DE3306643A1 - Injektionslaser und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents
Injektionslaser und verfahren zu seiner herstellungInfo
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Description
♦ ·
Aft* · «I
INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC
CORPORATION, NEW YORK
S.E.H.Turley-3
Injektionslaser und Verfahren
zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft einen IRW-Laser aus GaInAsP mit
einem Substrat aus InP, einer aktiven Schicht aus GaInAsP und einer zwischen Substrat und aktiver Schicht liegenden
Zwischenschicht aus GaInAsP, wobei die der Zwischenschicht
zugewandte Oberfläche des Substrats eine <iOO)-OberfIäche
ist, in der eine Nut verläuft, welche mit demselben HateriaL ausgefüllt ist, aus dem auch die Zwischenschicht besteht,
wobei das Material der Zwischenschicht einen größeren
Bandabstand aufweist als das der aktiven Schicht, und
wobei die Nut einen dielektrischen Wellenleiter bildet,
sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Lasers.
Unter einem Inverted Rib Waveguide Laser ίIRW-Laser) oder
auch Piano-Convex Waveguide Laser (PCW-Laser) versteht
man einen Injektionslaser mit einer ganz bestimmten Struktur. Diese Struktur liegt dann vor, wenn zwischen aktiver
Schicht und Substrat sich eine Zwischenschicht befindet,
die dadurch einen in Längsrichtung verlaufenden dielek-2s irischen Wellenleiter bildet, daß auf ihrer dem Substrat
ZT/P2-Bs/Gn
21,09.1982 - 4 -
S.E.H.Turley-3
zugewandten Oberfläche eine Rippe ausgebildet ist, welche
von einem Material mit einem niedrigeren Brechungsindex umgeben ist. Im Falle eines Lasers aus GaInAsP, der auf
ein Substrat aus InP aufgewachsen ist, erlaubt es der Brechungsindex von InP, der gegenüber dem von GaInAsP
niedrig ist, einen verhältnismäßig einfachen Aufbau zu
verwenden. Dabei wird die Zwischenschicht direkt auf die
Oberfläche des Substrats aufgewachsen, so daß deren Rippe
sich in das Substratmaterial hinein erstreckt.
Die Herstellung von IRW-Lasern aus GaInAsP wurde in
folgenden Zeitschriftenartikeln beschrieben:
Von M. Ueno et al in IEEE Journal of Quantum Electronics Vol. QE-17 No. 9 Seiten 1930 bis 1940 (September 1981),
von K. Sakai et al in derselben Zeitschrift Vol. QE-17 No.
von Y. Noda et al in Electronics Letters Vol. 17 No. 6 Seiten 226 bis 227 (März 1981).
Die Grenzfläche zwischen der Zwischenschicht und der
aktiven Schicht muß eben sein. Die Grenzfläche zwischen
Substrat und Zwischenschicht, an der das Aufwachsen beginnt, ist jedoch nicht eben. Dies ist bedingt durch die
auf die Zwischenschicht aufgesetzte Rippe, bzw. einer
dieser Rippe entsprechenden Nut im Substrat. Die Zwischenschicht muß so dick aufgewachsen sein, daß ihre Ober-
fläche wieder eben ist.
Dieses Problem, ausreichend Zwischenschicht-Material aufzuwachsen, um eine ebene Oberfläche zu erreichen, auf
welche die aktive Schicht aufgewachsen werden kann, ist
»Aft « K
S.E.H.TureLy -3
in dem obenerwähnten Artikel von Ueno et al ausdrücklich
erwähnt. Die Autoren dieses Artikels erwähnen, daß sie es erforderlich finden,, eine Schicht aufzuwachsen, deren
Dicke außerhalb der Nut größer ist als die Tiefe der Nut im Substrat. Um einen ausgeprägten Wellenleitereffekt in
Längsrichtung zu erreichen,, ist as jedoch erforderlich,
daß die Dicke der Rippe bzw» die Hefe der Nut ausreichend groß ist im Verhältnis zur Stärke des Materials der Zwischensicht
außerhalb der Nut. Eine dünnere Zwischenschicht
hat zur Folge, daß die Rippe näher an der aktiven Schicht ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung anzugeben, bei der schon eine dünne Zwischenschicht eine
ebene Oberfläche aufweist. Außerdem ist ein Verfahren anzugeben, mit dem eine derartige Anordnung erreicht
werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anordnung,
bei der die Richtung der Nut so verläuft, daß sie mit der £01i3 -Richtung des Substrats übereinstimmt und
daß die Seitenwände der Nut nicht mit Α-Ebenen des Substrats zusammenfallen. Dies wird dadurch erreicht, daß
zum Ätzen der Nut die Maske entsprechend der Kristallbildung im Substrat richtig aufgebracht wird und daß ein
geeignetes Ätzmittel verwendet wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Ansprüchen 2ff 3, 5 und 6 zu entnehmen.
