DE2933149A1

DE2933149A1 - Wellenleitendes halbleiterbauteil

Info

Publication number: DE2933149A1
Application number: DE19792933149
Authority: DE
Inventors: Paul Anthony Kirkby
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1978-08-18
Filing date: 1979-08-16
Publication date: 1980-02-21
Also published as: AU4977879A; GB2029083A; GB2029083B; NZ191335A

Description

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■j

P.A.Kirkby-5

Wellenleitendes Halbleiterbauteil

Diese Erfindung betrifft die Anordnung von optisch wellenleitenden Strukturen in III-V Halbleitern und findet besonders, aber nicht ausschließlich, Anwendung in der Anordnung von Halbleiterlaserstrukturen.

Aus einer herkömmlichen Ausführung von Doppelheterostrukturlasern ist es bekannt, eine Halbleiterschicht mit höherem Brechungsindex zwischen einer unteren und einer oberen Schicht mit niedrigerem Brechungsindex zu verwenden. Die entstehenden zwei Grenzflächen zwischen den Materialien höheren und niedrigeren Brechungsindexes sorgen für optische Wellenleitung in einerRichtung normal zur Ebene der Schichten . Wellenleitung in vorgegebener Richtung in der Ebene der Schichten wird jedoch nicht erzielt. Wenn tatsächlich die Injektion von Minoritätsladungsträgem in das Material mit höherem Brechungsindex auf einen schmalen Streifen begrenzt wird, neigen die Minoritätsladungsträger dazu,ein Gebiet mit etwas verringertem Brechungsindex zu erzeugen, was dazu führt,daß in der Streifenrichtung die Struktur bei geringen Betriebströmen, etwa der Größe der Laserschwelle^antiwellenleitend wird.

Es ist weiterhin an sich bekannt, daß sich der Brechungsindex eines elastischen Stoffes unter Druck ändert. Eine Anwendung dieses Effekts bei einem Halbleiterbauteil der vorher beschriebenen Art ist bisher nicht erfolgt. Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß der Brechungsindex des Materials eines Halbleiterwellenleiters nicht nur durch die Materialwahl sondern noch durch die Ausnutzung des photoelastischen Effekts beeinflußt werden kann.

Dr. J/Sam /

13.8.1979

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P.A.Kirkby-5

In einigen käuflichen Lasern sind Halbleiterwellenleiter verwendet, bei denen aufbaubedingte mechanische Spannungen auftreten und so auch photoelastische Effekte auftreten müssen. Dieses führte öfters sogar dazu, daß keine Lichtleiterwirkung in einer vorgegebenen Richtung mehr auftrat. Hinweise für einen gezielten Einsatz des photoelastischen Effekts bei einem Halbleiterwellenleiter sind bisher nicht bekannt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wellenleitung in einer vorgegebenen Richtung in einem Halbleiterbauteil gegenüber dem Stand der Technik zu verbessern.

Die Lösung dieser Aufgabe ist den Ansprüchen zu entnehmen. Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnungen sind in einer Verkleinerung des an der Lichtausbreitung beteiligten Volumens zu sehen. Dies führt bei Lasern zu kleineren Laserschwellen. Bei einer Verwendung bei integrierten optischen Bauteilen läßt sich das übersprechen verringern.

Im folgenden wird mit verschiedenen Figuren beschrieben, wie Spannungsmuster erzeugt werden können und mögliche Ausführungsformen von Halbleiterlasern sind dargestellt.

Figur 1: Zusammenhang zwischen Filmdicke und Druckspannung für einen durch Hochfrequenzplasmaabscheidung auf einem Galliumarsenidlaser niedergeschlagenen isolierenden Film.

Figur 2: Schnitt durch den Wafer mit einem streifenförmigen Fenster in dem niedergeschlagenen Film.

Figur 3: Spannungsmuster für die Anordnung nach Figur 2.

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Figur 4: Darstellung der Spannung in der Filmebene in verschiedenen Tiefen unter dem Film, aufgetragen als Funktion der Koordinate in Richtung der Streifenausdehnung.

Figur 5: Darstellung der Spannung normal zur Filmebene in verschiedenen Tiefen unterhalb des Films, aufgetragen als Funktion der Koordinate der Ausdehnung des Streifens.

Figur 6: Zusammenhang zwischen den Kristallachsen des HaIbleiterwafers und den Koordinatenachsen, welche zur Berechnung der Spannungen und Verschiebungen benutzt werden.

Figur 7: Darstellung dea Verlaufs der durch die Spannungen hervorgerufenen dielektrischen Konstanten für verschiedene Streifenbreiten, aufgetragen als Funktion der Koordinate der Streifenausdehnung.

Figur 8: Darstellung des Verlaufs der durch die Spannungen hervorgerufenen dielektrischen Konstanten in verschiedenen Tiefen unter dem Film, aufgetragen als Funktion der Koordinate der Ausdehnungsrichtung des Streifens.

Figur 9: 4 Grundtypen von Nuten oder Streifenanordnungen, welche Wellenleitung in einer vorgegebenen Richtung in den darunterliegenden Halbleitermaterial hervorrufen.

Figuren 10, 11, 12 und 13:

Perspektivische schematische Ansichten von 4 Lasern, welche den photoelastischen Effekt ausnutzen, um Wellenleitung in einer vorgegebenen Richtung zu erzielen.

