DE69022890T2 - Verfahren zur Herstellung einer heteroepitaxialen Struktur. - Google Patents
Verfahren zur Herstellung einer heteroepitaxialen Struktur.Info
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Description
- Quanten-Well-Laser (Qw-Laser) oder Quantenmulden-Laser weisen vorteilhafte Eigenschaften für die Verwendung in optoelektronischen integrierten Schaltkreisen und optischen übertragungssystemen auf. Im Hinblick auf diese Anwendungen gibt es umfangreiche Untersuchungen über Quantenmulden- Laser, zu denen auch Einfach- oder Single-Quantenmulden- Laser gehören. Diese Laser werden aus heteroepitaxialen Strukturen hergestellt, die auch benachbarte Schichten aus AlGaAs und GaAs umfassen. Das Funktionsprinzip solcher Bauelemente wird beispielsweise in dem amerikanischen Patent Nr. 3,982,207 beschrieben, das am 21. September 1976 für Raymond Dingle und Charles H. Henry ausgegeben wurde und im folgenden entfach als "Dingle"-Patent bezeichnet wird. Bei diesen Bauelementen besteht die Quantenmulde aus einer dünnen Schicht eines Materials mit einer relativ kleinen Bandlücke (low bandgap), die hier als aktive Schicht bezeichnet wird und auf beiden Seiten von Schichten aus einem Material mit einer größeren Bandlücke (higher bandgap) begrenzt wird, die hier als Einschluß- und Begrenzungs- oder Confinementschichten bezeichnet werden. Die aktive Schicht ist dünn genug, damit die optische Emission infolge der Rekombination von Elektronen und Löchern in der Schicht quantenmechanische Effekte zeigt. Die Dicke der aktiven Schicht beträgt normalerweise weniger als etwa 30 nm.
- Bei Quantenmulden-Lasern besteht das Material mit den kleineren Bandlücken aus GaAs, während das Material mit der größeren Bandlücke aus AlGaAs besteht. Die durch optisches oder elektrisches Pumpen erzeugte Elektronen und Löcher sind in der Quantenmulde gefangen, wo sie wünschenswerterweise unter Abgabe von Strahlung Rekombinieren, so daß Strahlung emittiert wird. Vorteilhafterweise wird die Laserstrahlung durch optische Dünnschichtwellenleiter begrenzt, die benachbart zu der aktiven Schicht angeordnet sind. Bei einem sogenannten "Heterostrukturlaser mit separater Begrenzung" ("separate confinement heterostrukture laser") fungiert zumindest eine Begrenzungsschicht auch als Wellenleiter. Dies wird dadurch erreicht, daß die wellenleitende Begrenzungsschicht auf der der aktiven Schicht gegenüberliegenden Seite durch eine Schicht mit einem geringeren Brechungsindex begrenzt wird. Obwohl die aktive Schicht einen höheren Brechungsindex aufweist als die Begrenzungsschichten ist sie zu dünn, um die Strahlung begrenzen und als Wellenleiter wirken zu können. Die Rekombinationsträger werden daher in der aktiven Schicht eingeschlossen, während die Strahlung in einer oder in mehreren wellenleitenden Schichten "getrennt begrenzt wird".
- Das (Al, Ga) (As) -Stoffsystem eignet sich zum Aufwachsenlassen heteroepitaxialer Strukturen, da der Stoffmengenanteil (Molenbruch) des Al bezogen auf Ga zwischen 0 und 100% variiert werden kann, ohne daß hierbei eine nennenswerte Beeinflußung der Gitterkonstanten auftritt. Man kann daher heteroepitaxiale Strukturen aufwachsen lassen, die keine nennenswerten Gitterspannungen aufweisen. Bei diesem Material tritt die Laseremission jedoch bei Wellenlängen auf, die für viele Anwendungen in der optischen Nachrichtentechnik kurz sind. Wegen der Übertragungsdämpfung in Lichtleitfasern sind bei der optischen Kommunikation Wellenlängen zwischen 1,3 und 1,55 j£m am besten geeignet. Die Bandlücken von (Al, Ga) (As)- Materialien sind jedoch für eine Laseremission in diesem Bereich zu groß. Bei GaAs liegt die typische Wellenlänge einer Laseremission beispielsweise bei 0,87 um.