Der Lösung liegen folgende Erkenntnisse zugrunde:
In den erwähnten Zeitschriftenartikeln ist nicht erwähnt,
V V V W v"l
S.E.H.Turley-3
ob die Rippe sich auf der (100)-OberfLache des Substrats
in [oiTj-oder in /pi ij -Richtung erstreckt. Es hat sich
jedoch gezeigt, daß die [01 ij-Ri chtung der /01 TJ-Ri chtung
deutlich vorzuziehen ist. Eine Nut, die sich in £o1Tj —Richtung erstreckt, nimmt beim Ätzen ohne weiteres eine repro
duzierbare Form an, bei der die Seitenwände in A-Ebenen des Substrats Liegen. Wird jedoch eine Nut in [oi\] -Richtung geätzt, so können die Seitenwände sowohl in A-Ebenen,
wie auch in B-Ebenen, (011)-Ebenen oder (011)-Ebenen liegen,
Sie können auch in verschiedenen Ebenen liegen. Dies hängt sowohl vom verwendeten Ätzmittel wie auch vom Material
der Maske ab, die zum Abdecken der nicht zu ätzenden Teile verwendet wird.Das Aufwachsverhalten hängt davon
ab, ob {Ί 11) A-Oberf lachen oder (Ί 11J B-Oberf lachen vorliegen,
Flüssigphasenepitaxie von Inp und seinen verwandten Legierungen geht üblicherweise von Lösungen aus, deren
Lösungsmittel flüssiges Indium ist. Damit ist die Konzentration von Indium bei weitem höher als die von Phosphor.
Die Bindung eines neuen Atoms an beide Arten von {i1i}-0ber
flächen ist verhältnismäßig schwach, weil sie aus einer
Einzelbindung besteht. Durch die hohe Konzentration von
Indium in der Flüssigkeit ist die Wahrscheinlichkeit hoch,
daß sich ein Indiumatom an eine {111jß-OberfLache bindet.
Dagegen ist die Wahrscheinlichkeit gering, daß sich ein
Phosphoratom an eine {111}A-Oberflache bindet, um einen
Kristallisationskeim zu bilden. Deshalb erfolgt das Aufwachsen auf {111}A-OberfIächen nicht ohne weiteres. Ein
Aufwachsen auf {011j-0berflachen kann dagegen leicht erreicht werden, nämlich sowohl durch die Bindung von In-
dium- als auch von Phosphoratomen.
S.E.H.TurLey-3
bedeutet, daß eine Nut mit Seitenwänden aus A-Oberflachen
beim FLüssigphasenepitaxieverfahren auch nicht annähernd
so schneLL aufgefüllt wird wie eine Nut, deren Seitenwände nicht in Α-Ebenen liegen. Umgekehrt bedeutet dies,
daß beim AuffüLlen einer Nut, deren Seitenwände in A-Ebenen liegen, die Zwischenschicht erst dann eben ist,
wenn sie eine größere Dicke erreicSii hai, während bei
Seitenwänden mit anderer Orientierung schon dünnere Zwischenschichten eben sind.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der beiliegenden Zeichnung
weiter erläutert. Die Figur zeigt schematisch den Schnitt durch einen IRW-Laser, wobei die Schnittebene senkrecht
zur Ausbreitungsrichtung des Laserlichts liegt.
eines Lasers gebildet. Seine (100)-Oberfläche wird poliert
und anschließend mit einem Brom-Methanotätzmittel geätzt,
um ungeführ 10 .um Material zu entfernen, um etwaige vom
Polieren herrührende Schaden zu beheben. Anschließend
wird eine (nicht gezeigte) Maske aus Siliziumdioxid aufgebracht.
