DE3923980C2

DE3923980C2 -

Info

Publication number: DE3923980C2
Application number: DE3923980A
Authority: DE
Inventors: Shigeru Mitsui; Ryo Itami Hyogo Jp Hattori
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1988-07-20
Filing date: 1989-07-20
Publication date: 1992-12-03
Also published as: GB2221094B; GB8916501D0; DE3923980A1; US5053356A; GB2221094A; JPH0231487A; US5003549A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit der Herstellung eines Halbleiterlasers, der zuverlässig im selbsterregten pulsierenden Modus mit geringer optischer Rückopplung betreibbar ist.

Aus der DE-OS 37 36 497 ist ein die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 aufweisendes Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers mit Doppelheterostruktur bekannt, bei dem die obere Hüllschicht so angeätzt wird, daß sie einen streifenförmigen Mesabereich bildet, und bei dem anschließend der Mesabereich in eine Stromsperrschicht eingebettet wird. Die Dicke der oberen Hüllschicht außerhalb des Mesabereiches wird beim Ätzen auf Werte in der Größenordnung von 0,2 µ reduziert. Der genaue Wert dieser Schichtdicke ist zusammen mit der Breite des Mesabereiches für die beim Betrieb des Lasers auftretenden Schwingungsmoden verantwortlich.

Wenn ein Halbleiterlaser in der Kompaktdisk-Lasertechnologie beispielsweise als Laser-Lichtquelle im Lesekopf eingesetzt wird, so ist es wichtig, den Ein fluß der optischen Rückopplung durch von außen in den Resonator des La sers eintretendes Licht zu minimieren.

Das Signal/Rausch-Verhältnis (S/N) ist abhängig von der Kohärenzlänge des Laserstrahls und von der Licht-Rückopplung des Linsensystems in den Re sonator des Lasers, d.h. von der optischen Rückopplung. Die Laser-Aktivität erfolgt im inneren Resonatormodus und im äußeren Resonatormodus. Die Ak tivität im inneren Resonatormodus wird hervorgerufen durch innerhalb des Resonators stattfindende Rekombinationen aufgrund der injizierten Ladungs träger. Der äußere Resonatormodus wird hervorgerufen durch Photonen. die von außen wieder in den Resonator eintreten und dort Stöße erfahren, so daß das Lasersignal in einer von der Phase und der Frequenz des Rauschens ab hängigen Weise verändert wird. Um ein gutes Signal/Rausch-Verhältnis zu erhalten, ist es üblich, die Reflektivität der Frontfacette der Laser-Lichtquelle zu steuern. Bei niedriger Reflektivität der Frontfacette (beispielsweise klei ner als etwa 10%) arbeitet der Laser im sogenannten Mehrmodenbetrieb, Bei geringer optischer Rückopplung ist das Signal/Rausch-Verhältnis relativ hoch. Bei einem hohen optischen Rückopplungsverhältnis (beispielsweise größer als 0,1%) nimmt das Signal/Rausch-Verhältnis jedoch aufgrund des Einflusses der von außen einwirkenden optischen Rückopplung ab.

Wenn andererseits die Frontfacette eine hohe Reflektivität aufweist (bei spielsweise mehr als etwa 10%), arbeitet der Laser im Einmodenbetrieb, und bei einem optischen Rückopplungsverhältnis im Bereich von 0,11 bis 0,1% nimmt das mit der Mode konkurrierende Rauschen stark zu und das Signal/Rausch-Verhältnis ist im Vergleich zu der Situation ohne optische Rückopplung stark verringert. Bei hoher optischer Rückopplung arbeitet der Laser im Mehrmoden-Betrieb und das Signal/Rausch-Verhältnis nimmt auf einen nahe bei dem Wert bei verschwindender optischer Rückkopplung liegenden Wert zu. Aus diesem Grund bestehen einige Beschränkungen, wenn das durch externe optische Rückkopplung verursachte Laser-Rauschen ledig lich mit Hilfe der Reflektivität der Frontfacette kontrolliert wird. Es hat sich gezeigt, daß die Kohärenzlänge kleiner ist, wenn der Laser im selbstpulsie renden Modus arbeitet. Außerdem hat dieser selbsterregte pulsierende Mo dus den Vorteil, daß ein hohes und (in bezug auf die Reflektivität der Frontfacette) flaches Signal/Rausch-Verhältnis erreicht wird, so daß ein in diesem Modus arbeitender Laser als Lese-Laserquelle in einem CD-System be sondert geeignet ist.

