DE3605925C2 - Halbleiterlaser und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Halbleiterlaser und Verfahren zu seiner Herstellung

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Description

Die Erfindung betrifft einen hochmodulierbaren Halbleiterlaser und ein Verfahren zu seiner Herstellung gemäß den Oberbegriffen der nebengeordneten Ansprüche 1 und 6.
Es ist aus IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-18, Nr. 10, Okt. 1982, S. 1653 ff eine Laserstruktur bekannt, bei der ein aus Halbleiterschichten bestehender Stapel auf ein semiisolierendes InP-Substrat aufgebracht ist, und deren Kontaktschichten so auf der gleichen Seite des semiisolierenden Substrats angebracht sind, daß die Laserstruktur mit anderen Bauelementen monolithisch integrierbar ist. Die obere Randschicht des Halbleiterschichtenstapels ist eine p-InGaAsP-Schicht, der dazugehörige Metallkontakt ist zweischichtig ausgebildet und besteht aus einer Au-Schicht und einer Zn-Schicht. Die Zn-Schicht liegt direkt auf der p-InGaAsP-Schicht auf, und beide bilden zusammen einen Metall-Halbleiter-Übergang mit einem niederohmigen Widerstand. Die Au-Schicht wiest die für einen elektrischen Kontakt notwendige hohe Leitfähigkeit, gute Korrosionsfestigkeit und gute Bondbarkeit auf. Die untere Randschicht des Halbleiterschichtenstapels besteht aus einer n-InP-Schicht, der zugehörige Kontakt aus einer Au-Schicht, einer Ni-Schicht und einer Ge-Schicht. Ge-Atome bilden in der n-InP-Schicht ein Donator-Niveau und bewirken somit einen elektrischen Übergang mit einem niederohmigen elektrischen Widerstand.
Aus Appl. Phys. Lett. 46(3), vom 01. Februar 1985, Seiten 226 bis 228, ist ein monolithisch integrierter Schaltkreis mit einer Laserdiode bekannt, bei der sowohl die mit der n-dotierten Halbleiterschicht als auch die mit der p-dotierten Halbleiterschicht verbundenen elektrischen Kontakte auf derselben Seite des Substrats liegen. Dabei weist die Laserstruktur als p-Kontakt eine Au/Zn/Au-Mehrfachschicht und als n-Kontakt eine Au/AuGe-Schicht auf. In der Offenlegungsschrift DE 35 09 441 A1 ist ein hinsichtlich der Kontaktierung konventioneller Halbleiterlaser offenbart, bei dem die Anode aus Cr/Au und die Kathode aus Au/Sn besteht.
Der Erfindung liegt nun das Problem zugrunde, daß die elektrischen Kontakte bekannter Laservorrichtungen unterschiedliche Schichtkombinationen aufweisen und somit für jeden elektrischen Kontakt bei der Herstellung getrennte photolithographische Schritte notwendig sind.
Das Problem wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und mit einem Verfahren zu ihrer Herstellung durch die Merkmale des Anspruchs 6 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den übrigen Ansprüchen zu entnehmen.
Der mit der Erfindung erzielte Vorteil liegt insbesondere darin, daß bei der Herstellung des Halbleiterlasers beim Aufbringen der Kontaktschichten einfache Herstellungsschritte möglich sind.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung und ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren sind im folgenden mit Hilfe der Fig. 1 bis 6 näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 den Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers,
Fig. 2 den Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers,
Fig. 3 den Querschnitt des Halbleiterlasers gem. Fig. 1 nach dem ersten Epitaxieprozeß und nach dem Aufbringen einer Ätzmaske,
Fig. 4 den Querschnitt des Halbleiterlasers gemäß Fig. 1 nach dem ersten Ätzprozeß,
Fig. 5 den Querschnitt des Halbleiterlasers gemäß Fig. 1 nach dem zweiten Epitaxieprozeß mit schon zusätzlich dotierter Oberfläche, und
Fig. 6 den Querschnitt des Halbleiterlasers gemäß Fig. 1 nach dem zweiten Ätzprozeß.
Ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers weist als Lasertyp einen BH-Laser (buried heterostructure) auf und ist in Fig. 1 dargestellt. Auf einem Inp-Substrat 1 befindet sich eine n-Inp-Schicht 2. In der Mitte 3 der n-InP-Schicht 2 ist ein aus Halbleiterschichten bestehender Stapel 4 angeordnet. An den Seiten 5 der n-InP-Schicht 2 und auf den oberen Randschichten des Halbleiterschichtenstapels 4, der p-InGaAsP-Schicht 16 und der n-InP-Schicht 19, sind die elektrischen Kontakte 6, 7 des Halbleiterlasers angebracht. Die elektrischen Kontakte 6, 7 bestehen jeweils aus einer Ti-Schicht 8 und einer darauf befindlichen Au-Schicht 9. Der Halbleiterschichtenstapel 4 weist an den Seitenflächen 10 je einen Überhang 25 auf.
Der Typ des Halbleiterlasers ist durch die Struktur des Halbleiterschichtenstapels 4 gegeben. Der Halbleiterschichtenstapel des ersten Ausführungsbeispiels besteht aus einer Mesa 11 und einer Ummantelung in Form von Sperrschichten 12. Unter Sperrschichten sind hier übereinanderliegende Halbleiterschichten zu verstehen, die derart dotiert sind, daß sie beim Betrieb des Halbleiterlasers elektrisch sperrend wirken. Die n-InP-Schicht 2 weist dabei eine Erhöhung 13 auf, die die unterste Schicht der Mesa 11 bildet. Auf dieser Erhöhung 13 ist die undotierte InGaAsP-Schicht 14 als aktive Schicht angebracht, auf der sich die p-InP-Schicht 15 befindet. Die obere Randschicht der Mesa 11 ist die p-InGaAsP-Schicht 16, diese ist an der Oberfläche 17 zusätzlich mit Zn oder Cd dotiert und weist dort eine Konzentration der Dotierstoffe von 1019 cm-3 auf. Die Mesa 11 weist an den Seitenflächen 20 je einen Überhang 22 auf. Die Sperrschichten 12 bestehen aus je einer unteren p-InP-Schicht 18 und einer oberen n-InP-Schicht 19. Die Übergangsflächen zwischen den p-InP-Schichten 18 und den n-InP-Schichten 19 schließen an den Seitenflächen 20 der Mesa 11, an der InGaAsP-Schicht 14, ab. Die n-InP-Schichten 19 weisen an der Oberfläche je eine ausschließlich herstellungsbedingte Zn-Dotierung auf.
Die Schichtdicke der n-InP-Schicht 2 beträgt an den Seiten 5 0,5 µm, an den Sperrschichten 12 1 µm und an der Mesa 11 2,5 µm. Die InGaAsP-Schicht 14 weist eine Dicke von 0,2 µm auf. Die p-InGaAsP-Schicht 16 ist 0,5 µm dick, wobei die zusätzlich dotierte Oberfläche 17 0,2 µm tief ist. Der elektrische Kontakt 7 auf dem Halbleiterschichtenstapel 4 weist eine Breite von 30 µm auf.
Ein zweites Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 abgebildet. Es ist in der Form wie das erste aufgebaut. Die einzelnen Halbleiterschichten weisen aber im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel Dotierungen mit entgegengesetztem Leitungstyp auf. Der Vorteil eines Halbleiterlaser nach dem zweiten Ausführungsbeispiel gegenüber einem nach dem ersten Ausführungsbeispiel liegt darin, daß die p-InGaAsP-Schicht 16 eingespart wird. Im einzelnen befindet sich auf einem InP-Substrat 30 eine p-InP-Schicht 31. In der Mitte 31 der p-InP-Schicht 31 ist ein Halbleiterschichtenstapel 4′ abgeordnet. An den Seiten 51 der p-InP-Schicht 31 und auf den oberen Randschichten des Halbleiterschichtenstapels 4′, der n-InP-Schicht 32 und der p-InP-Schicht 35, sind die elektrischen Kontakte 6′, 7′ des Halbleiterlasers angebracht. Die elektrischen Kontakte sind wie im ersten Ausführungsbeispiel aufgebaut. Der Halbleiterschichtenstapel 4′ weist an den Seitenflächen 10′ je einen Überhang 25′ auf. Die p-InP-Schicht 31 weist eine Erhöhung 13′ auf, die die unterste Schicht′ der Mesa 11′ bildet. Auf dieser Erhöhung 13′ ist eine undotierte InGaAsP-Schicht 33 angebracht, auf der sich die n-InP-Schicht 32 befindet. Die Mesa 11′ weist an den Seitenflächen 20′ je einen Überhang 22′ auf. Die Sperrschichten 12′ bestehen je aus einer unteren n-InP-Schicht 34 und einer oberen p-InP-Schicht 35.
