DE69104650T2

DE69104650T2 - Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers.

Info

Publication number: DE69104650T2
Application number: DE69104650T
Authority: DE
Inventors: Masato Nakajima; Tomoko Suzuki; Akira Takamori; Tatsuo Yokotsuka
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1990-06-05
Filing date: 1991-06-05
Publication date: 1995-03-30
Anticipated expiration: 2011-06-06
Also published as: EP0460937A2; US5190891A; EP0460937A3; EP0460937B1; DE69104650D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterlaser-Vorrichtung.
Eines der typischen bekannten Materialien für sichtbares Licht emittierende Halbleiterlaser-Vorrichtungen ist (AlxGa1-x)0,5In0,5P, wobei 0 ≤ x ≤ 1. Unter den Verbindungshalbleitern der Elemente der Gruppe III-V des Periodensystems zeigen die (AlGa)0,5In0,5-Verbindungen die höchste Bandlücken-Energie mit Ausnahme der Nitride des Elements. Demgemäß werden sie gewöhnlich als eine Halbleiterlaser-Vorrichtung mit der Eigenschaft angewendet, Licht zu emittieren oder einen roten Farbbereich auszustrahlen. Für die Herstellung einer Halbleiterlaser-Vorrichtung unter Verwendung von (AlGa)0,5In0,5P wird zuerst ein GaAs-Substrat bereitgestellt, auf dem die vorstehenden Verbindungshalbleiter unter Bildung einer Verbindungshalbleiter Struktur, die ein Paar von Mantelschichten umfaßt, die eine aktive Schicht zwischen ihnen sandwich-artig umgeben, epitaxial gewachsen werden. Das epitaxiale Wachstum wird gewöhnlich auf der (0,0,1)-Ebene des GaAs-Substrats aufgrund der Erleichterung der Herstellung solch eines Substrats und auch des epitaxialen Wachstums durchgeführt. Wenn jedoch GaInp auf der (0,0,1)-Schicht des Substrats gewachsen wird, wird automatisch eine sogenannte "Monolage Übergitter-Struktur oder geordnete Struktur" gebildet, wobei die In-Atomebenen und Ga-Atomebenen abwechselnd in den [ ,1,1]- und [1, ,1]-Richtungen angeordnet sind, während eine P-Atomebene zwischen den beiden Atomebenen dazwischenliegt.
Diese "Monolage Übergitter-Struktur" tritt stark in der Nähe der Wachstumstemperatur auf, bei der Kristalle guter Qualität erhalten werden. Die Vollständigkeit der Struktur hängt stark von den Wachstumsbedingungen, welche das Zuführverhältnis (d. h. das Verhältnis zwischen den Atomen der Gruppe V und den Atomen der Gruppe III), die Wachstumstemperatur und dergleichen umfassen, ab. Die Fläche, in der die "Monolage Übergitter" gebildet wird und die Vollständigkeit der Anordnung hängen von diesen Bedingungen ab.
Die Bildung der "Monolage Übergitter-Struktur" ist nicht nur im GaInP/(0,0,1)-GaAS-System, sondern auch in (AlxGa1-x)0,5In0,5P/(0,0,1)-GaAs-Systemen beobachtet worden. Die "Monolage Übergitter-Struktur" hat eine Beziehung zur Größe der Bandlückenenergie (Eg), dem Akzeptor-Niveau (Ea) und dem Donor-Niveau (Ed). Es ist bekannt, daß, wenn der Vollständigkeitsgrad der Anordnung hoch wird, die Werte von Eg, Ea und Ed klein werden. Andererseits führt ein niedriger Vollständigkeitsgrad zu hohen Werten von Eg, Ea und Ed.
