DE60218790T2

DE60218790T2 - Halbleiterlaser mit kontrollierter Sauerstoffgrenzfläche an beiden Facetten

Info

Publication number: DE60218790T2
Application number: DE60218790T
Authority: DE
Inventors: Yamanaka Ashigarakami-gun Fusao
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2001-09-03
Filing date: 2002-09-02
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2022-09-03
Also published as: DE60218790D1; EP1289080A3; EP1289080B1; US6798805B2; US20030048823A1; EP1289080A2; JP2003078199A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterlaser-Bauelement, in welchem stirnseitige Lichtemissions-Facetten mit dielektrischen Schichten überzogen sind.
Beschreibung des Standes der Technik
Üblicherweise ist in zahlreichen Typen bekannter Halbleiterlaser-Bauelemente eine mehrlagige Halbleiterstruktur auf einem Substrat gebildet, und auf zwei stirnseitigen Facetten dieser mehrlagigen Halbleiterstruktur sind dielektrische Schichten einschließlich einer Reflexionssteuerschicht gebildet, um Resonatorflächen an den stirnseitigen Facetten zu bilden. Bei diesen Arten von Halbleiterlaser-Bauelementen werden Halbleiterwerkstoffe in der Nähe der Grenzflächen zu den dielektrischen Schichten an beiden Resonatorflächen oxidiert, und es kommt häufig zu einer Facetten-Beeinträchtigung. Aus diesem Grund sind bereits einige Methoden vorgeschlagen worden, um dieses Problem zu beheben.
Die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 58(1983)-125832 offenbart, daß es wirksam ist, an den stirnseitigen Facetten einer mehrlagigen Halbleiterstruktur in einem Halbleiterlaser-Bauelement der oben genannten Art entstandene Oxidationsschichten mit Hilfe verschiedener Ätzmittel zu beseitigen, bevor Oberflächen der Verbund-Halbleiterwerkstoffe passiviert werden.
Die US-A-5 144 634 zeigt ein Halbleiterlaser-Bauelement mit sauerstofffreien Resonatorflächen sowie eine Methode zum Realisieren solcher sauerstofffreier Resonatorflächen.
Die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 11(1999)-121877 zeigt, daß es möglich ist, einen Zustand herbeizuführen, in welchem, wenn die Resonatorflächen mit Partikeln geringer Energie bearbeitet werden, eine Oxidation der Resonatorflächen eines Halbleiterlaser-Bauelements aus Verbund-Halbleiterwerkstoffen mittels XPS (Röntgenstrahl-Photoelektronen-Spektrometrie) nicht nachweisbar ist.
Allerdings zeigt die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 58(1983)-125832 nicht, in welchem Ausmaß die natürlichen Oxidationsschichten beseitigt werden sollten, das heißt, welchen Sauerstoffanteil randnahe Bereiche der mehrlagigen Halbleiterstruktur (das sind Bereiche der mehrlagigen Halbleiterstruktur in der Nähe der Resonatorflächen) enthalten sollten, um zufriedenstellende Ergebnisse zu erzielen.
Darüber hinaus ist es nicht erwiesen, daß ein wirklich sauerstofffreier Zustand in der Nähe der Resonatorflächen mit Hilfe der Methode nach der US-A-5 144 634 realisiert werden kann. Obschon die obige Methode möglicherweise in der Lage ist, einen Zustand herbeizuführen, in welchem eine äußerst geringe Menge Sauerstoff verbleibt, zeigt die US-A-5 144 634 nicht die tatsächliche Menge an Restsauerstoff, die mit dieser Methode erreichbar ist.
Außerdem hat der Erfinder der vorliegenden Erfindung die XPS-Analyse, wie sie in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung Nr. 11(1999)-121877 offenbart ist, untersucht und dabei herausgefunden, daß die SIMS (Sekundär-Ionenmassen-Spektrometrie) selbst dann, wenn mit der XPS der restliche Sauerstoff nicht nachweisbar ist, dennoch eine nicht vernachlässigbare Menge an Restsauerstoff feststellbar ist. Allerdings zeigt die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 11(1999)-121877 nicht, wie groß die tatsächliche Restsauerstoffmenge ist, die mit der Methode nach der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung Nr. 11(1999)-121877 erzielbar ist und durch die XPS-Analyse nicht nachweisbar ist.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines zuverlässigen Halbleiterlaser-Bauelements, bei dem Sauerstoffanteile in Bereichen einer mehrlagigen Halbleiterstruktur in der Nähe der Resonatorflächen sich in einem zufriedenstellenden Bereich bewegen.
Erfindungsgemäß wird ein Halbleiter-Laserbauelement geschaffen, welches aufweist: eine Mehrschichtstruktur mit einer Mehrzahl von Halbleiterschichten, die auf einem Substrat gebildet ist; und mindestens eine auf jeder der beiden stirnseitigen Facetten der Mehrschichtstruktur ausgebildete dielektrische Schicht, die an jeder der beiden stirnseitigen Facetten eine Reflexionssteuerschicht enthält. Darüber hinaus ist der Sauerstoffgehalt in zumindest einem Teil der Mehrschichtstruktur in einem Nahbereich von mindestens einer der beiden stirnseitigen Facetten 10- bis 1.500-mal höher als in übrigen Bereichen der Mehrschichtstruktur.
