DE4116530A1 - Laserdiodenaufbau und verfahren zur herstellung desselben - Google Patents

Laserdiodenaufbau und verfahren zur herstellung desselben

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Description

Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf einen Laserdiodenaufbau und auf ein Verfahren zur Herstellung desselben, insbesondere auf einen phasenstarren Laserdiodenaufbau, der eine stabile Hochleistungsausgangsmode besitzt.
Aufgrund der Fortschritte der optischen Kommunikationstechnologie und der elektronischen Fertigungstechnologie unter Verwendung von Halbleitern rückt das opto-elektronische Zeitalter näher heran, wobei das Interesse insbesondere auf die Laserdiode (LD) gerichtet ist, und zwar sowohl wegen ihres guten Wirkungsgrades und ihrer Zuverlässigkeit, als auch wegen ihrer kleinen Größe im Bereich der Datenübertragung oder der Datenaufzeichnung.
In jüngster Zeit schreiten die Untersuchungen an Compound- bzw. Mehrstoffhalbleitern mit überlegenen Eigenschaften, wie beispielsweise GaAs, die nicht zum indirekten Übergangstyp gehören wie Si oder Ge, sondern zum direkten Übergangstyp, weiter voran. Der Compound-Halbleiter besitzt viele überlegene Eigenschaften, wie etwa eine hohe Elektronenmobilität, einen ausgezeichneten Frequenzgang, niedrigen Leistungsverbrauch, direktes Übergangsverhalten, und Halbisolationsverhalten gegen Si. Darüber hinaus wird beim Halbleiter mit direktem Übergang, wie beispielsweise GaAs, das Moment während der Rekombination der Elektronen und der Löcher beibehalten.
Aus diesem Grunde ist die Lebensdauer der in Richtung auf den emittierenden Bereich injizierten Ladungen so kurz (weniger als einige Nanosekunden), daß die Emissionsintensität groß ist. Und da die optische Ansprechreaktion auf die Eingangsstrombelastung sehr rasch erfolgt, wird der Compound-Halbleiter in weitem Umfange als Lichtquelle in optischen Kommunikationssystemen verwendet, die eine schnelle Modulation erfordern.
Fig. 1 zeigt eine konventionelle VSIS-LD bzw. VSIS-Leuchtdiode (V-Nut-Substratinnenstreifen-LD) im Senkrechtquerschnitt.
Bei der VSIS-LD ist auf einem N-leitenden GaAs-Substrat 1 eine P-leitende GaAs-Stromsperrschicht 2 aufgebracht. Anschließend ist eine V-Nut bzw. ein V-Kanal durch Mesaätzen streifenförmig auf dem N-leitenden GaAs-Substrat 1 erzeugt. Auf der Stromsperrschicht 2 sind nacheinander eine N-leitende Alx Ga1-x As-Schicht 3, eine P-leitende GaAs-Schicht 4, eine P-leitende Alx Ga1-x As-Schicht S und eine P+-leitende GaAs-Schicht 6 stapelförmig aufgebracht. Die N-leitende Alx Ga1-x As-Schicht 3 dient als erste Deckschicht; die P-leitende GaAs-Schicht 4 als aktive Schicht; die P-leitende Alx Ga1-x As-Schicht 5 als zweite Deckschicht; und die P+-leitende GaAs-Schicht 6 als Abschlußschicht.
Die erste Deckschicht 3 bekleidet den V-Kanal und ist elektrisch mit dem N-leitenden GaAs-Substrat 1 verbunden. Weiter ist auf der P+-leitenden GaAs-Schicht 6 eine P-leitende Elektrode 7 gebildet, während unterhalb des N-leitenden GaAs-Substrats 1 eine N-leitende Elektrode 8 angebracht ist. Die normal zum V-Kanal verlaufenden Flächen bilden Spiegelflächen.
