DE3905480A1 - Halbleiterlaser und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterlaser gemäß den Oberbegriffen der nebengeordneten Patentansprüche 1 und 5 sowie auf ein Verfahren zu seiner Herstellung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 15.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Halblei­ terlaser mit innerer Strombegrenzung durch eine furchenar­ tige Stromsperrschicht.

Verschiedene Halbleiterlaserstrukturen wurden bereits vor­ geschlagen und realisiert. Eine wichtige Größe für einen Halbleiterlaser ist sein Schwellenstrom. Wenn Ströme, die die Schwelle überschreiten, durch den Laser hindurchflie­ ßen, tritt eine Laserschwingung auf, so daß kohärente Strahlung emittiert wird. Durch einen hohen Schwellenstrom wird jedoch die Lebensdauer des Lasers reduziert. Um den Schwellenstrom auf einen Minimalwert zu reduzieren, kommt in vielen Halbleiterlaserstrukturen eine Stromkonzentra­ tionseinrichtung zum Einsatz. Die Stromkonzentrationsein­ richtung engt den Stromfluß auf eine lokalisierte Fläche innerhalb des Lasers ein, um den Gesamtstromfluß zu redu­ zieren, der erforderlich ist, um die Schwellenstromdichte in der lokalisierten Fläche zu erreichen. Durch den Einsatz der Stromkonzentrationseinrichtung erhöht sich jedoch die Komplexität der Laserstruktur, so daß der Herstellungspro­ zeß relativ aufwendig ist. Außerdem erhöhen sich dadurch die Herstellungskosten.

Eine perspektivische Querschnittsansicht einer herkömmli­ chen Laserstruktur mit einer Strombegrenzungseinrichtung ist in Fig. 3 dargestellt. Dieser VSIS-Laser (v-channeled substrate inner stripe laser) ist in Applied Physics Letters, Band 40, Seiten 372 bis 374 (1982) beschrieben. Beim konventionellen Laser nach Fig. 3 liegt auf einem p- Typ GaAs-Substrat 1 eine n-Typ GaAs-Stromsperrschicht 2. Eine untere p-Typ-Überzugsschicht 3 (cladding layer) aus Al _y Ga_1-y As liegt auf der Stromsperrschicht 2. Ferner liegt eine aktive Schicht 4 vom p-Typ aus Al _x Ga_1-x As auf der un­ teren Überzugsschicht 3. Auf der aktiven Schicht 4 liegt eine obere Überzugsschicht 5 vom n-Typ aus Al _y Ga_1-y As. Bei der typischen Laserstruktur nach Fig. 3 beträgt x etwa 0,15 und y etwa 0,49. Eine n-Typ GaAs-Kontaktschicht 6 liegt auf der oberen Überzugsschicht 5. Elektroden 11 und 12 befinden sich auf den freiliegenden Oberflächen von Substrat 1 und Kontaktschicht 6.

Die Laserstruktur nach Fig. 3 enthält eine v-förmige longi­ tudinale Furche 13 (bzw. Rinne oder Nut), die sich entlang der Länge des Substrats 1 erstreckt. Allgemein verläuft die Furche 13 parallel zu den Grenzflächen zwischen den Halb­ leiterschichten und engt den Stromfluß durch den Laser, also den Stromfluß von einer Elektrode zur anderen, auf den zentralen Streifenbereich ein, der durch die Furche 13 de­ finiert ist. Die Tiefe der Furche 13 erstreckt sich allge­ mein senkrecht zu den Grenzflächen zwischen den Halbleiter­ schichten durch die Stromsperrschicht 2 hindurch und in das Substrat 1 hinein. Die Furche 13 ist mit einem Teil der un­ teren Überzugsschicht 3 ausgefüllt, so daß die Überzugs­ schicht 3 die einzige im wesentlichen nichtplanare Schicht in der Struktur ist.

Der VSIS-Laser nach Fig. 3 kann in nur zwei kristallinen Wachstumsschritten hergestellt werden. Im ersten Wachstums­ schritt wächst die Stromsperrschicht 2 auf das Substrat 1 auf. Die Struktur wird dann aus dem Gerät zur Durchführung des Kristallwachstums herausgenonmen, so daß sich durch ei­ ne konventionelle photolithographische und chemische Ätz­ technik die Furche 13 in der Stromsperrschicht 2 und im Substrat 1 bilden läßt. Nach der Bildung der Furche 13 wird der zweite kristalline Wachstumsschritt ausgeführt. AlGaAs- Schichten 3, 4 und 5 sowie die GaAs-Kontaktschicht 6 wach­ sen nacheinander auf, und zwar vorzugsweise mit Hilfe des Flüssigphasen-Epitaxieverfahrens (LPE-Verfahren). Nach Nie­ derschlagung der Elektroden 11 und 12 ist der Vorgang zur Herstellung der Laserstruktur beendet. Der Herstellungspro­ zeß ist daher relativ einfach.

Wird der Laser nach Fig. 3 in geeigneter Weise vorgespannt, so daß ein elektrischer Strom zwischen den Elektroden 11 und 12 fließt, so wird ein großer Teil des potentiellen Stromflusses durch den in Sperrichtung vorgespannten pn- Übergang zwischen der Stromsperrschicht 2 und der ersten Überzugsschicht 3 blockiert. Der Strom kann jedoch leicht durch die Furche 13 hindurchfließen, da er in dem Bereich, in dem er das Substrat 1 durchdringt, keinen gleichrichten­ den Übergang vorfindet. Üblicherweise ist die Furche 13 3 bis 5 µm breit, und zwar an der Stelle, an der der Strom aus dem Substrat 1 heraustritt.