Vorzugsweise kann das erfindungsgemäße Halbleiterlaser-Bauelement auch eine oder jede mögliche Kombination der folgenden zusätzlichen Merkmale (i) bis (vii) aufweisen:

(i) Der Sauerstoffgehalt in mindestens einem Teil der Mehrschichtstruktur ist 15- bis 1.000-mal höher als der Sauerstoffgehalt in den übrigen Bereichen der Mehrschichtstruktur.
(ii) Die mindestens eine dielektrische Schicht enthält: eine Passivierungsschicht, die direkt an jeder der beiden stirnseitigen Facetten der Mehrschichtstruktur ausgebildet ist, wobei die Reflexionssteuerschicht an der Passivierungsschicht gebildet ist.
(iii) Die Passivierungsschicht besteht aus mindestens einem der Elemente Ge, Si und C.
(iv) Die Passivierungsschicht besteht aus einem Oxid, welches mindestens eines der Elemente Al, Ga, Si, Ge, Ta und Ti enthält.
(v) Die Passivierungsschicht besteht aus einem Nitrid, welches mindestens eines der Elemente Al, Ga, In, Si, Ge, C, Ta und Ti enthält.
(vi) Die Reflexionssteuerschicht besteht aus einem Oxid, welches mindestens eines der Elemente Al, Ga, Si, Ge, Ta und Ti enthält.
(vii) Die Reflexionssteuerschicht besteht aus einem Nitrid, das mindestens eines der Elemente Al, Ga, In, Si, Ge, C, Ta und Ti enthält.

Typischerweise läßt sich das erfindungsgemäße Halbleiterlaser-Bauelement herstellen unter Verwendung von Verbundwerkstoffen auf InGaN-Basis, ZnSSe-Basis, InGaAlP-Basis, AlGaAs-Basis, InGaAsP-Basis, InGaAs-Basis und InGaSb-Basis, wobei die Schwingungswellenlängen von Halbleiterlaser-Bauelementen auf InGaN-Basis im Bereich zwischen 360 und 500 nm liegen, die Schwingungswellenlängen von Verbund-Halbleiterlaser-Bauelementen auf ZnSSe-Basis im Bereich zwischen 410 und 540 nm liegen, die Schwingungswellenlängen von Verbund-Halbleiterlaser-Bauelementen auf InGaAlP-Basis im Bereich zwischen 600 und 730 nm liegen, die Schwingungswellenlängen von Verbund-Halbleiterlaser-Bauelementen auf AlGaAs-Basis im Bereich zwischen 750 und 870 nm liegen, die Schwingungswellenlängen von Verbund-Halbleiterlaser-Bauelementen auf InGaAsP-Basis im Bereich zwischen 700 und 1.200 nm und 1.300 bis 1.900 nm liegen, die Schwingungswellenlängen von Verbund-Halbleiterlaser-Bauelementen auf InGaAs-Basis in den Bereichen zwischen 950 und 1.200 nm sowie 1.300 bis 1.900 nm liegen, und die Schwingungswellenlängen von Verbund-Halbleiterlaser-Bauelementen auf InGaSb-Basis im Bereich zwischen 1.800 und 3.00 nm liegen.
Der Erfinder hat herausgefunden, daß die Zuverlässigkeit von Halbleiterlaser-Bauelementen abnimmt, wenn der Sauerstoffgehalt in den randnahen Bereichen der Halbleiter-Mehrschichtstruktur (das sind Bereiche der Halbleiter-Mehrschichtstruktur in der Nähe der Resonatorflächen) sehr gering ist, und wenn der Sauerstoffgehalt in den randnahen Bereichen der Halbleiter-Mehrschichtstruktur groß ist.
Es wird angenommen, daß, wenn der Sauerstoffgehalt in der Nähe der Resonatorflächen sehr gering ist, die Zuverlässigkeit aus folgenden beiden Gründen (1) und (2) abnimmt:

(1) Wenn Oxidationsschichten an den stirnseitigen Facetten der Halbleiterlaser-Bauelemente exzessiv mit verschiedenen Ätzmitteln geätzt werden, wie dies in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung Nr. 58(1983)-125832 offenbart ist, um zu versuchen, die Oxidationsschichten gezielter zu entfernen, so werden die Facetten beschädigt, und deshalb verringert sich die Zuverlässigkeit.
(2) Es wurde bestätigt, daß eine sehr geringe Menge Sauerstoff, die in der Nähe der stirnseitigen Facetten der Halbleiter-Mehrschichtstruktur verbleibt, bis zu einem gewissen Maß eine Kompensation von Gitterfehlern bewirkt, die verursacht werden durch das Spalten beim Erzeugen der stirnseitigen Facetten. Wenn daher der Sauerstoffgehalt zu niedrig ist, gibt es keine Kompensation für die Gitterfehler, und die Leistung der Halbleiterlaser-Bauelemente nimmt ab, das heißt die Zuverlässigkeit wird geringer.

