DE3779775T2 - Halbleiterlaser mit streifenfoermiger mesa-wellenleiterstruktur und dessen herstellungsverfahren. - Google Patents

Halbleiterlaser mit streifenfoermiger mesa-wellenleiterstruktur und dessen herstellungsverfahren.

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DE3779775T2 DE8787301775T DE3779775T DE3779775T2 DE 3779775 T2 DE3779775 T2 DE 3779775T2 DE 8787301775 T DE8787301775 T DE 8787301775T DE 3779775 T DE3779775 T DE 3779775T DE 3779775 T2 DE3779775 T2 DE 3779775T2
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser und insbesondere einen Halbleiterlaser, der bei Raumtemperatur in einer Grundtransversalschwingungsbetriebsart zum kontinuierlichen Emittieren sichtbaren Lichts arbeitet.
  • Wie allgemein bekannt, besitzen Halbleiterlaser einen mehrlagigen Aufbau, jeweils umfassend ein halbleitendes Substrat, Deck- oder überzugsschichten aus GaAlAs, eine aktive Schicht aus GaAs, eine Stromblockier- oder -sperrschicht aus GaAs und dgl.. Eine der überzugsschichten ist über der aktiven Schicht ausgebildet. In die Oberseite dieser Überzugsschicht ist eine Kanalrille zum Blockieren bzw. Sperren eines Stroms und zum Leiten des im Laser erzeugten Lichts eingestochen. Für die Herstellung eines solchen Mehrschicht- oder Mehrlagen-Lasers ist es erforderlich, die Rekristallisation jeder Schicht streng zu steuern, um der Schicht gleichförmige und gute Kristallinität zu verleihen. Wenn diesem Erfordernis nicht genügt wird, besitzt der Laser nur eine geringe Schwingungsstabilität, und er kann folglich nicht zuverlässig arbeiten.
  • In neuerer Zeit ist als Ersatz für das für eine gewisse Zeit angewandte Flüssigphasen-Epitaxie-(LPE-)Verfahren ein als "metallorganisches chemisches Aufdampf-(MOCVD-) Verfahren" bezeichnetes Dampfphasenaufwachsverfahren entwickelt worden. Das MOCVD-Verfahren vermag im wesentlichen den Bedingungen, die für die Rekristallisation der Schichten des Halbleiterlasers gefordert werden, zu genügen. Es wird daher als eine Methode bevorzugt, die einen höchst zuverlässigen Halbleiterlaser zu liefern vermag. Nachteilig an dieser Methode ist allerdings, daß Kristalle eines hohen Lichtemissionswirkungsgrads auf der Oberfläche einer Schicht, in welche eine Kanalrille eingestochen ist, gezüchtet werden müssen. über höchst zuverlässige GaAlAs-Laser mit Kanalrillen ist bisher noch nicht berichtet worden.
  • Halbleitermaterialien für Laser, wie InGaAsP, InGaAlAs und InGaAlP, ziehen derzeit Aufmerksamkeit auf sich. Dies ist deshalb der Fall, weil aus diesen Materialien hergestellte Halbleiterlaser Laserstrahlen in einem derart breiten Wellenlängenbereich emittieren, daß sie in optischen (Informations-)Übertragungssystemen oder in optischen Datenspeichersystemen einsetzbar sind. Diese Halbleitermaterialien lassen sich tatsächlich nach dem Dampfphasenaufwachsverfahren herstellen. Es liegen jedoch keine Berichte über einen Halbleiterlaser vor, der aus InGaAlAs und InGaAlP o.dgl. hergestellt ist und der bei Raumtemperatur stabil(es) sichtbares Licht in einer Grundtransversalschwingungsbetriebsart kontinuierlich zu emittieren vermag. Der Grund hierfür besteht darin, daß diese Materialien unter streng gesteuerten bzw. kontrollierten Bedingungen geformt werden müssen, um ein Kristallgitter zu erhalten, das einwandfrei auf das des Substrats ausgerichtet ist. In der Praxis ist es äußerst schwierig, diese Bedingungen erfolgreich zu steuern. Wenn ein Halbleiterlaser aus einem dieser Materialien hergestellt werden würde, würden sich seine Grundeigenschaften schnell (z.B. innerhalb etwa einer Stunde) verschlechtern, so daß er unbrauchbar werden würde.
  • Die JP-A-59-119884 beschreibt einen GaAs/InGaAsP-Laser mit einer Doppelheterostruktur, die durch eine erste Überzugs- oder Deckschicht, eine aktive Schicht, eine zweite Überzugs- oder Deckschicht und eine dritte mesaförmige, auf der zweiten Überzugsschicht geformte Überzugs- oder Deckschicht festgelegt ist.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist damit die Schaffung eines neuen und verbesserten Halbleiterlasers, der aus einem spezifischen Halbleitermaterial, wie InGaAlAs, InGaAlP o.dgl., geformt ist und der kontinuierlich stabiles sichtbares Licht in einer Grundtransversalschwingungsbetriebsart zu emittieren vermag.
