DE3877750T2

DE3877750T2 - Verfahren fuer das selektive aufwachsen von gaas.

Info

Publication number: DE3877750T2
Application number: DE19883877750
Authority: DE
Inventors: Edward A Van Gieson; Heinz Peter Meier; Willi Walter
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1988-06-28
Filing date: 1988-06-28
Publication date: 1993-07-08
Anticipated expiration: 2008-06-29
Also published as: JPH0227783A; JPH0634429B2; AU3625189A; AU618100B2; DE3877750D1; EP0348540A1; MX169915B; EP0348540B1; CA1314088C

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum selektiven Aufwachsen von GaAs auf ein strukturiertes Substrat zur Verwendung bei der Herstellung von Halbleiter-Laserdioden. Das Verfahren ist besonders für die Herstellung von Laserbauelementen mit sehr niedrigem Schwellenstrom geeignet. Die Erfindung betrifft außerdem eine Laserdiode mit Halbleiter-GaAs-Quantumwell (QW), die mit Hilfe des selektiven Aufwachsverfahrens hergestellt wird.

Hintergrund der Erfindung

Halbleiter-Laserdioden haben im Bereich der Informationsverarbeitungssysteme breite Anwendung gefunden. Dies ist vor allem auf ihre kompakte Größe zurückzuführen und darauf, daß ihre Technologie mit der der zugehörigen elektronischen Schaltkreise kompatibel ist. Diese Art von Lasern wird in der Datenkommunikation, der optischen Speicherung und beim Drucken mit Laserstrahlen eingesetzt. Für spezielle Anwendungen sind sie ständig weiterentwickelt worden, besonders im Hinblick auf Wellenlänge, optische Stärke, die Fähigkeit zur Hochgeschwindigkeitsmodulation, Strahlenqualität, etc.. Damit jedoch die hochleistungsfähigen Bauelemente angewendet werden können, bedarf es niedriger Schwellenstromwerte. So sollte z.B. der Strom, der durch einen P-N-Übergang einer Laserdiode fließen muß, um eine kohärente Lichtemission zu erzielen, so niedrig wie möglich sein. Dies wiederum führt zu einer Verringerung der Wärmeentwicklung und zu einer Reduzierung der damit verbundenen Kühlungsprobleme, ein wichtiger Faktor, besonders bei Anwendungen in Bereichen hoher Packungsdichten. Hier sind Quantumwellstrukturen in der Regel besonders gut geeignet, da sie mit niedrigerer Stromstärke arbeiten als Heterostrukturen. Eine zusätzliche Maßnahme, die zu einer Stromreduzierung führt, besteht darin, Strukturen mit wirksamer Strombegrenzung bereitzustellen und damit zu verhindern, daß es zu unnötigem Neben- oder Streuströmen kommt.
Erst vor kurzem wurden hochleistungsfähige Streifenlaser mit Niedrigschwellenstrom vorgestellt, bei denen der aktive Bereich des Lasers innerhalb eines Materials größeren Bandabstands eingebettet ist, um damit zusätzliche seitliche Träger- und Optikbegrenzung zu schaffen.
Eine derartige Laserstruktur wird in dem Artikel "Ultralow- threshold graded-index separate-confinement single quantum well buried heterostrukture (Al,Ga)AS lasers with high reflectivity coatings" erschienen in Appl.Phys.Lett. 50(25), vom 22. Juni 1987, Seite 1773-1775 von P.L.Derry et al beschrieben.
In diesem Artikel wird ein vergrabener, abgestufter, separat eingeschlossener Heterostruktur-(GRINSCH)-Einzel-Quantumwell- Laser beschrieben, bei dem der Schwellenstrom unter 1 mA liegt. Bei dieser Laserstruktur ist der aktive GaAs-Bereich von AlGaAs größeren Bandabstands umgeben, uni zu verhindern, daß Ladungsträger den aktiven Bereich verlassen und um eine Strombegrenzung zur Verfügung zu stellen. Das hierzu erforderliche Herstellungsverfahren ist sehr komplex. Teil dieses Verfahrens ist 1. das Aufwachsen von Laserschichten auf ein Substrat mit glatter Oberfläche mit Hilfe der Molekularstrahl-Epitaxietechnik (MBE), 2. das Ätzen von Rillen, um eine ridgestrukturierte Oberflächenstruktur zu schaffen und 3. der schwierige und kritische Teil des AlGaAs-Nachwachsen, wobei die LPE-Technik angewandt wird.