Im Hinblick auf die obigen Betrachtungen ist in dem erfindungsgemäßen Halbleiterlaser-Bauelement der Sauerstoffgehalt in mindestens einem Bereich der Halbleiter-Mehrschichtstruktur in der Nähe mindestens einer stirnseitigen Facette, wo mindestens eine dielektrische Schicht gebildet ist, so eingestellt, daß er 10- bis 1.500-mal (vorzugsweise 15- bis 1.000-mal) größer ist als der Sauerstoffanteil in den übrigen Bereichen der Halbleiter-Mehrschichtstruktur. Aus diesem Grund ist die Zuverlässigkeit (insbesondere die Lebensdauer) des erfindungsgemäßen Halbleiterlaser-Bauelements deutlich höher als bei herkömmlichen Halbleiterlaser-Bauelementen. Die Gründe für die obigen numerischen Beschränkungen werden weiter unten in Verbindung mit den Ausführungsbeispielen der Erfindung erläutert.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Halbleiterlaser-Bauelements als erste Ausführungsform der Erfindung.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Stabs, in dem mehrere Halbleiterlaser-Bauelemente ausgebildet sind.
3 ist eine schematische Seitenansicht eines Teils des Halbleiterlaser-Bauelements als erste Ausführungsform der Erfindung in der Nähe einer lichtemittierenden stirnseitigen Facette.
4 ist eine graphische Darstellung von Tiefenprofilen mehrerer Komponenten, die keinen Sauerstoff enthalten, betrachtet in der Nähe einer lichtemittierenden stirnseitigen Facette des Halbleiterlaser-Bauelements als erste Ausführungsform der Erfindung.
5 ist eine graphische Darstellung, die Tiefenprofile mehrerer Komponenten zeigen, welche Sauerstoff enthalten, betrachtet in der Nähe einer lichtemittierenden stirnseitigen Facette des Halbleiterlaser-Bauelements als erster Ausführungsform der Erfindung.
6 ist eine graphische Darstellung eines weiteren Tiefenprofils mehrerer Komponenten, die Sauerstoff enthalten, betrachtet in der Nähe einer lichtemittierenden stirnseitigen Facette des Halbleiterlaser-Bauelements als erster Ausführungsform der Erfindung, hergestellt unter anderen Bedingungen gegenüber dem in 5 gezeigten Halbleiterlaser-Bauelement.
7 ist eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Ätzzeit und einem normierten Grenzflächen-Sauerstoffgehalt in dem Halbleiterlaser-Bauelement der ersten Ausführungsform der Erfindung angibt.
8 ist eine graphische Darstellung, die eine Beziehung zwischen einem normierten Grenzflächen-Sauerstoffgehalt in dem Halbleiterlaser-Bauelement der ersten Ausführungsform der Erfindung und der Lebensdauer des Bauelements zeigt.
9 ist eine schematische Seitenansicht eines Halbleiterlaser-Bauelements gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im einzelnen beschrieben.
Erste Ausführungsform
1 ist eine schematische, perspektivische Ansicht eines Halbleiterlaser-Bauelements gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung. Das Bauelement dieser ersten Ausführungsform wird ebenso wie ein Verfahren zum Fertigen des Bauelements beschrieben.
Als erstes werden eine n-leitende untere Mantelschicht 2 aus Ga_1-z1A1_z1As, eine n-leitende oder eigenleitende (intrinsische) untere optische Wellenleiterschicht 3 aus In_x1Ga_1-x1As_1-y1P_y1, eine untere Sperrschicht 4 aus eigenleitendem In_x2Ga_1-x2As_1-y2P_y2, eine aktive Quantentopfschicht 5 aus In_x3Ga_1-x3As_1-y3P_y3, eine obere Sperrschicht 6 aus eigenleitendem In_x2Ga_1-x2As_1-y2P_y2, eine obere optische Wellenleiterschicht 7 aus p- oder eigenleitendem In_x1Ga_1-x1As_1-y1P_y1 eine erste obere Mantelschicht 8 aus p-Ga_1-z1Al_z1As, eine Ätzstoppschicht 9 aus p-InGaP, eine zweite obere Mantelschicht 10 aus p-Ga_1-z1Al_z1As und eine p-GaAs-Kontaktschicht 11 in dieser Reihenfolge auf einem n-leitendem GaAs-Substrat 1 durch organometallische Dampfphasenepitaxie gebildet. Die untere Mantelschicht 2 aus p-Ga_1-z1Al_z1As, die erste obere Mantelschicht 8 aus p-Ga_1-z1Al_z1As, die untere optische Wellenleiterschicht 3 aus n- oder eigenleitendem In_x1Ga_1-x1As_1-y1P_y1 und de obere optische Wellenleiterschicht 7 aus p- oder eigenleitendem In_x1Ga_1-x1As_1-y1P_y1 besitzen sämtlich eine Zusammensetzung, die eine Gitteranpassung bezüglich des n-GaAs-Substrats 1 ermöglicht.
