DE2929719C2 - Halbleiterlaser - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser mit einem ein in einer Oberfläche eine schwalbenschwanzförmige
Nut aufweisendes Substrat enthaltende 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
Es sind bereits Halbleiterlaser mit einem im allgemeinen aus einer IH-V-Verbindung oder einer
Legierung solcher Verbindungen bestehenden Halbleiterkörper entwickelt worden, welche eine dünne
Aktivzone zwischen Zonen entgegengesetzten Leitungstyps, d. h. eine p-Ieitende 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 37 47 016 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.
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 Einzelmode-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 39 78 428 besteht ein Verfahren zum Herstellen einer vergrabenen Aktivzone darin, daß eine
Nut in ein Substrat eingebracht und die Aktivzone epitaxial in der Nut' niedergeschlagen wird. Eine
weitere, in der US-PS 3983 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 aufzubringßn. 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, Seitf η 261 bis 263, ist ein Halbleiterlaser der eingangs genannten Art beschrieben worden, welcher
ein Laser-Licht eines einzelnen Mode liefert In eine Oberfläche des zugehörigen Substrats ist eine schwalbenschwanzförmige
Nut eingebracht worden, während die Laser-Bereiche durch Epitaxie aus der Flüssigphase
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 Aktivzonc 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 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 einenHalbleiterlaser 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 erfindungsgemäße Halbleiterlaser besitzt mehrere Vorteile gegenüber anderen Strukturen, bei denen
versucht wird, einen Einzelmode-Lichtfaden-Ausgang zu erzeugen. Im Verhältnis zu den Halbleiterlasern mit
begrenzenden Zonen an jeder Seite der Aktivzone gemäß US-PS 39 83 510 ist der erfindungsgemäße
Halbleiterlaser 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 den Vorteil, daß der Ort des erzeugten Lichtfadens dicht über dem zwischen den Nuten
liegenden Bereich der Hauptfläche 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 gesteuert werden.
Ein Halbleiterlaser der erfindungsgemäßen Art kann s am Beden des Substrats und oben auf der obersten
Epitaxialschicht elektrisch kontaktiert werden. Durch zwischen den entsprechenden Kontakten fließenden
Strom kann der Laser in Betrieb gesetzt werden. Unerwartet lassen sich hinsichtlich dec Plazierens des
elektrischen Kontakts der Oberseite des Bauelements bislang bestehende Schwierigkeiten mit dem erfindungsgemäßen
Halbleiterlaser insbesondere dann überwinden, wenn auf die vorgenannte dritte Epitaxialschicht
eine vierte Epitaxialschicht und auf diese eine
is elektrisch leitende Kontaktschicht aufgebracht wird, die
die vierte Epitaxialschicht längs eines oberhalb und längs des gleiche Dicke aufweisenden Bereichs der
zweiten Epitaxialschicht verlaufenden Streifens kontaktiert Der dabei überraschend erzielte Vorteil besteht
darin, daß sich der Bereich oberhalb des zwischen den Nuten liegenden Teils der Hauptfläche des Substrats,
also die laseraktive Zone des Bauelements, durch eine Delle oder einen Buckel in der Oberfläche der vierten
Epitaxialschicht abzeichnet Da sich die Position des tür die Oberseite des Bauelements vorgesehenen Streifen-Kontakts
also genau durch die Form der Oberfläche der vierten Epitaxialschicht vorbestimmen läßt, kann der
Kontakt direkt auf den dünnsten Teil der Aktivzone ausgerichtet und demgemäß ein optimaler Stromfluß
durch die laseraktive Zone gewährleistet werden.
Die aktive Laserzone des erfindungsgemäßen Bauelements läßt sich auch mit außerordentlich gleichmäßig
geringer Schichtdicke herstellen, weil die die Laserzone bildenden und begrenzenden Schichten Epitaxialschichten
sind, die beim Aufwachsen auf dem zwei parallel zueinander laufende Nuten aufweisenden Substrat
vornehmlich innerhalb der Nuten und wesentlich langsamer auf dem zwischen den Nuten vorgesehenen
Steg wachsen. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird dieses Ergebnis vorzugsweise bei einem
Halbleiterlaser erreicht, dessen Substrat aus Galliumarsenid besteht und bei dem die der Laserzone
zugewandte Hauptfläche des Substrats fast parallel zu der (100)-Kristallebene verläuft. Insbesondere soll dabei
die Richtung bzw. kristallographische Orientierung der Ebene der Hauptfläche bis zu 3° von der (lOO)-Kristallebene
abweichen. Bei einer solchen vom Material und der kristallographischen Ausrichtung abhängigen Konstellation
hat das erfindungsgemäße Bauelement eine besonders hohe Qualität, weil die für die gleichmäßige
und geringe Schichtdicke im Bereich der Aktiv-Laserzone erforderliche Topologie an der Substratoberfläche
dann mit besonders gutem Erfolg herzustellen ist.
