DE3805088C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung gemäß dem Patentan­ spruch 5.

Ein Halbleiterlaser der genannten Art ist bereits aus der EP O 2 05 307 A2 oder aus der offengelegten japanischen Pa­ tentpublikation Nr. 61-204994 bekannt. Dieser bekannte Halbleiterlaser enthält

• - ein Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps,
• - einen auf dem Halbleitersubstrat liegenden Mesabereich mit einer aktiven Schicht und einer ersten Abdeckschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps,
• - an beiden Seiten des Mesabereichs nacheinander auf dem Halbleitersubstrat aufgewachsene, dotierte Schichten, zu denen eine eingebettete Schicht eines ersten Leitfähig­ keitstyps, eine erste Stromsperrschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps und eine zweite Stromsperrschicht ei­ nes ersten Leitfähigkeitstyps gehören, und
• - eine auf der zweiten Stromsperrschicht und der ersten Ab­ deckschicht liegende zweite Abdeckschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps.

Aus der EP O 1 76 028 A2 ist ferner ein Halbleiterlaser der genannten Art bekannt, bei dem die zweite Stromsperrschicht auch die erste Abdeckschicht bedeckt. Dieser Halbleiterla­ ser verfügt über eine erste Stromsperrschicht benachbart zum Mesabereich, die vom zweiten Leitfähigkeitstyp in den ersten Leitfähigkeitstyp umgewandelt ist, um dadurch den Leckstrom im Halbleiterlaser zu minimieren.

Darüber hinaus sind aus Ishikawa, H. u. a., Distributed Feedback Laser Emitting at 1.3 µm for High-Bit-Rate Systems, in: Fujitsu Sci. Techn. J., Vol. 22, December 1986, No. 5, pp. 451-460 sowie aus DUTTA, N. K. u. a., Effect of active layer placement on the threshold current of 1.3 µm InGaAsP etched mesa buried heterostructure lasers, in: Appl. Phys. Lett., Vol. 45, August 1984, No. 4, pp. 337-339 alternative Möglichkeiten zur Vermeidung einer Thyristor­ funktion der Schichtenfolge außerhalb des Mesastreifens be­ kannt.

Die Fig. 6 zeigt einen Querschnitt durch den bekannten Halbleiterlaser gemäß der offengelegten japanischen Patent­ publikation Nr. 61-204994. Der Halbleiterlaser weist ein Halbleitersubstrat 1 vom p-Typ auf sowie eine darauf aufge­ wachsene aktive Schicht 2. Auf der aktiven Schicht 2 liegt eine aufgewachsene Abdeck- bzw. Plattierungsschicht 3 vom n-Typ (cladding layer). Beide Schichten 2 und 3 werden auf dem Halbleitersubstrat 1 mit Hilfe eines ersten Flüssigpha­ sen-Epitaxie-Wachstumsprozesses erzeugt. Im Anschluß daran werden zwei Kanäle zur Herstellung einer Mesastruktur 1′ durch einen Ätzvorgang eingebracht, wobei die Mesastruktur 1′ in einem zentralen Streifen auf dem Halbleitersubstrat 1 die aktive Schicht 2 und die Abdeckschicht 3 vom n-Typ trägt. Um den Strom innerhalb der aktiven Schicht 2 zu be­ grenzen bzw. einzuschränken, sind auf jeder Seite des Mesa­ bereichs 1′ zusätzlich aufgewachsene p-n-Schichten vorhan­ den. Im dargestell­ ten Beispiel befindet sich eine eingebettete Schicht 4 vom p-Typ auf dem Substrat (als auch auf den Teilen der aktiven Schicht 2 und der Abdeckschicht 3 vom n-Typ in der Nähe der Kanten der Einrichtung). Nach Bildung der eingebetteten Schicht 4 vom p-Typ werden zusätzliche Schichten erzeugt, zu denen eine Stromsperrschicht 5 vom n-Typ und eine Strom­ sperrschicht 6 vom p-Typ gehören. Zuletzt wird eine Abdeck­ schicht 7 vom n-Typ auf der gesamten oberen Fläche der Halbleitereinrichtung gebildet, also auf derjenigen Fläche, die die Abdeckschicht 3 vom n-Typ und die Stromsperrschicht 6 vom p-Typ aufweist, um einen im wesentlichen flachen Be­ reich zur Aufnahme einer nicht dargestellten Elektrode zu erhalten.

