DE69118113T2

DE69118113T2 - Optische Halbleiteranordnung und ihr Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69118113T2
Application number: DE69118113T
Authority: DE
Inventors: Yutaka Nagai; Akira Takemoto; Hitoshi Watanabe
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1990-11-14
Filing date: 1991-05-28
Publication date: 1996-09-12
Anticipated expiration: 2011-05-29
Also published as: JPH04180283A; DE69118113D1; JP2515051B2; US5126804A; EP0486128B1; EP0486128A3; EP0486128A2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Halbleiterelement und ein Herstellungsverfahren dafür und insbesondere ein optisches Halbleiterelement, das eine Mehrzahl von Quantendrähten oder Quantenbehältern in seinem aktiven Bereich beinhaltet, und ein Verfahren zur einfachen Herstellung des gleichen.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Figur 2 zeigt eine Querschnittsansicht, die eine Struktur einer Quantendraht-Halbleiterlaservorrichtung darstellt, die in einem Dokument von E. Kapon, Applied Physics Letter 55(26), 25. Dezember 1989, S. 2715 bis 2717, offenbart ist. Die Vorrichtung in Figur 2 beinhaltet ein GaAs- Substrat 1 eines n&spplus;-Typs, das mit einer V-förmigen Streifenrille gemustert ist. Eine AlyGa1-yAs-Beschichtungslage 2 eines n-Typs, eine erste AlxGa1-xAs-SCH-(Separate-Confinement-Heterostruktur)-Schicht 3, eine GaAs-Potentialsenkenschicht 4, eine zweite AlxGa1-xAs-SCH-Schicht 5, eine AlyGa1-yAs-Beschichtungslage 6 eines p-Typs und eine GaAs- Kontaktschicht 7 eines p&spplus;-Typs werden aufeinanderfolgend auf das Substrat 1 geschichtet, das die Gestaltung der V- förmigen Streifenrille behält. Eine p-seitige Elektrode 8 ist auf der Kontaktschicht 7 angeordnet und eine n-seitige Elektrode (hier nicht gezeigt) ist auf der gesamten hinteren Oberfläche des Substrats 1 angeordnet. Ein Bereich 22 eines hohen Widerstandes ist in der AlyGa1-yAs-Beschichtungslage 6 des p-Typs und der GaAs-Kontaktschicht 7 des p&spplus;-Typs durch Protonenimplantation ausgebildet.
Es wird eine Beschreibung der Funktionsweise gegeben.
Wenn ein Strom, der gleich dem Schwellwertstrom oder mehr ist, in der Vorwärtsrichtung in den pn-Übergang des in Figur 2 gezeigten Quantendraht-Halbleiterlasers injiziert wird, tritt eine Laseroszillation in der Senkenschicht 4 auf, und dann wird ein Laserlicht abgestrahlt. Während ein herkömmlicher Halbleiterlaser einen aktiven Bereich einer Dicke von ungefähr 0.05 bis 0.2 µm aufweist, weist ein Potentialsenkenlaser eine Potentialsenkenschicht einer Dicke von ungefähr 300 Angström oder weniger auf. In einer sol chen ziemlich dünnen Schicht tritt ein Quanteneffekt so auf, daß Elektronen in der Richtung der Filmdicke lokalisiert werden. Als Ergebnis wird in dem Potentialsenkenlaser eine höhere Verstärkung als in dem herkömmlichen Halbleiterlaser erzielt und Effekte von Verringerungen des Schwellwertstroms und des Betriebsstroms als Verbesserungen der Lasercharakteristiken werden erwartet. Der Quantendraht-Halbleiterlaser wird dadurch erzielt, daß eine Quantisierung zusätzlich zu der Richtung der Schichtdicke, die in dem Potentialsenkenlaser bewirkt wird, ebenso in der horizontalen Richtung realisiert wird. Dieser Quantendraht- Halbleiterlaser kann einen hervorragenderen Quantisierungseffekt hervorbringen.
