DE3406361A1 - Twin-heterostructure laser and method for the production thereof - Google Patents
Twin-heterostructure laser and method for the production thereofInfo
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Abstract
Description
Doppel-Heterostruktur-Laser und Verfahren Double heterostructure laser and process
zu seiner Herstellung Die Erfindung betrifft einen Doppel-Heterostruktur-Laser auf der Basis von Halbieiter-Mischkristallen, bestehend aus einem p-leitenden Substrat, einer p-leitenden ersten Begrenzungsschicht, einer aktiven Schicht, einer n-leitenden zweiten Begrenzungsschicht, einer n-leitenden Kontaktschicht, einer Deckschicht und ohmschen Kontakten. for its manufacture The invention relates to a double heterostructure laser on the basis of semi-conductor mixed crystals, consisting of a p-conductive substrate, a p-type first confinement layer, an active layer, an n-type second delimitation layer, an n-conductive contact layer, a cover layer and ohmic contacts.
Doppel-Heterostruktur-Laser auf der Basis von Halbleiter-Miscnkristallen wie Gallium-Aluminium-Arsenid oder Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid werden heute für viele verschiedene Zwecke eingesetzt. Sie bestehen im wesentlichen aus einer sehr dünnen aktiven Halbleiterschicht, die von zwei Halbleiterschichten mit höherem Bandabstand eingefaßt ist, die im folgenden Begrenzungsschichten genannt werden. Von den beiden Begrenzungsschichten ist die eine n-leitend und die andere p-leitend. In den meisten Fällen wird die n-leitende Begrenzungsschicht zuerst hergestellt, so daß sie dem Substrat, das üblicherweise ebenfalls nleitend ist, näher liegt als die p-leitende Begrenzungsschicht. In der jüngsten Zeit hat sich nun herausgestellt, daß ein umgekehrter Aufbau, bei dem die Degradation der aktiven Schicht vermindert wird, vorteilhafter ist. Hierbei wird also die p-leitende Begrenzungsschicht zuerst hergestellt und auf ein ebenfalls p-leitendes Substrat aufgebracht.Double heterostructure laser based on semiconductor mixed crystals such as gallium-aluminum-arsenide or indium-gallium-arsenide-phosphide are used today used for many different purposes. They essentially consist of one very thin active semiconductor layer made up of two semiconductor layers with higher Band gap is bordered, which are hereinafter called limiting layers. Of the two confinement layers, one is n-conductive and the other is p-conductive. In most cases the n-type confinement layer is made first, so that it is closer to the substrate, which is usually also conductive, than the p-type confinement layer. In recent times it has now been found that a reverse structure in which the degradation of the active layer is reduced is more advantageous. So here the p-type confinement layer becomes first produced and applied to a likewise p-conductive substrate.
Um einen niedrigen Schwellstrom zu erreichen, muß der Stromfluß durch die aktive Zone auf einen schmalen Streifen eingeengt werden. Bekannte Strukturen, die diese Einengung bewirken, sind die DCC-Struktur (Double Carrier Confinement), veröffentlicht in "Applied Physics Lettersg', Band 41, Jahrgang 1982, Seiten 903 ff., und die RIDS-Struktur (Ridged Substrate Internally Diffused Stripe), veröffentlicht in der gleichen Zeitschrift, Band 43, Jahrgang 1983, Seiten 809 ff. Bei der sogenannten VSIS-Struktur (V-channeled Substrate Inner Stripe), die aus der Zeitschrift "Applied Physics Letters", Band 40, Jahrgang 1982, Seiten 372 ff., bekannt ist, sind zwei Epitaxieprozesse und das Einätzen eines V-förmigen Grabens nach dem ersten Epitaxieprozeß erforderlich.In order to achieve a low threshold current, the current must flow through the active zone can be narrowed down to a narrow strip. Known structures, which cause this constriction are the DCC structure (Double Carrier Confinement), published in "Applied Physics Lettersg ', Volume 41, Volume 1982, Pages 903 ff., and the RIDS structure (Ridged Substrate Internally Diffused Stripe), published in the same journal, volume 43, year 1983, pages 809 ff. In the so-called VSIS structure (V-channeled Substrate Inner Stripe) taken from the journal "Applied Physics Letters ", Volume 40, Volume 1982, Pages 372 ff., Are two Epitaxial processes and the etching of a V-shaped trench after the first epitaxial process necessary.
