DE4010889A1 - Verfahren zum herstellen einer vergrabenen laserdiode mit heterostruktur - Google Patents

Verfahren zum herstellen einer vergrabenen laserdiode mit heterostruktur

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Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Herstellen einer vergrabenen Laserdiode mit Heterostruktur, welche eine auf einem Substrat ausgebildete Mesastruktur aus einer aktiven Schicht und einer Abdeckschicht umfaßt, und mit Strom­ blockierschichten seitlich von der Mesastruktur sowie mit einer über der Mesastruktur ausgebildeten Isolations­ schicht und einer über der Isolationsschicht ausgebildeten Elektrode.
Im allgemeinen werden als Laserdioden, die als Licht­ quellen für optische Kommunikationseinrichtungen einge­ setzt werden, vergrabene Laserdioden mit Heterostruktur eingesetzt. Eine solche Laserdiode besitzt Mesa-Grenz­ flächen, welche (111) -In-Ebenen zwischen einem aktiven Bereich, der während eines ersten Epitaxie-Prozesses hergestellt wird, und Stromblockierschichten sind, die während eines zweiten Epitaxie-Prozesses hergestellt werden. Da die Grenzflächen der Laserdiode einer hohen Temperatur von etwa 600°C ausgesetzt werden, können an den Grenzflächen Kristalldefekte entstehen.
Da derartige beschädigte Grenzflächen als nicht zur Lichterzeugung beitragende Rekombinationszentren und Leckstrompfade wirken, werden wichtige Leistungsparameter beeinträchtigt, wie z.B. die Produktionsausbeute, die Lebensdauer, die Stabilität und der Schwellwertstrom für das Arbeiten der Diode als Laser.
Zur Lösung der oben aufgezeigten Probleme werden die (111)-In-Ebenen, die einer hohen Temperatur ausgesetzt werden, bei einem konventionellen Verfahren während eines zweiten Flüssigphasen-Epitaxie-Prozesses zurückge­ schmolzen, woraufhin dann die Stromblockierschichten auf der defektfreien Oberfläche abgeschieden werden, welche durch das Abschmelzverfahren erhalten wurde.
Nach diesem bekannten Verfahren wurden vergrabene Laserdioden mit Heterostruktur, welche eine lange Lebensdauer und einen gleichmäßig niedrigen Schwell­ wertstrom besaßen, erfolgreich hergestellt. Bei dem vorbekannten Verfahren müssen jedoch komplizierte Prozeßbedingungen und spezielle Hilfseinrichtungen eingesetzt werden, um die defekten (111)-In-Ebenen geringfügig abzuschmelzen, wobei sich folgende Nachteile ergeben: Bei InGaAsP-Lasern, die in einem Wellenlängenbereich von 1,55 µm arbeiten, werden die InGaAsP-Oberflächen, die durch Hitze beschädigt wurden, auf natürliche Weise während des zweiten Epitaxie-Prozesses abgeschmolzen, und zwar aufgrund des erheblichen Unterschiedes in den Materialzusammensetzungen, so daß kein besonderer bzw. künstlicher Abschmelzprozeß erforderlich ist. Da jedoch eine aktive InGaAsP-Schicht für eine Wellenlänge im Bereich von 1,3 µm eine Zusammensetzung hat, die sich von der Zusammensetzung der Stromblockierschichten nur wenig unterscheidet, ist bei diesen Laserdioden ein spezieller Abschmelzprozeß erforderlich. Da der Abschmelzprozeß unter Verwendung einer ungesättigten Lösung mit einer Temperaturtoleranz Δ T von 0,2°C für eine kurze Zeit von 15 s durchgeführt wird, sind eine präzise Kontrolle der Zusammensetzung der Lösung, der Abschmelzzeit und der Temperatur erforderlich, wobei zusätzlich spezielle Einrichtungen benötigt werden. Dies ist kompliziert und unerwünscht.
Ausgehend vom Stand der Technik und der vorstehend aufgezeigten Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zum Abschmelzen der beschädigten (111)-In-Oberfläche der aktiven Schicht im Verlauf des zweiten Flüssigphasen-Epitaxieprozesses anzugeben.