  • Eine andere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines neuen und verbesserten Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiterlasers, der aus einem Halbleitermaterial, wie InGaAlAs, InGaAlp o.dgl., geformt ist und der kontinuierlich stabiles sichtbares Licht in einer Grundtransversalschwingungsbetriebsart zu emittieren vermag.
  • Gemäß obiger Aufgabe ist die vorliegende Erfindung auf einen Halbleiterlaser gerichtet, der einen kontinuierlichen Laserstrahl im sichtbaren Wellenlängenbereich emittiert. Der Laser umfaßt ein Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps, hergestellt aus einer Halbleiterverbindung von Gruppe-III-Elementen und Gruppe-V- Elementen, eine auf dem Substrat angeordnete erste Halbleiter-Überzugsschicht des ersten Leitungstyps und eine auf der ersten Überzugsschicht geformte aktive Schicht aus undotiertem Halbleitermaterial.
  • Auf der aktiven Schicht sind mehrere Halbleiter-Überzugsschichten eines zweiten Leitungstyps geformt, wodurch eine Doppelheterostruktur gebildet ist. Diese Überzugsschichten umfassen eine auf der aktiven Schicht erzeugte zweite Überzugsschicht und eine auf der zweiten Überzugsschicht erzeugte dritte Überzugsschicht. Die dritte Überzugsschicht ist mesaförmig und weist geneigte Seiten oder Flanken auf. Sie legt einen Wellenleiterkanal für Laserlicht fest. Die ersten bis dritten Überzugsschichten bestehen aus einer Halbleiterverbindung, einschließlich Gruppe-III-Elementen und Gruppe-V- Elementen.
  • Auf der dritten Überzugsschicht ist eine Halbleiter- Kontaktschicht des zweiten Leitungstyps ausgebildet. Die Kontaktschicht ist so geformt, daß sie einen Mesastreifen mit geneigten Seiten oder Flanken aufweist. Eine halbleitende Stromblockier- oder -sperrschicht bedeckt die geneigten Flanken der dritten Überzugsschicht und auch die geneigten Flanken der Kontaktschicht. Die Stromsperrschicht besteht aus einer Halbleiterverbindung, einschließlich (Gruppe-)III-Elemente und (Gruppe-)V-Elemente, die praktisch dem Material des Substrats gleich ist.
  • Die Erfindung nebst ihrer Aufgabe und ihren Vorteilen ergibt sich deutlicher aus der nachfolgenden genauen Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform.
  • In der nachfolgenden genauen Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen zeigen:
  • Fig. 1 eine (nicht maßstabsgerechte) perspektivische Darstellung einer Halbleiterschichtdiode, die stabil in einer Transversal- oder Querbetriebsart zu arbeiten vermag, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
  • Fig. 2A bis 2F Schnittansichten von in den Hauptschritten der Herstellung der Diode nach Fig. 1 erhaltenen Mehrlagenstrukturen,
  • Fig. 3 eine (nicht maßstabsgerechte) perspektivische Darstellung einer Halbleiterschichtdiode, die stabil in einer Transversal- oder Querbetriebsart zu arbeiten vermag, gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und
  • Fig. 4 eine (nicht maßstabsgerechte) perspektivische Darstellung einer Halbleiterschichtdiode, die stabil in einer Transversal- oder Querbetriebsart zu arbeiten vermag, gemäß einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
  • In Fig. 1 ist eine allgemein mit 10 bezeichnete Transversalbetriebsart-stabilisierte Halbleiterschichtdiode mit einer Doppelheterostruktur und einer Mesastreifen- Wellenleiterstruktur dargestellt. Die Laserdiode 10 gemäß Fig. 1 weist ein n-Typ-GaAs-Substrat 12 einer hohen Fremdatomkonzentration auf. Auf einer Seite des Substrats 12 sind jeweils übereinander eine n-Typ-GaAs- Pufferschicht 14, eine n-Typ-InGaP-Pufferschicht 16, eine n-Typ-InGaAlP-Überzugs oder -Deckschicht (oder erste Überzugsschicht) 18, eine undotierte InGap-Aktivschicht 20 und eine Überzugsschichteinheit (oder zweite Überzugsschicht) 28 aus p-Typ-InGaAlP-Schichten 22, 24 und 26 angeordnet. Die erste Überzugsschicht 18, die Aktivschicht (oder aktive Schicht) 20 und die zweite Überzugsschicht 28 bilden eine Doppelheterostruktur.
  • Eine (im folgenden als "p-InGaAlP-Schicht" bezeichnete) p-Typ-InGaAlP-Schicht 24 enthält Aluminium in einem niedrigeren Zusammensetzungsverhältnis als andere p- InGa-AlP-Schichten 22 und 26 und dient daher als Ätzstopper bei der noch näher zu beschreibenden Herstellung der Laserdiode 10. Die Schicht 26 ist auf der Schicht 24 mit einer Mesastreifenform ausgebildet, die durch zwei schräge Seiten bzw. Flanken 26a und 26b gekennzeichnet ist. Die Schicht 26 bildet somit ein(e) lineare(n) Vorsprung (Steg) oder Rippe, welche(r) einen mesaförmigen Wellenleiterkanal festlegt.
