DE602004009531T2

DE602004009531T2 - Halbleiterlichtemissionsbauelement und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE602004009531T2
Application number: DE602004009531T
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Hasegawa; Toshiya Yokogawa; Atsushi Yamada
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2003-04-28
Filing date: 2004-04-06
Publication date: 2008-07-24
Anticipated expiration: 2024-04-07
Also published as: US7396697B2; EP1569309A4; EP1569309B1; US7622749B2; WO2004098007A1; JP4757634B2; US20060049433A1; EP1569309A1; DE602004009531D1; CN100364192C; US20080116479A1; CN1736009A; JPWO2004098007A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein nitridbasiertes lichtemittierendes Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiterbauelement, und insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement, das in einem Kurzwellenbereich der violetten bis ultravioletten Abschnitte des Spektrums arbeitet, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen lichtemittierenden Bauelementes.
HINTERGRUND DER TECHNIK
Um die Speicherkapazität einer optischen Platte zu erhöhen, sollte ein Laserstrahl zum Lesen von Daten von und/oder Schreiben von auf die Platte eine verkürzte Wellenlänge aufweisen. Die meisten der DVD-Player und Recorder, die zum gegenwärtigen Zeitpunkt auf dem Markt erhältlich sind, verwenden Halbleiterlaser, die bei Wellenlängen von ungefähr 660 nm arbeiten. Ein roter Halbleiterlaser dieses Typs wird beispielsweise durch expitaktisches Aufwachsen eines InGaAIP-basierten Verbindungshalbleiters auf einen GaAs-Wafer hergestellt.
Seit kurzem werden sehr große Anstrengungen unternommen, um optische Platten der nächsten Generation zu entwickeln, die eine höhere Speicherkapazität als DVDs aufweisen. Eine Lichtquelle für jede dieser optischen Platten der nächsten Generation muss fortlaufend einen violetten Laserstrahl (der in den Wellenlängenbereich von ungefähr 400 nm fällt) ausstrahlen, dessen Wellenlänge sogar noch kürzer als die Wellenlänge des roten Strahls ist. Ein GaN-basierter Halbleiterlaser, der bei Wellenlängen von ungefähr 400 nm arbeitet, ist einer der vielversprechendsten Lichtquellen zum Lesen von und Schreiben auf eine Blu-ray Disc^TM und anderen optischen Platten der nächsten Generation. Der Halbleiterlaser muss dennoch einige Probleme überwinden, um zu einem im Handel überlebensfähigen Produkt werden zu können.
Die Hellstrom-Charakteristikkurve eines GaN-basierten Halbleiterlasers sollte in einem hohen optischen Ausgabebereich keine Knickstellen aufweisen. Eine Knickstelle wird dann auf der Hellstrom-Charakteristikkurve beobachtet, wenn die Laserdiode einen instabilen horizontalen Transversalmodus aufweist. Aus diesem Grund sollte eine Laserstruktur umgesetzt werden, die den horizontalen Transversalmodus zu stabilisieren vermag.
Unterdessen wird der GaN-basierte Halbleiter nicht nur aus Hartkristallen hergestellt, sondern auch chemisch stabil gemacht, so dass es sich als schwierig erweist, dieses Material mit Hilfe eines Nassätzverfahrens zu strukturieren. Dementsprechend wird eine Kammstruktur, die zum Steuern des horizontalen Transversalmodus erforderlich ist, durch Strukturieren einer GaN-basierten Halbleiterschicht mit Hilfe eines Trockenätzprozesses ausgebildet. Es wurde berichtet, dass eine GaN-basierte Laserdiode mit einer Kammstruktur, die mit Hilfe eines Trockenätzprozesses ausgebildet wird, kontinuierliche Wellenschwingung bei Zimmertemperatur (siehe IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Bnd. 4 (1998), Seiten 483 bis 494 und Japanese Journal of Applied Physics, Bnd. 41 (2002), Seiten 1829 bis 1833) erzielte.
Jedoch erweist es sich in dem Prozess zum Strukturieren von feinen Leiterbahnen (Fine-Line-Patterning) eines GaN-basierten Halbleiters mit Hilfe eines Trockenätzverfahrens als zu schwierig, das Vordringen des Ätzprozesses hinunter bis zu einer einheitlichen Tiefe innerhalb einer Waferebene zu steuern. Wenn die Ätztiefe von einer Stelle auf dem Wafer zu einer anderen Stelle geändert wird, würde der horizontale Transversalmodus von einer Vielzahl von Halbleiterlasern, die aus demselben Wafer ausgeschnitten worden sind, nicht stabilisiert werden. In diesem Fall können einige Bauelemente Hellstromcharakteristiken mit Knickstellen aufweisen. Dazu kommt noch, dass die Prozessreproduzierbarkeit nicht nur innerhalb der Waferebene sinken würde, sondern auch von einer Produktionscharge zu der nächsten, wodurch dementsprechend die Produktionsquote von GaN-basierten Laserdioden gesenkt und stattdessen die Herstellungskosten erhöht werden.
Vor kurzem wurde ein Verfahren zum Ausbilden einer Kammstruktur für die GaN-basierte Laserdiode durch selektive erneute Epitaxie vorgeschlagen (siehe Japanese Journal of Applied Physics, Bnd. 40 (2001), L925 bis L927). In Übereinstimmung mit dem in diesem Dokument vorgeschlagenen Verfahren wird, nachdem eine Anzahl von Halbleiterlasern auf eine aktive Schicht aufgestapelt worden ist, der Wafer vollständig mit einem SiO₂-Film mit Ausnahme eines Abschnittes bedeckt, der die Kammstruktur bilden soll. Anschließend wird der Kristallaufwachsprozess zum zweiten Mal durchgeführt, wodurch die Halbleiterschichten selektiv erneut auf dem Abschnitt aufgewachsen werden, der nicht mit dem SiO₂-Film beschichtet ist und die Kammstruktur bildet. Dieses Verfahren ermöglicht es, die Kammstruktur auszubilden, ohne dass dabei die Halbleiterschichten mit Hilfe eines Trockenätzprozesses strukturiert werden. Auf diese Weise wird ein Herstellungsverfahren mit einer ausgezeichneten Einheitlichkeit und Reproduzierbarkeit bereitgestellt. Darüber hinaus ist es auch möglich, jegliches Verursachen von Schaden auf der aktiven Schicht als Ergebnis des Trockenätzprozesses zu verhindern.
Nichtsdestotrotz ist es in Übereinstimmung mit solch einem Prozess der erneuten selektiven Epitaxie schwierig, das Abscheiden einer Vielzahl von GaN-basierten Polykristallen (Polystruktur) auf dem SiO₂-Maskierungsfilm zu verhindern. Aus diesem Grund werden, wenn die Laserdiode in einer Junction-Down-Anordnung befestigt wird, um die Wärmeableitung zu erhöhen, wenn die optische Ausgabe der Laserdioden erhöht wird, die Laserdioden einen weniger engen Kontakt mit entweder einem Kühlkörper oder einer Sub-Befestigung eingehen, wodurch einige Unannehmlichkeiten entstehen, wie beispielsweise Fehler beim Befestigen.
Darüber hinaus weisen, da die Fläche der Kristalle mit dem SiO₂-Film mit Ausnahme des Abschnittes, der die Kammstruktur bilden soll, bedeckt ist, die resultierenden Laserdioden schlechte Wärmeleiteigenschaften und eine schlechte Wärmeableitung sowie eine kürzere Lebensdauer auf.
Die Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung eines Typs mit selbsterhaltender Schwingung, die in dem Dokument US-B1-6.522.676 offenbart wird, weist einen Streifenabschnitt auf, der aus einem oberen und einem unteren Streifen besteht, wobei die Breiten derselben durch eine Stromblockierungsschicht gebildet werden, die oberen Streifen eine minimale Breite an der Position des Grenzbereiches zwischen dem oberen und dem unteren Streifen aufweisen und der untere Streifen an der Position seines unteren Endes eine Breite aufweist, die größer als die minimale Breite des oberen Streifens ist.
Um die voranstehend beschriebenen Probleme zu überwinden, ist es eine primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement bereitzu stellen, das eine neuartige Strom-Einengungsstruktur aufweist und das keine Kammstruktur für Strom-Einengungszwecke erfordert.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement bereitzustellen, das eine ausgezeichnete Steuerung des horizontalen Transversalmodus und der Wärmeableitung erzielt, selbst dann keine Knickstellen aufweist, wenn es mit seiner erhöhten optischen Ausgabe arbeitet, und das eine verlängerte Lebensdauer aufweist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines solchen lichtemittierenden Halbleiterbauelementes mit einer hohen Produktionsquote und reduzierten Kosten bereitzustellen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Ein lichtemittierenden Halbleiterbauelement in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung umfasst: einen ersten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiter; eine Strom-Einengungsschicht, die aus einem zweiten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiter gefertigt ist, der auf einem ausgewählten Flächenbereich des ersten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiters gewachsen ist und der eine Streifenöffnung hat, die sich entlang der Länge eines Hohlraumresonators erstreckt; und einen dritten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiter, der die Fläche des ersten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiters, die durch die Streifenöffnung freigelegt ist, und die Fläche der Strom-Isolationsschicht bedeckt.
In dem lichtemittierendes Halbleiterbauelement in Übereinstimmung mit der Erfindung hat die Strom-Isolationsschicht zwei überhängende Teile, die in Richtung auf die Streifenöffnung überhängen.
Darüber hinaus wird in Übereinstimmung mit der Erfindung ein Spalt zwischen jedem der zwei überhängenden Teil der Strom-Einengungsschicht und einem Teil der Fläche des ersten Gruppe-III–V-Verbindungshalbieiters bereitgestellt.