Als nächstes wird ein (nicht dargestellter) Isolierfilm aus SiO₂ auf der Kontaktschicht 11 aus p-GaAs gebildet, und es werden paarweise parallele Streifenzonen des SiO₂-Isolierfilms mit jeweils einer Breite von etwa 10 μm mittels herkömmlicher Lithographie entfernt, so daß die paarweisen parallelen Streifenzonen sich auf beiden Seiten einer Streifenzone befinden, die einem rückenförmigen oder rippenförmigen Streifen mit einer Brei te von etwa 50 μm entspricht. Anschließend werden Zonen der aus p-GaAs bestehenden Kontaktschicht 11 und der zweiten oberen Mantelschicht 10 aus p-Ga_1-z1Al_z1As unterhalb der paarweisen parallelen Streifenzonen des SiO₂-Isolierfilms durch Naßätzen unter Verwendung der verbliebenen Bereiche des SiO₂-Isolierfilms als Maske entfernt. Auf diese Weise wird der rippenförmige Streifen gebildet. Bei dem oben angesprochenen Ätzvorgang wird als Ätzmittel eine Lösung aus Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid verwendet, so daß der Ätzvorgang automatisch an der oberen Grenze der Ätzstoppschicht 9 aus p-InGaP anhält.
Nachdem die verbliebenen Bereiche des SiO₂-Isolierfilms entfernt sind, wird ein Isolierfilm 12 auf der gesamten Oberfläche der in oben beschriebener Weise ausgebildeten Schichtstruktur gebildet. Anschließend wird ein Teil des Isolierfilms 12, der sich auf dem rippenförmigen Streifen befindet, mittels herkömmlicher Lithographie entfernt, so daß ein Strominjektionsfenster entsteht. Anschließend wird auf dem Isolierfilm 12 und dem Strominjektionsfenster ein p-Elektrode 13 gebildet, anschließend erfolgt eine Beschichtung mit einer Au-Lage 15 einer Dicke von 5 μm oder mehr. Danach wird die Bodenfläche des n-GaAs-Substrats 1 solange poliert, bis die Dicke etwa 100 bis 150 μm beträgt, und auf der polierten Fläche wird eine n-Elektrode 15 gebildet.
Die Schwingungswellenlänge des Halbleiterlaser-Bauelements der ersten Ausführungsform läßt sich auf den Bereich von 750 bis 1.100 nm festlegen, wenn die Zusammensetzung der aktiven Quantentopfschicht 5 aus In_x3Ga_1-x3As_1-y3P_y3 so gesteuert wird, daß sie in einem Bereich von 0 ≤ x3 ≤ 0, und 0 ≤ y3 ≤ 0,5 liegt. In einem konkreten Beispiel der ersten Ausführungsform des Halbleiterlaser-Bauelements werden eine untere Mantelschicht 2 aus n-Ga_0,39Al_0,61As, eine untere optische Wellenleiterschicht 3 aus i-leitendem In_0,49Ga_0,51P, eine untere Sperrschicht 4 aus eigenleitendem In_0,4Ga_0,6P, eine aktive Quantentopfschicht 5 aus In_0,13Ga_0,87As_0,75P_0,25, eine obere Sperrschicht 6 aus eigenleitendem In_0,4Ga_0,6P, eine obere optische Wellenleiterschicht 7 aus eigenleitendem In_0,49Ga_0,51P, eine erste obere Mantelschicht 8 aus p-Ga_0,39Al_0,61As, eine Ätzstoppschicht 9 aus p-InGaP, eine zweite obere Mantelschicht 10 aus p-Ga_0,39Al_0,61As und eine Kontakt schicht aus p-GaAs in dieser Reihenfolge auf einem n-GaAs-Substrat 1 gebildet. Bei diesem Beispiel beträgt die Schwingungswellenlänge 810 nm.
Das Halbleiterlaser-Bauelement der ersten Ausführungsform ist ein Transversal-Multimoden-Laser mit einer Emissionsbreite (Streifenbreite) von mehr als 5 μm. Jede Schicht des Aufbaus der ersten Ausführungsform kann gebildet werden durch Molekularstrahlepitaxie unter Verwendung von festem oder gasförmigem Rohstoff, anstelle der organometallischen Dampfphasenepitaxie.