Wie durch die Pfeile in Fig. 3 angedeutet ist, breitet sich der vom Substrat 1 kommende und in die Furche 13 hinein­ fließende Strom in den seitlichen Furchenbereich und in die Schicht 3 aus. Die Komponente des Stromflusses in Richtung der Elektrode 12 trägt den größten Teil zur Entstehung der Laserschwingung und zur Erzeugung von Licht bei. Der Teil des Stroms jedoch, der seitlich über die Furche 13 in die Schicht 3 hineinfließt, also der Blindstrom, trägt nichts zur Entstehung der Laserschwingung bei. Das gleiche gilt für den querverlaufenden Ladungsträgerfluß in der aktiven Schicht 4 gegenüber der Furche 13. Auch er trägt nichts zur Entstehung der Laserschwingung bei und erhöht die Blind­ stromkomponente des Stromflusses. Aufgrund des relativ ho­ hen Blindstromanteils ist der Schwellenstrom eines Lasers der in Fig. 3 gezeigten Art relativ hoch. Er beträgt z. B. 35 bis 45 mA.

Eine weitere konventionelle Laserstruktur mit Strombegren­ zungseinrichtung ist schematisch in perspektivischer Quer­ schnittsansicht in Fig. 4 gezeigt. Es handelt sich hierbei um einen sogenannten B-VSIS-Laser (buried v-channel sub­ strate inner stripe laser), bei dem ebenfalls die Strombe­ grenzungseinrichtung nach Fig. 3 vorgesehen ist, um den Blindstromfluß zu unterdrücken. In allen Figuren sind glei­ che Elemente wie in den Fig. 3 und 4 mit den gleichen Be­ zugszeichen versehen. Zusätzlich zu den Elementen des zuvor beschriebenen Laserbeispiels nach Fig. 3 enthält die Struk­ tur nach Fig. 4 eine n-Typ-GaAs-Kappenschicht 7 gegenüber der Furche 13 und eine begrabene Schicht 8 mit relativ ho­ hem Widerstand aus Al _z Ga_1-z As auf der Stromsperrschicht 2. Eine zweite begrabene Schicht 9 vom p-Typ aus Al _u Ga_1-u As liegt auf der Schicht 8 und benachbart zur Kontaktschicht 6. Bei einem typischen Aufbau beträgt z wenigstens annä­ hernd 0,8, während u wenigstens annähernd 0,2 ist. Die Hochwiderstandsschicht 8 befindet sich an gegenüberliegen­ den Seiten der Furche 13, um den lateralen bzw. seitlichen Fluß von Ladungsträgern zu unterdrücken, die von der Furche 13 kommen.

Der Prozeß zur Herstellung der Laserstruktur nach Fig. 4 ist komplizierter als derjenige zur Herstellung der Laser­ struktur nach Fig. 3 und erfordert drei kristalline Wachs­ tumsschritte. In einem ersten Kristallwachstumsschritt wird die Stromsperrschicht 2 auf dem Substrat 1 niedergeschla­ gen. Wie bereits im Zusammenhang mit der Herstellung der Struktur nach Fig. 3 beschrieben, wird dann die Furche 13 durch konventionelle photolithographische und Ätzschritte hergestellt. Im zweiten kristallinen Wachstumsschritt wer­ den die untere Überzugsschicht 3, die aktive Schicht 4, die obere Überzugsschicht 5 und die Kappenschicht 7 nacheinan­ der niedergeschlagen, und zwar unter Verwendung des LPE- Verfahrens. Sodann werden mit Hilfe photolithographischer und konventioneller Ätztechniken Teile der Schichten 3, 4, 5 und 7 entfernt, so daß nunmehr Raum für das Aufwachsen der Schichten 8 und 9 vorhanden ist. Das teilweise Entfer­ nen der Schichten 3, 4, 5 und 7 führt zur Bildung einer longitudinalen Mesastruktur, wie in Fig. 4 zu erkennen ist, wenn die Schichten 8, 9 und 6 noch nicht vorhanden sind. In dem dritten kristallinen Wachstumsschritt werden die AlGaAs-Schicht 8, die einen hohen Widerstand aufweist, die p-Typ-AlGaAs-Schicht 9 und die Kontaktschicht 6 nacheinan­ der durch jeweils einen Aufwachsvorgang erzeugt. Wie zuvor bereits erwähnt, werden auch in diesem Fall Elektroden 11 und 12 durch konventionelle Techniken niedergeschlagen, um die Struktur zu vervollständigen.

Wenn ein Strom durch die Laserstruktur nach Fig. 4 fließt, so wird der seitliche bzw. laterale Stromfluß in den Schichten 3, 4, 5 und 7 durch die Schichten 8 und 9 unter­ drückt. Auch der Blindstrom in der aktiven Schicht 4, der nichts zur Entstehung der Laserschwingung beiträgt, wird dadurch reduziert, so daß sich der Schwellenstrom des La­ sers auf etwa 20 bis 25 mA senken läßt.

Die Struktur nach Fig. 4 ermöglicht somit eine erhebliche Verminderung des Schwellenstroms, muß jedoch in aufwendiger Weise hergestellt werden, was zu erhöhten Kosten führt. Drei kristalline Wachstumsschritte sind erforderlich im Vergleich zu nur zwei Schritten bei der Herstellung der Struktur nach Fig. 3. Die Mesabildung zwischen dem zweiten und dritten kristallinen Wachstumsschritt erfordert eine hochpräzise Anwendung der photolithographischen und Ätz­ techniken. Darüber hinaus sind die nachgewachsenen Grenz­ flächen (regrowth interfaces) zwischen den longitudinalen Seiten der Mesastruktur, insbesondere der Schicht 4, und den Schichten 8 und 9, die sich an den Seiten der Mesa­ struktur befinden, die den Laseroszillatorbereich bildet, von Natur aus schwach, was zu einer reduzierten Lebensdauer des Lasers führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mit einer Strombegrenzungseinrichtung ausgestattete Laserstruktur zu schaffen, die relativ einfach und kostengünstig herstellbar ist und die zu einem Laser mit relativ niedrigem Schwellen­ strom und verlängerter Lebensdauer führt.