Anhand der schematischen Darstellungen in den F i g. 1 bis 7 werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Es zeigt
Anhand der schematischen Darstellungen in den F i g. 1 bis 7 werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine Perspektivansicht des Halbleiterlasers;
F i g. 2 einen Schnitt durch das Substrat während des Herstellens der Laser-Diode;
F i g. 2 einen Schnitt durch das Substrat während des Herstellens der Laser-Diode;
F i g. 3 einen Schnitt gemäß F i g. 2 mit auf das Substrat aufgebrachter erster Epitaxialschicht;
Fig.4 einen vergrößerten Schnitt der Laser-Diode
während des Herstellens der Aktivzone;
F i g. 5 einen Schnitt durch einen Teil der Laser-Diode mit einem Ausführungsbeispiel einer herzustellenden Dickschicht;
F i g. 5 einen Schnitt durch einen Teil der Laser-Diode mit einem Ausführungsbeispiel einer herzustellenden Dickschicht;
F i g. 6 einen Schnitt ähnlich demjenigen gemäß F i g. 5 mit einem anderen Ausführungsbeispiel der
F i g. 7 einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel des Halbleiters.
In F i g. 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer insgesamt mit 10 bezeichneten 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, schwalbenschwanzförmiger 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 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 eiekirisch isolierenden Schicht 34 aus einem elektrisch
isolierenden Material, wie Siliziumdioxid, abgedeckt
durch die eine Öffnung führt, weiche die Form eines sich längs des direkt zwischen den Nuten 24 befindlichen
Oberflächenteils 20a des Substrats 18 erstreckenden Streifens hat Auf der Isolierschicht 34 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 vogseise
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 s der ersten als auch mit der dritten Epitaxialschicht 26
bzw. 30 bildet. Diese HeteroÜbergänge dienen dazu, das in der zweiten Epitaxialschicht 28 erzeugte Licht in
dieser Schicht einzuschließen. Wenn beispielsweise die zweite Epitaxialschicht 28 aus Galliumarsenid besteht,
ίο 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 be
steht, kann als Material für das Substrat 18 Galliumarse
nid 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
Die Laser-Diode 10 wird ausgehend von einem Substrat 14 mit dem gewünschten Halbleitermaterial
und Leitungstyp hergestellt. Beispielsweise kann n-leitendes Galliumarsenid mit einer Hauptfläche 20
verwendet werden, welche fast parallel zur (lOO)-Kristallebene verläuft und leicht (bis zu 3°) längs der
[011]-Kristallrichtung gegenüber der (lOO)-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 Maskenschicht 40
mit einer Fotolackschicht und Versehen der letzteren mit mit den Öffnungen 42 und 44 korrespondierenden
Öffnungen mit Hilfe üblicher fotolithografischer Tech
nik 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 [Olll-Kristallrichtung
des Substrats 14 verlaufen. Aus weiter unten zu erläuternden Gründen wird es vorgezogen, jede der
öffnungen 42 und 44 etwa 4 bis 6 μΐη breit zu machen
und einen Mittenabstand der öffnungen 42 und 44 von etwa 20 bis 45 μπι zu wählen.
Die durch die öffnungen 42 und 44 freigelegten Teile
der Oberfläche 20 des Substrats 14 werden dann mit
go einem Ätzmittel in Berührung gebracht, welches
[100]-orientierte Oberflächen gegenüber [lll]-orientierten Oberflächen selektiv ätzt Ein solches Ätzmittel
ist z. B. eine Lösung mit einem Teil Schwefelsäure, acht
Teilen Wasser und acht Teilen Wasserstoffsuperoxid.
Gemäß F i g. 2 führt dieses zum Entstehen schwalbenschwanzförmiger Nuten 24 mit einer Tiefe von etwa
4 μπι und den (100)- und (111) ^-Ebenen als Boden- bzw.
Seitenflächen. Beim Ätzen werden die Sehenflächen der
Nuten 24 unter die Maskenschicht 40 unterätzt, derart, daß ausgehend von Öffnungen 42 und 44 mit einer
Breite von 4 bis 6 μιη Nuten 24 entstehen, die an ihrem
oberen Rand etwa 10 bis 12 μιη breit sind, wenn etwa
4 μιη tiefe Kanäle gewünscht werden. Abschließend wird die aus Siliziumdioxid bestehende Maskenschicht
40 mit Hilfe von gepufferter Flußsäure (HF) abgetragen.