Im Fall des umgekehrten Aufbaus, d. h. p-Substrat, pleitende Begrenzungsschicht zuerst gewachsen, wird die Einengung des Stromflusses bei den bisher bekannten Strukturen auf komplizierte Weise erreicht. Allen drei genannten Strukturen ist weiterhin gemeinsam, daß sie nur mittels Flüssigphasenepitaxie hergestellt werden können, da nur dieser Prozeß die erforderliche einebnende Wirkung bezüglich der durch die Nut verursachten Unebenheiten hat. Für die Produktion von Halbleiterlasern in größeren Stückzahlen ist die Flüssigphasenepitaxie jedoch weniger geeignet als z. B. die Gasphasenepitaxie mit metallorganischen Verbindungen.In the case of the reverse construction, i. H. p-substrate, p-conducting boundary layer Grown first, is the narrowing of the current flow in the structures known up to now achieved in a complicated way. What all three structures have in common is still that they can only be produced by means of liquid phase epitaxy, since only this one Process the required leveling effect with respect to that caused by the groove Has bumps. For the production of semiconductor lasers in large numbers however, liquid phase epitaxy is less suitable than e.g. B. the gas phase epitaxy with organometallic compounds.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiterlaserstruktur und ein Verfahren zu ihrer Herstellung anzugeben, bei der die zuerst gewachsene Begrenzungsschicht p-leitend ist, die einen geringen Schwellstrom aufweist und die mit möglichst wenigen und einfachen Herstellungsschritten hergestellt werden kann.The invention is based on the object of a semiconductor laser structure and to specify a method for their production, in which the first grown Boundary layer is p-conductive, which has a low threshold current and which can be manufactured with as few and simple manufacturing steps as possible.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Substrat und alle Epitaxie schichten im wesentlichen eben sind, daß die Deckschicht aus einem III/V Halbleiter-Mischkristall besteht und mit Ausnahme eines schmalen streifenförmigen Bereichs die gesamte Oberfläche der Kontaktschicht bedeckt, daß ein Metailkontakt die gesamte Oberfläche der Deckschicht und den freigelegten Teil der n-leitenden Kontaktschicht überdeckt und daß die Materialien der Schichten so gewählt sind, daß ein Stromfluß nur über den streifenförmigen Bereich erfolgt.According to the invention, this object is achieved in that the substrate and all epitaxial layers are essentially flat, that the cover layer consists of one III / V semiconductor mixed crystal consists and with the exception of a narrow strip-shaped Area covering the entire surface of the contact layer that a metal contact the entire surface of the cover layer and the exposed part of the n-type Contact layer covered and that the materials of the layers are chosen so that a current flow takes place only over the strip-shaped area.
Dies kann vorteilhafterweise dadurch geschehen, daß der schmale streifenförmige Bereich einen trapez- oder dreieckförmigen Querschnitt aufweist und daß der streifenförmige Bereich mit dreieckförmigem Querschnitt mit seiner Spitze bis in die Kontaktschicht hineinreicht.This can advantageously be done in that the narrow strip-shaped Area has a trapezoidal or triangular cross-section and that the strip-shaped Area with a triangular cross-section with its tip extending into the contact layer reaches in.
Bei einer geeigneten Ausführungsform kann das Substrat aus Gallium-Arsenid, die erste Begrenzungsschicht aus Ga1#xMxAs> die aktive Schicht aus Ga1-yAlyAs oder GaAs, die die zweite Begrenzungsschicht aus Ga1 xAlxAs, die Kontaktschicht aus n-dotiertem GaAs und die Deckschicht aus Gallium-Aluminium-Arsenid oder p-leitendem Gallium-Arsenid bestehen.In a suitable embodiment, the substrate made of gallium arsenide, the first limiting layer made of Ga1 # xMxAs> the active layer made of Ga1-yAlyAs or GaAs, which is the second limiting layer made of Ga1 xAlxAs, the contact layer made of n-doped GaAs and the cover layer made of gallium-aluminum-arsenide or p-conductive Gallium arsenide.
