DE3102875C2 - Heterostructure semiconductor laser diode - Google Patents

Heterostructure semiconductor laser diode

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Abstract

Werden Halbeiterlaser im langwelligen Spektralbereich (Wellenlänge größer als 1 μm) betrieben, so verursacht deren hoher elektrischer Serienwiderstand Instabilitäten des Dauerstrichbetriebes. Dieser Serienwiderstand wird erfindungsgemäß dadurch erniedrigt, daß der Boden der Vertiefung durch die an die monokristalline Schicht angrenzende Halbleiterschicht oder deren Begrenzungsfläche gebildet ist und daß zumindest auf dem Boden mindestens ein elektrisch leitender Kontakt vorhanden ist.If semiconductor lasers are operated in the long-wave spectral range (wavelength greater than 1 μm), their high electrical series resistance causes instabilities in continuous wave operation. This series resistance is reduced according to the invention in that the bottom of the depression is formed by the semiconductor layer adjoining the monocrystalline layer or its boundary surface and that at least one electrically conductive contact is present at least on the bottom.

Description

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Die Erfindung betrifft eine Heterostruktur-Halbleiterlaserdiode nach dem Oberbegriff des Anspruchs I.The invention relates to a heterostructure semiconductor laser diode according to the preamble of claim I.

Derartige Halbleiterlaserdioden werden beispielsweise in der optischen Nachrichteniibertragungstechnik verwendet als Licht-Sender für Lichtleitfasern.Such semiconductor laser diodes are used, for example, in optical communication technology used as a light transmitter for optical fibers.

Eine solche Heterostruktur-Halbleiterlaserdiode ist in der DE-OS 28 22 146 beschrieben und in F i g. 1 skizziert. Auf ein Substrat 1 aus n-InP oder n-GaAs ist eine Halbleiter-Schichtenfolge aufgewachsen, die aus den Schichten 2, 3, 4 und 6 besteht. Dabei bildet die z. B. p-leitende Schicht 3 die laseraktive Zone, die zwischen Schichten 2, 4 entgegengesetzten Leitungstyps angeordnet ist. Diese HeteroStruktur ist auf der dem Substrat abgewandten Seite der Schichtenfolge mit einer monokristallinen Deckschicht 6, z. B. n-InP, abgedeckt, in die eine grabenförmige Vertiefung 10 hineingeätzt ist. Die derart strukturierte Deckschicht 6 dient als Diffusionsmaske für den Diffusionsbereich 7. Im allgemeinen ist der Diffusionsbereich 7 p-leitend, so daß bei p-Ieitender Schicht 4 und η-leitender Deckschicht 6 der Strompfad an der Grenzfläche zwischen Schicht 4 und Deckschicht 6 eingegrenzt wird. An die elektrisch leitenden Kontakte 8,9 sind nicht dargestellte elektrische Verbindungen anschließbar.Such a heterostructure semiconductor laser diode is described in DE-OS 28 22 146 and shown in FIG. 1 outlined. A semiconductor layer sequence is grown on a substrate 1 made of n-InP or n-GaAs, which consists of the Layers 2, 3, 4 and 6 consists. The z. B. p-conductive layer 3, the laser-active zone between Layers 2, 4 of opposite conduction type is arranged. This heterostructure is on that of the substrate facing away from the layer sequence with a monocrystalline cover layer 6, z. B. n-InP, covered, into which a trench-shaped recess 10 is etched. The cover layer 6 structured in this way serves as a diffusion mask for the diffusion region 7. In general, the diffusion region 7 is p-conductive, so that p-conductive Layer 4 and η-conductive cover layer 6 the current path at the interface between layer 4 and cover layer 6 is narrowed down. Electrical connections (not shown) are made to the electrically conductive contacts 8, 9 connectable.

Wird eine derartige Halbleiterlaserdiode so dimensioniert, daß das ausgesandte Laserlicht im langwelligen Spektraibereich (Wellenlänge größer als L μπι) liegt, so treten nachteilige Störungen beim sogenannten Dauerstrichbetrieb der Halbleiterlaserdiode auf.If such a semiconductor laser diode is dimensioned so that the emitted laser light is in the long-wave Spectral range (wavelength greater than L μπι) is so disadvantageous disturbances occur in the so-called continuous wave operation of the semiconductor laser diode.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Heterostruktur-Halbleiterlaserdiode anzugeben, die einen möglichst stabilen Dauerstrichbetrieb gewährleistet, insbesondere in einem Spektralbereich, dessen Wellenlänge größer als 1 μπιίβι.The invention is therefore based on the object of a generic heterostructure semiconductor laser diode specify that ensures the most stable possible continuous wave operation, especially in a spectral range, whose wavelength is greater than 1 μπιίβι.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs ! angegebenen Merkmale.This object is achieved according to the invention by the in the characterizing part of the claim! specified Characteristics.