Wird beim Betrieb des Halbleiterlasers eine Spannung zwi­ schen Halbleitersubstrat 1 vom p-Typ und Abdeckschicht 7 vom n-Typ erzeugt, so werden Löcher und Elektronen, die die Ladungsträger der jeweiligen Schichten bilden, in die akti­ ve Schicht 2 injiziert. Erreicht der injizierte Strom einen vorbestimmten (vorzugsweise niedrigen) Pegel, so tritt eine Laserschwingung auf, die zur Emission von Licht führt. Die injizierten Ladungsträger sind dabei innerhalb der aktiven Schicht 2 konzentriert, und zwar durch den umgekehrt vorge­ spannten p-n-Übergang, der die Stromsperrschichten 5 und 6 enthält. Aufgrund der durch den umgekehrt vorgespannten p- n-Übergang 5, 6 gebildeten Barriere wird der Strom inner­ halb des aktiven Bereichs stark eingegrenzt bzw. einge­ schnürt, so daß der Halbleiterlaser mit hohem Wirkungsgrad und geringem Leckstrom bzw. Leerlaufstrom arbeiten sollte.

In der Praxis erreicht ein derartiger Halbleiterlaser aber nicht den erwarteten hohen Wirkungsgrad, da Leckströme in­ folge gegenseitiger Berührung bestimmter Schichten auftre­ ten. Genauer gesagt werden durch die genannte Berührung elektrische Verbindungen hergestellt, und zwar üblicherwei­ se zwischen der Stromsperrschicht 5 vom n-Typ und der Ab­ deckschicht 3 vom n-Typ einerseits sowie zwischen der Stromsperrschicht 5 vom n-Typ und der Abdeckschicht vom n- Typ andererseits. Diese elektrischen Verbindungen führen letztlich zu den genannten Leck- oder Leerlaufströmen in­ nerhalb des Halbleiterlasers. Die Ströme sind in Fig. 6 durch die eingezeichneten Pfeile markiert. Sie sind relativ groß, wenn man berücksichtigt, daß der spezifische elektri­ sche Widerstand der n-Schicht um eine Größenordnung niedri­ ger ist als derjenige der p-Schicht. Da ferner der Bereich des p-n-Übergangs zwischen der eingebetteten Schicht 4 vom p-Typ und der Stromsperrschicht 5 vom n-Typ groß ist, wird ein hoher Gesamtleckstrom von der Stromsperrschicht vom n- Typ zu einer der Abdeckschichten vom n-Typ erhalten. Tat­ sächlich wurde herausgefunden, daß bei einem mit Hilfe des Flüssigphasen-Epitaxieverfahrens hergestellten Halbleiter­ laser die Stromsperrschicht 5 vom n-Typ in fast allen Fäl­ len mit der einen oder anderen der Abdeckschichten 3, 7 vom n-Typ in Kontakt steht. Obwohl die Breite dieser Verbindung relativ gering ist, beispielsweise 0,1 µm, tritt dennoch ein hoher Leckstrom auf, wie oben beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiter­ laser der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß er zuverlässig hergestellt werden kann und während des Be­ triebs nicht mehr so große Leckströme zwischen einer der Stromsperrschichten und der Abdeckschichten aufweist. Ins­ besondere soll eine Trennung zwischen der Stromsperrschicht vom n-Typ und den Abdeckschichten vom n-Typ innerhalb des Halbleiterlasers verwirklicht werden, ohne daß sich dadurch das Verfahren zur Herstellung des Halbleiterlasers verkom­ pliziert.

Die vorrichtungsseitige Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegeben. Sie besteht darin, daß die erste Stromsperrschicht benach­ bart zum Mesabereich einen Spitzenbereich aufweist, der durch Diffusion von Dotierstoffatomen vom zweiten Leitfä­ higkeitstyp in den ersten Leitfähigkeitstyp umgewandelt ist, um dadurch den Leckstrom im Halbleiterlaser zu mini­ mieren.

Das Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers nach der Erfindung zeichnet sich durch die kennzeichnenden Merk­ male des Patentanspruchs 5 aus.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den jewei­ ligen Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Figuren stellen neben dem Stand der Technik Ausfüh­ rungsbeispiele der Erfindung dar. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Halbleiterlaser nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2a bis 2c den Halbleiterlaser in verschiedenen Her­ stellungsschritten,

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Halbleiterlaser nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 4 und 5 graphische Darstellungen zur Erläuterung des Wachstumsprozesses bestimmter Schichten des Halb­ leiterlasers nach der Erfindung und

Fig. 6 einen Querschnitt durch einen konventionellen Halbleiterlaser.