Bei den Halbleiterlaser-Vorrichtungen unter Verwendung der aktiven Schicht und von Mantelschichten, in denen GaInP- oder AlGaInP-Verbindungen verwendet werden, tritt, wenn die Monolage Übergitter-Struktur gebildet wird, ein Phänomen auf, daß die emittierte Laser-Wellenlänge größer wird, als aus den Schicht-Zusammensetzungen erwartet. Wenn beispielsweise GaInP an ein GaAs-Substrat gitterangepaßt wird, beträgt die Bandlückenenergie 1,91 eV, was einer Wellenlänge von 649 nm entspricht. Die emittierte Laser-Wellenlänge einer Halbleiterlaser-Vorrichtung, die unter Verwendung von GaInp hergestellt worden ist, liegt in dem Bereich von ungefähr 670 bis 680 nm. Das heißt, daß die Bandlückenenergie um 50 bis 90 meV kleiner wird. Die Wellenlängendifferenz entspricht einer Differenz der Sichtbarkeit um ungefähr das 10fache. Dies stellt eines der Probleme dar, die unter Umständen zu lösen sind, bei denen es eine starke Nachfrage für kürzere Laser-Wellenlängen gibt. Das Problem tritt auch in dem Fall auf, in dem AlGaInP als die aktive Schicht verwendet wird.
Wenn die Mantelschicht, die aus einer GaInP- oder AlGaInP-Verbindung besteht, bei hohen Konzentrationen dotiert ist, tritt eine sogenannte "Unordnung" unter Zerstörung der "Monolage Übergitter-Struktur" auf, was zu Kristallen mit einer gewöhnlichen Bandlückenenergie führt. Dies bringt größere Werte von Eg, Ea und Ed mit der Verringerung der scheinbaren Aktivität des Dotiermittels mit sich. Beispielsweise wird AlInP auf ein GaAs-Substrat gemäß der Gasquellen-Molekularstrahlepitaxie (GSMBE) gewachsen, während es mit einem p-Typ Beryllium-Dotiermittel dotiert wird. Die Beziehung zwischen der elektrischen Aktivität (d. h. dem Konzentrationsverhältnis zwischen dem Akzeptor und Be) und der Be-Konzentration ist in Fig. 1 gezeigt. Die Figur zeigt, daß, wenn die Be-Konzentration erhöht wird, die elektrische Aktivität abrupt abnimmt. Es wird erachtet, daß der Grund hierfür folgender ist: die "Monolage Übergitter-Struktur" wird ungeordnet, wenn die Be-Konzentration in dem Bereich von 1 x 10¹&sup8; bis 2 x 10¹&sup9; cm&supmin;³ liegt, so daß das Akzeptor-Niveau tief wird, und so findet die thermische Anregung von positiven Löchern in zufriedenstellender Weise statt, wobei sich die Löcher-Konzentration nicht erhöht.
Bei der Herstellung einer Halbleiterlaser-Vorrichtung werden die Mantelschichten dick aufgrund der Dotierung mit einem Dotiermittel. Dies führt in solch einem Maß zu einem hohen elektrischen Widerstand in den Schichten, daß sich der Hauptteil des Widerstands des Elements sich auf den Mantelbereich konzentriert. An dem Mantelbereich wird die Joule'sche Wärme erzeugt mit dem damit verbundenen Problem, daß der Leistungsverbrauch zusammen mit einem Anstieg des Schwellenstroms ansteigt.
Andererseits hat die Steuerung der Bildung der "Monolage Übergitter-Struktur" mit dem Zuführquellen-Verhältnis (Element der Gruppe V/Elemente der Gruppe III) die folgenden Probleme.
Fig. 2 zeigt eine Schwankungskurve der Bandlückenenergie Eg für unterschiedliche Wachstumsbedingungen, die bei metallorganischer Dampfphasenepitaxie (MOVPE) verwendet werden. Wie aus dieser Figur zu sehen ist, erreicht, wenn das Zuführquellen- Verhältnis niedrig gemacht wird und die Wachstumstemperatur hoch gemacht wird (bei einem höheren Niveau als 700 ºC), die Bandlückenenergie ungefähr 1,9 eV, die dem Verbindungshalbleiter GaInP eigen ist. So kann eine kurze Laser-Wellenlänge realisiert werden. Wenn jedoch die Wachstumstemperatur so hoch gemacht wird, daß eine Bandlückenenergie von 1,9 eV erhalten werden kann, tritt das Problem auf, daß die Ausbeute der Lichtemission aufgrund der hohen Temperatur erniedrigt wird.