Dies geschieht in einem pyrolitisehen Verfahren aus einer Mischung von Sauerstoff und Silan in Stickstoff
bei einer Temperatur, die typischerweise bei 400 - 450 C
liegt. Durch die Maske werden Fenster geätzt, welche sich
in der foi 1J-Richtung erstrecken. Das Ätzmittel ist gepufferte Flußsäure. Die Breite dieser Fenster beträgt
typischerweise 2,75 .um. Ein folgendes Ätzmittel setzt sich zu gleichen Teilen aus 50%iger Hydrabromsäure und
85%iger Phosphorsäure zusammen. Damit werden in das Sub
strat 1 in dessen foiij-Richtung Nuten 2 eingeätzt. Dieses
S.E.H.Turley-3
Ätzmittel, unterhöhlt die Maske geringfügig und erzeugt in
der Nut Wände 3, welche in (i 11J-B-Ebenen liegen. (Jeder
Laser erfordert nur eine Nut, bei der Herstellung von Halbleiterbausteinen ist es jedoch üblich, daß mehrere
gleiche Bausteine gleichzeitig auf einem einzigen Wafer hergestellt werden, und daß dieser Wafer anschließend
in die einzelnen Bausteine zerlegt wird.) Die Fähigkeit des genannten Ätzmittels, die Maske zu unterhöhlen, erscheint
bedeutsam bei der Herstellung von {i 11J B-Seiten
Wenn nämlich die Maske aus GaInAsP besteht, welches durch Flüssigphasenepitaxie aufgewachsen . wurde, wird die
Maske nur wenig oder überhaupt nicht unterhöhlt. Dabei entstehen dann (111}A-Wände anstelle der fl 11} B-Wände .
Im Hinblick auf die Neigung des Ätzmittels, an Störstellen Ätzlöcher zu produzieren, ist es wünschenswert, ein Substrat
mit einer geringen Dichte an Störstellen auszuwählen. Dies erreicht man üblicherweise dadurch, daß
man ein Substrat verwendet, welches stark mit Schwefel dotiert ist. Die Ätzzeit ist üblicherweise sehr kurz (typischerweise
zwischen 5 und 10 Sekunden). Dabei entsteht eine Nut von typischerweise etwa 0,5 /um Tiefe. Anschließend
wird die Si liziumdioxidinaske mit gepufferter Flußsäure entfernt
und das Substrat kurz geätzt (typischerweise 20 Sekunden).
Das Ätzmittel besteht aus 0,1 Volumenprozent Brom in Methanol. Dadurch werden Schaden beseitigt, die durch die
Behandlung mit der Maske verursacht sind. Es wird angenommen, daß auch dieses abschließende Ätzen die Aufwachsqualität
verbessert. Das Ätzen hat ein leichtes Abrunden der Kanten der Nut zur Folge, wodurch an den Seiten der
Nut das Aufwachsen durch Flüssigphasenepitaxie erleichtert
wi rd.
S.E.H.Turley-3
In diesem Stadium ist der Wafer fertig für das Aufwachsen
von epitaxialen Schichten und wird in einem Reaktionsapparat für die Flüssigphasenepitaxie montiert. Die erste
Schicht, die aufwachsen soll, ist eine Führungsschicht 4
aus gitterangepaßtem η-dotiertem GaInAsP, welches eine
Zusammensetzung aufweist, bei der eins Maximum der Lumineszenz bei ungefähr 1,05 .um liegt. Diese Schicht wird
typischerweise so weit aufgewachsen, bis sie zwischen
den Nuten eine Dicke von ungefähr 0,25 .um aufweist« Da
die Wände 3 der Nuten nicht in Α-Ebenen liegen, reicht
diese Dicke aus, um eine ausreichend ebene Oberfläche der Schicht zu erhalten und zwar trotz der Tatsache, daß diese
Dicke geringer ist als die Tiefe der Nuten 2. Die nächste aufzuwachsende Schicht ist eine aktive Schicht 5, die
typischerweise ungefähr 0,24 .um dick ist. Sie besteht
aus .gitterangepaßtem GaInAsP, das typischerweise eine
Zusammensetzung aufweist, bei der das Maximum der Lumineszenz bei ungefähr 1,3 ,um liegt. Auf diese aktive Schicht
folgen der Reihe nach eine p-dotierte passive Schicht 6
und eine Deckschicht 7. Die passive Schicht ist eine
Schicht mit niedrigem Brechungsindex aus InP mit einer typischen Dicke von 1,5 .um. Die Deckschicht ist aus
gdtterangepaßtem GaInAsP, die typischerweise eine Zusammensetzung aufweist, bei der das Maximum der Lumineszenz
bei 1,2 .um liegt. Sie kann auch aus GaInAs bestehen. In beiden Fällen ist die Deckschicht typischerweise 0,3 .um
dick.
