DE3850009T2

DE3850009T2 - Halbleiterlaser mit verteiltem Bragg-Reflektor und Verfahren zu seiner Herstellung.

Info

Publication number: DE3850009T2
Application number: DE3850009T
Authority: DE
Inventors: Hideaki Nishizawa; Yasuharu Suematsu; Mitsuo Takahashi
Original assignee: Research Development Corp of Japan; Sumitomo Electric Industries Ltd; Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; Sumitomo Electric Industries Ltd; Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 1987-09-01
Filing date: 1988-08-31
Publication date: 1995-01-05
Anticipated expiration: 2008-09-01
Also published as: DE3850009D1; JPS6461081A; US4914670A; US5045499A; EP0305990B1; JPH0477477B2; EP0305990A2; EP0305990A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser der mit einem verteilten Braggreflektor versehenen Art und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Lasers.
Ein Halbleiterlaser von der mit einem verteilten Braggreflektor versehenen, als BIG-DBR bezeichneten Art, wird gegenwärtig aufgrund seiner hervorragenden Leistung als ein einer überlegenen Klasse zugehöriger Laser erachtet.
Diese Art von Laser wurde von Tohmori und Mitarbeitern in "Japanese Journal of Applied Physics", Band 24, Nr. 6, 1985, Seiten 399 bis 401 vorgeschlagen. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung von Lasern dieser Art.
An eine Lichtquelle, deren Wellenlänge ein Band bei 1,55 um aufweist und die eine Form der Lichtkommunikation mit hoher Leistung über große Entfernungen hinweg ermöglichen soll, werden die Anforderungen gestellt, daß sie einen einzigen, stabilen Longitudinalmodus aufweist, daß sie mit anderen funktionellen Einrichtungen monolithisch leicht integrierbar ist, usw.
Ein dynamischer Einzelmoduslaser ist ein Laser geeigneter Form, welcher diese Bedingungen erfüllen kann.
Dynamische Einzelmoduslaser umfassen Laser von der eine verteilte Rückkopplung aufweisenden Art (DFB), Laser der mit einem verteilten Braggreflektor versehenen Art (DBR), Verbundresonatorlaser usw.
Von diesen ist der Laser der mit einem verteilten Braggreflektor versehenen Art von besonderem Interesse.
In einem Laser von der mit einem verteilten Braggreflektor versehenen Art wird ein Beugungsgitter auf einem Wellenleiter ausgebildet und als ein verteilter Braggreflektor verwendet.
Ein Laser dieser Art bietet viele Vorteile wie z. B. den Umstand, daß ein stabiler Betrieb im Einzellongitudinalmodus leicht bei einer Modulation mit hoher Geschwindigkeit aufrechterhalten werden kann, daß der Laser mit anderen funktionellen Bauelementen leicht monolithisch integrierbar ist, daß die Länge des Laseresonators auf einen kurzen Hohlraum einstellbar ist, usw.
Laser von der mit einem verteilten Braggreflektor versehenen Art werden hauptsächlich in Laser vom Typ DBR-ITG, welche eine integrierte Zwillingswellenleiterstruktur aufweisen, und Laser vom Typ DBR-BJB, welche eine Direktkopplungsstruktur aufweisen, eingeteilt.
Laser, die dem ersten dieser Typen angehören, sind Laser von der mit einem verteilten Braggreflektor und integralem Zwillingsleiter versehenen Art, welche zwei Wellenleiter aufweisen. Ein externer Wellenleiter erstreckt sich nach außen. Auf diesem Wellenleiter ist oberhalb einer Pufferschicht ein aktiver Wellenleiter ausgebildet. Die Fläche des verteilten Braggreflektors ist auf dem externen Wellenleiter vorgesehen.
Bei einem Laser dieser Art ergibt sich das Problem, wonach ein Teil des Lichtes zwischen dem aktiven Wellenleiter und dem externen Wellenleiter reflektiert wird. D.h., das Problem ergibt sich daraus, daß der aktive Wellenleiter über dem externen Wellenleiter liegend ausgebildet und deshalb der Kopplungszustand zwischen beiden ungünstig und der Reflexionsverlust in dem Kopplungsteil groß ist.
In einem Laser vom Typ DBR-BJB sind sowohl der aktive Wellenleiter als auch der externe Wellenleiter in einer fast rechtwinkligen Konfiguration angeordnet. Es liegt nämlich keiner der Wellenleiter in der senkrechten Richtung, sondern es sind beide in der gleichen Ebene angeordnet; somit ist der Reflexionsverlust im Kopplungsteil gering.
In der Praxis kann jedoch an der Grenze zwischen den beiden Wellenleitern leicht ein Niveauunterschied auftreten. Es gibt gewisse Nachteile, wonach der aktive Wellenleiter und der externe Wellenleiter in dem einen Niveauunterschied aufweisenden Teil unvollständig gekoppelt sind und das Licht von diesem, einen Niveauunterschied aufweisenden Teil reflektiert wird.
Aufgrund dieses Reflexionsverlustes ist der Wirkungsgrad der Kopplung zwischen diesen Wellenleitern gering. Folglich ergeben sich bei den üblichen Lasern vom Typ DBR Probleme, wonach Schwingungen mit mehrfachen Moden leicht auftreten können und die differentielle Quantenausbeute gering ist.
Im Hinblick auf eine Lösung dieser Problem wurde von Suematsu, Arai, Tohmori und Mitarbeitern der Halbleiterlaser von der mit einem verteilten Braggreflektor versehenen Art (Typ BIG-DBR) erfunden, wobei deren Patentanmeldung darauf (japanische Patentanmeldung Nr. 60-12181, JP-A-61-171190) am 25. Januar 1985 eingereicht und am 1. August 1986 offengelegt wurde.
Dieser Laser weist eine Wellenleiterstruktur auf, bei der ein aktiver Wellenleiter von einem externen Wellenleiter umgeben ist.