Darüber hinaus ist in Übereinstimmung mit der Erfindung der Spalt nicht vollständig mit dem dritten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiter geschlossen.
In einer spezifischen bevorzugten Ausführungsform hat der Spalt eine Höhe von wenigstens 10 nm und eine Breite von wenigstens 0,1 μm.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform hat ein Teil des dritten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiters, der durch die Streifenöffnung mit einer Fläche des ersten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiters in Kontakt ist, eine Breite von 0,5 μm bis 3 μm.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform hat das lichtemittierende Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4 erste Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiter, die eine Mehrschichtstruktur enthalten, die eine aktive Schicht beinhaltet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform basieren die Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiter auf Galliumnitrid.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält die Strom-Einengungsschicht eine Galliumnitridschicht mit Aluminium und weist eine Dicke von 0,1 m bis 0,5 μm auf.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der elektrische Leitfähigkeitstyp des zweiten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiters entgegengesetzt zu dem elektrischen Leitfähigkeitstyp des ersten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiters.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der elektrische Leitfähigkeitstyp des dritten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiters derselbe wie der elektrische Leitfähigkeitstyp des ersten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiters.
In einer weiten bevorzugten Ausführungsform ist der elektrische Leitfähigkeitstyp des zweiten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiters n-Typ.
Ein Verfahren zum Herstellen eines lichtemittierenden Halbleiterbauelementes in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung umfasst die folgenden Schritte: (A) Bereitstellen einer Streifenmaskierungsschicht auf einem ersten Gruppe-III–V- Verbindungshalbleiter, (B) selektive Epitaxie eines zweiten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiters über die gesamte Fläche des ersten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiters mit Ausnahme eines Teils, der mit der Maskierungsschicht bedeckt ist, dadurch eine Strom-Einengungsschicht ausbildend, die eine durch die Maskierungsschicht ausgebildete Streifenöffnung aufweist; (C) selektives Entfernen der Maskierungsschicht; und (D) Epitaxie eines dritten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiters um die Fläche des ersten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiters, die durch die Streifenöffnung freigelegt wird, und die Fläche der Strom-Einengungsschicht zu bedecken.
In Übereinstimmung mit der Erfindung umfasst der Schritt (B) Epitaxie des zweiten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiters seitlich in Richtung der Mitte der Maskierungsschicht, dadurch zwei überhängende Teile für die Strom-Einengungsschicht ausbildend.
In Übereinstimmung mit der Erfindung umfasst der Schritt (C) das Entfernen von Teilen der Maskierungsschicht, die sich unter den überhängenden Teilen der Strom-Einengungsschicht befinden, dadurch die überstehenden Teil überhängend in Richtung auf die Mitte der Streifenöffnung fertigend.
In Übereinstimmung mit der Erfindung umfasst der Schritt (D) das Bereitstellen von Spalten zwischen dem ersten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiter und den überhängenden Teilen.
In Übereinstimmung mit der Erfindung wird der Spalt nicht vollständig mit dem dritten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiter geschlossen.
In einer spezifischen Ausführungsform umfasst das Verfahren die folgenden Schritte: Einrichten der Breite der Maskierungsschicht innerhalb des Bereiches von 0,5 μm bis zu 3 μm; und das Einrichten einer Breite eines Teils des dritten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiters, die durch die Streifenöffnung in Kontakt mit der Fläche des ersten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiters ist, in dem Bereich von 0,5 μm bis zu 3 μm.
In einer weiteren spezifischen Ausführungsform hat der erste Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiter eine Mehrschichtstruktur, die eine aktive Schicht umfasst.
In einer weiteren spezifischen Ausführungsform basieren die Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiter auf Galliumnitrid.
In dieser bestimmten bevorzugten Ausführungsform enthält die Strom-Einengungsschicht eine Galliumnitridschicht mit Aluminium und hat eine Dicke von 0,1 μm bis zu 0,5 μm.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsdarstellung, die die Struktur eines Halbleiterlasers in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung darstellt.
Die 2 bis 10 sind Querschnittsdarstellungen, die ein Verfahren zum Herstellen des in 1 dargestellten Halbleiterlasers illustrieren.
11 ist eine Querschnittsdarstellung, die die Struktur eines herkömmlichen Halbleiterlasers (Vergleichendes Beispiel Nr. 1) illustriert.
Die 12 bis 15 sind Querschnittsdarstellungen, die ein Verfahren zum Herstellen eines in 11 dargestellten Halbleiterlasers illustrieren.
16 ist eine Querschnittsdarstellung, die die Struktur eines anderen Halbleiterlasers als Vergleichsbeispiel Nr. 2 illustriert.
17 ist eine Querschnittsdarstellung, die die Struktur eines weiteren Halbleiterlasers als Vergleichsbeispiel Nr. 3 illustriert.
18 ist ein Graph, der eine optische Strom-Ausgabeeigenschaft in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
19 ist ein Graph, der eine optische Strom-Ausgabecharakteristik in dem Vergleichsbeispiel Nr. 1 darstellt.
20 ist ein Graph, der eine optische Strom-Ausgabeeigenschaft in dem Vergleichsbeispiel Nr. 2 illustriert.
Die 21(a) bis 21(c) illustrieren einen Querschnitt einer Streifenöffnung der Strom-Einengungsschicht 75: wobei 21(a) illustriert, wie der Querschnitt aussieht, bevor damit begonnen wird, eine zweite optische Führungsschicht 72b aufzubringen; 21(b) illustriert, wie der Querschnitt aussieht, während die zweite optische Führungsschicht 72b abgeschieden wird; und 21(c) illustriert, wie der Querschnitt aussieht, wenn die zweite optische Führungsschicht 72b vollständig ist.
BESTE ART UND WEISE DES AUSFÜHRENS DER ERFINDUNG
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Zuerst wird in Bezug auf 1 ein Querschnitt eines GaN-basierten Halbleiterlasers in Übereinstimmung mit dieser bevorzugten Ausführungsform illustriert. Dieser Halbleiterlaser umfasst einen Saphirwafer 61, dessen Hauptfläche eine (0001) Ebene ist, eine Halbleiter-Mehrschichtstruktur, die auf dem Wafer 61 bereitgestellt ist und Elektroden 79 und 80. Diese Mehrschichtstruktur besteht aus den Schichten, die in der folgenden Tabelle 1 dargestellt sind und die in dieser Reihenfolge auf den Wafer 61 aufgeschichtet sind. Tabelle 1

Schicht	Dicke [nm]	Zusammensetzung	Dotierungsstoff: Konzentration [cm^–3]
Niedrigtemperatur-Pufferschicht	ungefähr 20	GaN
Kontaktschicht 62	ungefähr 4000	n-GaN	Si: ungefähr 1 × 10¹⁸
Auskleidungsschicht 63	ungefähr 700	n-Al_0,07Ga_0,93N	Si: 5 × 10¹⁷
erste optische Führungsschicht 64 aktive Schicht, Quantummulden 65, 67, 69 Grenzschichten 66, 68	ungefähr 120 ungefähr 3 ungefähr 9	n-GaN In_0,1Ga_0,9N GaN	Si: ungefähr 1 × 10¹⁸
Abdeckungsschicht 70	ungefähr 50	GaN
Abdeckungsschicht 71	ungefähr 20	p-Al_0,18Ga_0,82N	Mg: 5 × 10¹⁷
zweite optische Führungsschicht 72a	ungefähr 120	p-GaN	Mg: 1 × 10¹⁸
Strom-Einengungsschicht 75	ungefähr 200	n-Al_0,04Ga_0,96N	Si: 5 × 10¹⁷
Zweite optische Führungsschicht 72b	ungefähr 20	p-GaN	Mg: 1 × 10¹⁸
Auskleidungsschicht 76	ungefähr 700	p-Al_0,07Ga_0,93N	Mg: 5 × 10¹⁷
Kontaktschicht 77	ungefähr 100	p-GaN	Mg: 1 × 10¹⁸

Die p-Elektrode 79 ist aus Nickel (Ni), Platin (Pt) und Gold (Au) hergestellt und wird auf der p-Typ-Kontaktschicht 77 bereitgestellt, die die am weitesten oben liegende Schicht der Mehrschichtstruktur ist. Im Gegensatz dazu ist die n-Elektrode 80 aus Titan (Ti) und Aluminium (Al) hergestellt und wird auf der n-Typ-Kontaktschicht 62 bereitgestellt. Die p-Elektrode und die n-Elektrode 79 und 80 sind durch einen Isolationsfilm 78 aus Siliziumdioxid (SiO₂) elektrisch von einander isoliert.
Im weiteren Verlauf der Beschreibung werden ausführliche Konfigurationen und Funkti onen dieser Halbleiterschichten erwähnt, wenn ein Verfahren zum Herstellen des in
1 dargestellten Halbleiterlasers beschrieben wird.
Im Folgenden wird ein bevorzugtes Verfahren zum Herstellen des Halbleiterlasers die ser bevorzugten Ausführungsform beschrieben.
Zuerst werden die Schichten 62 bis 72a, die in 1 dargestellt sind, auf dem Wafer 61 aufgewachsen. Genauer gesagt, wird ein Saphirwafer 61, dessen Hauptfläche eine (0001) Ebene ist, mit einer Säurelösung aufbereitet und gereinigt. Wenn der Wafer 61 gereinigt ist, wird er in dem Reaktor eines metallorganischen Dampfphasenepitaxie systems (MOVPE – metalorganic vapor Phase epitaxy) (nicht dargestellt) an einen Suszeptor gehalten. Anschließend wird der Reaktor entleert.
