DE3234389C2 - Halbleiter-Laserdiode - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halblei­ ter-Laserdiode, wie sie im Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1 angegeben ist.

In der DE-OS 28 56 507 ist eine Halbleiter-Laserdiode beschrieben, die einen Mesa-Aufbau hat. Diese bekannte Laserdiode hat ausgehend vom Substratkörper eine Schich­ tenfolge, zu der eine Schicht mit der laseraktiven Zone und darauffolgend zwei weitere Schichten gehören. Um eine vorgegebene streifenförmige laseraktive Zone in der Diode zu erreichen, ist dort vorgesehen, eine dieser beiden weiteren Schichten vollständig und die andere dieser beiden weiteren Schichten teilweise wegzuätzen, und zwar in den Bereichen, die außerhalb der für die Laser-Strahlungserzeugung vorgegebenen streifenförmigen Zone liegen. Diese in diesen Bereichen nur teilweise weggeätzte Schicht hat dort eine geringere Dicke als sie in dem Anteil dieser Schicht vorliegt, der der laser­ aktiven Zone benachbart ist. Außerdem bildet bei der bekannten Laserdiode die dem Substratkörper gegenüber angebrachte Schichtelektrode mit dem Restanteil der teil­ weise weggeätzten Schicht einen hochohmigen oder sper­ renden Übergang. Damit wird erreicht, daß die mit die­ ser Elektrode bewirkte Stromzufuhr im wesentlichen auf eine der laseraktiven Zone entsprechende Teilfläche be­ schränkt ist. Dieses Wegätzen eines Teiles der Schicht­ folge führt zu einer Mesa-Struktur. Die Hochohmigkeit oder die sperrende Wirkung des erwähnten Übergangs zwi­ schen der Elektrode und dem Schichtmaterial, und zwar außerhalb der laseraktiven Zone, bedingt, daß bei der be­ kannten Diode das Material dieser der Schicht mit der laseraktiven Zone benachbarten Schicht, von der seit­ liche Anteile weggeätzt sind, einen nur mäßig hohen Dotierungsgrad haben darf. Auch ist technologisch nicht ohne weiteres ein vorgegebenes Maß dieser Restdicke, das für Optimierung der elektrischen und optischen Eigen­ schaften der Laserdiode ein auszuwählender Parameter ist, exakt und/oder gleichmäßig einzuhalten.

In der Veröffentlichung von I. P. KAMINOW et. al. "PERFORMANCE OF AN IMPROVED InGaAsP RIDGE WAVEGUIDE LASER AT 1,3 µm" in Electronic Letters 17, 318 bis 320 (1981) ist eine Laserdiode mit Stegwellenleiter beschrieben, bei der auf eine aktive Schicht aus InGaAsP eine Pufferschicht aus InGaAsP ganzflächig aufgebracht ist und darauf eine streifenförmige Mesa bestehend aus einem InP-Steg auf der Pufferschicht und darauf einer InGaAsP-Deckschicht. Eine Metallisierung ist in diese Deckschicht einlegiert. Die Metallisierung ist seitlich der Mesa auf die Oberfläche herabgezogen, wobei zwischen dem Metall und der Puffer­ schicht eine Si₃N₄-Isolatorschicht, die nicht notwendig bis an die Mesaflanken heranreicht, vorhanden ist.

In der JP-OS 50-71 281 ist eine Laserdiode beschrieben, bei der auf eine aktive Schicht aus GaAs eine GaAlAs- Schicht und darauf eine CaAs-Schicht aufgewachsen sind. In einen oberen Schichtanteil dieser zuletzt aufgewachsenen Schicht ist durch Eindiffusion ein für niederohmige Kontaktierung vorgesehener Bereich ausgebildet. Die oberste Schicht ist mindestens bis in die zuvor aufgewachsene Schicht hinein derart abgeätzt, daß sie eine streifen­ förmige Mesa bildet. Eine Elektrode ist als Metallisierung ganzflächig aufgebracht. Dieser Metall-Halbleiterkontakt begrenzt den Stromfluß im wesentlichen auf den Bereich der Mesa.

Aufgabe der vorliegende Erfindung ist es, eine Verbesserung der eingangs beschriebenen Halbleiter-Laserdiode anzugeben, so daß diese verbesserte Halbleiter-Laserdiode einfacher unter Einhaltung einer vorgegebenen Dicke des zwischen der aktiven Schicht und der seitlich der Mesa vorhandenen Anteile der oberen Kontaktelektrode vorgesehenen Halbleitermateriales herge­ stellt werden kann.