Nach der Bildung der n-Elektrode 16 werden lichtemittierende stirnseitige Facetten in folgender Weise ausgebildet: nach üblicher Praxis werden mehrere Halbleiterlaser-Bauelemente mit jeweils einem Schichtaufbau gemäß 1 gleichzeitig auf einem Wafer des n-GaAs-Substrats gebildet. Der Wafer, auf dem die Schichtstruktur nach 1 für jedes Halbleiterlaser-Bauelement gebildet ist, wird in Luft entlang den (100)-Ebenen gespalten, die gleichmäßig um eine vorbestimmte Resonatorlänge (beispielsweise 0,9 mm) beabstandet sind, so daß Stäbe 21, wie sie in 2 dargestellt sind, erhalten werden, wobei die Stäbe 21 eine Länge von 10 bis 20 mm besitzen. Als nächstes wird jeder der in oben beschriebener Weise erhaltenen Stäbe 21 unter Luft an einer Lehre fixiert, wobei diese Lehre so ausgebildet ist, daß eine Beschichtung der beiden Lichtemissions-Facetten 22 des Stabs 21 möglich ist. Anschließend wird die Lehre in ein ECR-Sputtersystem (ECR = electron cyclotron resonance; Elektronen-Zyklotron-Resonanz) eingebracht, in welchem die beiden Lichtemissions-Facetten 22 geätzt werden.
Bei diesem Ätzvorgang wird Argongas (Ar) verwendet, und Oxidationsschichten an den Lichtemissions-Facetten 22 werden durch passende Einstellung des Gasdrucks entfernt. Im allgemeinen wird der Gasdruck auf einen Wert im Bereich von 1 × 10² bis 3 × 10^–1 Pa eingestellt.
Die Mengen an restlichem Sauerstoff an den Lichtemissions-Facetten 22 nehmen im allgemeinen im Verlauf der Ätzzeit ab, wobei diese Abnahme auch bei der vorliegenden Ausführungsform bestätigt wurde. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der Gasdruck beim Ätzvorgang auf einen Wert im Bereich von 2 bis 3 × 10^–1 Pa eingestellt.
Nachdem der obige Ätzvorgang abgeschlossen ist, werden die erste und die zweite dielektrische Schicht 16 und 17 an den Lichtemissions-Facetten 22 als Resonatorflächen ausgebildet. 3 zeigt Einzelheiten der ersten dielektrischen Schicht 16 an einer der Lichtemissions-Facetten 22. Wie in 3 gezeigt ist, wird auf einer der Lichtemissions-Facetten 22 eine erste Passivierungsschicht 18 in Form eines Siliciumfilms mit einer Dicke von 1 nm gebildet, und auf der ersten Passivierungsschicht 18 wird eine erste Reflexionssteuerschicht 19 gebildet. Die erste Reflexionssteuerschicht 19 fungiert auch als Schutzschicht.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der Stab 21 in ein Sputter-System eingebracht, um die erste Reflexionssteuerschicht 19 zu bilden, nachdem die erste Passivierungsschicht 18 entstanden ist. Die erste Reflexionssteuerschicht 19 kann aus Si₃N₄ bestehen und kann eine Dicke von d₁ = λ/2n₁ aufweisen, wobei λ die Schwingungswellenlänge (zum Beispiel 810 nm), und n₁ der Brechungsindex von Si₃N₄ (das heißt 1,97) ist. Damit realisiert die erste Reflexionssteuerschicht 19 ein Reflexionsvermögen von 32 %.
Darüber hinaus enthält die zweite dielektrische Schicht 17, die auf der anderen der Lichtemissions-Facetten 22 gebildet ist, eine zweite Passivierungsschicht ähnlich der ersten Passivierungsschicht 18, außerdem eine zweite Reflexionssteuerschicht, um ein Reflexionsvermögen von 95 % oder mehr zu realisieren. Die zweite Passivierungsschicht ist auf der anderen Lichtemissions-Facette 22 ausgebildet, und die zweite Reflexionssteuerschicht ist auf der zweiten Passivierungsschicht gebildet. Die zweite Reflexionssteuerschicht wird realisiert in Form eines mehrlagigen Films, gebildet durch Al₂O₃/TiO₂/SiO₂/TiO₂/SiO₂/TiO₂/SiO₂/TiO₂/SiO₂/TiO₂-Unterschichten, die in dieser Reihenfolge auf der zweiten Passivierungsschicht erzeugt werden.
Jede der Unterschichten besitzt eine Dicke d₂ = λ/4n₂, wobei n₂ der Brechungsindex des Materials jeder Unterschicht ist.
Grenzflächen-Sauerstoffgehalt
Der Sauerstoffgehalt im randnahen Bereich der Halbleiter-Mehrschichtstruktur (das ist ein Bereich der Halbleiter-Mehrschichtstruktur in der Nähe einer der Resonatorflächen), auf der die erste dielektrische Schicht 16 ausgebildet ist, wird im folgenden erläutert. Im Anschluß wird der Sauerstoffanteil im randnahen Bereich der Halbleiter-Mehrschichtstruktur als Grenzflächen-Sauerstoffgehalt bezeichnet. Der Erfinder hat den Grenzflächen-Sauerstoffgehalt unter der ersten dielektrischen Schicht 16 anhand einer Messung von Tiefenprofilen verschiedener Komponenten im randnahen Bereich der Halbleiter-Mehrschichtstruktur unter Einsatz von Sekundär-Ionenmassen-Spektrometrie (SIMS) ermittelt. Die Einzelheiten der Meßbedingungen sind in der Tabelle 1 angegeben.