In anderen Fällen kann das Substrat aus Indium-Phosphid, die e#rste Begrenzungsschicht aus Inl xGaxAs1 yPy, die aktive Schicht aus In1-rGarAs1-sPs, die As Ps , diezweite Begrenzungsschicht aus In1 xGaxAs1 yPy, die Kontaktschicht aus n-leitendem Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid und die Deckschicht aus Indium-Phosphid oder p-leitendem Indium.In other cases, the substrate can be indium phosphide, the first Boundary layer made of Inl xGaxAs1 yPy, the active layer made of In1-rGarAs1-sPs, the As Ps, the second confinement layer of In1 xGaxAs1 yPy, the contact layer made of n-conducting indium-gallium-arsenide-phosphide and the top layer made of indium-phosphide or p-type indium.
Gallium-Arsenid-Phosphid bestehen. Wesentlich ist, daß die Materialien für die aktive Schicht und die Begren- zungsschichten so gewählt werden, daß der Bandabstand größer als der der aktiven Schicht ist, während die Gitterkonstanten gleich sind.Gallium arsenide phosphide. It is essential that the materials for the active shift and the layers chosen in this way become that the band gap is larger than that of the active layer, while the Lattice constants are equal.
Der erfindunggemäße Doppel-Heterostruktur-Laser und sein Herstellungsverfahren haben die Vorteile, daß der Aufbau der Laserstruktur mit ebenen Schichten durch Gasphasenepitaxie mit metallorganischen Verbindungen erfolgen kann Die Degradation der aktiven Schicht wird stark reduziert.The double heterostructure laser according to the invention and its manufacturing method have the advantage that the laser structure is built up with flat layers Gas phase epitaxy with organometallic compounds can occur The degradation the active layer is greatly reduced.
Die Bildung eines streifenförmigen Kontaktes auf der Kontaktschicht zur Einengung des Stromflusses durch die aktive Schicht erfolgt nicht mehr durch einen Diffusionsprozeß in der Kontaktschicht, sondern mit Hilfe einer Deckschicht und eines Ätzprozesses. Insgesamt sind wenige Schichten für den Aufbau des Lasers notwendig, damit sind auch weniger Prozeßschritte erforderl-ich, was zu einer höheren Ausbeute führt.The formation of a strip-shaped contact on the contact layer to narrow the current flow through the active layer is no longer carried out a diffusion process in the contact layer, but with the help of a cover layer and an etching process. There are only a few layers in total to build the laser necessary, so that fewer process steps are required, which leads to a higher one Yield leads.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben: Es zeigen: Figur 1 Das Substrat und die epitaktisch gewachsenen Schichten des Doppel-Heterostruktur-Lasers.An embodiment of the invention is shown in the drawings and is described in more detail below: It shows: Figure 1 The substrate and the epitaxially grown layers of the double heterostructure laser.
Figur 2a Die Schichtenfolge des Doppel-Heterostruktur-Lasers gemäß Figur 1 mit einer in ihrem Querschnitt trapezförmigen Nut in der Deckschicht.FIG. 2a The sequence of layers of the double heterostructure laser according to FIG FIG. 1 with a groove in the cover layer which is trapezoidal in cross section.
Figur 2b Die Schichtenfolge des Doppel-Heterostruktur-Lasers gemäß Figur 1 mit einer in ihrem Querschnitt dreieckförmigen Nut in Deckschicht und Kontaktschicht.FIG. 2b The sequence of layers of the double heterostructure laser according to FIG FIG. 1 with a groove in the cover layer and contact layer which is triangular in cross section.