Im mittleren Teil dieser Struktur ist der externe Wellenleiter (im Gegensatz zum Fall des Lasers vom Typ ITG) auf dem aktiven Wellenleiter vorgesehen, während an den Seitenteilen der externe Wellenleiter auf einer ausgedehnten Oberfläche des aktiven Wellenleiters angeordnet ist. Somit sind der aktive Wellenleiter und der externe Wellenleiter in zwei Richtungen miteinander gekoppelt, d. h. in der senkrechten Richtung und in der Richtung der waagrechten Oberfläche, wodurch der Wirkungsgrad der Kopplung verbessert wird. In der Praxis ergibt sich jedoch ein größeres Problem bezüglich der mit diesem Laser erzielbaren Ausbeuten.
Dieser Punkt soll nun unter Bezugnahme auf die Fig. 8 bis 11 erläutert werden, welche Querschnittsansichten zur Darstellung der Herstellungsschritte sind.
Ein aktiver InGaAsP-Wellenleiter 12 und eine InP-Depressionsschicht 13 sind mit einem Verfahren der Flüssigphasenepitaxie nacheinander auf einem InP-(100)-Substrat 11 vom p-Typ ausgebildet.
Als nächstes werden die InP-Depressionsschicht 13 und der aktive InGaAsP-Wellenleiter 12 unter Beibehaltung der mittleren Teile geätzt. Gleichzeitig wird auch ein Teil der oberen Fläche des InP-Substrats 11 geätzt.
Ein Gitter 16 wird auf der oberen Fläche des freiliegenden InP-Substrats 11 gebildet. Fig. 8 ist eine Querschnittsansicht, welche den Zustand eines mit den vorstehenden Schritten ausgebildeten Lasers darstellt.
Wie aus der Fig. 8 verständlich wird, bilden eine Kantenfläche U der InP-Depressionsschicht 13 und eine Kantenfläche W des aktiven InGaAsP-Wellenleiters 12 eine fluchtebene Fläche. Diese Fläche verläuft parallel zu oder geringfügig geneigt gegenüber einer (110)-Spaltungsebene.
Eine externe InGaAsP-Wellenleiterschicht 14 wird dann mit einem Verfahren der Flüssigphasenepitaxie auf der Depressionsschicht 13 gebildet.
Es ist zweckmäßig, daß die externe Wellenleiterschicht 14 in der Weise ausgebildet wird, daß sie die oberen Flächen sowohl des Substrats 11 als auch der Depressionsschicht 13 gleichmäßig bedeckt.
Es ergibt sich jedoch der Nachteil, daß die externe InGaAsP- Wellenleiterschicht 14 in der unmittelbaren Nähe der aktiven InGaAsP-Wellenleiterschicht 12 und der InP-Depressionsschicht 13 nicht einwandfrei ausgebildet wird.
Fig. 9 zeigt einen derartigen nachteiligen Zustand.
Die externe Wellenleiterschicht 14 wächst epitaxial auf dem InP-Substrat 11 und auch auf der Depressionsschicht 13.
In den Bereichen in der Nähe der Kantenflächen U der Depressionsschicht 13 und der Kantenflächen W des aktiven Wellenleiters 12 wächst jedoch die Schicht 14 kaum und es verbleiben Zwischenräume G.
Fig. 10 ist eine Querschnittsansicht, welche eine Zustand ähnlich dem der Fig. 9 zeigt. Die Kantenflächen U und W der Depressionsschicht und des aktiven Wellenleiters sind geringfügig in der Richtung zur (111)-Ebene hin geneigt. Obwohl es nicht klar ist, ob die Kantenflächen U und W in Richtung der (110)-Ebene oder der (111)-Ebene geneigt sind, wächst praktisch in jedem Fall die externe Wellenleiterschicht nicht in der Weise, daß sie einen engen Kontakt zu den Kantenflächen W und U herstellt.
Fig. 11 zeigt ein besonderes Beispiel der Fig. 9. Es wird aus diesem Diagramm verständlich, daß die externe InGaAsP-Wellenleiterschicht 14 kontinuierlich ohne einen Zwischenraum an den Kantenflächen U und W gebildet wird, jedoch verbleiben sogar bei diesem kontinuierlichen Zustand Vertiefungen 18.
Im Falle des in der Fig. 11 gezeigten Beispiels wird die externe InGaAsP-Wellenleiterschicht 14 kontinuierlich auf der InP-Depressionsschicht 13 und dem InP-Substrat 11 gebildet, und es verlaufen der aktive Wellenleiter und der externe Wellenleiter kontinuierlich mit den Kantenflächen W. Obwohl jedoch die beiden Wellenleiter gekoppelt sind und das Licht in dem aktiven Wellenleiter zum externen Wellenleiter übertragen werden kann, ist es schwierig, aufgrund des Einflusses der Vertiefungen einen zufriedenstellenden Kopplungszustand zwischen beiden zu erzielen.
Laser mit Strukturen der vorstehend beschriebenen Art sind tatsächlich hergestellt worden und, wie in Fig. 9 und 10 dargestellt, ist der externe Wellenleiter an beiden Seiten des aktiven Wellenleiters von verbleibenden Zwischenräumen unterbrochen. Fast alle hergestellten Laser dieser Art sind wie dieser. Da der Wirkungsgrad der Kopplung 0 ist, können diese Produkte nicht als Laser funktionieren. Es hat Fälle gegeben, in denen Laser der in der Fig. 11 dargestellten Art mit geringer Ausbeute erhalten worden sind. Jedoch beträgt die Ausbeute nur wenige %, und es ist schwierig, Produkte herzustellen, die in der Praxis als Laser verwendbar sind.
Der Grund, warum der externe Wellenleiter an jeder Seite des aktiven Wellenleiters und der Depressionsschicht durchgetrennt ist, wird nicht verstanden. Ein möglicher Grund liegt darin, daß die Kantenflächen U der Depressionsschicht und die Kantenflächen W des aktiven Wellenleiters in der Ebene der (111)-Mesarichtung liegen. Es besteht die Möglichkeit, daß derartige Kantenflächen schräge Flächen sind, wie dies in der Fig. 10 gezeigt ist.
