DE3324594C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers mit vergrabener aktiver Schicht.The invention relates to a method for producing a Semiconductor laser with buried active layer.

Verfahren dieser Art können in zwei Typen aufgeteilt werden.Methods of this type can be divided into two types will.

Der eine Verfahrenstyp dient zur Herstellung eines sogenannten BH-Typ-Halbleiterlasers und ist in "Journal of Applied Physics", Vol. 45, 1974, Seiten 4899 bis 4906, beschrieben, vgl. dazu die Fig. 1A bis 1C. Zunächst wird durch epitaktisches Aufwachsen eine konventionelle Doppelheterostruktur erzeugt, in der eine aktive Schicht 1 sandwichartig zwischen zwei Schichten 2 angeordnet ist, deren Brechungsindex niedriger ist als der der aktiven Schicht 1, vgl. Fig. 1A. Anschließend werden Teilbereiche durch Ätzen entfernt, ausgenommen die aktive Region 1a, die durch gekreuzte Linien gekennzeichnet ist, und die Schichten 2a, die die aktive Schicht 1a sandwichartig umgeben. Dies ist in Fig. 1B dargestellt. Danach werden die Schichten 3, die einen niedrigeren Brechungsindex als die aktive Region 1a aufweisen, auf beiden Seiten der aktiven Region 1a in einer zweiten Aufwachsphase gebildet, wie dies in Fig. 1C dargestellt ist.One type of process is used to produce a so-called BH-type semiconductor laser and is described in "Journal of Applied Physics", Vol. 45, 1974, pages 4899 to 4906, cf. to FIGS. 1A to 1C. First, a conventional double heterostructure is produced by epitaxial growth, in which an active layer 1 is sandwiched between two layers 2 , the refractive index of which is lower than that of the active layer 1 , cf. Fig. 1A. Subsequently, partial areas are removed by etching, with the exception of the active region 1 a, which is indicated by crossed lines, and the layers 2 a, which sandwich the active layer 1 a. This is shown in Fig. 1B. The layers 3 , which have a lower refractive index than the active region 1 a, are then formed on both sides of the active region 1 a in a second growth phase, as shown in FIG. 1C.

Der andere Verfahrenstyp dient zur Herstellung eines sogenannten BC-Typ-Halbleiterlasers und ist in "Electronics Letters", Vol. 16, 1980, Seiten 556 bis 568, von T. Murotani et al. und in "IEEE Journal of Quantum Electronics", Vol. QE-17, 1981, Seiten 646 bis 650, von E. Oomura et al. beschrieben. Dieses Verfahren beinhaltet kurz, daß eine streifenförmige Rille 4a auf einem Substrat 4 gebildet wird, wie dies in Fig. 2A gezeigt ist. Anschließend wird in der Rille 4a die konventionelle Doppelheterostruktur gebildet, die aus einer aktiven Region 1a und Schichten 2a besteht, wobei letztere die aktive Region 1a sandwichartig umgeben. Dieses Aufwachsverfahren ist in Fig. 2B dargestellt.The other type of process is used to produce a so-called BC-type semiconductor laser and is described in "Electronics Letters", Vol. 16, 1980, pages 556 to 568, by T. Murotani et al. and in "IEEE Journal of Quantum Electronics", vol. QE-17, 1981, pages 646 to 650, by E. Oomura et al. described. This method briefly involves that a strip-shaped groove 4 a is formed on a substrate 4 , as shown in Fig. 2A. The conventional double heterostructure is then formed in the groove 4 a, which consists of an active region 1 a and layers 2 a, the latter surrounding the active region 1 a in a sandwich-like manner. This growth process is shown in Fig. 2B.

Es wird InGaAsP/InP als Material für die Schichten verwendet. In der Murotani-Veröffentlichung ist offenbart, daß die streifenartige Rille 4a, die im Querschnitt eine schwalbenschwanzähnliche Form aufweist, in der [011]-Richtung einer (100)-Oberfläche gebildet wird, wie dies in Fig. 2A dargestellt ist. Wenn die Doppelheterostruktur in der schwalbenschwanzartigen Rille gebildet ist, entsteht in ihr eine sichel- oder halbmondförmige aktive Region 1a aus dem Material InGaAsP in gut reproduzierbarer Weise. Auf diese Weise erhält man ein Merkmal des BC-Typ-Halbleiterlasers, nämlich, daß die Doppelheterostruktur in der Rille mit dem schwalbenschwanzförmigen Querschnitt gebildet wird, wobei die Rille in der [011]-Richtung einer (100)-Oberfläche verläuft. Dieser Halbleiterlaser vom BC-Typ hat den Vorteil, daß ein niedriger Schwellenstrom und eine gute Reproduzierbarkeit durch die Gestalt der schwalbenschwanzähnlichen Rille erreicht werden.InGaAsP / InP is used as the material for the layers. It is disclosed in the Murotani publication that the strip-like groove 4 a, which has a dovetail-like shape in cross section, is formed in the [011] direction of a (100) surface, as shown in FIG. 2A. If the double heterostructure is formed in the dovetail-like groove, a crescent-shaped or crescent-shaped active region 1 a is formed in it from the material InGaAsP in a reproducible manner. In this way, a feature of the BC type semiconductor laser is obtained that the double heterostructure is formed in the groove with the dovetail cross section, the groove being in the [011] direction of a (100) surface. This BC type semiconductor laser has the advantage that a low threshold current and good reproducibility can be achieved by the shape of the dovetail-like groove.