Es ist jedoch schwierig, solche selbsterregten pulsierenden Laserdioden mit relativ hoher Produktausbeute und somit zu vertretbaren Kosten herzustellen. Dies ist zumindest zum Teil auf die Tatsache zurückzuführen, daß bei den meisten in der Praxis verwendeten Materialien die Abstände zwischen den Schichten des Halbleiterlasers, insbesondere der Abstand zwischen der akti ven Schicht und der Stromsperrschicht, größer sein muß als bei Einmoden- Lasern und daß dieser Abstand sehr genau kontrolliert werden muß. Wie nachfolgend im einzelnen gezeigt wird, arbeitet der Laser zuverlässig im selbstpulsierenden Modus, wenn die erforderliche Schichtdicke eingehalten wird. Wenn dagegen diese Schichtdicke nicht genau genug eingehalten wird, ist das Produkt unbrauchbar. Herkömmliche Verfahren zur Herstellung von Halbleiterlasern sind wenig geeignet, eine ausreichende Dicke der zwischen der aktiven Schicht und der Stromsperrschicht der Laserdiode liegenden Schicht zu erreichen und diese Schichtdicke bei der Herstellung so genau zu kontrollieren, daß eine wirtschaftliche Herstellung der Laserdioden mit ho her Produktausbeute möglich ist.

Zur näheren Erläuterung des Standes der Technik soll bereits hier auf Fig. 2 der Zeichnung Bezug genommen werden.

Fig. 2 zeigt eine herkömmliche Laserdiode mit versenktem Heteroübergang. Diese Laserdiode weist eine Mesastruktur auf, und der erhabene Mesabereich ist durch zwei Stromsperrschichten begrenzt, die das stromdurchflossene Gebiet begrenzen und so die Laseraktivität auf den Mittelstreifen unter dem Mesabereich beschränken. Gemäß Fig. 2 ist als Basis des Halbleiterlasers ein halbleitendes Substrat 1 aus n-GaAs vorgesehen. Eine untere Hüllschicht 2, vorzugsweise aus n-Al_0,5Ga_0,5As ist auf das Substrat aufgewachsen. Dieser Schicht folgt eine aktive Schicht 3, vorzugsweise aus p-Al_0,15Ga_0,85As. Eine zweite Hüllschicht aus p-Al_0,5Ga_0,5As ist auf die aktive Schicht aufgewach sen. Nach dem Herstellen der oberen Hüllschicht 4 wird das Halbleiterele ment maskiert und geätzt, um die Mesastruktur mit dem erhabenen Mesabereich 10 zu erzeugen, indem in den seitlichen Bereichen ein Teil des p-leitenden AlGaAs entfernt wird. Gemäß Fig. 2 hat der erhabene Bereich der Mesastruktur die Breite W, und in den angrenzenden seitlichen Bereichen ist die Dicke der oberen Hüllschicht auf einen relativ kleinen Wert a verringert. Diese Parameter legen beim Betrieb des fertigen Produkts das Gebiet A fest, in dem die Laseraktivität stattfindet.

Bei der Herstellung wird nach dem Ätzen der Mesastruktur 10 das Halbleite relement erneut in die Apparatur für das epitaktische Kristallwachstum ein gebracht, und in den seitlichen Bereichen 11, 12, in denen das Material der oberen Hüllschicht zuvor entfernt wurde, läßt man eine Stromsperrschicht 5 aus n-GaAs aufwachsen. Anschließend läßt man eine p-GaAs-Kontaktschicht 6 aufwachsen, womit der epitaktische Wachstumsprozeß abgeschlossen ist. Schließlich werden in üblicher Weise Elektroden 7, 8 an dem Substrat 1 und der Kontaktschicht 6 angebracht, so daß man die fertige Laserdiode erhält. Wenn eine Gleichspannung so an die Elektroden angelegt wird, daß die Elek trode 8 gegenüber der Elektrode 7 positiv ist, werden in dem Gebiet A La dungsträger in die aktive Schicht 3 injiziert, so daß dort Laser-Aktivität her vorgerufen und kohärentes Licht erzeugt wird, das über die Frontfacette des Lasers abgestrahlt wird. Die Stromsperrschicht 5 bildet einen in Sperrich tung vorgespannten p-n-Übergang, durch den ein Stromfluß in die aktive Schicht in den durch die Stromsperrschicht bedeckten Gebieten verhindert und somit die Laser-Aktivität auf das Gebiet A beschränkt wird. Da die Hüll schichten einen größeren Aluminiumgehalt als die aktive Schicht aufweisen, wird außerdem eine Diskontinuität in der Bandlücke hervorgerufen, so daß die Bandlücke in dem Material außerhalb der aktiven Schicht größer ist und die Elektronen und Löcher tendentiell in dem aktiven Gebiet eingeschlossen werden. Der Übergang zwischen den Hüllschichten mit dem höheren Alumi niumgehalt und der aktiven Schicht mit dem geringeren Aluminiumgehalt er zeugt außerdem eine Diskontinuität im Brechungsindex (mit dem kleineren Brechungsindex in den Hüllschichten), durch die in der Tendenz ein Ein schluß der Strahlung (der Photonen) in dem aktiven Gebiet bewirkt wird. Auf diese Weise wird ein Lichtleiter gebildet, der sicherstellt, daß der größte An teil der in dem aktiven Gebiet erzeugten Photonen über die Frontfacette des Lasers emittiert wird. Im Zusammenhang mit dem Photoneneinschluß wird im einzelnen ein Anteil des in dem Gebiet A erzeugten Lichtes in der n-lei tenden Stromsperrschicht 5 absorbiert, so daß sich eine Diskontinuität des effektiven Brechungsindex in Querrichtung zwischen dem doppelten Hetero übergang ergibt, der durch die untere Hüllschicht 2, die aktive Schicht 3 und die obere Hüllschicht 4 gebildet wird. Auf diese Weise wird eine Stabili sierung der Transversalmode erreicht.