Zweckmäßige Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen zusammengestellt.Appropriate embodiments are compiled in the subclaims.

Ein erster Vorteil der Erfindung besteht darin, daß in der Halbleiterlaserdiode nur wenig störende Verlustwärme entsteht.A first advantage of the invention is that in the semiconductor laser diode only little disruptive heat loss arises.

Ein zweiter Vorteil besteht darin, daß das Herstellungsverfahren für die erfindungsgemäße Halbleiterlaserdiode wesentlich vereinfacht wird.A second advantage is that the manufacturing process is significantly simplified for the semiconductor laser diode according to the invention.

Die Erfindung 'geruht auf der überraschenden Erkenntnis, daß die erwähnten nachteiligen Störungen auf einen zu hohen elektrischen Serienwiderstand der aus der DE-OS 28 22 146 bekannten Halbleiterlaserdiode gemäß F i g. 1 zurückzuführen sind, da dort ein elektrischer Kontakt auf p-lnP gebildet wird.The invention is based on the surprising finding that the disadvantageous disturbances mentioned are due to an excessively high electrical series resistance of the the DE-OS 28 22 146 known semiconductor laser diode according to FIG. 1 because there is an electrical Contact is formed on p-lnP.

Durch die Erfindung wird ein elektrischer Serienwiderstand ermöglicht, der kleiner als 5 Ohm ist.The invention enables an electrical series resistance that is less than 5 ohms.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der F i g. 2 näher erläutert.An exemplary embodiment of the invention is described below with reference to FIGS. 2 explained in more detail.

Die F i g. 2 zeigt im Grundaufbau den in F i g. 1 dargestellten Halbleiterlaser. Eine Verringerung des Serienwiderstandes ist bei dem Laser gemäß F i g. 2 dadurch möglich, daß die grabenförmige Vertiefung 10 derart ausgebildet ist, daß ihr Bod;n 11 durch die HaIbleiterschicht 5 begrenzt ist und daß mindestens ein elektrischer Kontakte möglichst niederohmig mit der Halbleiterschicht 5 verbunden ist. Es ist zweckmäßig, den Kontakt 8, gemäß Fig. 1, derart auszubilden, daß die monokristalline Halbleiterschicht 6 ganzflächig bedeckt ist. Dadurch wird z. B. eine erhöhte Ableitung eventuell entstehender Verlustwärme möglich, außerdem vereinfacht sich die Herstellung des Halbleiterlasers.The F i g. 2 shows the basic structure of the one in FIG. 1 shown semiconductor laser. A reduction in series resistance is in the laser according to FIG. 2 possible in that the trench-shaped depression 10 is designed such that its bottom; n 11 through the semiconductor layer 5 is limited and that at least one electrical contact as low as possible with the semiconductor layer 5 is connected. It is useful to form the contact 8, as shown in FIG. 1, in such a way that the monocrystalline semiconductor layer 6 is covered over the entire area. This z. B. an increased discharge possibly The resulting heat loss is possible, and the manufacture of the semiconductor laser is simplified.

Bei der Herstellung des Doppel-Hetero-Streifenstruktur-Halbleiterlasers für 1,1 —1,6 μπι Wellenlänge des ausgesandten Lichtes wird von folgender Halbleiterschichtstruktur ausgegangen:In the manufacture of the double hetero stripe structure semiconductor laser for 1.1-1.6 μm wavelength of the emitted light is of the following semiconductor layer structure went out:

Schichtlayer Materialmaterial TypType Dickethickness 11 InPInP n-Typn-type ca. 300 μπιapprox. 300 μm 22 InPInP n-Typn-type ca. 5 μπιapprox. 5 μm 33 Ga, In, -,AsjP, _,Ga, In, -, AsjP, _, noch p-Typstill p-type ca.approx. 0.15 <x< 0,47.0.15 <x < 0.47. x/y»0,47x / y »0.47 0,15-0,2-0.15-0.2- 5 μπι5 μπι 44th InPInP p-Typp-type ca. 2 μπιapprox. 2 μm 55 Ga, Ini_,As, ■ Pi_,Ga, Ini_, As, ■ Pi_, n-Typn-type ca. 1 μπιapprox. 1 μm 0,15<x'<0,47,x'< χ- 0.15 <x '<0.47, x'< χ- x'/y'= 0,47 x '/ y' = 0.47 66th InPInP n-Typn-type 2-3 μπι2-3 μπι