In Übereinstimmung mit Fig. 1 enthält der Halbleiterlaser nach der Erfindung ein Halbleitersubstrat 1 vom p-Typ, das als Unterbau bzw. Basis dient. Ein Mesabereich 1′, der we­ nigstens annähernd im Zentralbereich des Halbleitersub­ strats 1 liegt, enthält eine aktive Schicht 2 und eine er­ ste Abdeckschicht 3 vom n-Typ (cladding layer). Stromsperr­ schichten befinden sich an jeder Seite des Mesabereichs 1′. Im dargestellten Ausführungsbeispiel enthält die Strom­ sperrstruktur eine eingebettete Schicht 4 vom p-Typ, eine Stromsperrschicht 5 vom n-Typ und eine Stromsperrschicht 6 vom p-Typ. Diese Schichten sind auf jeder Seite des Mesabe­ reichs 1′ vorhanden. Sie werden nacheinander durch entspre­ chende Wachstumsprozesses erzeugt. Eine Abdeckschicht 7 vom n-Typ bedeckt die gesamte obere Fläche der Halbleiterein­ richtung, also die Abdeckschicht 3 vom n-Typ und die Strom­ sperrschicht 6 vom p-Typ. Eine Halbleiterlasereinrichtung dieses Typs wird häufig als begrabene Heterostruktur be­ zeichnet.

Im Zusammenhang mit Fig. 1 sei darauf hingewiesen, daß die Stromsperrschicht 5 vom n-Typ endet, bevor sie den Mesabe­ reich 1′ erreicht, so daß sie mit diesem nicht in Kontakt steht. Sie ist daher gegenüber den Abdeckschichten 3, 7 vom n-Typ elektrisch isoliert. Obwohl also der gewünschte und umgekehrt vorgespannte p-n-Übergang zwischen der Strom­ sperrschicht 5 vom n-Typ und der benachbarten Stromsperr­ schicht 6 vom p-Typ vorhanden ist, liegt kein Kontakt zwi­ schen der Stromsperrschicht 5 vom n-Typ und der Abdeck­ schicht 3 vom n-Typ einerseits oder zwischen der Strom­ sperrschicht 5 vom n-Typ und der Abdeckschicht 7 vom n-Typ andererseits vor, so daß kein Leckweg für den Strom vorhan­ den ist, der über den p-n-Übergang fließen könnte. Aufgrund des fehlenden Berührungskontakts und des fehlenden resul­ tierenden Leckstroms kann daher der Halbleiterlaser nach Fig. 1 mit größerem Wirkungsgrad als der in Fig. 6 gezeigte konventionelle Halbleiterlaser arbeiten.

Obwohl nicht im einzelnen beschrieben, werden mit der in Fig. 1 gezeigten Halbleiterstruktur noch Kontakte und der­ gleichen verbunden. Der Halbleiterlaser ist typischerweise ein solcher vom GaAs-Typ und wird durch einen Flüssigpha­ sen-Epitaxie-Wachstumsprozeß hergestellt. Material InP wird üblicherweise als Grundlage für die Schmelze verwendet, und zwar mit Zn-Dotierung, wenn eine Schicht vom p-Typ erzeugt werden soll, und mit Te-Dotierung, wenn eine Schicht vom n- Typ erzeugt werden soll.

Anhand der Fig. 2a bis 2c wird nachfolgend das Verfahren zur Herstellung des in Fig. 1 gezeigten Halbleiterlasers im einzelnen beschrieben. Die in Fig. 2a gezeigte Teilstruktur wird mit Hilfe eines ersten Flüssigphasen-Epitaxie-Wachs­ tumsprozesses erzeugt. In diesem ersten Prozeß (erste Stu­ fe) wird das Halbleitersubstrat 1 gebildet, auf dem der Reihe nach übereinanderliegend die aufgewachsene aktive Schicht 2 und die erste Abdeckschicht 3 vom n-Typ liegen. Nach Beendigung der ersten Stufe des Aufwachsvorgangs wird der Mesabereich 1′ mit Hilfe konventioneller Techniken her­ gestellt. Hierzu kann beispielsweise ein photolithographi­ sches Verfahren zum Einsatz kommen, bei dem mittels einer Maske die Oberfläche des Mesabereichs 1′ definiert wird. Diese Fläche wird mit einem ätzfesten Material beschichtet, beispielsweise mit SiO₂. Anschließend wird ein Ätzprozeß durchgeführt, um Teile der Abdeckschicht 3 vom n-Typ, der aktiven Schicht 2 und des Halbleitersubstrats 1 zu entfer­ nen, die auf beiden Seiten des Mesabereichs 1′ liegen, so daß letztlich die Teilstruktur nach Fig. 2b erhalten wird.