Wenn man die üblichen molaren Anteile von Al und Ga in dem AlGaAs und weiterhin die üblichen Ladungsträgerkonzentrationen zugrundelegt, so müß te bei der herkömmlichen Anordnung gemäß Fig. 2 für den Einmodenbe trieb die aktive Schicht 3 eine Dicke im Bereich von etwa 0,05 bis 0,14 µm auf weisen, die Dicke a der verdünnten Bereiche der oberen Hüllschicht müßte etwa 0,2 µm betragen, und die Breite W des erhabenen Bereichs der Mesast ruktur müßte etwa 3,5 µm betragen. Bei diesen Abmessungen zeigt der Halblei terlaser typischerweise eine Schwingung in einer einzigen Vertikalmode, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Der Laser oszilliert bei einer bestimmten Wellenlänge und erzeugt bei dieser Wellenlänge eine hohe Intensität, kann jedoch nicht zu Oszillationen bei anderen Wellenlängen angeregt werden.

Wenn ein Mehrmoden-Betrieb erwünscht wäre, müßte man die obengenann ten Abmessungen in der Weise abändern, daß die Dicke a der verdünnten Be reiche der oberen Hüllschicht etwa 0,4 µm betrügen, und die Breite W des er habenen Bereichs müßte etwa 4,5 µm betragen. Bei einer solchen Struktur würde die vertikale Schwingungsmode ein selbsterregtes pulsierendes Ver halten zeigen, wie in Fig. 5 veranschaulicht ist. Der Laser könnte in diesem Fall bei verschiedenen Wellenlängen arbeiten, wobei zwischen den Intensitä ten in den verschiedenen Wellenlängen das aus Fig. 5 ersichtliche Verhält nis bestünde. In Zwischenbereichen der Abmessungen a und W, beispielswei se bei einer Dicke a von 0,3 µm und einer Breite W von etwa 3,5 µm, zeigt der Laser ein Mehrfach-Vertikalmodenverhalten, bei dem Laserschwingungen bei bestimmten Wellenlängen, nicht jedoch bei anderen Wellenlängen möglich sind. In der Praxis soll der Laser unter industriellen Produktionsbedingungen mit hoher Zuverlässigkeit und Produktausbeute so hergestellt werden, daß er ausschließlich das selbsterregte pulsierende Verhalten aufweist.

Bei der herkömmlichen Anordnung kann zwar die Dicke a der verdünnten Bereiche der oberen Hüllschicht gesteuert werden, indem man den Ätzpro zeß bei der Herstellung der Mesastruktur kontrolliert, doch ist es schwierig, bei dieser Dickensteuerung die erforderliche Genauigkeit zu erreichen. Typi scherweise beträgt die Dickengenauigkeit bei dem Ätzprozeß nur etwa ±10%. Wenn die Dicke a bei dem Ätzvorgang weit unter 0,2 µm verringert werden soll, besteht die Gefahr, daß die obere Hüllschicht in den betreffenden Berei chen vollständig abgeätzt wird und die Ätzlösung die aktive Schicht angreift, so daß das Produkt unbrauchbar wird. Wenn dagegen bei dem Ätzvorgang die Solldicke zu groß ist, so ist die Dickenabweichung von ±10% vielfach nicht mehr akzeptabel. Wenn dagegen das Halbleiterelement so ausgelegt ist, daß für die Dicke a ein Wert von etwa 0,2 µm zulässig ist, so ist es möglich, diese Dicke in bekannter Weise mit Hilfe optisch-interferometrischer Verfahren zu kontrollieren. Bei einem solchen Meßverfahren wird das Halbleiterelement mit Infrarotstrahlung beleuchtet, und durch eine optische Einrichtung wird die Farbe des erzeugten Interferenzmusters erfaßt, die zu der Dicke a des verbliebenen Teils der oberen Hüllschicht in Beziehung steht. Es ist relativ einfach, die geeignete Farbe oder Farbänderung festzustellen, wenn die Dicke a in der Nähe von 0,2 oder 0,3 µm liegt. Wenn jedoch die Dicke weit über 3 µm hinausgeht, ist die Überprüfung der Dicke durch optische Interferenzmes sung schwieriger durchzuführen und nicht mehr so genau. Unter Bedingun gen, bei denen die Schichtdicke a etwa 0,4 µm betragen soll, um einen Betrieb des Lasers im selbstpulsierenden Modus zu gewährleisten, ist deshalb das op tische lnterferenzmeßverfahren zur Überprüfung der Dicke der abgeätzten Schicht nicht geeignet, und der Ätzprozeß läßt sich nicht so genau steuern, daß Halbleiterdioden mit den gewünschten Eigenschaften mit wirtschaftli cher Produktausbeute hergestellt werden können.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Herstellung eines zu verlässig im selbsterregten pulsierenden Modus arbeitenden Halbleiterlasers mit hoher Produktausbeute zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.