- Folglicherweise besteht innerhalb des (In, Ga) (As, P) - Systemsein großes Interesse an alternativen III-V- Materialsystemen mit einer kleineren Bandlücke. Aus diesem System gebildete Quantenmulden-Laser erweisen sich als vorteilhaft, da sie bei Wellenlängen betrieben werden können, die für die optische Nachrichtenübertragung am geeignetsten sind, d.h. bei Wellenlängen zwischen 1,3 und 1,55 um. Es ist am günstigsten, wenn das quaternäre Material InGaAsP für die Begrenzungszonen verwendet wird, während das ternäre Material InGaAs für die aktiven Zonen verwendet wird. Das binäre Material InP weist einen kleineren Brechungsindex auf als das quatenäre Material, so daß quaternäre Schichten, die von InP begrenzt werden, ohne weiteres als wellenleitende Schichten verwendet werden können.
- Wenn man die Laser jedoch unter Verwendung herkömmlicher metallorganischer Dampf- oder Gasphasenepitaxieverfahren aufwachsen läßt, zeigt sich, daß das quaternäre Material nicht gut auf dem ternären Material aufwächst. Es zeigt sich insbesondere, daß in der obersten guaternären Schicht inakzeptabel hohe Spannungen auftreten, und daß die Versetzungsdichte oder Dislokationsdichte inakzeptabel hoch ist. Versetzungen oder Dislokationen sind jedoch unerwünscht, da durch sie die Rekombinationsrate der strahlungslosen oder indirekten Rekombination erhöht und damit der Wirkungsgrad des Lasers verringert wird. Infolgedessen nimmt der Schwellenstrom des Lasers zu.
- Im allgemeinen ist es schon an sich recht schwierig, quaternäre Schichten aufwachsen zu lassen. Um qualitativ bessere Schichten zu erhalten, ist es günstig, wenn man eine quaternäre Schicht auf einer binären Basis aufwachsen läßt, die durch ein hohes Maß kristalliner Perfektion gekennzeichnet ist.
- Es hat sich gezeigt, daß man durch metallorganische Dampf- oder Gasphasenepitaxie qualitativ bessere ternäre/quaternäre Grenzschichten aufwachsen lassen kann, wenn man zwischen der ternären und der quaternären Schicht eine oder mehrere Monolagen eines binären Materials, wie z.B. InP, aufwachsen läßt. Es hat sich zudem gezeigt 81 daß es günstig ist, wenn die Beschichtungs- oder Aufdampfkammer nach dem Aufwachsen einer Schicht und vor dem Aufwachsen der nächsten Schicht jeweils mit einem Gas, das ein Gruppe V-Hydrid umfaßt, ausspült, damit an den Grenzflächen jeweils ein relativ scharfer Übergang in der Materialzusammensetzung entsteht. Das Spülen erfolgt hierbei vorzugsweise durch aufeinanderfolgendes Einleiten zweier solcher Gase. Es hat sich gezeigt, daß das erste Spülgas in seiner Zusammensetzung dem charakteristischen Gruppe V-Element der gerade abgeschiedenen Schicht entsprechen sollte, während das zweite Spülgas in seiner Zusammensetzung dem charakteristischen Gruppe-V-Element der nächstfolgenden Schicht entsprechen sollte. (Wenn eine Schicht lediglich aus einem Element der V. Gruppe besteht, ist dieses Element "charakteristisch" für die Schicht. Wenn die zuletzt abgeschiedene Schicht aus zwei Elementen der V. Gruppe besteht, dann ist das Element für diese Schicht "charakteristisch", das in der nächstfolgenden Schicht nicht vertreten ist. Wenn die nächstfolgende Schicht zwei Elemente der V. Gruppe umfaßt, dann ist für diese Schicht demgemäß das Element "charakteristisch", das in der zuletzt abgeschiedenen Schicht nicht vertreten ist.) Es hat sich gezeigt, daß die kristalline Perfektion in der Nähe der Grenzfläche durch die binäre Pufferschicht verbessert wird, und daß der Schwellenstrom erfindungsgemäßer Quantenmulden- Laser niedriger wird. Es hat sich auch gezeigt, daß sich durch das Spülverfahren, bei dem zwei Hydride der V. Gruppe verwendet werden, schärfer ausgebildete Grenzschichten oder Grenzflächen erreichen lassen. Die Zunahme in der Schärfe trägt auch zu einer Verringerung des Schwellenstromes von Quantenmulden-Lasern bei.
- Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird als ternäres Material InGaAs verwendet, während als quaternäres Material InGaAsP verwendet wird. Zwischen den ternären und quaternären Schichten läßt man jeweils eine Schicht aus dem binären Material InP aufwachsen. Die Dicke dieser Schicht sollte zumindest eine Atomlage, maximal jedoch 10 Atomlagen betragen. Die Schicht ist vorzugsweise etwa 1 nm dick, was etwa der Dicke von zwei Atomlagen entspricht. Nach dem Abscheiden von InGaAs oder von InGaAsP und vor dem Abscheiden des InP wird die Abscheidungs- oder Beschichtungskammer zuerst mit Arsin und anschließend mit Phosphin gespült. Wenn die Abscheidungs- oder Beschichtungskammer nach dem Abscheiden des InP und vor dem Abscheiden des InGaAs oder des InGaAsP gespült wird, werden diese Gase in umgekehrter Reihenfolge verwendet.