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 30°C 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 3O0C 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 37 53 801 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 Einstich 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, 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 Alluminhimarsenid 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 Alumimumarsenid als Halbeitermaterial sowie
Gallium als Lösungsmittel; die Füllung der zweiten Mulde enthält aber keinen Dotierstoff. In der dritten
Mulde befindet sich eine Ladung aus Galliumarsenid und Alumimumarsenid 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
ίο es wird ein Strom hochreinen Wasserstoffs durch die
Ofenröhre über das Ofenschiffchen geführt. Die Ofenröhre wird so aufgeheizt, daß der Inhalt des
Ofenschiffchens eine Temperatur zwischen etwa 820 und 8600C 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 F i g. 3
gezeigt — ein teilweises Abschmelzen der Oberkanten der Nuten 24 auf. Das Ofenschiffchen und sein Inhalt
werden dann mit relativ großer Geschwindigkeit, wenigstens etwa I0C 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 F i g. 3 bildet. Die Zeit zum Abscheiden der ersten Epitaxialschicht 26
soll so gewählt werden, daß die entstehende Schichtdikke do im Bereich auf halbem Wege zwischen den beiden
Nuten 24 zwischen etwa 0,8 und 2 μίτι liegt und die
Schichtdicke d\ an den Rändern der Nuten 24 zwischen etwa 0,3 und 1 μπι beträgt (vgl. F i g. 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 der Epitaxialschicht 26
oberhalb des Substrat-Oberflächenbereichs 20 zwischen den Nuten 24 auf einer Breite ws vor. etwa 4 bis !5 μπι
im wesentlichen eben sein (vgL F i g. 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 Halbleitermate-
rials 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 Oberflächenteile 20a des Substrats 18 sehr
dünne, zwischen 0,5 und 0,3 μιη 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 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
28a der zweiten Epitaxialschicht 28 oberhalb des Oberflächenbereichs 20a des Substrats erhält daher —
wie Γη F i g. 4 dargestellt worden ist — im Bereich der Breite ho eine gleichmäßige Schichtdicke und nach den
Seiten hin, wo die zweite Epitaxialschicht 28 über die Kanten der Nuten 24 läuft, eine zunehmende Schichtdikke.
Eine sehr dünne zweite Epitaxialschicht 28 kann erhalten werden, wenn ein kleines Lösungsvolumen
gemäß US-PS 37 53 801 benutzt wird, wobei dann die Niederschlagsdauer nicht mehr kritisch ist
Während des Niederschiagens der zweiten Epitaxialschicht 28 auf die erste Epitaxiaischicht 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 μιη aufwächst Der Schlitten
wird dann wiederum vorwärts bewegt und damit das Substrat mit den Epitaxialschichten in die vierte Mulde
gebracht welche einer 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 um 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 F i g. 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.
In der Siiiziumdioxid-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 Oberilächenteils 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 Dauerstrichbetrieb und entweder bei Zimmertempe- ratur oder 700C betrieben wird. Der Lasereffekt wird
durch den dünnen Wellenleiter erzielt, der durch die beiden HeteroÜbergänge zwischen der zweiten Epitaxialschicht
2S und der ersten bzw. dritten Epitaxiaischicht 26 und 30 geschaffen wird. Auch die Breite der
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 Richtung längs der die Hauptfläche 20 des Substrats 14 gegenüber der (100)-Kristanebene geneigt
ist, wie beschrieben, parallel zur Längsachse der Nut 24
verlaufen soll kann auch ein Winkel von 45 bis 90°
zwischen der angegebenen Richtung und der Längsachse der Nut 24 wünschenswert sein. Wie vorher
beschrieben, ist für den FaQ einer Ausrichtung parallel zu der Nut 24 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 von
der Parallelität abgewichen wird, ergibt sich — wie in F i g. 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 Abweichung
von der Parallelität wenigstens etwa 45° 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.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (12)
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 ausgehend von einem direkt über dem ebenen Oberflächenbereich {26a) der ersten Epitaxialschicht
(26) liegenden Bereich wachsender Dicke aufweist
3. Halbleiterlaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Epitaxialschicht (28)
von einem Bereich gleichmäßiger Dicke aus in jeder Richtung mit zunehmender Dicke ausläuft
4. Halbleiterlaser nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Dicke sich ändernden
Bereiche symmetrisch bezüglich des direkt über dem ebenen Oberflächenbereich (26a) der ersten Epitaxialschicht
(26) liegenden Bereichs sind.
5. Halbleiterlaser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kanten jeder der Nuten (24) an der Hauptfläche (20) des Substrats (18) abgeschrägt sind, so daß die an die
Hauptfläche (20) angrenzenden Seitenflächen in einem Teilbereich abgeschrägt auseinanderlaufen.
6. Halbleiterlaser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, 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.
7. Halbleiterlaser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der vierten
Epitaxialschicht (32) einen sich längs des dünnsten Bereichs der zweiten Epitaxialschicht (28) erstrekkenden
Buckel aufweist und daß die Kontaktfläche (36) die vierte Epitaxialschicht (32) längs des Buckels
kontaktiert.
8. Halbleiterlaser nach Anspruch 6, 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
9. Halbleiterlaser nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (18) aus Galliumarsenid besteht und daß die
Hauptfläche (20) des Substrats fast parallel zu der (100)-Kristallebene verläuft
10. Halbleiterlaser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet daß die Hauptfläche (20) des
ίο Substrats (18) bis zu 3° gegenüber der (100)-Kristallebene
längs einer bestimmten Richtung geneigt ist
11. Halbleiterlaser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet daß die bestimmte Richtung parallel
zu der Längsachse der Nuten (24) verläuft
12. Halbleiterlaser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet daß die bestimmte Richtung in
einem Winkel von 45 bis 90° zur Längsachse der Nuten (24) verläuft
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