Nach dem Vorschlag der Erfindung wird das eingangs erörterte Herstellungs verfahren derart modifiziert, daß sich der Abstand zwischen der ak tiven Schicht und der Stromsperrschicht genauer und zuverlässiger steuern läßt, so daß die Wellenleitungseigenschaften des Halbleiters reproduzierbar so eingestellt werden können, daß ein Betrieb des Lasers im selbstpulsieren den Modus sichergestellt ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Halbleiterlaser mit einem Substrat hergestellt, daß erste und zweite, durch eine aktive Schicht ge trennte Hüllschichten von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp aufweist. Bei de Hüllschichten bestehen aus AlGaAs, bei dem der molare Anteil an Alumini um größer ist als in der aktiven Schicht. In die obere Hüllschicht wird eine Mesastruktur eingeätzt, so daß ein streifenförmiger erhabener Mesabereich gebildet wird, der durch zwei abgeätzte Bereiche begrenzt wird. Die Dicke in den abgeätzten Bereichen wird dabei soweit reduziert, daß sie durch opti sche Interferenzmessung genau überprüft werden kann. In einem weiteren epitaktischen Wachstumsprozeß wird dann eine Pufferschicht auf die ver dünnten Bereiche der oberen Hüllschicht aufgebracht, so daß eine Verbund schicht entsteht. Die Pufferschicht besteht aus AlGaAs, und ihr molarer Ge halt an Aluminium ist dem der oberen Hüllschicht vergleichbar, so daß die Verbundschicht in bezug auf die aktive Schicht einen Wellenleiter bildet, des sen Dicke hinreichend groß ist, einen Betrieb des Lasers im selbstpulsieren den Modus zu gewährleisten. Zum Aufbringen der Pufferschicht wird vorzugs weise das metallorganische chemische Dampfniederschlagsverfahren (MO- CVD) verwendet, so daß die Steuerbarkeit und Reproduzierbarkeit der Ge samtdicke der Verbundschicht gesteigert wird.

Spezielle Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ange geben.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen, die auch eine Darstellung zum Stand der Technik enthal ten, näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Halbleiterlaser;

Fig. 2 einen Schnitt durch einen herkömmlichen Halblei terlaser;

Fig. 3(a)-3(f) Diagramme zur Veranschaulichung des Verfahrens zur Herstellung des Lasers gem. Fig. 1;

Fig. 4 eine Grafik zur Illustration des Laser-Betriebs in einer einzigen Vertikalmode, wie er mit dem herkömmli chen Laser gem. Fig. 2 erreicht wird; und

Fig. 5 eine Grafik zur Illustration des Laser-Betriebs im selbstpulsierenden Modus, wie er sich durch die er findungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen zuver lässig und reproduzierbar verwirklichen läßt.

Bevor das Verfahren zur Herstellung des Lasers beschrieben wird, sollen an hand von Fig. 1 der Aufbau des erfindungsgemäßen Laserbausteins sowie dessen chemische Zusammensetzung und Ladungsträgerkonzentrationen er läutert werden.

Ebenso wie der Laser nach dem Stand der Technik ist der Laser gemäß Fig. 1 auf einem n-GaAs-Substrat 21 aufgebaut, auf dem eine untere Hüllschicht 22 aus n-AlGaAs aufgewachsen ist. Diese Hüllschicht weist vorzugsweise eine mo lare Aluminiumkonzentration von etwa 50% und eine Ladungsträgerkonzen tration von 1×10¹⁸cm^-3 auf. Auf die untere Hüllschicht 22 ist vorzugsweise eine p-leitende aktive Schicht 23 aufgewachsen. (In der Praxis kann die akti ve Schicht wahlweise p-leitend, n-leitend oder undotiert sein.) Bevorzugt be trägt die molare Aluminiumkonzentration in der p-AlGaAs-Schicht 23 etwa 15%, und die Ladungsträgerkonzentration beträgt etwa 1×10¹⁸ cm^-3. Auf der aktiven Schicht 23 ist eine obere Hüllschicht 24 aus AlGaAs vorgesehen, die vorzugsweise eine molare Aluminiumkonzentration von etwa 50% und eine Ladungsträgerkonzentration von etwa 1×10¹⁷ cm^-3 aufweist. Die obere Hüllschicht 24 weist eine Mesastruktur auf und bildet einen Mesabereich 30, auf dem eine Kontaktschicht 26a aus p-GaAs ausgebildet ist.