Die VSIS-LD erzeugt Licht durch Rekombination von Elektronen und Löchern in der aktiven Schicht 4, wenn zwischen die P-leitende Elektrode 7 und die N-leitende Elektrode 8 eine Spannung angelegt wird. Um das in der P-leitenden GaAs-Schicht 4 erzeugte Licht einzugrenzen, muß der Brechungsindex der P-leitenden GaAs-Schicht 4 größer sein als die Brechungsindices der N-leitenden Alx Ga1-x As-Schicht 3 und der P-leitenden Alx Ga1-x As-Schicht 5, während die Energiebandlücke der P-leitenden GaAs-Schicht 4 kleiner als die entsprechenden Lücken der N-leitenden Alx Ga1-x As-Schicht 3 und der P-leitenden Alx Ga1-x As-Schicht 5 sein muß.
Das Zusammensetzungsverhältnis X des Compound-Halbleiters muß also im Bereich von 0 bis 1 liegen, d. h. es gilt:
0 < X < 1.
Auch müssen die zum V-Kanal normal liegenden Spiegelfacettenflächen das erzeugte Licht ohne Absorption reflektieren oder aussenden.
Im folgenden soll die Herstellung der VSIS-Leuchtdiode beschrieben werden.
Nach Bildung der P-leitenden GaAs-Schicht 2 auf dem N-leitenden GaAs-Substrat 1 wird durch Mesaätzen der V-Kanal erzeugt. Weiter werden die N-leitende Alx Ga1-x As-Schicht 3, die P-leitende GaAs-Schicht 4, die P-leitende Alx Ga1-x As-Schicht 5, und die P+-leitende GaAs-Schicht 6 nacheinander durch Anwenden der LPE-Technik (Epitaxie in flüssiger Phase) auf der N-leitenden GaAs-Schicht 2 aufgebracht. Anschließend wird die P-leitende Elektrode 7 aus Au/Zn : Au auf der P+-leitenden GaAs-Schicht 6 erzeugt, während die N-leitende Elektrode 8 aus Au/Ge : Ni : Au unter dem N-leitenden GaAs-Substrat 1 aufgebracht wird. Die P-leitende bzw. die N-leitende Elektrode 7 bzw. 8 bilden ohm′sche Kontakte jeweils mit der P+-leitenden GaAs-Schicht 6 und dem N-leitenden GaAs-Substrat.
Bei der Herstellung der wie erwähnt aufgebauten VSIS-LD tritt das Problem auf, daß eine zweistufige Epitaxie angewandt werden muß, da die anderen Schichten 3, 4, 5 und 6 nach dem Aufwachsen der Stromsperrschicht 2 ebenfalls noch aufgewachsen werden müssen. Darüber hinaus werden in den Spiegelfacettflächen leicht Haftstellen bzw. Fallenbereiche aufgrund von Kristalldefekten erzeugt. Diese Fallen verengen die Energiebandlücke so weit, daß die Spiegelfacetteflächen zerstört werden, weil im Zeitpunkt hoher Ausgangsleistung viel Licht auf die Flächen auftrifft. Weiter ist bei auftretender Laserschwingung die Mode sehr instabil, und ebenso ist die Reproduzierbarkeit der Mode nicht zufriedenstellend.
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Leuchtdiodenaufbau zu schaffen, der einen hohen Ausgangsleistungswirkungsgrad, eine stabile Schwingungsmode und eine überlegene Reproduzierbarkeit aufweist. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung eines solchen Leuchtdiodenaufbaus.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein LD-Aufbau geschaffen, der folgende Komponenten aufweist: eine erste Halbleiterschicht eines zweiten Leitungstyps auf V-Kanälen eines Compound-Halbleitersubstrates eines ersten Leitungstyps, auf dem viele V-Kanäle gebildet sind, sowie eines ersten Leitungstyps außerhalb der V-Kanäle; eine zweite Halbleiterschicht als erste Deckschicht, die auf der ersten Halbleiterschicht aufgebracht ist; eine dritte Halbleiterschicht des zweiten Leitungstyps als aktive Schicht, die auf der zweiten Halbleiterschicht aufgebracht ist; eine vierte Halbleiterschicht des zweiten Leitungstyps als zweite Deckschicht, die auf der dritten Halbleiterschicht aufgebracht ist; eine fünfte Halbleiterschicht des zweiten Leitungstyps als Abschlußschicht, die auf der vierten Halbleiterschicht aufgebracht ist; eine Elektrode des zweiten Leitungstyps, die auf der fünften Halbleiterschicht gebildet ist; und eine Elektrode des ersten Leitungstyps, die unter dem Compound-Halbleitersubstrat des ersten Leitungstyps aufgebracht ist.