Eine weitere Methode, um Laserstrukturen mit wirksam eingebetteten aktiven Quantumwells (QW) herzustellen, wird in dem Artikel "Patterened quantum well semiconductor injection laser grown by molecular beam epitaxy" von J.P.Harbison et al, erschienen in Appl.Phys.Lett. 52 (8), Seite 607-609, vom 22. Februar 1988, beschrieben.
Beschrieben wird eine ansonsten herkömmliche GaAs/AlGaAs-Quantumwell-Laserheterostruktur, die durch Molekularstrahlepitaxie auf ein (100)-orientiertes Rillensubstrat durch Aufwachsen gebildet wird. Hierbei macht man sich zunutze, daß die Dicke an den Seiten des Quantumwells variiert, wenn diese durch Aufwachsen auf eine gerillte Oberfläche gebildet werden. Durch die Variationen in der Dicke wird eine seitliche Strukturierung des Energiebandabstands sowie des Brechungsindexes erreicht.
Aufgrund der Rillengeometrie ist die normalerweise bei (111)- oder (411)-Ebenen auftretende Aufwachsrate an den Seitenwänden der Rillen beträchtlich niedriger als die Aufwachsrate auf der (100)-Ebene. Injizierte Träger werden auf einen schmalen ca. 1 um breiten Steifen auf dem Boden der Rille begrenzt. Die Begrenzung wird durch den größeren effektiven Bandabstand der dünneren Quantumwellschichten an den beiden Seiten des Streifens erzielt. Die Strombegrenzung, die verhindern soll, daß der angelegte Injektionsstrom an den P-N-Übergängen des aktiven Bereichs vorbeifließt, wird durch Protonenimplantierung erreicht, wodurch die Rillenwände nicht-leitend werden. Es verbleibt ein leitender Streifen mit einem Durchmesser von ungefähr 2 um auf dem Boden der Rille. Dieser zusätzliche Verfahrensschritt ist nicht selbstjustierend und begrenzt daher eine weitere Reduzierung in der Größe des Bauelements.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine neue Verfahrensweise für das selektive Aufwachsen von GaAs auf selektive Oberflächenebenen einer mit GaAs-Substrat strukturierten Oberfläche zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine zuverlässige und reproduzierbare Verfahrensweise für die Herstellung von hochleistungsfähigen Ridge-Laserstrukturen mit eingebetteten aktiven Quantumwells bereitzustellen, wobei der Unterschied zwischen Oberflächendiffusion und -desorption der verschiedenen Flächenebenen der Ridgestruktur ausgenutzt wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine hochleistungsfähige Ridge-Laserstruktur mit Quantumwell zur Verfügung zu stellen, wobei der aktive Bereich vollkommen in den Hüllschichten mit größerem Bandabstand innerhalb des Bauelements eingebettet ist.
Mit der beanspruchten Erfindung sollen diese Aufgaben erfüllt und die Rückschläge, die bisher auf diesem Gebiet vorkamen, verhindert werden. Im Bereich des Ridge-GaAs-Quantumwell-Lasers ermöglicht es die Erfindung, das aktive Quantumwell durch selektives Aufwachsen auf die Horizontalfläche der Ridgestruktur in ein Material größeren Bandabstands einzubetten. Die Seitenwandflächen des Ridge sind nun für das Aufbringen der Hüllschichten mit größerem Bandabstand freigelegt. Die Hüllschichten wiederum sorgen für eine seitliche Träger- und Strombegrenzung.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung liegen im wesentlichen darin begründet, daß das beschriebene MBE-Aufwachsverfahren ein von Grund auf vereinfachtes Verfahren zur Einbettung des aktiven Quantumwells darstellt. Dieses zuverlässige und selbstjustierende Verfahren macht die Herstellung von hochleistungsfähigen extrem kleinen Laserstrukturen, sogar bis in den unteren Micrometerbereich, möglich. Laser, die mit Hilfe dieses neuartigen Verfahrens hergestellt werden, arbeiten bei extrem niedrigem Schwellenstrom. Dadurch wird die Wärmeverlustleistung auf einem geringen Niveau gehalten und eine hohe Packungsdichte ist möglich.