Jedoch hat dieser Halbleiterlaser auch einen Nachteil. Für den Fall, daß die aktive Region 1a eine Dicke von ungefähr 0,1 µm aufweist, um ein gut schwingfähiges Element zu erhalten, ist es notwendig, die Breite bzw. Größe der Rille 4a im Bereich von ungefähr 2,0 µm oder weniger zu halten. In diesem Fall muß eine Fotolackvorlage (pattern) im Bereich von ungefähr 1 µm in der Breite entfernt werden, weil die schwalbenschwanzförmige Rille 4a von der Oberfläche des Elementes nach innen breiter 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 aber, daß es schwierig ist, eine schwalbenschwanzförmige Rille in gut reproduzierbarer Weise zu bilden, die eine Breite von ungefähr 2,0 µm oder weniger an ihrem Boden aufweist.However, this semiconductor laser also has a disadvantage. In the event that the active region 1 a has a thickness of about 0.1 microns in order to obtain a well vibratable element, it is necessary to the width or size of the groove 4 a in the range of about 2.0 microns or to hold less. In this case, a photoresist template must (pattern) in the range of about 1 micron in width to be removed because the dovetail groove 4a is from the surface of the element inwards wider the groove width toward the side walls of the groove by etching wider or becomes larger (side etching). This is a width limitation that can be removed by an optical mask aligner. However, this means that it is difficult to form a dovetail-shaped groove in a reproducible manner, which has a width of approximately 2.0 µm or less at the bottom.

Wird andererseits bei diesem bekannten Verfahren die Rille 4b in [01]-Richtung mit einem V-förmigen Querschnitt ausgebildet, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, wobei deren Seitenflächen {111}A-Ebenen sind, wird beim epitaktischen Aufwachsen von Schichten in der Rille die Schichtdicke häufig ungleichmäßig, wie dies auch aus der Zeitschrift "Electronics Letters", Vol. 17, 1981, Seiten 465 bis 467, bekannt ist.On the other hand, in this known method, the groove 4 b is formed in the [01] direction with a V-shaped cross section, as shown in FIG. 3, the side surfaces of which are {111} A planes, during the epitaxial growth of layers in the groove, the layer thickness is often uneven, as is also known from the magazine "Electronics Letters", Vol. 17, 1981, pages 465 to 467.

Überdies ist das Ausbilden von Rillen in [01]-Richtung mit flachen Bodenflächen bei GaAs-Substraten bekannt aus DE 31 27 618 A1, GB 15 70 479 und US 43 21 556 sowie aus der Zeitschrift "Appl. Phys. Letters", Vol. 31, 1979, Seiten 45 bis 47.Moreover, the formation of grooves is in the [01] direction known with flat bottom surfaces in GaAs substrates DE 31 27 618 A1, GB 15 70 479 and US 43 21 556 as well of the journal "Appl. Phys. Letters", Vol. 31, 1979, Pages 45 to 47.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers mit vergrabener aktiver Schicht zu schaffen, das verhältnismäßig einfach und kostengünstig durchführbar ist, trotzdem aber gut reproduzierbar ist und zu einem Laser mit guten Eigenschaften führt.The invention has for its object a method for the production of a semiconductor laser with buried creating an active layer that is relatively easy and is inexpensive to do, but still good  is reproducible and a laser with good Properties leads.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved with the features of Claim 1 solved.

Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich aus dem Patentanspruch 2.A further development of the method according to the invention results themselves from claim 2.

Ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden anhand der Fig. 4A bis 4C näher beschrieben.An exemplary embodiment of the method according to the invention is described in more detail below with reference to FIGS. 4A to 4C.

Gemäß Fig. 4A wird in einer ersten Aufwachsphase auf einem InP-Substrat 4 in festgelegter Ordnung 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.Referring to FIG 4A is formed in a first growth phase on an InP substrate 4 in a fixed order an InGaAsP layer and an InP layer 5. 6. In this case, the InP substrate 4 , the InGaAsP layer 5 and the InP layer 6 form a semiconductor body 7 .