Tabelle 1
In 4 sind Tiefenprofile für 30Si, 29Si+14N, 75As und 69Ga als Meßergebnisse der Komponenten angegeben, die keinen Sauerstoff enthalten. In den 5 und 6 sind Tiefenprofile für 160, 180, 75As+160 und 30Si+160 angegeben als Meßergebnisse von Komponenten, die Sauerstoff enthalten. Die Abszisse in jeder der 4 bis 6 entspricht der Zeit, während der das Mahlen einer Probe fortschreitet von einer Oberfläche einer dielektrischen Schicht (Si₃N₄) in Richtung der Tiefe, und auf der Ordinate jeder der 4 bis 6 ist ein Zählwert für jede Ionen-Spezies in jedem Meßpunkt in Tiefenrichtung angegeben. Das heißt: in den 4 bis 6 entsprechen größere Werte auf der Abszisse tieferen Meßpunkten.
Bei dem Aufbau nach 3 besitzen die Komponenten 69Ga und 75As im Zeitbereich von 675 bis 700 Sekunden Intensitäten entsprechend jenen in dem GaAs-Substrat. Deshalb ist es möglich, zu bestätigen, daß der Zeitbereich von 675 bis 700 Sekunden einer Grenzfläche zwischen der GaAs-Schicht und der Si-Schicht entspricht. 5 und 6 zeigen Ergebnisse der SIMS-Analysen von Komponenten mit Sauerstoff in den Proben, die durch Ätzen der stirnseitigen Facette der Halbleiter-Mehrschichtstruktur nach 3 für unterschiedliche Ätzzeiten vor der Ausbildung der Si-Passivierungsschicht 18 erzeugt werden. Die Ätzzeiten für die Facette der Halbleiter-Mehrschichtstruktur in den Proben gemäß den 5 und 6 betragen 60 bzw. 40 Sekunden. In jeder der 5 und 6 ist es möglich, die Existenz einer Spitze von 75As+160 im Zeitbereich von 675 bis 700 Sekunden zu bestätigen, wobei die Existenz dieser Spitze bedeutet, daß Sauerstoff mit dem Halbleitermaterial in einer Tiefe gekoppelt ist, die dem Zeitbereich von 675 bis 700 Sekunden entspricht. Darüber hinaus wird anhand eines Vergleichs der 5 und 6 erkannt, daß die Spitze von 75As+160 dann kleiner ausfällt, wenn die Ätzzeit für die Facette der Halbleiter-Mehrschichtstruktur länger ist.
Wie in den 5 und 6 dargestellt ist, gibt es eine Spitze von 180 an der Grenzfläche zwischen der GaAs-Schicht und der Si-Passivierungsschicht 18, und die Ausbildung der Spitzen von 180 und 75As+160 an der Grenzfläche weist darauf hin, daß Sauerstoff an der Grenzfläche vornehmlich mit GaAs gekoppelt ist.
Der Zählwert (die Signalintensität) von 180 wird gemessen als ein Sauerstoffgehalt an der oben angesprochenen Grenzfläche in jeder der mehreren Proben des Stabs 21, die durch Ätzen der stirnseitigen Facette der Halbleiter-Mehrschichtstruktur nach 3 bei unterschiedlichen Ätzzeiten vor der Ausbildung der Si-Passivierungsschicht 18 erzeugt wurden. Ein normierter Grenzflächen-Sauerstoffgehalt wird dadurch erhalten, daß man den Sauerstoffgehalt an der obigen Grenzfläche in jeder der mehreren Proben dividiert durch einen durchschnittlichen Sauerstoffgehalt (eine durchschnittliche Signalintensität) in dem GaAs-Substrat 1. 7 zeigt eine Beziehung zwischen der Ätzzeit für die Facette der Halbleiter-Mehrschichtstruktur und dem normierten Grenzflächen-Sauerstoffgehalt. Wie aus 7 ersichtlich ist, ist der Sauerstoffgehalt in der Probe, die hergestellt wird durch Ätzen der Facette der Halbleiter-Mehrschichtstruktur nach 3 während einer Zeit von 1.100 Sekunden, annähernd äquivalent dem Sauerstoffgehalt in dem GaAs-Substrat 1. Zu dieser Zeit ist ein Mittelwert der Signalintensität von 180 in dem Zeitbereich, in welchem die Signalintensität 75As in 4 beträgt, nahezu konstant (das heißt der Zeitbereich ist größer als 800 Sekunden), betrachtet als durchschnittlicher Sauerstoffgehalt (durchschnittliche Signalintensität) in dem GaAs-Substrat 1.
Die Konzentration jedes interessierenden Elements ist proportional zu, dem Zählwert der Messung, wenn die SIMS-Meßbedingung und die Materialstruktur der Probe nicht geändert werden. Beispielsweise weist eine Abnahme des Werts des normierten Grenzflächen- Sauerstoffgehalts auf ein Zehntel darauf hin, daß eine Abnahme der Sauerstoffkonzentration auf ein Zehntel vorliegt.