Gemäß Fig. 1 wird die Mesastruktur der oberen Hüllschicht dadurch gebil det, daß Randbereiche 31a, 31b beiderseits des Mesabereiches 30 entfernt werden, so daß zwei Gebiete gebildet werden, in denen eine Stromsperr schicht aufgebracht werden kann. Wie in der Zeichnung erkennbar ist, blei ben beim Ätzen der Mesastruktur beiderseits des Mesabereiches 30 zwei ver dünnte Randschichten 24a, 24b zurück, deren Dicke mit a bezeichnet ist.

Auf der oberen Hüllschicht 24 ist eine AlGaAs-Pufferschicht 32 aufgebracht. deren molarer Aluminiumanteil dem der oberen Hüllschicht 24 ähnlich ist und im beschriebenen Ausführungsbeispiel etwa 50% beträgt. Die Puffer schicht 32 kann entweder n-dotiert, p-dotiert oder undotiert sein, weist je doch vorzugsweise den gleichen Leitfähigkeitstyp wie die obere Hüllschicht 24 auf und besteht somit im beschriebenen Ausführungsbeispiel aus p-leiten dem Material. Die Ladungsträgerkonzentration der Pufferschicht 32 liegt vor zugsweise im Bereich von etwa 5×10¹⁶ bis etwa 1×10¹⁸cm^-3. In Fig. 1 ist die Dicke der Pufferschicht über den verdünnten Randbereichen 24a,24b der oberen Hüllschicht mit b bezeichnet, und die Gesamtdicke der durch die Randbereiche 24a, 24b der oberen Hüllschicht und die diese überlagernden Bereiche der Pufferschicht gebildeten Verbundschicht ist mit a bezeichnet.

Zur Begrenzung des Stromflusses auf das aktive Gebiet unterhalb des Mesabe reichs ist in den seitlichen Bereichen 31a, 31b eine Stromsperrschicht 25 vorgesehen, die durch Aufwachsen von n-leitendem Material, vorzugsweise GaAs hergestellt ist und vorzugsweise eine Ladungsträgerkonzentration von etwa 5×10¹⁸ cm^-3 aufweist. Sowohl der Mesabereich als auch die Strom sperrschicht sind von einer Kontaktschicht 26 aus p-GaAs überlagert. An dem Substrat 21 und der Kontaktschicht 26 ist je eine metallische Elektrode 27 bzw. 28 angebracht. Die Elektroden bilden Anschlußklemmen zum Anlegen einer elektrischen Spannung an den Laserbaustein. Wenn eine solche Span nung angelegt wird, so werden in dem Bereich unterhalb des Mesabereichs 30 Ladungsträger in die aktive Schicht 23 injiziert, so daß eine Laserschwin gung in dem mit A bezeichneten Gebiet erzeugt wird.

Die Verfahrensschritte zur Herstellung des in Fig. 1 gezeigten Halbleiter bausteins sind in Fig. 3(a) bis 3(f) veranschaulicht. In einer ersten epi taktischen Wachstumsphase wird das Element gemäß Fig. 3a hergestellt, indem man auf das n-GaAs-Substrat 21 eine Folge von Schichten aufwachsen läßt, die die n-leitende untere Hüllschicht 22, die p-leitende aktive Schicht 23, die p-leitende obere Hüllschicht 24 und die p-leitende GaAs-Kontakt schicht 26a bilden. Im Anschluß an diese erste Wachstumsphase wird das Element mit einem Film 40 aus SiN maskiert, das das in Fig. 3(b) gezeigte Muster aufweist und einen streifenförmigen Mittelbereich schützt, während die den Mittelbereich begrenzenden Randbereiche ungeschützt bleiben. Das Element wird dann im Naßverfahren geätzt, so daß die obere Hüllschicht in den Randbereichen 31a, 31b teilweise entfernt wird und der ungeätzte zen trale Mesabereich 30 sowie die verdünnten Randbereiche 24a, 24b der obe ren Hüllschicht beiderseits des Mesabereichs 30 zurückbleiben. Wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 erwähnt wurde, haben die verdünnten Berei che 24a, 24b die Dicke a. Es ist in diesem Zusammenhang besonders darauf hinzuweisen, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine positive Me sastruktur oder Vorwärts-Mesastruktur (forward mesa) mit einem erhabenen Mesabereich 30 erzeugt wird. Es hat sich gezeigt, daß durch die Verwendung einer solchen Vorwärts-Mesastruktur die Produktausbeute wesentlich gestei gert werden kann, wenn gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren eine ver hältnismäßig dicke Verbundschicht zur Trennung der aktiven Schicht von der Stromsperrschicht vorgesehen wird.