In JP-63-236 314 und JP 1-286 480 werden Laser vom InGaAlP-Typ beschrieben, bei denen eine Sandwich-Struktur aus Mantelschicht-aktive Schicht-Mantelschicht auf einem GaAs-Substrat gewachsen wird.
Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterlaser-Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, durch das die mit den Techniken des Stands der Technik verbundenen Probleme verringert werden und eine Halbleiterlaser-Vorrichtung mit guten Arbeitseigenschaften bereitstellt werden kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterlaser-Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die frei von jeglichem ungünstigen Einfluß der "Monolage Ubergitter-Struktur", wie sie in den Verfahren des Stands der Technik gebildet werden wird, ist und die zuverlässig bei niedrigem Leistungsverbrauch und mit einer kurzen Laser-Wellenlänge betrieben werden kann.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterlaser-Vorrichtung zur Verfügung gestellt, das umfaßt:
Bereitstellen eines GaAs-Einkristall-Substrats von einem Leitfähigkeitstyp; und
epitaxiales Wachsen einer ersten Mantelschicht eines Verbindungshalbleiters von einem Leitfähigkeitstyp, dargestellt durch die Formel (AlxGa1-x)0,5In0,5P, wobei 0,4 ≤ x ≤ 1, auf einer (0,0,1)-Ebene des Substrats, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt zum:
Epitaxialen Wachsen einer aktiven Schicht eines Verbindungshalbleiters mit der Formel (AlyGa1-y)0,5In0,5P, wobei 0 ≤ y ≤ 0,35, vorausgesetzt, daß x und y so ausgewählt sind, daß der Wert von (x-y) nicht weniger als 0,4 ist, auf der ersten Mantelschicht, wobei die aktive Schicht bei einer Geschwindigkeit von nicht weniger als 2,0 um/Stunde gewachsen wird; und zum
epitaxialen Wachsen einer zweiten Mantelschicht eines Verbindungshalbleiters des anderen Leitfähigkeitstyps, dargestellt durch die Formel, die bezüglich der ersten Mantelschicht definiert ist, auf der aktiven Schicht, wobei mindestens eine der ersten und zweiten Mantelschicht, diejenige, die vom p-Leitfähigkeitstyp ist, bei einer Geschwindigkeit von nicht größer als 0,5 um/Stunde gewachsen wird, was ausreicht, um in der Schicht eine Monolagen-Übergitter-Struktur zu bilden.
Die Wachstumsraten der ersten und zweiten Mantelschichten liegen vorzugsweise in einem Bereich von nicht größer als 0,5 um/Stunde.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung und die begleitenden Zeichnungen näher beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine graphische Darstellung ist, die die Beziehung zwischen der elektrischen Aktivität und der Be-Konzentration in einer Be-dotierten, durch Gasquellen-Molekularstrahlepitaxie gewachsenen AlInP-Schicht zeigt;
Fig. 2 eine graphische Darstellung ist, die die Beziehung zwischen der Wachstumstemperatur von durch metallorganische Gasphasenepitaxie gebildetem GaInP, dem Verhältnis eines Elements aus Gruppe V und eines Elements aus Gruppe III und der Energiebandlücke, die durch Photolumineszenzmessung bestimmt wurde, zeigt;
Fig. 3 eine graphische Darstellung ist, die die Beziehung zwischen der Bandlückenenergie Eg und der Wachstumsrate von durch Gasquellen-Molekularstrahlepitaxie gemäß der vorliegenden Erfindung gewachsenem GaInP zeigt; und
Fig. 4 eine graphische Darstellung ist, die die elektrische Aktivität eines Be-Dotiermittels von Be-dotiertem, durch Gasquellen-Molekularstrahlepitaxie gemäß der vorliegenden Erfindung gewachsenem AlInP zeigt.
Bei dem Verfahren der Erfindung wird zuerst ein GaAs-Einkristallsubstrat von einem Leitfähigkeitstyp bereitgestellt. Vor Bildung einer Mantelschicht wird das Substrat in einer üblichen Weise behandelt, z. B. wird es mit einem organischen Lösungsmittel und dann mit Wasser gewaschen, nachfolgend mit einer Säurelösung geätzt, um Verspannungen von der Oberfläche des Substrats zu entfernen. Das Substrat wird ferner einer Entfernung einem Oxidfilms von der Oberfläche in einer Dampf- Atmosphäre aus beispielsweise As bei einer angemessenen Temperatur von 500 bis 550 ºC unterzogen.