Bei der in Figur 2 gezeigten Quantendraht-Halbleiterla servorrichtung wird eine Potentialsperre durch die epitaxial aufgewachsenen Schichten auf der V-förmigen Rille ebenso in der horizontalen Richtung ausgebildet. Elektronen und Löcher werden in die Potentialsperre eingeschlossen und dann quantisiert. Wenn die Länge des Quantendrahtstreifens ungefähr 500 Angström oder weniger beträgt, wird außerdem ein sogenannter Quantenbehilter erzielt, in welchem Elektronen und Löcher dreidimensional eingeschlossen werden, so daß der Quanteneffekt hervorragender ist.
Bei der Vorrichtung in Figur 2 hängt die Breite Wz des Quantendrahtes in der horizontalen Richtung stark von der Gestaltung der V-förmigen Rille und der Geschwindigkeit des epitaxialen Wachstums der epitaxial aufgewachsenen Schichten ab. Dies macht es ziemlich schwierig, die Breite Wz mit einer hohen Genauigkeit zu steuern. Des weiteren ist die maximale Ausgangsleistung eines Halbleiterlasers im allge meinen auf einen Pegel beschränkt, bei welchem eine optische Totalbeschädigung (hier im weiteren Verlauf als COD bezeichnet) der Laserfläche auftritt. Um den COD-Pegel zu erhöhen, um die maximale Ausgangsleistung zu verbessern, ist es notwendig, die Querschnittsfläche des Lichtabstrahlungsbereichs zu erhöhen. Jedoch ist es bei der Struktur in Figur 2 unmöglich, zwei oder mehr Quantendrähte in dem aktiven Bereich 1 vorzusehen, was es unmöglich macht, eine hohe Ausgangsleistung zu erzielen.
Figur 3(a) zeigt eine Querschnittsansicht, die eine Halbleiterlaservorrichtung darstellt, die eine zweidimensionale Multiquantumwellstruktur verwendet, die in der Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 63-29989 offenbart ist. Die Vorrichtung in Figur 3(a) weist ein GaAs-Substrat 31 des p-Typs auf. Eine Al0.39a0.7As-Beschichtungslage 32 des p-Typs ist auf dem Substrat 31 angeordnet. Eine zweidimensionale aktive Multiquantumwellschicht 37, die eine Streifengestaltung aufweist, die die einen Resonator bildenden Laserflächen verbindet, ist auf einem Mittenteil der Beschichtungslage 32 in der Breitenrichtung der Laservorrichtung angeordnet. Ein Siliziumdioxid-(SiO&sub2;)-Isolationsfilm 38 ist auf der Beschichtungslage 32 und den Seitenwänden der aktiven Schicht 37 angeordnet. Eine Al0.3Ga0.7As- Beschichtungslage 39 des n-Typs ist auf dem Isolationsfilm 38 und der aktiven Schicht 37 angeordnet. Eine GaAs-Kontaktschicht 40 des n-Typs ist auf der Beschichtungslage 39 angeordnet. Eine p-seitige Elektrode 42 ist auf der hinteren Oberfläche des Substrats 31 angeordnet und eine n-seitigen Elektrode 41 ist auf der Kontaktschicht 40 angeordnet.
Es wird eine Beschreibung der Struktur und des Herstellungsverfahrens der zweidimensionalen aktiven Multiquantumwellschicht 37 dieser Laservorrichtung im Stand der Technik gegeben. Die Figuren 3(b) und 3(c) zeigen das Herstellungsverfahren der zweidimensionalen aktiven Multiquantumwellschicht 37, die in Figur 3(a) gezeigt ist.
Zuerst wird die Beschichtungslage 32 kristallin auf das Substrat 31 aufgewachsen. Dann werden eine AlGaAs-Schicht 33A einer Dicke von 5 nm und eine GaAs-Schicht 33B einer Dicke von 5 nm abwechselnd jeweils zehnmal auf die Beschichtungslage 32 geschichtet, um eine geschichtete Struktur auszubilden. Danach wird ein Photoresistfilm 34 auf der geschichteten Struktur gemustert und dann wird die geschichtete Struktur, die die AlGaAs-Schichten 33A und die GaAs-Schichten 33B aufweist, unter Verwendung des Photoresistfilms 34 als eine Maske weggeätzt. Dann wird die Seitenoberfläche der verbleibenden geschichteten Struktur durch ein reaktives Ionenätzen weiter weggeätzt, um periodische konkave Teile 33C auszubilden, von denen jedes eine Tiefe l aufweist, wie es in Figur 3(b) gezeigt ist. Hier beträgt die Tiefe l 5 nm (50 Angström). Eine solche Ätzgestaltung kann realisiert werden, da es beim reaktiven Ionenätzen möglich ist, die Ätzgeschwindigkeit von AlGaAs durch ein zweckmäßiges Einstellen der Ätzbedingung ungefähr 200mal so hoch wie die von GaAs einzustellen.
