DE3324594A1 - Method for producing a semiconductor laser - Google Patents
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Abstract
Description
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-LasersMethod of manufacturing a semiconductor laser
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Lasers, der einen niedrigen Schwellwert aufweist, und der eine ausgezeichnete Schwingcharakteristik hat.The invention relates to a method for producing a semiconductor laser, which has a low threshold value and which has an excellent oscillation characteristic Has.
Um den Oszillations- bzw. Schwingbetrieb zu steuern ist es notwendig, dem Brechungsindex (oder Verstärkungsfaktor) räumlich in einer aktiven Region aufzuteilen, um in dieser aktiven Region einen Lichtwellenführungspfad zu bilden. Unterschiedliche Verfahren zur Aufteilung bzw. Verteilung des Brechungsindex sind vorgeschlagen ~worden. Diese Verfahren können in zwei Verfahren aufgeteilt werden.To control the oscillation or oscillation mode, it is necessary to to divide the refractive index (or gain factor) spatially in an active region, to form a light waveguide path in this active region. Different Methods for dividing the refractive index have been proposed. These procedures can be divided into two procedures.
Das erste Verfahren beinhaltet ein Verfahren zur Herstellung einer Struktur eines sogenannten BH-Typ-Halbleiter-Lasers. Dieser ist in "Journalof Applied Physics", Vol. 45, 1974, S. 4899 von T. Tsukada veröffentlicht.The first method includes a method of making a Structure of a so-called BH-type semiconductor laser. This is in "Journalof Applied Physics ", Vol. 45, 1974, p. 4899 published by T. Tsukada.
Zunächst wird auf dem Wege eines epitaxialen Aufwachs-Verfahrens die konventionelle Do?pel-Hetero-Verbindungsstruktur erzeugt, in der eine aktive Schicht 1 sandwichartig zwischen zwei Schichten 2 angeordnet ist, die einen niedrigeren Brechungsindex haben als der der aktiven Schicht 1, gebildet durch ein erstes epitaxiales Aufwachsen, wie dies in Fig. 1a gezeigt ist. Anschließend werden Bereiche durch Ätzen entfernt ausgenommen die aktive Region 1a, die durch gekreuzte Linien gekennzeichnet ist, und die Schichten 2a, die die aktive Schicht 1a sandwichartige umgeben. Dies ist in Fig. 1b dargestellt.First, by means of an epitaxial growth process, the conventional duplex heterojunction structure is created in which an active layer 1 is sandwiched between two layers 2, the one lower Have refractive index than that of the active layer 1, formed by a first epitaxial Grow up as shown in Fig. 1a. Subsequently, areas are through Etching removes except for the active region 1a, which is indicated by crossed lines and the layers 2a sandwiching the active layer 1a. this is shown in Fig. 1b.
Danach werden die Schichten 3, die einen niedrigeren Brechungsindex als die aktive Region 1 aufweisen, auf beiden Seiten der aktiven Region 1a in einer zweiten Aufwachsphase gebildet, wie dies in Fig. 1c dargestellt ist.After that, the layers 3, which have a lower refractive index as the active region 1, on both sides of the active region 1a in one second growth phase formed, as shown in Fig. 1c.
Das zweite Verfahren beinhaltet ein Verfahren zur Herstellung einer Struktur eines sogenannten BC-Typ-Halbleiter-Lasers. Dieses Verfahren ist in "Electronics Letters", Vo. 16, 1980, S. 556 von T. Murotani et al veröffentlicht. Dieses Verfahren beinhaltet kurz, daß eine streifenartige Rille 4a auf einem Substrat 4 gebildet wird, wie dies in Fig. 2a gezeigt ist. Anschliessend wird in der Rille 4a die konventionelle Doppel-Hetero-Verbindungsstruktur gebildet, die aus einer aktiven Region 1a und Schichten 2a gebildet ist bzw.The second method includes a method of making a Structure of a so-called BC-type semiconductor laser. This procedure is in "Electronics Letters ", Vo. 16, 1980, p. 556 by T. Murotani et al. This method briefly includes that a strip-like groove 4a is formed on a substrate 4 as shown in Fig. 2a. Then the conventional one is in the groove 4a Double heterojunction structure formed consisting of an active region 1a and Layers 2a is formed or
wird, wobei letztere die aktive Region 1a sandwichartig umgeben. Dieses Aufwachsverfahren ist in Fig. 2b dargestellt.the latter sandwiching the active region 1a. This The growth process is shown in Figure 2b.
