DE3021104A1

DE3021104A1 - Halbleiterfaser

Info

Publication number: DE3021104A1
Application number: DE19803021104
Authority: DE
Inventors: Dan Trenton N.J. Botez
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1979-10-12
Filing date: 1980-06-04
Publication date: 1981-04-23
Also published as: JPS5661190A; IT1193534B; IT8022046A0; GB2062949A; GB2062949B

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser mit einem ein in einer Oberfläche ein Paar im wesentlichen parallel zueinander verlaufender, schwalbenschwanzförmiger Nuten aufweisendes Substrat enthaltenden Halbleiterkörper und einer auf der Oberfläche des Substrats und den Oberflächen der Nuten liegenden, ersten, epitaxialen Begrenzungsschicht des einen, ersten Leitungstyps sowie einer oberhalb der letzteren befindlichen, dünnen, epitaxialen Aktivschicht mit darauf liegender, zweiter, epitaxialer Begrenzungsschicht des anderen, zweiten Leitungstyps, wobei die erste Begrenzungsschicht oberhalb des zwischen den Nuten liegenden Substratbereichs einen ebenen Oberflächenbereich besitzt und wobei ferner die Aktivschicht aus einem Material mit größerem Brechungsindex als jede der Begrenzungsschichten besteht sowie die Laserrekombinationszone bildet, in welcher das Licht in dem in etwa über dem ebenen Oberflächenbereich der ersten Begrenzungsschicht liegenden Bereich zu erzeugen ist. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen einen Einfachlichtfaden (single filament of light) e»ittierenden Halbleiterlaser.

Es sind bereits Halbleiterlaser mit einem im allgemeinen aus einer Ill-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

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solchen, in der US-PS 37 47 016 beschriebenen Halbleiterlasers besteht darin, daß Licht von mehr als einer Frequenz, besonders in der Richtung 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, hinsichtlich optischer Betriebsart Einfach-Lichtfaden (single optical mode filament of light) zu erreichen, sind bereits verschiedene Halbleiterlaser entwickelt worden. Ein in dieser Hinsicht brauchbarer Aufbau eines Halbleiterlasers wird in der Zeitschrift Applied Physics Letters, Band 33 (15. Nov. 1978), Seiten 872 bis 874 unter dem Titel "Single-Mode CW Operation of "Double-Dovetail" constructed DH (AIGA) As Diode Lasers" beschrieben.

Im Prinzip handelt es sich bei diesem Halbleiterlaser um einen ein in einer Oberfläche ein Paar im wesentlichen parallel zueinander verlaufender, schwalbenschwanzförmiger Nuten aufweisendes Substrat enthaltenden Halbleiterkörper aus einer III-V-Verbindung oder eine Legierung einer solchen Verbindung. Auf der Oberfläche des Substrats und der Nuten befinden sich der Reihe nach eine erste Epitaxialschicht des einen Leitungstyps, eine zweite, die aktive Rekombinationsschicht bildende Epitaxialschicht, eine dritte Epitaxialschicht des anderen Leitungstyps und eine vierte Epitaxialschicht ebenfalls des anderen Leitungstyps. Die erste und dritte Schicht bestehen aus einem mit der aktiven zweiten Schicht HeteroÜbergänge bildenden Material. Die erste Epitaxialschicht besitzt

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einen ebenen Oberflächenbereich oberhalb des zwischen den Nuten liegenden Teils des Substrats. Das Laserlicht wird dabei in der Zone der aktiven, zweiten Schicht erzeugt, die an den ebenen Oberflächenbereich der ersten Epitaxialschicht angrenzt. Die vierte Schicht wird gerade oberhalb des ebenen Oberflächenbereichs der ersten Epitaxialschicht mit einem Streifenkontakt versehen. Mit diesem Aufbau eines Halbleiterlasers kann zwar ein stabiler Einfach-Lichtfaden erzielt werden, der Schwingungsumfang (mode size) des emittierten Lichts in der Richtung senkrecht zur Aktivschicht ist jedoch relativ gering und liegt in der Größenordnung von etwa 0,5 bis 0,6 Mikrometer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterlaser zu schaffen, der bei stabilem Einfach-Lichtfaden einen größeren Umfang liefert, d.h. der einen Einzel-Lichtfaden einer relativ großen Breite emittiert. Bei dem Halbleiterlaser eingangs genannter Art ist die erfindungsgemäße Lösung gekennzeichnet durch eine zwischen der ersten Begrenzungsschicht und der Aktivschicht liegende epitaxiale Führungsschicht des ersten Leitungstyps, deren Brechungsindex zwischen demjenigen der Aktivschicht und denjenigen der Begrenzungsschichten liegt.

Zu dem erfindungsgemäßen Halbleiterlaser gehört somit zunächst ein Halbleiterkörper mit einem Substrat, das in einer Oberfläche ein Paar mit Abstand voneinander im wesentlichen parallel verlaufende schwalbenschwanzförmige Nuten besitzt. Auf der Oberfläche des Substrats und den Oberflächen der Nuten liegt sodann eine erste epitaxiale Begrenzungsschicht, die oberhalb des zwischen den Nuten gelegenen Bereichs der Substratoberfläche einen ebenen Oberflächenbereich besitzt,, Über der ersten Begrenzungs-