Beschreibung der Abbildungen

Eine Möglichkeit, die vorliegende Erfindung praktisch durchzuführen, wird untenstehend detailliert beschrieben. Es wird jeweils Bezug auf die Abbildungen genommen, die eine bestimmte Anordnung illustrieren, wobei;
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Querschnitts durch einen Quantumwell-Laser ist. Die Darstellung dient der Illustration der Struktur- und Funktionsprinzipien der Laserstruktur, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde;
Fig. 2A - 2F die Verfahrensschritte zur Herstellung einer Ridge- Quantumwell-Laserstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung illustriert; und
Fig. 3 die Darstellung einer Ridge-Quantumwell-Laserstruktur im Querschnitt ist, die gemäß der Verfahrensweise der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.

Detaillierte Beschreibung

Bevor die Erfindung detaillierter beschrieben wird, soll noch auf den Artikel "Channeled Substrate (100) GaAs MBE Growth an Lateral p-n Junction Formation for Lasers" von H.P.Meier, erschienen in Proc.Intern.Symp. on GaAs and Related Compounds, Heraklion, Crete, Greece, Seite 609-612, vom 28. September - 1. Oktober 1987 verwiesen werden.
Die vorliegende Patentbeschreibung enthält einige grundlegende technische Hintergrundinformationen, auf denen die Erfindung basiert. Sie berichtet über Untersuchungen, die durchgeführt wurden, um einen besseren Einblick in die Funktionsweise des MBE-Aufwachsmechanismus von AlGaAs über (100)-Ridgestrukturen mit (211) oder (m11A)-Seitenwandflächen höherer Ordnung zu bekommen. Bei einer Aufwachstemperatur von 720ºC diffundiert Ga von den A-Flächen zu der (100)-Fläche, wobei die Diffusion und Desorption von Ga wesentlich höher ist als von Al. Das hat zur Folge, daß die GaAs-Aufwachsrate und damit auch die Einbettungsrate von Ga auf den A-Ebenen geringer ist als auf den (100)-Flächen. Man hat außerdem entdeckt, daß die Aufwachsraten und die Al-Konzentration an den (100)-Flächen von der Breite der Ridges abhängen. Bei schmalen Ridges ist die Aufwachsrate hoch und die Al-Konzentration gering.
Im wesentlichen läßt sich feststellen, daß bei hohen Temperaturen eine beträchtliche Umverteilung von Ga von den Seitenwandflächen zu den horizontalen Ridgeebenen stattfindet, was zu einem Anstieg der Quantumwell-Dicke auf den bevorzugten Aufwachs(100)-Ebenen führt.
Weitere Untersuchungen und Entwicklungen, die eine Modifizierung und Optimierung der vorherigen Ergebnisse brachten, haben letztendlich zu dem Verfahren zur Herstellung von Laserbauelementen gemäß der vorliegenden Erfindung geführt. Der neuartige Schritt innerhalb dieses Verfahrens, der auch den entscheidenden Fortschritt brachte, besteht in einer Unterbrechungsphase des Aufwachsens. Genau durch diesen Verfahrensschritt wird der Grad an Ga-Aufwachs-Selektivität erreicht, der für die Herstellung von hochleistungsfähigen Lasern erforderlich ist.