Als nächstes werden durch eine Dampfphasenepitaxie abwechselnd ein GaAs-Film 37B und ein AlGaAs-Film 37A auf die Seitenoberfläche der geschichteten Struktur aufgewachsen, die die periodischen konkaven Teile 33C aufweist. Unter Verwendung des Dampfphasenepitaxieverfahrens werden jeweilige Filme auf die Seitenoberfläche der geschichteten Struktur aufgewachsen, die die konkav-konvexe Gestaltung davon präzise wiedergeben, wie es in Figur 3(c) gezeigt ist. Das abwechselnde Wachstum eines GaAs-Films 37B und eines AlGaAs-Films 37A wird wiederholt, bis die Breite des aktiven Bereichs 37 ungefähr 0.8 bis 1 µm wird, was zu der in Figur 3(c) gezeigten Struktur führt.
Danach wird die geschichtete Struktur, die die Algams- Schicht 33A und die GaAs-Schicht 33B aufweist, durch ein herkömmliches Photolithographieverfahren und ein Trockenätzen weggeätzt, um den aktiven Bereich 37 in einer Streifengestaltung auszubilden. Danach werden ein Isolationsfilm 38, eine Beschichtungslage 39 und eine Kontaktschicht 40 darauf ausgebildet und die Elektroden 41 und 42 werden auf der Kontaktschicht bzw. auf der hinteren Oberfläche des Substrats 31 ausgebildet. Somit ist die in Figur 3(a) gezeigte Laserstruktur vervollständigt.
Im weiteren Verlauf wird eine Beschreibung der Funktionsweise gegeben.
Bei der Vorrichtung in Figur 3(a) werden, wenn eine Spannung über den Elektroden 41 und 42 in einer Vorwärtsrichtung bezüglich des pn-Übergangs angelegt wird, Träger in die aktive Schicht 37 injiziert und dann in einem Bereich in der aktiven Schicht 37, der eine kleine Energiebandlücke aufweist, d.h., in dem in Figur 3(c) gezeigten GaAs-Film 37B, eingeschlossen, und sie werden dabei rekombiniert, wodurch Licht abgestrahlt wird. Das äbgestrahlte Licht wird zwischen den Spaltflächen, die einander gegenüberstehend vorgesehen sind und senkrecht zu dem Streifen der aktiven Schicht verlaufen, reflektiert und verstärkt, wodurch eine Laseroszillation auftritt. Da der GaAs-Film 37B eine sehr feine und schlanke lineare Gestaltung aufweist, deren Querschnitt Abmessungen für eine Kante von ungefähr 5 nm aufweist, können hervorragende Lasercharaktenstiken erzielt werden, daß der Schwellwert aufgrund des Quantisierungseffekts von injizierten Trägern verringert wird. Außerdem ist es bei dieser Struktur im Stand der Technik möglich, eine Mehrzahl von Quantendrähten in der aktiven Schicht auszubilden, so daß eine Laservorrichtung, die eine hohe Ausgangsleistung aufweist, realisiert werden kann.
Bei der Quantendraht-Halbleiterlaservorrichtung im Stand der Technik, die gebildet ist,wie es zuvor beschne ben worden ist, werden mehrere Ätzverfahren zum Ausbilden der aktiven Schicht benötigt und deshalb ist das Herstellungsverfahren ziemlich kompliziert. Außerdem ist es ziemlich schwierig, die Quantendrahtstruktur im Stand der Technik an einer herkömmlichen Laservorrichtung, wie zum Beispiel einer Laservorrichtung eines Stegtyps oder einer Laservorrichtung des Typs mit einem inneren Streifen, anzuwenden.
Die Aufmerksamkeit wird auf die Patent Abstracts of Japan, Vol 11, Nr. 224 (E525) und auf die JP-A-62042481 gelenkt, welche eine Vorrichtung dieser Art beschreiben.

KURZFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, welche in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist, ein optisches Halbleiterelement zu schaffen, das einen aktiven Bereich beinhaltet, der eine Mehrzahl von Quantendrähten oder -behältern aufweist, das an einer Laservorrichtung eines Stegtyps oder einer Laservorrichtung eines Typs mit einem inneren Streifen angewendet werden kann und das durch ein einfaches Herstellungsverfahren ausgebildet werden kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Halbleiterelement zu schaffen, das einen aktiven Bereich beinhaltet, der eine Mehrzahl von Quantendrähten oder -behältern aufweist, in welchen der Quanteneffekt verbessert wird.
Andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der im weiteren Verlauf gegebenen detaillierten Beschreibung ersichtlich; es versteht sich jedoch, daß die detaillierte Beschreibung und ein spezifisches Ausführungsbeispiel lediglich veranschaulichend gegeben werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Figur 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Quantendrahtstruktur eines optischen Halbleiterelements zum Zwecke einer Erklärung der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 zeigt eine Querschnittsansicht einer Struktur einer Quantendraht-Laservorrichtung im Stand der Technik;
Figur 3 zeigt eine Querschnittsansicht einer Struktur einer anderen Quantendraht-Laservorrichtung im Stand der Technik;
Figur 4 zeigt eine Querschnittsansicht einer Quantendrahtstruktur eines optischen Halbleiterelements gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Figuren 5(a) bis 5(d) zeigen Querschnittsansichten von Verfahrensschritten zum Herstellen der Quantendraht- oder Quantenbehälterstruktur in Figur 4;
Figur 6(a) zeigt eine perspektivische Ansicht eines in einer Quantendrahtstruktur ausgebildeten Halbleiterlasers;
Figur 6(b) zeigt eine perspektivische Ansicht eines in einer Quantenbehälterstruktur ausgebildeten Halbleiterlasers;
Figur 7(a) zeigt eine perspektivische Ansicht eines einen aktiven Bereich einer Quantendraht- oder Quantenbehälterstruktur aufweisenden Halbleiterlasers eines Stegtyps;
Figur 7(b) zeigt eine perspektivische Ansicht eines einen aktiven Bereich einer Quantendraht- oder Quantenbehälterstruktur aufweisenden Halbleiterlasers eines Typs mit einem inneren Streifen;
Figuren 8(a) bis 8(e) zeigen Querschnittsansichten von Verfahrensschritten zum Herstellen der Halbleiterlaservorrichtung des Stegtyps; und
Figuren 9(a) und 9(b) zeigen Querschnittsansichten von Verfahrensschritten zum Herstellen der Halbleiterlaservorrichtung des Typs mit einem inneren Streifen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindungen werden unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Detail beschrieben.
Figur 1 zeigt ein Querschnittsschema einer Quantendrahtstruktur eines optischen Halbleiterelements.
Figur 4 zeigt eine Querschnittsansicht, die eine Quantendrahtstruktur eines optischen Halbleiterelements gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
Es wird zuerst Bezug auf Figur 1 genommen, in der das Bezugszeichen 12 ein GaAs-Substrat eines n-Typs bezeichnet. Eine AlGaAs-Beschichtungslage 9 eines n-Typs ist auf dem Substrat 12 angeordnet. Eine Mehrzahl von streifenförmigen Rillen, von denen jede einen rechteckigen Querschnitt einer Tiefe d&sub1; und einer Breite x aufweist, sind in der Beschichtungslage 9 parallel zueinander mit einem Abstand y ausgebildet. Eine Senkenschicht 10 einer Dicke w&sub1; und eine Sperrschicht 11 einer Dicke b&sub1; sind abwechselnd auf die Bodenoberfläche der streifenförmigen Rillen der Beschichtungslage 9 und auf die Bereiche zwischen den angrenzenden Rillen geschichtet.