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schicht ist sodann eine epitaxiale Führungsschicht, über dieser eine dünne epitaxiale Aktivschicht und hierüber eine zweite epitaxiale Begrenzungsschicht vorgesehen. Die Aktivschicht besteht aus einem Material, das einen größeren Brechungsindex besitzt als jedes der Materialien der ersten und zweiten Begrenzungsschicht, während der Brechungsindex der Führungsschicht kleiner als derjenige der Aktivschicht aber größer als jeder Brechungsindex der ersten und zweiten Begrenzungsschicht ist. Die erste Begrenzungsschicht und die Führungsschicht besitzen denselben, ersten Leitungstyp, während die zweite Begrenzungsschicht den anderen, zweiten Leitungstyp aufweist. Die Aktivzone stellt die aktive Rekombinationszone des Lasers dar, in der das Licht in der Nähe des Bereichs erzeugt wird, der oberhalb des ebenen Oberflächenbereichs der ersten Begrenzungsschicht liegt.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel gehört zum Aufbau des erfindungsgemäßen Lasers ein Halbleiterkörper aus einer Ill-V-Verbindung oder einer Legierung solcher Verbindungen mit einem Substrat des einen, ersten Leitungstyps, wobei in eine Oberfläche des Substrats mit Abstand voneinander und im wesentlichen parallel zueinander ein Paar Nuten mit schwalbenschwanzförmigem Querschnitt (senkrecht zu der Fläche) vorgesehen ist. In dem Laseraufbau folgen oberhalb der Oberfläche des Substrats und der Nuten folgende Schichten der Reihe nach aufeinander; eine epitaxiale Pufferschicht des ersten Leitungstyps, eine erste epitaxiale Begrenzungsschicht des ersten Leitungstyps, eine epitaxiale Führungsschicht des ersten Leitungstyps, eine die aktive Rekombinationsschicht bildende epitaxiale Aktivschicht, eine zweite epitaxiale Begrenzungsschicht des anderen, zweiten Leitungstyps und

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eine epitaxiale Deckschicht des zweiten Leitungstyps. Die epitaxialen Schichten besahen aus solchen Materialien, daß zwischen der ersten Begrenzungsschicht und der Fuhrungsschicht und zwischen der Aktivschicht und der zweiten Begrenzungsschicht HeteroÜbergänge gebildet werden. Das Material der Aktivschicht soll ferner einen größeren Brechungsindex besitzen als die Materialien der ersten und zweiten Begrenzungsschichten. Weiterhin soll der Brechungsindex des Materials der Führungsschicht kleiner als derjenige der Aktivschicht aber größer als diejenigen ,jeder der Begrenzungs schichten sein. Schließlich besitzen die Fuhrungsschicht und die Aktivschicht Zonen gleichförmiger Dicke oberhalb des Raums zwischen den Nuten.

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

Fig« 1 eine perspektivische Ansicht eines Halbleiterlasers, teilweise im Schnitt;

Fig. 2 ein Diagramm zur relativen Größe der Brechungsindizes verschiedener Schichten des Halbleiterlasers nach Fig. 1;

Fig. 5 einen Schnitt durch das Substrat des Halbleiterlasers, während der Herstellung;

Fig. 4 einen Schnitt durch das mit der ersten Epitaxialschicht belegte Substrat des Halbleiterlasers; und

Fig. 5 einen Schnitt durch einen gegenüber Fig. 1 abgewandelten Aufbau des Halbleiterlasers.

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In Fig. 1 wird ein Ausführungsbeispiel einer insgesamt mit 10 bezeichneten erfindungsgemäßen Laser-Diode dargestellt. Die Laser-Diode 10 weist einen Körper aus einkristallinem Halbleitermaterial auf, der die Form eines Parallelepipeds besitzt. Als Halbleitermaterial wird im allgemeinen eine Ill-V-Verbindung - d.h« eine Verbindung eines Elements der III. mit einem Element der V₀ Gruppe des Periodensystems der Elemente - oder eine Legierung solcher Verbindungen vorgesehen. Der Halbleiterkörper besitzt mit Abstand voneinander parallele, lichtreflektierende Endflächen 14, wobei wenigstens eine der Endflächen 14 gegenüber dem von dort aus zu emittierenden Licht teilweise transparent (halbdurchlässig) ist. Der Halbleiterkörper 12 weist außerdem mit Abstand voneinander im wesentlichen parallele Seitenflächen 16 auf, welche sich zwischen den Endflächen 14 und senkrecht zu diesen erstrecken.

Der Halbleiterkörper 12 wird durch ein Substrat des einen, ersten Leitungstyps, z.B. η-Leitung, gebildet, welches mit Abstand voneinander parallele Haupt- bzw. Oberflächen 20 und 22 aufweist, die sich zwischen den beiden Endflächen 14 und den beiden Seitenflächen 16 erstrecken und senkrecht zu diesen Flächen verlaufen. In der oberen Hauptfläche 20 des Substrats 18 befindet sich ein Paar paralleler, schwalbenschwanzförmiger Nuten 24, welche mit Abstand voneinander von einer Endfläche 14 des Halbleiterkörpers zur anderen verlaufen. Die Oberkanten Oder Nuten 24 werden entfernt, so daß die an die obere Hauptfläche 20 angrenzenden Seiten der Nuten 24 in einem Teilbereich spitz auseinanderlaufen. Jede Nut 24 wird teilweise mit einer epitaxialen Pufferschicht 26 gefüllt, welche sich auch über den Bereich 20a der Ober-

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fläche 20 zwischen den Nuten 24 und über die Außenränder der Nuten 24 erstreckt. Die epitaxiale Pufferschicht 26 soll denselben Leitungstyp wie das Substrat 18 besitzen. Auf der Pufferschicht 26 befindet sich eine erste epitaxiale Begrenzungsschicht 28. Diese besitzt einen ebenen Oberflächenbereich 28a oberhalb des zwischen den Nuten 24 befindlichen Oberflächenbereiths 20a des Substrats 18. Die erste Begrenzungsschicht 28 besitzt denselben Leitungstyp wie die Pufferschicht 26 und das Substrat 18.