Anschließend wird ein Laser-Herstellungsverfahren beschrieben, in dem InGaAsP/InP als Material zur einfacheren Erklärung verwendet wird. In der Murotani-Veröffentlichung ist offenbart, daß die streifenartige Rille 4 a, d ie im Querschnitt eine schwalbenschwanzähnliche Form aufweist, in der J01Ü-Richtung gegen eine Fläche der (100)-Ebene in dem Herstellungsverfahren des BC-Typ-Halbleiter-Lasers gebildet wird, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Wenn die Doppel-Hetero-Verbindungsstruktur in der schwalbenschwanzartigen Rille gebildet ist, entsteht in ihr eine sichel-oder halbmondförmige aktive Region aus dem Material InGaAsP in gut reproduzierbarer Weise. Auf diese Weise erhält man ein Merkmal des BC-Typ-Halbleiter-Lasers, nämlich daß die Doppel-Hetero-Verbindungsstruktur in der Rille mit dem schwalbenschwanzähnlichen Querschnitt gebildet wird, wobei die Rille in der J01#/-Richtung gegen die Oberfläche (100)-Ebene entsteht. Dieser Halbleiter-Laser vom BC-Typ hat den Vorteil, daß ein niedriger Schwellwert erzeugt wird und ein hoch wirksames Element mit einem vergleichsweise fertigen bzw. vollkommenden Wachstum bzw. Aufwachsen und eine gute Reproduzierbarkeit durch die Gestalt der schwalbenschwanzähnlichen Rille erzeugt wird. Jedoch hat dieser Halbleiterspeicher trotz des vorgenannten Vorteiles einen Nachteil. Für den Fall, daß die aktive Region 1a eine Dicke von ungefähr 0,1 ßm aufweist, um ein gut schwingfähiges Element zu erhalten, ist es notwendig die Breite bzw. Größe der Rille 4a im Bereich von ungefähr 2,0 ijm oder weniger zu halten. In diesem Fall muß eine Fotowiderstandsvorlage (pettern) im Bereich von ungefähr 1 ßm in der Breite entfernt werden, weil die schwalbenschwanzar ige Rille 4a nach innen von der Oberfläche des Elementes vzrbreitert wird und die Rillenbreite in Richtung auf die Seitenwände der Rille durch das Ätzen breiter bzw. größer wird (Seiten-Ätzen). Dies ist eine Breitenbegrenzung die durch einen optischen Masken-Aligner beseitigt werden kann. Dies bedeutet, daß es schwierig ist die schwalbenschwanzähnliche Rille in gut reproduzierbarer Weise zu bilden, die eine Breite von ungefähr 2,0 ßm oder weniger an ihrem Boden aufweist. Außerdem ist es nachteilig, daß es schwierig ist ein Element zu erhalten mit einer feinen Schwingbetriebscharakteristik. Wird auf der anderen Seite eine streifenartige Rille 4b erzeugt mit einem V-förmigen Querschnitt, und zwar in der /Oll/-Richtung gegen die Oberfläche der (100)-Ebene, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, ergeben sich die folgenden Vorteile im Vergleich mit der Rille 4a mit schwalbenschwanzähnlichem Querschnitt.Subsequently, a laser manufacturing method is described in which InGaAsP / InP is used as material for ease of explanation. In the Murotani publication it is disclosed that the strip-like groove 4 a, d ie a dovetail-like in cross section Has shape in the J01Ü direction against a face of the (100) plane in the manufacturing process of the BC type semiconductor laser is formed as shown in FIG shown is. When the double heterojunction structure in the dovetail groove is formed, a crescent-shaped or crescent-shaped active region arises in it the InGaAsP material in a readily reproducible manner. That way you get a Feature of the BC type semiconductor laser that the double heterojunction structure is formed in the groove with the dovetail-like cross section, wherein the groove is created in the J01 # / direction against the surface (100) plane. This BC-type