In Schicht 6 wird eine streifenformige grabenförmige Vertiefung 10 so eingebracht, daß der Boden 11 durch Schicht 5 gebildet wird. Dies erfoigt beispielsweise mit Hilfe einer materialselektiven Ätzlösung, die InP angreift, jedoch Ga,Ini_,As,Pi_, nicht ätzt, wodurch als Boden 11 der Vertiefung 10 die Schicht 5 freigelegt wird.In layer 6, a strip-shaped, trench-shaped one becomes Well 10 introduced so that the bottom 11 through Layer 5 is formed. This is done, for example, with the help of a material-selective etching solution that attacks InP, however, Ga, Ini_, As, Pi_, does not etch, which makes as Bottom 11 of the recess 10, the layer 5 is exposed.

Nach Ausbildung eines streifenförmigen p+-Ieitenden Kanals von der Oberfläche zur Schicht 4 durch ganzflächige Zn-Diffusion wird ein Metallkontakt 8 aufgebracht derart, daß im Grabenboden ein p-Kontakt auf P+-GaInAsP und außerhalb auf p-InP gebildet wird.After the formation of a strip-shaped p + -conducting channel from the surface to the layer 4 by full-surface Zn diffusion, a metal contact 8 is applied in such a way that a p-contact is formed on P + -GaInAsP in the trench bottom and on p-InP outside.

Auf P+-GaInAsP lassen sich sehr gute Kontakte anbringen. Der Grund hierfür liegt in der hohen erreichbaren p-Dotierung (>10|1?cm-3) und dem geringeren Bandabstand dieses Materials. Ein weiterer Ausweg, der zu niedrigen Kontaktwiderständen führt, besteht darin, auf eine Schichtenfolge gemäß der DE-OS 28 22 146 zusätzlich eine n-GalnAsP-Schicht aufzuwachsen, in die die Vertiefung 10 eingebracht und nach der Diffusion der Kontakt 8 aufgebracht wird. In diesem Falle wäre jedoch für die zusätzliche n-GalnAsF-Schicht eine Dikke von mehreren .um erforderlich. Es ist aber sehr schwierig, beispielsweise durch Flüssigphasenepitaxie GalnAsP-Schichten von mehreren μΓη-Dicke mit guter Oberflächen-Qualität aufzuwachsen. Bei dem Laser gemäß F i g. 2 ist dagegen für die n-GalnAsP-Schicht 5 eine Schichtdicke von < 1 μτη ausreichend, die gut aufgewachsen werden kann. Bei der Erzeugung der Vertiefung 10 in der n-InP-Schicht 6 bewirkt ein material-selektives Ätzmittel, das InP angreift GaInAsP aber nicht, daß die Tiefenätzung bei Erreichen der GaInAsP-Schicht 5 zum Stillstand kommt, so daß eine Kontrolle der Ätztiefe entfällt. Die Grabentiefe wird unabhängig von den Ätzbedingungen und ist durch die Dicke der Schicht 6 vorgegeben. Die Breite der Vertiefung 10, und damit die Breite des Bodens 11 ist durch eine entsprechende Ätzmaske wählbar.Very good contacts can be made on P + -GaInAsP. The reason for this lies in the high achievable p-doping (> 10 | 1? Cm -3 ) and the smaller band gap of this material. Another way out, which leads to low contact resistances, is to additionally grow an n-GaInAsP layer on a layer sequence according to DE-OS 28 22 146, into which the recess 10 is made and the contact 8 is applied after the diffusion. In this case, however, a thickness of several μm would be required for the additional n-GalnAsF layer. However, it is very difficult to grow GalnAsP layers of several μm thickness with good surface quality, for example by means of liquid phase epitaxy. In the case of the laser according to FIG. 2, on the other hand, a layer thickness of <1 μτη is sufficient for the n-GalnAsP layer 5, which can be grown on well. When the recess 10 is produced in the n-InP layer 6, a material-selective etchant that attacks InP but does not cause the deep etching to stop when the GaInAsP layer 5 is reached, so that the etching depth is not checked. The trench depth is independent of the etching conditions and is predetermined by the thickness of the layer 6. The width of the recess 10, and thus the width of the base 11, can be selected by means of a corresponding etching mask.