Es ist als Tatsache bekannt, daß bei der Flüssigphasenepitaxie das Kristallwachstum kaum jemals in der Ebene der (111)-Mesarichtung des InP stattfindet.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, wie sie im Anspruch 6 offenbart ist, ein Verfahren guter Ausbeute zur Herstellung eines Lasers vom Typ BIG-DBR vorzusehen, bei dem der externe Wellenleiter mit dem aktiven Wellenleiter an den Kantenflächen gekoppelt ist, ohne daß ein Zwischenraum in einem derartigen Laser verbleibt, der externe Wellenleiter die obere Fläche des aktiven Wellenleiters bedeckt, und der externe Wellenleiter sich an seinem Seitenteil entlang derselben Oberfläche erstreckt, wie der aktive Wellenleiter.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung, wie sie im Anspruch 1 offenbart ist, ist es, einen Laser vom Typ BIG-DBR mit hohem Kopplungsgrad zwischen dem aktiven Wellenleiter und dem externen Wellenleiter vorzusehen.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben größere Mühen aufgewendet, um anhand von Versuchen ein Verfahren zum festen Koppeln der aktiven Wellenleiterschicht und der externen Wellenleiterschicht entlang der horizontalen Richtung aufzufinden.
Sie haben gefunden, daß die Wellenleiter in zuverlässiger Weise mit einem Verfahren koppelbar sind, bei dem die Kantenflächen U einer Depressionsschicht an beiden Seiten derart verlängert werden, daß sie über die Kantenflächen W der externen Wellenleiterschicht hinausragen.
Fig. 1 zeigt eine Ansicht im Senkrechtquerschnitt eines Grundtyps eines Lasers von der mit einem verteiltem Braggreflektor versehenen Art gemäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 1 stellt ein Diagramm des Prinzips dar; in der Praxis sind andere Halbleiterschichten ebenfalls in Laminatform vorgesehen.
Die Struktur dieses Lasers soll unter Bezugnahme auf die Fig. 1 beschrieben werden.
Ein aktiver Wellenleiter 3-1 und eine Depressionsschicht 4-1 sind nacheinander auf einem Substrat 1-1 ausgebildet worden und epitaktisch aufgewachsen, ähnlich wie bei den in Fig. 8 bis 11 dargestellten üblichen Lasern.
Wenn bei dieser Erfindung die Seitenteile der aktiven Wellenleiterschicht 3-1 und der Depressionsschicht 4-1 durch Ätzen entfernt werden, werden die unteren Kantenflächen der aktiven Wellenleiterschicht 3-1 mit einem selektiven Ätzverfahren tief angeätzt.
Es befinden sich nämlich die untenliegenden Kantenflächen W der aktiven Wellenleiterschicht 3-1 an zurückgesetzten Stellen, und die obenliegenden Kantenflächen U der Depressionsschicht 4-1 ragen über die Kantenflächen W hinaus.
Eine derartige Struktur wird im Fachgebiet der Architektur als Überhang benannt. Diese Struktur der aktiven Wellenleiterschicht 3-1 und der Depressionsschicht 4-1 wird in dieser Beschreibung nachstehend als Überhang bezeichnet.
Die über die Kantenfläche W hinaus vorspringende Länge L der Kantenfläche U wird als eine Überhanglänge bezeichnet. Diese Überhanglänge wird zu etwa 0,2 bis 1,0 um bemessen.
Bei einer derartigen Überhangstruktur werden die Kantenflächen der aktiven Wellenleiterschicht 3-1 und der Depressionsschicht 4-1 zu keiner fluchtebenen Oberfläche. Es wird ein rechteckiger Raum Σ gebildet, der nach drei Richtungen hin von einer rückseitigen Fläche R der Depressionsschicht 4-1, der Kantenfläche W der aktiven Wellenleiterschicht 3-1 und einer oberen Fläche Q des Substrats 1-1 umgeben ist.
Wenn eine externe Wellenleiterschicht 7-1 durch Flüssigphasenepitaxie gebildet wird, entsteht aufgrund des Vorhandenseins des Raumes Σ kein Luftspalt zwischen der externen Wellenleiterschicht 7-1 und der aktiven Wellenleiterschicht 3-1.
Es ist zu bemerken, daß die Lösung, die als das Material zur Bildung des externen Wellenleiters 7-1 verwendet wird, infolge der Flüssigphasenepitaxie in diesen inneren Raum eintritt, und daß dieses Material epitaktisch in diesem Raum hineinwächst. Es wäre anzunehmen, daß im Falle einer Konfiguration, bei der die aktive Wellenleiterschicht 3-1 nach außen freiliegt, wie in Fig. 8 bis 11 gezeigt ist, die InGaAsP- Epitaxialschicht leicht wächst. Jedoch läßt sich im allgemeinen der Mechanismus des epitaktischen Wachstums durch das beschreiben, was als Kossel-Modell bezeichnet wird, bei dem das Wachstum durch das Vorsehen von Stufen und Kinken zweidimensional fortschreitet.
Bei der Struktur der kurzen aktiven Wellenleiterschicht, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, kommt durch das Vorsehen der Stufen (Wachstumskerne) die Lösung in Berührung mit den Kantenflächen W der aktiven Wellenleiterschicht, und es findet ziemlich leicht ein zweidimensionales epitaktisches Wachstum in der seitlichen Richtung statt. Somit kann die externe Wellenleiterschicht gleichmäßig wachsen.
Die Überhanglänge wird zu etwa 0,2 bis 1,0 um bemessen, wie vorstehend erwähnt. Beträgt sie 0,2 um oder weniger, wird ein Zwischenraum G zwischen der aktiven Wellenleiterschicht 3-1 und der externen Wellenleiterschicht 7-1 auf ähnliche Weise wie bei den üblichen Beispielen gebildet. Wenn sie 1,0 um oder mehr beträgt, brechen die vorspringenden Kantenteile der Depressionsschicht 4-1 ab. Da die Depressionsschicht 4-1 von einer Dünne wie z. B. etwa 0,1 bis 0,3 um ist, bricht sie ab, wenn die Überhanglänge zu 1,0 um oder mehr bemessen wird. Wenn die Depressionsschicht bricht, gehen selbstverständlich die Vorteile der vorliegenden Erfindung verloren.
Fig. 1 ist ein Diagramm des Prinzips eines Halbleiterlasers von der mit einem verteilten Braggreflektor versehenen Art, gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht, die einen Zustand zeigt, bei dem eine Pufferschicht, eine aktive Wellenleiterschicht und eine Depressionsschicht epitaktisch auf einem InP-Substrat aufgewachsen sind;
