DE3923755C2

DE3923755C2 -

Info

Publication number: DE3923755C2
Application number: DE3923755A
Authority: DE
Inventors: Hitoshi Mizuochi; Hideyo Itami Hyogo Jp Higuchi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1988-07-20
Filing date: 1989-07-18
Publication date: 1992-11-05
Also published as: GB2221093A; JPH0231488A; US4966863A; GB2221093B; DE3923755A1; GB8916358D0

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiters gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs, wie es aus der US-PS 46 44 552 bekannt ist.

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- Halbleiterlaser dargestellt, wie er in "Appl. Phys. Lett. 49 (18), 03. November 1986, S. 1148 bis 1150" beschrieben ist. 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- Stromsperrschicht 2 ist auf der Sperrschicht 3 angeordnet. Die Sperrschichten 2 und 3 sind durch einen V-förmige Nut 20 geteilt. Eine n- leitende InP-Hüllschicht 9 ist in der V-förmigen Nut 20 versenkt. Eine aktive Schicht 6 aus InPGaAsP ist auf der Hüllschicht 9 angeordnet. Eine p-leitende InP-Hüllschicht 4 überdeckt 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 Halbleiter-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. Ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Struktur ist in der US-PS 46 44 552 beschrieben. Die Hüllschichten und die aktive Schicht werden da bei durch Epitaxie aus der Flüssigphase (LPE) erzeugt, wobei die aktive Schicht die Querschnittsform einer Mondsichel annimmt. Zwar sind derarti ge versenkte Sichelstrukturen (BC-Strukturen; BC=Buried Crescent) sowie V- Nut-Strukturen geeignet, die grundlegenden Eigenschaften eines Halbleiter lasers zu verwirklichen, wie beispielsweise niedriger Schwellenstrom, hohe Ausgangsleistung und Schwingung im wesentlichen in Transversal-Mode, doch kann das Beugungsgitter nicht in der Nut hergestellt werden. Aus diesem Grund wird bei dem herkömmlichen Halbleiterlaser durch Epitaxie aus der Flüssigphase ein Fabry-Perot-Halbleiterlaser mit einer V-Nut- Struktur hergestellt und das Beugungsgitter 8 durch elektronenstrahlunter stützte Anlagerung auf der zuletzt epitaktisch aufgewachsenen p-leitenden InP-Hüllschicht erzeugt. Der Abstand zwischen dem Beugungsgitter 8 und der aktiven Schicht 6 beträgt bei dem herkömmlichen Einmoden-Halbleiterlaser gemäß Fig. 4a 0,7 µm.

Um eine Einmoden-Longitudinalschwingung zu erhalten, ist es erforderlich, daß das Beugungsfilter und die aktive Schicht eng beieinander liegen. Der optimale Abstand kann etwa 0,2 µm 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 schwierig, ei ne Einmoden-Longitudinalschwingung zu erhalten. Bei dem herkömmlichen Halbleiterlaser wird deshalb ein Beugungsgitter 8 zweiter Ordnung (mit einer Gitterperiode von 0,46 µm) verwendet.

In der GB-21 38 999 A ist das folgende Verfahren zur Herstellung eines Halb leiterlasers beschrieben: in einem ersten Schritt werden die Hüllschichten und die aktive Schicht durch LPE auf dem Substrat erzeugt, und die obere Oberfläche er oberen Hüllschicht wird mit dem Beugungsgitter versehen. Anschließend wird ein streifenförmiger Bereich des Beugungsgitters ma skiert, und das Material außerhalb dieses Bereichs wird abgeätzt, so daß ei ne Mesastruktur entsteht. Danach läßt man die Stromsperrschichten außer halb des Mesabereiches durch LPE auf das Substrat aufwachsen, bis die Mesa struktur schließlich vollständig in das umgebende Material eingebettet ist. Auch bei den in dieser Weise hergestellten Halbleiterlasern ist jedoch der Ab stand zwischen der aktiven Schicht und dem Beugungsgitter relativ groß, und es wird mit einem Beugungsgitter zweiter Ordnung gearbeitet.

Der Erfidnung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung ei nes Halbleiterlasers mit BC- oder V-Nut-Struktur anzugeben, dessen Beu gungsgitter sich nahe an der aktiven Schicht befindet und mit dem sich eine stabile Einmoden-Longitudinalschaltung durch ein Beugungsgitter erster Ord nung erreichen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch angegebe nen Merkmale gelöst.

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 Figuren, 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 µm photolithogra phisch maskiert und durch Naß-Ätzen zu einer Tiefe von 4 bis 5 µm 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 µm 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 Hüllschicht 4 und die Stromsperrschicht 3 vom gleichen Leitfähigkeitstyp sind und die gleiche Zusammensetzung aufweisen. Anschließend läßt man, nachdem 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 µm. Wenn die Wellenlänge der aktiven Schicht 6 1,3 µm beträgt, wird das Zusammensetzungsverhältnis des InGaAsP der Wellenleiterschicht 7 so gewählt, daß die Wellenlängen der Wellenleiterschicht 7 1,1 µm beträgt, und in dem Fall, daß die Wellenlängen der aktiven Schicht 1,55 µm beträgt, wird das Zusammensetzungsverhältnis des InGaAsP der Wellenleiterschicht 7 so gewählt, daß die Wellenlänge dieser Schicht 1,3 µm beträgt. Der wichtigste Vorteil 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 µm 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. Anschließend 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 µm beträgt, wird die Verwendung eines Beugungsgitters erster Ordnung ermöglicht. Weiterhin ist das Beugungsgitter 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

Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers mit einer p-n-p-n- Stromsperrschicht-Struktur (1, 2, 3, 9) auf einem Substrat (I) eines ersten Leitfähigkeitstyps und einem in einer Streifennut (21) der Stromsperr schicht-Struktur (1, 2, 3, 9) versenkten aktiven Bereich (6), gekennzeichnet durch die folgenden Verahrensschritte:
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 (21) durch Epitaxie aus der Dampfphase oder durch ein MO-CVD- Verfahren und
Herstellen eines Beugungsgitters (8) auf der Wellenleiterschicht (7).