semiconductor lasers have the advantage of generating a low threshold and a highly effective element with a comparatively finished or perfect Growth or growth and good reproducibility due to the shape of the dovetail-like groove is generated. However, this has semiconductor memory despite the aforementioned advantage, a disadvantage. In the event that the active region 1a has a thickness of approximately 0.1 μm in order to be an element that can vibrate well obtained, it is necessary the width or size of the groove 4a in the range of approximately 2.0 ijm or less. In this case a photoresist template (pettern) in the range of about 1 µm in width can be removed because the dovetail ige groove 4a is widened inwardly from the surface of the element and the Groove width in the direction of the side walls of the groove by etching wider or becomes larger (side etching). This is a width limit imposed by an optical Mask aligners can be eliminated. This means that it is difficult to find the dovetail-like one To form a groove in a reproducible manner that has a width of approximately 2.0 has ßm or less at its bottom. In addition, it is disadvantageous that it is difficult an element is to be obtained with a fine oscillation operating characteristic. Will on the other side, a strip-like groove 4b generated with a V-shaped cross-section, in the / Oll / direction against the surface of the (100) plane as shown in Fig. 3 has the following advantages in comparison with the groove 4a with a dovetail-like cross-section.
Die Breite der Rille wird bezogen auf die Oberfläche des Kristalls nach innen geringer.The width of the groove is related to the surface of the crystal inwardly lower.
Die Seitenbereiche der V-förmigen Rille 4b liegt in der (111)A-Ebene. Ein seitliches Atz-Phänomen tritt an den Seitenbereichen kaum auf, da die Seitenbereiche in der (111)A-Ebene gegen Atzen stabil bzw. unanfällig sind.The side portions of the V-shaped groove 4b lies in the (111) A plane. A lateral etching phenomenon hardly occurs in the side areas because the side areas are stable or not susceptible to etching in the (111) A-plane.
Eine flache und glatte Oberfläche kann vollständig in der (111)A-Ebene erzielt bzw. erhalten werden. Dies hat zur Folge, daß eine Schicht mit einem flachen und glatten Bereich erzielt wird, wenn eine aktive Region in dieser Rille 4b gebildet wird, was zu einer Stabilität der Elemente beiträgt.A flat and smooth surface can be completely in the (111) A-plane achieved or obtained. This has the consequence that a layer with a flat and smooth area is obtained when an active region is formed in this groove 4b which contributes to the stability of the elements.
Wenn jedoch eine Flüssigphase des'epitaxialen Aufwachsens auf der Oberfläche des Substrats mit der V-förmigen Rille 4b erzeugt wird, ist es schwierig ein epitaxiale Schicht innerhalb der V-förmigen Rille wachsen zu lassen. Wenn jedoch epitaxiale Schichten in den Rillen gebildet werden, ist die Dicke der Schicht in jeder Rille unterschiedlich. Demzufolge hat die Schichtbildung in der V-förmigen Rille einen schwerwiegenden Nachteil.However, if a liquid phase of the epitaxial growth on the Surface of the substrate is created with the V-shaped groove 4b, it is difficult growing an epitaxial layer inside the V-shaped groove. But when epitaxial layers are formed in the grooves, the thickness of the layer is in each groove is different. As a result, the layer formation in the V-shaped Groove a serious disadvantage.
