DE3923755A1 - Halbleiterlaser und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Halbleiterlaser und verfahren zu seiner herstellung

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Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser, insbesondere einen dynamischen Einmoden-Laser, und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Zur Erläuterung des Standes der Technik soll bereits hier auf Fig. 4 der Zeichnung bezug genommen werden.
In Fig. 4a ist ein Schnitt durch einen herkömmlichen Einmoden-Halbleiter­ laser dargestellt, wie er in "AppL. Phys. Lett. 49(18), 03. November 1986" be­ schrieben wird. Fig. 4b zeigt einen Schnitt längs der Linie B-B′ in Fig. 4a. Der Laserbaustein weist ein n-leitendes Substrat 11 aus InP auf, die eine p- leitende InP-Stromsperrschicht 3 trägt. Eine n-leitende InP-Stromsperr­ schicht 2 ist auf der Sperrschicht 3 angeordnet. Die Sperrschichten 2 und 3 sind durch eine V-förmige Nut 20 geteilt. Eine n-leitende InP-Hüllschicht 9 ist in der V-förmigen Nut 20 versenkt. Eine aktive Schicht 6 aus InGaAsP ist auf der Hüllschicht 9 angeordnet. Eine p-leitende InP-Hüllschicht 4 über­ deckt die aktive Schicht 6 und die Stromsperrschichten 2 und 3. Auf der p- leitenden InP-Hüllschicht 4 ist in dem über der V-förmigen Nut liegenden Bereich ein Beugungsgitter 8 ausgebildet. Eine p-leitende Kontaktschicht 12 aus InGaAsP ist über der Hüllschicht 4 angeordnet.
Das wesentliche Merkmal dieses herkömmlichen Halbleiterlaser-Elements besteht darin, daß die aktive Schicht 6 in der V-förmigen Nut 20 versenkt und das Beugungsgitter 8 auf der p-leitenden InP-Hüllschicht 4 angeordnet ist. Zwar sind derartige sogenannte versenkte Sichelstrukturen (BC-Struktu­ ren; BC = Buried Crescent) sowie V-Nut-Strukturen geeignet, die grundlegen­ den Eigenschaften eines Halbleiterlasers zu verwirklichen, wie beispielsweise niedriger Schwellenstrom, hohe Ausgangsleistung und Schwingung im we­ sentlichen in Transversal-Mode, doch kann das Beugungsgitter nicht in der Nut hergestellt werden. Aus diesem Grund wird bei dem herkömmlichen Halbleiterlaser zunächst durch Epitaxie aus der Flüssigphase ein Fabry-Perot- Halbleiterlaser mit einer V-Nut-Struktur hergestellt und das Beugungsgitter 8 durch elektronenstrahlunterstützte Anlagerung auf der zuletzt epitaktisch aufgewachsenen p-leitenden InP-Hüllschicht 4 erzeugt. Der Abstand zwischen dem Beugungsgitter 8 und der aktiven Schicht 6 beträgt dabei 0,7 µ.
Um eine Einmoden-Longitudinalschwingung zu erhalten, ist es erforderlich, daß das Beugungsgitter und die aktive Schicht eng beieinander liegen. Der optimale Abstand kann etwa 0,2 µ betragen. Bei dem oben beschriebenen Auf­ bau des herkömmlichen Halbleiterlasers wird diese Bedingung jedoch nicht erfüllt. Da das Beugungsgitter auf der zuletzt epitaktisch aufgewachsenen Schicht (p-InP-Hüllschicht 4) erzeugt wird, ist das Beugungsgitter relativ weit von der aktiven Schicht entfernt, und aus diesem Grund ist es schwie­ rig, eine Einmoden-Longitudinalschwingung zu erhalten. Bei dem herkömm­ lichen Halbleiterlaser wird deshalb ein Beugungsgitter 8 zweiter Ordnung (mit einer Gitterperiode von 0,46 µ) verwendet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterlaser mit BC- oder V-Nut-Struktur zu schaffen, bei dem sich das Beugungsgitter nahe an der ak­ tiven Schicht befindet und mit dem sich eine stabile Einmoden-Longitudinal­ schwingung durch ein Beugungsgitter erster Ordnung erreichen läßt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Halbleiterlaser mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.
In Anspruch 2 wird ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleiterla­ sers vorgeschlagen.