- Die vorliegende Erfindung betrifft daher im weitesten Sinn ein Verfahren zum Bilden einer heteroepitaxialen Struktur, die eine erste und eine zweite Schicht aus einem III-V- Halbleitermaterial umfaßt, wobei die erste Schicht zumindest drei elementare Bestandteile umfaßt, während die zweite Schicht zumindest vier elementare Bestandteile umfaßt. Ein epitaxiales Paar aus Halbleiterschichten bildet im Rahmen der vorliegenden Erfindung dann eine heteroepitaxiale Struktur, wenn sich die jeweiligen Bandlücken um zumindest 0,1 eV unterscheiden. Dies führt bei Raumtemperatur zu einer Energieschwelle oder Energiebarriere von etwa 4 kT, so daß der Ladungsträgerfluß bei Raumtemperatur behindert wird. Das Verfahren umfaßt folgende Verfahrensschritte: Anordnen eines Substrats in einer Gas- oder Dampfphasenepitaxiekammer, Bilden der ersten und zweiten Schicht und Bilden einer epitaxialen binären Schicht aus einem III-V- Halbleitermaterial zwischen der ersten und zweiten Schicht. Die Dicke des binären Material beträgt vorzugsweise zumindest eine Atomlage, maximal jedoch 10 Atomlagen. Zumindest ein Bestandteil der binären Schicht ist auch in der ersten und zweiten Schicht enthalten.
- Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Quantenmulden-Lasers;
- Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der aktiven Zone eines erfindungsgemäßen Mehrfach-Quantenmulden- Lasers;
- Fig. 3 zeigt ein Diagramm, in dem für den Dauerstrichbetrieb eines erf indungsgemäßen Doppel -Quantenmulden-Lasers die optische Leistung als Funktion des Stroms dargestellt ist.
- Als pädagogische Hilfe für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung werden im folgenden die Verfahrensschritte bei der Herstellung beispielsweise eines Quantenmulden-Lasers beschrieben.
- Fig. 1 zeigt zur Veranschaulichung einen erfindungsgemäß hergestellten Quantenmulden-Laser. Zuerst wird ein Substrat 10 in der Aufdampf- oder Beschichtungskammer eines metallorganischen Gas- oder Dampfphasenepitaxiereaktors (MOVPE-Reaktor) angeordnet. Als Substratmaterial wird vorzugsweise ein binäres III-V-Material verwendet. Vorzugsweise handelt es sich um InP. An dem Substrat wird typischerweise ein elektrischer Kontakt mit einer bestimmten Polung, z.B. einer negativen Polung, angebracht. Das Substratmaterial ist so dotiert, daß eine entsprechende Leitfähigkeit, z.B. eine Elektronenleitfähigkeit, erzeugt wird.
- Nun läßt man unmittelbar auf das Substrat 10 vorteilhafterweise eine optische Pufferzone 20 aufwachsen. Die Zone 20 dient zur Inituerung eines epitaktischen Wachstums auf dem chemisch und mechanisch verarbeiteten Substrat. Die Pufferzone weist vorzugsweise die gleiche Zusammensetzung und die gleiche Art von Leitfähigkeit wie das Substrat auf. Die optische Pufferzone umfaßt vorteilhafterweise eine hoch dotierte Schicht 23 und eine schwächer dotierte Schicht 26. Die Schicht 23 ist hierbei unmittelbar auf dem Substrat aufgewachsen ist, um den Kontaktwiderstand zu der laseraktiven Zone zu minimieren, während die schwächer dotierte Schicht 26 unmittelbar auf der Schicht 23 aufgewachsen ist, um die Diffusion des Dotierungsmaterials in die laseraktive Zone zu minimieren, da durch solch eine Diffusion die Rekombinationseigenschaften nachteilig beeinflußt werden. Bei der Schicht 23 handelt es sich beispielsweise um n- leitendes InP mit einer Dicke von zumindest 0,1 um, um sicherzustellen, daß auf dem Substrat ein gutes Wachstum durch Keimbildung (growth nucleation) stattfindet. Die Dicke beträgt jedoch nicht mehr als 1,0 um, da höhere Dicken keinen Beitrag zu den gewünschten Resultaten liefern und unnötig hohe Verfahrenskosten verursachen. Die Dotierung liegt hierbei im Bereich zwischen 3 x 10¹&sup7; und 5 x 10¹&sup8; cm&supmin;³, um eine gute elektrische Leitfähigkeit zu erzeugen. Bei der Schicht 26 handelt es sich vorzugsweise um n-leitendes InP mit einer Dicke von zumindest 0,1 um, um die hoch dotierte Schicht 23 von der laseraktiven Zone zu isolieren. Die Dicke beträgt jedoch nicht mehr als 1,0 um, da höhere Dicken keinen Beitrag zu dem gewünschten Resultat liefern. Die (niedrigere) Dotierung liegt im Bereich zwischen 1 x 10¹&sup7; und 5 x 10¹&sup7; cm&supmin;³, um eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit für den Stromfluß durch das Bauelement zu erzeugen.