Über die erste Begrenzungsschicht 28 erstreckt sich erfindungsgemäß eine epitaxiale Führungsschicht 30. Diese besitzt denselben Leitungstyp wie die erste Begrenzungsschicht 28. Auf der Führungsschicht 30 wiederum liegt eine epitaxiale Aktivschicht 32. Diese ist dünn und besitzt einen Bereich 32a gleichförmiger Dicke direkt oberhalb des ebenen Oberflächenbereichs 28a der ersten Begrenzungsschicht 28. Die Aktivschicht 32 stellt die aktive Rekombinationszone der Laeer-Diode 10 dar. Die Aktivschicht 22 kann zwar den einen oder anderen Leitungstyp haben, es wird jedoch bevorzugt, daß sie aus einem nicht absichtlich dotierten Material besteht.

Auf der Aktivschicht 32 liegt wiederum eine zweite epitaxiale Begrenzungsschicht 34, die jedoch den zweiten Leitungstyp also den entgegengesetzten Leitungstyp wie die erste Begrenzungsschicht 28 und die Führungsschicht 30 besitzt. Wenn also die erste Begrenzungs- und die Führungsschichten 28, 30 η-leitend sind, weist die zweite Begrenzungsschicht 34 p-Leitung auf. Auf der zweiten Begrenzungsschicht 34 liegt weiterhin eine epitaxiale Deckschicht 36 desselben Leitungstyps wie derjenige der

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zweiten Begrenzungsschicht 34. Auf der Deckschicht 36 befindet sich eine Isolierschicht 38 aus einem elektrisch isolierenden Material, wie Siliziumdioxid. Die Isolierschicht 38 besitzt eine sich in Form eines Streifens oberhalb und längs des ebenen Oberflächenbereichs 28a der ersten Begrenzungsschicht 28 erstreckende Öffnung 40. Auf der Isolierschicht 38 schließlich liegt eine leitende Kontaktschicht 32, die sich in die Öffnung 40 der Isolierschicht 38 hineinerstreckt und dort die Oberfläche der Deckschicht 36 ohmisch kontaktiert. Auch die untere Oberfläche 22 des Substrats 18 wird mit einem leitenden Metallkontakt 44 versehen.

Gemäß Fig. 2 besteht die Aktivschicht 32, bei der es sich um die aktive Zone des Bauelements handelt, aus einem Material, das einen größeren Brechungsindex aufweist als die Materialien sowohl der ersten als auch der zweiten Begrenzungsschicht 28 und 34„ Obwohl im gezeichneten Ausführungsbeispiel der Laser-Diode 10 das Material der zweiten Begrenzungsschicht 34 einen kleineren Brechungsindex als die erste Begrenzungsschicht 28 besitzt, können die beiden Begrenzungsschichten auch aus dem gleichen Material bestehen und den gleichen Brechungsindex besitzen. Die Führungsschicht 30 besteht aus einem Material mit einem Brechungsindex, der kleiner ist als derjenige des Materials der Aktivschicht 32 aber größer als die Brechungsindizes sowohl der ersten als auch der zweiten Begrenzungsschicht 28 und 34. Is sind daher zwischen der ersten Begrenzungsschicht und der Führungsschicht 28 bzw. 30, zwischen der Führungsschicht. 30 und der Aktivschicht 32 sowie zwischen der Aktivschicht 32 und der zweiten Begrenzungsschicht 34 HeteroÜbergänge vorgesehen.

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Eine zum Herstellen einer die verschiedenen Schichten mit den vorgenannten Brechungsindizes aufweisenden Laser-Diode 10 geeignete Materialgruppe ist beispielsweise Galliumarsenid und Aluminiumgalliumarsenid. Die Aktivschicht 32 kann z,B₀ aus entweder Galliumarsenid oder Al Ga^ As mit ζ kleiner oder gleich 0,08 bestehen. Die Aktivschicht 32 soll etwa 0,05 bis 0,2 Mikrometer dick sein. Die Führungsschicht 30 kann dann aus Al Ga«, As mit y zwischen 0,1 und 0,25 bestehen. Die Führungsschicht 30 soll etwa 1 bis 2 Mikrometer dick sein. Die erste Begrenzungsschicht 28 kann dann aus Al Ga,, As mit χ zwisehen 0,2 und 0,35 bestehen. Die zweite Begrenzungsschicht 34 kann ebenso zusammengesetzt sein wie die erste Begrenzungsschicht oder aber aus einem Aluminiumgalliumarsenid mit leicht größerem Aluminiumgehalt bestehen. Das Substrat 18 soll aus einem Material bestehen, das ohne weiteres in Substratform erhältlich ist und auf dem Epitaxialschichten leicht aufzuwachsen sind. Zum Bilden von Epitaxialschichten aus Galliumarsenid und Aluminiumgalliumarsenid eignet sich ein Substrat 18 aus Galliumarsenid. Die Pufferschicht 26 kann dann auch aus Galliumarsenid bestehen; sie dient dazu, eine gute Oberfläche zu liefern, auf die die anderen Schichten niedergeschlagen werden. Zweck der epitaxialen Deckschicht 36 ist es, die zweite Begrenzungsschicht 24 zu schützen; die Deckschicht 36 kann aus Galliumarsenid bestehen.

