DE4010889C2

DE4010889C2 -

Info

Publication number: DE4010889C2
Application number: DE4010889A
Authority: DE
Inventors: Kim Daejeon Kr Sang-Bae
Original assignee: Electronics and Telecommunications Research Institute ETRI
Current assignee: Electronics and Telecommunications Research Institute ETRI
Priority date: 1989-04-06
Filing date: 1990-04-04
Publication date: 1992-09-03
Also published as: GB2230383B; DE4010889A1; JPH02288288A; US4994143A; KR900017243A; KR910008439B1; GB2230383A; GB9006850D0

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer InGaAsP/InP-Halbleiter-Laserdiode mit vergrabener Heterostruktur gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Ein solches Verfahren zur Herstellung derartiger Laserdioden, die als Lichtquellen für optische Kommunikationseinrichtungen eingesetzt werden, ist beispielsweise aus IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE -17, No. 5, 1981, S. 640-645 bekannt. Eine solche Laserdiode besitzt Mesa-Grenzflächen, welche (111)-In-Ebenen zwischen dem 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, wie es aus Journal of Lightwave Technology, Vol. LT -5, No. 12, 1987, S. 1778-1781 bekannt ist, 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 Laserdioden mit vergrabener Heterostruktur, welche eine lange Lebensdauer und einen gleichmäßig niedrigen Schwellwertstrom 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 ΔT 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 dem Verfahren der eingangs angegebenen Art gemäß der Erfindung durch die Verfahrens schritte gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patent anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt einer Laserdiode mit umgekehrter Mesastruktur und vergrabener, doppelter InGaAsP/InP- Heterostruktur; und

Fig. 2A bis 2D schematische Darstellungen zur Erläuterung der einzelnen Schritte bei der Herstellung einer Laserdiode gemäß Fig. 1.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 eine Querschnittsdarstellung einer Laserdiode mit einer vergrabenen InGaAsP/InP-Hetero struktur und mit umgekehrter Mesastruktur, welche eine Elektrode 1, eine Isolationsschicht 2, eine n-dotierte InP-Schicht 3, eine Abdeckschicht 4, eine (111)-In-Ebene bzw. -Grenzfläche 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 Laserdiode mit vergrabener Heterostruktur 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 ausgesetzt 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 durch das Ätzen 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 von Salzsäure als Ätzmittel 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 sollen die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zusammenfassend erläutert werden:
Da die charakteristischen Eigenschaften der Grenzflächen 5 zwischen der aktiven Schicht 7 und der Stromblockier schicht 6 einen großen Einfluß auf die Leistung der Laserdiode mit vergrabener Heterostruktur 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 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

Verfahren zum Herstellen einer InGaAsP/InP-Halbleiterdiode mit vergrabener Heterostruktur, welche eine auf einem Substrat ausgebildete, umgekehrte Mesastruktur mit einer aktiven Schicht (7) und Abdeckschichten (4, 9) umfaßt, die beidseitig an die aktive Schicht (7) angrenzen, und mit Stromblockierschichten (3, 6), die seitlich von der Mesastruktur angeordnet und mit einer Isolationsschicht (2) bedeckt sind, und mit einer Elektrode (1) zur Kontaktierung der Mesastruktur, bei dem
- - nach der Flüssigphasenepitaxie der aktiven Schicht (7) und der Abdeckschichten (4, 9) auf der vom Substrat abgewandten Abdeckschicht (4) eine Ätzmaske (8) aus SiO₂ hergestellt wird,
- - die nicht durch die Ätzmaske (8) geschützten Teile der genannten Schichten (4, 7, 9) weggeätzt werden, um die umgekehrte Mesastruktur zu erzeugen,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - eine selektive Ätzung der aktiven Schicht (7) und der Abdeckschichten (4, 9) unter Verwendung von Salzsäure derart erfolgt, daß die aktive Schicht (7) nach diesem Ätzschritt seitlich über die Mesastruktur vorsteht, und
- - die seitlich vorstehenden Teile der aktiven Schicht (7) durch natürliches Abschmelzen während der Flüssigphasenepitaxie der Stromblockierschichten (3, 6) entfernt werden.