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In der erfindungsgemäßenLaserstruktur wird der Strom auf einen schmal en Streifen beschränkt, indem in einem auf der Oberfläche des Halbleiters aufgebrachten elektrisch isolierenden Films ein streifenförmiges Fenster geöffnet wird. Abhängig vom Material, welches für diesen Film benutzt wird, und seiner Abscheidungsmethode, kann in dem Film bei Umgebungstemperatur erhebliche Spannung auftreten. Dies kann von einer Fehlanpassung der thermischen Ausdehnung herrühren, oder es kann daraus folgen, daß die Abscheidungsmethode eine innere Spannung in dem Film bei seiner Abscheidung erzeugt, oder es kann durch eine Kombination dieser beiden Faktoren begründet sein.

Der Film kann ein durch Hochfrequenzplasmaabscheidung aufgebrachter Film von Siliziumoxyd und/oder Siliziumnitrid sein. Ein solcher Film kann durch k% Silan in Ammonium und Stickstoffoxyd bei einem Druck von etwa 0,5 Torr abgeschieden werden. Der Halbleiterwafer wird durch einen Qraphithalter getragen. Unter Verwendung eines Generators, welcher bei einem MHz 500 Watt abgibt, wird die übertragene Leistung so eingestellt, daß der Halter auf einer Temperatur von etwa 525°C gehalten wird. Die Eigenschaften des in dieser Art und Weise aufgebrachten Films hängen stark von den Abscheidungsbedingungen ab, aber der Film steht immer unter erheblichen Druckspannungen wenn er auf Raumtemperatur abgekühlt ist. Dies übt einen biegenden Effekt auf den Wafer aus, genau in der Art und Weiae, wie fehlangepasste Galliumaluminiumarsenidepitaxie-Schichten auf Galliumarsenid-Substraten. Wenn in dem Film Fenster geöffnet werden, üben die Kanten des Fensters Kräfte auf das Galliumarsenid aus, und zwar parallel zur Oberfläche des GaI-liumarsenids senkrecht zu den Kanten des Fensters. Die Kräfte wirken in einer von der Fensterkante wegweisenden Richtung. Dies führt zu einem komplizierten Spannungsfeld in dem

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— ί —

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darunter liegenden Wafer, was zu sehr hohen Spannungen direkt unterhalb der Kante des Films führt.

Berechnungen der dadurch hervorgerufenen elastischen Spannungen und Verschiebungen sind besonders kompliziert da Galliumarsenid einen anisotropen elastischen Deformationstensor besitzt. In gewissen einfachen Fällen kann dies einfach berücksichtigt werdenj die Berechnung des Spannungsfeldes unterhalb eines streifenförmigen Fensters ist jedoch sehr schwierig. Die Ableitung, die nun gegeben wird, benutzt eine isotropen Mittelwert für den Young Modul E und die Poissonsche Querkontraktionszahl V für Galliumarsenid.

Die Spannung in dem Film kann aus Messungen des Krümmungsradiuses 'p' des Substrates abgeleitet werden. Wenn der Film eine Dicke 't^f besitzt und unter der Druckspannung er'_χ steht, dann gilt nach Jaccodine und Schlegel (JnI. Appl. Phys. 37 No. 6 S. 2429 - 243*0:

ο t - Ed² ...(1)

°οΧ^τ ' 6p(l -V)

^mlt = J = 1.23 x 10¹² dyn/cm² in der {lOO}

Ebene (GaAs)
d = Substratdicke

= Poisson'sche Querkontraktionszahl (GaAs)

Ein Diagram des Wertes von <r t als Funktion der Filmdicke ist in Figur 1 aufgetragen. Die Werte wurden durch Messungen des Krümmungsradiuses eines polierten 200 μπι dicken Galliumarsenid-Substrates erhalten. Der Krümmungsradius wurde mit Hilfe eines Natriumdampfinterferenzmikroskops gemessen. Die zwei Datensätze sind für zwei typische Sätze von Abscheidungsbedingungen

ο ρ gemessenund entsprechen cf _χ Werten von -5 χ 10 dyn/em bzw.

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10 2
-10 dyn/cm . Die $tzraten der beiden Filmtypen unterscheiden sich ebenfalls, was wahrscheinlich auf unterschiedlichen SiO₀ - Si^,N_;. Verhältnissen in Film beruht. Diese Spannungen

9 2

sind mit Werten von etwa -3 x 10 dyn/cm für thermisch aufgewachsene Siliziumoxydfilme zu vergleichen. Nach Reinhart und Logan (J. Appl. Phys. M No. 7 S. 3171 - 3174, Juli 1973) ist die Spannung in der aktiven Schicht eines Doppelheterostrukturwafers direkt unter einem solchen gleichmäßigen Film geben durch:

-4 <f _Yt
σ, = . . . (2 J

Dies kann zu erheblichen Zugspannungen führen. Eine 2000 8 Schicht des Films mit höheren Spannungen auf einem .100 um dicken Wafer ruft eine Zugspannung von 0,4 χ 10 dyn/cm hervor. Dieser Wert liegt in der Größenordnung der Spannung, welche in der aktiven Schicht eines herkömmlichen Doppelheterostrukturlasers durch die Fehlanpassung der Heterostruktur-

R ? grenzschichten hervorgerufen wird (0 - 0,77 x 10 dyn/cm ).