Vorrichtungsseitige Lösungen der gestellten Aufgabe sind in den kennzeichnenden Teilen der nebengeordneten Patentan­ sprüche 1 und 5 angegeben. Eine verfahrensseitige Lösung der gestellten Aufgabe findet sich im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 15.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den jeweils nachgeordneten Unteransprüchen zu entnehmen.

Nach einem Aspekt der Erfindung enthält eine Strombegren­ zungseinrichtung in einem Halbleiterlaser eine v-förmige, longitudinale Furche bzw. Längsfurche (Nut oder Rinne), die sich in ihrer Tiefenrichtung gesehen durch die Stromsperr­ schicht hindurch in das Substrat hinein erstreckt. Longitu­ dinale bzw. Längsstreifen mit relativ hohem Widerstand lie­ gen auf der Stromsperrschicht benachbart bzw. parallel ver­ laufend zu den Längskanten der Furche. Die erste Überzugs­ schicht liegt zu einem Teil innerhalb der Furche und anson­ sten auf der Stromsperrschicht, wobei jedoch die longitudi­ nalen Streifen mit hohem Widerstand verhindern, daß sich die erste Überzugsschicht auf deren Oberfläche bilden kann. Die erste Überzugsschicht ist daher diskontinuierlich aus­ gebildet, wird also durch die longitudinalen Streifen un­ terbrochen. Die aktive Halbleiterschicht ist ebenfalls dis­ kontinuierlich ausgebildet und wird durch die longitudina­ len Streifen unterbrochen. Sie liegt auf der ersten Über­ zugsschicht, jedoch nicht auf den Streifen mit hohem Wider­ stand. Eine zweite Überzugsschicht befindet sich auf der diskontinuierlich ausgebildeten aktiven Schicht und eben­ falls auf den freiliegenden longitudinalen Streifen mit ho­ hem Widerstand (Hochwiderstandsstreifen). Diese Hochwider­ standsstreifen und die in lateraler Richtung diskontinuier­ lich ausgebildete aktive Schicht unterdrücken den lateralen Stromfluß zwecks Reduzierung des Laserschwingungs-Schwel­ lenstroms. Hierdurch lassen sich der Leistungsverbrauch des Lasers verringern und dessen Lebensdauer verlängern.

Nach einem anderen Aspekt der Erfindung wird die Laser­ struktur durch aufeinanderfolgendes Aufwachsen der Strom­ sperrschicht und der halbleitenden Hochwiderstandsschichten auf einem Substrat in einem ersten kristallinen Wachstums­ schritt hergestellt. Die Hochwiderstandsschicht verhindert das nachfolgende Aufwachsen einer Halbleiterschicht auf ih­ rer Oberfläche. Ein begrenzter Bereich der halbleitenden Hochwiderstandsschicht wird definiert, wobei in diesem Be­ reich eine longitudinale, v-förmig ausgebildete Furche (Längsfurche) erzeugt wird, die sich in Tiefenrichtung ge­ sehen durch die Hochwiderstandsschicht und die Stromsperr­ schicht hindurch in das Substrat hinein erstreckt. Die Längsrichtung der Furche verläuft parallel zur ebenen Ober­ fläche der Hochwiderstandsschicht. Die Hochwiderstands­ schicht wird somit in zwei Hälften unterteilt, die jeweils einen longitudinalen Streifen (Hochwiderstandsstreifen) bilden, der an der Längskante der v-förmig ausgebildeten Furche und parallel zu dieser verläuft. Die Halbleiterla­ serstruktur wird in einem zweiten kristallinen Wachstums­ schritt vervollständigt, in welchem die verbleibenden Halb­ leiterschichten der Reihe nach durch einen Aufwachsvorgang erzeugt werden. Zunächst wird die in seitlicher bzw. late­ raler Richtung diskontinuierlich ausgebildete erste Über­ zugsschicht erzeugt, die innerhalb der v-förmig ausgebilde­ ten Furche und auf der Stromsperrschicht aufwächst, und zwar in Bereichen benachbart zu den Hochwiderstandsstrei­ fen. Auf diesen Hochwiderstandsstreifen selbst kann die er­ ste Überzugsschicht nicht aufwachsen. Die erste Überzugs­ schicht wird also durch die Hochwiderstandsstreifen in meh­ rere Felder unterteilt. Sodann wächst auf der ersten Über­ zugsschicht die aktive Halbleiterschicht auf, die sich ebenfalls nicht zusammenhängend ausbildet, sondern genau wie die erste Überzugsschicht durch die Hochwiderstands­ streifen in lateraler Richtung unterteilt wird. Die aktive Halbleiterschicht steht jedoch mit ihren jeweiligen Rändern in Kontakt mit den longitudinalen und einen hohen Wider­ stand aufweisenden Streifen, ohne diese aber vollständig zu überdecken. Im Anschluß daran wächst eine relativ dicke zweite Überzugsschicht sowohl auf der aktiven Schicht als auch auf den longitudinalen Hochwiderstandsstreifen auf, wobei diese zweite Überzugsschicht nunmehr zusammenhängend ist. Sie kommt auch oberhalb der Hochwiderstandsstreifen zu liegen.

Das halbleitende Material mit hohem Widerstand zur Bildung der Hochwiderstandsstreifen kann ein Halbleiter mit einer Oberfläche sein, die leicht oxidierbar ist. Voraussetzung ist, daß die oxidierte Oberfläche verhindert, daß auf ihr eine Kristallisationskeimbildung entstehen und somit eine kristalline Schicht aufwachsen kann. AlGaAs ist ein Bei­ spiel für einen leicht oxidierbaren Halbleiter und kann zur Bildung der Hochwiderstandsstreifen verwendet werden. Es kann aber auch ein elektrischer Isolator zum Einsatz kom­ men, von dem nur gefordert wird, daß er eine Kristallisa­ tionskeimbildung an seiner Oberfläche verhindert.