- Nach dem Aufwachsen der Pufferzone 20 läßt man die Laserheterostruktur 100 aufwachsen. Die Heterostruktur 100 umfaßt eine Begrenzungs- oder Confinementschicht 30, eine aktive Zone 200 und eine Wellenleiterschicht 50. Die aktive Zone 200 umfaßt zumindest eine aktive Schicht 40.
- Wenn auf das Aufwachsen einer Schicht das Aufwachsen einer zweiten Schicht mit einer unterschiedlichen elementaren Zusammensetzung folgt, kann der Reaktor mittels eines Gasflusses gespült werden, um vor dem Aufwachsen der eine andere Zusammensetzung aufweisenden zweiten Schicht, die Bestandteile oder Komponenten mit der ersten Zusammensetzung zu entfernen. Dies trägt dazu bei, daß man scharfe Grenzflächen oder Grenzschichten erhält. Das Spülgas umfaßt vorzugsweise ein aus einem Hydrid der V. Gruppe bestehendes Gas. Bei jedem Spülschritt werden vorzugsweise zwei verschiedene Gasströme verwendet. Der erste Gasstrom umfaßt ein Gas, das in seiner Zusammensetzung der Zusammensetzung der zuletzt aufgewachsenen Schicht entspricht, während das zweite Spülgas ein Gas umfaßt, das in seiner Zusammensetzung der als nächstes aufwachsenden Schicht entspricht. Wenn die Pufferschicht 26 beispielsweise aus InP besteht und die Begrenzungsschicht 30 aus InGaAsP besteht, wird der Reaktor nach dem Aufwachsen der Schicht 26 zuerst mit Phosphin und anschließend mit Arsin ausgespült.
- Die Heterostruktur 100 umfaßt in dem Bereich der Schicht 40 eine Quantenmulde, der durch die Unterschiede in den Bandlücken zwischen der Schicht 40 auf der einen Seite und den Schichten 30 und 50 auf der anderen Seite gebildet wird. Die Materialzusammensetzung der Schichten 30 und 50 sollte zu diesem Zweck so gewählt werden, daß die Schichten 30 und 50 eine größere Bandlücke aufweisen als die aktive Schicht 40. Der Unterschied in den Bandlücken sollte so groß sein, daß eine Quantenmulde gebildet wird, durch die die Elektronen und Löcher in der Schicht 40 eingeschlossen werden. Die Gestaltung von Heterostrukturen für Quantenmulden-Laser wird beispielsweise sowohl in dem Patent von Dingle beschrieben, das hier durch Bezugnahme aufgenommen wird, als auch in dem amerikanischen Patent Nr. 4,599,728, das am 8. Juli 1986 für K. Alavi et al. ausgegeben wurde, und ebenfalls durch Bezugnahme aufgenommen wird.
- Die Dicke der Begrenzungsschicht 30 sollte zumindest 0,05 um betragen, damit das optische Feld begrenzt wird. Sie sollte jedoch nicht mehr als 0,5 um betragen, da der Begrenzungs- oder Confinementfaktor bei etwa dieser Dicke nahezu 1 wird, so daß größere Dicken nicht zu dem gewünschten Resultat beitragen. Die Dicke der Wellenleiterschicht 50 sollte aus den gleichen Gründen innerhalb der angegebenen Grenzen liegen. Die Schichten 30 und 50 sind vorzugsweise etwa 0,05 um dick.
- Die Schichten 30, 40 und 50 bestehen aus III-V-Halbleitern und vorzugsweise aus einem (In, Ga) (As, P)-System. Die Schichten 30 und 50 weisen vorteilhafterweise eine quaternäre Zusammensetzung auf, während die Schicht 40 vorteilhafterweise eine ternäre Zusammensetzung aufweist. Die Schichten 30 und 50 läßt man beispielsweise aus undotiertem InGaAsP mit einer Bandlückenwellenlänge von 1,25 bis 1,46 um passend aufwachsen, während man die Schicht 40 aus undotiertem InGaAs mit einer Bandlückenwellenlänge von 1,66 um passend aufwachsen läßt.