Die gestellte Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Art gemäß einer ersten Variante der Erfindung durch folgende Verfahrensschritte gelöst:
in einem ersten Schritt wird nach dem aus der flüssigen Phase erfolgenden epitaktischen Abscheiden der aktiven Schicht und der Abdeckschicht auf dem Substrat über der Abdeckschicht eine Ätzmaske hergestellt;
in einem zweiten Schritt werden die nicht durch die Ätzmaske geschützten Teile der genannten Schichten weggeätzt, um die Mesastruktur zu erzeugen;
in einem dritten Schritt erfolgt eine selektive Ätzung der Abdeckschicht unter Verwendung einer Halogen-Wasserstoff­ säure, derart, daß die aktive Schicht nach diesem Atz­ schritt seitlich über die Mesastruktur vorsteht; und
in einem vierten Schritt werden die seitlich vorstehenden Teile der aktiven Schicht durch natürliches Abschmelzen während der aus der flüssigen Phase erfolgenden epitaktischen Abscheidung der Stromblockierschichten entfernt.
Gemäß einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die gestellte Aufgabe durch folgende Verfahrensschritte gelöst:
in einem ersten Schritt wird nach dem aus der flüssigen Phase erfolgenden epitaktischen Abscheiden der aktiven Schicht und der Abdeckschicht auf dem Substrat über der Abdeckschicht eine Ätzmaske hergestellt;
in einem zweiten Schritt werden die nicht durch die Ätz­ maske geschützten Teile der genannten Schichten weggeätzt, um die Mesastruktur zu erzeugen, und zwar unter Verwendung eines Ätzmittels, welches beim Ätzen der aktiven Schicht und der Abdeckschicht zur Erzeugung einer umgekehrten Mesastruktur an der Abdeckschicht eine höhere Ätzge­ schwindigkeit entwickelt als an der aktiven Schicht; und
in einem dritten Schritt werden die seitlich vorstehenden Teile der aktiven Schicht (7) durch natürliches Abschmel­ zen während der aus der flüssigen Phase erfolgenden epitaktischen Abscheidung der Stromblockierschichten entfernt.
Es ist ein besonderer Vorteil der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, daß anstelle der beiden Ätzschritte gemäß dem zweiten und dritten Verfahrens­ schritt nur ein einziger Ätzschritt erforderlich ist, um die gewünschte Mesastruktur mit überstehenden Teilen der aktiven Schicht zu erhalten.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert und/oder sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt einer vergrabenen Laserdiode mit umgekehrter Mesastruktur und doppelter InGaAsP/InP-Heterostruktur; und
Fig. 2A bis 2D schematische Darstellungen zur Erläuterung der einzelnen Schritte bei der Herstellung einer vergrabenen Laserdiode gemäß Fig. 1.
Im einzelnen zeigt Fig. 1 eine Querschnittsdarstellung einer vergrabenen InGaAsP/InP-Heterostruktur-Laserdiode mit umgekehrter Mesastruktur, welche eine Elektrode 1, eine Isolationsschicht 2, eine n-dotierte InP-Schicht 3, eine Abdeckschicht 4, eine (111)-In-Ebene bzw. -Grenz­ fläche 5, eine InP-Stromblockierschicht 6, sowie eine aktive InGaAsP-Schicht 7 aufweist.
In Fig. 2A bis 2D sind die einzelnen Schritte schematisch dargestellt, mit denen eine vergrabene Heterostruktur- Laserdiode mit hoher Zuverlässigkeit hergestellt werden kann, wobei mit einer umgekehrten Mesastruktur gearbeitet wird, bei der letztlich Teile der aktiven Schicht derart vorstehen, daß defekte Oberflächenbereiche der aktiven Schicht, dadurch, daß sie einer hohen Temperatur aus­ gesetzt werden, auf natürliche Weise abgeschmolzen werden können, und zwar im Verlauf des zweiten Flüssigphasen- Epitaxie-Prozesses, bei dem die Stromblockierschicht 6 hergestellt wird, ohne daß es eines besonderen Prozesses für das Abschmelzen bedürfte.