Zur Herstellung des Halbleiterlasers nach der Erfindung sind nur zwei kristalline Wachstumsschritte erforderlich, wobei keiner von beiden eine hochgenaue Maskenausrichtung erfordert. Das Verfahren zur Herstellung des Lasers nach der Erfindung ist daher relativ kostengünstig.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisch dargestellte Querschnittsperspek­ tivansicht eines Halbleiterlasers nach einem Aus­ führungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2(a) bis 2(d) Querschnittsperspektivansichten des Halbleiterlasers nach Fig. 1 in verschiedenen Her­ stellungsschritten,

Fig. 3 eine schematische Querschnittsperspektivansicht eines konventionellen VSIS-Lasers und

Fig. 4 eine schematische Querschnittsperspektivansicht eines konventionellen B-VSIS-Lasers.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1 ein Aus­ führungsbeispiel eines Halbleiterlasers nach der Erfindung im einzelnen beschrieben, wobei die Fig. 1 eine schemati­ sche Perspektivansicht zeigt. Gleiche Elemente wie in den Fig. 3 und 4 sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Gemäß einem speziellen Ausführungsbeispiel ist das Substrat 1 p-Typ GaAs, während die Stromsperrschicht 2 (current blocking layer) n-Typ GaAs ist.

Die Struktur nach Fig. 1 enthält eine Strombegrenzungsein­ richtung in Form einer longitudinalen Furche 13 (Nut bzw. Rinne), die sich durch die Stromsperrschicht 2 hindurch in das Substrat 1 hinein erstreckt. Anders als bei den Struk­ turen nach den Fig. 3 und 4 mit kontinuierlicher unterer Überzugsschicht enthält die Struktur nach Fig. 1 eine in lateraler bzw. seitlicher Richtung unterbrochene Überzugs­ schicht 3. Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, füllt die Über­ zugsschicht 3, die hier aus p-Typ-AlGaAs besteht, die lon­ gitudinale v-förmige Furche 13 in einem zentralen Streifen 23 aus und liegt darüber hinaus in beiden Randbereichen 23 a auf der Stromsperrschicht 2. Die beiden Randbereiche 23 a der unteren Überzugsschicht 3 sind von der Überzugsschicht in der Furche 13 durch longitudinale Streifen 10 aus Mate­ rial mit relativ hohem Widerstand getrennt, deren Ober­ fläche verhindert, daß auf ihr Keime zur Bildung kristalli­ nen Halbleitermaterials entstehen können. Gemäß einem spe­ ziellen Ausführungsbeispiel bestehen die einen hohen Wider­ stand aufweisenden Halbleiterstreifen 10 aus Al _v Ga_1-v As, wobei v wenigstens annähernd 0,8 ist. Wie in Fig. 1 ge­ zeigt, liegen die Halbleiterstreifen 10 an den Rändern bzw. Kanten der Furche 13 auf der oberen Fläche der Stromsperr­ schicht 2.

Ebenso wie die untere Überzugsschicht 3 ist auch die aktive Halbleiterschicht 4, die hier vorzugsweise aus undotiertem oder p-Typ-AlGaAs besteht, in lateraler bzw. seitlicher Richtung diskontinuierlich bzw. unterbrochen ausgebildet und liegt in drei Bereichen, nämlich in einem zentralen Streifen 24 und in zwei Randbereichen 24 a. Jeder der Berei­ che der aktiven Halbleiterschicht 4 liegt auf einem ent­ sprechenden Bereich der unteren Überzugsschicht 3. Dabei ist die aktive Halbleiterschicht 4 in Bereichen gegenüber den einen hohen Widerstand aufweisenden Halbleiterstreifen 10 unterbrochen. Die Unterbrechungen bzw. Diskontinuitäten, insbesondere die Unterbrechungen der aktiven Schicht 4, dienen als Einrichtung zur Verminderung des Leckstroms und insbesondere zur Unterdrückung lateraler Ströme aus dem zentralen Streifen. Die zweite Überzugsschicht 5, die im Vergleich zur unteren Überzugsschicht 3 und zur aktiven Schicht 4 relativ dick ausgebildet ist, liegt einerseits auf der aktiven Halbleiterschicht 4 und ebenfalls auf den den hohen Widerstand aufweisenden Halbleiterstreifen 10. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die obere Überzugs­ schicht 5 n-Typ-AlGaAs. Schließlich liegt auf der oberen Überzugsschicht 5 eine Kontaktschicht 6 und bildet den Ab­ schluß des Halbleiterteils der Laserstruktur. An gegenüber­ liegenden Seiten dieser Laserstruktur befinden sich Elek­ troden 11 und 12. Die Elektrode 11 liegt an der unteren Fläche des Substrats 1, während die Elektrode 12 auf der Kontaktschicht 6 liegt.

Wird an die Halbleiterstruktur über die Elektroden 11 und 12 ein elektrisches Signal mit geeigneter Polarität ange­ legt, so fließt ein Strom durch die Schichten hindurch, die innerhalb der Struktur übereinanderliegend angeordnet sind. Aufgrund der gleichrichtenden Sperrschicht zwischen den Schichten 2 und 3 wird der Strom derart begrenzt bzw. ein­ geengt, daß er durch die untere Überzugsschicht hindurch­ fließt, also durch diejenige, die in der longitudinalen Furche 13 liegt. In der Struktur nach Fig. 1 wird eine seitliche Ausbreitung des Stroms durch die den relativ ho­ hen Widerstand aufweisenden longitudinalen Streifen 10 ver­ hindert, die zwischen dem zentralen Streifen 24 der aktiven Schicht, welche angeregt wird, und den Randbereichen 24 a liegen, die nicht angeregt werden. Zusätzlich ist die Ener­ giebandlücke der Streifen 10 vorzugsweise so gewählt, daß sie größer ist als die der anderen Materialien innerhalb der Struktur. Aufgrund der Energiebandlückenänderung vom Material der aktiven Schicht zum Material der Streifen 10 wird eine zusätzliche Potentialbarriere erhalten, durch die ebenfalls ein seitliches Ausbreiten des die Laserstruktur durchfließenden Stroms verhindert wird.

