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Die vorliegende Erfindung betrifft einen
Halbleiterlaser und insbesondere einen Halbleiterlaser, der bei
Raumtemperatur in einer
Grundtransversalschwingungsbetriebsart zum kontinuierlichen Emittieren sichtbaren
Lichts arbeitet.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Erfindung nebst ihrer Aufgabe und ihren Vorteilen
ergibt sich deutlicher aus der nachfolgenden genauen
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform.
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In der nachfolgenden genauen Beschreibung einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird auf die
beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen zeigen:
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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,
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Fig. 2A bis 2F Schnittansichten von in den
Hauptschritten der Herstellung der Diode nach
Fig. 1 erhaltenen Mehrlagenstrukturen,
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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InxGa1-x-yAsyP (0 ≤ y < 1), InxGa1-x-yAlyP (0 ≤ y ≤ 1)
oder InxGa1-x-yAlyAS (0 ≤ y ≤ 1).
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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
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Ga1-zAlzAs (0 ≤ z ≤ 1).
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(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.
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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.
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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 ≤ y ≤ 1), y
vorzugsweise mehr als 0,8 beträgt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Stromsperrschichten 34-1 und 34-2, d.h. eine
n-Typ-Ga1-zAlzAS (0 ≤ z ≤ 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.
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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.
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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.
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Es ist darauf hinzuweisen, daß die Stromsperrschichten
34-1 und 34-2 nicht auf n-Typ-Ga1-zAlzAS (0 ≤ z ≤ 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.
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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.
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Von den Erfindern wurden Halbleiterlaser zweier Typen
oder Arten hergestellt, die jeweils die bekannten
Strukturen aufwiesen, um die ihnen anhaftenden Mängel
oder Nachteile aufzuzeigen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.