Eine erste Mantelschicht von einein Leitfähigkeitstyp wird darauffolgend auf der (0,0,1)-Ebene des Substrats durch Gasquellen-Molekularstrahlepitaxie unter Verwendung von festem Gallium mit einer Reinheit von 99,99999 % und festem Indium mit einer Reinheit von 99,99999 % als die Elemente von Gruppe III und auch P&sub2;, das durch die thermische Zersetzung von Phosphin-Gas (PH&sub3;) mit einer Reinheit von 100 % erhalten wurde, gewachsen. Die Epitaxie wird bei einem reduzierten Druck von 5 x 10&supmin;&sup5; bis 1 x 10&supmin;&sup4; Torr durchgeführt. Die gebildete Mantelschicht sollte eine Zusammensetzung mit der Formel (AlxGa1-x)0,5In0,5P haben, wobei 0,4 ≤ x ≤ 1.
Die Leitfähigkeit der Mantelschicht kann entweder vom n-Typ oder vom p-Typ sein. Für die Leitfähigkeit vom n-Typ kann mit einer Si-, S- oder einer ähnlichen Verunreinigung in einer Menge von 2 bis 50 x 10¹&sup7; cm&supmin;³ dotiert werden. In ähnlicher Weise kann für die Leitfähigkeit vom p-Typ mit einer Verunreinigung wie Be, Mg oder dergleichen in einer Menge von 2 bis 50 x 10¹&sup7; cm&supmin;³ dotiert werden.
Bei der Ausführung der Erfindung ist es wichtig, daß die Bildung der "Monolage Übergitter-Struktur" gesteuert wird, indem die Wachstumsraten der ersten und zweiten Mantelschicht gesteuert werden, und eine aktive Schicht zwischen den beiden Schichten bereitgestellt wird. Insbesondere ist für die Mantelschichten die Bildung der Übergitter-Struktur notwendig. Im Gegensatz ist für die aktive Schicht solch eine Bildung aus den nachstehend diskutierten Gründen sehr unerwünscht.
Im Stand der Technik hing die Steuerung der Bildung von dem Typ des verwendeten Dotiermittels und der Steuerung des Zuführquellen-Verhältnisses zwischen dem Element der Gruppe V und den Elementen der Gruppe III und dergleichen ab.
Die Mantelschicht ist aus AlGaInP gemacht, das mit einer Verunreinigung dotiert ist. Wenn die Konzentration des Dotiermittels auf einen Bereich von 1 x 10¹&sup8; bis 1 x 10¹&sup9; cm&supmin;³ erhöht wird, dann wird die elektrische Aktivität aufgrund der Unordnung der "Monolage Ubergitter-Struktur" erniedrigt. Durch diese Unordnung wird das Akzeptor-Niveau so tief, daß positive Löcher nicht ausreichend thermisch aktiviert werden können. So nimmt die Anzahl der Löcher nicht zu. Die elektrische Aktivität kann erhöht werden, indem die Wachstumsrate der Mantelschicht gesteuert wird. Mit anderen Worten sollten die Mantelschichten, insbesondere eine Mantelschicht vom p-Typ, gebildet werden, so daß sie eine "Monolage Übergitter-Struktur" haben. Um eine vollständige Anordnung der "Monolage Übergitter-Struktur" zu erreichen, sollte die Mantelschicht vom p-Typ bei einer Rate von nicht größer als 0,5 um/Stunde gewachsen werden, vorzugsweise nicht weniger als 0,2 um/Stunde und bevorzugter von 0,1 bis 0,2 um/Stunde. Wenn die Mantelschicht vom n-Leitfähigkeitstyp ist, wird leichter eine hohe Aktivität erreicht als in dem Fall der Mantelschicht vom p-Typ, aufgrund der physikalischen Eigenschaften der Mantelschicht vom n-Typ. Es ist jedoch schwierig, eine hohe elektrische Aktivität für die Mantelschicht vom p-Typ zu erhalten. Insbesondere, wenn die Mantelschicht vom p-Typ geeignet ist, um einen Strahl roter Farbe oder Licht zu emittieren, erfordert die Bildung der "Monolage Übergitter-Struktur" eine langsame Wachstumsrate, wie vorstehend definiert, obwohl die Aktivität von ungefähr 1 für die Mantelschicht vom n-Typ bei einer Wachstumsrate von nicht größer als 1 um/Stunde erhalten wird.