Demzufolge ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ausgehend von dem oben erwähnten Stand der Technik, ein Verfahren zur Herstellung eines neuen Halbleiter-Lasers zu schaffen, welcher der Vorteil der V-förmigen Rillenbildung beibehält. Jedoch hat die V-förmige Rille erfin- dungsgemäß einen Bodenbereich. Darüber hinaus ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Lasers zu schaffen, bei dem die Flüssigphase des epitaxialen Aufwachsens vollständig bzw. fertig und steuerbar in der Rille erfolgt.Accordingly, the object of the present invention is to begin with of the above-mentioned prior art, a method of making a new one Semiconductor laser, which has the advantage of V-shaped grooving maintains. However, the V-shaped groove has invented according to one Floor area. In addition, it is an object of the present invention to provide a method to create a semiconductor laser in which the liquid phase of the epitaxial growth takes place completely or finished and controllable in the groove.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 6.According to the invention, this object is achieved by the features of the label of claim 1 solved. Further refinements and developments of the invention The method can be found in the features of claims 2 to 6.
Die Figuren 1a bis 1c sind Schnittansichten, die den Hauptherstellungsprozess. eines Halbleiter-Lasers vom Typ BH zeigen.Figures 1a to 1c are sectional views showing the main manufacturing process. of a semiconductor laser of the BH type.
Die Figuren 2a und 2b zeigen Schnittansichten für den Hauptherstellungsvorgang eines Halbleiter-Lasers vom Typ BC.Figures 2a and 2b show sectional views for the main manufacturing process a semiconductor laser of the type BC.
Die Figur 3 zeigtingeschnittener Ansicht ein Substrat mit einer V-förmigen Rille.Figure 3 shows a cutaway view of a substrate with a V-shaped Groove.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Figuren 4a bis 4c dargestellten Ausführungsbeispieles beschrieben, wobei diese Figuren geschnittene Darstellungen sind, die den Hauptherstellungsvorgang eines Halbleiter-Lasers darstellen. Dieses Ausführungsbeispiel ist ein Beispiel der Erfindung.In the following, the invention is based on one shown in FIGS 4c described embodiment shown, these figures cut Are diagrams showing the main manufacturing process of a semiconductor laser. This embodiment is an example of the invention.
Gemäß Fig. 4a wird in einer ersten Aufwachsphase in festgelegter Ordnung auf einem InP-Substrat 4 eine InGaAsP-Schicht 5 sowie eine InP-Schicht 6 gebildet. In diesem Fall bilden das InP-Substrat 4, die InGaAsP-Schicht 5 sowie die InP-Schicht 6 einen Halbleiterkörper 7. Anschließend wird ein streifenartiges Fenstern von einigen ßm Breite in der 5o#W/-Richtung gegen die (100)-Ebene durch ein fotolithographisches Verfahren herausgenommen bzw. herausgelöst. Dieser Streifen weist einen V-förmigen Querschnitt auf und bildet eine Rille 8, wobei eine reaktionsbegrenzte Atzlösung verwendet wird, wie in Fig.According to FIG. 4a, in a first growth phase there is a fixed order An InGaAsP layer 5 and an InP layer 6 are formed on an InP substrate 4. In this case, the InP substrate 4, the InGaAsP layer 5 and the InP layer form 6 a semiconductor body 7. Then becomes a streaky one Windows a few µm wide in the 50 # W / direction towards the (100) plane removed or extracted by a photolithographic process. This strip has a V-shaped cross-section and forms a groove 8, one being reaction-limited Etching solution is used as shown in Fig.
4b dargestellt.4b.
Es ist von Bedeutung eine solche Ätzlösung auszuwählen, daß der Ätzvorgang beim Erreichen der InGaAsP-Schicht 5 gestoppt wird, welche gewissermaßen als Bodenbereich der Rille 8 dient. So wird z. B. als Ätzlösung Hydrochloridsäure (HCl) für das InGaAsP/InP-System verwendet.It is important to select such an etching solution that the etching process when the InGaAsP layer 5 is reached, which is, so to speak, the bottom area the groove 8 is used. So z. B. as an etching solution hydrochloric acid (HCl) for the InGaAsP / InP system used.