Im einzelnen zeigt Fig. 2A einen Laser mit doppelter Heterostruktur, auf dem eine fotolithografisch aus einer SiO2-Schicht hergestellte Ätzmaske aufgebracht ist. Fig. 2B zeigt den Schritt zur Herstellung einer umgekehrten Mesastruktur; Fig. 2C zeigt die Struktur der Halbleiteranordnung, die - nach ein oder zwei Ätz­ schritten - erhalten wird und bei der Teile der aktiven Schicht nach außen über die Mesastruktur vorstehen. Fig. 2D zeigt die Gestalt der Halbleiteranordnung nach dem Abschmelzen beschädigter vorspringender Teile der aktiven Schicht, wobei dieses Abschmelzen während des zweiten Flüssigphasen-Epitaxie-Prozesses und ohne einen besonderen Prozess erreicht wird.
In Fig. 2A ist die Abdeckschicht 4 eine p-dotierte InP-Schicht; die aktive Schicht 7 ist eine InGaAsP- Schicht. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet eine insbesondere streifenförmige SiO2-Ätzmaske, während das Bezugszeichen 9 ein stark n-dotiertes InP-Substrat mit einer stark n-dotierten InP-Pufferschicht bezeichnet.
Im Verlauf des zweiten Schrittes wird gemäß Fig. 2B eine umgekehrte Mesastruktur erzeugt, indem diejenigen Teile der Halbleiteranordnung, die nicht durch die Ätzmaske 8 geschützt sind, unter Verwendung einer Br-Methanol-Lösung weggeätzt werden. Dabei ist unter einer umgekehrten Mesastruktur in der vorliegenden Anmeldung eine Mesa­ struktur zu verstehen, die - anders als ein Mesa (Tafelberg) in der Natur - an der Basis, d.h. angrenzend an das Substrat, eine geringere Querschnittsfläche aufweist als an der außen liegenden Tafelfläche.
Im Verlauf des dritten Verfahrensschrittes wird gemäß Fig. 2C eine Mesastruktur erzeugt, bei der überstehende Teile der aus InGaAsP bestehenden aktiven Schicht 7 erhalten werden, was durch die Verwendung eines Ätzmittels, wie z.B. Salzsäure, erreicht wird, welches selektiv nur das InP-Material wegätzt, nämlich die p-dotierte InP-Abdeckschicht 4 und die n⁺-dotierte InP-Pufferschicht der Schicht 9.
Im Verlauf des vierten Verfahrensschrittes wird ein zweiter Epitaxie-Prozess durchgeführt, um die Strom­ blockierschichten 3 und 6 epitaktisch abzuscheiden. Da für die vorstehenden Teile der aktiven Schicht eine stärker gesättigte Lösung benötigt wird als im Fall des Vorliegens ebener Bereiche, um ein Gleichgewicht zwischen der Lösung und den damit in Kontakt stehenden, vorstehenden Bereichen (diese Bereiche sind in dem vergrößerten Ausschnitt in Fig. 2D gestrichelt eingezeichnet) der umgekehrten Mesa­ struktur aufrechtzuerhalten, die während des dritten Verfahrensschrittes erhalten wurde, werden während des zweiten Flüssigphasen-Epitaxie-Prozesses in einer gesättigten oder nur schwach übersättigten Lösung nur die vorstehenden Teile "abgeschmolzen" bzw. abgebaut. Auf diese Weise werden gemäß Fig. 2D diejenigen Oberflächen­ bereiche der aktiven Schicht, die durch die hohe Tempera­ tur (des Epitaxie-Prozesses) beschädigt werden können, entfernt, woraufhin die Stromblockierschichten in üblicher Weise epitaktisch abgeschieden werden können.