Es ist anzumerken, daß eine Pufferschicht, beispielsweise aus GaAs zwischen dem Substrat und der ersten Mantelschicht bereitgestellt werden kann.
Auf der ersten Mantelschicht, die entweder vom n- oder p-Leitfähigkeitstyp ist, wird ferner eine aktive Schicht gebildet. Die aktive Schicht wird epitaxial durch Verwendung eines Verbindungshalbleiters mit der Formel (AlyGa1-y)0,5In0,5P, wobei 0 ≤ y ≤ 0,35, gewachsen. In der Praxis wird der Wert für y so ausgewählt, daß der Wert für x des für die Mantelschicht verwendeten Halbleiters abzüglich des Werts von y nicht weniger als 0,4 ist. Dadurch wird eine zufriedenstellende Bandlücke zwischen der Mantelschicht und der aktiven Schicht sichergestellt.
Die aktive Schicht sollte bei einer schnelleren Rate als die Mantelschicht gewachsen werden. Wie vorstehend festgestellt, hängt die Vollständigkeit der Anordnung der "Monolage Übergitter-Struktur" stark von der Wachstumsrate von Kristallen ab. Wenn die Wachstumsrate hoch ist, wird der Vollständigkeitsgrad erniedrigt. Dies ist, weil die Elemente der Gruppe III, die an der Wachstumsoberfläche ankommen, an der Position der Atomstellen, die die "Monolage Übergitter-Struktur" bilden, nach Bewegung durch die Oberfläche sein müssen, so daß die für Binden und Kristallisation der Phosphor-Atome, die an der Oberfläche ankommen, erforderliche Zeit kürzer als eine für die Vollständigkeit erforderliche Durchschnittszeit wird. Demgemäß wird, wenn die Wachstumsrate der aktiven Schicht groß ist, eine Reduktion der Bandlücke aufgrund der Ordnung der Kristalle, die von der "Monolage Übergitter-Struktur" abgeleitet wird, verhindert. Als ein Ergebnis wird eine von Natur aus anhaftende Bandlücke erhalten, die eine kurze Laser-Wellenlänge der sich ergebenden Halbleiterlaser-Vorrichtung möglich macht.
Die Wachstumsrate der aktiven Schicht sollte vorzugsweise nicht weniger als 2,0 um/Stunde, bevorzugter nicht weniger als 3,0 um/Stunde und am bevorzugtesten 3,0 um/Stunde bis 5,0 um/Stunde betragen.
Die aktive Schicht ist an die (0,0,1)-Ebene des Substrats gitterangepaßt.
Für die Bildung der aktiven Schicht werden die Elemente der Gruppe III und das Element der Gruppe V bei vorbestimmten Verhältnissen in derselben Weise wie für die erste Mantelschicht bereitgestellt und mit Molekularstrahlepitaxie epitaxial gewachsen unter Bedingungen einer Temperatur von 450 bis 530 ºC bei einem reduzierten Druck von 5 x 10&supmin;&sup5; bis 1 x 10&supmin;&sup4; Torr. Die Bandlückenergie der aktiven Schicht kann innerhalb eines Bereichs von 1,85 eV bis 1,91 eV variiert werden.