  • Auf der Oberseite der mesaförmigen Überzugsschicht 26 ist eine dünne Kontaktschicht 30 aus p-InGaAlp geformt. Auf der dünnen Kontaktschicht 30 ist eine weitere Kontaktschicht 32 aus p-GaAs ausgebildet. Die Kontaktschicht 32 ist als Mesastreifen geformt, und sie ist schmäler als die Überzugsschicht 26. Auf der Überzugsschicht 28 sind Stromblockier- oder -sperrschichten 34-1 und 34-2 so ausgebildet, daß sie die mesaförmige Überzugsschicht 26, die dünne Kontaktschicht 30 und die schrägen Flanken der mesaförmigen Kontaktschicht 32 bedecken. Weder die Schicht 34-1 noch die Schicht 34-2 bedeckt die Oberseite der Kontaktschicht 32. Die Stromsperrschichten 34-1 und 34-2 kontaktieren diejenigen Flächen der mesaförmigen Überzugsschicht 26, welche dem Wellenleiterkanal zugewandt sind. Sie kontaktieren auch die Schichten 30 und 32. Die Schicht 32 sowie die Schichten 34-1 und 34-2 vermögen die Stromsperrfunktion zu erfüllen.
  • Weiterhin ist eine dicke, die Stromsperrschicht 34 bedeckende p-GaAs-Kontaktschicht 36 auf der Oberseite der mesaförmigen Kontaktschicht 32 ausgebildet. Da die Schicht 36 so dick geformt ist, daß ihre Oberfläche flach ist, erhält die Laserdiode 10 einen quadratischen Querschnitt. Auf der oberen Kontaktschicht 36 ist eine flache Metallschicht 38 erzeugt. An der Unterseite des Substrats 12 ist eine flache Metallschicht 40 geformt. Die Metallschichten 38 und 40 schließen somit die Laserdiode zwischen sich ein und dienen als Anschlußelektroden der Laserdiode 10.
  • Die Laserdiode 10 mit diesem Aufbau emittiert sichtbares Laserlicht als kontinuierliche oder ungedämpfte Welle in der Weise, daß die obere Kontaktschicht 32 sowie die Stromsperrschichten 34-1 und 34-2 die Stromblockier- oder -sperroperation durchführen und die den mesaförmigen Kanal festlegende p-InGaAlP-Überzugsschicht 26 das innerhalb der Diode 10 erzeugte Laserlicht leitet. Da die Pufferschicht 16 zwischen die GaAs-Pufferschicht 14 und die InGaAlP-Heterostruktur eingefügt ist, kann sie die Kristallinität der Heterostruktur verbessern. Die dünne Kontaktschicht 30 dient zur Reduzierung des elektrischen Kontaktwiderstands zwischen der Überzugsschicht 26 und der Kontaktschicht 32. Die dünne Kontaktschicht 30 besteht aus einem Halbleitermaterial eines Bandabstands, der größer ist als derjenige der Kontaktschicht 32 über der Schicht 30, aber kleiner als derjenige der unter der Schicht 30 liegenden Schicht 26. Der Bandabstand kann innerhalb der dünnen Kontaktschicht 30 variiert werden. In diesem Fall wird bevorzugt, daß die Bandabstandsbreite der Kontaktschicht 30 derjenigen der Schicht 26 im Zwischenflächenbereich zwischen den Schichten 26 und 30 sowie derjenigen der Schicht 32 im Zwischenflächenbereich (oder Grenzflächenbereich) zwischen den Schichten 30 und 32 gleich ist und sich im anderen Bereich der Schicht 30 fortlaufend oder allmählich in lotrechter Richtung ändert.
  • Das Substrat 12 besteht im allgemeinen aus einer (Gruppe-)III- bis V-Halbleiterverbindung. Die ersten bis vierten Überzugsschichten 18, 22, 24 und 26, die einen Doppelheterostrukturübergang bilden, bestehen aus Halbleiterverbindungen mit jeweils mehreren Arten von III- Elementen und mindestens einem V-Element. Typischerweise bestehen diese Überzugsschichten aus
  • InxGa1-x-yAsyP (0 &le; y < 1), InxGa1-x-yAlyP (0 &le; y &le; 1) oder InxGa1-x-yAlyAS (0 &le; y &le; 1).
  • Die Stromsperrschichten 34-1 und 34-2 bestehen aus einer Halbleiterverbindung, die praktisch die gleiche ist wie die das Substrat 12 bildende III-V-Halbleiterverbindung. Wenn das Substrat 12 aus GaAs geformt ist, bestehen die Stromsperrschichten 34-1 und 34-2 aus
  • Ga1-zAlzAs (0 &le; z &le; 1).