Weiter ist ein Verfahren zur Herstellung eines LD-Aufbaus vorgesehen, das folgende Schritte aufweist: Bilden vieler V-Kanäle durch Mesaätzen auf dem Compound-Halbleitersubstrat des ersten Leitungstyps; nacheinander erfolgendes Bilden einer ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Halbleiterschicht auf dem Compound-Halbleitersubstrat des ersten Leitungstyps mit V-Kanälen; und Bilden einer Elektrode des zweiten Leitungstyps auf der fünften Halbleiterschicht sowie einer Elektrode des ersten Leitungstyps unter dem Compound-Halbleitersubstrat des ersten Leitungstyps.
Diese und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verdeutlicht.
Fig. 1 stellt einen Senkrechtschnitt durch eine konventionelle VISI-Leuchtdiode dar;
Fig. 2 stellt einen Senkrechtschnitt durch einen Leuchtdiodenaufbau gemäß der vorliegenden Erfindung dar; und
Fig. 3(A) bis 3(C) stellt eine Folge von Querschnitten dar, die zur Erläuterung der Herstellungsschritte des Leuchtdiodenaufbaus gemäß der vorliegenden Erfindung dienen.
Nunmehr wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 2 stellt einen Senkrechtschnitt durch eine LD-Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
Auf einem N-leitenden GaAs-Wafer werden durch Mesaätzen eine Anzahl von V-Kanälen gebildet. Auf dem V-Kanalbereich wird eine P-leitende GaAs-Schicht 13 (eine erste Halbleiterschicht) aufgebracht, während auf dem den V-Kanal umgebenden Bereich eine N-leitende GaAs-Schicht 15 (eine erste Halbleiterschicht) aufgebracht wird.
Auf diese GaAs-Schicht des P- und N-Leitungstyps wird eine H-leitende Alx Ga1-x As-Schicht 17 (eine zweite Halbleiterschicht), eine P-leitende GaAs-Schicht 19 (eine dritte Halbleiterschicht), eine P-leitende Alx Ga1-x As-Schicht 21 (eine vierte Halbleiterschicht) und eine P+-leitende GaAs-Schicht 23 (eine fünfte Halbleiterschicht) nacheinander aufgebracht.
Bei der obigen Struktur liegen die V-Kanalbereiche des N-leitenden GaAs-Substrats kristallographisch in der Indexebene (111) A, während die diese Bereiche umgebenden Außenbereiche in der Indexebene (100) liegen. Die Ebene (111) A wird durch Abätzen des N-leitenden GaAs-Substrats gebildet, solange bis das Ga frei liegt. Unter Benutzung der Tatsache, daß Si P-leitend in der Indexebene (111) A und N-leitend in der Ebene (100) wird, wenn eine Si-dotierte GaAs-Schicht mit Hilfe des MBE-Verfahrens (Molekularstrahl-Epitaxie) aufgewachsen wird, wird die P-leitende GaAs-Schicht auf den V-Kanälen aufgebracht, während die N-leitende GaAs-Schicht auf den äußeren Bereichen um den Kanal aufgebracht wird, wodurch die Schichten als GaAs-Stromsperrschichten 13 und 15 dienen. Desgleichen werden die N-leitende Alx Ga1-x As-Schicht 17, die P-leitende GaAs-Schicht 19, die P-leitende Alx Ga1-x As-Schicht 21, und die P+-leitende GaAs-Schicht 23 jeweils benutzt als erste Deckschicht, aktive Schicht, zweite Deckschicht und als Abschlußschicht. Um die innerhalb der P-leitenden GaAs-Schicht 19 erzeugte Lichtmenge zu begrenzen, muß der Brechungsindex der P-leitenden GaAs-Schicht 19 größer als derjenige der N-leitenden und der P-leitenden Alx Ga1-x As-Schichten 17 und 21 sein, während die Energiebandlücke der P-leitenden GaAs-Schicht kleiner als diejenige der N-leitenden und der P-leitenden Alx Ga1-x As-Schichten sein muß. Das Zusammensetzungsverhältnis X muß also zwischen 0 und 1 liegen.