Danach wird eine zweite Mantelschicht, deren Leitfähigkeitstyp zu dem der ersten Schicht entgegengesetzt ist, auf der aktiven Schicht in derselben Weise wie die erste Mantelschicht gewachsen, wobei Rücksicht auf die Wachstumsrate, die vom Leitfähigkeitstyp abhängt, genommen werden sollte. Der Halbleiter mit derselben Zusammensetzung wie in der ersten Mantelschicht wird verwendet, außer, daß eine Verunreinigung, die die Eigenschaft hat, den anderen Leitfähigkeitstyp zu verleihen, in den für die zweite Mantelschicht verwendeten Verbindungshalbleiter dotiert wird. Hinsichtlich des Leitfähigkeitstyps sollte, wenn das Substrat aus einem n-Typ Halbleiter hergestellt wird, die erste Mantelschicht aus einem n-Typ Halbleiter hergestellt werden und die zweite Mantelschicht sollte aus einem p-Typ Halbleiter hergestellt werden. Wenn das Substrat vom p-Typ ist, sollte die erste Mantelschicht vom p-Typ sein und die zweite Mantelschicht sollte vom n-Typ sein. Wie vorstehend erwähnt, sollte mindestens die Mantelschicht vom p-Typ bei einer Rate von nicht größer als 0,5 um/Stunde gewachsen werden. Vorzugsweise werden beide Mantel schichten bei einer Rate von nicht weniger als 0,5 um/Stunde gewachsen.
Die Halbleiterlaser-Vorrichtung, bei der die aktive Schicht und die erste und zweite Mantelschicht in solch einer Weise wie vorstehend beschrieben gebildet wird, wird eine kurze Laser-Wellenlänge von 650 bis 660 nm sichergestellt, und die Vorrichtung hat einen niedrigen Schwellenwert, einen niedrigen Leistungsverbrauch, eine hohe Betriebstemperatur und eine gute Zuverlässigkeit.
Die aktive Schicht und die erste und zweite Mantelschicht können durch Molekularstrahlepitaxie-Techniken gebildet werden, die nicht nur Gasquellen-MBE, sondern auch metallorganische Molekularstrahlepitaxie (MOMBE), Chemiestrahlepitaxie (CBE, "Chemical beam epitaxy") und metallorganische Dampfphasenepitaxie (MOVPE) umfassen. Die Dicke der aktiven Schicht liegt im allgemeinen in dem Bereich von 0,04 bis 0,1 um, und die Dicke der ersten und zweiten Mantelschicht liegt im allgemeinen in dem Bereich von 0,6 bis 1,0 um.
Die vorliegende Erfindung wird näher durch Beispiele beschrieben.

Beispiel 1

Ein GaAs-Substrat, das mit Trichlorethan, Aceton oder Methanol und dann mit Wasser gewaschen worden war, wurde zur Verfügung gestellt. Das Substrat wurde mit einer vermischten Lösung aus H&sub2;SO&sub4;, H&sub2;O&sub2; und H&sub2;O bei einem volumenmäßigen Mischungsverhältnis von 3:1:1 geätzt, um die Verspannungen an der Oberfläche, die während der Verarbeitung erzeugt worden waren, zu entfernen. Das GaAs-Substrat wurde in eine Molekularstrahlepitaxie- Kammer gelegt und einer Behandlung in einer As-Atmosphäre bei einer Temperatur von 500 bis 550 ºC unter Entfernung eines Oxidfilms von der Oberfläche des Substrats unterzogen.
Das so behandelte Substrat wurde bei 600 ºC gehalten, worauf GaAs in einer Dicke von ungefähr 0,2 um als eine Pufferschicht gewachsen wurde.
Danach wurde eine erste Mantelschicht aus (AlxGa1-x)0,5In0,5P, wobei 0,4 ≤ x ≤ 1, dotiert mit Si in einer Konzentration von 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³, auf der Pufferschicht in einer Dicke von 0,8 um bei einer Wachstumsgeschwindigkeit von 1,0 um/Stunde gebildet, die an die (0,0,1)-Ebene des Substrats gitterangepaßt war.
Während das Substrat bei 500 ºC gehalten wurde, wurden Ga0,5In0,5P-Einkristalle auf der (0,0,1)-Ebene des Substrats als eine aktive Schicht bei einer Rate von 3 um/Stunde bis zu einer Dicke von ungefähr 1 um gebildet.
Eine zweite Mantelschicht wurde in derselben Weise wie die erste Mantelschicht gebildet, außer, daß mit einer Be-Verunreinigung in einer Konzentration von 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ dotiert wurde.