Diese Aufgabe wird mit der Halbleiter-Laserdiode mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Ausgangspunkt für die vorliegende Erfindung ist die Halb­ leiter-Laserdiode nach der DE-OS 28 56 507, mit der bereits ein wichtiger Fortschritt er­ reicht ist. Dieses erreichte Ergebnis wird durch die vor­ liegende Erfindung dadurch noch verbessert, daß die eine Schicht 15 der bekannten Laserdiode durch eine Schichtfolge aus drei Schichten ersetzt wird. Die bei­ den jeweils außenliegenden Schichten dieser neuen Schichtfolge aus drei Schichten übernehmen die Funktion der Schicht 15 der bekannten Diode, und zwar im Hin­ blick auf die jeweils ihnen (nach außen) benachbarten Schichten. Diese funktionelle Aufspaltung ermöglicht es, eine jeweilige Optimierung zu erreichen. Als ganz wesent­ lich kommt aber noch hinzu, daß gegenüber dem Material der mittleren dieser drei neuen Schichten das Material der der Schicht mit der laseraktiven- Zone am weitesten entfernt liegenden Schicht selektiv ätzbar ist. Es kann damit das Material der von der Schicht mit der laser­ aktiven Zone am weiteren entfernt liegenden Schicht im Bereich außerhalb der laseraktiven Zone ohne weiteren Aufwand für exakte Einhaltung einer Ätztiefe bis auf das Material dieser mittleren Schicht weggeätzt werden. Alternativ kann auch vorgesehen sein, daß gegenüber dem Material der der Schicht mit der laseraktiven Zone nächst­ benachbarten Schicht das Material dieser mittleren Schicht der neuen Teilschichtfolge selektiv ätzbar ist, jedoch mit dem Nachteil, daß dann die freie Wahlmöglichkeit zur Optimierung bezüglich Kontakt-Sperrwirkung und/oder Ladungsträger- und Photonenbegrenzung weitgehend einge­ schränkt ist.

Daß die Schichtfolge der erfindungsgemäßem Halbleiter-Laserdiode eine vergleichsweise größere Anzahl von Schichten hat, fällt nicht als Nachteil ins Gewicht, zumal bei der erfindungsgemäßen Diode die oberste Schicht der bekann­ ten Diode als selbständige Schicht wegfallen kann und ersetzt werden kann durch eine Dotierungsdiffusion des oberen Schichtanteils der obersten Schicht der erfin­ dungsgemäßen neuen Teilschichtfolge (aus drei Schich­ ten).

Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nach­ folgenden Detailbeschreibung zur Erfindung hervor.

Die Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Halbleiter-Laserdiode.

Die Figur zeigt eine Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß aufgebauten Halbleiter-Laserdiode 10 nach dem Prinzip eines Streifenlasers. Diese umfaßt einen Substratkörper 12 aus z. B. n-leitendem Indiumphosphid oder Galliumarsenid, und zwar vorzugsweise je nachdem, wel­ ches Material für die epitaktisch abzuscheidenden Schich­ ten vorgesehen ist. Die Länge eines solchen Sub­ stratkörpers beträgt z. B. 200 µm. Den gleichen Wert kann auch die Breite dieses Körpers haben. Die Dicke des­ selben beträgt z. B. 80 µm. Auf diesem Substratkörper 12 befindet sich eine erste epitaktisch abgeschiedene Schicht 13, die bei einem Indiumphosphid-Substratkörper z. B. aus n- Indiumphosphid mit einer Dotierung von 2·10¹⁸ cm^-3 und einer Dicke von 1 bis 8 µm ist. Für einen Galliumarsenid-Sub­ stratkörper ist diese Schicht 13 z. B. eine Schicht aus n-Gallium-Aluminiumarsenid. Die nächstfolgende epitak­ tisch abgeschiedene Schicht 14 mit der laseraktiven Zone 22 besteht z. B. aus Gallium-Inidum-Arsenidphosphid. Sie ist n- oder p-leitend oder auch undotiert. Ihre Dicke beträgt z. B. 0,1 bis 0,4 µm. Für ein solches Material der Schicht 14 ergibt sich eine Emissions-Wellenlänge zwi­ schen etwa 1,15 bis 1,7 µm.