Darüber hinaus stabilisieren die außerhalb des V-Kanals liegenden Bereiche die Schwingungsmode des von der P-leitenden GaAs-Schicht 19 erzeugten Lichtes. Auf der P+-leitenden GaAs-Schicht 29 ist eine P-leitende Elektrode 25 aus Au/Zn : Au angebracht, während eine N-leitende Elektrode 27 aus Au/Ge : Ni : Au unter dem N-leitenden GaAs-Substrat 11 aufgebracht ist. Die P-leitende und die N-leitende Elektrode 25 und 27 bilden mit der P-leitenden GaAs-Schicht 23 und dem N-leitenden GaAs-Substrat F jeweils ohm′sche Kontakte. Die mit einer gestrichelten Kreislinie (O) der P-leitenden GaAs-Schicht 19 gekennzeichneten Abschnitte stellen die emittierenden Bereiche 29 dar. Fig. 3 veranschaulicht die Folge der Herstellungsschritte eines LD-Schichtaufbaus gemäß der vorliegenden Erfindung.
Gemäß Fig. 3(A) wird eine Anzahl von V-Kanälen durch Mesaätzen des N-leitenden GaAs-Substrats 11 in der Indexebene (100) erzeugt.
Das benutzte Ätzmittel ist eine Mischung mit folgendem Zusammensetzungsverhältnis: H3PO4 : H2O=1 : 10.
Die Ebene, in der das Ga im V-Kanal exponiert wird, ist eine (111) A-Ebene.
Gemäß Fig. 3(B) werden auf dem mit einer Anzahl von V-Kanälen versehenen N-leitenden GaAs-Substrat 11 mit Hilfe der Molekularstrahl-Epitaxie (MBE) folgende Schichten aufgebracht: die P-leitende und die N-leitende GaAs-Schicht 13 bzw. 15, die N-leitende Alx Ga1-x As-Schicht 17, die P-leitende GaAs-Schicht 19, die P-leitende Alx Ga1-x As-Schicht 21 und die P+-leitende GaAs-Schicht 23, und zwar bei einer Temperatur von 600 bis etwa 650°C. Insbesondere kann durch Anwendung der MBE-Technik die Dicke des Kristallwachstums genau gesteuert werden. Wenn die Si-dotierten GaAs-Schichten 13 und 15 mit Hilfe der MBE-Technik aufgewachsen sind, wirkt der Si-Dotierstoff in der Indexebene (100) als N-Dotiermittel, während der gleiche Dotierstoff als P-leitendes Dotiermittel in der Indexebene (111) A wirkt, so daß auf dem V-Kanalbereich eine P-leitende GaAs-Schicht 13 und auf dem Bereich um den V-Kanal herum eine N-leitende GaAs-Schicht 15 gebildet wird. Die wie erwähnt erzeugten P-leitenden und N-leitenden GaAs-Schichten 13 und 15 dienen als Stromsperrschichten.
Das bedeutet, daß Elektronen nicht durch die V-Kanalflächen hindurchtreten können, wohl aber durch die Bereiche zwischen den V-Kanälen.
Die N-leitenden und P-leitenden Alx Ga1-x As-Schichten, die als erste und zweite Deckschichten dienen, werden mit Verunreinigungen wie Si oder Be in einer Konzentration von 5×10¹⁶ bis etwa 5×1017 Ionen/cm3 dotiert, wobei die Schichtdicke etwa 0,5 µm beträgt. Die P-leitende GaAs-Schicht 19, die als aktive Schicht dient, wird in einer Dicke von 0,5 µm aufgebracht. Die P+-leitende GaAs-Schicht 23, die als Abschlußschicht dient, ist mit Fremdatomen wie etwa Be in einer Konzentration von 1×1019 Ionen/cm3 dotiert und ihre Dicke beträgt etwa 0.2 µm.
Gemäß Fig. 3(C) wird die P-leitende Elektrode 25 auf der P+-leitenden GaAs-Schicht 23 aufgebracht, während die N-leitende Elektrode 27 unter dem N-leitenden GaAs-Substrat 11 angebracht ist. Für die P-leitende Elektrode 25 wird die Legierung Au/Ze : Au und für die N-leitende Elektrode 27 die Legierung Au/Ge : Ni : Au verwendet.