Figur 3a Die Schichtenfolge des Doppel-Heterostruktur-Lasers gemäß Figur 2a mit ohmschen Kontakten auf dem Substrat, der Oberfläche der Deckschicht und dem freigelegten Teil der Kontaktschicht.FIG. 3a The sequence of layers of the double heterostructure laser according to FIG FIG. 2a with ohmic contacts on the substrate, the surface of the cover layer and the exposed part of the contact layer.
Figur 3b Die Schichtenfolge des Doppel-Heterostruktur-Lasers gemäß Figur 2b mit ohmschen Kontakten auf dem Substrat, der Oberfläche der Deckschicht und dem freigelegten Teil der Kontaktschicht.FIG. 3b The sequence of layers of the double heterostructure laser according to FIG FIG. 2b with ohmic contacts on the substrate, the surface of the cover layer and the exposed part of the contact layer.
Figur 4a Ein perspektivisches Schaubild des gesamten Lasers gemäß Figur 3a.FIG. 4a a perspective diagram of the entire laser according to FIG Figure 3a.
Figur 4b Ein perspektivisches Schaubild des gesamten Lasers gemäß Figur 3b.FIG. 4b is a perspective diagram of the entire laser according to FIG Figure 3b.
Figur 1 zeigt die Schichtenfolge, die mittels Gasphasenepitaxie mit metallorganischen Verbindungen, die aus Ga(CH3) oder AsH3 bestehen können, hergestellt wird.Figure 1 shows the sequence of layers, which by means of gas phase epitaxy with organometallic compounds that can consist of Ga (CH3) or AsH3 will.
Das p-leitende Substrat (1), bestehend aus z. B. GaAs ist mit größer 5 . 1018 Atome/cm3 dotiert. Darauf aufgewachsen ist die erste p-leitende Begrenzungsschicht (2), bestehend aus Ga0,6Al4As mit einer Dotierung von ungefähr 1 1018 Atome/cm>Ihre Schichtdicke beträgt ca. 2 pm. Die darauf aufgewachsene aktive Schicht (3) hat eine Dicke von ca. 0,1 - 0,2 zm und besteht aus Gag,9'Al 1As oder GaAs, mit einer schwachen n-Dotierung von ca. 10 Atome/cm3. Die darauf aufgebrachte n-leitende zweite Begrenzungsschicht (4) mit einer Dicke von 2 ßm besteht aus Ga0>6Al0>4As und ist mit 5 . 1017 Atome/cm3 dotiert. Die darauf aufgebrachte ca. 1 zm dicke n-leitende Kontaktschicht (5) besteht aus GaAs und ist mit ca. 2 . 1018 Atome/cm3 n-dotiert. Die darauf aufgebrachte ca. 0,5 ßm dicke Deckschicht (6) besteht aus undotiertem Gallium-Aluminium-Arsenid.The p-type substrate (1), consisting of, for. B. GaAs is larger with 5. 1018 atoms / cm3 doped. The first p-conducting boundary layer is grown on this (2), consisting of Ga0.6Al4As with a doping of approximately 1 1018 atoms / cm> your Layer thickness is approx. 2 pm. The active layer (3) grown thereon has a Thickness of approx. 0.1 - 0.2 cm and consists of Gag, 9'Al 1As or GaAs, with a weak one n-doping of approx. 10 atoms / cm3. The n-conductive second delimitation layer applied thereon (4) with a thickness of 2 µm consists of Ga0> 6Al0> 4As and is with 5. 1017 atoms / cm3 doped. The approx. 1 cm thick n-type conductor applied to it Contact layer (5) consists of GaAs and is approx. 1018 atoms / cm3 n-doped. The approx. 0.5 .mu.m thick cover layer (6) applied to it consists of undoped Gallium aluminum arsenide.