Wenn, wie in Figur 2 dargestellt, ein streifenförmiges Fenster in dem Film 20 geöffnet wird, wird eine Kraft pro Längeneinheit S = C_oXt (dyn/cm) auf das Galliumarsenidsubstrat 21 durch die Kante des Oxyds ausgeübt. Wird ein Kraft S ausgeübt, so ändern sich die Koordinaten des Punktes P von (x,z) nach (x + u, ζ + w). Blech und Meieran (J. Appl, Phys, Vol. 38 No. 7 S. 2913 - 2919, Juni 1967) haben die Verschiebung u in der x-Richtung unterhalb eines unendlich langen Streifenfilms in einem isotropen Substrat berechnet. Die Verschiebung u wird durch Integration des Effekts ömittelt, welchen ein Kraftelement S.dy entlang der gesamten Linie des Streifens (y = -odbisy = +oo) ausübt. Eine ähnliche

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Integration kann ausgeführt werden, um die Verschiebung w in z-Riehtung zu ermitteln. Wegen der Symmetrie der Anordnung besteht natürlich keine Verschiebung in y-Richtung.

Die Verschiebungen sind gegeben durch:

1 + A I fl__ r

2 Ir, r₂

- C) In ^rl + A I ^Xl ^X2 f C ... C3)

wobei x.j Xpj v, und r~ wie in Figur 2 definiert sind

A = (1 +V) 2VE = 1.63 χ 10~¹⁵cm²/dyn B = (3 - kv) = 2.08

— 1 Il P

C = (1 + V) (1 - 2v) I 2ttE = 8.81 χ 10 ^l ein /dyn

Die Wer'te von A, B und C hängen vom Young Modul E und der Poisson¹sehai QuerKontraktionszahl V ab. Die drei unabhängigen elastischen Konstanten von Galliumarsenid sind gegeben durch CIl = 11.88 χ ΙΟ¹¹, C₁₅ = 5,38 χ 10¹¹ und C,., = 5,94 χ ΙΟ¹¹ dyn/cm (Williadson and Beer "Semiconductors and Semimetals" Vol. 12, Academic Press, New York 1966 S. 110). Der Voight'sche durchschnittliche Schermodul und die Lame Konstante A werden durch Hirthe und Lothe "Theory of Dislocations" New York McGraw Hill 1968, gegeben:

/*- ^Giii| ~ ¹I - ^j86 χ 10¹¹ dyn/cm² 5

^{: C}12 " ^{H =} ^>30 χ 10¹¹ dyn/cm²

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-I

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mit

H = 2C₄₄ + C₁₂ - C₁₁ . ...(5)

und E = Α(3Λ+2λ). = 1,2 χ ΙΟ¹² dyn/cm²

' ζ~Γ~ΰ

und r= /( =0,23 ...(6)

2Τ^Τχ7

Diese mittleren elastischen Konstanten werden in die Gleichungen (3) und (4) eingesetzt.

Die elastischen Verschiebungen ungleich Null sind gegeben durch;

e_vv = du und e = dw ...(7)

^xx 35c ^zz 3z

Die Tangentialverschiebungen sind gegeben durch:

^exz = e_zx = 1 Tdu + dw ] ...(8)

1 fdu + dw 7
7 [Έζ dl? J

Die Normalspannungen sind gegeben durch:

XX "■ ZZ

"yy ⁼ ^ ^exx

^ezz

Die Schubspannungen sind gegeben durch:

⁰XZ

Nach Gleichung 7 ergibt die Differentiation der Gleichungen (3) und (¹O nach χ bzw. ζ explizite Ausdrücke für die Verschiebungen in χ und z-Richtung:

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= 2S I (AB - C)

zz ~ cTz

Verschiebungsfeld wird am besten dadurch dargestellt, daß Linien gleicher Verschiebung unterhalb des streifenförmigen Fensters aufgezeichnet werden. Derartige Darstellungen zeigen die Figuren 3(a) und (b). Figur 3(a) ist das Verschiebungsfeld e unterhalb eines 2o um breiten streifenförmigen Fensters. Die Konturlinien sind in Verschiebungseinheiten von 10 für eine Spannung an der Filmkante S = C t = -3 x 10

OX

dyn/cm. (es 30000 8 des Films mit höheren Spannungen). Negative Werte entsprechen Druck. Die Verschiebungen wachsen stark an wenn die Filmkante erreicht wird und die Linien schließen eng zusammen. Der Klarheitmalber sind daher Linien in Gebieten sehr hoher Spannungen ausgelassen worden und das Vorzeichen der Verschiebung, ob Spannung oder Druck, ist durch die Symbole T bzw. C angegeben. Wie erwartet besteht hohe Druckspannung gerade innerhalb der Fensterkante und hohe Zugspannung gerade außerhalb. In der Theorie werden die Verschiebungen (und Spannungen) an der Filmkante unendlich. In der Praxis begrenzen Faktoren wie die endliehe Dicke des Films und plastische Deformationen die Verschiebungen auf begrenzte Werte. In der gewöhnliehen Tiefe der aktiven Zone von 2 um tritt die größte Spannung 5 wm innerhalb der Filmkante auf und hat einen Wert von -3 χ 10

Figur 3(b) zeigt das Verschiebungsfeld unterhalb eines Streifens von nur 2,5 um Breite. Alle andertn Parameter sind mit

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den vorangehenden identisch. Der Maßstab der räumlichen Ausdehnung ist verdoppelt. Der Verlauf der Linien ist unabhängig von der Streifenbreite, nur der Maßstab ist geändert. Beispielsweise ist die Linie mit -H χ 10 der Figur 3(b) in ihrem Verlauf gleich mit der Linie -0,5 x 10~ von Figur 3(a). Die relative Verschiebung ist für den schmalen Streifen acht Mal größer da seine Breite nur ein 1/8 ist. Die größte Verschiebung in einer Tiefe von 2 μπι ist, wie in dem Fall des 20 jim breiten Streifens etwa -3 x 10~ . Ganz allgemein gilt, daß die größte Verschiebung in einer bestimmten Tiefe wesentlich von der Tiefe selbst abhängt, wobei sie mit abnehmender Tiefe stark zunimmt, daß die Verschiebung jedoch nur schwach von der Streifenbreite abhängt. Erwähnungswert ist noch die Tatsache, daß bei dieser Darstellung ein Gebiet von durch Zug hervorgerufener Verschiebung e 3 bis k um unterhalb der

ΛΛ '

Mitte des Streifens liegt.