Der in den Ausführungsbeispielen durch den Halbleiterschichtenstapel 4, 4′ gegebene Lasertyp ist für den erfindungsgemäßen Halbleiterlaser nicht von Bedeutung, es kann genausogut ein anderer Lasertyp, wie z. B. ein DC PBH-Laser (Double Channel Planar Buried Heterostructure) verwendet werden. Die Erfindung muß nicht aus einem Halbleiterlaser, der aus InGaAsP-Schichten und InP-Schichten aufgebaut ist, sondern kann auch einen aus GaAs-Schichten und GaAlAs-Schichten aufgebauten Halbleiterlaser bestehen. Dabei sind die InGaAsP-Schichten durch GaAs-Schichten zu ersetzen. Wenn der Halbleiterlaser monolithisch integriert werden soll, wird als Substrat ein semiisolierendes InP-Substrat verwendet. Nicht eingezeichnet sind die elektrischen Anschlüsse der elektrischen Kontakte 6, 7.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden auf ein InP-Substrat 1 bei einem ersten Epitaxieprozeß nacheinander die n-InP-Schicht 2, die InGaAsP-Schicht 14, die p-InP-Schicht 15 und die p-InGaAsP-Schicht 16 mittels Flüssigphasenepitaxie abgeschieden. Die einzelnen Halbleiterschichten sind gitterangepaßt. Anschließend wird zur Strukturierung der Mesa 11 eine streifenförmige Ätzmaske 21 aus SiO₂ auf die p-InGaAsP-Schicht 16 so aufgebracht, daß die Längsachse der Ätzmaske 21 parallel zur [0]-Richtung der Halbleiterschichten liegt (Fig. 3). Bei einem ersten Ätzprozeß wird durch anschließendes anisotropes Ätzen mit BrCH₃OH als Ätzmittel die Mesa 11 gebildet. Der Ätzprozeß ist beendet, wenn etwa 3/5 der Schichtdicke der n-InP-Schicht 2 abgetragen sind. Die Mesa 11 weist wie in Fig. 4 abgebildet einen Überhang 22 an den Seitenflächen 20 auf. Bei einem zweiten Epitaxieprozeß werden die Sperrschichten 12 des Halbleiterschichtenstapels 4 abgeschieden. Zuerst werden die p-InP-Schichten 18 und anschließend die n-InP-Schichten 19 derart abgeschieden, daß die Oberfläche 23 des Halbleiterschichtenstapels 4 planar ausgebildet wird. Danach wird die Ätzmaske 21 entfernt und der Halbleiterschichtenstapels 4 an der Oberfläche 23 durch Diffusion mit Zn oder Cd p-dotiert, wobei die p-InGaAsP-Schicht 16 an ihrer Oberfläche 17 0,2 µm tief ist und eine Dotierstoffkonzentration von 10-19 cm-3 erhält (Fig. 5).
Eine zweite streifenförmige Ätzmaske 24 aus SiO₂ wird zur Strukturierung des Halbleiterschichtenstapels 4 aufgebracht (Fig. 6). Sie ist 30 µm breit, d. h. breiter als die erste Ätzmaske 21, weist aber wie die erste Ätzmaske 21 eine Längsachse parallel zur [0]-Richtung der Halbleiterschichten auf. Bei einem zweiten Ätzprozeß wird durch anisotropes Ätzen mit BrCH₃OH als Ätzmittel der nicht maskierte Teil der Sperrschichten 12 weggeätzt und die n-InP-Schicht 2 an der Seite 5 freigelegt. Der Ätzprozeß ist beendet, wenn die p-InP-Schicht 18 in der Dicke vollständig abgetragen ist. Der Halbleiterschichtenstapel 4 weist an den Seitenflächen 10 einen Überhang 25 auf. Die Ätzmaske 24 wird entfernt.