Im folgenden sollen die Abbildungen näher beschrieben werden, wobei mit Fig. 1 begonnen wird. Diese Abbildung zeigt eine schematische Querschnittdarstellung eines GaAs-Lasers mit einem eingebetteten aktiven Bereich. Anhand dieser Struktur sollen die Struktur- und Funktionsprinzipien jener Art von Laserbauelementen erklärt werden, die gemäß des vorliegenden Erfindungsverfahrens hergestellt werden können.
Die Laserstruktur (10), die auf einer flachen Oberfläche eines Substrats (11) aufgebracht ist, umfaßt auf dem Boden eine Hüllschicht (12), eine aktive Schicht (13) und eine obere Hüllschicht (14). Die aktive Schicht (13) besteht aus GaAs, wohingegen die Hüllschichten aus AlGaAs bestehen. Die Schicht (12) ist hierbei n-dotiert, die Schicht (14) p-dotiert. Wird nun ein Strom (I) in der gleichen Größenordnung oder stärker als der Schwellenstrom des Bauelements in die Elektrode (15) eingespeist (die Gegenelektrode, die an das Substrat angeschlossen ist, ist in der Darstellung nicht zu sehen), so wird ein Laserstrahl von der aktiven Zone emittiert und zwar in vertikaler Richtung auf die Ebene in der Abbildung.
Die AlGaAs-Schichten (16) und (17), die über einen Bandabstand verfügen, der größer ist als der der GaAs-Schichten, betten eine aktive Schicht (13) ein und sorgen damit für eine Energieschwelle (E), wie im unteren Teil der Abbildung illustriert wird. Diese Energieschwelle schafft eine Trägerbegrenzung, wobei die Differenz im Brechungsindex des GaAs und des AlGaAs zu der erforderlichen optischen Begrenzung führt.
In Fig. 2A - 2F sind die einzelnen Schritte des Erfindungsverfahrens zur Herstellung einer Ridge-Laserstruktur mit eingebettetem aktiven Quantumwell detailliert beschrieben. Die aufeinanderfolgenden Schritte sind in Tabelle I aufgeführt, wobei jeweils angegeben wird, welcher Verfahrensschritt zu welcher Zeichnung gehört. Tabelle 1 Schritt-Nr. Beschreibung des Verfahrensschrittes Abbildung Anfang Ein ((100)-orientiertes) Halbleitersubstrat (21) mit einer strukturierten Ridgeoberfläche, die Seitenwandflächen mit einer Kristallorientierung (411A), die von der der oberen horizontalen Ebene abweicht. MBE-Aufwachsen einer n-leitenden unteren AlGaAs-Hüllschicht (22). MBE-Aufwachsen einer GaAs-Schicht (23) bei hoher Temperatur. Durch Ga-Diffusion und -Desorption an den Seitenwänden bevorzugtes GaAs-Aufwachsen auf der horizontalen Ebene (23R). Kurze Unterbrechung des Aufwachsens, wodurch das gesamte GaAs von den Seitenwandflächen entfernt wird. MBE-Aufwachsen einer p-leitenden unteren AlGaAs-Hüllschicht (24), welches das GaAs-Quantumwell (23R) in ein Material größeren Bandabstands einbettet. Aufbringen einer oberen Stromübergangselektrode (25) Nicht dargestellt: Das Aufbringen einer zweiten Stromelektrode, die an das Substrat angeschlossen ist.