Die Senkenschicht 10 weist zum Beispiel GaAs auf und die Sperrschicht 11 weist zum Beispiel AlGaAs auf, das eine Energiebandlücke aufweist, die ungefähr gleich zu der der Beschichtungslage 9 ist. Die AlGaAS-Beschichtungslage 9 des n-Typs weist eine höhere Energiebandlücke als die der GaAs- Senkenschicht 10 auf, so daß diese Beschichtungslage 9 als eine Sperrschicht dient. In Eigur 1 weisen die Tiefe der Rille d&sub1;, die Dicke der Senkenschicht w&sub1; und die Dicke der Sperrschicht b&sub1; die folgende Beziehung auf:
d&sub1; = w&sub1; = b&sub1;
so daß die streifenförmige Rille vollständig mit den ersten Senkenschichten 10 aufgefüllt ist und ebenso neu ausgebildete Rillen vollständig mit den Sperrschichten 11 aufgefüllt sind. Bei dieser Struktur ist jede Senkenschicht zweidimensional von den Sperrschichten umgeben. Das heißt, die obere, untere und beide seitliche Oberflächen davon werden von den Sperrschichten umgeben. Da die Breite der streifenförmigen Rille x und der Abstand y zwischen den angrenzenden Rillen gleich zueinander sind, weist außerdem die Senkenschicht, die auf der Rille ausgebildet ist, die gleiche Abmessung wie die der Senkenschicht auf, die auf einem Bereich zwischen den angrenzenden Rillen ausgebildet ist. Um die Senkenschicht 10 dazu zu bewegen, daß sie einen Effekt als einen Quantendraht aufweist, ist es notwendig, die Breiten x und y und die Dicke d&sub1; auf ungefähr 20 nm oder weniger einzustellen.
Gemäß dem in Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weisen die Breite der streifenförmigen Rille d&sub2;, die Dicke der Senkenschicht w&sub2; und die Dicke der Sperrschicht b&sub2; die folgende Beziehung auf:
w&sub2; < b&sub2;, (w&sub2; + b&sub2;)/2 d&sub2;
wobei die Dicke der Senkenschicht w&sub2; kleiner als die Dicke der Sperrschicht b&sub2; ist und die Hälfte der Summe von w&sub2; und b&sub2; gleich der Tiefe der Rille d&sub2; ist. In diesem Fall wird die Senkenschicht 10 in einem Mittenteil der angrenzenden Sperrschichten 11 in der Richtung der Schichtdicke angeordnet und somit wird die Senkenschicht 10 vollständig von den Sperrschichten 11 umgeben. Deshalb befinden sich die Kanten jeder Senkenschicht 10 nicht in Kontakt mit irgendwelchen Kanten einer anderen Senkenschicht 10, wie sie es haben würden, wenn die Anordnung in Figur 1 angewendet wird, so daß der Quanteneffekt vollständiger erzielt wird.
Es wird eine Beschreibung einer Quantenbehälterstruktur gegeben, die den Quanteneffekt weiter verbessert.
In der in Figur 4 gezeigten Struktur kann, wenn nicht lediglich die Dicke w und die Breiten x und y der Senkenschicht, sondern ebenso die Länge z davon auf ungefähr 20 nm (200 Å) oder weniger eingestellt werden, eine Quantenbehälterstruktur, in welcher die Senkenschicht 10 dreidimensional von Sperrschichten 11 umgeben wird, das heißt, die oberen und unteren Oberflächen, die beiden seitlichen Oberflächen und die seitlichen Oberflächen, die senkrecht zu der Längsrichtung der Senkenschicht 10 verlaufen, sind mit Sperrschichten 11 umgeben, erzielt werden. Bei dieser Quantenbehälterstruktur wird der Quanteneffekt weiter hervorragender.
Es wird eine Beschreibung eines Herstellungsverfahrens der Quantendrahtstruktur oder Quantenbehälterstruktur des optischen Halbleiterelements gemäß den vorhergehenden Ausführungsbeispielen gegeben.
Die Figuren 5(a) bis 5(d) zeigen Querschnittsansichten, die Verfahrensschritte zur Herstellung der Quantendrahtoder Quantenbehälterstruktur gemäß dem Ausführungsbeispiel in Figur 4 darstellen.