Während des Herstellungsverfahrens wird die Dicke der Randbereiche 24a, 24b während des Naß-Ätzens mit Hilfe von optischen Infrarot-Interfe renzverfahren überwacht, um eine kontrollierte und reproduzierbare Schichtdicke zu erhalten, die etwa 0,2 µm und jedenfalls weniger als 0,3 µm be trägt. Wie bereits oben erwähnt wurde, nimmt bei einer Schichtdicke von mehr als etwa 0,3 µm die Genauigkeit, mit der die Dicke der Bereiche 24a, 24b überprüft werden kann, wesentlich ab.

Nachdem die Mesastruktur geätzt ist und die verdünnten Bereiche 24a, 24b auf eine Dicke abgeätzt sind, die so klein ist, daß eine exakte und reprodu zierbare Dickeneinstellung möglich ist, werden Maßnahmen getroffen, die Dicke der Bereiche 24a, 24b durch eine Pufferschicht zu erhöhen, die zusam men mit den verdünnten Bereichen der oberen Sperrschicht eine Verbund schicht ausreichender Dicke bildet, um einen zuverlässigen Betrieb des so entstehenden Laserbausteins im selbstpulsierenden Modus sicherzustellen.

Zu diesem Zweck wird ein zweiter epitaktischer Wachstumsschritt ausge führt, bei dem eine weitere AlGaAs-Schicht 32 unter Aussparung der noch durch die SiN-Maske 40 geschützten Bereiche auf die obere Hüllschicht 24 aufzubringen. Die Aufbringung dieser Schicht ist in Fig. 3(d) veranschau licht. Zur Erzeugung der Schicht 32 wird im Rahmen der Erfindung ein Ver fahren benutzt, das eine genaue Dickensteuerung gestattet, vorzugsweise ein metallorganisches chemisches Dampfniederschlagsverfahren (MO-CVD). Be kanntlich ist bei einem solchen Verfahren die Dicke der aufgewachsenen Schichten sehr genau kontrollierbar, und somit kann die etwa 0,2 µm betra gende Dicke der Bereiche 24a, 24b in definierter Weise um den gewünschten Betrag erhöht werden, so daß man schließlich die gewünschte Gesamt- Schichtdicke von etwa 0,4 µm erhält, wobei die Genauigkeit wesentlich größer ist als sie mit einem einstufigen Wachstumsprozeß und anschließenden her kömmlichen Ätzverfahren erreichbar wäre. Es ist wichtig, daß der Alumini umgehalt der Pufferschicht 32 etwa der gleiche ist wie der der oberen Hüll schicht 24, im beschriebenen Ausführungsbeispiel also etwa 50%, so daß die überlagerten Schichten wie eine einzige Schicht wirken und sowohl einen Bandlücken-Sprung von etwa dem gleichen Betrag gegenüber der aktiven Schicht als auch einen Brechungsindex-Sprung von etwa dem gleichen Betrag gegenüber der aktiven Schicht hervorrufen, wobei in beiden Fällen die aktive Schicht einen wesentlich kleineren molaren Aluminiumanteil aufweist.

Gemäß Fig. 3(d) wird nach der Herstellung der AlGaAs-Pufferschicht 32 das MO-CVD-Vefahren fortgesetzt, um die Stromsperrschicht 25 in den abgeätz ten Bereichen 31a, 31b der oberen Hüllschicht aufzubringen. Die Stromsperr schicht 25 ist eine n-GaAs-Schicht, die einen in Sperrichtung vorgespannten p-n-Übergang zwischen der Stromsperrschicht und der Verbundschicht 32, 24 erzeugt, so daß ein Stromfluß in die aktive Schicht 23 außerhalb des unter dem Mesabereich 30 liegenden Bereichs unterbunden und die Rekom binationen räumlich auf das Gebiet A (Fig. 1) unter dem Mesabereich be grenzt werden. Nach der Ablagerung der Stromsperrschicht 25 wird die SiN-Maske 40 entfernt, wie in Fig. 3(e) gezeigt ist, und das MO-VCD-Ver fahren wird fortgesetzt, um die p-leitende Kontaktschicht 26b aufzubringen. Nach dem Abschluß dieses letzten epitaktischen Wachstumsschrittes wird das Elektrodenmuster erzeugt, und die Elektroden werden in einem Sput ter-Verfahren aufgebracht, so daß man schließlich das in Fig. 1 gezeigte Endprodukt erhält.