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht, die den Zustand nach dem Ätzen der Depressionsschicht und der aktiven Wellenleiterschicht in der Form eines Streifens nach der Bildung eines SiN-Films zeigt;
Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht, die den Zustand zeigt, bei dem ein verteilter Braggreflektor auf der Pufferschicht gebildet ist;
Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht des Zustands nach dem selektiven Ätzen der Kantenflächen der aktiven Wellenleiterschicht in der seitlichen Richtung;
Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht des Zustands nach dem epitaktischen Aufwachsen einer externen Wellenleiterschicht und einer Überzugsschicht;
Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht, die den Zustand zeigt, bei dem eine P-seitige Elektrode und eine N-seitige Elektrode gebildet werden;
Fig. 8 ist eine Querschnittsansicht, die den Zustand zeigt, bei dem in einem üblichen Verfahren zum Herstellen eines Lasers vom Typ BIG-DBR eine aktive Wellenleiterschicht und eine Depressionsschicht durch epitaktisches Aufwachsen auf einem Substrat gebildet und danach die aktive Wellenleiterschicht und die Depressionsschicht in die Form eines Streifens geätzt werden;
Fig. 9 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel zeigt, bei dem, wenn in einem üblichen Verfahren zum Herstellen eines Lasers vom Typ BIG-DBR eine externe Wellenleiterschicht durch epitaktisches Aufwachsen auf einer aktiven Wellenleiterschicht und einer Depressionsschicht gebildet wird, Luftspalte zwischen der aktiven Wellenleiterschicht und der externen Wellenleiterschicht gebildet werden, wodurch die obere Oberfläche diskontinuierlich wird;
Fig. 10 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel zeigt, bei dem Luftspalte zwischen der aktiven Wellenleiterschicht und der externen Wellenleiterschicht auf ähnliche Weise wie in der Fig. 9 gebildet werden, bei dem jedoch die Kantenflächen der aktiven Wellenleiterschicht und der Depressionsschicht schräg verlaufen; und
Fig. 11 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel zeigt, bei dem in einem üblichen Verfahren zur Herstellung eines Lasers vom Typ BIG-DBR die aktive Wellenleiterschicht und die externe Wellenleiterschicht miteinander verbunden, jedoch zwischen diesen Vertiefungen gebildet werden.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers von der mit einem Braggreflektor versehenen Art gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachstehend im einzelnen unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 8 beschrieben.
(1) Eine InP-Pufferschicht 2 vom p-Typ, eine aktive InGaAsP- Wellenleiterschicht (nicht dotiert) 3, und eine InP-Depressionsschicht 4 vom n-Typ werden durch flüssigphasenepitaktisches oder dampfphasenepitaktisches Aufwachsen nacheinander auf einem InP-Substrat 1 vom p-Typ gebildet. Dieser Wachstumsschritt bezieht sich auf den in der Fig. 2 gezeigten ersten epitaktischen Aufbau.
Zwischen der nicht dotierten aktiven InGaAsP-Wellenleiterschicht 3 und der InP-Depressionsschicht 4 vom n-Typ kann auch eine einer Rückdiffusion entgegenwirkende InGaAsP-Schicht eingesetzt werden, um die Grenzfläche zu vergleichmäßigen.
Die InP-Pufferschicht 2 vom p-Typ stellt den Teil dar, welcher zur Bildung eines Beugungsgitters vorgesehen ist und weist eine Dicke von 1 bis 4 um auf.
Die nicht dotierte aktive InGaAsP-Wellenleiterschicht 3 stellt den Teil dar, welcher bei Erregung durch eine Stromversorgung das Licht ausstrahlt. Diese Schicht ist von einer Dünne wie etwa 0,1 bis 0,4 um.
Die InP-Depressionsschicht 4 vom n-Typ schützt die Schicht 3, jedoch wird ihre Dicke auf etwa 0,05 bis 0,3 um begrenzt, so daß eine Überhangstruktur gebildet wird. Es ist zweckmäßig, diese Dicke einem Wert von 0,1 um oder mehr entsprechend zu bemessen, so daß der Überhang von ausreichender Festigkeit ist. Jedoch wird es vorgezogen, die Depressionsschicht 4 so dünn wie möglich zu halten, um den Wirkungsgrad der Kopplung der Wellenleiter zu erhöhen.
InGaAsP ist ein Mischkristall, bei dem das Mischungsverhältnis von In zu Ga und das Mischungsverhältnis von As zu P als Parameter verwendet werden. Diese beiden Parameter können jedoch nicht beliebig eingestellt werden, weil eine geeignete Gitteranpassung an das InP erzielt werden muß. Die Anzahl der Freiheitsgrade beträgt 1.
Da ein Freiheitsgrad übrig bleibt, kann eine Bandlücke oder dergl. durch Ändern des Mischungsverhältnisses gewählt werden.
In dieser Beschreibung sind die Mischungsverhältnisse x und y oder dergl. weggelassen worden, um die mit ihrer Darstellung als Indizes verbundene Komplexität zu vermeiden.
(2) Als nächstes wird ein streifenförmiger SiN-Film 5 auf der InP-Depressionsschicht 4 vom n-Typ gebildet.
Der nicht von dem SiN-Film 5 bedeckte Teil der Depressionsschicht 4 wird mit einer Ätzflüssigkeit auf Basis von HCl geätzt.
Danach wird der nicht von dem SiN-Film 5 bedeckte Teil des nicht dotierten aktiven InGaAsP-Wellenleiters 3 mit einer Ätzflüssigkeit auf Basis von H&sub2;SO&sub4; geätzt.
In diesem Fall wird ein selektives Ätzverfahren angewendet. Eine Ätzflüssigkeit auf Basis von H&sub2;SO&sub4; wirkt nicht auf die InP-Depressionsschicht 4 vom n-Typ. Die Ätzflüssigkeit auf Basis von HCl wirkt nicht auf den nicht dotierten aktiven InGaAsP-Wellenleiter 3.