Anschließend wird der Reaktor bei einem Druck von 300 Torr mit einer Wasserstoffatmosphäre befüllt, und die Temperatur des Reaktors wird auf ungefähr 1.100°C angehoben, wodurch der Wafer 61 erhitzt und ein Wärmereinigen auf der Oberfläche des Wafers 61 durchgeführt wird.
Anschließend wird die Temperatur des Reaktors auf ungefähr 500°C reduziert, und danach werden Trimethylgallium-(TMG)Gas (bei einer Durchflussgeschwindigkeit von 7 sccm), Ammoniak-(NH₃)Gas (bei einer Durchflussgeschwindigkeit von 7,5 slm) und Wasserstoffgas als ein Trägergas gleichzeitig auf die Hauptfläche des Wafers 61 zugeführt. Auf diese Weise wird eine Niedrigtemperatur-Pufferschicht aus GaN (nicht dargestellt) bis zu einer Dicke von ungefähr 20 nm aufgewachsen.
Anschließend wird die Temperatur des Reaktors auf ungefähr 1.000°C angehoben, es wird darüber hinaus Silan-(SiH₄)Gas als ein n-Typ-Dotierungsstoff in den Reaktor zugeführt, wodurch eine n-Typ-Kontaktschicht 62 aus GaN mit einer Dotierungsstoff-(Si)konzentration von ungefähr 1 × 10¹⁸ cm^–3 bis zu einer Dicke von 4 μm auf der Niedrigtemperatur-Pufferschicht (nicht dargestellt) aufgewachsen wird.
Als Nächstes wird, indem auch Trimethylgallium-(TMG)Gas in den Reaktor zugeführt wird, eine n-Typ-Auskleidungsschicht 63 aus n-Al_0,07Ga_0,93N mit einer Dotierungsstoff-(Si)konzentration von 5 × 10¹⁷ cm^–3 bis zu einer Dicke von ungefähr 0,7 μm auf einer n-Typ-Kontaktschicht 62 aufgewachsen.
Daran anschließend wird eine erste optische Führungsschicht 64 aus n-GaN mit einer Dotierungsstoff-(Si)konzentration von 1 × 10¹⁸ cm^–3 bis zu einer Dicke von ungefähr 120 nm aufgewachsen. Anschließend wird die Temperatur des Reaktors auf ungefähr 800°C reduziert, und das Trägergas wird von Wasserstoff zu Stickstoff geändert. Auf diese Weise werden Trimethylindium (TMI) und Trimethylgallium (TMG) zugeführt, wodurch eine aktive Schicht mit mehreren Quantummulden, die aus In_0,1Ga_0,9N-Quantummulden 65, 66, 69 (mit einer Dicke von jeweils ungefähr 3 nm) und GaN- Sperrschichten 66, 68 (mit einer Dicke von jeweils ungefähr 9 nm), die abwechselnd aufeinander aufgestapelt werden, besteht, gebildet wird.
Anschließend wird, um die Diffusion des p-Typ-Dotierungsstoffes in die aktive Schicht zu minimieren, eine Abdeckungsschicht 70 aus undotiertem GaN bis zu einer Dicke von ungefähr 50 nm aufgewachsen. Anschließend wird die Temperatur in dem Reaktor erneut auf ungefähr 1.000°C angehoben, und bei dem Trägergas wird erneut von Stickstoff zu Wasserstoff gewechselt. Und daran anschließend wird, indem Biscyclopentadienylmagnesium-(Cp2Mg)Gas als ein p-Typ-Dotierungsstoff zugeführt wird, eine weitere Abdeckungsschicht 71 aus p-Al_0,18Ga_0,82N mit einer Dotierungsstoff-(Mg)konzentration von 5 × 10¹⁷ cm^–3 bis zu einer Dicke von 20 nm aufgewachsen.
Anschließend wird eine zweite optische Führungsschicht 72a aus p-GaN mit einer Dotierungsstoff-(Mg)konzentration von 1 × 10¹⁸ cm^–3 bis zu einer Dicke von ungefähr 120 nm aufgewachsen.
Bis zu diesem Zeitpunkt wurden diese Halbleiterschichten fortlaufend auf die (0001) Ebene auf dem Wafer 61 aufgewachsen. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass keine dieser Halbleiterschichten geätzt oder strukturiert worden ist. Aus diesem Grund weist jede dieser Halbleiterschichten eine im Wesentlichen einheitliche Dicke an jeder Stelle auf dem Wafer 61 auf. Und der Teil mit der n-Elektrode 80, die in 1 dargestellt ist, wurde noch nicht ausgebildet.
Im Folgenden wird in Bezug auf 2 lediglich die Struktur der optischen Führungsschicht 64 aus n-GaN und andere Schichten, die darauf aufgewachsen worden sind, illustriert. Hierbei sollte beachtet werden, dass die Illustration des Wafers 61, der n-Typ-Kontaktschicht 62 und der n-Typ-Auskleidungsschicht 63 im Sinne der Einfachheit in 2 weggelassen wurde. Dasselbe Prinzip trifft auf jede der 3 bis 10 zu, auf die im weiteren Verlauf der Beschreibung Bezug genommen wird.
Der Wafer 61, auf dem die zweite optische Führungsschicht 72a als seine am weitesten oben liegende Schicht abgeschieden worden ist, wie dies in 2 dargestellt ist, wird einmalig aus dem Reaktor entnommen. Anschließend wird ein Isolationsfilm 73 für selektive Epitaxie auf der p-GaN-Schicht 72a abgeschieden, wie dies in 3 dargestellt ist. Der Isolationsfilm 73 kann aus SiO₂ hergestellt sein, das unter Verwendung eines Plasma-Gasphasenabscheidungs-(CVD – chemical vapor deposition)Systems aufgetragen worden ist und eine Dicke von 10 nm bis 200 nm, beispielsweise ungefähr 40 nm aufweisen kann.
Als Nächstes wird, wie dies in 4 dargestellt ist, wird ein Widerstandsfilm 74 auf dem Isolationsfilm 73 abgeschieden und strukturiert, indem er den Belichtungs- und Entwicklungsprozessschritten eines fotolithografischen Prozesses unterzogen wird. 5 zeigt eine Form im Querschnitt des Widerstandsfilms 74, der auf diese Weise strukturiert worden ist. Der strukturierte Widerstandsfilm 74 weist eine Streifenform auf, die sich in Richtung des Hohlraumresonators erstreckt. 5 illustriert den Querschnitt lediglich eines einer sehr großen Anzahl von Streifen. Das Streifenmuster des Widerstandsfilms 74 dieser bevorzugten Ausführungsform weist eine planare Anordnung auf, bei der Streifen in einem Abstand von 200 μm bis zu 1.000 μm, beispielsweise bei 500 μm angeordnet sind. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform hat jeder Streifen eine Breite von 3 μm, und die Widerstandsteile, die von dem Wafer 61 entfernt worden sind (das heißt, die Öffnungen), haben eine Breite (das heißt, eine Größe, die senkrecht zu der Richtung des Hohlraumresonators gemessen wird) von ungefähr 500 μm.
In dieser bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich jeder Streifenteil des strukturierten Widerstandsfilms 74 parallel zur Richtung des Hohlraumresonators (das heißt, in <1–100> Richtung des Wafers 61). Die Breite der Streifen muss in Richtung des Hohlraumresonators jedoch nicht konstant sein. So kann beispielsweise die Streifenbreite an einer abschließenden Kristallfläche des Hohlraumresonators enger sein als anderswo.
Anschließend werden die freigelegten Teile des Isolationsfilms 73, die nicht durch den Widerstandsfilm 74 bedeckt sind, mit Hilfe eines Nassätzprozesses unter Verwendung einer Fluorwasserstoffsäurelösung entfernt, wodurch die obere Fläche der p-GaN-Schicht 72a, wie dies in 6 dargestellt ist, freigelegt wird. Anschließend wird der Widerstandsfilm 74 mit beispielsweise einer organischen Lösung aus Azeton gebeizt, wie dies in 7 dargestellt ist. Der Widerstandsfilm 73, der auf diese Weise strukturiert worden ist, fungiert als eine „Maskierungsschicht" für selektive Epitaxie.
Anschließend wird, um eine Halbleiterschicht, die als eine n-Typ-Strom-Einengungsschicht fungiert, der Wafer 61, auf dem der Isolationsfilm 73 in Streifen strukturiert worden ist, erneut an den Suszeptor in dem Reaktor des Systems für metallorganische Dampfphasenexpitaxie (MOVPE-System) gehalten, und der Reaktor wird erneut entleert. Wenn eine Halbleiterschicht auf solch einem Wafer, der einmal aus dem Reaktor entnommen worden ist und auf dem beispielsweise eine Maskierungsschicht abgeschieden worden ist, aufgewachsen wird, wird solch eine Epitaxie mitunter als „erneute Epitaxie" („regrowth") bezeichnet.
Anschließend wird der Reaktor bei einem Druck von 200 Torr mit einer Wasserstoffatmosphäre befüllt, und die Temperatur des Reaktors wird auf ungefähr 1.000°C angehoben. Auf diese Weise wird eine Strom-Einengungsschicht 75 aus n-Al_0,04Ga_0,96N mit einer Dotierungsstoff-(Si)konzentration von 5 × 10¹⁷ cm^–3 bis zu einer Dicke von ungefähr 200 nm aufgewachsen, wie dies in 8 dargestellt ist.
Unter Bedingungen selektiver Epitaxie wird die Strom-Einengungsschicht 75 nicht auf dem Isolationsfilm 73 aufgewachsen, sondern sie wird selektiv auf der freigelegten Fläche der p-GaN-Schicht 72a aufgewachsen.