Erfindungsgemäß läßt man in einer Streifennut durch Epitaxie aus der Flüs­ sigphase eine untere Hüllschicht aufwachsen, bis die Streifennut weitgehend ausgefüllt ist. In einem metallorganischen chemischen Dampfniederschlags­ verfahren (MO-CVD) oder durch Epitaxie aus der Dampfphase (VPE) läßt man eine aktive Schicht und eine Wellenleiterschicht auf die untere Hüllschicht aufwachsen, bis die Nut vollständig ausgefüllt ist. Das Beugungsgitter kann so­ mit in einer Position in unmittelbarer Nähe der aktiven Schicht erzeugt wer­ den. Hierdurch wird eine stabile Einmoden-Longitudinalschwingung in einem Halbleiterlaser mit BC- oder V-Nut-Struktur erreicht, der sich durch einen besonders niedrigen Schwellenstrom und eine hohe Ausgangsleistung aus­ zeichnet.
Im folgenden wird anhand der Zeichnungen, die auch eine Darstellung zum Stand der Technik enthalten, ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 bis 3 Diagramme zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für einen Halbleiterlaser, wobei Fig. 3a einen Schnitt durch den aktiven Bereich des Laserbau­ steins und Fig. 3b ein Schnitt längs der Linie A-A′ in Fig. 3a ist; und
Fig. 4 einen Halbleiterlaser nach dem Stand der Technik.
Gemäß Fig. 1 ist in einer V-förmigen Nut 21 eines Halbleiterlaser-Bausteins mit versenkter Sichelstruktur (BC-Struktur) oder V-Nut-Struktur eine p-lei­ tende Hüllschicht 4 aus InP aufgewachsen, so daß sie die Nut annähernd aus­ füllt. Der Laserbaustein weist ein Substrat 1 aus p-leitendem InP auf, der eine Sperrschicht 2 trägt. Eine p-leitende InP-Stromsperrschicht 3 ist auf der Sperrschicht 2 angeordnet. Die Sperrschichten 2 und 3 sind durch die Nut 21 geteilt. Gemäß Fig. 2 sind eine aktive Schicht 6 aus InGaAsP und eine Wellenleiterschicht 7 aus InGaAsP, deren Brechungsindex kleiner ist als der der aktiven Schicht 6, auf die p-leitende InP-Hüllschicht 4 aufgewachsen, so daß die V-förmige Nut vollständig ausgefüllt wird. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, ist ein Beugungsgitter 8 auf der Wellenleiterschicht 7 und der p-leitenden InP-Stromsperrschicht 3 ausgebildet, und auf dem Beugungsgitter 8 sind eine n-leitende InP-Hüllschicht 9 und eine n-leitende InGaAsP-Kontakt­ schicht 10 angeordnet.
Nachfolgend soll das Verfahren zur Herstellung des Halbleiterlasers erläutert werden.
Zunächst läßt man in einem ersten Kristallwachstumsschritt die n-leitende InP-Stromsperrschicht 2 und die p-leitende InP-Stromsperrschicht 3 durch Epitaxie aus der Flüssigphase auf das p-leitende InP-Substrat 1 aufwachsen. Anschließend wird eine Nut von einer Breite von 1 bis 2 µ photolithogra­ phisch maskiert und durch Naß-Ätzen zu einer Tiefe von 4 bis 5 µ ausgeätzt. Anschließend läßt man in einem zweiten Kristallwachstumsschritt die p-lei­ tende InP-Hüllschicht 4 durch Epitaxie aus der Flüssigphase in der Nut auf­ wachsen, bis die Nut weitgehend ausgefüllt ist. Da bei der Epitaxie aus der Flüssigphase der Kristall vom Grund der Nut aus zu wachsen beginnt, füllt die p-leitende InP-Hüllschicht 4 die Nut sichelförmig aus, und wenn die Hüll­ schicht 4 bis in die Nähe des oberen Bereichs der Nut aufgewachsen ist, wird die Oberschicht der Hüllschicht 4 eingeebnet, wird in Fig. 1 gezeigt ist. Das Wachstum der p-leitenden InP-Hüllschicht 4 wird beendet, wenn die Dicke einen Wert von 3,5 bis 4,5 µ erreicht. Zwar wächst die p-leitende InP-Hüll­ schicht 4 in einem gewissen Ausmaß auch auf die p-leitende InP-Strom­ sperrschicht 3 außerhalb der Nut auf, doch ist dies unschädlich, da die Hüll­ schicht 4 und die Stromsperrschicht 3 vom gleichen Leitfähigkeitstyp sind und die gleiche Zusammensetzung aufweisen. Anschließend läßt man, nach­ dem ein isolierender SiN-Film 5 außerhalb der Nut aufgebracht wurde, die aktive Schicht 6 aus InGaAsP und die InGaAsP-Wellenleiterschicht, deren Brechungsindex kleiner ist als der der aktiven Schicht 6, auf die Hüllschicht 4 aufwachsen, bis die Nut vollständig ausgefüllt ist. Die Dicken der aktiven Schicht 6 und der