Zusammenbau des Halbleiterlaser-Elements
Das Halbleiterlaser-Bauelement gemäß der Erfindung wird folgendermaßen hergestellt: Nachdem die dielektrischen Schichten 16 und 17 auf den beiden Lichtemissions-Facetten 22 des in 2 dargestellten Stabs 21 gebildet sind, wird der Stab 21 aufgespalten in mehrere Halbleiterlaser-Elemente, die jeweils eine Breite von 500 bis 600 μm besitzen. Darüber hinaus wird eine hauptsächlich aus Kupfer bestehende Wärmesenke, auf der jedes Halbleiterlaser-Element anzubringen ist, hergestellt und mit 5 μm dickem Ni überzogen. Außerdem werden durch Aufdampfen auf den Ni-Überzug ein Ni-Film mit einer Dicke von 50 bis 150 nm, ein Pt-Film mit einer Dicke von 50 bis 200 nm und ein In-Film mit einer Dicke von 3,5 bis 6,0 μm aufgedampft. Die bedampfte Fläche ist größer als die Fläche jedes Halbleiterlaser-Elements. Normalerweise ist die bedampfte Fläche viermal oder noch größer als die Fläche des Halbleiterlaser-Elements. Die Wärmesenke wird auf eine Temperatur im Bereich von 180 bis 220°C erwärmt, um den In-Film anzuschmelzen, und die p-Seite des Halbleiterlaser-Elements wird mit der Wärmesenke verbunden.
Bewertung des Halbleiterlaser-Elements
Das obige Halbleiterlaser-Bauelement als erste Ausführungsform der Erfindung wurde wie folgt bewertet:
Es wurden sieben oder acht Proben jedes von sechzehn verschiedenen Modellen des Halbleiterlaser-Bauelements gemäß der ersten Ausführungsform angefertigt, wobei die sechzehn unterschiedlichen Modelle unterschiedliche normierte Grenzflächen-Sauerstoffanteile besaßen, und es wurde ein Zuverlässigkeitstest bei sieben oder acht Proben durchgeführt. Die Zuverlässigkeit wird dadurch bewertet, daß man die Lebensdauer (durchgehende Leuchtzeit) jeder Probe bei Umgebungstemperatur von 60°C mißt. 8 zeigt das Ergebnis der Messung, das heißt die gemessenen Lebensdauern entsprechen den verschiedenen Werten der normierten Grenzflächen-Sauerstoffanteile.
Wie in 8 gezeigt ist, nimmt die Zuverlässigkeit deutlich zu, wenn die normierten Grenzflächen-Sauerstoffanteile im Bereich von 10 bis 1.500 (vorzugsweise 15 bis 1.000) liegen, das heißt, wenn der Sauerstoffgehalt in den randnahen Bereichen der Halbleiter-Mehrschichtstruktur 10- bis 1.500-mal (bevorzugter 15- bis 1.000-mal) so groß ist wie der Sauerstoffgehalt in den übrigen Bereichen der Halbleiter-Mehrschichtstruktur. In anderen Worten: wenn der Sauerstoffgehalt in den randnahen Bereichen der Halbleiter-Mehrschichtstruktur zu groß ist, nehmen Grenzflächendefekte und nicht-strahlende Rekombinationen zu. Aus diesem Grund nimmt die Zuverlässigkeit ab. Wenn andererseits der Sauerstoffanteil in den randnahen Bereichen der Halbleiter-Mehrschichtstruktur extrem gering ist, wird Sauerstoff zum Kompensieren von Gitterfehlern in den Verbund-Halbleiterwerkstoffen unzureichend. Deshalb nehmen auch die Grenzflächendefekte zu, und die Zuverlässigkeit nimmt ab aufgrund einer Zunahme von nicht-strahlenden Rekombinationen.
Zweite Ausführungsform
Die zweite Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden anhand der 9 erläutert, die ein Halbleiterlaser-Bauelement der zweiten Ausführungsform zeigt.
Wie in 9 gezeigt ist, werden auf einem n-GaAs-Substrat 30 in der genannten Reihenfolge folgende Schichten gebildet: eine untere Mantelschicht 31 aus n-In_0,49Ga_0,51P, eine untere optische Wellenleiterschicht 32 aus eigenleitendem In_0,2Ga_0,8As_0,6P_0,4, eine untere Sperrschicht 33 aus eigenleitendem GaAs_0,8P_0,2, eine aktive Quantentopfschicht 34 aus In_0,3Ga_0,7As, eine obere Sperrschicht 35 aus eigenleitendem GaAs_0,8P_0,2, eine obere optische Wellenleiterschicht 36 aus eigenleitendem In_0,2Ga_0,8As_0,6P_0,4, eine obere Mantelschicht 37 aus p-In_0,49Ga_0,51P, und eine Kontaktschicht 38 aus p-GaAs. Die Schwingungswellenlänge dieses Halbleiterlaser-Bauelements als zweite Ausführungsform beträgt 1.060 nm.