All die genannten Maßnahmen zur Begrenzung des lateralen Stromflusses reduzieren den Anteil des Eingangsstroms, der einen Blindstrom darstellt, also nicht zur Laseroszillation beiträgt. Im Ergebnis wird der Laseroszillations-Schwellen­ strom der Struktur nach Fig. 1 im Vergleich zu den Schwel­ len der bekannten Laser mit v-förmiger Furche und einfache­ rem Aufbau erheblich reduziert. Beispielsweise beträgt der Schwellenstrom der in Fig. 1 gezeigten Struktur nur etwa 20 mA. Da die meisten Strahlung aussendenden Ladungsträgerre­ kombinationen nur in demjenigen Teil der aktiven Schicht 4 stattfinden können, der gegenüber der Furche 13 liegt, also im zentralen Streifen 24, ergibt sich gleichzeitig eine Verminderung nichtstrahlender Rekombinationen im Seitenbe­ reich der Furche 13. Durch die verminderten nichtstrahlen­ den Rekombinationen wird die Betriebstemperatur des Lasers herabgesetzt, so daß sich seine Lebensdauer vergrößert.

Ein wichtiges Merkmal bei der Herstellung des Halbleiterla­ sers nach der Erfindung ist die Fähigkeit zur Steuerung und Verhinderung der Keimbildung auf den den hohen Widerstand aufweisenden Streifen 10 während eines Teils des zweiten kristallinischen Wachstumsschritts. AlGaAs ist ein gutes Halbleitermaterial für Streifen 10 mit hohem Widerstand. Die Bandlücke dieses Materials kann durch Steuerung des An­ teils von Aluminium innerhalb der Schicht eingestellt wer­ den. Auf diese Weise läßt sich die Potentialbarriere bezüg­ lich des lateralen Stromflusses durch die Streifen 10 ein­ stellen und vergrößern. Wie allgemein bekannt, kann die Oberfläche von AlGaAs, insbesondere dann, wenn ein hoher Anteil an Aluminium vorhanden ist, schnell in Luft oxidie­ ren oder in einer oxidierenden chemischen Lösung. Ist diese Oberfläche oxidiert, so können auf ihr nur noch schwer kri­ stalline Schichten direkt aufwachsen. Das Oxid weist die Keime ab, die wesentlich sind für ein gutes selektives, epitaktisches Aufwachsen. Diese Eigenschaft der oxidierten Oberfläche wird in einem bevorzugten Verfahren zur Herstel­ lung der Struktur nach Fig. 1 ausgenutzt. Um die gewünschte Keimbildungscharakteristik zu erhalten, sollte das Verhält­ nis von Aluminium zu Gallium in den Streifen 10 wenigstens 2 bis 3 betragen. Im vorangegangenen wurde hervorgehoben, daß die Oxidation der Oberfläche der den hohen Widerstand aufweisenden Halbleiterstreifen 10 von besonderer Bedeutung ist. Zur Bildung dieser Streifen 10 kann aber auch irgend­ ein Halbleiter verwendet werden, der einen relativ hohen Widerstand aufweist und dessen Oberfläche verhindert, daß auf ihr ein epitaktisches Aufwachsen möglich ist.

Die Fig. 2(a) bis 2(d) zeigen unterschiedliche Fertigungs­ schritte zur Herstellung der Laserstruktur nach Fig. 1. Das bevorzugte Verfahren umfaßt nur zwei kristallinische Wachs­ tumsschritte, wobei im zweiten Schritt der Reihe nach meh­ rere Halbleiterschichten aufwachsen. Die Fig. 2(a) zeigt den ersten kristallinen Wachstumsschritt. Eine Stromsperr­ schicht 2 mit einem Leitungstyp entgegengesetzt dem des Substrats 1 wächst auf der Oberfläche des Substrats 1 auf. Danach wächst auf der Oberfläche der Stromsperrschicht 2 eine Halbleiterschicht 10 mit relativ hohem Widerstand auf. Der erste kristalline Wachstumsschritt ist damit abge­ schlossen. Zur Bildung der Schichten 2 und 10 können epi­ taktische Verfahren herangezogen werden, z. B. das LPE-Ver­ fahren (liquid phase epitaxy) oder das VpE-Verfahren (vapor phase epitaxy). Es können also das Flüssigphasen-Epitaxie­ verfahren oder ein Epitaxieverfahren im Vakuum zum Einsatz kommen.

Entsprechend der Fig. 2(b) wird ein Teil der den hohen Wi­ derstand aufweisenden Schicht 10 entfernt, und zwar mittels einer konventionellen photolithographischen Ätztechnik. In einem zweiten Maskierungs- und Ätzschritt gemäß Fig. 2(c) wird ein Zentralbereich der Schicht 10 entfernt, und zwar wiederum unter Anwendung der photolithographischen Ätztech­ nik. Auf diese Weise wird der darunterliegende Teil der Schicht 2 freigelegt, wobei gleichzeitig longitudinale Streifen 10 erhalten werden. Entweder gleichzeitig mit der Entfernung des zentralen Teils der Schicht 10 oder nach der Entfernung dieses zentralen Teils wird die Furche 13 gebil­ det, und zwar durch einen chemischen Ätzvorgang. Die Furche 13 ragt dabei durch die Schicht 2 hindurch und erstreckt sich in das Substrat 1 hinein. Im Anschluß daran werden eventuell noch vorhandene Masken auf den Streifen 10 ent­ fernt. Bestehen die Streifen 10, wie im bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel aus AlGaAs, so führt ihre Berührung mit Luft vor, während oder nach den Ätzschritten schnell zu einer Oxidbildung auf ihren freiliegenden Oberflächen.