Zuerst wird, wie es in Figur 5(a) gezeigt ist, eine Halbleiterschicht 9, die eine Energiebandlücke aufweist, die der der Sperrschicht der Potentialsenkenstruktur ent spricht, epitaxial auf ein Halbleitersubstrat 12 aufgewachsen. Dann werden, wie es in Figur 5(b) gezeigt ist, Abschnitte der Halbleiterschicht 9 durch ein Trockenätzen weggeätzt, um streifenförmige Rillen 13, von denen jede einen rechteckigen Querschnitt aufweist, dessen Abmessung ausreichend klein ist, um einen Quantendrahteffekt zu bewirken, oder rechteckförmige Rillen ausgebildet, die in einer schachbrettartigen Gestaltung angeordnet sind, deren Abmessung ausreichend klein ist, um einen Quantenbehältereffekt zu bewirken. Die Figuren 6(a) und 6(b) zeigen perspektivische Ansichten, die eine für den Quantendraht verarbeitete Halbleiterschicht bzw. eine für den Quantenbehälter verarbeitete Halbleiterschicht darstellen. In diesen Figuren werden Abmessungen x, y bzw. z auf ungefähr 20 nm oder weniger eingestellt.
Dann wird, wie es in Figur 5(c) gezeigt ist, eine erste Senkenschicht 10 auf den Rillen ausgebildet und danach wird, wie es in Figur 5(d) gezeigt ist, eine erste Sperrschicht 11 auf der Senkenschicht 10 ausgebildet. Auf diese Weise werden die Sperrschicht 10 und die Senkenschicht 11 mehrmals abwechselnd geschichtet. Die Dicken dieser Schichten werden so eingestellt, daß die Dicke der Senkenschicht kleiner als die der Sperrschicht 11 ist und die Summe der Dicke der Sperrschicht 11 und der Dicke der Senkenschicht 10 zweimal so groß wie die Tiefe der Rille ist. Um die in Figur 1 gezeigte Struktur auszubilden, sollten die Dicken der Senkenschicht 10 und Sperrschicht 11 gleich der Tiefe der Rille sein. Als das Kristallwachstumsverfahren wird bevorzugt ein Wachstumsverfahren verwendet, das die Gestaltung des verarbeiteten Halbleiterlasers aufrechterhalten kann und einen Dünnfilm einer Dicke von 10 nm mit einer hohen Wiederholbarkeit ausbilden kann, zum Beispiel ein Dampfphasenepitaxiewachstum, wie zum Beispiel MBE (Molekularstrahlepitaxie) oder MO-CVD (metall-organische chemische Dampfphasenabscheidung).
Bei dem zuvor beschriebenen Herstellungsverfahren kann einfach eine Struktur erzielt werden, die eine Mehrzahl von Quantendrähten oder Quantenbehältern beinhaltet, da das Verfahren eines Schichtens der Senkenschicht 10 und das Verfahren eines Schichtens der Sperrschicht 11 abwechselnd wiederholt werden.
Da die Quantendraht- oder Quantenbehälterstruktur dieses Ausführungsbeispiels direkt in der Halbleiterschicht auf dem Halbleitersubstrat ausgebildete Rillen aufweist und die geschichtete Schichtstruktur darauf ausgebildet ist, kann außerdem diese Struktur einfach als ein aktiver Bereich eines Halbleiterlasers verwendet werden, welcher durch ein verhältnismäßig einfaches Verfahren hergestellt werden kann, wie zum Beispiel ein Halbleiterlaser eines Stegtyps oder ein Halbleiterlaser eines Typs mit einem inneren Streifen. Als Ergebnis wird eine Hochleistungs-Quantendraht- oder Quantenbehälter-Laservorrichtung realisiert.
Die Figuren 7(a) und 7(b) zeigen perspektivische Ansichten, von denen jede einen Halbleiterlaser darstellt, bei welchem die in der Figur 1 oder 4 gezeigte Quantendrahtstruktur als ein aktiver Bereich davon verwendet wird, von welchen Figur 7(a) einen Halbleiterlaser eines Stegtyps zeigt und Figur 7(b) einen Halbleiterlaser eines Typs mit einem inneren Streifen zeigt.