  • (Bei der oben beschriebenen Ausführungsform bestehen die Schichten 34 aus GaAs.) Wenn andererseits das Substrat 12 aus InP besteht, müssen die Stromsperrschichten 34 aus InP geformt sein.
  • Eine Laserdiode 10 mit der mesaförmigen Wellenleiterstruktur wurde durch die Erfinder auf einer Versuchsbasis hergestellt, wie dies anhand der Fig. 2A bis 2F erläutert werden wird. Zunächst wurde ein n-Typ-GaAs- Substrat 12 mit einer Kristallebene (100), das mit Silizium in einer Konzentration von 3 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ dotiert war, bereitgestellt. Sodann wurde das MOCVD-Verfahren bei Atmosphärendruck oder einem niedrigeren Druck durchgeführt, und zwar unter Verwendung eines Gasgemisches aus einem organischen Gruppe-III-Metall der Methanserie (z.B. Trimethylindium, Trimethylgallium oder Trimethylaluminium) und einem Hydrid eines Gruppe-V-Metalls (z.B. Arsin oder Phosphin) bei Atmosphärendruck oder einem niedrigeren Druck. Als Ergebnis wurden die Pufferschichten 14 und 16, die Überzugsschicht 18, die Aktivschicht 20, die Überzugsschichten 22, 24 und 26 sowie die Kontaktschichten 30 und 32 jeweils übereinander in der in Fig. 1 dargestellten Reihenfolge auf dem Substrat 12 geformt oder erzeugt, wodurch ein Plättchen einer Doppelheterostruktur erhalten wurde.
  • Die erste Pufferschicht 14 war eine n-Typ-GaAs-Schicht, die mit Selen in einer Konzentration von 3 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ dotiert war und eine Dicke von 0,5 µm besaß. Die zweite Pufferschicht 16 war eine mit Selen in einer Konzentration von 3 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ dotierte und eine Dicke von 0,5 µm besitzende n-Typ-InGaP-Schicht. Die erste Überzugsschicht 18 war eine mit Selen in einer Konzentration von 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ dotierte und eine Dicke von 1,5 µm besitzende n-Typ - In0,5Ga0,2Al0,3P-Schicht. Die Aktivschicht war eine 0,1 µm dicke n-Typ- In0,5Ga0,5Al- Schicht. Die zweite Überzugsschicht 18 war eine mit Magnesium in einer Konzentration von 2 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ dotierte und eine Dicke von 1,0 µm besitzende p-Typ- In0,5Ga0,2Al0,3P-Schicht. Die dritte Überzugsschicht 24 war eine mit Magnesium in einer Konzentration von 2 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ dotierte und eine Dicke von 0,02 µm besitzende p-Typ-In0,5Ga0,4Al0,1P-Schicht. Die vierte Überzugsschicht 26 war eine mit Magnesium in einer Konzentration von 2 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ dotierte und eine Dicke von 1,4 µm besitzende p-Typ-Schicht aus In0,5Ga0,2Al0,3P. Die als Zwischenkontaktschicht dienende Kontaktschicht 30 war eine 0,01 µm dicke p-Typ- In0,5Ga0,4Al0,1P-Schicht. Die Kontaktschicht 32 war eine 0,5 µm dicke p-Typ-GaAs-Schicht. Beide Kontaktschichten 30 und 32 waren mit Magnesium in einer Konzentration von 2 x 10¹&sup8;cm&supmin;³ dotiert. Es ist darauf hinzuweisen, daß im Gattungssymbol der Doppelheterostruktur, d.h. InxGa1-x-yAlyP (0 &le; y &le; 1), y vorzugsweise mehr als 0,8 beträgt.
  • Nachdem die Doppelheterostruktur nach dem MOCVD-Verfahren geformt worden war, wurde ein linearer Streifenfilm 40 aus Siliziumoxid (SiO&sub2;) auf der Kontaktschicht 32, d.h. der obersten Schicht der Heterostruktur, durch Zersetzung von Silangas und mittels herkömmlicher Photoätzung erzeugt. Dieser Film war 0,1 µm dick und 5 µm breit. Fig. 2A veranschaulicht im Querschnitt das auf diese Weise erhaltene mehrlagige Plättchen.
  • Anschließend wurde die Kontaktschicht 32 unter Benutzung des SiO&sub2;-Films 40 als Maske einem selektiven Ätzen unterworfen, wobei gemäß Fig. 2B ein mesaförmiger GaAs- Streifen 32' einer Breite von etwa 3 µm gebildet wurde. Als Ergebnis wurde dabei die unter der Schicht 32 liegende dünne Kontaktschicht 32 teilweise freigelegt.