- Nach dem Aufwachsen der Schicht 30 und vor dem Aufwachsen der Schicht 40 läßt man auf die Schicht 30 eine Mantelschicht 35 aufwachsen. Die Schicht 35 muß so dünn sein, daß Ladungsträger ohne weiters durch sie hindurch tunneln können und der Stromfluß nicht behindert wird. Die Schicht 35 muß auch so dünn sein, daß die optische Begrenzung oder das optische Confinement der Heterostruktur 100 nicht beeinflußt wird. Die Dicke der Schicht 35 beträgt daher vorzugsweise zumindest eine Atomlage, maximal jedoch 10 Atomlagen. Die Schicht 35 besteht aus einem binären III- V-Halbleitermaterial, wobei es sich vorzugsweise um InP handelt. Die Schicht 35 läßt man daher in einer Dicke von 0,35 bis 5 nm aus InP aufwachsen. Zwischen dem Aufwachsen der Schicht 30 und der Schicht 35 wird der Reaktor auf die oben beschriebene Art und Weise gespült. Bei dem vorliegenden Beispiel wird der Reaktor vorzugsweise zuerst mit Arsin gespült und anschließend mit Phosphin. Zwischen dem Aufwachsen der Schichten 35 und 40 kann der Reaktor entsprechend gespült werden. Bei dem vorliegenden Beispiel wird der Reaktor vorzugsweise zuerst mit Phosphin und anschließend mit Arsin gespült.
- Wenn es sich bei dem Laser um einen Einfach- oder Single- Quantenmulden-Laser handelt, besteht die aktive Zone einfach aus einer dünnen aktiven Schicht 40. In diesem Fall folgt auf das Wachstum der aktiven Schicht 40 ein Ausspülen mit Gas, das auf die oben beschriebene Art und Weise erfolgt. Anschließend erfolgt das Aufwachsen der Mantelschicht 45, das ähnlich wie das Aufwachsen der Mantelschicht 35 erfolgt. Nun erfolgt ein weiteres Spülen mit Gas, so wie dies oben beschrieben wurde, und das Aufwachsen einer Wellenleiterschicht 50. Wenn es sich bei dem Laser andererseits um einen Mehrfach-Quantenmulden-Laser handelt, umfaßt die aktive Zone 200 zumindest zwei aktive Schichten 40' (siehe Fig. 2) , die sich ähnlich beschreiben lassen wie die aktive Schicht 40. Die aktiven Schichten 40' sind durch Sperrschichten 50' voneinander getrennt, die vorzugsweise die gleiche Zusammensetzung wie die Schichten 30 und 50 aufweisen. Die Dicke der Sperrschicht 50' sollte zumindest 10 nm betragen, um eine Trägerkopplung zwischen den Quantenmulden oder Potentialtöpfen zu verhindern. Die Dicke sollte jedoch nicht größer sein als 30 nm, da die aktiven Schichten durch noch dickere Sperrschichten optisch isoliert werden können, so daß optisch entkoppelte separate Laser gebildet wurden. Bei dem vorliegenden Beispiel beträgt die Dicke der Sperrschichten vorzugsweise etwa 0,015 um. Jede Sperrschicht 50 ist auf beiden Seiten von jeweils einer Mantelschicht 35' umgeben, die ähnlich ausgebildet ist wie die Schicht 35. Nach dem Aufwachsen der letzten aktiven Schicht läßt man die Mantelschicht 35 auf die oben beschriebene Art und Weise aufwachsen, bevor man die Wellenleiterschicht 50 auf die oben beschriebene Art und Weise aufwachsen läßt. Zwischen jeweils zwei Wachstumsschritten wird der Reaktor auf die beschriebene Art und Weise gespült.
- Nach dem Aufwachsen der Wellenleiterschicht 50 folgt eine Gasspülung, die auf die oben beschriebene Art und Weise durchgeführt wird, bevor man anschließend eine Einschlußschicht (setback layer) 60 aufwachsen läßt. Die Schicht 60 dient dazu, die Diffusion von Dotierungsverunreinigungen in die aktive Schicht 40 oder 40' zu verhindern. Das Material der Einschlußschicht 60 sollte so gewählt werden, daß es einen geringeren Brechungsindex aufweist als die Wellenleiterschicht 50, um in der Wellenleiterschicht 50 eine optische Begrenzung oder ien optisches Confinement zu bewirken. Das Material der Schicht 60 ist nicht dotiert. Vorteilhafterweise handelt es sich hierbei um ein binäres III-V-Material. Vorzugsweise wird InP verwendet. Die Dicke der Schicht 60 sollte zumindest 0,01 um betragen, damit die aktive Zone von einer Diffusion von Verunreinigungen geschützt ist. Sie sollte jedoch nicht mehr als 0,2 um betragen, da ansonsten der p-n-Übergang oder die p-n-Grenzschicht um etwa eine Diffusionslänge aus der Rekombinationszone verschoben werden kann, wodurch die Injektion von Ladungsträgern in die aktive Schicht verringert wird. Die Dicke der Schicht 60 beträgt daher vorzugsweise etwa 0,05 um.