Diese Voraussagen können qualitativ durch ein Model bestätigt werden, welches die mechanische Situation durch z.B. 6 nun dicke Polymethylmethacrylat-Plastikplatten nachbildet. Zwei nach innen gerichtete Kräfte, welche den Kraftei S entsprechen, können durch Einspann-Vorrichtungen auf die Kanten eines geringfügig erhöhten Gebiets an der Kante der Plastikplatte angelegt werden. Das Spannungsfeld kann dann dadurch beobachtet werden, daß die Plastikplatte von hinten mit gegen die Horizontale unter 45° polalisiertem Licht beleuchtet wird und durch gekreuzte Polarisatoren beobachtet wird. Die Übereinstimmung zwischen den beobachteten Musternund den berechneten ist recht gut. Sogar das Gebiet der Zugspannung unterhalb der Mitte des Streifens wird dargestellt,. Genau gesprochen mißt diese Anordnung jedoch die Differenz zwischen den Verschiebungen e und e durch die spannungsindusierte Doppelbrechung in dem Plexiglas. Die Verschiebung e ist mit

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allgemeinen in ihrem Vorzeichen jedoch dem von e in jedem Punkt entgegengesetzt und so wird erwartet, daß das beobachtete Muster dem Verschiebungsfeld e gleicht.

Λ -A.

Die Werte der Spannungen im Galliumarsenid wurden für den Fall eines 20 μχη breiten Streifens mit Hilfe der Gleichungen (3) und (4) in Verbindung mit den Gleichungen (11) und (12) berechnet. Die Spannungen er in einer Tiefe von 1, 2 und ¹J um unter dem streifenförrnigen Fenster sind in Figur Ί als eine Funktion der Entfernung χ dargestellt. Der Wert von S = σ* t = 2,5 x 10 dyn/cm entspricht einer 2500 8 Schicht

CJ A

des Films mit höheren Spannungen. Die Spannungen hängen stark von der Tiefe der aktiven Schicht ab. In einer Tiefe von 2 μη. und etwa 4 pm von der Kante des streifenförmigen Fensters entfernt tritt als größte Spannung der Wert

Q ρ

-3,5 x 10 dyn/cm . In einer Tiefe von 1 um ist die maximale

R ? Spannung erheblich größer und erreicht -6 χ 10 dyn/cm (Druck) gerade innerhalb der Kante des Fensters und mehr als

R P
4 χ 10 dyn/cm (Zug) gerade außerhalb. Dies zeigt, daß die Tiefe der aktiven Schicht der wichtigste Parameter in der Festlegung der Spannung ist, welche durch einen besonderen Film hervorgerufen wird.

Die Spannung in vertikaler Richtung ff hat etwas geringere

Δ 'Δ

Maximalwerte als <f und besitzt scharfe Maxima gerade inner-

Λ- Λ

halb und außerhalb der Filmkante. Die Spannung ist eine Druckspannung innerhalb und eine Zugspannung außerhalb der Filmkante und rührt von dem Drehmoment der Kraft S an der Filmkante hei"¹. Die Spannung & ist ebenfalls für ein 20 um breites Fenster

Z Z /

in Figur 5 dargestellt. Die Größe der Spannung hängt stark von der Tiefe der aktiven Schicht ab und erreicht maximal

ρ ρ

Werte von 1,5, 2,5 und 5,2 χ 10 dyn/cm für Tiefen von 4, bzw. 2 bzw. 1

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Die dielektrische Konstante und damit der Brechungsindex eines Kristalls sind irn allgemeinen von den Spannungen (oder Verschiebungen) im Kristall abhängig. Dieser Effekt wird photoelastischer· Effekt genannt. Er ist dem elektrooptischen Effekt ähnlich, welcher durch ein auf die dielektrische Konstante eines Kristalls angewandten elektrischen Feldes entsteht. Die Grundabhandlung des photoelastischen Effekts wird durch Nye in "Physical Properties of Crystals" Clarendon Press, Oxford 1957^ee^ie^3rp'hotoelastischen Koeffizienten Pjj_rs> welche einen Tensor vierten Grades bilden, verknüpfen den Verschiebungstensor e mit dem ^fB.. Tensor, a B.. bezeichnet die kleine Änderung der Größen B.. des relativen dielektrischen Undurchdringlichkeit-Tensors, wobei diese Änderungen durch die Verschiebungen hervorgerufen werden. Die relative dielektrische Undurchlässigkeit ist das Inverse der Dielektrizitätskonstanten.