Die Kantenflächen W und U der aktiven Wellenleiterschicht 3 und der Depressionsschicht 4 werden durch den vorstehenden Ätzvorgang zu einer fluchtebenen Oberfläche. Fig. 3 zeigt die zur Erzielung dieses Zustandes ausgeführten Schritte. Die Breite der Streifen beträgt etwa 200 bis 400 um.
(3) Ein als verteilter Braggreflektor 6 dienendes Beugungsgitter wird auf der frei liegenden InP-Pufferschicht 2 vom p- Typ durch Anwendung eines Interferenz-Belichtungsverfahrens gebildet. Dieser Zustand ist in Fig. 4 dargestellt.
Die Kantenflächen des SiN-Films 5, der InP-Depressionsschicht 4 vom n-Typ und der nicht dotierten aktiven InGaAsP- Wellenleiterschicht 3 werden zu einer fluchtebenen Fläche. Der verteilte Braggreflektor 6 erstreckt sich von der Kantenfläche der aktiven Wellenleiterschicht 3 ausgehend nach rechts und links.
Der Gitterzwischenraum des Reflektors 6 wird durch die Wellenlänge des vom Laser ausgestrahlten Lichtes bestimmt.
(4) Danach wird die aktive Wellenleiterschicht 3 durch Anwendung der Ätzflüssigkeit auf Basis von H&sub2;SO&sub4; von der Kantenfläche ausgehend in Richtung nach innen geätzt, wobei die InP-Depressionsschicht 4 vom n-Typ als Maske dient. Die Ätzflüssigkeit auf Basis von H&sub2;SO&sub4; besteht aus H&sub2;SO&sub4;, H&sub2;O&sub2; und H&sub2;O und wirkt nicht auf die InP-Depressionsschicht 4 vom n-Typ, wodurch ein selektives Ätzen möglich wird. Die Ätzgeschwindigkeit kann durch Ändern des Zusammensetzungsverhältnisses der Ätzflüssigkeit gesteuert werden. Zum Beispiel kann die Ätzgeschwindigkeit auf etwa 0,1 um/Minute und, im allgemeinen, auf einen Wert innerhalb des Bereiches von 0,02 bis 0,2 um/Minute eingestellt werden.
Die Ätztiefe entlang der seitlichen Richtung entspricht der Überhanglänge L. Diese Abmessung wird auf etwa 0,2 bis 1,0 um eingestellt, wie vorstehend erwähnt worden ist.
Dieser Zustand ist in Fig. 5 dargestellt.
(5) Danach wird eine durch Flüssig- oder Dampfphasenepitaxie aufgewachsene externe InGaAsP-Wellenleiterschicht 7 vom n-Typ auf den oberen Flächen dieser Schichten gebildet.
Das InGaAsP-Material tritt wirksam in den Raum Σ der Überhangstruktur ein und der Kristall wächst kontinuierlich, ausgehend von den Kantenflächen W der nicht dotierten aktiven InGaAsP-Wellenleiterschicht 3.
Der Raum Σ ist ein langer, in der seitlichen Richtung sich erstreckender enger Raum, in dem die Tiefe auf 0,2 bis 1,0 um und die Höhe auf 0,1 bis 0,4 um eingestellt wird. Die Lösungs- oder Gasströmung kann wirksam in diesen Raum eindringen und das epitaktische Wachstum findet ab den Kantenflächen W ohne Zurücklassung eines Luftspaltes statt.
Auf diese Weise wird die externe InGaAsP-Wellenleiterschicht 7 vom n-Typ zu einer Schicht, welche sowohl die InP-Depressionsschicht 4 vom n-Typ als auch den verteilten Braggreflektor 6 bedeckt und sich kontinuierlich erstreckt. Die Dicke der externen Wellenleiterschicht 7 auf der oberen Fläche der Depressionsschicht 4 beträgt etwa 0,1 bis 0,4 um.
In zusätzlicher Weise wird eine durch Flüssig- oder Dampfphasenepitaxie aufgewachsene InP-Überzugsschicht 8 vom n-Typ auf der externen Wellenleiterschicht 7 gebildet.
Die Dicke der InP-Deckschicht 8 vom n-Typ wird auf etwa 1,0 bis 3 um eingestellt.
Fig. 6 zeigt ein unter Anwendung der vorstehenden Schritte gebildetes Produkt.
Die Bandlücke der externen Wellenleiterschicht 7 wird breiter bemessen als diejenige der aktiven Wellenleiterschicht 3. Dies ist möglich, weil das Mischverhältnis im Kristall des InGaAsP einen Freiheitsgrad aufweist und die Bandlücke deshalb durch Ändern des Mischverhältnisses im Kristall einstellbar ist.
Das vorstehende Verhältnis der Bandlücken wird derart bemessen, daß das von der aktiven Wellenleiterschicht 3 erzeugte Licht nicht von der externen Wellenleiterschicht 7 absorbiert wird.
(6) Zusätzlich wird eine P-seitige Elektrode 9 unterhalb des InP-Substrats 1 und eine N-seitige Elektrode 10 auf der InP-Überzugsschicht 8 gebildet. Die N-seitige Elektrode 10 wird als Streifen ausgebildet, um dadurch die Stromverteilung zu begrenzen.
Der erfindungsgemäße Halbleiterlaser von der mit einem verteilten Braggreflektor versehenen Art wird auf diese Weise hergestellt.
Danach wird ein Wafer geschnitten, um Bauelement-Chips zu ergeben. Diese Chips werden zu einem Paket aufgebaut. Wenn zwischen den P- und N-seitigen Elektroden ein Strom fließt, wird aufgrund der stimulierten Emission Licht in der aktiven Wellenleiterschicht 7 erzeugt. Dieses Licht pflanzt sich in der externen Wellenleiterschicht 7 in derselben Ebene fort und es wird ein Teil des Lichtes infolge der Funktion des verteilten Braggreflektors 6 reflektiert. Aufgrund wiederholter Reflexionen wird die Laserleistung erhöht. Ein Teil des Lichtes wird von der externen Wellenleiterschicht 7 nach außen ausgestrahlt, wie dies in Fig. 7 mit Pfeilen A und B dargestellt ist.
In dem Halbleiterlaser von der mit einem Braggreflektor versehenen Art, der wie vorstehend beschrieben hergestellt worden ist, sind die nicht dotierte aktive InGaAsP-Wellenleiterschicht 3 und die externe InGaAsP-Wellenleiterschicht 7 vom n-Typ wirksam gekoppelt. Die Abstimmung der beiden Wellenleiter aufeinander ist gut.
Ein Laser dieser Grundart und ein Herstellungsverfahren dafür sind vorstehend beschrieben worden.