Im nächsten Herstellschritt wird eine elektrisch isolierende
Isolationsschicht 8 aus Siliziumdioxid aufgebracht. Die Isolationsschicht
8 erhält Fenster 9, die mit den Nuten 2 über-
-W ^y ~V
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- 10 -
S.E.H.TurLey-3
einstimmen müssen. Das Si Liziumdioxid der Isolationsschicht 8
wird durch ein Plasmaverfahren aufgebracht. Die Fenster werden durch ein herkömmliches PhotoLitographieverfahren
mit gepufferter Flußsäure gewonnen.
Die erforderliche Übereinstimmung von Richtung und Lage
der Fenster 9 mit den Nuten 2 kann in einfacher Weise erreicht werden, wenn am Rand des Wafers das Substrat 1
und damit die Nuten 2 sichtbar sind. Dies kann dadurch erreicht werden, daß verhindert wird, daß die Epitaxieschichten 4, 5, 6 und 7 bis zum Rand des Wafers wachsen,
z.B. dadurch, daß der Schlitten, der die Schmelze enthält, den Rand des Wafers um einige Millimeter überdeckt.
Erstrecken sich jedoch die Epitaxieschichten bis an den
Rand des Wafers, müssen diese Schichten zunächst am Rand
des Wafers wieder entfernt werden, so daß die Lage der
Nuten 2 sichtbar wird. Die p-dotierte Deckschicht kann mit einem Ätzmittel aus KaLium-Jodid/-Jod entfernt werden.
Die p-dotierte passive Schicht kann mit einem Ätzmittel aus Salzsäure/Phosporsäure entfernt werden. Die aktive
Schicht kann mit einem Ätzmittel aus Salpetersäure entfernt werden. Die Führungsschicht schließlich kann mit
der wechselweisen Anwendung von Ätzmitteln aus Brom-Methanol und Salzsäure/Phosporsäure entfernt werden. Das
Abätzen der Führungsschicht erfordert ein komplizierteres
Vorgehen als das entsprechende Abätzen der Deckschicht, weil die Zusammensetzung der Führungsschicht zu nahe an
InP liegt, um mit einem Ätzmittel aus Kalium-Jodid/-Jod
für sich abgeätzt zu werden. Das Ätzmittel aus Brom-Methanol ist nicht selektiv und ätzt sowohl das Material der
S.E.H.Turley-3
Substrats. Andererseits ätzt ein Ätzmittel, aus Salzsäure/
Phosphorsäure nur das SubstratmateriaL. Dieses Ätzmittel
wird deshalb verwendet, um nachzuprüfen, ob das vorausgehende Ätzen mit Brom-Methanol schon weit genug fortgeschritten ist, um Substratmaterial freizulegen oder
nicht. Sobald die Führungsschicht zwischen den Nuten weggeätzt ist, dient das Ätzmittel aus Salzsäure/Phosphorsäure
dazu, die Zwischenräume zwischen den Nuten wegzuätzen und
damit ein umgekehrtes Profil der Nuten freizulegen.