Dies bedeutet, daß die Atzlösung die InP-Schicht vor der InGaAsP-Schicht 5 ätzt. Im Folgenden wird eine solche Rille mit einem Boden als abgestumpfte V-Rille bezeichnet.This means that the etching solution covers the InP layer before the InGaAsP layer 5 etches. In the following, such a groove with a bottom is called a truncated V-groove designated.
Andererseits wird die Rille, die einen V-förmigen Boden aufweist als nicht abgestumpfte V-Rille bezeichnet.On the other hand, the groove that has a V-shaped bottom is called marked non-truncated V-groove.
Während einer zweiten Aufwachs-Phase wird die konventionelle Doppel-Hetero-Verbindungsstruktur auf dem Halbleiterkörper 7 zum Entstehen gebracht (Aufwach#sen), der die abgestumpfte V-Rille aufweist, wie in Fig. 4c dargestellt.During a second growth phase, the conventional double heterojunction structure becomes on the semiconductor body 7 brought about (growth), the truncated Has V-groove, as shown in Fig. 4c.
Dieses Aufwachsen wird vollständig ausgeführt. Die Reproduzierbarkeit der Schicht ist sehr gut und genau in der Dicke. Für einen Halbleiterkörper mit einer abgestumpften V-förmigen Rille ist das fertige und vollständige Aufwachsen sowie die Reproduzierbarkeit der Dicke der gewachsenen Schicht aus folgenden Gründen sehr genau.This growing up is carried out in full. The reproducibility the layer is very good and exactly in thickness. For a semiconductor body with a truncated V-shaped groove is the finished and complete growth and the reproducibility of the thickness of the grown layer for the following reasons very accurate.
Bei Verwendung eines konventionellen Halbleiterkörpers mit einer nicht abgestumpften (spitzen) V-förmigen Rille gemäß Fig. 3 befinden sich die Oberflächen der Rille in der (111)A-Ebene. Es ist als ein Charakteristikum bekannt, daß zwei-dimensionale Keime oder Kerne (nuclear) kaum auf einer solchen Oberfläche auftreten können, so daß das epitaxiale Aufwachsen auf ihr nicht vollkommen und fertig erfolgen kann. Bei Verwendung eines Halbleiterkörpers mit einer abgestumpften V-Rille befindet sich die Bodenfläche der Rille 8 in der (100)-Ebene, so daß das epitaxiale Wachsen vollständig und fertig erfolgt.When using a conventional semiconductor body with a not truncated (pointed) V-shaped groove according to FIG. 3 are the surfaces the groove in the (111) A-plane. It is known as a characteristic that is two-dimensional Hardly any germs or nuclei (nuclear) occur on such a surface can, so that the epitaxial growth is not done completely and completely on it can. When using a semiconductor body with a truncated V-groove located the bottom surface of the groove 8 is in the (100) plane, so that the epitaxial growth completely and completely done.
Die InGaAsP-Schicht 5, die den Boden bildet, schmilzt charakteristisch und beachtlich in eine Wachstumsschmelzlösung, und zwar entsprechend mit einem Anwachsen der As-Dichte der InGaAsP-Schicht 5 vor dem Aufwachsen der InP-Schicht 2 als der ersten Schicht in der zweiten Aufwachsphase. Als Ergebnis wird eine saubere Oberfläche des InP-Substrates 4 erhalten bzw. erzeugt. Dementsprechend wird das Aufwachsen reproduzierbar ausgeführt, und zwar unabhängig vom Zustand der InGaAsP-Oberfläche.The InGaAsP layer 5, which forms the bottom, characteristically melts and considerably into a growth melt solution, correspondingly with a growth the As density of the InGaAsP layer 5 before the InP layer 2 is grown as that first layer in the second growth phase. The result will be a clean surface of the InP substrate 4 obtained or generated. Growing up will be accordingly executed reproducibly, regardless of the condition of the InGaAsP surface.