Im einzelnen können zum Abschmelzen der überstehenden Teile der aktiven Schicht zwei verschiedene Verfahren angewandt werden, nämlich entweder das Verfahren, bei dem der Lösung für das Abschmelzen ein Loch des Graphit­ schiffchens für die epitaktische Abscheidung zugeordnet wird, oder das Verfahren, bei dem zum Abschmelzen der überstehenden Teile eine Lösung verwendet wird, aus der gleichzeitig die erste Stromblockierschicht (p-dotierte InP-Schicht 6 in Fig. 1) epitaktisch abgeschieden wird.
Nachstehend soll nunmehr ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert werden. Das erste Ausführungsbeispiel umfaßt vier Schritte zum Herstellen einer umgekehrten Mesastruktur, wobei die durch Ätzen hergestellte, umgekehrte Mesastruktur in einem besonderen Schritt selektiv derart geätzt wird, daß Teile der aktiven InGaAsP-Schicht 7 überstehen und wobei die überstehenden Teile der aktiven Schicht, die durch hohe Temperaturen beschädigt sein können, während des zweiten Epitaxie-Prozesses auf natürliche Weise abgeschmolzen werden, um eine Laserdiode mit hoher Zuverlässigkeit zu erzeugen. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel werden jedoch dann, wenn zum Ätzen der Mesastruktur ein Ätzmittel verwendet wird, welches bezüglich der Abdeckschicht 4 und der Zwischenschicht 9 eine höhere Atzgeschwindigkeit hat als bezüglich der aktiven Schicht 7, der zweite und der dritte Verfahrensschritt gleichzeitig durchgeführt, so daß sich die Anzahl der Verfahrensschritte von vier auf drei verringert.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist bei der Herstellung von vergrabenen Heterostruktur-Halbleiter-Lasern aus beliebi­ gen Materialien anwendbar, bei denen die Stromblockier­ schichten aus der flüssigen Phase epitaktisch abgeschieden werden, beispielsweise bei III-V-Halbleitern, wie z.B. InGaAsP/InP-Material, GaAlAs/GaAs-Material, InGaAlAs/InP-Material und II-VI-Halbleitern, wie z.B. HgCdTe/CdTe-Material, PbSnTe-Material usw.
Nachstehend sollen die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zusammenfassend erläutert werden: Da die charakteristischen Eigenschaften der Grenzflächen zwischen der aktiven Schicht 7 und der Stromblockier­ schicht einen großen Einfluß auf die Leistung der vergrabenen Heterostruktur-Laserdiode haben und da Oberflächendefekte durch den Abschmelzprozeß entfernt werden, wächst die Stromblockierschicht 6 anschließend auf einer nahezu perfekten Oberfläche, so daß an der Grenz­ fläche keine Kristalldefekte vorhanden sind, was zur Folge hat, daß eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herge­ stellte vergrabene Laserdiode im Vergleich zu Dioden, welche ohne den Abschmelzprozeß hergestellt werden, folgende Vorteile hat:
  • a) Leckströme und Ströme, die nicht zur Lichterzeugung beitragen, werden verringert, während gleichzeitig der Lasereffekt-Schwellwertstrom verringert wird, so daß sich für die Diode ein höherer Wirkungsgrad ergibt;
  • b) die Produktionsausbeute ist höher; und
  • c) die Arbeitscharakteristik ist stabil und die Lebensdauer ist größer.
Außerdem bietet das Abschmelzverfahren gemäß der Erfindung gegenüber den Verfahren, bei denen ein spezieller Abschmelzprozeß erforderlich ist, folgende Vorteile:
  • a) es besteht keine Notwendigkeit, die Zusammensetzung der Lösung für den Flüssigphasen-Epitaxie-Prozeß sehr genau einzustellen, und es besteht auch keine Notwendigkeit, einen besonderen Graphittiegel zu gestalten, um die Zusammensetzung der Lösung genau einzustellen;
  • b) es besteht keine Notwendigkeit, die Temperatur während des Abschmelzens und der gleichzeitig erfolgenden epitaktischen Abscheidung aus der flüssigen Phase exakt einzustellen; vielmehr bleibt die umgekehrte Mesastruktur selbst dann erhalten, wenn die Temperatur nicht genau eingestellt wird; und
  • c) es besteht keine Notwendigkeit, mit einem komplizierten Temperaturprogramm zu arbeiten (programmierte Änderung der Temperatur über der Zeit), wenn der zweite Flüssigphasen-Epitaxie-Prozeß durchgeführt wird.