Die Verbindungshalbleiter für die aktive Schicht und die erste und zweite Mantelschicht wurden gemäß einem Gasquellen-Molekularstrahlepitaxie-Verfahren unter Verwendung von festem Gallium mit einer Reinheit von 99,99999 %, das bei 930 ºC gehalten wurde, festem Indium mit einer Reinheit von 99,99999 %, das bei 730 ºC gehalten wurde, und P&sub2;, das durch thermische Zersetzung von 100 % Phosphin-Gas (PH&sub3;) bei 900 ºC unter Bedingungen von ungefähr 8 x 10&supmin;&sup5; Torr erhalten wurde, gebildet.
Der vorstehende Vorgang wurde unter Verwendung einer Wachstumsrate der aktiven Schicht im Bereich von 0,1 bis 4,0 um wiederholt. Die Beziehung zwischen der Bandlückenenergie und der Wachstumsrate ist in Fig. 3 gezeigt.
Aus der Figur ist zu sehen, daß sich die Bandlückenenergie von 1,85 eV auf 1,19 eV verändert hat. Wenn die Wachstumsrate nicht weniger als ungefähr 3 um/Stunde war, erreichte die Bandlückenenergie ungefähr 1,9 eV, wobei dieser Wert Ga0,5In0,5P von Natur aus anhaftet. Es ist zu bemerken, daß, wenn die Wachstumsrate ungefähr 2 um war, die Bandlückenenergie ungefähr 1,9 eV war. Ein bei 650 nm emittierter Laserstrahl konnte erhalten werden.
Obwohl in dem vorstehenden Beispiel Ga0,5In0,5P verwendet wurde, werden ähnliche Ergebnisse erhalten, wenn der Verbindungshalbleiter mit der Formel (AlyGa1-y)0,5In0,5P, worin 0 ≤ y ≤ 0,35, verwendet wurde.
Wie aus dem vorstehenden Beispiel deutlich wird, kann, wenn die Wachstumsrate höher als bei der Mantelschicht gemacht wird und ausreicht, um die "Monolage Übergitter-Struktur" in Unordnung zu bringen, die Verringerung der Bandlücke verhindert werden, so daß eine kurze Laser-Wellenlänge erreicht wird.

Beispiel 2

Dieses Beispiel veranschaulicht die elektrische Aktivität einer mit Be dotierten Mantelschicht vom p-Leitfähigkeitstyp, indem die Wachstumrate der Mantelschicht verändert wird.
In derselben Weise wie in Beispiel 1 wurde die Pufferschicht auf dem GaAs-Substrat gebildet, auf dem Al0,5In0,5P bei einer Temperatur von 500 ºC bei einer Wachstumsrate von 0,1 um bis 2,0 um gewachsen wurde, während mit einer Be-Konzentration von 1 x 10¹&sup9; cm&supmin;³ dotiert wurde.
Die Aktivität der Mantelschicht vom p-Typ wurde durch Hall- Messung und Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) bestimmt.
Die Beziehung zwischen der elektrischen Aktivität und der Wachstumsrate ist in Fig. 4 gezeigt.
Aus der Figur ist zu sehen, daß, wenn die Wachstumsrate bei 0,2 um/Stunde liegt, die elektrische Aktivität ungefähr 0,8 ist. Wenn mit Be dotiert wird, wird eine angemessene Löcher- Konzentration sichergestellt. Wenn die Wachstumsrate ungefähr 0,1 um/Stunde beträgt, ist die elektrische Aktivität näher bei 1. Bei einer Wachstumsrate von 0,5 um/Stunde ist die Aktivität 0,5. Wenn jedoch die Rate unterhalb 0,1 um ist, wird es eine relativ lange Zeit erfordern.