Die Struktur gemäß F i g. 2 kann außer einem InP-GaInAsP-auch einen GaAs-GaAlAs-Laser darstellen. In diesem Falle ist lediglich InP durch GaAlAs bzw. GaInAsP durch GaAs zu ersetzen. Als Substrat (Halbleiterschicht 1) ist GaAs zu verwendtu.The structure according to FIG. 2 can, in addition to an InP-GaInAsP-also represent a GaAs-GaAlAs laser. In this case, only InP is replaced by GaAlAs or Replace GaInAsP with GaAs. GaAs is to be used as the substrate (semiconductor layer 1).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (4)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Heterostruktur-Halbleiterlaserdiode mit einer auf einem Substrat ausgebildeten Schichtenfolge, bei der eine laseraktive Zone zwischen Schichten einander entgegengesetzten Leiiungstyps angeordnet ist, bei der auf der dem Substrat abgewandten Seite der Schichtenfolge eine monokristalline Deckschicht vom Leitungstyp der substratseitig an die aktive Zone angrenzenden Halbleiterschicht ausgebildet ist, bei der die Oberfläche der Deckschicht durch eine senkrecht zur Austrittsfläche der Laserstrahlung verlaufende grabenförmige Vertiefung derart strukturiert ist, daß durch Diffusion von Dotierungsmaterial durch die Oberfläche hindurch eine der strukturierten Oberfläche entsprechende Diffusionsfront entsteht, die einen diffundierten Halbleiterbereich bildet, der einen zur Deckschicht entgegengesetzten Leitungstyp besitzt und der angrenzend an die Vertiefung einen streifenförmigan Bereich bila'qt, der den in Durchlaßrichtung der Diode fließenden Strom einengt, und bei der in der Vertiefung ein elektrisch leitender Kontakt vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (10) substratseitig durch eine an die monokristalline Deckschicht (6) angrenzende Halbleiterschicht (5) begrenzt ist, die zumindest im Bereich des Bodens (11) der Vertiefung (fO) im wesentlichen aus P + -GaInAsP oder aus P+-GaAs besteht, wobei die substratseitig an die Halbleiterschicht (S) angrenzende Schicht (4) aus InP oder GaAIAs besteht und daß der Kontakt (8) als Ti—Pt—Au-oder Zn—Au- oder Cr-Au-Kontakt ausgebildet ist.1. Heterostructure semiconductor laser diode with a layer sequence formed on a substrate in which a laser-active zone is arranged between layers of opposite line types, in which a monocrystalline cover layer of the conductivity type of the semiconductor layer adjoining the active zone on the substrate side is formed on the side of the layer sequence facing away from the substrate in which the surface of the cover layer is structured by a trench-shaped depression running perpendicular to the exit surface of the laser radiation in such a way that diffusion of doping material through the surface creates a diffusion front corresponding to the structured surface, which forms a diffused semiconductor area that is opposite to the cover layer Has a conduction type and which bila'qt a strip-shaped area adjacent to the recess, which restricts the current flowing in the forward direction of the diode, and in which in the recess ei n electrically conductive contact is present, characterized in that the recess (10) is delimited on the substrate side by a semiconductor layer (5) adjoining the monocrystalline cover layer (6), which at least in the area of the bottom (11) of the recess (fO) essentially consists of P + -GaInAsP or of P + -GaAs, the layer (4) adjoining the semiconductor layer (S) on the substrate side consisting of InP or GaAIAs and that the contact (8) is made of Ti — Pt — Au or Zn — Au - or Cr-Au contact is formed. 2. HeterostrukturHalble-.ierlaserdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die grabenförmige Vertiefung (10) senk; xht zur Grabenrichtung, im wesentlichen einen trapezförmigen Querschnitt besitzt.2. Heterostructure half-laser diode according to claim 1, characterized in that the trench-shaped depression (10) is sunk; xht to the trench direction, has a substantially trapezoidal cross-section. 3. Heterostruktur-Halbleiterlaserdiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (10) durch eine selektive Ätzung gebildet ist.3. heterostructure semiconductor laser diode according to claim 1 or 2, characterized in that the recess (10) is formed by selective etching is. 4. Heterostruktur-Halbleiterlaserdiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Serienwiderstand der Halbleiterlaserdiode kleiner als 5 Ohm ist.4. Heterostructure semiconductor laser diode according to one of the preceding claims, characterized in that that the electrical series resistance of the semiconductor laser diode is less than 5 ohms.
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