Wie bemerkt, nutzt die vorliegende Erfindung die Tatsache aus, daß wenn die Si-dotierte GaAs-Schicht durch Molekularstrahl-Epitaxie aufgewachsen wird, das Si als P-Dotiermittel in der Indexebene (111) A und als N-Dotiermittel in der Indexebene (100) wirkt, und daß der LD-Aufbau gemäß der vorliegenden Erfindung eine phasenstarre hohe Ausgangsleistungscharakteristik besitzt, da die von jedem Laserelement erzeugten Strahlen miteinander gekoppelt sind.
Die vorliegende Erfindung stabilisiert also den Wirkungsgrad der optischen Ausgangsleistung sowie die Steuerung der Schwingungsmode und verbessert die Ausbeute und die Reproduzierbarkeit, was bei einem konventionellen Leuchtdiodenaufbau, bei dem die emittierenden und isolierenden Bereiche abwechselnd auf der flachen Struktur unter Verwendung des N-leitenden GaAs-Substrats mit V-Kanälen gebildet sind, kaum zu erwarten ist. Weiter wird das Herstellungsverfahren einfach, da nur mit einstufiger Epitaxie gearbeitet wird.
Die Erfindung ist keineswegs auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt. Für Fachleute sind unter Bezugnahme auf die Beschreibung der Erfindung verschiedene Abänderungen der offenbarten Ausführungsform sowie andere Varianten der Erfindung möglich. Es wird daher davon ausgegangen, daß die beigefügten Ansprüche eine jede dieser Modifikationen und Varianten im Rahmen der Erfindung abdecken.

Claims (8)

1. Laserdiodenaufbau, dadurch gekennzeichnet, daß er folgende Komponenten aufweist:
ein Compound-Halbleitersubstrat vom ersten Leitungstyp mit einer Anzahl von V-Kanälen,
eine erste Halbleiterschicht vom zweiten Leitungstyp auf den V-Kanälen, und vom ersten Leitungstyp auf den Bereichen außerhalb der V-Kanäle,
eine zweite Halbleiterschicht auf der ersten Halbleiterschicht als erste Deckschicht,
eine dritte Halbleiterschicht auf der zweiten Halbleiterschicht als aktive Schicht,
eine vierte Halbleiterschicht auf der dritten Halbleiterschicht als zweite Deckschicht,
eine fünfte Halbleiterschicht auf der vierten Halbleiterschicht als Abschlußschicht,
eine auf der fünften Halbleiterschicht gebildete Elektrode vom zweiten Leitungstyp, und
eine unter dem Compound-Halbleitersubstrat vom ersten Leitungstyp gebildete Elektrode vom ersten Leitungstyp.
2. Laserdiodenaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Compound-Halbleitersubstrat vom ersten Leitungstyp aus GaAs besteht.
3. Laserdiodenaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Leitungstyp ein N-leitender Typ und der zweite Leitungstyp ein P-leitender Typ ist.
4. Laserdiodenaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Compound-Halbleitersubstrat vom ersten Leitungstyp eine Indexebene (100) besitzt.
5. Laserdiodenaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die V-Kanäle (111) A-Flächen und die Außenbereiche um die V-Kanäle (100)-Flächen besitzen.
6. Verfahren zur Herstellung eines Laserdiodenaufbaus, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Herstellen einer Anzahl von V-Kanälen durch Mesaätzen auf dem N-leitenden Compound-Halbleitersubstrat,
nacheinander erfolgendes Aufbringen einer ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Halbleiterschicht auf dem mit den genannten V-Kanälen versehenen N-leitenden Compound-Halbleitersubstrat, und
Aufbringen einer Elektrode vom zweiten Leitungstyp auf der fünften Halbleiterschicht und einer Elektrode vom ersten Leitungstyp unter dem N-leitenden Compound-Halbleitersubstrat.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschichten mit Hilfe der Molekularstrahlepitaxietechnik aufgebracht werden.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Halbleiterschicht mit Silizium dotiert wird.
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