Beim vorgenannten Ausführungsbeispiel wurde ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-Laser-Vorrichtung eines InGaAsP/InP-Systems beschrieben. Dieses Verfahren ist auch anwendbar auf andere Halbleiterkomponenten-Laser-Vorrichtungen der III bis Vi-Gruppe oder der II bis VI-Gruppe der Halbleiterkomponenten. In der oben beschriebenen Ausführungsform kann auch eine unterschiedliche Art einer Schicht in den Körper eingebracht werden, in dem die Rille vorzusehen ist, wobei das Atzen zur Bildung der V-förmigen Rille automatisch an der Schicht gestoppt wird.In the aforementioned embodiment, a method of manufacturing a semiconductor laser device of an InGaAsP / InP system. This The method is also applicable to other semiconductor component laser devices the III to Vi group or the II to VI group of the semiconductor components. In the The embodiment described above can also have a different type of layer are made in the body in which the groove is to be provided, with the etching is automatically stopped on the layer to form the V-shaped groove.
Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht hierauf begrenzt. Das bedeutet, daß die stumpfe V-Rille in den Körper dadurch gebildet werden kann, daß die Atzperiode gekürzt wird, so daß ein flacher Boden erzeugt wird. In diesem Falle kann das Halbleitersubstrat als Halbleiterkörper benutzt werden.However, the present invention is not limited to this. That means, that the blunt V-groove can be formed in the body by the etching period is shortened so that a flat bottom is created. In this case, the semiconductor substrate can be used as a semiconductor body.
Aus der obengenannten Beschreibung ergeben sich folgende Vorteile und Wirkungen des erfindungsgemäßen Verfahrens: 1. Eine aktive Schicht von geringer Breite wächst in der Rille, da die Rille in einer solchen Weise ausgebildet ist, daß ihre Breite ausgehend von der Oberfläche des Substrates nach innen geringer wird.The following advantages result from the above description and effects of the method according to the invention: 1. An active layer of less Width increases in the groove, as the groove is formed in such a way that their width starting from the surface of the substrate inwardly smaller will.
2. Eine Rinne bzw. Rille von geringer Breite wird gut reproduzierbar hergestellt, da ein weiteres Ätzen (seitwärts Atzen) in seitlicher Richtung kaum während der Bildung der V-förmigen Rinne vorkommt, wie zuvor beschrieben.2. A groove or groove of small width is easily reproducible produced, since further etching (sideways etching) in a lateral direction is hardly possible occurs during the formation of the V-shaped groove, as previously described.
3. Da die Seitenflächen der Rille sich in der (111)A-Ebene befinden, die sehr flach bzw. glatt ist, kann eine aktive Region mit einem einheitlichen Bereich in der Rinne bzw. Rille aufwachsen.3. Since the side surfaces of the groove are in the (111) A-plane, which is very flat or smooth, can be an active region with a uniform area grow up in the gutter or groove.
4. Da die Bodenfläche der Rinne sich in der (100)-Ebene befindet, die für ein epitaxiales Aufwachsen geeignet ist, erfolgt das Aufwachsen vollständig und fertig.4. Since the bottom surface of the gutter is in the (100) plane, which is suitable for epitaxial growth, the growth is complete and done.
Die Dicke dieser gewachsenen Schicht ist sehr gut reproduzierbar. The thickness of this grown layer can be reproduced very well.
5. Bei der Herstellung einer InGaAsP/InP-Halbleiter-Laser-Vorrichtung wird eine saubere Oberfläche der InP-Schicht oft durch Schmelzen der InGaAsP-Schicht am Boden der Rinne in einer Wachstums-Schmelzlösung erhalten bzw. hergestellt. Ein epitaxiales Aufwachsen wird auf dieser Oberfläche ermöglicht, so daß das epitaxiale Aufwachsen in reproduzierbarer Weise mit einer feinen Kristallisation erfolgt.5. In the manufacture of an InGaAsP / InP semiconductor laser device A clean surface of the InP layer is often obtained by melting the InGaAsP layer obtained or produced at the bottom of the gutter in a growth melt solution. A epitaxial growth is made possible on this surface, so that the epitaxial Growth takes place in a reproducible manner with a fine crystallization.
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