Der vorstehend beschriebene Laser wird durch ein Verfahren hergestellt, bei dem die Depressionsschicht vom n-Typ, die externe Wellenleiterschicht vom n-Typ und die Überzugsschicht vom n-Typ durch epitaktisches Aufwachsen auf dem InP-Substrat vom p-Typ gebildet werden.
Es ist auch möglich, durch Umkehrung der elektrischen Polaritäten das Aufwachsen einer Depressionsschicht vom p-Typ, einer externen Wellenleiterschicht vom p-Typ und einer Überzugsschicht vom p-Typ auf einem InP-Substrat vom n-Typ zu erzielen.
Die Pufferschicht 2 ist zur Bildung eines Beugungsgitters vorgesehen. Ein Beugungsgitter kann auch auf der Oberfläche des Substrats unter Verzicht auf die Pufferschicht gebildet werden.
Die Struktur des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers von der mit einem verteilten Braggreflektor versehenen Art kann auch in Form einer eingebetteten Struktur der allgemein verwendeten Art vorgesehen werden (siehe zum Beispiel Asahi und Mitarbeiter, "Journal of Applied Physics", Band 55 (3), 1984, Seiten 656 bis 659).
Die vorstehende Beschreibung betrifft einen Laser von der mit einem verteilten Braggreflektor versehenen Art des auf einem InP-Substrat gebildeten InGaAsP-Systems. Die Erfindung kann jedoch auch bei einem Laser des auf einem GaAs-Substrat gebildeten GaAs-Systems Anwendung finden.
Das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers von der mit einem Braggreflektor versehenen Art soll anhand eines konkreten Beispiels mehr im einzelnen erläutert werden.
1) Es wurden, wie in Fig. 2 dargestellt, eine InP-Pufferschicht 2 vom p-Typ . . . 2 um,
eine nicht dotierte aktive InGaAsP-Wellenleiterschicht 3 . . . 0,15 um und
eine InP-Depressionsschicht 4 vom n-Typ . . . 0,1 um
durch Flüssigphasenepitaxie auf ein InP-Substrat vom p-Typ aufgebracht.
2) Ein SiN-Filmmuster 5 mit einer Breite von 300 um wurde als Streifen ausgebildet. Dieses Streifenmuster wurde parallel zur ( )-Ebene gebildet.
Die InP-Depressionsschicht 4 vom n-Typ wurde mit einer Ätzflüssigkeit auf Basis von HCl selektiv entfernt und die nicht dotierte aktive InGaAsP-Wellenleiterschicht 3 wurde dann mit einer Ätzflüssigkeit auf Basis von H&sub2;SO&sub4; selektiv entfernt, wodurch sich der in Fig. 3 gezeigte Zustand ergab.
3) Der verteilte Braggreflektor 6 wurde auf der freiliegenden InP-Pufferschicht 2 vom p-Typ mit dem Interferenz-Belichtungsverfahren gebildet, wodurch sich der in der Fig. 4 dargestellte Zustand ergab.
4) Der SiN-Film 5 wurde entfernt. Die Kantenflächen der nicht dotierten aktiven InGaAsP-Wellenleiterschicht 3 wurden durch Anwendung der Ätzflüssigkeit auf Basis von H&sub2;SO&sub4; bis zu einer Tiefe von 0,3 um in Richtung zu zurückversetzten Stellen hin abgeätzt, wobei die InP-Depressionsschicht 4 als Maske diente.
Die Zusammensetzungsverhältnisse von H&sub2;SO&sub4;, H&sub2;O&sub2; und H&sub2;O wurden derart bemessen, daß eine Ätzgeschwindigkeit von 0,1 um/Minute erzielt wurde.
Während des Ätzvorgangs wurde die Ätzflüssigkeit in Richtung parallel zur Richtung des Streifens gerührt (Fig. 5).
5) Auf dem verteilten Braggreflektor 6 und der Pufferschicht 2 wurden
eine externe InGaAsP-Wellenleiterschicht 7 vom p-Typ (Dicke auf der Depressionsschicht) . . . 0,2 um und
eine InP-Überzugsschicht 8 . . . 1,5 um
durch Flüssigphasenepitaxie aufgebracht. Die Bandlücken wurden wie folgt eingestellt.
Bandlücken der externen InGaAsP-Wellenleiterschicht . . . 1,0 eV
und Bandlücken der aktiven InGaAsP-Wellenleiterschicht . . . 0,8 eV.
Dieser Zustand entspricht der Fig. 6.
6) Danach wurden die P-seitige Elektrode 9 und die N-seitige Elektrode 10 gebildet.
Der erhaltene Halbleiterlaser erbrachte die folgenden Vorteile.
1) Da die Kantenflächen der aktiven Wellenleiterschicht sich an Stellen befanden, die hinter den Kantenflächen der Depressionsschicht zurückgesetzt waren, so daß eine Überhangstruktur gebildet wurde, verblieb kein Luftspalt zwischen den Kantenflächen W der aktiven Wellenleiterschicht und der externen Wellenleiterschicht bei der Bildung der externen Wellenleiterschicht durch epitaktisches Aufwachsen.
2) Da kein Luftspalt verblieb und die aktive Wellenleiterschicht und die externe Wellenleiterschicht eng miteinander verbunden waren, war die Ausbeute an Produkten hoch. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Halbleiterlaser wurden auf Basis des Kopplungszustandes der Wellenleiter im Hinblick auf Ausbeute ausgewertet. Es wurde gefunden, daß eine Ausbeute von 90% oder mehr erzielbar war.
Wenn dagegen die Kantenflächen zu einer fluchtebenen Fläche wurden, wie dies in Fig. 8 bis 11 dargestellt ist, betrug die erhältliche Ausbeute nahezu 0, d. h. 0% bis zu wenigen %.
Die Erfindung bietet bemerkenswert verbesserte Ausbeuten, wobei eine hohe Ausbeute an Produkten für die Industrie einen sehr wichtigen Faktor darstellt.
3) Da der Kopplungsgrad hoch ist, ist ein stark erhöhter Wirkungsgrad bei der Lichtemission erzielbar, wenn als Halbleiterlaser der erfindungsgemäße Laser verwendet wird.
4) Die Erfindung ist auch bei Halbleiterlasern des GaAs-Systems sowie bei Halbleiterlasern des InP-Systems anwendbar.
5) Da der erfindungsgemäße Laser vom DBR-Typ ist, kann er leicht mit anderen funktionellen Bauelementen monolithisch integriert werden.
Die Erfindung ist nicht auf Halbleiterlaser einschränkt; sie kann auch bei anderen Bauelementen wie optische ICs und dergl. angewendet werden.