Nach Abschluß des in Fig. 2(c) dargestellten Schritts wird der zweite kristallinische Wachstumsprozeß ausgeführt, wie in Fig. 2(d) zu erkennen ist, um eine Reihe von Halbleiter­ schichten nacheinander aufwachsen zu lassen. Mit den zuerst genannten Schichten wird dann eine komplette Laserstruktur erhalten. Die oxidierte Oberfläche der AlGaAs-Streifen 10 verhindert, daß sich auf ihr Keime zur Kristallbildung an­ lagern können, so daß auf der oxidierten Oberfläche keine kristallinen Schichten aufwachsen können. Demzufolge be­ ginnt selbst beim LPE-Verfahren, bei dem die Streifen 10 direkt mit einer Flüssigkeit in Kontakt stehen, das Kri­ stallwachstum vorzugsweise an den nicht zu den Streifen 10 gehörenden Oberflächen. Während des zweiten kristallinen Wachstumsschritts wächst die erste oder untere Überzugs­ schicht 3 vorzugsweise in der Furche 13 und auf den frei­ liegenden Oberflächen der Stromsperrschicht 2 auf. Da die erste Überzugsschicht im Vergleich zur Breite der Streifen 10 sehr dünn ist, bildet sie sich nur zu einem sehr gerin­ gen Teil auf der oxidierten Oberfläche der Streifen 10 aus. Die erste Überzugsschicht 3 wird somit durch die Streifen 10 in lateraler Richtung unterbrochen.

Nach dem Aufwachsen der Überzugsschicht 3 wächst im zweiten kristallinen Wachstumsschritt eine relativ dünne aktive Schicht 4 auf. Wiederum bildet sich die Schicht 4 nicht auf den freiliegenden oxidierten Oberflächen der Streifen 10 aus. Im Ergebnis wird daher auch die aktive Schicht 4 durch die Streifen 10 in lateraler Richtung unterbrochen. Dabei stehen jedoch die Kanten der Schicht 4 in Kontakt mit den Streifen 10. Im Anschluß daran wird eine relativ dicke obe­ re Überzugsschicht 5 auf die aktive Schicht 4 niederge­ schlagen. Vorzugsweise bildet sich die Überzugsschicht 5 stärker auf der aktiven Schicht 4 aus als auf der oxidier­ ten Oberfläche der Streifen 10. Die zweite Überzugsschicht 5 wird jedoch mit einer Dicke bis zu mehreren µm herge­ stellt. Dies hat zur Folge, daß einige Keimbildungen auf den Streifen 10 stattfinden und das Wachstum von den Seiten der Streifen der Schicht 4 fortschreitet. Aufgrund ihrer Dicke füllt die zweite Überzugsschicht 5 die unterbrochenen Bereiche der Schicht 4, die den Streifen 10 gegenüberlie­ gen, aus, wenn die Schicht 5 aufwächst. Das zweite kristal­ line Aufwachsen wird beendet mit dem Aufwachsen einer Kon­ taktschicht 6, die dazu dient, die Einrichtung mit einem Ohm′schen Kontakt zu verbinden. Die Schicht 6 liegt auf der Schicht 5 auf. Nach Beendigung des zweiten Wachstums­ schritts werden die bereits erwähnten Elektroden 11 und 12 hergestellt, die in Fig. 1 angegeben sind, und zwar durch Aufdampfen einer metallischen Legierung.

Die durch den Prozeß nach Fig. 2 erhaltene Laserstruktur in Fig. 1 ist frei von irgendwelchen nachgewachsenen Grenzflä­ chen im aktiven Bereich, wie sie z. B. bei dem B-VSIS-Laser nach Fig. 4 auftreten. Da diese nachgewachsenen Grenzflä­ chen (regrowth interfaces) im aktiven Bereich zu einem frü­ hen Versagen des Lasers führen, weist die Struktur nach Fig. 1 gegenüber dem B-VSIS-Laser eine verlängerte Lebens­ dauer auf. Darüber hinaus wird die Struktur nach Fig. 1 in nur zwei kristallinen Wachstumsschritten hergestellt, so daß die Produktionskosten nicht höher liegen als die zur Herstellung der Struktur nach Fig. 3 und geringer sind als die zur Herstellung der Struktur nach Fig. 4.

Im vorangegangenen wurde erwähnt, daß insbesondere Materia­ lien aus GaAs und AlGaAs zum Einsatz kommen können. Hierauf ist die Erfindung jedoch nicht beschränkt. Insbesondere können nach ihr auch andere Halbleiterlaser hergestellt werden, z. B. solche, die Materialien, wie Indium-Gallium- Arsenid-phosphid verwenden. Das LPE-Verfahren eignet sich in besonderer Weise zur Durchführung der Kristallwachstums­ schritte. Beim LPE-Verfahren werden in bekannter Weise Schichten durch Unterkühlung einer Flüssigkeit erzeugt, die eine Schmelze enthalten kann, in der sich die niederzu­ schlagenden Materialien befinden. Durch langsames Kühlen der Mischung scheiden sich die Halbleitermaterialien aus der Flüssigkeit ab und bilden die epitaktischen Schichten. In einem typischen Verfahren mit GaAs und AlGaAs werden die Halbleitermaterialien in einer Ga-Schmelze bei etwa 780°C gelöst. Nach einer Schmelzperiode von etwa 2 Stunden zur Gleichgewichtseinstellung der Lösung wird die Temperatur langsam und in vorbestimmter Weise reduziert. Die Lösung wird auf diese Weise unterkühlt, so daß sich die gewünsch­ ten und gelösten Stoffe aus der Lösung abscheiden, um auf­ gewachsene Halbleiterfilme zu bilden.