Damit kann der Verlauf der dielektrischen Konstanten, wie er durch das Spannungsfeld des Filmfensters in der aktiven Schicht auf einem Streifenlaser hervorgerufen wird dadurch erhalten werden daß die Komponenten des Spannungsfeldes mit dem photoelastischen Tensor multipliziert werden:

^4Bij ^{= P}ijrs ^ers ^{oder (ijrs =} ^x> ^y' ^z) ..-(13)

Da viele der Elemente dieserMatrix einander gleich sind, kann der Ausdruck nach der Matrixnotation (nach Nye) abgekürzt werden;

^4Bm = ^pmn ^en ^(m>^{n =} *> ² ⁶⁾ ~·Μ>

Eine Erschwerung tritt nun dadurch auf, daß die Werte für die photoelastischen Koeffizienten ρ in Galliumarsenid in der Literatur nur für die Kristallachsen x¹ y' z¹ gegeben sind, und nicht in den Koordinaten χ y ζ unser Berechnung des

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Spannungsfeldes, Figur 6 zeigt den Zusammenhang zv/ischen den Achsen. Die Achse ζ fällt mit die Achse z' zusammen aber die Achsen χ und y sind um 45° um die ζ Achse gegen die x' und y¹ Achse gedreht. Es ist daher notwendig, die Achsen des durch den Film hervorgerufenen Verschiebungsfeldes auf die Kristallachsen zu transformieren. Danach wird mit dem photoelastischen Tensor multipliziert und abschließend werden die resultierenden Elemente B.. auf das χ y ζ Achsensystem zurücktransformiert.

In den χ y ζ Koordinaten hat das Verschiebungsfeld keine Komponente in y-Richtung und kann daher wie folgt geschrieben werden:

xx

'ZX

0 0 0

XZ

0 e

zz

Die Richtungsgrößen- Kosinusmatrix, welche die Achsen dieses Tensors in der gewünschten Weise dreht ist:

0 ...(16)

0 0 1

a.

Damit wird das Verschiebungsfeld e¹.. in Bezug auf die Achsen x^! y' z' gegeben durch:

ij

= a

ki ^alk ^ekl

2 ⁾ le

f^exx

xx

ZX

7 te

XZ

ZX

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Für einen Kristall der Klasse 5 3m, wie z.B. Galliumarsenid, bestehen nur 3 voneinander unabhängige photoelastische Konstanten, welche als P₁₁, p₁₂ und p^ in der abgekürzten Notation bezeichnet werden.

Die 4B¹.. Matrix kann nun mit Hilfe der Gleichung (14) gefunden werden, wobei zu beachten istjdaß für die nicht^diagonal Terme nach der abgekürzten Notation (nach Nye) die Paktoren 2 berücksichtigt werden müssen.

^exx^p44

^ex#ll^+p12)

+e P
zz

7/?e

L2 V

^exx^p12^+ezz^pll ...(18)

Rücktransformation auf die x, y, ζ Achsen:

^D12 °

^exx^P12^+ez_Z ^pll ...(19)

Dieser Δ B.. Tensor erlaubt es, die Änderung der dielektrischen Konstanten als Folge der Verschiebung e zu berechnen. In einem Streifenlaser pflanzt sich die Lichtwelle parallel zur y Achse unter den Streifen fort. Der elektrische Vektor der Lichtwelle kann entweder in x-Richtung polariaiert sein

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(transversale elektrische MaIeT¹.E.) oder in z-Richtung polarisiert sein (transversale magnetische MaleT.M.). Da die Änderung in der relativen dielektrischen UndurchlässigkeitaB klein ist im Vergleich zu B kann durch Reihenentwicklung bis zur ersten Ordnung die Änderung in der dielektrischen Konstanten für- die T.E. Welle 4£ bzw. für die T.M. Welle 4 £_{r σ} erhalten v/erden:

- -6²ΔΒ_χχ - -^_χχ(μ^ΣΐΆ *?_lik) + *_ΖΖΡ₁₂^ ...(20) und

Wenn die Werte e und e _r (Gleichungen 11 und 12) des Ver-

XX S &

Schiebungsfeldes unterhalb des streifenförrnigen Fensters in die Gleichungen 20 und 21 eingesetzt werden, kann der durch die Verschiebung hervorgerufene Verlauf der dielektrischen Konstanten für die T.E. und die T.M. Lasermoden aufgezeichnet werden. Die numerischen Werte der 3 unabhängigen photoelastischen Koeffizienten werden durch Dixon gegeben (JnI. Appl. Phys. 33 No. 13 Des. 196? S. 51^9 - 5153). Sie sind P₁₁ = -0,165, P₁₂ = - 0,140, Pj₁J₁ = -0,072. Diese Werte werden durch Brechung von akustischen Mikrowellen mit einer Wellenlänge von 1,15 um in Galliumarsenid bestimmt. Es ist wahrscheinlich, daß diese Werte der photoelastischen Koeffizienten bei der Laserwellenlänge nicht genau at Immen. Zum Beispiel wurden für ZnP und CdS verstärkte elasto-optische Koeffizienten in der Gegend der Bandlücke gefunden. Unglücklicherweise konnten keine Angaben über die photoelastisehen Koeffizienten von Galliumarsenid bei kürzeren Wellenlängen als 1,15 pm gefunden werden. Es könnte sehr schwierig werden, diese Koeffizienten zu messen, da sich die Bandkanten wegen der stark zunehmenden Absorption annähern. Da keine anderen Angaben der Werte der photoelastischen Koeffizienten vorliegen als die oben

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erwähnten, werden diese benutzt. Diese Ungewissheit muß jedoch im Auge behalten werden.