Claims

1. Halbleiterlaser der mit einem verteilten Braggreflektor versehenen Art, mit

einem einkristallinen Substrat (1) aus einem p- oder n-Halbleiter,

einer nicht dotierten aktiven Wellenleiterschicht (3), die mit einem Verfahren der Epitaxie als Streifen in einem mittleren Teil einer oberen Fläche des Substrats (1) mit oder ohne Einfügung einer Pufferschicht (2) gebildet ist,

einer Depressionsschicht (4), die eine Dicke von 0,05 um bis 0,3 um und eine elektrischen Polarität aufweist, die derjenigen des Substrats entgegengesetzt ist, und die mit dem Verfahren der Epitaxie auf der aktiven Wellenleiterschicht (3) gebildet ist,

einem verteilten Braggreflektor (6), der auf einer oberen Fläche der Pufferschicht (2) oder auf der oberen Fläche des Substrats (1) ausgebildet ist,

einer äußeren Wellenleiterschicht (7), die eine Dicke von 0,1 um bis 0,4 um und eine elektrische Polarität aufweist, die derjenigen des Substrats (1) entgegengesetzt ist, und die mit dem Verfahren der Epitaxie auf einer oberen Fläche und den Seitenflächen (U) der Depressionsschicht (4), die die Fortpflanzungsrichtung des Laserstrahls schneiden, Seitenflächen (W) der aktiven Wellenleiterschicht (3), die die Fortpflanzungsrichtung des Laserstrahls schneiden, und auf einer oberen Fläche der Pufferschicht (2) oder des Substrats (1) mit dem darauf ausgebildeten verteilten Braggreflektor (6) gebildet ist,

einer Überzugsschicht (8), die eine elektrische Polarität aufweist, die derjenigen des Substrats (1) entgegengesetzt ist, und die mit einem Verfahren der Epitaxie auf der äußeren Wellenleiterschicht (7) gebildet ist,

einer Elektrode (10), die auf einer oberen Fläche der Überzugsschicht (8) gebildet ist, und

einer Elektrode (9), die auf einer unteren Fläche des Substrats (1) gebildet ist,

wobei die Seitenflächen (U) der Depressionsschicht (4) bis zu Stellen hinausragend ausgebildet sind, die jenseits der Seitenflächen (W) der aktiven Wellenleiterschicht (3) liegen, und der Abstand (L) zwischen der jeweiligen Stelle, bis zu der jede der Seitenflächen (U) der Depressionsschicht hinausragt, und der entsprechenden Seitenfläche (W) der aktiven Wellenleiterschicht innerhalb eines Bereiches von 0,2 um bis 1,0 um liegt, so daß diese als Keim für das Aufwachsen der äußeren Wellenleiterschicht (7) wirkt.