Der Laser wird ebenso wie der herkömmliche Laser gemäß Fig. 2 betrie ben, indem eine Gleichspannung zwischen der p-Elektrode und der n-Elek trode 27 angelegt wird. Durch die Stromsperrschicht 25 auf beiden Seiten des Mesabereiches wird der Stromfluß auf den Mesabereich 30 konzentriert, so daß Ladungsträger-Rekombationen in dem Gebiet A verursacht und somit Laser-Aktivität in diesem Gebiet erzeugt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Laser ist der Abstand a′ zwischen der oberen Oberfläche der aktiven Schicht 23 und der unteren Oberfläche der Stromsperrschicht 25 durch die Dicke der Verbundschicht gegeben, die durch die verdünnten Bereiche 24a, 24b der oberen Hüllschicht und die eine ähnliche chemische Zusammensetzung aufweisende Pufferschicht 32 gebildet wird. Im Ergebnis wird die Schwin gungsmode des Lasers bestimmt durch die in das aktive Gebiet A injizierte Ladungsträgerkonzentration, die Strahlungsdichte des in diesem Gebiet er zeugten Lichtes und durch die Tatsache, daß der Wellenleiteffekt aufgrund der Lichtabsorption in den Gebieten B, in denen die Verbundschicht den Me sabereich schneidet, genau abgestimmt ist. Diese Abstimmung wird wesent lich beeinflußt durch die Dicke der aktiven Schicht 24, die Breite W des Me sabereichs 30 und den Abstand a′ zwischen der aktiven Schicht und der Stromsperrschicht. Wie beim Stand der Technik können die Dicke der akti ven Schicht 23 und die Breite W des Mesabereichs durch den Wachstumspro zeß bei der Herstellung der aktiven Schicht bzw. durch die Maskierung und Ätzung bei der Herstellung des Mesabereichs kontrolliert werden. Eine we sentliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik wird jedoch da durch erreicht, daß die verhältnismäßig große Dicke a′ der Verbundschicht besser kontrolliert werden kann, indem beim Ätzen die verdünnten Bereiche 24a, 24b zunächst auf die im Hinblick auf die Dickensteuerung optimale Dicke von etwa 0,2 µm abgeätzt werden und anschließend die Verbundschicht durch ein sehr präzises steuerbares Verfahren wie beispielsweise MO-CVD vervoll ständigt wird, bei dem die Wachstumsrate sehr gering ist und deshalb eine äußerst genaue Steuerung der Dickenzunahme möglich ist.

Wenn bei dem herkömmlichen Verfahren beispielsweise ein Naß-Ätzprozeß verwendet würde, um eine Schichtdicke der oberen Hüllschicht von 0,4 µm zu erzielen, so wäre diese Dicke nur mit Fehlertoleranzen von etwa ±10% steuerbar, so daß die Schichtdicke im Ergebnis in einem Bereich von etwa 0,36 µm bis 0,44 µm streuen würde. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren be trägt dagegen die Solldicke der Bereiche 24a, 24b nach dem Ätzprozeß 0,2 µm und bei Verwendung desselben Naß-Ätzprozesses und bei gleicher Steuer barkeit ergäbe sich eine Streuung der Schichtdicke lediglich im Bereich von 0,18 bis 0,22 µm. Wenn dann die Dicke mit Hilfe des sehr genau steuerbaren MO-CVD-Verfahrens um 0,2 µm erhöht wird, um die gewünschte Gesamt- Schichtdicke zu erhalten, so streut die Dicke der Verbundschicht lediglich zwischen etwa 0,38 und 0,42 µm. Das heißt, das eine wesentliche Verbesse rung gegenüber dem Stand der Technik erreicht wird.

Da ferner ein optisch-interferometrisches Verfahren benutzt wird, um die Dicke der Schichten 24a, 24b nach dem Ätzprozeß und vor dem MO-CVD- Prozeß zur Aufbringung der Pufferschicht zu überprüfen, ist es möglich, ein Maß für die im Ätzprozeß tatsächlich erreichte Schichtdicke zu erhalten und die Dauer oder andere Parameter des MO-CVD-Prozesses so zu steuern, daß die Solldicke der Verbundschicht mit noch größerer Genauigkeit eingehalten wird.

Bei bestimmten Anwendungsfällen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es vorteilhaft sein, darüber hinaus die Ladungsträgerkonzentration oder das Dotierungsmittel in der Pufferschicht 32 oder den molaren Aluminiumanteil zu modifizieren, um auf diese Weise die Schwingungsmode des Lasers zusätz lich zu beeinflussen.