- Nach dem Aufwachsen der Einschlußschicht 60 erfolgt das Aufwachsen einer optisch isolierenden Manteischicht 60 und einer Kontaktschicht 80. Wenn die Kontaktschicht beispielsweise aus p-leitendem InGaAsP besteht, besteht die Mantelschicht vorteilhafterweise aus p-leitendem InP. Die Mantelschicht 70 sollte zumindest 0,5 um dick sein, um den optisch absorbierenden Kontakt von der laseraktiven Zone zu isolieren. Sie sollte jedoch nicht mehr als 2 um dick sein, da dickere Schichten keinen Beitrag mehr zu dem gewünschten Resultat liefern. Die Dicke der Schicht sollte vorzugsweise etwa 1 um betragen. Die Kontaktschicht 80 sollte zumindest 0,05 um dick sein, um sicherzustellen, daß die Oberfläche vollständig von einem einfach kontaktierbaren Material mit einem geringen Widerstand bedeckt ist. Sie sollte jedoch nicht mehr als 0,5 um dick sein, da dickere Schichten keinen Beitrag zu dem gewünschten Resultat liefern würden. Die Dicke der Kontaktschicht beträgt vorzugsweise etwa 0,2 um. Der Reaktor wird zwischen dem Aufwachsen der Schichten 70 und 80 auf die oben beschriebene Art und Weise gespült.
- Durch metallorganische Gasphasenepitaxie läßt man auf einem n-leitenden (100)-InP-Substrat einen Einzel- oder Single- Quantenmulden-Laser mit separater Begrenzung aufwachsen. Das Aufwachsen erfolgt in einem herkömmlichen Horizontalreaktor bei Atmosphärendruck und bei etwa 625ºC. Als Ausgangsmaterialien werden Trimethylindium, Trimethylgalhum in Wasserstoff verdünntes 20 %-iges Phosphin und in Wasserstoff verdünntes 20 %-iges Arsin verwendet. Die n- leitenden Materialien werden mit Schwefel dotiert, während die p-leitenden Materialien mit Zink dotiert werden, wobei Schwefelwasserstoff bzw. Diethylzink als Ausgangsmaterialien für die Dotierung verwendet werden.
- Die Verfahrensschritte werden anhand von Fig. 1 beschrieben. Zunächst läßt man unmittelbar auf das Substrat 10 eine Pufferschicht 23 aus hochdotiertem n-leitenden InP aufwachsen. Diese Schicht ist 0,5 um dick und mit 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ dotiert. Nun läßt man eine Pufferschicht 26 aus schwach dotiertem n-leitenden InP aufwachsen. Die Dicke dieser Schicht beträgt 0,5 um, während die Dotierung 3 x 10¹&sup7; cm&supmin;³ beträgt. Nach diesem Verfahrensschritt wird der Reaktor zunächst 2 s lang mit Phosphin und anschließend 2 s lang mit Arsin gespült. (Bei allen späteren Spülvorgängen wird ebenfalls für jeweils 2 s mit Arsin und Phosphin gespült.) Nun wird eine 50 nm dicke Begrenzungs- oder Confinementschicht 50 aus undotiertem InGaAsP (mit einer Bandlückenwellenlänge von 1,25-1,46 um) abgeschieden und anschließend wieder mit Arsin und Phosphin gespült. Anschließend wird eine monomolekulare Schicht 35 aus InP (mit einer Dicke von 0,3 bis 5 nm) abgeschieden und wiederum zunächst mit Phosphin und dann mit Arsin gespült. Nun wird eine aktive Schicht 40 aus InGaAs mit einer Dicke von 10 bis 20 nm abgeschieden und anschließend zunächst mit Arsin und dann mit Phosphin gespült. Nun wird eine zweite monomolekulare Schicht 45 aus InP abgeschieden und es wird wiederum mit Phosphin und dann mit Arsin gespült. Nun wird eine 50 nm dicke Wellenleiterschicht 50 aus InGaAsP (mit einer Bandlückenwellenlänge von 1,25 bis 1,46 um) abgeschieden und es wird wiederum zunächst mit Arsin und dann mit Phosphin gespült. Anschließend wird eine 50 nm dicke Einschlußschicht (setback layer) 60 aus undotiertem InP abgeschieden. Nun wird eine 1 jim dicke Mantelschicht 70 aus p-leitendem InP abgeschieden, die mit 5 x 10¹&sup7; cm&supmin;³ dotiert ist. Anschließend wieder zunächst mit Phosphin und dann mit Arsin gespült. Jetzt läßt man eine 0,2 um dicke Kontaktschicht 80 aus p-leitendem InGaAsP aufwachsen, die mit 3 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ dotiert ist.