  • Im anschließenden Prozeß des selektiven Ätzens der InGaAlP-Schichten 26 und 30 wurde der mesaförmige Streifen 32' als Maske benutzt. Die Schichten 26 und 30 wurden mit Ausnahme der unter dem mesaförmigen Streifen 32' liegenden Abschnitte oder Bereiche weggeätzt, wodurch die dritte Überzugsschicht 24 freigelegt wurde. Dadurch wurde ein mesaförmiger InGaAlP-Streifen 26' einer Dicke von etwa 5 µm geformt. Für diesen Ätzvorgang wurde ein Ätzmittel, wie eine Lösung aus Schwefelsäure oder Phosphorsäure bei einer Temperatur von 40 bis 130ºC verwendet.
  • Das Plättchen mit den beiden mesaförmigen Streifen 32' und 26' wurde einem selektiven Seiten- oder Flankenätzen unterworfen. Der mesaförmige Streifen 32' aus GaAs wurde an der Seite bzw. Flanke geätzt und dadurch zu einem Streifen 32" geformt, der schmäler war als der mesaförmige Streifen 26', wie dies aus Fig. 2D hervorgeht. Das beim selektiven Flankenätzen verwendete Ätzmittel war eine Lösung aus 28 % Ammoniakwasser, 35 % einer wässrigen Lösung von Wasserstoffperoxid und Wasser im Volumenverhältnis von 1 : 30 : 9.
  • Die Stromsperrschichten 34-1 und 34-2, d.h. eine n-Typ-Ga1-zAlzAS (0 &le; z &le; 1)-Schicht, wurden auf der Struktur gemäß Fig. 2D nach dem MOCVD-Verfahren unter reduziertem Druck unter Verwendung von Trimethylgallium und Arsin erzeugt. Diese (Schichten) waren n-GaAs-Stromsperrschichten einer Dicke von 0,5 µm, die mit Selen in einer Konzentration von 5 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ dotiert waren. Insbesondere wurden die Schichten 34-1 und 34-2 auf die im folgenden beschriebene Weise geformt oder erzeugt. Das noch unfertige Produkt wurde in eine Hülle eingebracht. Unter Einführung von verdünntem Phosphingas in die Hülle (oder den Kolben) wurde die darin herrschende Temperatur auf 700ºC erhöht. Anschließend wurde die Zufuhr von Phosphingas unterbrochen, worauf Arsingas in die Hülle (oder den Kolben) eingeführt wurde. Nach Ablauf von etwa 1 s ab dem Beginn der Zuspeisung des Arsingases wurde organisches Trimethylgallium-Metallgas in die Hülle eingeleitet, wodurch die Stromsperrschichten 34-1 und 34-2 lediglich auf der zweiten Kontaktschicht 24 und den mesaförmigen Schichten 26', 30' und 32' erzeugt wurden. Auf der SiO&sub2;-Maskenschicht 40 wurden keine GaAs-Schichten erzeugt. Als Ergebnis wurde eine Struktur erhalten, wie sie in Fig. 2E dargestellt ist.
  • Danach wurden die SiO&sub2;-Maskenschicht 40 entfernt und eine n-GaAs-Schicht 36 nach dem MOCVD-Verfahren auf den beiden Stromsperrschichten 34-1 und 34-2 geformt. Wie aus Fig. 2F hervorgeht, war die Oberfläche der Schicht 36 flach. Die Schicht 36 wirkt als dritte Kontaktschicht der Laserdiode 10. Sie besaß eine Dicke von 3 µm und war mit Magnesium in einer Konzentration von 5 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ dotiert. Sodann wurde eine Elektrode 38 (Fig. 1) auf der n-GaAs-Schicht 36 abgelagert (bzw. auf diese aufgedampft), und eine Elektrode 40 (Fig. 1) wurde auf der Unterseite des Substrats 12 abgelagert. Die beiden Elektroden 38 und 40 bestanden aus einer Gold- Zink-Legierung oder einer Gold-Germanium-Legierung. Auf diese Weise wurde ein Laserplättchen hergestellt.
  • Das Plättchen wurde gespalten, wobei eine InGaAlP- Laserdiode einer Doppelheterostruktur erhalten wurde, die eine Resonatorlänge von 250 µm besaß. Es wurde festgestellt, daß die Laserdiode einen Laserstrahl einer Wellenlänge im Bereich von 650 nm bis 680 nm, d.h. nahezu vollständig sichtbare Strahlen, emittierte. Die Diode wurde zur Bestimmung ihrer Charakteristika oder Eigenschaften getestet. Sie besaß gute Grundcharakteristika; ihr Schwellenstrom betrug 90 mA, und ihr Differentialquantenwirkungsgrad betrug 20 % für jede Seite. Darüber hinaus zeigte sie eine gute Stromausgangscharakteristik, bei welcher die Ausgangsleistung mit einer Erhöhung des Ansteuerstroms auf bis zu 20 mW oder etwas mehr anstieg. Weiterhin wurde belegt, daß optische Bilder an den Fern- und Nahpunkten des Sichtfelds dieser Laserdiode eine ideale Einpeak-Charakteristik aufwiesen. Dies ließ darauf schließen, daß mit dieser Laserdiode eine stabile Modus- oder Betriebsartsteuerung erfolgreich erreicht worden ist.