Bei einer typischen Struktur des Halbleiterlasers nach der Erfindung kann die Stromsperrschicht 2 etwa 1 µm dick sein, während die Dicke der Streifen 10 mit hohem Widerstand etwa 0,1 µm betragen kann. Die erste Überzugsschicht 3 weist ei­ ne Dicke von etwa 0,1 bis etwa 0,5 µm auf und vorzugsweise eine Dicke von etwa 0,2 µm. Die aktive Schicht 4 ist sehr dünn und besitzt vorzugsweise eine Dicke von 0,1 µm. Sie kann mit einer Dicke hergestellt werden, die im Bereich zwischen etwa 0,04 bis etwa 0,15 µm liegt. Die obere Zwi­ schenschicht 5 (cladding layer) ist relativ dick, um si­ cherzustellen, daß durch sie die Räume zwischen den Strei­ fen der aktiven Schicht 4 oberhalb der Streifen 10, die den hohen Widerstand aufweisen, ausgefüllt werden. Eine typi­ sche Dicke der oberen Überzugsschicht 5 liegt zwischen etwa 1,5 bis etwa 2 µm.

Beim beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel bestehen die den hohen Widerstand aufweisenden Streifen 10 aus AlGaAs. Es können aber auch andere Materialien mit hohem Widerstand zum Einsatz kommen, um diese Streifen 10 zu bil­ den, auch Materialien, die keine Halbleiter sind. Ein wich­ tiges Merkmal des zur Bildung der Streifen 10 verwendeten Materials besteht darin, daß es keine Keimbildung verhin­ dert, wenn nach Bildung der Streifen 10 kristallines Halb­ leitermaterial niedergeschlagen wird, so daß die lateralen Unterbrechungen in der unteren Überzugsschicht und der ak­ tiven Schicht aufrechterhalten werden können. Beispiele für andere Materialien mit hohem Widerstand, auch isolierende Materialien, die zur Herstellung der Streifen 10 verwendet werden können, sind Siliciumdioxid und Siliciumnitrid.

Werden Siliciumdioxid (Siliciumoxid) oder Siliciumnitrid als Filme mit hohem Widerstand zur Verhinderung der Keim­ bildung während des Kristallwachstums verwendet, so wird das Verfahren zur Herstellung der Lasereinrichtung leicht abgewandelt. Anstelle der epitaktisch erzeugten AlGaAs- Schicht im oben beschriebenen Prozeß wird dann eine dünne Schicht aus einem isolierenden Film niedergeschlagen, und zwar durch ein CVD-Verfahren (Chemical-Vapor-Deposition- Verfahren). Dieser isolierende Film aus Siliciumdioxid (Si­ liciumoxid) oder Siliciumnitrid wird dann photolithogra­ phisch strukturiert, wie der AlGaAs-Film, und anschließend geätzt, um eine Struktur zu erhalten, wie sie in Fig. 2(c) dargestellt ist. Wie im Falle der Hochwiderstandsstreifen aus AlGaAs verhindern die Streifen aus Siliciumnitrid oder Siliciumdioxid (Siliciumoxid) die Bildung bzw. Anlagerung von Keimen an ihrer Oberfläche während der zweiten Kri­ stallwachstumsphase, wobei diese Streifen die verbleibenden Schichten der Lasereinrichtung bilden.

Werden Siliciumdioxid (Siliciumoxid) oder Siliciumnitrid verwendet, so können zusätzlich zur LPE-Technik im zweiten kristallinen Wachstumsschritt die MOCVD-Technik und die VPE-Technik zum Einsatz kommen (Metal-Organic-Chemical- Vapor-Deposition-Technik und Vapor-Phase-Epitaxy-Technik). Gegenüber isolierenden Materialien wird AlGaAs bevorzugt, da sein thermischer Expansionskoeffizient näher an demjeni­ gen der Reihenanordnung von Halbleiterverbindungen aus GaAs liegt als der eines Isolators.

Claims (22)

1. Halbleiterlaser, gekennzeichnet durch

• - eine aktive Schicht (4) zwischen einer ersten (3) und ei­ ner zweiten Überzugsschicht (5) vom entgegengesetzten Leitungstyp,
• - eine Strombegrenzungseinrichtung (13) zur Eingrenzung des durch die Überzugsschichten (3, 5) und die aktive Schicht (4) fließenden Stroms auf einen longitudinalen Streifen­ bereich (24) und
• - eine Leckstrom-Verminderungseinrichtung mit einer einen hohen Widerstand aufweisenden Einrichtung (10) zur Erzeu­ gung einer Diskontinuität wenigstens in der aktiven Schicht (4) zur Unterdrückung eines quer verlaufenden Stromflusses vom Streifenbereich (24) der aktiven Schicht (4).

2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die erste Überzugsschicht (3) diskontinuier­ lich ausgebildet bzw. unterbrochen ist und die zweite Über­ zugsschicht (5) dicker als die erste ist sowie eine konti­ nuierliche Schicht auf der diskontinuierlichen aktiven Schicht (4) und der den hohen Widerstand aufweisenden Ein­ richtung (10) bildet.

3. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strombegrenzungseinrichtung eine Strom­ sperrschicht (2) mit einer longitudinalen Furche (13) auf­ weist, die den longitudinalen Streifenbereich (24) defi­ niert.

4. Halbleiterlaser nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die den hohen Widerstand aufweisende Einrich­ tung zwei Hochwiderstandsstreifen (10) aufweist, von denen jeweils einer an einer Seite der longitudinalen Furche (13) liegt, wobei die Hochwiderstandsstreifen (10) die aktive Schicht (4) in den Streifenbereich (24) und zwei Randberei­ che (24 a) unterteilen.