- Die Einfach-Quanten-Well-Struktur wird unter Verwendung eines bei 120 keV betriebenen Elektronenmikroskops (Philips 420) mittels Hellfeld-Querschnitts- Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht. Die Proben werden nach dem Entfernen der Deckschichten durch chemisches Verdünnen mit bromiertem Methanol unter Verwendung eines Gittermaskenverfahrens präpariert. Die TEM- Aufnahmen werden unter Nutzung des [400] -Reflexes aufgenommen, der Spannungen zwischen den Schichten und Defekte erkennen läßt. Obgleich an der Grenzschicht oder Grenzfläche ein schwacher Spannungskontrast zu erkennen ist, ist die Struktur grundsätzlich von hoher Qualität. Als Vergleich werden mikroskopische Aufnahmen einer Kontroliprobe angefertigt, die durch ein identisches Verfahren hergestellt wird, bei dem die Quantenmulde oder der Potentialtopf jedoch nicht mit einer InP-Umhüllung oder einem InP-Mantel versehen wird. Diese Aufnahmen zeigen starke Spannungen zwischen den Schichten und starke Versetzungen oder Dislokationen in der obersten Schicht (d.h. in der Schicht, die von dem Substrat am weitesten entfernt ist) . Es zeigt sich, daß alle Versetzungen oder Dislokationen auf Defekte in der obersten Grenzschicht zurückzuführen sind.
- Photolumineszenzmessungen bei Raumtemperatur zeigen, daß durch die InP-Umhüllung im Vergleich zur Kontrollprobe sowohl der Wirkungsgrad als auch die Gleichmäßigkeit der Lumineszenzstrahlung um zumindest einen Faktor 10 verbessert wird. Bei einer starken Anregung zeigt die Photolumineszenzintensität einen dominierenden Peak bei 1,58-1,60 um und eine zu vernachlässigende Intensität aus den quaternären Mantelschichten, was darauf hinweist, daß die Ladungsträger wirklich in der Quantenmulde oder dem Potentialtopf eingeschlossen sind, und daß in den Begrenzungsschichten nur eine sehr geringe optische Absorption erfolgt. Wenn die quaternären Schichten mit einer Bandlückenwellenlänge von 1,46 um durch Schichten mit einer Bandlückenwellenlänge von 1,25 um ersetzt werden, ist sowohl bei der Elektrolumineszenz als auch bei der Photolumineszenz-Peak-Wellenlänge eine zu vernächlässigende Veränderung zu beobachten. Die Peak-Wellenlänge liegt nach wie vor zwischen 1,58 und 1,60 um. Dies deutet eindeutig darauf hin, daß die Rekombination hauptsächlich in den Quantenmulden oder Potentialtöpfen stattfindet.
- Es zeigt sich, daß der Schwellenstrom für einen Laserbetrieb bei 20ºC etwa bei 55 mA liegt. Die optische Ausgangsleistung hängt bis zu einer Leistung von 18 mW pro Facette linear vom Strom ab. Die externe differentielle Quantenausbeute beträgt 19% pro Facette. Der Laser wird bei Temperaturen oberhalb von 50ºC kontinuierlich betrieben. Die Laseremission tritt in der Nähe der Schwerlochexzitonenenergie (heavy hole exciton energy) bei etwa 1,55 um auf.
- Unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt man einen Quantenmulden-Laser mit zwei Quantenmulden aufwachsen. Zwischen den zwei Quantenmulden läßt man zwischen den Quantenmuldenschichten eine 15 nm dicke zusätzliche Schicht InGaAsP aufwachsen. Infolgedessen entsteht eine erste Quantenmuldenschicht, eine InP-Mantelschicht, die eine zusätzliche InGaAsP-Schicht, eine InP-Mantelschicht und eine zweite Quantenmuldenschicht. Vor dem Aufwachsen der zusätzlichen InGaAsP-Schicht wird die Aufdampf- oder Beschichtungskammer zuerst mit Phosphin und dann mit Asin gespült. Nach dem Aufwachsen der Schicht wird die Aufdampf- oder Beschichtungskammer zuerst mit Arsin und dann mit Phosphin gespült. Das anschließenden Verfahrensschritte stimmen in jeder Hinsicht mit den bei dem ersten Beispiel verwendeten Verfahrens schritt überein.