Beim Herstellen der Laser-Diode 10 wird gemäß Fig. 3 von einem Substrat 18 des gewünschten Halbleitermaterials und Leitungstyps, z.B. von η-leitendem Galliumarsenid, ausgegangen. Das Substrat 18 soll dabei eine Oberfläche bzw. obere Hauptfläche 20 besitzen, die nahezu parallel zur (100)-Kristallebene verläuft und längs der Z~011_7-Kristallrichtung gegenüber der (100)-Kristallebene

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(um etwa 3°) leicht geneigt ist* Die Oberfläche 20 des Substrats 18 wird mit einer Maskierschicht 48, z.B_Q aus Siliziumdioxid, bedeckt. Die Siliziumdioxid-Schicht 48 kann mit Hilfe des bekannten pyrolythisehen Zersetzens eines Silizium enthaltenden Gases, wie Silan, in Sauerstoff oder Wasserdampf niedergeschlagen werden. In der Maskierschicht 48 wird dann ein Paar mit Abstand voneinander parallel zueinander verlaufender streifenförmiger Öffnungen 50 und 52 gebildet. Das läßt sich Z₀B. erreichen durch Beschichten der Maskierschicht 48 mit einer (nicht gezeigten) Photolackschicht und durch Einbringen von den Öffnungen 50 und 52 entsprechenden Streifen in die Photo-' lackschicht unter Anwendung üblicher photolythografischer Techniken. Die freigelegten Teile der Maskierschicht können dann mit einem passenden Ätzmittel, z.B. gepufferter Flußsäure (HF) zum Bilden der Öffnungen 50 und 52 abgetragen werden. Anschließend wird der Photolack mit einem entsprechenden Lösungsmittel wieder entfernt. Die streifenförmigen Öffnungen 50 und 52 sollen so angeordnet werden, daß sie sich parallel zu der zur Oberfläche 20 erstreckenden /~011__7-Kristallrichtung des Substrats 18 erstrecken. Aus unten erläuterten Gründen sollen die Öffnungen 50 und 52 vorzugsweise etwa jeweils vier bis· sechs Mikrometer breit sein, und der Mittenabstand der Öffnungen 50 und 52 soll vorzugsweise zwischen 20 und Mikrometer liegen.

Die durch die Öffnungen 50 und 52 freigelegten Bereiche der Oberfläche 20 des Substrats 18 werden dann mit einem Ätzmittel in Berührung gebracht, das in /"~011_7-Richtung orientierte Oberflächen im Verhältnis zu /~111__7-Richtung orientierten Oberflächen selektiv angreift, z„B. mit einer Lösung aus einem Teil Schwefelsäure, 8 Teilen Wasser und 8 Teilen Wasserstoffsuperoxid, Diese Verfah-

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rensweise führt - wie in Pig. 3 dargestellt wird - zu Nuten 24 mit schwalbenschwanzförmigem Querschnitt, die eine Tiefe von etwa 4 Mikrometern aufweisen und deren Boden- und Seitenflächen durch die (10O)- bzw. (111)A-Ebenen gebildet werden. Die Seiten der Nuten 24 werden unter die Maskierschicht 48 derart unterätzt, daß ausgehend von Öffnungen 50 und 52 mit einer Breite von vier bis sechs Mikrometern Nuten 24 entstehen, die beim Herstellen von etwa vier Mikrometer tiefen Kanälen an ihrem oberen Rand etwa 10 bis 12 Mikrometer breit werden. Die aus Siliziumdioxid bestehende Maskierschicht 48 wird dann mit Hilfe von gepufferter HF abgetragen.

Die obere Oberfläche 20 des Substrats 18 wird dann gereinigt, um ein gutes epitaxiales Aufwachsen der verschiedenen Epitaxialschichten der Laser-Diode 10 sicherzustellen. Für dieses Eeinigen kann die Oberfläche 20 während etwa einer Minute bei 30⁰C mit einer 1 : 1 Mischung aus wässrigem Natriumhydroxid (8 Gramm Natriumhydroxid und 200 Gramm ml Wasser) und wässrigem Wasserstoffsuperoxid (20 ml 30%-igen Wasserstoffhydroxids auf 200 ml Wasser) leicht geätzt werden. Anschließend wird das Substrat zum Entfernen aller auf der oberen Oberfläche 20 möglicherweise gebildeten Oxide in heiße Flußsäure getaucht und daraufhin während etwa einer halben Minute bei 30⁰C wiederum leicht in der vorbeschriebenen Mischung geätzt. Das Substrat 18 wird nun in Wasser gewaschen sowie in Isopropylalkohol getaucht und ist dann fertig vorbereitet zum Niederschlagen der verschiedenen Epitaxialschichten.

Die Epitaxialschichten selbst werden mit bekannter Flüssigphasenepitaxie, insbesondere unter Verwendung

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einer Vorrichtung gemäß US-PS 37 53 801, auf das Substrat 18 niedergeschlagene Zu der für die Flüssigphasenepitaxie verwendeten Vorrichtung gehört im allgemeinen ein Ofenschiffchen mit mehreren jeweils für eine niederzuschlagende Epitaxialschicht vorgesehenen, auf Abst&nd gesetzten Ausnehmungen und mit einem in Längsrichtung durch das Ofenschiffchen längs des Bodens jeder der J- isnehmungen zu bewegenden Schlitten. Dieser wiederum "be sitzt in seiner Oberfläche ein Paar auf Abstand gesetzter Vertiefungen, die den Ausnehmungen zuzuordner; sind und sich gegebenenfalls in die Ausnehmungen erstrecken. Die eine Vertiefung ist zur Aufnahme eines als Quelle dienenden Scheibchens und die andere zur Aufnahme des mit den Epitaxialschichten zu versehenen Substrats vorgesehen. In jeder der Ausnehmungen befindet sich eine gewisse Menge des niederzuschlagenden Halbleitermaterials, ein Lösungsmittel für das Halbleitermaterial und - falls ein solcher gebraucht wird - eir. Dotierstoff (Leitfähigkeitsmodifizierer). In jeder der Ausnehmungen befindet sich oberhalb der Füllung ein Gewicht, das dazu dient, die niederzuschlagende Lösung über die ganze Fläche der Ausnehmung zu verteilen. Auf Wunsch kann ein als Quelle dienendes Scheibchen zwischen das Gewicht und die Füllung gesetzt werden. Beim Herstellen der Laser-Diode 10 wird vorzugsweise wenigstens in der ersten Ausnehmung zwischen das Gewicht und die Füllung ein solches"Quellenscheibchen" eingefügt.