Gemäß Figur 2a wird ein in seinem Querschnitt trapezförmiger Längsstreifen (7) aus der Deckschicht (6) herausgeätzt, so daß die Kontaktschicht in diesem Bereich (8) freigelegt ist. Dies geschieht in herkömmlicher Weise mit einer beispielsweise durch photolithographische Prozesse hergestellten Ätzmaske und durch Verwendung eines selektiven Ätzmittels.According to FIG. 2a, there is a longitudinal strip which is trapezoidal in cross section (7) etched out of the cover layer (6) so that the contact layer is in this area (8) is exposed. This is done in a conventional manner with an example etching mask produced by photolithographic processes and by use a selective etchant.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung wird ein dreieckförmiger Längsstreifen (7) aus der Deckschicht (6) und dem Oberflächenbereich der Kontaktschicht (5) herausgeätzt. Die Spitze (8) dieses dreieckförmigen Streifens liegt somit innerhalb der Kontaktschicht (5), so daß in diesem Bereich ein elektrischer Anschluß an die Kontakt schicht durch die nachfolgend aufgebrachte Metallkontaktschicht (9) zustande kommt.In another advantageous embodiment, it is triangular Longitudinal strips (7) from the cover layer (6) and the surface area of the contact layer (5) etched out. The tip (8) of this triangular strip is thus within the contact layer (5), so that in this area an electrical connection to the Contact layer through the subsequently applied metal contact layer (9) comes.
Figur 3a und 3b zeigen die fertiggestellte Laserstruktur nach der vorliegenden Erfindung. Auf der Oberfläche der Deckschicht (6) und dem freigelegten Oberflächenbereich der Kontaktschicht (8) ist ein wärmeableitender Metallkontakt (9) z. B. auf der Basis von Gold mit 5 % Germaniumzusatz aufgebracht, der zu dem n-leitenden Teil (8) der Kontaktschicht (5) eine ohmsche Verbindung bildet.FIGS. 3a and 3b show the finished laser structure according to FIG present invention. On the surface of the cover layer (6) and the exposed The surface area of the contact layer (8) is a heat-dissipating metal contact (9) e.g. B. applied on the basis of gold with 5% germanium added to the n-conductive part (8) of the contact layer (5) forms an ohmic connection.
Auf der Rückseite des p-leitenden Substrats (1) ist ein weiterer ohmscher Kontakt (10) angebracht, der beispielsweise gleichfalls aus einer Cold-Germanium-Verbindung besteht.On the back of the p-conducting substrate (1) there is another ohmic one Contact (10) attached, which, for example, also consists of a cold germanium compound consists.
Wird der Kontakt (9) mit dem negativen Pol und der Kontakt (10) mit dem positiven Pol einer Versorgungsspannungsquelle verbunden, fließt Strom durch die Laserstruktur, wodurch aufgrund des schmalen n-leitenden Streifens (8) in der Kontaktschicht (5) eine hohe Anregungsstromdichte in der aktiven Schicht erreicht wird, die zu Laserbetrieb notwendig ist.If the contact (9) with the negative pole and the contact (10) with connected to the positive pole of a supply voltage source, current flows through it the laser structure, which due to the narrow n-conductive strip (8) in the Contact layer (5) achieved a high excitation current density in the active layer that is necessary to laser operation.
Figur 4a und 4b zeigen eine perspektivische Ansicht der Doppel-Heterostruktur-Laserschichten gemäß der Figuren 3a und 3b. Der stromführende n-leitende Teil der Kontaktschicht (5) im Anschlußbereich hat dabei eine Breite von ca. 2 - 20 ßm und eine Länge von ca.FIGS. 4a and 4b show a perspective view of the double heterostructure laser layers according to Figures 3a and 3b. The current-carrying n-conductive part of the contact layer (5) in the connection area has a width of approx. 2 - 20 µm and a length of approx.
300 ßm.300 µm.
Bei den Anordnungen mit den bereits beschriebenen anderen Materialzusammensetzungen liegen die Abmessungen der Schichten und ihre Dotierung in der Größenordnung der im obigen Ausführungsbeispiel genannten Werte.In the arrangements with the other material compositions already described the dimensions of the layers and their doping are in the order of magnitude of the values mentioned in the above exemplary embodiment.
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