  • Es ist darauf hinzuweisen, daß die Stromsperrschichten 34-1 und 34-2 nicht auf n-Typ-Ga1-zAlzAS (0 &le; z &le; 1)- Schichten beschränkt sind. Beispielsweise können die Schichten 34-1 und 34-2 aus InP bestehen, wenn das Substrat 12 aus InP hergestellt ist und der Doppelheteroübergang eine InxGa1-x-yAlyAs(0 < Y < 1)-Schicht ist. Eine Laserdiode mit dieser Struktur wurde ebenfalls hergestellt und getestet. Diese Laserdiode wies ebenfalls gute Charakteristika auf, und es konnte eine stabile Modus- oder Betriebsartsteuerung an ihr durchgeführt werden.
  • Bei der oben beschriebenen InGaAlP-Laserdiode 10 mit einer mesaförmigen Wellenleiterstruktur bestehen die Stromsperrschichten 34-1 und 34-2 aus der gleichen III-V-Halbleiterverbindung (d.h. GaAs) wie das Substrat 12. Demzufolge ist es möglich, Stromsperrschichten 34 einer hohen Güte zu erzeugen, bei welcher die Entstehung eines Gitterdefekts oder einer Versetzung auch an den abgestuften Abschnitten ihres Mesastreifen-Wellenleiterkanals minimiert sein kann. Eine Laserdiode, die ausgezeichnete Charakteristika bzw. Eigenschaften in der Grund-Einzeltransversalschwingungsbetriebsart sowie Astigmatismus und hohe Betriebszuverlässigkeit besitzt, kann damit unter Benutzung eines spezifischen Halbleitermaterials, wie InGaAlP oder InGaAlAs, das sehr schwierig zur Bildung einer gleichmäßigen Schicht abzulagern oder auf zudampfen ist, erhalten werden, wobei die Laserdiode dennoch Laserlicht einer Wellenlänge über einen weiten Bereich hinweg zu emittieren vermag. Die Verwendung dieses speziellen Materials ermöglicht die Anwendung eines bekannten Verfahrens für die Herstellung einer Laserdiode, die ausreichend zuverlässig ist und daher, im Gegensatz zu herkömmlichen Laserdioden, in der Praxis einsetzbar ist. Mit anderen Worten: die Erfindung vermag die mit der Herstellung von Halbleiterlasern verbundenen Probleme zu lösen, die dem Fachmann seit langem bekannt sind, bisher jedoch nicht ausgeräumt werden konnten.
  • Von den Erfindern wurden Halbleiterlaser zweier Typen oder Arten hergestellt, die jeweils die bekannten Strukturen aufwiesen, um die ihnen anhaftenden Mängel oder Nachteile aufzuzeigen.
  • Jeder der Laser des ersten Typs wurde auf folgende Weise hergestellt: Bei einem unter Atmosphärendruck liegenden Druck wurde ein Gasgemisch aus einem organischen Metall der Gruppe-III-Methanreihe (z.B. Trimethylindium, Trimethylgallium oder Trimethylaluminium) und einem Hydrid eines Gruppe-V-Metalls (z.B. Arsin oder Phospin) thermisch zersetzt, wodurch auf einem InP- Substrat eine mesaförmige InGaAlAs- oder InP-Schicht erzeugt wurde. Sodann wurde das gleiche Gasgemisch thermisch zersetzt, um eine InGaAlAs- oder InP-Schicht auf der mesaförmigen InGaAlAs- oder InP-Schicht und auch auf dem InP-Substrat zu erzeugen.
  • Jeder der Laser des zweiten Typs wurde auf folgende Weise hergestellt: Eine mesaförmige InGaAlP- oder GaAlAs-Schicht wurde auf einem GaAs-Substrat nach einem Verfahren erzeugt, das dem im vorhergehenden Absatz beschriebenen Verfahren ähnlich ist. Anschließend wurde auf der InGaAlP- oder GaAlAs-Schicht eine mesaförmige Schicht erzeugt. Hierauf wurde eine InGaAlP-Schicht oder eine GaAlAs-Schicht auf der mesaförmigen Schicht und auch auf dem GaAs-Substrat erzeugt.