Die Strom-Einengungsschicht 75 besitzt die Funktion des Regulierens des Injizierens von Löchern in die aktive Schicht während der Halbleiterlaser ist Betrieb ist. Dementsprechend werden Löcher über die Streifenbereiche injiziert, in denen keine Strom-Einengungsschicht 75 vorhanden ist. Als Ergebnis wird der Stromfluss durch die Strom-Einengungsschicht 75 auf jene engen Bereiche eingeengt. Die Breite des eingeengten Stroms wird durch die Breite der Streifenöffnungen der Strom-Einengungsschicht 75 festgelegt. Und die Breite der Streifenöffnungen der Strom-Einengungsschicht 75 kann mit der Breite der Maskierungsschicht für selektive Epitaxie (das heißt, des strukturierten Isolationsfilms) und die Bedingungen der selektiven Epitaxie gesteuert werden.
Die Strom-Einengungsschicht 75 sollte eine Dicke von wenigstens 100 nm aufweisen. Wenn die Strom-Einengungsschicht 75 zu dünn wäre, würden die Löcher, die einwärts von der oberen Fläche der Strom-Einengungsschicht 75 injiziert worden sind, in Richtung nach unten diffundieren, und der Strom könnte durch die Strom-Einengungsschicht 75 fließen. Um eine solche Löcherinjektion und solchen diffundierten Strom ausreichend zu minimieren, wird die Dicke der Strom-Einengungsschicht 75 vorzugsweise so eingerichtet, dass sie der Diffusionslänge der Löcher entspricht oder größer als diese ist.
Andere Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiter, wie beispielsweise Galliumarsenid (GaAs) und Indiumphosphid haben eine Löcherdiffusionslänge von ungefähr 1 μm. Dementsprechend weist eine Strom-Einengungsschicht, die aus einem beliebigen jener alternativen Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiter hergestellt ist, vorzugsweise eine Dicke von ungefähr 1 μm oder mehr auf.
Unterdessen haben in einem GaN-basierten Halbleiter die Löcher eine große effektive Masse und haben dementsprechend eine Diffusionslänge, die genauso kurz ist wie 0,2 μm. Aus diesem Grund kann die Strom-Einengungsschicht 75 aus AlGaN eine Dicke von 200 nm (= 0,2 μm) aufweisen, wie dies in dieser bevorzugten Ausführungsform der Fall ist. Die Strom-Einengungsschicht 75 dieser bevorzugten Ausführungsform hat vorzugsweise eine Dicke von 0,1 μm bis 0,5 μm.
Hierbei sollte beachtet werden, dass, wenn die Strom-Einengungsschicht aus Galliumarsenid (GaAs) oder aus Indiumphosphid (InP) hergestellt ist, die Strom-Einengungsschicht 75 eine Dicke von wenigstens 1 μm aufweisen sollte. Wenn man versuchen würde, eine solche dicke Schicht durch einen Prozess der selektiven Epitaxie auszubilden, würde die Strom-Einengungsschicht 75 während des Prozesses der selektiven Epitaxie übermäßig seitwärts auf den Isolationsfilm 73 wachsen. Solch ein seitwärts gerichtetes Wachstum wird „epitaxial lateral overgrowth (ELO)" genannt. Wenn das ELO-Wachstum zu einem übermäßigen Grad auftritt, würde die Strom-Einengungsschicht 75 den Isolationsfilm 73 vollständig bedecken, und die Streifenöffnungen, die bereitgestellt werden sollten, um den Strom zum Fließen zu veranlassen, könnten nicht auf geeignete Weise geformt werden.
Darüber hinaus muss während der selektiven Epitaxie die Wanderung von Ga oder Al auf der Fläche des Isolationsfilms 73 beschleunigt werden. Wenn jedoch die selektive Epitaxie über einen langen Zeitraum hinweg fortgesetzt würde, würde die Wanderung nicht mehr ausreichend sein. Als Ergebnis könnten Polykristalle (Polystruktur) auf einfache Weise direkt auf dem Isolationsfilm 73 zusätzlich zu dem ELO-Wachstum erzeugt werden.
In dieser bevorzugten Ausführungsform ist die Stromeinengungs-Schicht 75 jedoch aus AlGaN hergestellt, und ihre Dicke kann bis auf ungefähr 200 nm oder weniger reduziert werden, wodurch solch ein Problem überwunden wird.
Wie dies im späteren Verlauf dieser Beschreibung beschrieben werden wird, wird, nachdem die Stromeinengungs-Schicht 75 ausgebildet ist, eine zweite optische Führungsschicht 72b aus p-GaN aufgewachsen. In diesem Prozessschritt liegt ein Niveauunterschied entsprechend der Dicke der Stromeinengungs-Schicht 75 in den Streifenöffnungen vor. Wenn dieser Niveauunterschied groß ausfällt, werden Kristalldefekte auf einfache Weise in die zweite optische Führungsschicht 72b hervorgerufen, die darauf aufgewachsen werden soll. Wenn jedoch eine Stromeinengungs-Schicht 75 mit einer Dicke von 200 nm verwendet wird, wie dies der Fall in der vorliegenden Ausführungsform ist, kann eine p-GaN-Schicht 72b erneut aufgewachsen werden, so dass nur einige wenige Kristalldefekte vorhanden sind.
Um die Injektion von Löchern in die aktive Schicht auf geeignete Weise zu minimieren, ist es genauso wichtig, die Elektronendichte in der Stromeinengungs-Schicht 75 zu steuern, wie auch die Dicke der Stromeinengungs-Schicht 75 anzupassen. Andere Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiter wie beispielsweise GaAs und InP weisen eine Löcherdiffusionslänge von ungefähr 1 μm auf. Es ist erforderlich, die Elektronendichte in der Stromeinengungs-Schicht 75 dementsprechend (das heißt, die Konzentration eines n-Typ-Dotierungsstoffes) relativ hoch einzurichten. Unterdessen weist die Stromeinengungs-Schicht 75 dieser bevorzugten Ausführungsform eine kurze Löcherdiffusionslänge auf und kann dementsprechend eine geringe Elektronendichte aufweisen.
Das ELO-Wachstum eines GaN-basierten Halbleiters neigt dazu, unterdrückt zu werden, wenn die Konzentration eines n-Typ-Dotierungsstoffes (beispielsweise die Konzentration von Si), die zu dem Halbleiterwachstum hinzuzufügen ist, erhöht wird. In dieser bevorzugten Ausführungsform kann die Konzentration des n-Typ-Dotierungsstoffes in der Stromeinengungs-Schicht 75 jedoch niedrig eingerichtet werden, und es kann von dem ELO-Wachstum profitiert werden, ohne dies zu prüfen. Wenn die Stromeinengungs-Schicht 75 in Richtung seitwärts mit dem ELO-Wachstum aufgewachsen wird, ist die Breite der Streifenöffnung viel enger als die der Maskierungsschicht. So ist es beispielsweise mit einer Streifenbreite von 2 μm oder weniger schwierig, konstant eine Maskierungsschicht (das heißt, den Isolationsfilm 73) durch fotolithografische und Ätzprozesse zu bilden. In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann jedoch durch Steuern der Bedingungen der selektiven Epitaxie der Stromeinengungs-Schicht 75, nachdem ein Isolationsfilm 73 (das heißt, die Maskierungsschicht) so strukturiert worden ist, dass eine relativ breite Breite erhalten wurde, die Breite der Streifenöffnungen bis auf 2 μm oder weniger reduziert werden.
In dieser bevorzugten Ausführungsform wird die Breite des Isolationsfilms 73 bei ungefähr 3 μm eingerichtet. Dementsprechend können die zugeführten Ga- und Al-Atome, die auf der Fläche des Isolationsfilms 73 angelangt sind, auf dem Isolationsfilm 73 wandern und auf einfache Weise die wachsende Stromeinengungs-Schicht 75 erreichen, wodurch sie erheblich zum Reduzieren des Wachstums von Polykristallen auf dem Isolationsfilm 73 beitragen. Aus diesem Grund wird das Wachstum der Polykristalle auf dem Isolationsfilm 73 überprüft, wobei der Isolationsfilm 73 vorzugsweise eine Streifenbreite von 3 μm oder weniger aufweist.
Wie dies voranstehend beschrieben worden ist, kann durch Steuern der Bedingungen der selektiven Epitaxie der Stromeinengungs-Schicht 75 die Größe der Teile der Stromeinengungs-Schicht 75, die seitwärts in Richtung des Isolationsfilms 73 überhängen, auf einen beliebigen Wert reguliert werden. In dieser bevorzugten Ausführungsform wird, obgleich der Isolationsfilm 73 eine Streifenbreite von 3 μm aufweist, die Breite der Streifenöffnungen (das heißt, die Breite der freigelegten Bereiche des Isolationsfilms 73) auf ungefähr 1,5 μm als ein Ergebnis des ELO-Wachstums der Stromeinengungs-Schicht 75 reduziert. Demzufolge wird die Breite des Strominjektionsbereiches bei ungefähr 1,5 μm gebildet.
Auf diese Weise kann in Übereinstimmung mit dieser bevorzugten Ausführungsform die Einengung des laserangetriebenen Stroms auf geeignete Weise während des Betriebs gesteuert werden, und dementsprechend kann der horizontale Transversalmodus des ausgestrahlten Laserstrahls ebenfalls mit hoher Präzision gesteuert werden.