Beim Herstellen der Laser-Diode 10 wird ein Ofenschiffchen mit wenigstens sechs Ausnehmungen benutzt. In der ersten Ausnehmung befinden sich eine Ladung Galliumarsenid als Halbleitermaterial, Gallium als Lösungsmittel und Zinn als n-Dotierstoff sowie ein Galliumarsenid-Quellenscheibchen oberhalb der Gesamtladung.

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In der zweiten Ausnehmung befindet sich eine Ladung Galliumarsenid und Aluminiumarsenid als Halbleitermaterial, Gallium als Lösungsmittel und Zinn als Dotierstoff. Die dritte Ausnehmung enthält eine Ladung Galliumarsenid und Aluminiumarsenid als Halbleitermaterial, Gallium als Lösungsmittel und Zinn als Dotierstoff. Die Füllung der dritten Ausnehmung enthält weniger Aluminiumarsenid als diejenige der zweiten Ausnehmung. In der vierten Ausnehmung befindet sich eine Ladung Galliumarsenid und möglicherweise etwas Aluminiumarsenid als Halbleitermaterial sowie Gallium als Lösungsmittel; als Dotierstoff wirkende Materialien sind jedoch nicht beigefügt. Die fünfte Ausnehmung enthält eine Ladung Galliumarsenid und Aluminiumarsenid als Halbleitermaterial, Gallium als Lösungsmittel und Germanium als p-Dotierstoff. Die sechste Ausnehmung enthält eine Ladung aus Galliumarsenid als Halbleitermaterial, Gallium als Lösungsmittel und Germanium als p-Dotierstoff. Das (äuellenscheibchen in der Vertiefung des Schlittens besteht aus Galliumarsenid. Das Substrat 18 wird in der vorgesehenen Vertiefung des Schlittens so befestigt, daß sich die Nuten 24 parallel zur Schlittenbewegungsrichtung erstrecken.

Das wie vorbeschrieben geladene Ofenschiffchen wird in einen Rohrofen gesetzt. Alsdann wird ein Strom hochreinen Wasserstoffs durch den Rohrofen und über das Ofenschiffchen geleitet. Das Ofenschiffchen wird zum Erhitzen des Inhalts des Gfenschiffchens auf eine Temperatur zwischen etwa 820 und 860⁰C aufgeheizt. Dadurch wird das Lösungsmittel geschmolzen, und die Halbleitermaterialien sowie die Dotierstoffe lösen sich in dem geschmolzenen Lösungsmittel. Die Temperatur wird

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ausreichend lange aufrechterhalten, um ein vollständiges Schmelzen und Homogenisieren der Zutaten der einzelnen Chargen sicherzustellen. Das Ofenschiffchen und sein Inhalt können dann um etwa drei bis fünf Grad Celsius abkühlen, und der Schlitten wird so bewegt, daß das Substrat 18 direkt in die Lösung der ersten Ausnehmung gelangt.

Wenn das Substrat in die erste Ausnehmung gebracht wird, passiert das in den Schlitten eingesetzte Quellenscheibchen die erste Ausnehmung ohne dort zu halten und gelangt in die zweite Ausnehmung. Das Quellenscheibchen zwischen dem Gewicht und der Lösung der ersten Ausnehmung dient dazu, die in dieser Ausnehmung enthaltene . Lösung zu sättigen. Wenn die obere Oberfläche 20 des Substrats 18 mit der Eösung der ersten Ausnehmung in Berührung kommt, erfolgt ein teilweises Abschmelzen der oberen Kanten der Nuten 24, wie das etwa in Fig. 4 dargestellt wird. Das Ofenschiffchen und sein Inhalt werden dann mit einer relativ hohen Geschwindigkeit von wenigstens etwa 1° pro Minute abgekühlt. Hierdurch werden etwas Halbleitermaterial der Lösung der ersten Ausnehmung und etwas von dem Dotierstoff aus der Lösung ausgefällt bzw. kondensiert und in den Nuten 24 sowie auf der oberen Oberfläche 20 des Substrats 18 niedergeschlagen, so daß die Pufferschicht 26 gemäß Fig. 4 entsteht. Der Oberflächenbereich 26a der Puffersehicht 26 oberhalb des zwischen den Nuten 24 liegenden Oberflächenbereichs 20a des Substrats 18 soll im wesentlichen eben werden.

Während des Niederschiagens der gsfferschicht 26 auf das Substrat 18 befindet sich das Quellenscheibchen auf dem Schlitten in der zweiten Ausnehmung und sättigt die dortige Lösung. Wenn dann die Pufferschicht 26 bis zur

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gewünschten Dicke auf dem Substrat aufgewachsen ist, wird der Schlitten weitergeschoben, so daß das Substrat 18 in die zweite Ausnehmung gelangt, wo die Pufferschicht 26 mit der Lösung der zweiten Ausnehmung in Berührung kommt. Das Ofenschiffchen und sein Inhalt werden weiter abgekühlt, um einen Teil des gelösten Halbleitermaterials der zweiten Ausnehmung auszufällen und zum Bilden der ersten Begrenzungsschicht 28 auf die Pufferschicht 26 niederzuschlagen. Die erste Begrenzungsschicht 28 erhält einen ebenen Oberflächenbereich 28a, der genau oberhalb des ebenen Oberflächenbereichs 26a der Pufferschicht 26 liegt aber breiter als der Bereich 26a ist.