Nach Bildung des Mesabereichs 1′ wird unter Heranziehung der in Fig. 2b gezeigten Teilstruktur eine zweite Stufe des Flüssigphasen-Epitaxie-Wachstumsprozesses durchgeführt, dem sich ein Diffusionsprozeß anschließt oder mit dem ein Dif­ fusionsprozeß kombiniert ist, um Berührungskontakte zwi­ schen der Stromsperrschicht 5 vom n-Typ und den Abdeck­ schichten 3, 7 vom n-Typ zu vermeiden. Während des ersten Teils der zweiten Stufe des Epitaxie-Wachstumsprozesses wird auf jeder Seite des Mesabereichs 1′ eine eingebettete Schicht 4 vom p-Typ erzeugt. Zusätzliche aufgewachsene Schichten werden auf jeder Seite des Mesabereichs 1′ gebil­ det, zu denen die Stromsperrschicht 5 vom n-Typ und die Stromsperrschicht 6 vom p-Typ gehören. Zuletzt wird eine aufgewachsene Abdeckschicht 7 vom n-Typ zur Vervollständi­ gung der Halbleitereinrichtung auf der gesamten oberen Flä­ che gebildet, um sowohl die Stromsperrschicht 6 vom p-Typ als auch die Abdeckschicht 3 vom n-Typ abzudecken. Es sei darauf hingewiesen, daß beim Flüssigphasen-Epitaxie-Wachs­ tumsprozeß die Schichten 4 bis 6 an jeder Seite des Mesabe­ reichs 1′ bis zu Punkten 6′ aufwachsen, die sehr nahe an der Kante des Mesabereichs 1′ liegen. Die Stromsperrschicht 5 vom n-Typ neigt daher wie beim Stand der Technik dazu, die Abdeckschicht 3 vom n-Typ oder die Abdeckschicht 7 vom n-Typ zu berühren, so daß ein Leckstromweg entsteht.

In Übereinstimmung mit der Erfindung wird jedoch der Spit­ zenbereich 8 der Stromsperrschicht 5 vom n-Typ in einen Be­ reich mit entgegengesetzter Leitfähigkeit invertiert, um somit eine elektrische Verbindung und jeden daraus folgen­ den Leckstromweg zu eliminieren. Wie weiter unten noch ge­ nauer beschrieben wird, werden Dotierstoffatome durch ther­ mische Diffusion in die p- oder n-Schichten eingebracht, um den Leitfähigkeitstyp im Spitzenbereich 8 der Stromsperr­ schicht 5 zu invertieren. Im dargestellten Ausführungsbei­ spiel gemäß Fig. 2c erfolgt eine Inversion vom n-Typ zum p- Typ, so daß der Spitzenbereich 8 einen Trennbereich vom p- Typ bildet, durch den verhindert wird, daß sich das Mate­ rial der Stromsperrschicht 5 vom n-Typ und das der Abdeck­ schichten 3, 7 vom n-Typ berühren. Im nachfolgenden wird anhand zweier spezifischer Beispiele das Verfahren zur In­ version durch thermische Diffusion im einzelnen beschrie­ ben.

Zunächst werden im Hinblick auf die Leitfähigkeitsumkehrung bzw. Leitfähigkeitsinversion die Do­ tierungskonzentrationen für die Schichten vom n-Typ und vom p-Typ (also typischerweise die Te- und Zn-Dotierungen) zu­ einander eingestellt, so daß innerhalb einer vernünftigen Zeitdauer durch thermische Diffusion die gewünschte Umkeh­ rung erhalten werden kann. Beim Stand der Technik sind die verwendeten Konzentrationen so gewählt, daß die Dotierungs­ konzentration vom n-Typ etwa 5- bis 10mal oder noch größer ist als die Dotierungskonzentration vom p-Typ.

Bei einer ersten Anwendung der Erfindung werden die Dotierungen für den epitaktischen Wachstumsprozeß der zweiten Stufe so eingestellt, daß die Dotierungskon­ zentration vom p-Typ für die Schichten 4, 6 größer ist als die Dotierungskonzentration vom n-Typ für die Schicht 5. Die gesamte Einrichtung wird hohen Diffusionstemperatu­ ren ausgesetzt, so daß die Dotierungen vom p-Typ in­ nerhalb der Schichten 4, 6 in die Schicht 5 diffundieren können, wie anhand der gestrichelten Linien in Fig. 2 mit Bezug auf die Schicht 5 zu erkennen ist. Die Diffusionszeit ist so eingestellt, daß der dünne Spitzenbereich 8 der Schicht 5 durchdiffundiert wird, wobei allerdings die Diffusionstiefe im Vergleich zur Dicke des Hauptkörpers der Schicht 5 gering ist. Es wird daher nur der Leitfähigkeits­ typ des Spitzenbereichs 8 umgekehrt bzw. invertiert, und zwar vom n-Typ zum p-Typ, so daß die gewünschte Trennung zwischen der Schicht 5 vom n-Typ und den Abdeckschichten 3, 7 vom n-Typ erhalten wird.