In dieser bevorzugten Ausführungsform besteht keine Notwendigkeit, irgendeinen Trockenätzprozess zum Ausbilden eines Kamms durchzuführen (das heißt, der Herstellungsprozess dieser bevorzugten Ausführungsform ist „trockenätzfrei"), und die Ge samtdicke der verbleibenden Teile der p-Typ-Halbleiter kann auf einfache Weise durch Regulieren der Dicke der Abdeckungsschicht 71 aus p-Al_0,18Ga_0,82N und der optischen Führungsschicht 72a aus p-GaN während des Aufwachsprozesses gesteuert werden. Demzufolge kann der horizontale Transversalmodus auf einfache Weise auf einer Waferebene ausgelegt und gesteuert werden, ohne dass dabei eine Abhängigkeit von irgendeinem spezifischen Prozess besteht.
So bald die Stromeinengungs-Schicht 75 auf diese Weise vollständig ist, wird der Wafer 61 aus dem Reaktor entnommen, um eine p-Typ-Halbleiterschicht über die gesamte Fläche der Kristalle aufzuwachsen. Anschließend wird der Isolationsfilm 73 selektiv durch einen Nassätzprozess unter Verwendung einer Fluorwasserstoffsäurelösung entfernt, wodurch die p-GaN-Schicht 72a freigelegt wird, wie dies in 9 dargestellt ist.
Da der Isolationsfilm 73 teilweise mit der Stromeinengungs-Schicht 75 bedeckt worden ist, werden durch Entfernen des Isolationsfilms 73 Spalte unter den überhängenden Teilen der Stromeinengungs-Schicht 75 gebildet.
21(a) ist eine Querschnittsdarstellung, die illustriert, wie die Stromeinengungs-Schicht 75 aussieht, wenn der Isolationsfilm 73 entfernt wird. Teile 75b der Stromeinengungs-Schicht 75, die über den Isolationsfilm 73 hinaus hervorstehen (das heißt, die überhängenden Teile 75b) haben eine seitliche Größe W1. Es ist ein Spalt zwischen der Unterseite der überhängenden Teile 75b und der Fläche der zweiten optischen Führungsschicht 72a vorhanden. Darüber hinaus ist der Spalt durch die Dicke des Isolationsfilmes 73 festgelegt. Das heißt, wenn der Isolationsfilm 73 eine Dicke von 40 nm aufweist, dann hat der Spalt eine Dicke (oder eine Höhe) von 40 nm.
Hierbei sollte beachtet werden, dass, wenn der Isolationsfilm 73 durch einen hoch anisotrophischen Ätzprozess entfernt wird, Teile des Isolationsfilmes 7 unter den überhängenden Teilen 75b verbleiben werden. Wenn solch ein Ätzprozess durchgeführt wird, wird die Fähigkeit zur Wärmeableitung reduziert, so dass die Laserdiode eine kürzere Lebensdauer aufweist, was ein Problem darstellt.
Unter der Annahme dass der Spalt zwischen den zwei überhängenden Teilen 75b, die einander gegenüberliegen, durch die Breite WO identifiziert wird, entspricht die Breite des Isolationsfilmes 73 W0 + 2W1. Durch Steuern des ELO-Wachstums kann die Breite W1 mit einer hohen Präzision reguliert werden. Dementsprechend kann die Größe der Breite WO auf einen Wert reduziert werden, der kleiner ist als die Größe des Merkmals in dem fotolithografischen und Ätzprozess mit einer guten Reproduzierbarkeit. Wenn beispielsweise der strukturierte Isolationsfilm 73 eine Breite (= W0 + 2W1) von 3 μm aufweist, und wenn die Stromeinengungs-Schicht 75 so aufgewachsen wird, dass sie die Breite W1 mit 0,75 μm aufweist, dann ist die Breite WO der Öffnung 1,5 μm (= 3 μm – 2 × 0,75 μm). Wenn in diesem Fall jedoch der strukturierte Isolationsfilm 73 eine Breite von 1,5 μm hatte, dann würde der Spalt WO einen Wert von Null aufweisen, und es könnten keine Öffnungen so wie beabsichtigt bereitgestellt werden, es sei denn, das ELO-Wachstum würde gesteuert. Dementsprechend wird in Übereinstimmung mit dieser bevorzugten Ausführungsform der Spalt WO gesteuert, indem sich das ELO-Wachstum zu Nutze gemacht wird, und dementsprechend hat der strukturierte Isolationsfilm 73 vorzugsweise eine Breite (= W0 + 2W1) von 3 μm oder mehr, wie dies voranstehend beschrieben worden ist.
Anschließend wird der Wafer 61 erneut an den Suszeptor in dem Reaktor des metallorganischen Dampfphasenepitaxie-(MOVPE)Systems gehalten, und der Reaktor wird entleert. Anschließend wird der Reaktor bei einem Druck von 200 Torr mit einer Wasserstoffatmosphäre befüllt, und seine Temperatur wird auf ungefähr 1.000°C angehoben, wodurch eine zweite optische Führungsschicht 72b aus p-GaN mit einer Dotierungsstoff-(Mg)konzentration von 1 × 10¹⁸ cm^–3 bis zu einer Dicke von ungefähr 20 nm über die gesamte Fläche des Wafers 61 aufgewachsen wird.
Die 21(b) und 21(c) sind Querschnittsdarstellungen, die schematisch illustrieren, wie die zweite optische Führungsschicht 72b aufgewachsen wird. In dieser bevorzugten Ausführungsform hat die zweite optische Führungsschicht 72b einen Teil 72b', der auf der Fläche der ersten optischen Führungsschicht 72a aufgewachsen wird, wie dies in 21(b) dargestellt ist. Dieser Teil 72b' wird sich jedoch bald mit der zweiten optischen Führungsschicht 72b, die auf der Strom-Einengungsschicht 75 aufgewachsen wird, vereinen, wie dies in 21(c) dargestellt ist. Wenn die Dicke des Teils 72b' ungefähr einen Wert erreicht, dass sie der Dicke der Spalten unter den überhängenden Teilen 75b der Strom-Einengungsschicht 75 entspricht, wird die Öffnung mit der Breite WO mit dem Teil 72b' geschlossen. Dementsprechend sind die Spalten zwischen den überhängenden Teilen 75b und der ersten optischen Führungsschicht 72a nicht vollständig mit der zweiten optischen Führungsschicht 72b geschlossen. Demzufolge werden am Ende einige Spalten zwischen den überhängenden Teilen 75b und der ersten optischen Führungsschicht 72a gelassen.
Da diese Spalten erzeugt werden, kann in dieser bevorzugten Ausführungsform die Breite W2 des Kontaktteils zwischen der ersten optischen Führungsschicht und der zweiten optischen Führungsschicht 72a und 72b (siehe 21(c)) kleiner sein als die Breite des Isolationsfilmes 73. Jene Spalten weisen einen höheren Grad an Isolationseigenschaften auf als die Halbleiter und bilden eine hohe Grenze für Löcher, die möglicherweise injiziert werden, und tragen dementsprechend erheblich zum Einengen des Stroms in dem engen Bereich bei. Die Spalten können beispielsweise eine Breite (wie diese senkrecht zu der Richtung des Hohlraumresonators gemessen wird) von 0,1 μm bis 0,5 μm aufweisen. Die Dicke dieser Spalten kann in Übereinstimmung mit dem Isolationsfilm 73 reguliert werden. Wenn der Isolationsfilm 73 jedoch zu dick ist, könnten überhaupt keine Spalten erzeugt werden. Aus diesem Grund weisen die Spalten vorzugsweise eine Dicke von 0,01 μm bis 0,2 μm auf.
Hierbei sollte beachtet werden, dass die 21(a) bis 21(c) im Sinne der Einfachheit eine Situation illustrieren, in der die zweite optische Führungsschicht 72b dick genug ist, um die Öffnung der Strom-Einengungsschicht 75 vollständig zu schließen. Tatsache ist jedoch, dass die zweite optische Führungsschicht 72b vorzugsweise dünn ist (so, dass sie eine Dicke von ungefähr 20 nm in dieser bevorzugten Ausführungsform aufweist). In diesem Fall sollte das Wachstum der zweiten optischen Führungsschicht 72b in dem Zustand beendet werden, der in 21(b) dargestellt ist, und anschließend sollten die oberen Halbleiterschichten darauf aufgewachsen werden.
Nachdem die zweite optische Führungsschicht 72b auf diese Weise abgeschieden worden ist, wird eine p-Typ-Auskleidungsschicht 76 aus p-Al_0,07Ga_0,93N mit einer Dotierungsstoff-(Mg)konzentration von 5 × 10¹⁷ cm^–3 bis zu einer Dicke von ungefähr 0,7 μm aufgewachsen, wie dies in 10 dargestellt ist. Anschließend wird eine p-Typ-Kontaktschicht 77 aus p-GaN mit einer Dotierungsstoff-(Mg)konzentration von 1 × 10¹⁸ cm^–3 bis zu einer Dicke von ungefähr 0,1 μm darauf aufgewachsen. In 10 wird im Sinne der Einfachheit kein Grenzbereich zwischen der zweiten optischen Führungsschicht 72b und der p-Typ-Auskleidungsschicht 76 dargestellt.
Nachdem diese Kristallaufwachsprozesse (oder Prozesse des erneuten Aufwachsens) abgeschlossen sind, werden die p-Typ-Halbleiterschichten einem Ausglühungsprozess mit dem Zweck der thermischen Aktivierung unterzogen. Der Wafer wird aus dem Reaktor des metallorganischen Dampfphasenepitaxie-(MOVPE)Systems entnommen und anschließend zu einem Glühofen transportiert, so dass er einem Ausglühungsprozess zum Aktivieren der Dotierungsstoffe unterzogen werden kann. Anschließend wird der Glühofen entleert, es wird Stickstoffgas bei einer Durchflussgeschwindigkeit von 3 slm zugeführt, der Druck wird auf den atmosphärischen Druck angehoben, und anschließend wird der Wafer 30 Minuten lang bei einer Temperatur von 750°C ausgeglüht. Wenn der Ausglühungsprozess abgeschlossen ist, wird der Wafer hinunter auf Zimmertemperatur abgekühlt und anschließend aus dem Glühofen entnommen.