Darüber hinaus kann es unter bestimmten Bedingungen vorteilhaft sein, die Pufferschicht so herzustellen, daß der Aluminiumanteil einen Gradienten auf weist und von einem etwa dem Aluminiumanteil der oberen Hüllschicht ent sprechenden Wert am Übergang zur oberen Hüllschicht allmählich auf annä hernd Null oder zumindest einen etwas kleineren Wert am Übergang zur Stromsperrschicht 25 abnimmt.

Durch die Erfindung wird somit ein Verfahren zur zuverlässigen Herstellung eines Halbleiterlasers mit einer relativ dicken Verbundschicht zwischen der aktiven Schicht und der Stromsperrschicht beiderseits des Mesabereiches vorgeschlagen, bei dem die Verbundschicht mit hoher Produktausbeute in der gewünschten Dicke hergestellt werden kann. Wie bei dem herkömmli chen Herstellungsverfahren läßt man zunächst eine obere Hüllschicht auf die aktive Schicht aufwachsen und ätzt dann Teile der oberen Hüllschicht ab, um den Mesabereich zu erzeugen. Der Ätzprozeß wird jedoch fortgesetzt, bis die Randbereiche beiderseits des Mesabereichs auf eine Dicke abgeätzt sind, die wesentlich kleiner ist als die gewünschte endgültige Dicke. Anschließend wird auf die obere Hüllschicht mit Hilfe eines metallorganischen chemischen Dampfniederschlagsverfahrens eine Pufferschicht aufgebracht, deren chemi sche Zusammensetzung derjenigen der oberen Hüllschicht ähnelt, und die Dicke der Pufferschicht wird so gesteuert, daß die durch die obere Hüll schicht und die Pufferschicht gebildete Verbundschicht insgesamt die erfor derliche Dicke aufweist, bei der ein Betrieb des fertigen Laserbausteins im selbstpulsierenden Modus gewährleistet ist. Aufgrund der Ähnlichkeit der chemischen Zusammensetzung der oberen Hüllschicht und der Pufferschicht ist sichergestellt, daß diese Schichten wie eine einheitliche Schicht wirken. durch die die Ladungsträger auf das Gebiet der aktiven Schicht unter dem Mesabereich begrenzt werden und die für den selbstpulsierenden Betrieb er forderliche Diskontinuität der Bandlücke und des Brechungsindex erzeugt wird. Aufgrund der bei diesem Verfahren gegebenen Steuerungsmöglichkei ten kann der Laser mit hoher Produktausbeute und somit zu einem wirt schaftlichen Preis hergestellt werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers, der im selbstpulsierenden Modus arbeitet, bei dem

- man eine untere Hüllschicht (22), eine aktive Schicht (23) und eine obere Hüllschicht (24) auf ein Halbleiter-Substrat (21) aufwachsen läßt, wobei die Hüllschichten (22, 24) und die aktive Schicht (23) als AlGaAs bestehen, der molare Aluminiumanteil der aktiven Schicht (23) kleiner ist als der der Hüllschichten (22, 24) und die Hüllschichten (22, 24) von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp sind, so daß ein p-n-Übergang an der aktiven Schicht (23) gebildet wird,
- die obere Hüllschicht (24) so angeätzt wird, daß ein durch verdünnte Bereiche (24a, 24b) der oberen Hüllschicht begrenzter Mesabereich (30) gebildet wird,
- die verdünnten Bereiche (24a, 24b) der oberen Hüllschicht (24) auf eine so geringe Dicke abgeätzt werden, daß die Schichtdicke optisch-interferometrisch gemessen werden kann,
- eine Stromsperrschicht (25) außerhalb des Mesabereiches (30) vorgesehen wird und
- der Laser durch Kontaktschichten (26a, 26b) und Elektroden (27, 28) vervollständigt wird,

dadurch gekennzeichnet,

- daß die Dicke der verdünnten Bereiche (24a, 24b) der oberen Hüllschicht (24) während des Ätzens optisch- interferometrisch vermessen wird und
- daß man im MO-CVD-Verfahren auf die verdünnten Bereiche (24a, 24b) der oberen Hüllschicht (24) eine Pufferschicht (32) in vorgegebener Dicke (b) aufwachsen läßt, die aus AlGaAs mit im wesentlichen dem gleichen Aluminiumgehalt wie die obere Hüllschicht (24) besteht, so daß die Pufferschicht (32) und die obere Hüllschicht (24) eine Verbundschicht bilden, deren Gesamt- Brechungsindex von dem der aktiven Schicht verschieden ist, wobei die Dicke (a′) der Verbundschicht (24a, 24b, 32) in Abhängigkeit von der Breite (W) des Mesabereichs (30) so eingestellt wird, daß der Laser im Betrieb im selbstpulsierenden Modus arbeitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der verdünnten Bereiche (24a, 24b) der oberen Hüllschicht (24) nach dem Abätzen höchstens 0,3 µm beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pufferschicht (32) vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die obere Hüllschicht (24) ist.