Der Schlitten wird dann so weiter geschoben, daß das Substrat 18 in die dritte Ausnehmung gelangt und die erste Begrenzungsschiclrt 28 in Berührung mit der Lösung der dritten Ausnehmung kommt. Das Ofenschiffchen und sein Inhalt werden weiter abgekühlt, um einen Teil des Halbleitermaterials der Lösung der dritten Ausnehmung auszufällen und zum Bilden der Führungsschicht 30 auf der ersten Begrenzungsschicht 28 niederzuschlagen. Der Schlitten wird dann weiterbewegt, so daß das Substrat 18 in die vierte Ausnehmung und die epitaxiale Führungsschicht 30 in Kontakt mit der Lösung der vierten Ausnehmung gelangt. Das Ofenschiffchen und sein Inhalt werden weiter abgekühlt, um das Niederschlagen der Aktivschicht 32 zu veranlassen. Das Abscheiden von Halbleitermaterial aus der Lösung der vierten Ausnehmung wird nur für eine kurze Zeitdauer ausgeführt, um die Aktivzone mit der gewünschten geringen Schichtdicke zu schaffen. Zum Bilden der dünnen Aktivschicht 32 wird vorzugsweise eine Lösung kleinen Volumens verwendet, um die Anforderungen an die Einstellgenauigkeit der Abscheidezeit herabzusetzen (vgl. US-PS 37 53 801).

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Es ist bekannt, daß die Atischeidegeschwindigkeit bei der Flüssigphasenepitaxie von der Krümmung der zu beschichtenden Oberfläche abhängt; je positiver diese Krümmung, d.h. je stärker die Konkavität ist, um so schneller erfolgt das Abscheiden bzw. epitaxiale Aufwachsen. Das epitaxiale Wachsen tritt vorzugsweise am Boden der beiden an der oberen Oberfläche der Pufferschicht 26 oberhalb der beiden Nuten 24 gebildeten Rinnen auf. Demgegenüber ist das epitaxiale Wachsen auf dem flachen Bereich der oberen Oberfläche der Pufferschicht 26 relativ vermindert, da in diesem Oberflächenbereich eine relativ starke negative Krümmung vorliegt und außerdem ein Transport des aufzuwachsenden bzw. aufgewachsenen Materials nach den Seiten, d.h. zu den Bereichen mit verstärktem Wachstum (das sind die beiden oberhalb der Nuten 24 liegenden konkaven Bereiche der oberen Oberfläche der ersten Epitaxialschicht bzw. PufferschiGht 26) zu verkraften ist. Der Bereich 28a der ersten Begrenzungsschicht 28 besitzt daher oberhalb des Oberflächenbereichs 20a des Substrats eine relativ gleichmäßige Dicke und läuft von da aus mit in dem Maße zunehmender Dicke aus, wie die erste Begrenzungsschicht 28 die Kanten der Nuten 24 passiert. In ähnlicher Weise besitzen die Führungsschicht 30 und die Aktivschicht 32 jeweils einen Bereich mit im wesentlichen gleichförmiger Dicke oberhalb des ebenen Oberflächenbereichs 28a der ersten Begrenzungsschicht 28, der ebenfalls beim Passieren der Kanten der Nuten 24 durch die jeweilige Schicht mit zunehmender Dicke (seitlich) fortgesetzt wird. Das Maß der vorbeschriebenen Änderung der Schichtdicke nach den Seiten hin kann im Falle der Aktivschicht 32 und der Führungsschicht 30 gleich sein, im allgemeinen laufen die beiden Schichten mit voneinander verschiedenen Winkeln spitz auseinander bzw. wieder zusammen.

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Nach dem Abscheiden der Aktivschicht 32 wird der Schlitten so vorwärtsbewegt, daß das Substrat 18 nacheinander in die fünfte und sechste Ausnehmung des Ofenschiffchens gelangt. Beim jeweiligen Aufenthalt des Substrats in den Ausnehmungen wird die Temperatur des Ofenschiffchens und seines Inhalts weiter herabgesetzt, so daß Halbleitermaterial und Dotierstoff aus der Lösung der betreffenden Ausnehmung ausgefällt und auf die jeweilig vorhergehende Epitaxialschicht niedergeschlagen wird. Dabei entstehen dann die zweite Begrenzungsschicht 34 auf der Aktivschicht 32 und die Deckschicht 36 auf der zweiten Begrenzungsschicht 34. Jedes Mal, wenn der Schlitten zum Weiterschieben des Substrats von einer Ausnehmung in die nächste bewegt wird, gelangt das Quellenscheibchen des Schlittens in die nächste Ausnehmung und sättigt die in dieser enthaltene Lösung. Wenn also das Substrat in irgendeine Ausnehmung vorgeschoben wird, ist die Lösung in dieser Ausnehmung mit dem abzuscheidenden Halbleitermaterial gesättigt und damit ein effektives Niederschlagen des Halbleitermaterials aus der Lösung sichergestellt.