In Fig. 2A wird das Herstellungsverfahren eingeleitet, wobei man von einem n+-GaAs-Substrat ausgeht, mit mindestens einem Ridge (21A), auf das die Laserdiode durch Aufwachsen gebildet wird. Die Horizontalflächen sind (100)-orientiert, die Seitenwände oder Ränder (411A)- oder, was häufiger vorkommt, (m11A)-orientiert.
Die in Fig. 2A dargestellte Oberflächenstruktur kann z.B. durch Verwendung eines (100)-orientierten Substrats erzielt werden. Die gewünschten Flächen können in einem isotropischen Naßätzverfahren geätzt werden, wobei z.B. eine 2 : 1 : 20 Mischung des gepufferten HF : H&sub2;O&sub2; : H&sub2;O verwendet wird, wobei die H&sub2;O&sub2;-Konzentration den Winkel der Flächen bestimmt.
Die übereinanderliegenden Halbleiterschichten (22) bis (24) werden durch Aufwachsen auf die strukturierte Substratoberfläche gebildet. Hierzu bedient man sich des herkömmlichen MBE-Verfahrens, wie in Fig. 2B bis 2E dargestellt.
Nach sorgfältiger Reinigung und nach dem Einbringen in das MBE- System, wird die untere n-dotierte AlGaAs-Hüllschicht (22) in Schritt 1 bei einer Temperatur von 720ºC durch Aufwachsen gebildet (Fig. 2B). Um den Diffusions- und Desorptionseffekt nicht zu gefährden, wird mit Hilfe eines geringen Arsenzuflusses das Aufwachsverfahren gesteuert, um eine Schicht mit einer Al-Konzentration von x=0,4 zu bekommen, wobei die aufgebrachte Al0,4Ga0,6As- Schicht eine Dicke von 1,5 um aufweist.
In Schritt 2, dargestellt in Fig. 2C, wird die aktive Schicht (23) des nichtdotierten GaAs bei einer gleichbleibenden Temperatur von 720ºC durch Aufwachsen gebildet. Aufgrund der hohen Oberflächendiffusion und -desorption des Ga an der (411A)-Fläche entstehen Schichten von unterschiedlicher Dicke, wobei die Dicke der Schicht auf der (100)-Ebene zwischen 5 und 10 nm beträgt. Auch die Ga-Einbettungsrate variiert. In dem angeführten Beispiel wird das Aufwachsen solange fortgeführt, bis die Dicke auf der (100)-Ebene oben auf dem Ridge ungefähr 8nm (Bereich 23R) beträgt, die GaAs-Schichten auf den Seitenwandflächen jedoch nur eine Dicke von 5nm aufweisen (Bereich 23E).
Hierbei läßt sich feststellen, daß die unterschiedliche Dicke der GaAs-Schicht auf den (100)- und der (411A)-Flächen in erster Linie auf den Diffusions- und Desorptionseffekt zurückzuführen ist. Durch die geringe Neigung der Seitenwände kann die unterschiedliche Dicke aufgrund einer beliebigen "Geometriewirkung" des MBE-Verfahren nahezu unberücksichtigt bleiben. Hier weicht das Verfahren von dem in dem oben angeführten Artikel von J.P.Harbison et al beschriebenen ab, in dem die unterschiedliche Dicke in der "Geometriewirkung" und der steilen Neigung der Seitenwände begründet liegt.
Nach diesem Schritt wird in Schritt 3 das Aufwachsen unterbrochen, indem die Versorgung mit Ga und As für ca. eine Minute unterbrochen wird, während die Temperatur gleich hoch gehalten wird.