Claims (9)

1. Verfahren zum Herstellen einer vergrabenen Laserdiode mit Heterostruktur, welche eine auf einem Substrat ausgebildete Mesastruktur aus einer aktiven Schicht und einer Abdeckschicht umfaßt, und mit Stromblockier­ schichten seitlich von der Mesastruktur sowie mit einer über der Mesastruktur ausgebildeten Isolations­ schicht und einer über der Isolationsschicht ausgebil­ deten Elektrode, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
in einem ersten Schritt wird nach dem aus der flüssigen Phase erfolgenden epitaktischen Abscheiden der aktiven Schicht und der Abdeckschicht auf dem Substrat über der Abdeckschicht eine Ätzmaske hergestellt;
in einem zweiten Schritt werden die nicht durch die Ätzmaske geschützten Teile der genannten Schichten weggeätzt, um die Mesastruktur zu erzeugen;
in einem dritten Schritt erfolgt eine selektive Ätzung der Abdeckschicht unter Verwendung einer Halogen- Wasserstoffsäure, derart, daß die aktive Schicht nach diesem Ätzschritt seitlich über die Mesastruktur vorsteht; und
in einem vierten Schritt werden die seitlich vorstehenden Teile der aktiven Schicht durch natürliches Abschmelzen während der aus der flüssigen Phase erfolgenden epitaktischen Abscheidung der Stromblockierschichten entfernt.
2. Verfahren zum Herstellen einer vergrabenen Laserdiode mit Heterostruktur, welche eine auf einem Substrat ausgebildete Laserstruktur aus einer aktiven Schicht und einer Abdeckschicht umfaßt, und mit Stromblockier­ schichten seitlich von der Mesastruktur sowie mit einer über der Mesastruktur ausgebildeten Isolations­ schicht und einer über der Isolationsschicht ausgebil­ deten Elektrode, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
in einem ersten Schritt wird nach dem aus der flüssigen Phase erfolgenden epitaktischen Abscheiden der aktiven Schicht und der Abdeckschicht auf dem Substrat über der Abdeckschicht eine Ätzmaske hergestellt;
in einem zweiten Schritt werden die nicht durch die Ätzmaske geschützten Teile der genannten Schichten weggeätzt, um die Mesastruktur zu erzeugen, und zwar unter Verwendung eines Ätzmittels, welches beim Ätzen der aktiven Schicht und der Abdeckschicht zur Erzeugung einer umgekehrten Mesastruktur an der Abdeckschicht eine höhere Ätzgeschwindigkeit entwickelt als an der aktiven Schicht; und
in einem dritten Schritt werden die seitlich vorstehenden Teile der aktiven Schicht durch natürliches Abschmelzen während der aus der flüssigen Phase erfolgenden epitaktischen Abscheidung der Stromblockierschichten entfernt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht und die Abdeckschicht aus einer III-V-Halbleiterlegierung hergestellt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht und die Abdeckschicht aus einer II-VI-Halbleiterlegierung hergestellt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß während des vierten Schrittes das Abschmelzen der überstehenden Teile der aktiven Schicht gleichzeitig mit dem epitaktischen Abscheiden der Stromblockierschichten unter Verwendung einer Lösung für die epitaktische Erzeugung der ersten Stromblockierschicht durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als III-V-Halbleiterlegierung einer der folgenden Stoffe verwendet wird: InGaAsP/InP; GaAlAs/GaAs; InGaAs/InP.
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als II-VI-Halbleiterlegierung einer der folgenden Stoffe verwendet wird: HgCdTe/CdTe; PbSnTe.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätzmaske aus einer SiO2-Schicht hergestellt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ätzmittel Salzsäure verwendet wird.
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