Verfahrensbedingungen zur Ausführung der gerade beschriebe­ nen Inversion sind in Fig. 4 genauer dargestellt. Entlang der horizontalen Achse in Fig. 4 ist die Diffusionszeit aufgetragen, während entlang der vertikalen Achse die Dotierungskonzentrationen für die n- und p-Dotierungen dargestellt sind. Die Variable n₁ stellt die anfängli­ che Dotierungskonzentration vom n-Typ in der Strom­ sperrschicht 5 vom n-Typ dar. Das Wort "anfänglich" wird verwendet, um einen Hinweis auf die Dotierungskonzen­ tration zu Beginn des Diffusionsprozesses zu geben, also einen direkten Hinweis auf die Dotierungskonzentration in der Schmelze. Entsprechend stellen p₂ und p₃ Anfangs­ werte der Konzentrationen vom p-Typ in der eingebetteten Schicht 4 vom p-Typ und in der Stromsperrschicht 6 vom p- Typ dar. Die Fig. 4 zeigt eine Situation, in der sich zu Beginn der Diffusion keine Dotierung vom p-Typ in­ nerhalb der Stromsperrschicht 5 vom n-Typ befinden. Die Graphik zeigt den zeitlichen Wechsel der Dotierungs­ konzentrationen in der Stromsperrschicht 5 vom n-Typ an den Punkten A und B (siehe Fig. 2), also jeweils im Spitzenbe­ reich 8 und im Grundkörper der Stromsperrschicht 5. So re­ präsentiert z. B. der Wert n _A die Dotierungskonzentra­ tion vom n-Typ am Punkt A, während der Wert P _B die Dotierungskonzentration vom p-Typ am Punkt B repräsentiert, und zwar jeweils in Abhängigkeit der Diffusionszeit.

Da die Diffusionsgeschwindigkeit der Dotierungen vom n-Typ (z. B. von Te) sehr klein im Vergleich zur Diffu­ sionsgeschwindigkeit der Dotierungen vom p-Typ (z. B. von Zn) ist, wird in bezug auf die in Fig. 4 betrachtete Zeitperiode nur eine kleine Änderung der Dotierungs­ konzentration vom n-Typ an den Punkten A und B erhalten. Sie verbleibt sehr nahe am Anfangswert n₁. Aufgrund der hö­ heren Diffusionsgeschwindigkeit der Dotierungen vom p- Typ sowie aufgrund der relativ hohen Konzentration der Dotierungen vom p-Typ in den Schichten 4 und 6 tritt je­ doch eine signifikante Änderung der p-Typ-Konzentration an beiden Punkten A und B auf. Erfolgt die Diffusion über eine hinreichend lange Zeit, so können die Dotierungen an den Punkten A und B tatsächlich von einem Wert, der praktisch bei Null liegt, auf die Werte p₂ und p₃ angehoben werden. Es ist ersichtlich, daß der Leitfähigkeitstyp an den Punkten A und B vom n-Typ ist, wenn die n-Konzentration größer als die p-Konzentration ist, und vom p-Typ, wenn die n-Konzentration kleiner als die p-Konzentration ist. Zwi­ schen den Zeitpunkten t₁ und t₂ ist es also möglich, den Leitfähigkeitstyp am Punkt A, also den Spitzenbereich 8 der Schicht 5 zu invertieren bzw. umzukehren, während keine Um­ kehrung bzw. Invertierung des Leitfähigkeitstyps am Punkt B im Hauptkörperbereich erfolgt. Der Leitfähigkeitstyp im Spitzenbereich 8 wird somit geändert, so daß die gewünschte Trennung erhalten wird, während der Hauptkörperbereich wei­ terhin vom n-Leitfähigkeitstyp ist, um als Stromsperr­ schicht zu dienen. Für die Dotierungskonzentrationen lassen sich folgende Werte beispielsweise angeben: n₁ = 5 × 10¹⁸ cm^-3, p₂, p₃ = 5,5 × 10¹⁸ cm^-3. Eine geeignete Diffu­ sionstemperatur kann bei 600°C liegen, während die Diffu­ sionszeit zur Umwandlung des Leitfähigkeitstyps des Spit­ zenbereichs 8 etwa 10 Minuten beträgt, so daß die n-Leitfä­ higkeit des Hauptkörperbereichs erhalten bleibt.