5. Halbleiterlaser mit einer Mehrzahl von aufeinander­ liegenden Schichten, gekennzeichnet durch

• - ein Halbleitersubstrat (1) von einem ersten Leitungstyp,
• - eine halbleitende Stromsperrschicht (2) von einem zweiten Leitungstyp entgegengesetzt zum ersten Leitungstyp,
• - eine erste halbleitende Überzugsschicht (3) vom ersten Leitungstyp,
• - eine aktive Halbleiterschicht (4),
• - eine zweite halbleitende Überzugsschicht (5) vom zweiten Leitungstyp,
• - eine Einrichtung zur lateralen Begrenzung des Querflusses eines die Schichten durchfließenden elektrischen Stroms, wobei die Einrichtung eine longitudinale Furche (13) auf­ weist, die durch die Stromsperrschicht (2) hindurch in das Substrat (1) hinein verläuft und einen Teil der er­ sten Überzugsschicht (3) enthält, und
• - eine Leckstrom-Verminderungseinrichtung mit einen hohen Widerstand aufweisenden longitudinalen Streifen (10) be­ nachbart zur Furche (13) sowie zwischen der zweiten Über­ zugsschicht (5) und der Stromsperrschicht (2), wobei die longitudinalen Streifen (10) mit hohem Widerstand Diskon­ tinuitäten in der aktiven Schicht (4) hervorrufen.

6. Halbleiterlaser nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die erste Überzugsschicht (3) und die aktive Schicht (4) jeweils eine Mehrzahl von in lateraler Richtung voneinander getrennten und in longitudinaler Richtung ver­ laufenden Streifen aufweist, wobei einer der Streifen der ersten Überzugsschicht (3) innerhalb der longitudinalen Furche (13) liegt.

7. Halbleiterlaser nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die diskontinuierliche aktive Schicht (4) we­ nigstens in Kontakt mit einem der Hochwiderstandsstreifen (10) steht.

8. Halbleiterlaser nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zweite Überzugsschicht (5) wenigstens ei­ nen der Hochwiderstandsstreifen (10) zwischen benachbarten Streifen der aktiven Schicht (4) kontaktiert.

9. Halbleiterlaser nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hochwiderstandsstreifen (10) bzw. die er­ ste Überzugsschicht (3) eine erste bzw. eine zweite Ener­ giebandlücke aufweisen, und daß die erste Energiebandlücke die zweite Energiebandlücke übersteigt.

10. Halbleiterlaser nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hochwiderstandsstreifen (10) AlGaAs- Streifen sind, die eine oxidierte Oberfläche aufweisen.

11. Halbleiterlaser nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hochwiderstandsstreifen (10) aus der Ma­ terialgruppe ausgewählt sind, die Siliciumdioxid (Silicium­ oxid) und Siliciumnitrid enthält.

12. Halbleiterlaser nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Substrat (1) sowie die Stromsperrschicht (2) aus GaAs und die aktive Schicht (4) sowie die Überzugs­ schichten (3, 5) aus AlGaAs sind.

13. Halbleiterlaser nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dicke der longitudinalen Hochwiderstands­ streifen (10), der ersten Überzugsschicht (3) und der akti­ ven Schicht (4) sehr viel kleiner ist als die Dicke der zweiten Überzugsschicht (5).

14. Halbleiterlaser nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Substrat (1) vom p-Typ ist.

15. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• - es werden der Reihe nach durch Aufwachsen auf einem Halb­ leitersubstrat (1) vom ersten Leitungstyp eine halblei­ tende Stromsperrschicht (2) vom zweiten Leitungstyp ent­ gegengesetzt zum ersten Leitungstyp und eine Schicht (10) aus einem Material mit hohem Widerstand gebildet,
• - es wird eine longitudinale Furche (13) eingebracht, die durch die Hochwiderstandsschicht (10) und die Stromsperr­ schicht (2) hindurch in das Substrat (1) hineinragt,
• - Bereiche der Stromsperrschicht (2) werden freigelegt, so daß longitudinale Streifen (10) aus Material mit hohem Widerstand benachbart zur Furche (13) verbleiben,
• - eine erste halbleitende Überzugsschicht (3) vom ersten Leitungstyp wird durch Aufwachsen in der Furche (13) so­ wie in den freigelegten Bereichen der Stromsperrschicht (2) erzeugt,
• - eine relativ dünne aktive Halbleiterschicht (4) wird durch Aufwachsen auf der ersten Überzugsschicht (3) ge­ bildet, und
• - eine zweite halbleitende Überzugsschicht (5) vom zweiten Leitungstyp wird durch Aufwachsen auf der aktiven Schicht (4) erzeugt, wobei die zweite Überzugsschicht (5) die longitudinalen Streifen aus Material mit hohem Widerstand überdeckt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß Hochwiderstandsmaterial verwendet wird, welches die Kristallisationskeimbildung während des Kristallwachstums­ vorgangs verhindert, so daß die erste Überzugsschicht (3) und die aktive Schicht (4) nicht auf dem Hochwiderstandsma­ terial aufwachsen.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Hochwiderstandsmaterials zur Verhin­ derung der Kristallisationskeimbildung oxidiert sein kann, wobei die Furche (13) durch chemisches Ätzen und Oxidation der Oberfläche des Hochwiderstandsmaterials gebildet wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß undotiertes AlGaAs als Hochwiderstandsmaterial auf­ wächst.

19. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß entweder Siliciumdioxid (Siliciumoxid) oder Siliciumni­ trid als Hochwiderstandsmaterial niedergeschlagen wird.

20. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Überzugsschicht (5) bis zu einer Dicke auf­ wächst, die ausreicht, die longitudinalen Streifen (10) aus dem Hochwiderstandsmaterial zu überdecken.

21. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein p-Typ-GaAs-Substrat (1) verwendet wird, die Strom­ sperrschicht (2) als GaAs-Schicht aufwächst und AlGaAs zur Bildung der ersten und zweiten Überzugsschicht (3, 5) sowie zur Bildung der aktiven Schicht (4) verwendet wird.

22. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromsperrschicht (2), die erste und zweite Überzugsschicht (3, 5) und die aktive Schicht (4) durch das Flüssigkeitsphasen-Epitaxieverfahren (LPE) und/oder das MOCVD-Verfahren und/oder das Vakuumphasen-Epitaxieverfahren (VPE) hergestellt werden.