Die Vorrichtung in Figur 7(a) weist ein GaAs-Substrat 12 des n-Typs auf. Eine untere AlGaAs-Beschichtungslage 9 des n-Typs ist auf dem Substrat 12 angeordnet. Eine aktive Schicht 14, die eine Quantendrahtstruktur beinhaltet, ist auf der Beschichtungslage 9 angeordnet. Eine obere AlGaAs- Beschichtungslage 19 des p-Typs ist auf der aktiven Schicht 14 angeordnet. Die Beschichtungslage 19 weist ein streifenförmiges Stegteil auf, welches Spaltflächen 30 und 31 verbindet. Eine GaAs-Deckschicht 20 des p-Typs ist auf dem Stegteil der Beschichtungslage 19 angeordnet. Eine GaAs- Stromsperrschicht 15 des n-Typs ist auf der Beschichtungslage 19 angeordnet, um das Stegteil einzubetten. Eine GaAs- Kontaktschicht 16 des p-Typs ist auf der Stromsperrschicht und der Deckschicht 20 angeordnet. Eine p-seitige Elektrode 17 ist auf der Kontaktschicht 16 angeordnet und eine n-seitige Elektrode 18 ist auf der hinteren Oberfläche des Substrats 12 angeordnet.
In Figur 7(b) werden ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen wie jenen, die in Figur 7(a) gezeigt sind, bezeichnet. Eine erste obere AlGaAs-Beschichtungslage 29 des p-Typs ist auf der aktiven Schicht 14 angeordnet. Eine GaAs-Stromsperrschicht 15 des n-Typs ist auf der ersten Beschichtungslage 29 angeordnet. Diese Stromsperrschicht 15 weist eine streifenförmige Rille auf, die als ein Strompfad dient. Eine zweite AlGaAs-Beschichtungslage 39 des p-Typs ist auf der Stromsperrschicht 15 und der ersten unteren Beschichtungslage 29 entlang der Rillengestaltung der Stromsperrschicht 15 angeordnet. Eine GaAs-Kontaktschicht 16 des p-Typs ist auf der zweiten oberen Beschichtungslage 39 angeordnet. Eine p-seitige Elektrode 17 ist auf der Kontaktschicht 16 angeordnet bzw. eine n-seitige Elektrode 18 ist auf der hinteren Oberfläche des Substrats 12 angeordnet.
Es wird eine Beschreibung eines Herstellungsverfahrens des Halbleiterlasers der Stegstruktur, der in Figur 7(a) gezeigt ist, gemäß Figur 8 gegeben.
Zuerst wird, wie es in Figur 8(a) gezeigt ist, die AlGaAs-Beschichtungslage 9 des n-Typs durch ein erstes Kristallwachstum auf das Substrat 12 des p-Typs aufgewachsen. Danach werden Rillen zum Ausbilden von Quantendrähten oder Quantenbehältern, die in Figur 6(a) oder 6(b) gezeigt sind, auf der AlGaAs-Beschichtungslage 9 des n-Typs ausgebildet. Danach wird eine Schicht, die als ein Teil der AlGaAs-Beschichtungslage 9 des n-Typs dient, darauf aufgewachsen und die Quantendraht- oder Quantenbehälterschicht 14, die eine Mehrzahl von Senkenschichten und Sperrschichten aufweist, wird darauf aufgewachsen, wie es in den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 und 4 beschrieben ist. Die AlGaAs-Beschichtungslage 19 des p-Typs und die GaAs-Deckschicht 20 des p-Typs werden darauf aufgewachsen. Die Schicht, die als ein Teil der Beschichtungslage 9 dient, die Quantendrahtoder Quantenbehälterschicht 14, die AlGaAs-Beschichtungslage 19 des p-Typs und die GaAs-Deckschicht 20 des p-Typs werden aufeinanderfolgend durch ein zweites Kristallwachstum aufgewachsen. Figur 8(b) zeigt eine Querschnittsansicht des Wafers in einem Zustand nach dem zweiten Kristallwachstum.
Danach wird, wie es in Figur 8(c) gezeigt ist, ein SiO&sub2;-Film auf der Oberfläche des Wafers durch eine Zerstäu bung, eine Elektronenstrahlabscheidung oder dergleichen ausgebildet und danach werden Abschnitte des SiO&sub2;-Films durch ein Photolithographie- und Ätzverfahren entfernt, um einen SiO&sub2;-Film 21 in einer Streifengestaltung auszubilden. Die Dicke und die Streifenbreite des SiO&sub2;-Films 21 betragen zum Beispiel 0.1 bis 1.0 µm bzw. 2 bis 10 µm. Fluorwasserstoffsäure oder dergleichen wird als Ätzmittel zum Ätzen des SiO&sub2;-Films verwendet.