Wellenleiterschicht 7 betragen dabei jeweils 0,1 bis 0,2 µ. Wenn die Wellenlänge der aktiven Schicht 6 1,3 µ beträgt, wird das Zusam­ mensetzungsverhältnis des InGaAsP der Wellenleiterschicht 7 so gewählt, daß die Wellenlängen der Wellenleiterschicht 7 1,1 µ beträgt, und in dem Fall, daß die Wellenlängen der aktiven Schicht 1,55 µ beträgt, wird das Zu­ sammensetzungsverhältnis des InGaAsP der Wellenleiterschicht 7 so ge­ wählt, daß die Wellenlänge dieser Schicht 1,3 µ beträgt. Der wichtigste Vor­ teil der Verwendung des metallorganischen chemischen Dampfnieder­ schlagsverfahrens (MO-CVD) oder des Dampfphasen-Epitaxieverfahrens (VPE) bei der Herstellung der aktiven Schicht 6 und der Wellenleiterschicht 7 besteht darin, daß man die aktive Schicht 6 und die Wellenleiterschicht 7 auf diese Weise mit hoher Reproduzierbarkeit und großer Einheitlichkeit auf eine Dicke von 0,1 µ aufwachsen lassen kann. Weiterhin kann die Homologie der Oberfläche der epitaktischen Wachstumsschicht nach der Flüssigphasen- Epitaxie vermieden werden. Hierdurch wird in den nachfolgenden Verfah­ rensschritten die Herstellung des Beugungsgitters 8 erleichtert. Anschlie­ ßend wird nach Entfernen des SiN-Films 5 das Beugungsgitter hergestellt, indem eine Schutzschicht aufplattiert und mit Hilfe eines photolithographi­ schen Verfahrens oder durch Interferenzbelichtung mit der Gitterstruktur versehen und geätzt wird. Da der Abstand zwischen dem Beugungsgitter 8 und der aktiven Schicht 6 nur 0,1 bis 0,2 µ beträgt, wird die Verwendung eines Beugungsgitters erster Ordnung ermöglicht. Weiterhin ist das Beu­ gungsgitter 8 auch auf der p-leitenden Stromsperrschicht 3 außerhalb der Nut ausgebildet. Nach der Herstellung des Beugungsgitters 8 läßt man nacheinander die n-leitende InP-Hüllschicht 9 und die n-leitende InGaAsP- Kontaktschicht 10 durch Epitaxie aus der Flüssigphase oder durch Mo-CVD aufwachsen.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird das Beugungsgitter trotz der versenkten Sichelstruktur in unmittelbarer Nähe zu der aktiven Schicht erzeugt. Hierdurch erhält man einen Halbleiterlaser mit niedrigem Schwellenstrom und hoher Ausgangsleistung, der zu einer Longitudinal-Ein­ modenschwingung fähig ist.
Zwar wurde in dem obigen Ausführungsbeispiel ein Laser mit versenkter Si­ chelstruktur (BC-Struktur) beschrieben, doch ist die Erfindung mit den glei­ chen vorteilhaften Wirkungen auch bei einem Laser mit V-Nut-Struktur an­ wendbar.

Claims (2)

1. Halbleiterlaser mit:
einer p-n-p-n-Stromsperrschicht-Struktur (1, 2, 3, 9) auf einem Substrat (1) eines ersten Leitfähigkeitstyps und
einem in einer Streifennut (21) der Stromsperrschicht-Struktur versenkten aktiven Bereich (6),
gekennzeichnet durch
eine durch Epitaxie aus der Flüssigphase in der Streifennut (21) aufgewach­ sene untere Hüllschicht (4), die die Streifennut weitgehend ausfüllt, eine auf der unteren Hüllschicht (4) in der Streifennut ausgebildete aktive Schicht (6),
eine auf der aktiven Schicht (6) ausgebildete Wellenleiterschicht (7), die den verbliebenen Hohlraum der Streifennut vollständig ausfüllt, und
ein auf der Wellenleiterschicht (7) ausgebildetes Beugungsgitter (8).
2. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers mit einer p-n-p-n- Stromsperrschicht-Struktur (1, 2, 3, 9) auf einem Substrat (1) eines ersten Leitfähigkeitstyps und einem in einer Streifennut (21) der Stromsperr­ schicht-Struktur versenkten aktiven Bereich (6), gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
Herstellen einer in der Streifennut (21) angeordneten und diese weitgehend ausfüllenden unteren Hüllschicht (4) durch Epitaxie aus der Flüssigphase,
Herstellen einer aktiven Schicht (6) und einer Wellenleiterschicht (7) auf der unteren Hüllschicht (4) in der Streifennut bis zum vollständigen Ausfüllen der Streifennut, durch Epitaxie aus der Dampfphase oder durch ein Mo-CVD- Verfahren und
Herstellen eines Beugungsgitters (8) auf der Wellenleiterschicht.
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