Das Halbleiterlaser-Bauelement als zweite Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform in der Emissionsbreite (Streifenbreite) und den an den Lichtemissions-Facetten als Resonatorflächen gebildeten dielektrischen Schichten. Das Halbleiterlaser-Bauelement der zweiten Ausführungsform ist ein Transversal-Einzelmodenlaser mit einer Emissionsbreite (Streifenbreite) von nicht mehr als 5 μm.
Die dielektrischen Schichten der zweiten Ausführungsform werden folgendermaßen hergestellt:
Nachdem zwei Lichtemissions-Facetten eines Stabs geätzt sind, werden auf den beiden Facetten Passivierungsschichten jeweils in Form eines Siliciumfilms mit einer Dicke von 1 nm gebildet. Dann wird der Stab in ein Sputter-System eingebracht, um eine erste Reflexionssteuerschicht aus Al₂O₃ auf der Passivierungsschicht einer der Lichtemissions-Facetten zu bilden. Die erste Reflexionssteuerschicht hat eine Dicke von d₁' = λ'/4_n1, um ein Reflexionsvermögen von 2 % zu erreichen, wobei λ' die Schwingungswellenlänge (zum Beispiel 1.060 nm) und n₁' der Brechungsindex von Al₂O₃ (das heißt 1,67) ist.
Darüber hinaus wird auf der auf der anderen Lichtemissions-Facette gebildeten Passivierungsschicht eine zweite Reflexionssteuerschicht gebildet, die für ein Reflexionsvermögen von 95 % oder mehr sorgt, realisiert durch einen mehrschichtigen Film, gebildet durch mindestens ein Paar Al₂O₃- und TiO₂-Unterschichten oder mindestens ein Paar SiO₂- und TiO₂-Unterschichten. Jede der Unterschichten besitzt eine Dicke d₂' = λ'/4n₂', wobei n₂' der Brechungsindex des Materials jeder Unterschicht ist. Bei diesem Beispiel enthält die mehrlagige Schicht zehn Paare von Unterschichten.
Außerdem hat der Erfinder eine Beziehung hergeleitet zwischen dem normierten Grenzflächen-Sauerstoffgehalt und der Lebensdauer des Halbleiterlaser-Bauelements der zweiten Ausführungsform, und er hat herausgefunden, daß die Beziehung im wesentlichen ähnlich ist wie die Beziehung, die in 8 dargestellt ist.

Claims

Halbleiterlaser-Bauelement, umfassend: eine Mehrschichtstruktur mit einer Mehrzahl von Halbleiterschichten, die auf einem Substrat (1) gebildet ist; und mindestens eine auf jeder der beiden stirnseitigen Facetten (22) der Mehrschichtstruktur ausgebildete dielektrische Schicht (16, 17), die an jeder der beiden stirnseitigen Facetten (22) eine Reflexionssteuerschicht (19) enthält; wobei mindestens ein Teil der Mehrschichtstruktur in mindestens einem Nahbereich von mindestens einer der beiden stirnseitigen Facetten einen ersten Sauerstoffgehalt aufweist, andere Teile der Mehrschichtstruktur einen zweiten Sauerstoffgehalt aufweisen, und der erste Sauerstoffgehalt 10- bis 1500-mal höher ist als der zweite Sauerstoffgehalt.
Bauelement nach Anspruch 1, bei dem der erste Sauerstoffgehalt in dem mindestens einen Teil der Mehrschichtstruktur 15- bis 1000-mal höher ist als der zweite Sauerstoffgehalt in den anderen Teilen der Mehrschichtstruktur.
Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die mindestens eine dielektrische Schicht aufweist: eine Passivierungsschicht (18), die direkt an jeder der beiden stirnseitigen Facetten (22) der Mehrschichtstruktur ausgebildet ist, und wobei die Reflexionssteuerschicht (19) an der Passivierungsschicht (18) gebildet ist.
Bauelement nach Anspruch 3, bei dem die Passivierungsschicht (18) aus Ge, Si und/oder C gebildet ist.
Bauelement nach Anspruch 3, bei dem die Passivierungsschicht (18) aus einem Oxid gebildet ist, welches mindestens eines der Elemente Al, Ga, Si, Ge, Ta und Ti enthält.
Bauelement nach Anspruch 3, bei dem die Passivierungsschicht aus einem Nitrid gebildet ist, welches mindestens eines der Elemente Al, Ga, In, Si, Ge, C, Ta und Ti enthält.
Bauelement nach Anspruch 3, bei dem die Reflexionssteuerschicht (19) aus einem Oxid gebildet ist, welches mindestens eines der Elemente Al, Ga, Si, Ge, Ta und Ti enthält.
Bauelement nach Anspruch 3, bei dem die Reflexionssteuerschicht (19) aus einem Nitrid gebildet ist, welches mindestens eines der Elemente Al, Ga, In, Si, Ge, C, Ta und Ti enthält.