Das Substrat 18 mit den aufgebrachten Epitaxialschichten wird dann aus dem Ofenschiffchen genommen und einer Behandlung unterzogen, bei der die sechste Epitaxialschicht, d.h. die Deckschicht 36 mit einer Isolierschicht 38 aus Siliziumdioxid überzogen wird. Vorzugsweise wird bei diesem Verfahrensschritt ein Silizium enthaltendes Gas, z.B. Silan, in Sauerstoff oder Wasserdampf pyrolythisch zersetzt. Die streifenförmige Öffnung 40 der Isolierschicht 38 wird dann dadurch gebildet, daß eine (nicht gezeichnete) Photolackschicht auf die Isolierschicht 38 unter Aussparung des für die Öffnung 40 vorgesehenen Bereichs aufgebracht wird. Es erfolgt dann ein Abtragen,

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z.B. durch Ätzen, des freiliegenden Bereichs der aus Siliziumdioxid bestehenden Isolierschicht 38. Die Isolierschicht 38 und die innerhalb dieser freigelegten Oberflächenteile der Deckschicht 36 werden dann mit einer aus einem leitenden Metall bestehenden Kontaktschicht 32 bedeckt bzw. beschichtet. Zum Ausführen dieses Verfahrensschritts wird vorzugsweise die bekannte Technik des Aufdampfens im Vakuum angewendet. Nach demselben Verfahren wird schließlich der Metallkontakt 44 auf die untere Oberfläche 22 des Substrats 18 aufgetragen.

Bei Betrieb des Halbleiterlasers 10 bewirkt ein zwischen den Kontakten 42 und 44 durch den Laser 10 fließender Schwellwertstrom die Injektion von Elektronen und Löchern in die dünne aktive Zone, d.h. in die Aktivschicht 32, wo die Elektronen und Löcher rekombinieren und dabei Licht erzeugen. Der Laser-Mechanismus (das "Lasern") tritt in dem Bereich mit gleichmäßiger Schichtdicke der Aktivschicht auf, der direkt oberhalb des ebenen Oberflächenbereichs 28a der ersten Begrenzungsschicht 28 und damit oberhalb des zwischen den Nuten 24 liegenden Oberflächenbereichs 20a des Substrats 18 vorgesehen ist» Das von dem Halbleiterlaser 10 emittierte Licht stellt einen räumlichen (transversal und lateral) sowie longitudinalen (betreffend die Frequenz) Einfach-Faden dar. Dieses Erzeugen von Einfachbetriebsart-Laserlicht wird sogar erreicht, wenn der Halbleiterlaser 10 mit ungedämpften Wellen bzw. Dauerschwingung und entweder bei Zimmertemperatur oder bei 70 C betrieben wird.

Da die Differenz der Brechungsindizes des Materials der Führungsschicht 30 und der Aktivschicht 32 klein ist, breitet sich das in der Aktivschicht 32 erzeugte Licht

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in die Führungsschicht 30 aus. Das Licht wird dann durch die HeteroÜbergänge zwischen der Begrenzungsschicht 28 und der Führungsschicht 30 auf der einen Seite und zwischen der Aktivschicht 32 und der zweiten Begrenzungsschicht 34 auf der anderen Seite im Bereich der Führungsschicht 30 und der Aktivschicht 32 eingeschlossen. Obwohl sich das Licht auch in der Aktivschicht 32 ausbreitet und von dieser seine optische Verstärkung erfährt, erfolgt das Ausbreiten des Lichts (im wesentlichen) in der Führungsschicht 30, da diese dicker als die Aktivschicht ist. Daraus ergibt sich, dai3 der von dem Laser 10 emittierte Lichtstrahl in der Querrichtung relativ breit ist und in dieser Richtung eine Stärke von etwa 2 Mikrometern hat verglichen mit der Breite von etwa 0,5 bis 0,6 Mikrometern bei Dioden von bis auf das Fehlen der Führungsschicht derselben Struktur. Der vom erfindungsgemäßen Laser abgegebene Strahl besitzt außerdem einen relativ geringen Divergenz-Winkel von etwa 20 bis 30°. Auch die betreffende Trennschärfe wird zum großen Teil durch die Form der Führungsschicht 30 und nicht durch diejenige der Aktivschicht 32 bestimmt. Die Breite der Laserstrahlung abgebenden Zone wird hauptsächlich durch den Führungseffekt aber auch in gewissem Maße durch die selektive Mode-Verstärkung der Führungsschicht 30 und ebenfalls in gewissem Maße dadurch bewirkt, daß die Schichtdicke der Aktivschicht 32 von dem oberhalb des flachen Oberflächenbereichs 28a der ersten Begrenzungsschicht 28 liegenden Bereich gleichförmiger Dicke aus nach den Seiten auseinanderläuft.

Obwohl die Richtungsabweichung bzw. Neigung der oberen Oberfläche 20 des Substrats 18 parallel zur Längsachse der Nut 24 verlaufen soll, kann eine Richtungsabweichung im Bereich eines Winkels von etwa 45 bis 135° gegenüber

der Längsachse der Nut 24 wünschenswert sein. Bei parallel zu der Nut 24 verlaufender Richtungsabweichung ergibt sich - wie zuvor beschrieben - ein symmetrischer Aufbau der oberhalb des ebenen Oberflächenbereichs 28a der ersten Begrenzungsschicht 28 liegenden Bereiche der Führungsschicht 30 und der Aktivschicht 32, d.h. die von dem jeweiligen ebenen Bereich ausgehende Neigung der Schichten ist nach beiden Seiten hin gleichförmig symmetrisch ausgebildet.