Nach dem Anbringen der Fenster 9 in der Isolationsschicht
wird eine kurze Zinkdiffusion durchgeführt, um unmittelbar
unter dem Fenster einen ρ -Bereich zu erzeugen, der die Herstellung einer guten elektrischen Verbindung mit der
Deckschicht erleichtert. Die Substratstärke wird an~
schließend auf ungefähr 80 .um reduziert, bevor metallische Kontaktschichten 10 und 11 aufgedampft bzw. auflegiert
werden.
Abweichend vom oben beschriebenen Herstellverfahren kann
anstelle des zum Ätzen der Nuten 2 im aus InP bestehen
den Substrat 1 verwendeten, zu gleichen Teilen aus Phos
phorsäure und Hydrobromsäure bestehenden Ätzmittels, ein solches verwendet werden, das aus vier Teilen Phosphorsäure und einem Teil Salzsäure besteht. Die Wände 3 der
Nuten 2 liegen dann nicht in B-Ebenen, sondern in (0iT)-
und (0Ϊ1)-Ebenen.
Es ist auch möglich, den Aufbau so umzustellen, daß ein p-dotiertes Substrat verwendet werden kann. Dies hat zur
S.E.H.Turley-3
FoLge, daß jede der Epitaxieschichten aus einem Material
mit einem Leitfähigkeitstyp besteht, der dem Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist, der verwendet werden muß,
wenn ein η-dotiertes Substrat verwendet wird.
Claims (6)
- INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC
CORPORATION, NEW YORKS.E.H.Turley-3Patentansprüchenj Flüssigphasenepitaxie-Verfahren zur Herstellung eines IRW-Lasers aus GaInAsP mit einem Substrat aus InP, einer aktiven Schicht aus GaInAsP und einer zwischen Substrat und aktiver Schicht liegenden Zwischenschicht aus GaInAsP, wobei die der Zwischenschicht zugewandte Oberfläche des Substrats eine (100)-Oberflache ist, in der eine Nut verläuft, welche mit demselben Material ausgefüllt ist, aus dem auch die Zwischenschicht besteht, wobei das Material der Zwischenschicht einen größeren Bandabstand aufweist als das der aktiven Schicht, und wobei die Nut einen dielektrischen Wellenleiter bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung der Nut so gewählt wird, daß sie mit der [O11J -Richtung des Substrats übereinstimmt, und daß die Nut durch einen solchen Ätzprozeß erzeugt wird, bei dem die Seitenwände der Nut nicht mit Α-Ebenen des Substrats zusammenfallen. - 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zum Erzeugen der Nut verwendete "Ätzmittel so gewählt wird, daß die Seitenwände der Nut vorwiegend in 2Q |111]· B-Ebenen des Substrats liegen.ZT/P2-Bs/Gn14.09.1982 - 2 --* 2 —S.E.H. TurLey - 3
- 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/daß das Ätzmittel zum Erzeugen der Nut so gewählt wird,daß die Seitenwände der Nut in {O11}-Ebenen des Substrats liegen.
- 4. IRW-Laser aus GaInAsP mit einem Substrat aus InP, einer aktiven Schicht aus GaInAsP und einer zwischen Substrat und aktiver Schicht liegenden Zwischenschicht aus GaInAsPx wobei die der Zwischenschicht zugewandte Oberfläche des Substrats eine (100) -Oberfläche ist, an der eine Nut verläuft, welche mit demselben Material ausgefüllt ist, aus dem auch die Zwischenschicht besteht, wobei das Material der Zwischenschicht einen größeren Bandabstand aufweist als das der aktiven Schicht, und wobei die Nut einen dielektrischen Wellenleiter bi L — det, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung der Nut so verläuft, daß sie mit der fO11j-Richtung des Substrats übereinstimmt und daß die Seitenwände der Nut nicht mit Α-Ebenen des Substrats zusammenfallen.
- 5. Laser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände der Nut vorwiegend in (11 ij B-Ebenen des Substrats liegen.
- 6. Laser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände der Nut in -(011^ -Ebenen des Substrats liegen.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| DE3406361A1 (de) * | 1984-02-22 | 1985-08-29 | Telefunken electronic GmbH, 7100 Heilbronn | Doppel-heterostruktur-laser und verfahren zu seiner herstellung |
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- 1983-03-04 IT IT8319897A patent/IT1237337B/it active
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