Im Folgenden werden unter erneuter Bezugnahme auf 1 die verbleibenden Prozesse beschrieben.
Nachdem der Ausglühungsprozess abgeschlossen ist, wird der Wafer vollständig mit einem Isolationsfilm aus SiO₂ mit Ausnahme eines Bereiches bedeckt, in dem eine n-Elektrode 80 bereitgestellt werden sollte. Anschließend werden unter Verwendung dieses Isolationsfilms als eine Ätzmaskierung die freigelegten Bereiche der Mehrfachschichtstruktur durch einen Trockenätzprozess entfernt. Dieser Ätzprozess wird solange durchgeführt, bis die n-Typ-Kontaktschicht 62 teilweise freigelegt ist. Anschließend wird der Wafer erneut vollständig mit einem Isolationsfilm 78 mit Ausnahme von Bereichen bedeckt, in denen p- und n-Elektroden 79 und 80 bereitgestellt werden sollten. Dieser Isolationsfilm 78 wird verwendet, um die p- und die n-Elektroden 79 und 80 voneinander elektrisch zu isolieren.
Anschließend werden die p- und die n-Elektroden 79 und 80 jeweils durch beispielsweise einen Verdampfungsprozess und einen Lift-Off-Prozess ausgebildet.
Wie dies aus der voranstehenden Beschreibung eindeutig hervorgeht, sollte in Übereinstimmung mit dieser bevorzugten Ausführungsform kein Trockenätzprozess ausgeführt werden, um eine Kammstruktur zum Steuern des horizontalen Transversalmodus auszubilden, und der Strukturierungsprozess der Laserstruktur kann auf einfachere Weise und leichter durchgeführt werden. Als Ergebnis steigt die Produktionsquote, und die Kosten können reduziert werden.
Anschließend geht der Prozess in den Schritt über, in dem die abschließende Kristallfläche des Hohlraumresonators des Lasers aufgespalten wird. Zunächst wird die Rückfläche des Saphirwafers 62 poliert, wodurch die Gesamtdicke auf ungefähr 100 μm reduziert wird. Anschließend wird der Wafer 61 mit Hilfe eines Spalters (nicht dargestellt) so aufgespalten, dass die abschließende Kristallfläche des Hohlraumresonators senkrecht zu der Kammstreifenrichtung gebildet ist. Zu diesem Zeitpunkt kann ein Laserbarren, der die aufgespaltene abschließende Kristallfläche als einen Hohlraumresonators des Lasers verwendet (mit einer Länge des Hohlraumresonators von 750 μm) erhalten werden.
Anschließend wird die abschließende rückseitige Kristallfläche des Hohlraumresonators des Lasers mit einem Film mit hohem Reflexionsvermögen beschichtet. Der Film mit hohem Reflexionsvermögen kann eine dielektrische Mehrschichtstruktur aufweisen, die aus bis zu drei Paaren aus SiO₂- und TiO₂-Filmen gebildet ist.
Abschließend wird der Laserbarren einem zweiten Prozessschritt des Aufspaltens unterzogen, wodurch der Laserbarren in jeweilige Laserchips aufgespalten wird, die anschließend auf Lasercans mit der p-Seite nach unten montiert werden. In diesem Montageprozessschritt werden die Laserchips mit einem Lötmittel auf Sub-Befestigungen aus Siliziumkarbid (SiC) montiert.
Laserdiodencharakteristik
Eine Laserdiode, die durch den voranstehend beschriebenen Herstellungsprozess hergestellt wird, erreichte kontinuierliche Wellenschwingung bei Zimmertemperatur und wies einen Schwellenstrom von 30 mA auf, eine Steilheit der Strom-Spannungs-Kurve (Slope Efficiency) von 1,2 W/A und eine Schwingungswellenlänge von 405 nm. Ihre optische Stromausgabe-Charakteristik wies ein Knickstellenlevel von 100 mW oder mehr auf.
18 zeigt die optische Stromausgabe-Charakteristik der Laserdiode dieser bevorzugten Ausführungsform. Es ist ersichtlich, dass die Laserdiode dieser bevorzugten Ausführungsform selbst dann in einem stabilisierten horizontalen Transversalmodus arbeitet, wenn ihre optische Ausgabe genauso hoch wie 100 mW sein sollte. Dies bedeutet, dass der Transversalmodus ausreichend durch die Strom-Einengungsschicht 75, die durch das Verfahren der selektiven Epitaxie ausgebildet wird, gesteuert wird.
Als ihr Fernfeldmuster (FFP – far field Pattern) bewertet wurde, betrug θ// (parallel zu dem Wafer) 9 Grad, θ^⊥ (senkrecht zu dem Wafer) 22 Grad, und das Aspektverhältnis (θ^⊥/θ//) betrug 2,4. Eine Halbleiterlaserdiode für optische Platten muss ein Aspektverhältnis von weniger als 3 aufweisen. Die Laserdiode dieser bevorzugten Ausführungsform erfüllt diese Anforderung.
Vergleichsbeispiele
Im Folgenden werden in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen die Vergleichsbeispiele Nr. 1 bis 3 von Halbleiterlasern beschrieben.
11 ist eine Querschnittsdarstellung eines zum gegenwärtigen Zeitpunkt am meisten verwendeten GaN-basierten Lasers. Durch den Vergleich des in 11 dargestellten Halbleiterlasers (der das Vergleichsbeispiel Nr. 1 repräsentiert) mit dem Gegenstück, das in 1 dargestellt ist (das eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung repräsentiert), kann festgestellt werden, dass beide Laser dieselbe Struktur von dem Wafer 61 an durch die Abdeckungsschicht 71 aufweisen, sich jedoch voneinander in der oberen Mehrschichtstruktur auf der Abdeckungsschicht 71 unterscheiden. Aus diesem Grund wird sich die Beschreibung dieses Vergleichsbeispiels Nr. 1 auf diese obere Mehrschichtstruktur und ein Verfahren zum Herstellen der Struktur konzentrieren.
Die obere Mehrschichtstruktur dieses Vergleichsbeispiels Nr. 1 kann auf die folgende Art und Weise gebildet werden.
Zuerst wird die Mehrschichtstruktur auf dem Wafer 61 durch die Abdeckungsschicht 71 gebildet, und anschließend wird eine optische Führungsschicht 72, eine p-Typ- Auskleidungsschicht 76 und eine p-Typ-Kontaktschicht 77 in dieser Reihenfolge auf der Abdeckungsschicht 71 aufgewachsen. Hierbei sollte beachtet werden, dass die Illustration des Wafers 61, der Kontaktschicht 62 und der Auskleidungsschicht im Sinne der Einfachheit in 12 weggelassen wird. Dasselbe Prinzip trifft auf jede der 13 bis 17 zu, auf die im weiteren Verlauf dieser Beschreibung Bezug genommen wird.
Anschließend werden die p-Typ-Halbleiterschichten einem Ausglühungsprozess zum Zwecke der thermischen Aktivierung unterzogen. Genauer gesagt, wird der Wafer aus dem Reaktor des metallorganischen Dampfphasenepitaxie-(MOVPE)Systems entnommen und anschließend zu einem Glühofen transportiert, so dass er einem Ausglühungsprozess zum Aktivieren der p-Typ-Dotierungsstoffe unterzogen werden kann. Anschließend wird der Glühofen entleert, es wird Stickstoffgas bei einer Durchflussgeschwindigkeit von 3 slm zugeführt, der Druck wird auf den atmosphärischen Druck angehoben, und anschließend wird der Wafer 30 Minuten lang bei 750°C ausgeglüht. Wenn der Ausglühungsprozess abgeschlossen ist, wird der Wafer hinunter auf Zimmertemperatur abgekühlt und anschließend aus dem Glühofen entnommen.
Anschließend wird, wie dies in 12 dargestellt ist, eine SiO₂-Maskierungsschicht 25 auf einem dem Kamm vorbehaltenen Bereich der p-Typ-Kontaktschicht 77 gebildet. Die Kammbreite kann beispielsweise bei 2 μm eingerichtet werden.
Anschließend werden jene p-Typ-Halbleiterschichten mit einem Trockenätzsystem mit Ausnahme des dem Kamm vorbehaltenen Bereiches geätzt, wodurch die Gesamtdicke der verbleibenden Teile der p-Typ-Halbleiterschichten auf der aktiven Schicht 69 bei ungefähr 140 μm eingerichtet wird, wie dies in 14 dargestellt ist. Durch Ausbilden dieser Kammstruktur kann der Strom, der in den GaN-basierten Laser injiziert wird, eingeengt werden, und der horizontale Transversalmodus kann gesteuert werden. Anschließend wird der Wafer vollständig mit einem Isolationsfilm 27 aus SiO₂ mit Ausnahme eines Bereiches bedeckt, in dem eine n-Elektrode bereitgestellt werden sollte.
Anschließend wird, wie dies in 11 dargestellt wird, die n-Typ-Kontaktschicht 62 teilweise durch einen Trockenätzprozess freigelegt. Anschließend wird diese Fläche, die durch den Trockenätzprozess freigelegt wurde, erneut mit einem Isolationsfilm aus SiO₂ mit Ausnahme eines Bereiches bedeckt, in dem die n-Elektrode bereitgestellt werden sollte.