  • Bei den Strukturen bzw. Gebilden des ersten Typs konnte InP ohne weiteres auf der InGaAlAs- oder InP-Schicht gezüchtet bzw. zum Aufwachsen gebracht werden, während es jedoch schwierig war, InGaAlAs auf der InGaAlAs- oder InP-Schicht zum Aufwachsen zu bringen. Im Fall der Schichten des zweiten Typs konnte GaAlAs ohne weiteres auf der GaAlAs- oder InGaAlP-Schicht zum Aufwachsen gebracht werden, während es schwierig war, ein Material hoher Güte, d.h. InGaAIP, auf der GaAlAs-/oder InGaAlP- Schicht zum Aufwachsen zu bringen bzw. zu züchten. Danach wurde an diesen Schichten eine Röntgenbeugungsanalyse durchgeführt. Die Ergebnisse waren derart, daß bei der die Kombination aus InGaAlAs-/und InGaAlAs- Schichten verwendenden Probe ein deutlicher Unterschied zwischen der Gitterkonstante der mesaförmigen Schicht an der geneigten Flanke und derjenigen auf ihrem flachen oberen Abschnitt zu beobachten war. Unvermeidlicherweise waren in der die schrägen Flanken der mesaförmigen Schicht bedeckenden InGaAlAs-Schicht zahlreiche Versetzungen zu beobachten.
  • Die Schwierigkeit des Wiederaufwachsens (re-growth) von InGaAlP oder InGaAlAs auf der mesaförmigen Schicht lassen sich wie folgt erläutern: Im Fall von InGaAlAs oder InGaAlP kann die Versetzung der Tatsache zugeschrieben werden, daß die Gitterkonstanten ihrer Bestandteile, d.h. InP, GaP und AlP, sehr stark verschieden sind von derjenigen von GaAs, mit dem InGaAlP bezüglich des Gitters angepaßt werden muß. Diese Gitterkonstantendifferenz erschwert die Herstellung der mehrlagigen Struktur einer Halbleiterlaserdiode. Wenn daher ein derartiges Halbleitermaterial auf der mesaförmigen Schicht zum erneuten Aufwachsen gebracht wird, ist der Kristallinisierungsprozeß der geneigten Flanken der mesaförmigen Schicht erheblich verschieden von dem am flachen oberen Abschnitt, wodurch eine Fehlanpassung in der auf diese Weise erhaltenen Halbleiterkristallstruktur hervorgerufen wird.
  • Wie oben ausgeführt, konnte eine InP-Schicht ohne weiteres auf der mesaförmigen Schicht aus InGaAlAs oder InP gezüchtet bzw. zum Aufwachsen gebracht werden, während GaAlAs ohne weiteres auf der mesaförmigen Schicht aus InGaAlP oder GaAlAs erzeugt werden konnte. Dies ist deshalb der Fall, weil InP ein (Gruppe-)V-Element (P) gleich dem Material (InP) des Substrats enthält, an das InP bezüglich des Gitters gut angepaßt werden muß, während GaAlAs ein (Gruppe-)V-Element (As) gleich dem Material (GaAs) des Substrats enthält, an welches GaAlAs bezüglich des Gitters angepaßt werden muß.
  • Weiterhin besteht beim erfindungsgemäßen Halbleiterlaser der Laserkanal aus einer mesaförmigen Überzugsschicht 26, und die Überzugsschicht 26 ist durch übereinander ausgebildete Kontaktschichten 30, 32 und 36 elektrisch mit der Elektrodenschicht 38 verbunden. Die Überzugsschicht 26 kann daher Licht sehr wirksam leiten, wodurch der Lichtemissionswirkungsgrad des Lasers erhöht wird. Da die dünne Kontaktschicht 30 auf der Oberseite der mesaförmigen Schicht 26 ausgebildet und daher ein zweckmäßiger Bandabstand zwischen der Schicht 26 und der Kontaktschicht 32 gewährleistet ist, kann sie den elektrischen Widerstand zwischen den Schichten 26 und 32 senken. Da weiterhin die obere Kontaktschicht 36 eine flache Oberseite aufweist, besitzt sie einen ausreichend niedrigen Kontaktwiderstand, und sie kann die Verformung der auf ihr geformten Elektrodenschicht 38 minimieren. Diese Merkmale vermögen die Verbesserung der Charakteristika bzw. Eigenschaften und der Zuverlässigkeit des Halbleiterlasers zu begünstigen.
  • Wie erwähnt, ist es nach dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, eine InGaAlP-Laserdiode 10 mit einem mesaförmigen Wellenleiter unter Anwendung der gewöhnlichen Verarbeitung ohne Anwendung einer Feinverarbeitungstechnologie herzustellen. Nach diesem Verfahren kann infolgedessen die Laserdiode 10 ohne weiteres mit hoher Reproduzierbarkeit hergestellt werden. Insbesondere wird der Wellenleiter der Laserdiode 10 durch selektives Ätzen (vgl. Fig. 2D) geformt, während die Stromsperrstruktur nach dem MOCVD-Verfahren (vgl. Fig. 2E) erzeugt wird. Das selektive Ätzverfahren und das MOCVD- Verfahren sind die derzeit bei der Herstellung von Halbleiteranordnungen üblicherweise angewandten Prozesse; keines dieser Verfahren ist mit ernsthaften Nachteilen behaftet. Die Diode 10 kann daher mit hohem Ausbringen und hoher Produktionsleistung hergestellt werden.
  • Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform bilden InGaAlP- (oder GaAlAs-) und GaAs-Schichten einen optischen Wellenleiter und eine Stromsperrstruktur. Zu diesem Zweck muß ein anderes Halbleitermaterial, d.h. InGaAlP, auf den freiliegenden Oberflächen des GaAs- Substrats und der mesaförmigen InGaAlP-Schicht erneut zum Aufwachsen gebracht (re-grown) werden. Allgemein ist es für InGaAIP- und GaAs-Schichten üblicherweise schwierig, eine Beschädigung der Oberfläche einer GaAlAs- oder InGaAlP-Schicht durch die Verdampfung von P und As, die beim Erwärmen eines noch nicht fertiggestellten Erzeugnisses auftritt, zu verhindern. Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann jedoch der die Oberseite der GaAs-Schicht 32' bedeckende SiO&sub2;-Film 40 eine Verdampfung von P und As und eine Beschädigung der GaAlAs- oder InGaAlP-Schicht verhindern. GaAlAs oder InGaAlP kann durch Erwärmen des noch nicht fertiggestellten Erzeugnisses in einer Phosphoratmosphäre unter Bildung einer glatten, flachen Oberseite erneut zum Aufwachsen gebracht werden. Darüber hinaus wird bei der obigen Ausführungsform die mesaförmige Kontaktschicht 32 mit einer oberseitigen Breite von 3 pm erzeugt, die kleiner ist als die Breite (5 µm) der SiO&sub2;-Schicht 40, wie dies aus Fig. 2F hervorgeht. Infolgedessen besitzen die Abschnitte der Schichten 34-1 und 34-2, die um die Kontaktschicht 32 herum angeordnet sind, zusammen mit der Schicht 34 eine Stromstrecke bildend, flache Oberseiten. Die auf den Schichten 32, 34-1 und 34-2 erzeugte Kontaktschicht 36 kann eine flache Oberseite aufweisen, und die Elektrodenschicht 38 kann ohne weiteres oder einfach auf der Kontaktschicht 36 ausgebildet werden.

Claims (1)

  1. Fig. 3 veranschaulicht eine einen mesaförmigen Wellenleiter aufweisende Laserdiode 50 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Den Elementen der ersten Ausführungsform entsprechende Elemente sind dabei mit den gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 bezeichnet und nicht mehr im einzelnen beschrieben.
    Die Laserdiode 50 weist kein der dickenkontaktschicht 36 (Fig. 1) äquivalentes Element auf. Eine Elektrodenschicht 52 ist daher unmittelbar auf Stromblockieroder -sperrschichten 34-1 und 34-2 geformt, welche die mesaförmige Kontaktschicht 32 umgeben. Die Elektrodenschicht 52 ist elektrisch und unmittelbar mit der Kontaktschicht 32 gekoppelt. Bei der Laserdiode 50 bestehen die Stromsperrschichten 34-1 und 34-2 ebenfalls aus dem gleichen Material wie das Substrat 12, d.h. einem (Gruppe-) III-V-Verbindungshalbleiter, ganz speziell Ga1-zAlzAs (0 &le; z &le; 1).
    In diesem Fall sind die Schichten 34-1 und 34-2 aus n-GaAs hergestellt. Ohne die dicke Kontaktschicht 36 kann die Laserdiode 50 mit weniger Fertigungsschritten hergestellt werden, wodurch letztlich die Kosten für die Diode 50 gesenkt werden.
    Fig. 4 veranschaulicht eine Laserdiode 60 bzw. eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die den Elementen der ersten Ausführungsform entsprechenden Elemente sind dabei mit den gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 bezeichnet und nicht mehr im einzelnen erläutert.
    Bei der dritten Ausführungsform bedeckt eine Stromblockier- oder -sperrschicht 62 eine mesaförmige Überzugsschicht 26 und eine mesaförmige Kontaktschicht 32. Die Schicht 32 weist eine flache Oberseite auf. Sie besteht aus dem gleichen Material wie das Substrat 12, d.h. einem (Gruppe-) III-V-Verbindungshalbleiter, ganz speziell Ga1-zAlzAs (0 &le; z &le; 1).
    Die SiO&sub2;-Schicht 40 (Fig. 2) wird entfernt, bevor die Stromsperrschicht 62 durch Wiederaufwachsen von Ga1-zAlzAs geformt wird. In der Stromsperrschicht 62 wird durch Eindiffundieren oder Ionenimplantieren eines p-Typ-Dotiermittels, wie Zn, in die Schicht 62 eine p-Typ-Halbleiterdiffusionsschicht 64 erzeugt, die so tief ist, daß sie die mesaförmige Kontaktschicht 32 überlappt. Auf der flachen Oberseite der Schicht 62 ist oder wird eine Elektrodenschicht 38 geformt. Die Diffusionsschicht 64 ist daher zwischen die mesaförmige Kontaktschicht 26 und die Elektrodenschicht 38 eingefügt, und sie verringert den elektrischen Widerstand zwischen den Schichten 26 und 38.
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