2. Laser nach Anspruch 1, bei dem das Substrat (1) ein InP-Einkristall vom p-Typ, die Pufferschicht (2) ein InP-Einkristall vom p-Typ, die aktive Wellenleiterschicht (3) ein nicht dotierter InGaAsP-Mischkristall, die Depressionsschicht (4) ein InP-Einkristall vom n-Typ, die äußere Wellenleiterschicht (7) ein InGaAsp-Mischkristall vom n-Typ und die Überzugsschicht (8) ein Inp-Einkristall vom n-Typ ist.

3. Laser nach Anspruch 2, bei dem die Bandlücke der aktiven Wellenleiterschicht (3) enger als diejenige der äußeren Wellenleiterschicht (7) ist.

4. Laser nach Anspruch 3, bei dem die Bandlücke der aktiven Wellenleiterschicht (3) auf 0,8 eV eingestellt ist, und die Bandlücke der äußeren Wellenleiterschicht (7) auf 1,0 eV eingestellt ist.

5. Laser nach Anspruch 2, bei dem die Dicke der nicht dotierten aktiven Wellenleiterschicht (3) innerhalb eines Bereiches von 0,1 um bis 0,4 um liegt.

6. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers der mit einem verteilten Braggreflektor versehenen Art, welches Schritte umfaßt, bei denen

mit einem Verfahren der Epitaxie eine Pufferschicht (2) auf einem einkristallinen Substrat (1) aus einem p- oder n-Halbleiter gebildet wird, wobei die Pufferschicht (2) die gleiche elektrische Polarität wie das Substrat (1) aufweist,

durch epitaktisches Aufwachsen eine nicht dotierte aktive Wellenleiterschicht (3) mit einer Dicke von 0,1 um bis 0,4 um auf der Pufferschicht (2) oder, falls keine Pufferschicht eingefügt wird, auf dem Substrat (1) gebildet wird,

durch epitaktisches Aufwachsen eine Depressionsschicht (4) mit einer Dicke von 0,05 um bis 0,3 um und einer elektrischen Polarität, die derjenigen des Substrates (1) entgegengesetzt ist, auf der nicht dotierten aktiven Wellenleiterschicht (3) gebildet wird,

ein streifenförmiger Film (5) in einer mittleren Lage einer oberen Fläche der Depressionsschicht (4) gebildet wird, die Depressionsschicht (4) und die aktive Wellenleiterschicht (3) beide geätzt werden, während der mittlere Teil mit dein Film (5) bedeckt gehalten wird,

ein verteilter Braggreflektor (6), der als Beugungsgitter dient, auf der zu beiden Seiten der aktiven Wellenleiterschicht (3) freiliegenden Pufferschicht (2) oder auf der oberen Fläche des Substrats (1) durch Anwendung eines Verfahrens der Interferenz-Exponierung ausgebildet wird,

die Seitenflächen der aktiven Wellenleiterschicht (3) in waagrechter Richtung unter Verwendung der Depressionsschicht (4) als Maske geätzt werden, wodurch ein Zurückversetzen der Seitenflächen (W) der aktiven Wellenleiterschicht (3) bis zu einem Abstand von 0,2 um bis 1,0 um hinter der jeweiligen Seitenfläche (U) der Depressionsschicht (4) ermöglicht wird, so daß sie als Keim für das Aufwachsen einer äußeren Wellenleiterschicht wirken,

durch epitaktisches Aufwachsen auf der Pufferschicht (2) oder dem Substrat (1) mit dem darauf ausgebildeten verteilten Braggreflektor (6) und auf der Depressionsschicht (4) die äußere Wellenleiterschicht (7) mit einer elektrischen Polarität, die derjenigen des Substrats (1) entgegengesetzt ist, gebildet wird,

durch epitaktisches Aufwachsen auf der äußeren Wellenleiterschicht (7) eine Überzugsschicht (8) mit einer elektrischen Polarität, die derjenigen des Substrats (1) entgegengesetzt ist, gebildet wird, und

Elektroden (9) und (10) auf dem Substrat (1) und der Überzugsschicht (8) ausgebildet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dein das Verfahren der Epitaxie ein Verfahren der Flüssigphasenepitaxie ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Verfahren der Epitaxie ein Verfahren der Gasphasenepitaxie ist.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem das Substrat (1) ein InP-Einkristall vom p-Typ, die Pufferschicht (2) ein InP-Einkristall vom p-Typ, die aktive Wellenleiterschicht (3) ein nicht dotierter InGaAsP-Mischkristall, die Depressionsschicht (4) ein InP-Einkristall vom n-Typ, die äußere Wellenleiterschicht (7) ein InGaAsP-Mischkristall vom n-Typ und die Überzugsschicht ein InP-Einkristall vom n-Typ ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Depressionsschicht (4) mit einer Ätzflüssigkeit auf Basis von HCl selektiv geätzt und die aktive Wellenleiterschicht (3) mit einer Ätzflüssigkeit auf Basis von H&sub2;SO&sub4; selektiv geätzt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem, wenn die Seitenflächen (W) der aktiven Wellenleiterschicht (3) in Seitenrichtung geätzt werden, die Ätzgeschwindigkeit innerhalb eines Bereiches von 0,02 um/Minute bis 0,2 um/Minute liegt.