildet wird. Gegenüber den Halbleiterlasern bei denen die Epitaxialschichten über einer einzigen schwalbenschwanzförmigen Nut so aufgewachsen werden, daß die Aktivzone längs eines Randes der Nut verläuft, besitzt der erfindungsgemäße Halbleiterlaser 10 den Vorteil daß der Ort des erzeugten Lichtfadens dicht über dem zwischen den Nuten 24 liegenden Bereich der Hauptfläche 20 des Substrats angeordnet ist. Auch kann die Breite des letztgenannten Bereichs der Substratoberfläche ebenso wie der Betrag der Dickenänderung seitlich der Aktivzone durch Vorgabe des Abstandes zwischen den Nuten 24 gesteuert werden. Außerdem läßt sich die Position des Streifenkontaktes genau durch die Form der Oberfläche der vierten Epitaxialschicht vorbestimmen, so daß der Kontakt direkt auf den dünnsten Teil der Aktivzone auszurichten ist. Das ist wünschenswert, um ein vollständiges Stromtrichtern über die Aktivzone sicherzustellen, wo der Lasereffekt stattfindet. Der erfindungsgemäße Halbleiterlaser 10 ist daher auf einfachere Weise herzustellen als die Diode mit der längs einer einzigen sehwalbenschwanzförmigen Nut gebildeten Aktivzone, weil die Position der Aktivzone und diejenige des Streifenkontakts genau festliegen.

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Claims

Dr.-lng. Reimar König - Dipl.-irtg. Klaus Bergen Cecillenallee 7B A Düsseldorf 3D Telefon 45 SO OS Patentanwälte 20. Juli 1979 33 012 B RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York, N.Y. 10020 (V. St. A.) "Halbleiterlaser" Patentansprüche:

1. Halbleiterlaser mit einem ein in einer Oberfläche eine schwalbenschwanzförmige Nut aufweisendes Substrat enthaltenden Halbleiterkörper, wobei sich auf der Substratoberfläche eine erste Epitaxialschicht, auf dieser eine dünne, zweite Epitaxialschicht und darauf eine dritte Epitaxialschicht befinden und die erste und dritte Epitaxialschicht zueinander entgegengesetzten Leitungstyp besitzen, während die zweite Epitaxialschicht die aktive Laser-Rekombinationszone darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (20) des Substrats (18) eine parallel zur schwalbenschwanzförmigen Nut (24) und mit Abstand zu dieser verlaufende, zweite schwalbenschwanzförmige Nut (24) aufweist, daß die erste Epitaxialschicht (26) über dem Bereich der Hauptfläche (20) des Substrats (18) zwischen den Nuten (24) als ebene Oberflächenzone (26a) ausgebildet ist und daß die lichterzeugende Zone in der Nähe des sich über der ebenen Oberflächenzone (26a) der ersten Epitaxialschicht (26) befindlichen Bereichs der zweiten Epitaxialschicht (28) liegt.

2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Epitaxialschicht (28) Teile mit

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weg von einem direkt über dem ebenen Oberflächenbereich (26a) der ersten Epitaxialschicht (26) liegenden Bereich spitz zulaufender Dicke aufweist.

3. Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Epitaxialschicht (28) von dem Bereich gleichmäßiger Dicke aus in jeder Richtung mit zunehmender Dicke ausläuft.

4. Halbleiterlaser nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die sich in der Dicke ändernden bzw. spitz zulaufenden Bereiche symmetrisch sind.

5. Halbleiterlaser nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Dicke sich ändernden bzw. spitz zulaufenden Bereiche unsymmetrisch sind.

6. Halbleiterlaser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten jeder der Nuten (24) an der Hauptfläche (20) des Substrats (18) entfernt sind, s* daß die an die Hauptfläche (20) angrenzenden Seitenflächen in einem Teilbereich spitz ause inande rlaufen.

7. Halbleiterlaser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 mit einer vierten Epitaxialschicht auf der dritten Epitaxialschicht, wobei die vierte Epitaxialschicht denselben Leitungstyp wie die dritte Epitaxialschicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der vierten Epitaxialschicht (32) eine Kontaktfläche (36) liegt und daß die vierte Epitaxialschicht (32) längs eines oberhalb und längs des Bereichs der zweiten Epitaxialschicht (28) mit gleicher Dicke verlaufenden Streifens kontaktiert ist.

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8. Halbleiterlaser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der vierten Epitaxialschicht (32) einen sich längs des dünnsten Bereichs der zweiten Epitaxialschicht (28) erstreckenden Buckel aufweist und daß die Kontaktfläche (36) die vierte Epitaxialschicht (32) längs des Buckels kontaktiert.

9. Halbleiterlaser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der vierten Epitaxialschicht (32) eine sich über und längs des dünnsten Bereichs der zweiten Epitaxialschicht (28) erstreckende Senke aufweist und daß die Kontaktfläche (36) die vierte Epitaxialschicht (32) längs der Senke kontaktiert.

10. Halbleiterlaser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (18) aus Galliumarsenid besteht und daß die Hauptfläche (20) des Substrats fast parallel zu der (110)-Kristallebene verläuft.

11. Halbleiterlaser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Hauptfläche (20) des Substrats (18) bis zu 3° von der (100)-Kristallebene abweicht.

12. Halbleiterlaser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die abweichend verlaufende Hauptfläche (20) des Substrats (18) parallel zu der Längsachse der Nuten (24) ausgerichtet ist.

13. Halbleiterlaser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptfläche (20) des Substrats (18) längs einer nicht parallel zu der Längsachse der Nuten (24) verlaufenden Linie ausgerichtet ist.

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14. Halbleiterlaser nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptfläche (20) längs einer in einem Winkel von 45 bis 90° zur Längsachse der Nuten (24) verlaufenden Linie ausgerichtet ist.

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