Man hat herausgefunden, daß die dünne 5nm dicke GaAs-Schicht (23E) während der Unterbrechnung des Aufwachsens gänzlich von den Seitenwandflächen desorbiert. Dadurch wird die Oberfläche der darunterliegenden unteren Hüllschicht (22) freigelegt. Der Bereich der aktiven GaAs-Schicht (23R) an der (100)-Fläche ist nun isoliert. Das aktive Quantumwell der Laserstruktur wird gebildet. Die Struktur, die nach Beendigung dieses äußerst wichtigen Verfahrensschrittes entsteht, wird in Abbildung 2D dargestellt.
Im nun folgenden 4. Schritt wird die obere Hüllschicht (24), die die gleiche Al0,4Ga0,6As-Zusammensetzung aufweist wie die untere Hüllschicht (22), aber n-dotiert ist, auf die Struktur aufgebracht, wie in Fig. 2E dargestellt wird. Die Bedingungen bei diesem Verfahrensschritt sind die gleichen wie bei Schritt 1. Die Dicke der Schicht (24) beträgt ebenfalls ca. 1,5 um.
Da die obere Hüllschicht (24), die sich im Bereich der (411A)Flächen befindet, direkt auf die untere Hüllschicht (22) aufgebracht wird, ist das aktive GaAs-Quantumwell (23R) vollständig in einer AlGaAs-Hüllschicht aus Material größeren Bandabstands eingebettet. In dem fertiggestellten Laserbauelement sorgt dies sowohl für die seitliche Trägerbegrenzung als auch für die seitliche Strombegrenzung.
Es sollte noch darauf hingewiesen werden, daß kein weiterer Verfahrensschritt nötig ist, um eine Strornbegrenzung zu erzielen. In diesem Punkt weicht das hier beschriebene Verfahren von den zwei Verfahren ab, auf die in der Einleitung zu dieser Erfindung hingewiesen worden war. Im Verfahren von P.L.Derry et al bedarf es entweder eines AlGaAs-Nachwachsens oder, wie im Verfahren von J. P.Harbison, einer Protonenimplantierung.
Im nun folgenden Schritt 5 (siehe Fig. 2F) werden Stromübergänge für das Anlegen des Injektionsstroms (I) an die p-N-Laserdiode aufgebracht. Dabei werden konventionelle Methoden und Materialien eingesetzt. In der beschriebenen Anordnung besteht der obere P-Übergang aus Ti/Pt/Au, wohingegen die N-Übergangselektrode (hier nicht abgebildet), die an das Substrat angeschlossen ist, aus Au/Ge/Ni/Au besteht.
Mit einigen kleinen Abwandlungen kann das oben beschriebene Verfahren auch zur Herstellung von verschiedenen Typen von Halbleiter-Laserstrukturen verwendet werden. Als Beispiel läßt sich die GRINSCH-Struktur anführen, die eine unabhängige Optimierung der optischen Begrenzung und der Strombegrenzung ermöglicht. Bei einer GRINSCH-Struktur werden Schritt 1 (Fig. 2B) und Schritt 4 (Fig. 2E) abgewandelt, um eine vergrabene, lichtbrechende Zone zu schaffen. Die Masse der oberen und unteren Hüllschicht ((22) bzw. (24)) wird durch Aufwachsen, wie oben beschrieben, gebildet. Aber in den 0,2 um dicken Zonen, die neben der aktiven Schicht (23R) liegen und als Wellenleiterschichten bezeichnet werden, ist der Al-Gehalt abgestuft und zwar von x=0,4 am Übergang zu der entsprechenden Hüllschicht auf x=0,18 an der Grenze zur aktiven Schicht (23R). Die Abstufung verläuft linear, kann aber ebensogut parabolisch oder andersgeartet sein.