Die elektrischen Kontakte 6 und 7 werden aufgebracht, indem zuerst die Ti-Schichten 8 und anschließend die Au-Schichten 9 aufgedampft oder aufgestäubt werden. Da der Halbleiterschichtenstapel 4 an den Seitenflächen 10 überhängt und dadurch einen Abschattungseffekt erzeugt, werden die Seitenflächen beim Aufdampfen oder Aufstäuben nicht beschichtet. Die Kontaktschichten 8 bilden sowohl mit der zusätzlichen p-dotierten Oberfläche 17 der p-InGaAsP-Schicht 16 als auch mit den n-InP-Schichten 2, 32 oder der p-InP-Schicht 31 niederohmige elektrische Kontakte.
Durch das Abtragen der Sperrschichten von den Seitenflächen her wird die Kapazität des Halbleiterschichtenstapels reduziert und die Modulationsrate der Laservorrichtung somit erhöht. Gleichzeitig wird dabei aber die Fläche des elektrischen Kontakts 7 verkleinert, wenn dieser bündig auf dem Halbleiterschichtenstapel 4 angeordnet ist. Soll der elektrische Kontakt 7 gebondet werden, ist derzeit eine minimale Breite des elektrischen Kontakts 7 von b = 30 µm notwendig. Die Breite des elektrischen Kontakts 7 und die Spezifikation des Halbleiterlasers müssen daher aufeinander abgestimmt sein.

Claims (6)

1. Halbleiterlaser, der ein Substrat, auf einer Seite des Substrats stapelartig angeordnete Halbleiterschichten und auf der gleichen Seite des Substrats einen ersten und einen zweiten elektrischen Kontakt enthält, die Halbleiterschichten n-dotierte Halbleiterschichten und p-dotierte Halbleiterschichten enthalten, der erste elektrische Kontakt mit einer n-dotierten Halbleiterschichten und der zweite elektrische Kontakt mit einer p-dotierten Halbleiterschicht verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite elektrische Kontakt (6, 7) jeweils den gleichen Schichtaufbau aufweisen.
2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Kontakte (6, 7) jeweils aus einer Ti-Schicht (8) und einer Au-Schicht (9) bestehen, und daß die Au-Schicht (9) jeweils auf der Ti-Schicht (8) aufgebracht ist.
3. Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterschichtenstapel (4) im Querschnitt an den Seitenflächen (10) einen Überhang (25) aufweist.
4. Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) ein semiisolierendes Substrat und der Halbleiterlaser mit anderen Bauelementen monolitisch integrierbar ist.
5. Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die oberste Schicht (16) des Halbleiterschichtenstapels (4) eine Breite b 50 µm aufweist.
6. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers, durch Abscheiden einer n-InP-Schicht auf ein InP-Substrat, durch Abscheiden einer undotierten InGaAsP-Schicht, einer p-InP-Schicht, einer p-InGaAsP-Schicht und seitlich angeordneten Sperrschichten, derart, daß die aufgebrachten Schichten streifenförmig sind, und die Längsachsen der Schichten parallel zur [0]-Richtung ihrer Gitterstruktur liegen, wobei je nach Halbleitertyp noch typbedingte Verfahrensschritte durchgeführt werden, durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:
  • a) zusätzliches Dotieren der p-InGaAsP-Schicht (16) an deren Oberfläche (17) durch Diffusion,
  • b) Aufbringen einer streifenförmigen Ätzmaske (24), die eine Längsachse parallel zur [0]-Richtung der Halbleiterschichten aufweist, und die seitlich über die Sperrschichten (12) hinausragt,
  • c) anisotropes Ätzen der Sperrschichten (12) an den Seitenflächen (10) bis in die n-InP-Schicht (2),
  • d) Entfernen der Ätzmaske (24),
  • e) Aufbringen einer mit der p-InGaAsP-Schicht (16) und der n-InP-Schicht (2) einen niederohmigen Übergang bildenden Metallschicht (8), und
  • f) Aufbringen einer Au-Schicht (9).
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