Anschließend wird ein streifenartiges Fenster von einigen µm Breite in der [01]-Richtung in der (100)-Ebene durch ein fotolithografisches Verfahren herausgenommen bzw. herausgelöst. Dieser Streifen weist einen V-förmigen Querschnitt auf und bildet eine Rille 8, wobei eine reaktionsbegrenzte Ätzlösung verwendet wird, wie in Fig. 4B dargestellt.Subsequently, a strip-like window of a few µm width in the [01] direction in the (100) plane is taken out or removed by a photolithographic process. This strip has a V-shaped cross section and forms a groove 8 , using a reaction-limited etching solution, as shown in FIG. 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 Salzsäure (HCl) für das InGaAsP/InP-System verwendet. Dies bedeutet, daß die Ätzlösung die InP-Schicht 6 vor der InGaAsP-Schicht 5 ätzt. Im folgenden wird eine solche Rille mit einem Boden als abgestumpfte V-Rille bezeichnet. Andererseits wird die Rille, die einen V-förmigen Boden aufweist, als nicht abgestumpfte Rille bezeichnet.It is important to select such an etching solution that the etching process is stopped when the InGaAsP layer 5 is reached, which serves as the bottom area of the groove 8 . So z. B. used as an etching solution hydrochloric acid (HCl) for the InGaAsP / InP system. This means that the etching solution etches the InP layer 6 before the InGaAsP layer 5 . In the following, such a groove with a bottom is referred to as a truncated V-groove. On the other hand, the groove, which has a V-shaped bottom, is referred to as a non-truncated groove.

Während einer zweiten Aufwachsphase wird die konventionelle Doppelheterstruktur 2, 1a bzw. 1, 2 auf dem Halbleiterkörper 7 zum Entstehen (Aufwachsen) gebracht, der die abgestumpfte V-Rille aufweist, wie es in Fig. 4C dargestellt ist. 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:During a second growth phase, the conventional double heterostructure 2 , 1 a or 1, 2 is brought about (growing) on the semiconductor body 7 , which has the truncated V-groove, as shown in FIG. 4C. This growing up is carried out completely. The reproducibility of the layer is very good and exactly in the thickness. For a semiconductor body with a truncated V-shaped groove, the finished and complete growth and the reproducibility of the thickness of the grown layer are very precise for the following reasons:

Bei Verwendung eines konventionellen Halbleiterkörpers mit einer nicht abgestumpften (spitzen) V-förmigen Rille gemäß Fig. 3 sind die Oberflächen der Rille {111}A-Ebenen. Es ist als ein Charakteristikum bekannt, daß zweidimensionale Keime auf einer solchen Oberfläche kaum auftreten können, so daß das epitaktische Aufwachsen auf ihr nicht vollkommen erfolgen kann. Bei Verwendung eines Halbleiterkörpers mit einer abgestumpften V-Rille befindet sich die Bodenfläche der Rille 8 in der (100)-Ebene, auf der das epitaktische Wachsen vollkommen erfolgt. Die InGaAsP-Schicht 5, die den Boden bildet, schmilzt charakteristisch in der Wachstumsschmelze, 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.When using a conventional semiconductor body with a non-truncated (pointed) V-shaped groove according to FIG. 3, the surfaces of the groove are {111} A planes. It is known as a characteristic that two-dimensional nuclei can hardly appear on such a surface, so that epitaxial growth cannot take place entirely on it. When using a semiconductor body with a truncated V-groove, the bottom surface of the groove 8 is in the (100) plane, on which the epitaxial growth takes place completely. The InGaAsP layer 5 , which forms the bottom, melts characteristically in the growth melt, correspondingly with an increase in the As density of the InGaAsP layer 5 before the growth of the InP layer 2 as the first layer in the second growth phase. As a result, a clean surface of the InP substrate 4 is obtained. Accordingly, the growth is carried out reproducibly, regardless of the state of the InGaAsP surface.

Beim vorgenannten Ausführungsbeispiel wurde ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers des InGaAsP-Systems beschrieben. Dieses Verfahren ist auch anwendbar auf Halbleiterlaser mit anderen Halbleiterkomponenten der III bis VI-Gruppe oder der II bis VI-Gruppe des Periodensystems. In der oben beschriebenen Ausführungsform kann auch eine andere Stoppschicht in den Körper eingebaut werden, in dem die Rille vorzusehen ist, wobei das Ätzen zur Bildung der V-förmigen Rille automatisch an der Schicht gestoppt wird.In the aforementioned embodiment, a method was used for the production of a semiconductor laser of the InGaAsP system described. This procedure is also applicable to Semiconductor laser with other semiconductor components of III to VI group or the II to VI group of Periodic table. In the embodiment described above another stop layer can also be built into the body in which the groove is to be provided, the etching to form the V-shaped groove automatically on the Shift is stopped.