- Fig. 3 zeigt für einen Dauerstrichbetrieb bei 20ºC die optische Ausgangsleistung dieses Laser in Abhängigkeit vom Strom. Aus Fig. 3 ergibt sich, daß der Schwellenstrom bei dieser Temperatur 35 mA beträgt. Die Ausgangsleistung steigt bis zu einer Leistung von 15 mW pro Facette linear mit dem Strom an. Die externe differentielle Quantenausbeute beträgt 21% pro Facette. Eine Untersuchung des Einflusses der Temperatur auf die Lichtausgangsleistung als Funktion des Stroms zeigt, daß die Schwellentemperatur T&sub0; 76 K beträgt, wobei bei höheren Temperaturen als Raumtemperatur keine Unstetigkeit auftritt. Der Laser wird oberhalb von 50ºC kontinuierlich betrieben. Die Laseremission tritt bei etwa 1,55 um auf, was eine Verschiebung der bei Raumtemperatur auftretenden Bandkantenwellenlänge von 1,66 um zu höheren Energien bedeutet. Diese Verschiebung ist ein eindeutiger Hinweis auf einen Quanteneffekt. Die Emission besteht aus 2- 3 Longitudinalmoden.
Claims (5)
1. Verfahren zum Ausbilden einer Heteroepitaxial-Anordnung
umfassend die Schritte des:
Anordnens eines Substrats in einer epitaxialen
Gasphasen-Beschichtungskammer,
Ausbildens an dem Substrat einer ersten Schicht von III-
V-Verbindungshalbleitermaterial mit wenigstens drei
Elementen-Anteilen und des
Ausbildens über der ersten Schicht einer zweiten Schicht
von III-V-Verbindungshalbleitermaterial mit wenigstens
vier Elementen-Anteilen derart, daß die Zusammensetzung
der zweiten Schicht sich von der Zusammensetzung der
ersten Schicht unterscheidet, wobei die erste und die
zweite Schicht eine heteroepitaxiale Anordnung
ausbilden,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Verfahren zusätzlich zwischen dem ersten und dem
zweiten schichtausbildenden Schritt den Schritt umfaßt:
des Ausbildens einer binären Schicht von III-V-
Halbleitermaterial, die wenigstens eine, aber nicht mehr
als zehn Monolagen dick ist, an der ersten Schicht,
wobei wenigstens ein Anteil der binären Schicht zur
ersten und zur zweiten Schicht gehört.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
bei welchem das Verbindungshalbleitermaterial der ersten
Schicht ein ternäres Material ist und das
Verbindungshalbleitermaterial der zweiten Schicht ein
quaternäres Material ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
bei welchem das Verbindungshalbleitermaterial der ersten
Schicht ein quaternäres Material ist und das
Verbindungshalbleitermaterial der zweiten Schicht
ebenfalls ein quaternäres Material ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
bei welchem der Schritt des Anordnens das Anordnen eines
Substrats in einer epitaxialen metallorganischen
Gasphasenbeschichtungskammer ummfaßt und das Verfahren
zwischen dem ersten schichtausbildenden Schritt und dem
die binäre Schicht ausbildenden Schritt den Schritt
umfaßt:
zuerst Spülen der Beschichtungskammer mit einem Gas,
welches ein Gruppe-V-Hydrid umfaßt, das für die
Zusammensetzung der zuletzt ausgebildeten Schicht
charakteristisch ist, und
dann Spülen der Beschichtungskammer mit einem Gas, das
ein Gruppe-V-Hydrid umfaßt, das für die Zusammensetzung
der nächsten auszubildenden Schicht charakteristisch
ist, und
wobei das Verfahren ferner zwischen dem die binäre
Schicht ausbildenden Schritt und dem die zweite Schicht
ausbildenden Schritt den Schritt umfaßt:
des zuerst Spülens der Kammer mit einem Gas, welches ein
Gruppe-V-Hydrid umfaßt, das für die Zusammensetzung der
zuletzt ausgebildeten Schicht charakteristisch ist und
dann des Spülens der Beschichtungskammer mit einem ein
Gruppe-V-Hydrid umfassenden Gas, das für die
Zusammensetzung der nächsten auszubildenden Schicht
charakteristisch ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
bei welchem die erste Schicht InGaAs, die zweite Schicht
InGaAsP, die binäre Schicht InP und die Gruppe-V-Hydride
zum Spülen Arsen und Phosphin sind.
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