Erfindungsgemäß folgt jetzt auf die Schicht 14 eine Dreier­ kombination aus den Schichten 25, 125 und 225. Die Schicht 25 besteht beispielsweise aus p-Indiumphosphid mit einer Dotierung von beispielsweise 5·10¹⁷cm^-3 und einer Dicke von ungefähr 0,3 µm. Die Schicht 125 besteht z. B. aus p⁻-Gal­ lium-Indium-Arsenidphosphid mit einer Dotierung von z. B. 1·10¹⁷ und mit einer Dicke von beispielsweise 0,2 µm. Die weitere Schicht 225 besteht z. B. aus p-leitendem In­ diumphosphid mit einer Dotierung von z. B. 5·10¹⁷ cm^-3 und mit einer Dicke von z. B. 1 µm. Die in der Fig. angegebene weitere Schicht 16 ist mit Rücksicht auf den Metallkon­ takt 18 hochdotiert. Sie besteht z. B. aus p-leitendem Gallium-Indium-Arsenidphosphid mit einer Dotierung von z. B. 2·10¹⁹ cm^-3 u. ist beispielsweise 0,3 µm dick. Für das angegebene Beispiel der Schicht 125 ergibt sich eine Grenzwellenlänge der Absorption mit 1,0 µm. Für die Schicht 16 beträgt dieser Wert z. B. etwa 1,1 µm.

Als Material für die Metall-Kontakschicht 18 eignet sich z. B. eine Schichtfolge aus Titan, Platin, Gold oder Titan- Aluminium oder auch eine Schicht aus lediglich Aluminium.

Wie aus der perspektivischen Ansicht der Figur zu erken­ nen, sind von den Schichten 16 und 225 die seitlichen Anteile in ihrer Gesamtheit beseitigt, wie dies prinzi­ piell auch bei der Laserdiode nach der DE-OS 28 56 507 der Fall ist. Bei der vorliegenden Erfindung hat jedoch die Schicht 125 aufgrund der getroffenen Materialauswahl die Eigenschaft, daß sie ätzresistent gegen das Ätzmit­ tel ist, das zum Wegätzen des Materials der Schicht 225 in den erwähnten seitlichen Bereichen 151, 152 verwendet worden ist. Dieses Entfernen von Halbleitermaterial der Schichten 16 und 225 erfolgt vorzugsweise mittels Foto­ resist-Maskentechnik. Der von den Schichten 16 und 225 verbliebene streifenförmige Anteil hat eine wie aus der Figur ersichtliche, dem Substratkörper 11 gegenüber we­ sentlich verringerte Breite von z. B. nur noch 3 bis 10 µm. Diesbezüglich und auch bezüglich der Schichtdicken in der Darstellung der Figur sei darauf hingewiesen, daß die Figur nicht maßstäblich ist.

Zwischen der Elektrode 18 und der Schicht 125, auf der die Seitenanteile der Elektrode 18 in den weggeätzten Bereichen 151 und 152 aufliegen, liegt kein elektrischer Übergang vor. Der Übergang ist dort hochohmig oder er hat sperrende Wirkung. Auf diese Weise ergibt sich die wesentlich verringerte Breite für die Stromdurchflutung von der Elektrode 18 her, die zu entsprechender seitli­ cher Beschränkung der laseraktiven Zone 22 führt.

Der elektrische Kontakt zwischen der Elektrode 18 und der Schicht 16 ist sehr niederohmig, und zwar insbeson­ dere wegen der hohen Dotierung des Materials dieser Schicht 16. Entsprechendes gilt auch für den elektri­ schen Kontakt 17, der sich am Substratkörper 12 befindet.