Mit diesen Werten der photoelastischen Konstanten werden die Verläufe der dielektrischen Konstanten, welche durch die Spannungen hervorgerufen werden, für die T.E. und T.M. Wellen, welche sich unterhalb der Streifen von verschiedener Breite fortpflanzen in Figur 7 dargestellt. In allen Fällen ist für die Spannung an der Filmkante S = 6l_vt = -2,5 x 10 dyn/cm und eine Tiefe der aktiven Schicht von 2 um angenommen. Es ist zu beachten, daß in den meisten Fällen der Verlauf der dielektrischen Konstanten für die T.M. Welle, welche gestrichelt dargestellt ist, in Form und Größe ähnlich ist der der T.E. Welle. Wegen der geringen Unterschiede in den Verstärkungen der T.E. und T.M. Moden, arbeiten Doppelheterostrukturlaser fast unvermeidlich immer in der T.E. Mode. Für alle Streifenbreiten, die dargestellt sind,trägt der Unterschied in der dielektrischen Konstanten zwischen der Mitte und den Rändern des Streifens mehr als -10 . Im Falle des 20 μχα Lasers, welcher in Figur 7a gezeichnet ist, ist die Dielektrizitätskonstante der T.E. Welle 2,5 x 10~^ höher unter der Achse des Streifens verglichen mit den Stellen χ = -7 um. Bei Abwesenheit jeglicher andere wellenleitender Effekteführtdies zu einer schwachen dielektrischen Wellenleitung welche stark genug ist, die Grundmode zu führen und welche beinahe stark genug ist, die Mode erster Ordnung bei ,A = 0,85 um zu führen.

Für alle Streifenbreiten,die in Figur 7 aufgezeichnet sind und die enger sind als 20 μιη, das heißt bei (b) 10 um, bei (c) 5 ^m und bei (d) 2,5 ^m, besteht starke Antiwellenleitung da die Dielektriaitätkonstante an der Streifenachse ihren Minimalwert bestitz und von dort stark zunimmt. Im Beispiel des 10 μτη breiten Streifen ist die Dielektrizitätskonstante bei χ = -5 ^m um 9 x 10~^höher als bei χ = 0.

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ORIGINAL INSPECTED

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Diese Darstellungen zeigen, daß die Streifenbreite erheblich größer als 20 jim sein muß bei einer Tiefe der aktiven Schicht von 2um, wenn Antiwellenleitung verhindert werden soll. Bei 20 um Streifenbreite wird eine schwache Wellenleitung erzielt, was erwünscht ist, Figur 8 zeigt nun, wie für ein Fenster mit 20 um Streifenbreite die durch Spannung hervorgerufene Wellenleitung der T.E. Welle von der Tiefe ζ der aktiven Schicht abhängt, Die dielektrische Wellenleitung ist in einer Tiefe von ¹J um der aktiven Schicht völlig verschwunden- tatsächlich herrscht hier schon schwache Antiwellenleitung. In 1 um Tiefe ist die dielektrische Wellenleitung erheblich stärker als in ζ = 2 um, mit einem Unterschied von +9 x 10 zwischen χ = 0 und χ = -8,5 pn. In Abwesenheit anderer Effekte ist diese Wellenleitung in der Lage, bei J^= 0,85 um auch die Mode zweiter Ordnung zi/ieiten.'

In Figur 7 wurde gezeigt, daß mit einem streifenförmigen Fenster in einem Film, welcher unter Druckspannung steht, nur bestimmte Geometrien zur einer Wellenleitung in einer vorge*· gebenen Richtung führen, während andere zur Antiwellenleitung führen. Dasselbe Spannungsmuster kann entsprechend da' durch erzielt werden, daß der Film unter Druckspannung durch einen Streifen unter Zugspannung ersetzt werden, der sich an der Stelle des bisherigen Fensters im Film befindet. Weiterhin kann das inverseSpannungsmuster (d.h. Druck, wo bisher Zug war, und Spannung, wo bisher Druck war) dadurch erhalten werden, daß der unter Druckspannung stehende Film mit seiner Öffnung durch einen unter Zug stehenden Film mit Öffnung oder durch einen Streifen unter Druck ersetzt wird. Mit der Einführung des inversenSpannungsmusters werden die Geometrien^ die bisher wellenleitend waren antiwellenleitend, während jene die bisher antiwellenleitend waren wellenleitend werden. Die 4wellenleitendenGeometrien sind in Figur 9a bis b aufgezeichnet.

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. ₂₀ _ 2933H9

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Figur 10 stellt eine Ausführungsform eines Doppelheterostruk-

dar,
turstreifenkontaktlasers welcher den photoelastischen Effekt ausnutzt, um einen wellenleitenden Effekt in Längsrichtung zu erzielen. Dieser Laser besitzt ein η Galliumarsenid-Substrat 1, auf das vier Schichten 2, 3,4 und 5 durch Flüssigphasenepitaxie aufgewachsen sind. Die Schichten 2 und 3 sind n- bzw. p- Ga_Q ßcAln 3t;^As Schichten, und schließen die aktive Schicht 3 von höherem Brechungsindex aus Ga„ q₍-A1q qcAs ein. Die oberste Schicht 5 ist eine p-Galliumarsenid-Sehicht, welche einen guten elektrischen Kontakt zwischen der Metallkontaktschicht und dem darunterliegenden Halbleitermaterial erleichtern soll. Durch einen elektrisch isolierenden maskierenden Film 7 ist die Kontaktfläche auf einen Streifen von 20 ^Wi Breite begrenzt. Die aktive Schicht 3 liegt in einer Tiefe von etwa 2 um unterhalb der oberen Oberfläche des Halbleitermaterials und das Material, die Dicke und die Abscheidungsart für den isolierenden Film 7 sind so gewählt, daß ein Film mit einer Druckspannung von etwa 2,5 χ 10 dyn/cm an der Kante der Halbleiteroberfläche erhalten wird. Dieser Film kann z.B.,aus Siliziumoxyd, Siliziumnitrid, oder Aluminiumoxyd hergestellt sein. Eine bevorzugte Ausführungsfortn zur Herstellung des Films besteht darin^das Halbleitermaterial auf einem Graphithalter in einen Vakuumbehälter von 15 cm Durchmesser anzuordnen, welcher k% Silan in Ammonium bei einem Druck von etwa 0,3 Torr enthält. Dann läßt man Stickstoffoxyd einströmen, bis ein Gesamtdruck von etwa 0,5 Torr erzielt wird (gemessen mit einem Thermoelement-Vakuumeter). Dann wird ein Siliziumoxyd/Siliziumnitrid film durch ein Hochfrequenz erregtes Plasma abgeschieden, wozu ein 500 W 1 MHz Generator verwendet wird, welcher so eingestellt ist, daß er den Halter auf 525 C erhitzt. Typischerweise wird mit diesem Abscheidungsprozess die erforderliche Druckspannung bei einer Filmdicke von etwa 0,25 wm erreicht. Der Film 7 wird als