Aus der obigen Beschreibung ergeben sich folgende Vorteile und Wirkungen des erfindungsgemäßen Verfahrens:The following advantages result from the above description and effects of the method according to the invention:

  • a) 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.a) An active layer of small width grows in the Groove because the groove is formed in such a way is that its width, starting from the surface of the Substrate, is less inside.
  • b) Eine Rinne bzw. Rille von geringer Breite wird gut reproduzierbar hergestellt, da ein weiteres Ätzen (Seitwärts-Ätzen) in seitlicher Richtung während der Bildung der V-förmigen Rille kaum vorkommt, wie oben beschrieben.b) A groove of small width will be good reproducibly manufactured because of a further etching (Sideways etching) in the lateral direction during the Formation of the V-shaped groove hardly occurs, as above described.
  • c) Da die Seitenflächen der Rille {111}A-Ebenen sind, die sehr flach bzw. glatt sind, kann eine aktive Region mit einem einheitlichen Bereich in der Rinne bzw. Rille aufwachsen. c) Since the side surfaces of the groove are {111} A planes, which are very flat or smooth can be an active one Region with a uniform area in the gutter or groove grow up.  
  • d) Da sich die Bodenfläche der Rinne bzw. Rille in der (100)-Ebene befindet, die für ein epitaktisches Aufwachsen geeignet ist, erfolgt das Aufwachsen vollkommen. Die Dicke dieser gewachsenen Schicht ist sehr gut reproduzierbar.d) Since the bottom surface of the channel or groove in the (100) level located for an epitaxial Growing up is suitable, growing up perfect. The thickness of this grown layer is very reproducible.
  • e) Bei der Herstellung eines InGaAsP-Halbleiterlasers wird eine saubere Oberfläche der InP-Schicht oft durch Schmelzen der InGaAsP-Schicht am Boden der Rille in einer Wachstumsschmelze erhalten bzw. hergestellt. Ein epitaktisches Aufwachsen wird auf dieser Oberfläche ermöglicht, so daß das epitaktische Aufwachsen in reproduzierbarer Weise mit einer feinen Kristallisation erfolgt.e) In the manufacture of an InGaAsP semiconductor laser is often a clean surface of the InP layer Melt the InGaAsP layer at the bottom of the groove obtained or produced a growth melt. A epitaxial growth occurs on this surface enables so that the epitaxial growing up in reproducible way with a fine Crystallization takes place.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers mit vergrabener aktiver Schicht, umfassend folgende Verfahrensschritte:
  • (a) In einer ersten epitaktischen Aufwachsphase Herstellen eines Halbleiterverbundkörpers aus InP/InGaAsP/InP-Halbleiterverbundmaterial mit einer unteren Schicht (4), einer Mittelschicht (5) und einer oberen Schicht (6), wobei diese Schichten (4, 5, 6) in der (100)-Ebene ausgebildet werden,
  • (b) Ausbilden einer V-förmigen Rille (8) in [01]-Richtung mit {111}A-Seitenflächen in der oberen Schicht (6) durch Ätzen dieser Schicht mit einem Ätzmittel, gegen das die Mittelschicht (5) widerstandsfähig ist, bis zur Freilegung der Mittelschicht (5), die für die Rille eine flache Bodenfläche in der (100)-Ebene bildet, und
  • (c) in einer zweiten epitaktischen Aufwachsphase Erzeugen einer Doppelheterostruktur in der Rille (8) aus InP/InGaAsP/InP-Halbleiterverbundmaterial zur Bildung einer aktiven Schicht (1a) in der Rille, wobei die Doppelheterostruktur auf der freigelegten Fläche der Mittelschicht (5) aus InGaAsP in der Rille (8) aufwächst.
1. A method for producing a semiconductor laser with a buried active layer, comprising the following method steps:
  • (a) In a first epitaxial growth phase, manufacture of a semiconductor composite body from InP / InGaAsP / InP semiconductor composite material with a lower layer ( 4 ), a middle layer ( 5 ) and an upper layer ( 6 ), these layers ( 4, 5, 6 ) are formed in the (100) plane,
  • (b) forming a V-shaped groove ( 8 ) in the [01] direction with {111} A side faces in the upper layer ( 6 ) by etching this layer with an etchant against which the middle layer ( 5 ) is resistant, until the middle layer ( 5 ) is exposed, which forms a flat bottom surface in the (100) plane for the groove, and
  • (c) in a second epitaxial growth phase, producing a double heterostructure in the groove ( 8 ) from InP / InGaAsP / InP semiconductor composite material to form an active layer ( 1 a) in the groove, the double heterostructure on the exposed surface of the middle layer ( 5 ) growing out of InGaAsP in the groove ( 8 ).
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zum Ätzen Salzsäure (HCl) verwendet wird.2. The method according to claim 1, wherein for the etching hydrochloric acid (HCl) is used.
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