Unter Verwendung der oben beschriebenen Parameter ist es möglich, die Diffusion in einer relativ kurzen Zeit durch­ zuführen, da die Inversion bzw. Umwandlung zum größten Teil durch die p-Typ-Dotierungen bestimmt wird, die eine relativ große Diffusionsgeschwindigkeit aufweisen. Aller­ dings ist die Steuerung der Größe des Diffusionsbereichs schwierig, was unter Umständen als Nachteil angesehen wer­ den kann.

Es kann ein zweiter Satz von Verfahrensparametern verwendet werden, durch den zwar die Diffusionszeit verlängert wird, durch den andererseits aber eine bessere Steuerung der Dif­ fusion möglich ist. Beispielsweise können die Dotierungs­ konzentrationen so eingestellt werden, daß n₁ nur we­ nig größer als p₂ und p₃ ist. Fig. 5 zeigt die Anfangsbe­ dingungen und die Änderungen der Dotierungskonzentra­ tionen an den Punkten A und B in Abhängigkeit der Diffu­ sionszeit. Es sei darauf hingewiesen, daß die Zeitachse in Fig. 5 nicht dieselbe Einteilung wie die in Fig. 4 auf­ weist, so daß entsprechend der in Fig. 5 gezeigten Graphik eine größere Gesamtdiffusionszeit gegenüber der in Fig. 4 gezeigten Diffusionszeit erhalten wird.

Wie anhand der Fig. 5 zu erkennen ist, wird die Umwandlung bzw. Inversion des Leitfähigkeitstyps durch die Diffusion von Dotierungen vom n-Typ bestimmt. Zu Beginn des Dif­ fusionszyklus steigen die Dotierungskonzentrationen an beiden Punkten A und B von einem Wert, der etwa bei Null liegt, auf die Werte p₂, p₃ an, die die anfänglichen Dotierungskonzentrationspegel der Schichten 4, 6 vom p-Typ darstellen. Da allerdings die anfängliche Konzentration ge­ ringer ist als die Konzentration vom n-Typ, erfolgt an den genannten Punkten keine Leitfähigkeitsumwandlung. Zum Zeit­ punkt t₁ hat allerdings ein hinreichend großer Anteil von Dotierungen vom n-Typ die Schicht 5 vom n-Typ aufgrund der Diffusion verlassen, so daß sich der Leitfähigkeitstyp am Punkt A umkehrt, also im Spitzenbereich 8 der Schicht 5. Der Dotierungspegel n _B am Punkt B ist jedoch zum Zeit­ punkt t₁ noch größer als der p-Typ-Pegel p _B an diesem Punkt so daß keine Leitfähigkeitsumwandlung am Punkt B er­ folgt. Wie beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel tritt also auch hier eine Umwandlung des Leitfähigkeitstyps zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ auf, wobei die Prozeßbedingungen so eingestellt werden können, daß die Leitfähigkeitsumwandlung nur am Punkt A und nicht am Punkt B erhalten wird. Folgende Dotierungskonzentrationen können beispielsweise gewählt werden: n₁ = 5 × 10¹⁸ cm^-3 und p₂, p₃ = 2 × 10¹⁸ cm^-3. Zur Durchführung der gewünschten Umwandlung kann die Diffusionstemperatur bei 600°C liegen, und zwar über eine Diffusionszeit von etwa einer Stunde.

Es sei darauf hingewiesen, daß auch andere Kombinationen von Verfahrensbedingungen eingestellt werden können, also andere Dotierungskonzentrationspegel, andere Einstel­ lungen dieser Pegel zueinander und andere Diffusionstempe­ raturen und -zeiten, um eine teilweise Leitfähigkeitsum­ wandlung im Spitzenbereich 8 der ersten Stromsperrschicht 5 zu erzielen. Im Falle der Fig. 4 können die Werte p₂ und p₃ auch größer als n₁ sein, wenn die Konzentration vom p-Typ wesentlich größer ist als die Konzentration vom n-Typ, wo­ bei die Diffusionszeit sehr kurz ist. Werden jedoch die p- Typ-Konzentrationen im Verhältnis zur n-Typ-Konzentration reduziert, so steigt die Diffusionszeit an. Im Fall der Fig. 5 wird, wenn die anfängliche Konzentration vom n-Typ größer als die anfängliche Konzentration vom p-Typ ist, die Diffusionszeit zur Erzielung der Inversion sehr lang, wenn n₁ sehr viel größer als p₂ und p₃ ist. Nähert sich jedoch n₁ den Werten p₂ und p₃, so wird die zur Inversion erfor­ derliche Diffusionszeit erheblich reduziert.