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eine einzige Schicht aufgebracht und dann durch die Bildung des 20 mn breiten Streifens zweigeteilt. Der Streifen wird durch herkömmliche photolithographische Maskierunguteehniken und Verwendung von gepufferter' FluftwSure als Ätzmittel hergestellt. Der oberste Kontakt wird durch eine Schicht 8 aus Gold auf einem Film 9 aus Titan hergestellt.

Figur 11 zeigt einen ähnlichen Aufbau eines Doppelheterostruktur st reiflenkontakt lasers wie Figur 10, jedoch mit dem Unterschied daß die Streifenbreite 4 inn statt 20 um ist. In Verhältnis zu der Tiefe der aktiven Schicht von etwa 2 ^m ist dies zu eng, um mit einem streifenförmigen Fenster in einem unter Druckspannung stehenden Film zu photoelastischer WeI-lenleiturjg in Längsrichtung zu führen. In diesem Beispiel wird die photoelastische Wellenleitung in Längsrichtung durch ein streifenförmiges Fenster in einem Film unter Zugspannung, erzielt. Dieser Film 10 ist eine aufgedampfte Schicht von Chromnickel. Da diese elektrisch leitend ist, wird eine elektrisch isolierende Maskierungsschicht benötigt, um den Stromfluss zum Streifen zu verhindern, und daher wird der Siliziumoxyd/Siliziumnitrid Film 7 auch in diesem Aufbau noch verwendet. Da der Film 7 jedoch unter Druck steht, versucht der dem durch die Nickelchromschicht 10 hervorgerufenen Zug entgegen zu wirken, weswegen der Film 7 dünner als im vorigen Beispiel beschrieben gemacht wird, und nun typischerweise etwa 0,1 μια dick ist. Wenn diese Schicht mit einer 0,4 pm dicken Schicht von 20% Chrom 80% Nickel, welches in Vakuum von einem Wolframdraht auf das bei 500 C gehaltene Substrat aufgedampft wird, bedeckt ist, führt diese Kombination zu einer Zugspannung an der Kante zur Halbleiteroberfläche von etwa 2,5 χ 10 dyn/cm.

In einem herkömmlichen Streifenkontakt-Doppelheterostrukturlaser erstreckt sich der Streifen über die gesamte Länge des

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optisch wirksamen Laservolumena. Ein Nachteil dessen ist, daß ein relativ hoher Strom in unmittelbarer Nachbarschaft zu den reflektierenden Flächen des Lasers fließt. Es wurde gefunden, daß besonders mit Lasern mit schmalen Streifen die Auslöschung von Licht in ungepumpten Gebieten nicht so stark wie durch die einfache Theorie hervorgesagt ist, welche annimmt,daß die Laserphotonenenergie gerade etwas größer ist alti die Bandlücke und daher stark absorbiert wird. Dies wird dadurch erklärt, daß die hohe Stromdichte die Bandlücke in den gepumpten Gebieten etwa3 verringern soll. Im Prinzip erlaubt dieser Effekt, daß der Streifenkontakt kurz vor den Laserenden beendet werden kann. In einem herkömmlichen Laser mit schmal en Streifen ohne photoelastischen Wellenleitungseffekt wurde jedoch gefunden, daß die Divergenz des Laserstrahls in Längsrichtung, die auftritt wennder Strahl von dem gepumpten Gebiet in das ungeputnpte Gebiet eintritt, die Rückkopplung erheblich herabsetzt, welche durch die Reflektion an den Ausgangsflächen erhalten wird, Figur 12 zeigt den Aufbau eines Streifenkontakt-Doppelheterostrukturlasers, bei dem diese Strahldivergenz in Längsrichtung in den ungepumpten Gebieten durch photoelastische Wellenleitung "fokussiert"

wird, Der Grundaufbau dieses Lasers ist derselbe wie der des Lasers von Figur 10, jedoch mit dem Unterschied, daß die Ätzung des 20 um breiten Streifens, welcher durch 11 bezeichnet ist, beendet wird, bevor das darunterliegende Halbleitermaterial erreicht ist. Typischerweise ist der isolierende Film 7 etwa 0,27 um dick, und' die Ätzung wird dann beendet, wenn die Dicke des Isolators am Boden der Rille 13 etwa 0,07 Jim dick ist. Das Bauteil wird dann wieder maskiert und ein Fenster 13, typischerweise ¹J um breit, wird in der Mitte der Rille 12 ausgeätzt. Für ein typisches Bauteil mit einer Länge awischen 150 und 200 jam, endet dieses Fenster zwischen 25 und 60 pn von den reflektierenden Flächen entfernt.

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(Der klarheithalber wurden die Metallschächten 8 und 9 gestri· chelt angedeutet).