Ein hiervon abweichender Aufbau wird anhand von Fig. 5 beschrieben. In dieser Figur wird der Verlauf der Führungsschicht 130 und der Aktivschicht 132 ausgehend von der jeweiligen oberhalb des ebenen Oberflächenbereichs 128a der ersten Begrenzungsschicht 128 liegenden ebenen Bereich für den Fall erläutert, daß die fragliche Richtungsabweichung nicht parallel zu den Nuten 124 verläuft. Die oberhalb des ebenen Oberflächenbereichs 128a liegenden Bereiche der Führungsschicht 130 und der Aktivschicht sind dann nicht symmetrisch, da die Neigung der jeweiligen Schicht auf der einen Seite des vorzugsweise streifenförmigen Bereichs größer als auf der anderen Seite ist. Diese Asymmetrie kann den Betrieb des Halbleiterlasers beeinflussen, wenn die Richtungsabweichung mindestens um etwa 45° in bezug auf die Längsachse der Nut 124 geneigt wird. Der Einfluß der Asymmetrie besteht darin, daß der in der Aktivschicht 132 erzeugte Lichtpunkt größer als der entsprechende Lichtpunkt der symmetrischen Schicht ist. Unabhängig davon, ob die genannten Bereiche der Führungsschicht und der Aktivschicht symmetrisch oder asymmetrisch zueinander verlaufen, der eigentliche Lasereffekt tritt immer in der Zone auf, die direkt oberhalb des ebenen Oberflächenbereichs der ersten Begrenzungsschicht liegt.

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Claims

Dr.-lng. Reimar König .· . Dipl.-lng. Klaus Bergen Cecilienallee 76 4 Düsseldorf 3D Telefon 45 2OOB Patentanwälte
2. Juni 1980 33 435 B

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York. N₀Y₀ 10020 (V₀St.A.

"Halbleiterlaser" Patentansprüche:

Λΐ Halbleiterlaser mit einem ein in einer Oberfläche ein Paar im wesentlichen parallel zueinander verlaufender, schwalbenschwanzförmiger Nuten aufweisendes Substrat enthaltenden Halbleiterkörper und einer auf der Oberfläche des Substrats und den Oberflächen der Nuten liegenden, ersten, epitaxialen Begrenzungsschicht des einen, ersten Leitungstyps, sowie einer oberhalb der Begrenzungsschicht befindlichen, dünnen, epitaxialen Aktivschicht mit daraufliegender, zweiter, epitaxialer Begrenzungsschicht des anderen, zweiten Leitungstyps, wobei die erste Begrenzungsschicht oberhalb des zwischen den Nuten liegenden Substratbereichs einen ebenen Oberflächenbereich besitzt und wobei ferner die Aktivschicht aus einem Material mit größerem Brechungsindex als jede der Begrenzungsschichten besteht sowie die Laserrekombinationszone bildet, in welcher das Licht in dem in etwa über dem ebenen Oberflächenbereich der ersten Begrenzungsschicht liegenden Bereich zu erzeugen ist, gekennzeichnet durch eine zwischen der ersten Begrenzungsschicht (28) und der Aktivschicht (32) liegende epitaxiale Führungsschicht (30) des ersten Leitungstyps,

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deren Brechungsindex zwischen demjenigen der Aktivschicht (32) und denjenigen der Begrenzungsschichten (28, 34) liegt.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Epitaxialschichten (28, 30, 32, 34) aus HeteroÜbergänge zwischen benachbarten Schichten bildenden Materialien bestehen.
3. Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß jede Pührungs- und Aktivschicht (30, 32) wenigstens einen von dem direkt oberhalb der ebenen Oberflächenbereiche (28a) der ersten Begrenzungsschicht (28) liegenden Bereich gleichförmiger Dicke dickenmäßig konisch abgesetzten Bereich besitzt.
4. Laser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet , daß die Schichtdicke der Führungsschicht (30) und der Aktivschicht (32) von dem Bereich gleicher Dicke aus konisch nach den bzw. allen Seiten zunimmt.
5. Laser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die in der Dicke konisch zunehmenden Bereiche symmetrisch zueinander sind.
6. Laser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die in der Dicke konisch zunehmenden Bereiche asymmetrisch zueinander sind.
7. Laser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß

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die Längskanten jeder Nut (24) an der Oberfläche (20) des Substrats (18) abgetragen sind, so daß die an die Oberfläche (20) angrenzenden Seitenflächen der Nuten (24) in einem Teilbereich spitz auseinander laufen.
8. Laser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß auf der zweiten Begrenzungsschicht (34) eine den gleichen Leitungstyp wie diese aufweisende epitaxiale Deckschicht (35) liegt.
9. Laser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen dem Substrat (18) und der ersten Begrenzungsschicht (28) eine aus dem gleichen Material wie das Substrat (18) bestehende und den gleichen Leitungstyp wie dieses aufweisende epitaxiale Pufferschicht (26) liegt.
10. Laser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß über der Deckschicht (36) eine diese längs eines sich oberhalb und längs des Bereichs gleichförmiger Dicke der Aktivschicht (32) erstreckenden Streifens berührende leitende Kontaktschicht (42) angeordnet ist.
11. Laser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß auf der Deckschicht (36) eine Isolierschicht (38) mit einer einen Streifen der Deckschichtoberfläche freilassenden, sich längs des Bereichs gleichförmiger Dicke der Aktivschicht (32) erstreckenden Öffnung (40) liegt, und daß auf der Isolierschicht (38) und

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§021104

dem innerhalb dieser freiliegenden Oberflächenbereich der Deckschicht (36) eine leitende Kontaktschicht (42) liegt.
12. Laser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß die der die Nuten (24) aufweisenden Oberfläche (20) gegenüberliegende Oberfläche des Substrats (18) mit einem zweiten leitenden Kontakt (44) versehen ist.

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