Als Nächstes werden, wie dies in 15 dargestellt ist, nachdem nur ein Teil des Isolationsfilmes 27 auf dem Kamm mit einer Fluorwasserstoffsäurelösung entfernt worden ist, Ni, Pt und Au verdampft und so aufgetragen, dass sie eine p-Elektrode 79 bilden. Anschließend werden Ti und Al verdampft und so aufgetragen, dass sie die n-Elektrode 80 bilden. Anschließend werden dieselben Prozessschritte wie jene der Ausführungsform, die voranstehend beschrieben worden sind, durchgeführt, um das Vergleichsbeispiel Nr. 1 zu erhalten.
Das Vergleichsbeispiel Nr. 1, das auf diese Weise hergestellt wird, erreichte eine kontinuierliche Wellenschwingung bei Zimmertemperatur, wenn Strom darin injiziert wurde und wies einen Schwellenstrom von 35 mA, eine Steilheit der Strom-Spannungs-Kurve (Slope Efficiency) von 1,2 W/A und eine Schwingungswellenlänge von 405 nm auf. Seine optische Stromausgabe-Charakteristik wies ein Knickstellenlevel bei 100 mW oder mehr auf. Die optische Stromausgabe-Charakteristik des Vergleichsbeispiels Nr. 1 ist in 19 dargestellt.
Anhand dieses Ergebnisses kann festgestellt werden, dass die Laserdiode dieses Vergleichsbeispiels Nr. 1 selbst dann in einem stabilisierten horizontalen Transversalmodus arbeitet, wenn seine optische Ausgabe genauso hoch wie ungefähr 100 mW sein sollte. Dies bedeutet, dass der Transversalmodus ausreichend durch Regulieren der Gesamtdicke der verbleibenden Teile der p-Typ-Halbleiterschichten durch einen Trockenätzprozess gesteuert wird. Als ihr Fernfeldmuster (FFP – far field Pattern) bewertet wurde, betrug θ// (parallel zu dem Wafer) 9 Grad, θ^⊥ (senkrecht zu dem Wafer) 22 Grad, und das Aspektverhältnis (θ^⊥/θ//) betrug 2,4. Eine Halbleiterlaserdiode für optische Platten muss ein Aspektverhältnis von weniger als 3 aufweisen. Dementsprechend erfüllt das Vergleichsbeispiel Nr. 1 diese Anforderung. Anschließend wurde die Laserdiode einer APC-Lebensdauerprüfung bei Zimmertemperatur unterzogen, wobei die optische Ausgabe genauso hoch wie 30 mW gehalten wurde. Als Ergebnis wies das Vergleichsbeispiel Nr. 1 eine Verschlechterung bei einer Rate von ungefähr 0,05 mA/h auf und war in der Lage, für 1.000 Stunden oder mehr mit einer guten Stabilität arbeiten.
Diese Daten legen offen, dass das Vergleichsbeispiel Nr. 1 ein Knickstellenlevel bei 100 mW oder mehr, ein Aspektverhältnis von 2,4 und eine genauso lange Lebensdauer wie 1.000 Stunden oder mehr aufwies und dass es anscheinend die Anforderungen für eine Lichtquelle für hochdichte optische Platten mit Hochschreibgeschwindigkeit der nächsten Generation erfüllt. Dieses Vergleichsbeispiel Nr. 1 erzielt jedoch die Stromeinengung und die Steuerung des horizontalen Transversalmodus durch Regulieren der Zeit des Trockenätzprozesses und weist dementsprechend große Probleme hinsichtlich der Reproduzierbarkeit der Prozess- und der Lasercharakteristik und der Produktionsquote auf und stellt dementsprechend einen von Faktoren schnell ansteigender Kosten dar.
Im Folgenden wird beschrieben, wie schwierig es ist, die Kammhöhe in Übereinstimmung mit dem Herstellungsprozess des Vergleichsbeispiels Nr. 1 zu steuern.
Um die Kammhöhe zu steuern, müssen die Steuerung des Kristallwachstums über die gesamte Waferebene und die Steuerung des Trockenätzens gleichzeitig durchgeführt werden. Zusätzlich dazu ist keine Kristallwachstumsschicht vorhanden, die als eine Trockenätzstoppschicht fungiert, und die Ätztiefe muss durch Regulieren von lediglich der Ätzprozesszeit gesteuert werden. Aus diesen Gründen ist es sehr schwierig, die Kammhöhe zu steuern.
Im Folgenden werden Beispiele von Halbleiterlaserdioden, von denen der Kamm von der idealen in 15 dargestellten Form aufgrund einiger Änderungen des Trockenätzprozesses deformiert worden ist, als Vergleichsbeispiele Nr. 2 und Nr. 3 beschrieben.
16 illustriert, welche Struktur eine Laserdiode haben wird, wenn der Prozessschritt des Trockenätzens während des Kammbildungsprozesses zufällig länger ausgeführt wird, als die vorgegebene Zeitmenge. Im Gegensatz dazu illustriert 17, welche Struktur eine Laserdiode haben wird, wenn der Prozessschritt des Trockenätzens zufällig nicht so lange wie die vorgegebene Zeitmenge durchgeführt wird.
Hierbei sollte beachtet werden, dass die Kammhöhen, die durch diese geänderten Trockenätzprozesszeiten bestimmt werden, in den Kammhöhenverteilungsbereich in der Waferebene während des Herstellungsprozesses von zum gegenwärtigen Zeitpunkt am meisten verwendeten GaN-basierten Lasern fallen. Das heißt, die in den 16 und 17 dargestellten Diodenstrukturen werden oftmals in der Produktionslinie von Halbleiterlasern beobachtet.
Zuerst wird in Bezug auf 16 das Vergleichsbeispiel Nr. 2 illustriert, bei dem die kombinierte Dicke der p-Typ-Halbleiterbereiche auf der aktiven Schicht (das heißt, die Gesamtdicke der verbleibenden Teile der p-Typ-Halbleiter) kleiner als der vorgegebene Wert von 140 nm ist. Unterdessen ist in dem Vergleichsbeispiel Nr. 3, das in 17 dargestellt ist, die „Gesamtdicke der verbleibenden Teile der p-Typ-Halbleiter" auf der aktiven Schicht größer als der vorgegebene Wert von 140 nm.
Selbst die Bauelemente, die die Vergleichsbeispiele Nr. 2 und Nr. 3 darstellen, erzielten ebenso eine kontinuierliche Wellenschwingung bei Zimmertemperatur, indem Strom darin injiziert wurde. Das Bauelement des Vergleichsbeispiels Nr. 2 wies einen Schwellenstrom von 40 mA und eine Steilheit der Strom-Spannungs-Kurve (Slope Efficiency) von 1,0 W/A auf. Im Gegensatz dazu wies das Bauelement des Vergleichsbeispiels Nr. 3 einen Schwellenstrom von 60 mA und eine Steilheit der Strom-Spannungs-Kurve (Slope Efficiency) von 0,7 W/A auf. Verglichen mit dem Bauelement des Vergleichsbeispiels Nr. 1, das voranstehend beschrieben worden ist, wies das Bauelement des Vergleichsbeispiels Nr. 2 einen erhöhten Schwellenstrom und eine verringerte Steilheit der Strom-Spannungs-Kurve (Slope Efficiency) auf. Es wird davon ausgegangen, dass dies dadurch zustande kommt, dass die Gesamtdicke der verbleibenden Teile der p-Typ-Halbleiter, die durch den Trockenätzprozess erzeugt wurden, kleiner war als der vorgegebene Wert, und durch Ätzen hervorgerufener Schaden auf der aktiven Schicht erzeugt wurde.
Unterdessen waren in dem Bauelement des Vergleichsbeispiels Nr. 3 der Anstieg des Schwellenstroms und der Abfall der Steilheit der Strom-Spannungs-Kurve (Slope Efficiency) beide signifikant. Dies rührt daher, dass die Gesamtdicke der verbleibenden Teile der p-Typ-Halbleiter größer war als der vorgegebene Wert und die Menge von ineffektivem Strom (Leckstrom), der seitlich von der Kammstruktur während des breiten Ausdehnens fließt, zunahm.
Wenn man die Knickstellenlevel der optischen Stromausgabe-Charakteristiken vergleicht, erzeugten die Bauelemente der Vergleichsbeispiele Nr. 1 und Nr. 3 Knickstellen bei 100 mW oder mehr, während das Bauelement des Vergleichsbeispiels Nr. 2 eine Knickstelle bei einem genauso niedrigen Level wie 30 mW erzeugte, wie dies in 20 dargestellt ist. Der Grund hierfür liegt in dem Folgenden. Genau gesagt, erhöhte sich in dem Bauelement des Vergleichsbeispiels Nr. 2 die Differenz Δn im realen Brechungsindex zwischen dem Bereich rechts unter dem Kamm und den anderen Bereichen so sehr, dass die seitliche Einengung des Lichtes übermäßig gefördert wurde. Als Ergebnis hat wahrscheinlich der horizontale Transversalmodus seine Stabilität eingebüßt und das Knickstellenlevel sank entgegen den Erwartungen.
Darüber hinaus betrug, als die Fernfeldmuster (FFP – far field Pattern) bewertet wurden, das Bauelement des Vergleichsbeispiels Nr. 2 ein Aspektverhältnis von 1,8 (wobei θ//12 Grad beträgt und θ^⊥ 22 Grad beträgt), während das Bauelement des Vergleichsbeispiels Nr. 3 ein Aspektverhältnis von 3,7 aufwies (wobei θ//6 Grad beträgt und θ^⊥ 22 Grad beträgt). Ein Bauelement mit einem Aspektverhältnis von mehr als 3, wie in dem Vergleichsbeispiel Nr. 3 ist als eine Lichtquelle für ein optisches Plattenlaufwerk ungeeignet.