Der photoelastische Wellenleitungseffekt, welcher durch die Rille herbeigeführt wird, kann in den gepumpten Gebiet bei bestimmten Betriebströmen durch den antiwellenleitenden Effekt unterdrückt werden, welcher durch die Verteilung der Minoritätsladungsträger, wie sie bei einem einfach Streifenkontakt vorliegen_s hervorgerufen wird. In unserer älteren britischen Patentanmeldung ^26ll/76 wird beschrieben, wie man durch einen Doppelstreifenkontakt eine bessere Verteilung der Minoritätsladungsträger erzielen kann. Dieses Prinzip kann auch im vorliegenden Falle angewendet werden. Ein Weg, dieses in die Praxis umzusetzen, wird in Figur 13 dargestellt. Ausgegangen wird wieder von der Zugspannung eines Chromnickelfilms.

Die Halbleiterschichten haben diesselbe Zusammensetzung wie es schon bei der Beschreibung der Figuren 10, 11 und 12 dargestellt wurde. Die oberste Halbleiterschicht 5 ist von einem dünnen isolierendem Film 7 in derselben Art und Weise und für denselben Zweck bedeckt, wie es der Film 7 in Figur 11 ist. Ähnlich ist dieser Film 7 mit einem entsprechenden Chromnickelfilm 10 bedeckt. Vor dem Aufbringen dieses Films 10 wird ein Paar von Fenstern 14 durch den darunterliegenden isolierenden Film 7 geätzt. Diese sind typischerweise jeweils 3 wm breit, 3 um voneinander entfernt, und enden typischerweise zwischen 20 und 50 um von den reflektierenden Flächen des Lasers entfernt. Danach werden 2 Schlitze 15 durch die Dicke des Films 10 geätzt, sodaß sie mit den Enden des Streifens 16 des isolierenden Films 7, welcher zwischen den 2 Fenstern liegt, übereinstimmen. (Der deutlichkeithalber wurde der Film 10 gestrichelt dargestellt). In diesem Falle dient der Film 10 auch als Metallisierung.

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Obwohl die vorangehenden besonderen Beispiele alle Laser gewesen sind, ist offensichtlich, daß der Effekt der photoelastischen Wellenleitung sowohl in passiven wie auch in aktiven Bauteilen wirkt. Die Erfindung ist daher nicht nur auf Laser als solcher anwendbar, sondern auch auf integrierte optische Doppelheterostruktur-Halbleiterbauteile, unabhängig davon, ob diese Bauteile Laser enthalten oder nicht. Solch ein Bauteil kann mehr als einen Wellenleiter mit photoelastischer Wellenleitung in einer Längsrichtung enthalten, von denen einer oder mehrerer Biegungen, Verzweigungen oder andere Funktionen aufweisen kann, die bei integrierten optischen Anordnungen üblich sind. Der elektro-optische Effekt kann zusammen mit photoelastischen Wellenleitern dazu benutzt werden, Wellenleiterschalter oder Modulatoren herzustellen. Entsprechend ist es offensichtlich, daß dieBe Erfindung in ihrer Anwendung nicht nur auf Bauteile aus Galliumarsenid beschränkt ist, sondern daß sie auch auf andere aus HI-V Halbleitern aufgebaute Bauteile wie z.B. Galliumarsenid/Galliumindiumarsenidphosphid anwendbar ist.

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Claims

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Patentanwalt Dipl.-Phys. Leo Thal
Stuttgart

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INTERNATIONAL STANDARD ELEKTRIC CORPORATION, New York

Wellenleitendes Halbleiterbauteil

Patentansprüche;

ί1Ώ III-V Halbleiterbauteil mit mindestens einem optischen Wellenleiter, welcher aus einer Schicht rait höherem Brechungsindex zwischen einer darüber- und darunter liegenden Schicht mit niedrigerem Brechungsindex besteht, mit einem durch die Grenzflächen zwischen den Schichten höheren und niedrigeren Brechungsindexes hervorgerufenen Wellenleitereffekts normal zu den Schichten und einem Wellenleitereffekt in einer vorgegebenen Richtung in der Ebene der Schichten,

dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleitereffekt in vorgegebener äureipein Spannungsmuster· verstärkt wird, daß dieses Spannungsmuster die höher brechende Schicht durchsetzt und durch ein Material hervorgerufen wird, welches auf der Oberfläche des Halbleiterbauteils derart abgeschieden ist, daß es bei den Betriebstemperaturen unter Spannung steht.

2) Halbleiterteil nach Anspruch I₁

dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungsrauster mindestens teilweise durch einen oder mehrere freie Streifen in dem

Dr. J/Sam ./

13.8.1979

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abgeschiedenen Material hervorgerufen wird, und daß das Material dabei abhängig von der Streif^-ibreite entweder unter Druck oder Zugspannung steht.

3) Halbleiterbauteil nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungsmu3ter mindestens teilweise durch einen oder mehrere Streifen des abgeschiedenen Materials hervorgerufen wird, und daß das Material dabei abhängig von der Streifenbreite entweder unter Druckoder Zugspannung steht.

^) Halbleiterbauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil ein Streifenkontaktlaser ist.

5) Halbleiterbauteil nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß der Laser einen einzelnen Kontaktstreifen besitzt.

6) Halbleiterbauteil nach Anspruch k,

dadurch gekennzeichnet, daß der Laser zwei Kontaktstreifen besitzt.

7) Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche ^ oder 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Streifenkontakte kurz vor den reflektierenden Flächen des Lasers enden.

8) Halbleiterbauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es aus Galliumarsenid-Galllumaluminiumarsenid besteht.

9) Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es aus Galliuraarsenid-Galliuraindiumarsenidphosphid besteht.

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