Darüber hinaus können weitere Abweichungen von dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren oder von der daraus resultierenden Laserstruktur vorgenommen werden, ohne jedoch die einzelnen Verfahrensschritte abzuwandeln. So kann zum Beispiel der aktive Bereich aus einer Mehrfach-Quantumwell-Struktur bestehen, oder das GaAs, das das aktive Quantumwell bildet, kann dotiert sein, oder die P-N-"Polarität" könnte umgekehrt werden, mit dem Ergebnis, daß der Übergangsstrom in die entgegengesetzte Richtung fließen muß, und so weiter. Darüber hinaus können ebenso die Verfahrensparameter, wie die verwendeten Materialien, die angegebenen Dicken und andere Parameter, die für das oben beschriebene Verfahren von Bedeutung sind, abgewandelt werden.
Fig. 3 ist die schematische Darstellung einer vollständigen GaAs-Laserstruktur, die gemäß des oben beschriebenen Verfahrens hergestellt werden kann. Wo dies sinnvoll war, wurden in der Darstellung die gleichen Hinweisnummern für die entsprechenden Strukturelemente verwendet wie in Fig. 2.
Die aus mehreren Schichten aufgebaute Struktur einer Halbleiter-Laserdiode (20) wird durch Aufwachsen auf ein n+-GaAs-Substrat (21) gebildet. Diese Struktur umfaßt eine untere n-leitende und obere p-leitende AlGaAs-Hüllschicht (22) bzw. (24). Der aktive GaAs-Bereich (23R), der das Quantumwell bildet, ist vollständig in diese beiden Schichten eingebettet. Die tatsächliche Laserstruktur kann eine GRINSCH-Struktur sein. In diesem Fall ermöglichen die abgestuften Wellenleiterschichten, die neben dem aktiven Quantumwell liegen, eine unabhängige Optimierung der optischen und elektrischen Eigenschaften des Bauelements.
Wird ein Strom in der Größenordnung oder stärker als der Schwellenstrom des Laser von der Elektrode am Stromübergang (25) hinunter durch die Schichten (24), (23) und (22) in das Substrat (21) und an die Elektrode (26) geleitet, so führt die Rekombination der Ladungsträger im Bereich des aktiven Quantumwells (23R) zur Emission von Licht. Der lichtemittierende Bereich, hier von einer unterbrochenen Linie umgeben (27), umfaßt das Quantumwell (23R) sowie die direkt daran angrenzenden Bereiche der Hüllschichten (22) und (24).
Da das aktive Quantumwell (23R) vollständig in eine AlGaAs-Hüllschicht größeren Bandabstands eingebettet ist, schafft die Struktur eine sehr wirksame Trägerbegrenzung, da die in den Seitenwandbereichen gebildeten Energieschwellen, schematisch in Fig.1 dargestellt, verhindern, daß die injizierten Träger aus dem aktiven Bereich diffundieren.
Da in den Seitenwandbereichen keine GaAs-Schicht vorhanden ist, stellt die Struktur ebenfalls eine sehr wirksame Strombegrenzung dar, da die Schaltspannung des P-N-Übergangs im Bereich des Quantumwells beträchtlich niedriger ist als die Spannung an den P-N-Übergängen der Seitenwände. Hierbei wird verhindert, daß der angelegte Strom (I) durch die P-N-Übergänge fließt, sondern er wird durch das Quantumwell geleitet, wie durch die Pfeile (28) illustriert.