Als die Wachstumsrate 0,2 um/Stunde war, änderte sich die Resistivität von 0,3 X cm, erhalten bei einer Wachstumsrate von 1 um/Stunde, auf 0,1 X cm. Bei einer Wachstumsrate von 0,5 um/Stunde ist die Resistivität niedriger als 0,3 X cm, die bei einer Wachstumsrate von 1 um/Stunde erhalten wurde, und ist nahe bei 0,1 X cm mit wenig Problemen in der praktischen Anwendung. Wenn die Aktivität 0,5 oder darüber ist, wird eine zufriedenstellend niedrige Resistivität erhalten. Dies ist, warum die Wachstumrate von mindestens der Mantelschicht vom p- Typ als nicht größer als 0,5 um/Stunde definiert wird. Selbstverständlich ergibt, bei einer Mantelschicht vom n-Typ, die beispielsweise mit Si dotiert ist, die Wachstumsrate von nicht größer als 0,5 um vorteilhafte Ergebnisse und sie wird vorzugsweise darauf festgelegt.
Die Ergebnisse der Beispiele sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt. Tabelle Wachstumsrate der aktiven Schicht (um/Stunde) Wachstumsrate der Mantelschicht (um/Stunde) sehr schlecht beschneiden gut oder mehr sehr gut
Aus der vorstehenden Tabelle ist zu sehen, daß gute Ergebnisse erhalten werden, wenn die Wachstumsrate der Mantelschicht nicht größer als 0,5 um/Stunde ist, vorzugsweise nicht größer als 0,2 um/Stunde und bevorzugter von 0,1 bis 0,2 um/Stunde ist und auch, wenn die Wachstumsrate der aktiven Schicht nicht weniger als 2,0 um/Stunde ist, vorzugsweise nicht weniger als 3,0 um/Stunde. In diesen Bereichen kann die sich ergebende Halbleiterlaser-Vorrichtung bei einer kurzen Wellenlänge von ungefähr 649 nm angeregt werden.
Wenn eine Gasquellen-Molekularstrahlepitaxie-Technik verwendet wird, ist die Wachstumsrate am bevorzugtesten von 3,0 bis 5,0 um in Hinblick auf die Kristallform der aktiven Schicht.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterlaser-Vorrichtung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

Bereitstellen eines GaAs-Einkristall-Substrats von einem Leitfähigkeitstyp; und

epitaxiales Wachsen einer ersten Mantelschicht eines Verbindungshalbleiters von einem Leitfähigkeitstyp, dargestellt durch die Formel (AlxGa1-x)0,5In0,5P, wobei 0,4 ≤ x ≤ 1, auf einer (0,0,1)-Ebene des Substrats, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt zum:

Epitaxialen Wachsen einer aktiven Schicht eines Verbindungshalbleiters mit der Formel (AlyGa1-y)0,5In0,5P, wobei 0 ≤ y ≤ 0,35, vorausgesetzt, daß x und y so ausgewählt sind, daß der Wert von (x - y) nicht weniger als 0,4 ist, auf der ersten Mantelschicht, wobei die aktive Schicht bei einer Geschwindigkeit von nicht weniger als 2,0 um/Stunde gewachsen wird; und zum

epitaxialen Wachsen einer zweiten Mantelschicht eines Verbindungshalbleiters des anderen Leitfähigkeitstyps, dargestellt durch die Formel, die bezüglich der ersten Mantelschicht definiert ist, auf der aktiven Schicht, wobei mindestens eine der ersten und zweiten Mantelschicht, diejenige, die vom p-Leitfähigkeitstyp ist, bei einer Geschwindigkeit von nicht größer als 0,5 um/Stunde gewachsen wird, was ausreicht, um in der Schicht eine Monolagen-Übergitter-Struktur zu bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Wachstumsgeschwindigkeit von der mindestens einen Mantelschicht nicht größer als 0,2 um/Stunde ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Wachstumsgeschwindigkeit von sowohl der ersten als auch der zweiten Mantelschicht nicht größer als 0,5 um/Stunde ist.

4. Verfahren nach Anpruch 3, wobei die Wachstumsgeschwindigkeit von sowohl der ersten als auch der zweiten Mantelschicht nicht größer als 0,2 um/Stunde ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, wobei die Wachstumsgeschwindigkeit der aktiven Schicht nicht weniger als 3,0 um/Stunde ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Wachstumsgeschwindigkeit der aktiven Schicht innerhalb eines Bereichs von 3,0 um/Stunde bis 5,0 um/Stunde liegt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine der ersten und der zweiten Mantelschicht, diejenige, die vom p-Leitfähigkeitstyp ist, mit Be dotiert wird.