Die ebenso wie bei der Laserdiode nach der DE-OS 28 56 507 bei der vorliegenden Erfindung erreichte Eingrenzung des Strompfades auf eine der laseraktiven Zone 22 entspre­ chende Breite 21 führt zum einen zu der Ausbildung eines Streifenlasers. In diesem Sinne wirkt in ebenfalls an sich bekannter Weise auch die Wahl des Materials der Schicht 125, und zwar in bezug auf das in den Bereichen 151 und 152 auf dieser Schicht 125 aufliegende Material der Elektrode 18. Diese auch bei der erfindungsgemäßen Diode vorliegende Eingrenzung in der Breite führt auch zu einer Verringerung der Ausbreitung transversaler Schwin­ gungsmoden der erzeugten Laserstrahlung 19. Bei der vor­ liegenden Erfindung kann im Gegensatz zur Diode nach der obengenannten DE-OS optimale Auswahl getroffen werden, und zwar für das Material und Dicke der Schicht 25 bezüglich Elektronen- u. Photonenbegrenzung der laseraktiven Zone 22 und für das Material der Schicht 125 bezüglich optimaler Sperrwirkung zwischen den Bereichen 151 und 152 dieser Schicht und dem Kontakt 18. Das Material der Schicht 125 wirkt als erfindungsgemäß vorgesehener Ätzstop, der in den Bereichen 151 und 152 eine definierte Restdicke gewährleistet. Diese Restdicke ist bei dem Beispiel der Figur gleich der Dicke der beiden Schichten 25 und 125 zusammengenommen.

Eine Ausgestaltung der Erfindung entsprechend kann die Materialauswahl (zusätzlich) so getroffen sein, daß auch das Material der Schicht 16 gegenüber demjenigen der Schicht 225 selektiv ätzbar ist.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Schicht 16 auch ein Anteil der Schicht 225 sein kann. Beide Schichten 16 und 225 sind p-leitend. Die Funktion der Schicht 16 kann da­ durch realisiert sein, daß in der Schicht 225 ein (in der Figur oberer) Schichtdickenanteil dieser Schicht 225 durch Eindiffusion höher dotiert ist, nämlich so hoch, wie es der Schicht 16 des obengenannten Beispiels entspricht.

Claims (4)

1. Halbleiter-Laserdiode mit Schichten aus Halbleitermaterial auf einem Substratkörper (12), bei der auf der diesem Substrat­ körper (12) abgewandten Seite einer für Strahlungserzeugung vorgesehenen Schicht (14) eine ganzflächig aufge­ brachte Schicht (25) und darüber eine streifenförmige Schicht (225), zur Bildung einer Mesa, die längs eines als laseraktive Zone (22) vorge­ sehenen Bereiches verläuft, vorhanden sind und bei der Elektroden (17, 18) vorhanden sind, wobei eine Elektrode (18) auf der Mesa angeordnet ist und so breit ist, daß Bereiche (151, 152) auf beiden Seiten neben der Mesa von dieser Elektrode (18) bedeckt werden, und wobei diese Elektrode (18) in diesen Bereichen (151, 152) an einer Schicht (125) aus Halbleitermaterial anliegt und auf der Mesa einen niederohmigen Kontakt und seitlich der Mesa je­ weils einen hochohmigen oder sperrenden Übergang bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die streifenförmige Schicht (225) auf einer weiteren Schicht (125) aufgewachsen ist, die ganzflächig auf der ganzflächig aufgebrachten Schicht (25) aufgewachsen ist, daß die weitere Schicht (125) aus einem Halbleiter­ material ist, bezüglich dessen das Halbleitermaterial der streifenförmigen Schicht (225) selektiv ätzbar ist, und daß das Halbleitermaterial der weiteren Schicht (125) niedriger dotiert ist als das Halbleitermaterial der auf die für Strahlungserzeugung vorgesehenen Schicht (14) ganzflächig aufgebrachten Schicht (25).

2. Halbleiter-Laserdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die aktive Schicht (14) ganzflächig aufge­ brachte Schicht (25) p-InP ist, daß die weitere Schicht (125) p⁻-GaInAsP ist und daß die streifenförmige Schicht (225) p-leitendes InP ist.

3. Halbleiter-Laserdiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die auf die aktive Schicht (14) ganzflächig aufge­ brachte Schicht (25) eine Dotierung von 5×10¹⁷ cm^-3 hat, daß die weitere Schicht (125) eine Dotierung von 10¹⁷ cm^-3 hat und
daß die streifenförmige Schicht (225) eine Dotierung von 5×10¹⁷ cm^-3 hat.

4. Halbleiter-Laserdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die auf die aktive Schicht (14) ganzflächig aufge­ brachte Schicht (25) eine Dicke von 0,3 µm hat,
daß die weitere Schicht (125) eine Dicke von 0,2 µm hat und
daß die streifenförmige Schicht (225) eine Dicke von 1 µm hat.