Claims

1. Verfahren für das selektive Aufwachsen von GaAs auf einem strukturierten GaAs-Substrat zur Verwendung bei der Herstellung einer Halbleiter-Laserdiode,

wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

Strukturieren der Oberfläche des GaAs-Substrats (21) um eine Ridgestruktur (21A) herzustellen, auf der eine Halbleiter-Laserdiode durch Aufwachsen gebildet werden soll, wobei die horizontalen Flächen des Ridges (100)-orientiert sind und die Seitenwandflächen (m11A)-orientiert sind und die Seitenwandflächen der Ridgestruktur infolge der unterschiedlichen Kristallorientierung eine kleinere Einbettungsrate für Ga aufweisen, als jene der horizontalen Flächen und

Aufbringen der Schichten (22, 23, 24), welche die Halbleiter-Laserdiode auf dem strukturierten GaAs-Substrat (21) bilden, in einem Molekularstrahlepitaxie (MBE)-System bei einer Temperatur über 700ºC wie folgt:

Aufwachsen einer unteren AlGaAs-Hüllschicht (22) eines ersten Leitfähigkeitstyps auf allen Flächen der Ridgestruktur

Aufwachsen eines GaAs-Quantumwells (23) bis eine Schichtdicke zwischen 5 und 10 nm auf der oberen horizontalen Ebene (23R) erzielt wird, wobei die Dicke an den Seitenwandflächen (23E), die eine kleinere Einbettungsrate für Ga besitzen, geringer ist,

Unterbrechen des Aufwachsens durch Stoppen der Ga-Versorgung bis zur vollständigen Desorption der dünnen GaAs- Schicht (23E) von den Seitenwandflächen,

Aufwachsen einer oberen AlGaAs-Hüllschicht (24) eines zweiten Leitfähigkeitstyps auf allen Flächen der Struktur,

wodurch das aktive Quantumwell (23R), das als eine Kavität der fertigen Halbleiter-Laserdiode dient, seitlich innerhalb eines Materials (22, 24) größeren Bandabstands eingebettet ist, das für eine seitliche Träger- und Strombegrenzung sorgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Seitenwandflächen (411A) - orientiert sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die AlGaAs-Zusammensetzung der unteren und der oberen Hüllschicht (22, 24) Al0.4Ga0.6As ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem die untere und die obere Hüllschicht (22, 24) benachbart zu dem eigebetteten Quantumwell (23R) eine Wellenleiterschicht mit einem abgestuften Al-Gehalt aufweisen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem sich die AlGaAs-Zusammensetzung innerhalb der Wellenleiterschichten von Al0.18a0.82As an der Grenzfläche mit dem Quantumwell zu Al0.4Ga0.6As an dem Übergang zur Masse der Hüllschichten hin ändert.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Temperatur, bei welcher die die Laserdiode bildenden Schichten (22, 23, 24) in dem MBE-System durch Aufwachsen gebildet werden, ungefähr 720ºC beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Dicke der unteren und der oberen Hüllschicht (22, 24) ungefahr 1,5um beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Unterbrechung des Aufwachsens für etwa 1 Minute erfolgt.

9. Halbleiterdiodenlaser (20) mit einem Quantumwell (QW), bei dem das QW (23R) in einem Material (22, 24) größeren Bandabstands eingebettet ist, das für eine seitliche elektrische Begrenzung sorgt, wobei

der Laser eine Schichtstruktur (22, 23, 24) aufweist, welche die aktive GaAs QW-Schicht (23R) einschließt, die sandwichartig zwischen unteren und oberen AlGaAs-Hüllschichten (22, 24) liegt und das Material der letzteren einen größeren Bandabstand besitzt, als das der aktiven QW-Schicht (23R)

die Schichten der Schichtstruktur auf einem Ridge (2lA) einer strukturierten GaAs-Substratoberfläche aufgebracht sind und die (m11A)-orientierten Seitenwandflächen des Ridges infolge der unterschiedlichen Kristallorientierung eine kleinere Einbettungsrate für Ga aufweisen, als jene der horizontalen (100)-orientierten Flächen,

dadurch gekennzeichnet, daß

die aktive QW-Schicht (23R) selektiv auf dem (100)-orientierten horizontalen Abschnitt der unteren Hüllschicht (22) aufgebracht ist, wogegen der (m11A)-orientierte Seitenwandabschnitt der unteren Hüllschicht kein aufgebrachtes Aktivschicht-Material aufweist und folglich mit der oberen Hüllschicht (24) unmittelbar in Kontakt steht,

wodurch die aktive QW-Schicht (23R) vollständig innerhalb des Hüllschichtmaterials (22, 24) mit größerem Bandabstand eingebettet ist.

10. Diodenlaser nach Anspruch 9, bei welchem die untere und die obere Hüllschicht (22, 24) benachbart zu dem eingebetteten Quantumwell (23R) eine Wellenleiterschicht mit einem abgestuften Al-Gehalt aufweisen.