Gemäß den beiden in den Fig. 4 und 5 gezeigten Fällen läßt sich durch Erhöhung der Diffusionstemperatur der Diffu­ sionsprozeß beschleunigen, so daß die Diffusionszeit ver­ kürzt werden muß, um die gewünschte Teilinversion zu erhal­ ten. Die Werte n₁, p₂ und p₃ hängen voneinander ab und kön­ nen in Übereinstimmung mit der Diffusionszeit und der Diffusionstemperatur zur Erzielung des gewünschten Ergeb­ nisses eingestellt werden.

Es ist ferner möglich, andere Diffusionsparameter zu ver­ wenden, wenn der Spitzenbereich 8 der Schicht 5 aufgrund einer Änderung der Kristallwachstumsbedingungen dünner her­ gestellt wird.

Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde an­ genommen, daß die anfänglichen Dotierungskonzentratio­ nen p₂ und p₃ vom p-Typ gleiche Werte aufweisen. In einigen Fällen kann es jedoch erwünscht sein, unterschiedliche Kon­ zentrationen vom p-Typ für die Schichten 4 und 6 zu verwen­ den und die Diffusionsbedingungen entsprechend einzustel­ len.

Der Diffusionsprozeß kann ferner mit der zweiten Stufe des Kristallwachstumsprozesses kombiniert oder getrennt von diesem durchgeführt werden. Genauer gesagt kann der Diffu­ sionsprozeß als vollständig getrennter Prozeß ablaufen, nachdem der Kristallwachstumsprozeß beendet worden ist. Al­ ternativ dazu kann der Diffusionsprozeß auch als Teil­ schritt während des Kristallwachstumsprozesses ausgeführt werden und unmittelbar nach dem Aufwachsen der Kristall­ schichten, indem der aufgewachsene Kristall einer hohen Temperatur für die erforderliche Zeit ausgesetzt wird. Um die Diffusion durchführen zu können, ist es nicht erforder­ lich, den Kristall aus der Kristallziehvorrichtung heraus­ zunehmen, da keine Diffusionsmaske verwendet zu werden braucht.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die Mesastruktur eine Vorwärts-Mesastruktur, also eine solche, in der die Mesabasis größer als der Spitzenbereich der Me­ sastruktur ist. Selbstverständlich kann mit Hilfe der kon­ ventionellen Technik auch eine umgekehrte Mesastruktur er­ zeugt werden, so daß die Erfindung auch bei einer solchen Mesastruktur, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, Anwendung finden kann. Gemäß Fig. 3 werden in Übereinstimmung mit Fig. 2 ein Substrat 1 vom p-Typ, eine aktive Schicht 2 und eine Abdeckschicht 3 vom n-Typ der Reihe nach übereinander­ liegend in einer ersten Phase eines Kristallwachstumspro­ zesses gebildet. Dann wird der Mesabereich mit Hilfe eines Ätzprozesses erzeugt. An jeder Seite des Mesabereichs wer­ den nacheinander auf dem Substrat 1 eine eingebettete Schicht vom p-Typ, eine erste Stromsperrschicht 5 vom n-Typ und eine zweite Stromsperrschicht 6 vom p-Typ gebildet, und zwar mittels geeigneter Wachstumsprozesse. Anschließend wird die gesamte obere Fläche der so erhaltenen Struktur mittels einer Abdeckschicht 7 vom n-Typ abgedeckt. Entspre­ chend den zuvor beschriebenen Fällen kommt auch hier die Schicht 5 vom n-Typ zu Beginn mit einem Punkt in Kontakt, der an der Ecke der Mesastruktur liegt. Infolge der Leitfä­ higkeitsumwandlung durch thermische Diffusion wird jedoch die Stromsperrschicht 5 vom n-Typ gegenüber den Abdeck­ schichten 3, 7 vom n-Typ isoliert, so daß das Auftreten ei­ ner Leckstelle verhindert wird.

Entsprechend der Erfindung wird ein Halbleiterlaser erhal­ ten, der einen niedrigen Schwellenstrom und einen hohen Wirkungsgrad aufweist und der nur einen kleinen Leerlauf­ strom besitzt. Dies wird durch Minimierung von Stromleck­ stellen innerhalb des Halbleiterlasers erreicht. Bei der Herstellung des Halbleiterlasers läuft ein thermischer Dif­ fusionsprozeß ab, durch den in einem Teilbereich der Schichten der Leitfähigkeitstyp umgekehrt bzw. invertiert wird. Hierdurch lassen sich die genannten Stromleckstellen abdichten.