Anschließend wurden diese Bauelemente einer APC-Lebensdauerprüfung bei Zimmertemperatur unterzogen, wobei die optische Ausgabe bei einem genauso hohen Wert wie 30 mW beibehalten wurde. Im Ergebnis wies das Vergleichsbeispiel Nr. 1 eine Verschlechterung bei einer Rate von ungefähr 0,05 mA/h auf und war in der Lage, mit einer guten Stabilität für 1.000 Stunden oder mehr zu arbeiten. Da jedoch seine aktive Schicht aufgrund des Trockenätzprozesses beschädigt wurde, wies das Bauelement des Vergleichsbeispiels Nr. 2 eine Verschlechterung bei einer ziemlich hohen Rate von ungefähr 0,2 mA/h auf und hatte eine Lebensdauer von ungefähr 600 Stunden. Unterdessen erforderte das Bauelement des Vergleichsbeispiels Nr. 3 einen hohen Betriebsstrom und verbrauchte eine Menge Strom, und dementsprechend hat es eine genauso kurze Lebensdauer wie 300 Stunden.
Wie anhand dieser Daten ersichtlich ist, weist ein herkömmlicher GaN-basierter Laser, von dem die Kammstruktur gebildet und der horizontale Transversalmodus durch ein Trockenätzverfahren gesteuert wird, große Probleme hinsichtlich von sowohl Reprodu zierbarkeit in Bezug auf innerhalb der Waferebene als auch der Lasercharakteristik-Reproduzierbarkeit und der Produktionsquote Prozess für Prozess auf, wodurch die Kosten unbeabsichtigt ansteigen.
Hierbei sollte beachtet werden, dass der Halbleiterlaser in Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der in 1 dargestellt ist, ein Knickstellenlevel bei 100 mW oder mehr, ein Aspektverhältnis von 2,4 und eine genauso lange Lebensdauer wie 1.000 Stunden oder mehr aufwies und die Anforderungen für eine Lichtquelle für hochdichte optische Platten mit Hochschreibgeschwindigkeit der nächsten Generation genauso wie das Vergleichsbeispiel Nr. 1 erfüllt.
Zusätzlich dazu wird bei dem Halbleiterlaser in Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform, die voranstehend beschrieben worden ist, die Stromeinengung und die Steuerung des horizontalen Transversalmodus einfach durch Steuern des Kristallwachstumsprozesses gesteuert. Demzufolge können die Probleme, die für die Vergleichsbeispiele beschrieben worden ist, weitestgehend gelöst werden, und der Herstellungsprozess selbst kann erheblich vereinfacht und gestrafft werden, wodurch ein großer Beitrag zum Erzielen einer hohen Produktionsquote und einer Kostenreduzierung geleistet wird.
In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschrieben worden ist, ist die Strom-Einengungsschicht 75 aus n-Al_0,04Ga_0,96N hergestellt. Der Brechungsindex der Strom-Einengungsschicht 75 kann jedoch beliebig in Übereinstimmung mit der gemischten Zusammensetzung der kristallaufwachsenden Filme geändert werden. Auf diese Weise kann in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entweder eine Dämpfungsmaß-Führungsstruktur oder eine Führungsstruktur für den realen Brechungsindex auf einfache Weise ausgelegt werden.
Dazu kommt noch, dass der Halbleiterlaser dieser bevorzugten Ausführungsform eine Führungsstruktur für einen realen Brechungsindex aufweist. Dementsprechend ist es bei ihm einfacher als bei den Halbleiterlasern der Vergleichsbeispiele, die äußeren Teile der aktiven Schicht so auszulegen, dass jene Abschnitte als eine lichtabsorbierende Schicht in dem Bereich fungiert, in dem der injizierte Strom eingeengt wird. Demzufolge kann das relative Intensitätsrauschen (RIN – relative intensity noise) auf ungefähr –125 dB/Hz oder weniger innerhalb eines optischen Ausgabebereiches von 1,5 mW bis 100 mW reduziert werden.
Die voranstehend beschriebenen Ausführungsformen sind GaN-basierte lichtemittierende Halbleiterbauelemente. Die Erfindung kann jedoch gleichermaßen auf ein lichtemittierendes Bauelement angewendet werden, das aus einer beliebigen anderen Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiter wie beispielsweise Galliumarsenid (GaAs) oder Indiumphosphid (InP) hergestellt ist.
Darüber hinaus muss, obgleich ein Saphirwafer in den voranstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen verwendet wird, der Halbleiterwafer der vorliegenden Erfindung nicht aus Saphir hergestellt sein, sondern kann auch ein SiC-Wafer oder ein GaN-Wafer sein.
Darüber hinaus wird in der voranstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der Isolationsfilm 73 als eine Maskierungsschicht für selektive Epitaxie in dem Prozessschritt des Ausbildens der Strom-Einengungsschicht 75 verwendet. So lange die Schicht als eine Maskierungsschicht fungieren kann, muss ihr Material jedoch nicht ein Isolationsmaterial sein.
Darüber hinaus wird in der voranstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der Isolationsfilm 73 vollständig entfernt, ehe eine Halbleiterschicht erneut auf der Strom-Einengungsschicht 75 aufgewachsen wird. Der Isolationsfilm 73 kann jedoch auch teilweise unter den überhängenden Teilen 75a der Strom-Einengungsschicht 75 gelassen werden.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement bereitgestellt, das in einem Kurzwellenbereich der violetten bis ultravioletten Teil des Spektrums arbeitet, und es kann breiten Einsatz bei der Verwendung als Lichtquelle für eine optische Platte finden.

Claims

Lichtemittierendes Halbleiterbauelement, umfassend: einen ersten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiter (72a), eine Strom-Einengungsschicht (75), die aus einem zweiten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiter gefertigt ist, der auf einem ausgewählten Flächenbereich des ersten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiters (72a) gewachsen ist und der eine Streifenöffnung hat, die sich entlang der Länge eines Hohlraumresonators erstreckt, und einen dritten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiter (72b), der die Fläche des ersten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiters (72a), die durch die Streifenöffnung freigelegt ist, und die Fläche der Strom-Isolationsschicht (75) bedeckt, wobei die Strom-Isolationsschicht (75) zwei überhängende Teile (75b) hat, die in Richtung auf die Streifenöffnung überhängen, und ein Spalt zwischen jedem der zwei überhängenden Teile (75b) der Strom-Einengungsschicht (75) und einem Teil der Fläche des ersten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiters (72a) bereitgestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt nicht vollständig mit dem dritten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiter (72b) geschlossen ist.
Lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei der Spalt eine Höhe von wenigstens 10 nm und eine Breite von wenigstens 0,1 μm hat.
Lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Teil des dritten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiters (72b), der durch die Streifenöffnung mit einer Fläche des ersten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiters (72a) in Kontakt ist, eine Breite von 0,5 μm bis 3 μm hat.
Lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiter (72a, 75, 72b) auf Galliumnitrid basieren.
Lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, wobei die Strom-Einengungsschicht (75) eine Galliumnitridschicht mit Aluminium enthält und wobei die Strom-Isolationsschicht (75) eine Dicke von 0,1 μm bis 0,5 μm hat.
Lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der elektrische Leitfähigkeitstyp des zweiten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiters (75) dem des ersten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiters (72a) entgegengesetzt ist.
Lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der elektrische Leitfähigkeitstyp des dritten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiters (72b) derselbe wie der des ersten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiters (72a) ist.
Lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 6 oder 7, wobei der elektrische Leitfähigkeitstyp des zweiten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiters (75) n-Typ ist.
Verfahren zum Herstellen eines Licht emittierenden Halbleiterbauelements, das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: (A) Bereitstellen einer Streifenmaskierungsschicht (73) auf einem ersten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiter (72a), (B) selektive Epitaxie eines zweiten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiters (75) über die gesamte Fläche des ersten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiters (72a), mit Ausnahme eines Teils, der mit der Maskierungsschicht (73) bedeckt ist, dadurch eine Strom-Einengungsschicht (75) ausbildend, die eine durch die Maskierungsschicht (73) ausgebildete Streifenöffnung aufweist, (C) selektives Entfernen der Maskierungsschicht (73) und (D) Epitaxie eines dritten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiters (72b), um die Fläche des ersten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiters (72a), die durch die Streifenöffnung freigelegt wird, und die Fläche der Strom-Einengungsschicht (75b) zu bedecken, wobei der Schritt (B) Epitaxie des zweiten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiters (75) seitlich in Richtung der Mitte der Maskierungsschicht (73) einschließt, dadurch zwei überhängende Teile (75b) für die Strom-Einengungsschicht (75) ausbildend, der Schritt (C) das Entfernen von Teilen der Maskierungsschicht (73) einschließt, die sich unter den überhängenden Teilen (75b) der Strom-Einengungsschicht (75) befinden, dadurch die überstehenden Teile (75b) überhängend in Richtung auf die Mitte der Streifenöffnung fertigend, und der Schritt (D) das Bereitstellen von Spalten zwischen dem ersten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiter (72a) und den überhängenden Teilen (75b) einschließt, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalte nicht vollständig mit dem dritten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiter (72b) geschlossen werden.
Verfahren nach Anspruch 9, die folgenden Schritte umfassend: Einrichten der Breite der Maskierungsschicht (73) innerhalb des Bereichs von 0,5 μm bis zu 3 μm und Einrichten einer Breite eines Teils des dritten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiters (72b), die durch die Streifenöffnung in Kontakt mit der Fläche des ersten Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiters (72a) ist, in dem Bereich von 0,5 μm bis zu 3 μm.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die Gruppe-III–V-Verbindungshalbleiter (72a, 75, 72b) auf Galliumnitrid basieren.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Strom-Isolationsschicht (75) eine Galliumnitridschicht mit Aluminium enthält und eine Dicke von 0,1 μm bis zu 0,5 μm hat.