Claims (9)

1. Halbleiterlaser mit

• - einem Halbleitersubstrat (1) eines ersten Leitfähigkeits­ typs,
• - einem auf dem Halbleitersubstrat (1) liegenden Mesabe­ reich (1′) mit einer aktiven Schicht (2) und einer ersten Abdeckschicht (3) eines zweiten Leitfähigkeitstyps,
• - an beiden Seiten des Mesabereichs (1′) nacheinander auf dem Halbleitersubstrat (1) aufgewachsenen, dotierten Schichten, zu denen eine eingebettete Schicht (4) eines ersten Leitfähigkeitstyps, eine erste Stromsperrschicht (5) eines zweiten Leitfähigkeitstyps und eine zweite Stromsperrschicht (6) eines ersten Leitfähigkeitstyps ge­ hören, und
• - einer auf der zweiten Stromsperrschicht (6) und der er­ sten Abdeckschicht (3) liegenden zweiten Abdeckschicht (7) eines zweiten Leitfähigkeitstyps,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - die erste Stromsperrschicht (5) benachbart zum Mesabe­ reich (1′) einen Spitzenbereich (8) aufweist, der durch Diffusion von Dotierstoffatomen vom zweiten Leitfähig­ keitstyp in den ersten Leitfähigkeitstyp umgewandelt ist, um dadurch den Leckstrom im Halbleiterlaser zu minimie­ ren.

2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in den Spitzenbereich (8) hineindiffundierte Dotierstoffatome die Umwandlung des Leitfähigkeitstyps be­ wirken.

3. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die eingebettete Schicht (4) und/oder die zweite Stromsperrschicht (6) gegenüber der ersten Strom­ sperrschicht (5) eine höhere Dotierung aufweisen, derart, daß die Dotierung der eingebetteten Schicht (4) und/oder der zweiten Stromsperrschicht (6) die Umwandlung des Leit­ fähigkeitstyps des Spitzenbereichs (8) bewirkt.

4. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die erste Stromsperrschicht (5) eine Dotie­ rung aufweist, die höher als die der eingebetteten Schicht (4) und der zweiten Stromsperrschicht (6) ist, derart, daß die Dotierung der ersten Stromsperrschicht (5) die Umwand­ lung des Leitfähigkeitstyps des Spitzenbereichs (8) be­ wirkt.

5. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• - aufeinanderfolgende Bildung einer aktiven Schicht (2) und einer ersten Abdeckschicht (3) eines zweiten Leitfähig­ keitstyps auf einem Halbleitersubstrat (1) eines ersten Leitfähigkeitstyps,
• - Fortätzen der aktiven Schicht (2) und der ersten Abdeck­ schicht (3) an jeder Seite eines zentralen Streifens zwecks Bildung eines Mesabereichs (1′),
• - aufeinanderfolgende Bildung zusätzlicher Schichten mit vorbestimmten Dotierungen auf dem Halbleitersubstrat (1) zu beiden Seiten des Mesabereichs (1′), zu denen eine eingebettete Schicht (4) eines ersten Leitfähigkeitstyps, eine erste Stromsperrschicht (5) eines zweiten Leitfähig­ keitstyps und eine zweite Stromsperrschicht (6) eines er­ sten Leitfähigkeitstyps gehören,
• - Aufbringen einer zweiten Abdeckschicht (7) eines zweiten Leitfähigkeitstyps auf die zweite Stromsperrschicht (6) und die erste Abdeckschicht (3), und
• - Diffusion von Dotierstoffatomen zwischen der ersten Stromsperrschicht (5) sowie der eingebetteten Schicht (4) und/oder der zweiten Stromsperrschicht (6) über eine Zeit, die ausreicht, den Leitfähigkeitstyp im Spitzenbe­ reich (8) der ersten Stromsperrschicht (5) umzukehren, um dadurch den Leckstrom im Halbleiterlaser zu minimieren.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungen so eingestellt werden, daß die einge­ bettete Schicht (4) und/oder die zweite Stromsperrschicht (6) gegenüber der ersten Stromsperrschicht (5) eine höhere Dotierung aufweisen und daß die aus der Schicht oder den Schichten mit höherer Dotierung herausdiffundierenden Do­ tierstoffatome die Umwandlung des Leitfähigkeitstyps des Spitzenbereichs (8) bewirken.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungen so eingestellt werden, daß die erste Stromsperrschicht (5) eine höhere Dotierung aufweist als die eingebettete Schicht (4) und die zweite Stromsperr­ schicht (6) und daß die aus der ersten Stromsperrschicht (5) herausdiffundierenden Dotierstoffatome die Umwandlung des Leitfähigkeitstyps des Spitzenbereichs (8) bewirken.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusion während des Aufwachspro­ zesses der Schichten auf dem Halbleitersubstrat (1) durch­ geführt wird.