Danach werden, wie es in Figur 8(d) gezeigt ist, Abschnitte der GaAs-Deckschicht 20 des p-Typs und der AlGaAs- Beschichtungslage 19 des p-Typs durch ein Ätzen entfernt, um eine Steggestaltung auszubilden. Es ist erwünscht, daß die Breite des Bodenteils des Stegs im Hinblick auf das Steuern des Transversalwellentyps des Lasers in einem Be reich von 2 µm bis 10 µm liegt.
Dann wird, wie es in Figur 8(e) gezeigt ist, das Stegteil durch die GaAs-Schicht 15 des n-Typs durch ein drittes Kristallwachstum vergraben.
Nach dem dritten Kristallwachstum wird der SiO&sub2;-Film 21 entfernt und die GaAs-Kontaktschicht 16 des p-Typs wird durch ein viertes Kristallwachstum auf dem Wafer ausgebildet. Wenn alle Kristallwachstumsverfahren beendet sind, wird die n-seitige Elektrode 18 auf der hinteren Oberfläche des Substrats 12 ausgebildet und wird die p-seitige Elektrode 17 auf der GaAs-Kontaktschicht 16 des p-Typs ausgebildet. Danach wird der Wafer in Chips geteilt, wodurch Laserelemente vervollständigt sind.
Es wird eine Beschreibung eines Herstellungsverfahrens des in Figur 7(b) gezeigten Halbleiterlasers des Typs mit einem inneren Streifen unter Bezugnahme auf Figur 9 gegeben.
Nach einem Ausbilden der Quantendraht- oder Quantenbehälterschicht 14 durch die gleichen Schritte, wie sie zuvor beschrieben worden sind, werden aufeinanderfolgend eine erste obere AlGaAs-Beschichtungslage 29 des p-Typs und eine GaAS-Stromsperrschicht 15 des n-Typs kristallin darauf aufgewachsen. Figur 9(a) zeigt eine Schnittansicht des Wafers in einem Zustand nach dem Kristallwachstum.
Danach wird eine streifenf rmige Rille durch ein Photolithographie- und Ätzverfahren in der GaAs-Stromsperrschicht 15 des n-Typs ausgebildet. Die Oberfläche der ersten oberen AlGaAs-Beschichtungslage 29 des p-Typs wird an dern Boden der Rille freigelegt. Die GaAs-Stromsperrschicht des n-Typs kann unter Verwendung eines Lösungsgemisches, das Ammoniak und Wasserstoffperoxid als Ätzmittel aufweist, selektiv entfernt werden. Der Querschnitt des Wafers in diesem Zustand ist in Figur 9(b) gezeigt. Nach dem Ausbilden der Rille werden aufeinanderfolgend die zweite obere AlGaAs-Beschichtungslage 39 des p-Typs und die GaAs-Kontaktschicht 16 des p-Typs aufeinanderfolgend durch ein Kristallwachstum auf dem Wafer ausgebildet. Danach wird die n- seitige Elektrode 18 auf der hinteren Oberfläche des Substrats 12 ausgebildet bzw. wird die p-seitige Elektrode auf der GaAs-Kontaktschicht 16 des p-Typs ausgebildet. Dann wird der Wafer in Chips geteilt, wodurch Laserelemente vervollständigt sind.
Bei den zuvor beschriebenen zwei Strukturen weist die GaAs-Stromsperrschicht 15 des n-Typs sowohl Funktionen eines Konzentrierens des Stroms in einem Bereich direkt unter dern Stegteil oder direkt unter der streifenförmigen Rille und eines Absorbierens des Laserlichts, das in dem aktiven Bereich erzeugt wird, von beiden Seiten des Laserlichts auf, um den horizontalen Transversalwellentyp zu stabilisieren. Wenn die zuvor beschriebene Quantendraht- oder Quantenbehälterstruktur an dem aktiven Bereich solcher Laserstrukturen angewendet wird, kann eine Halbleiterlaservorrichtung, die hohe Leistungsfähigkeiten, wie zum Beispiel einen geringen Schwellwert, einen geringen Betriebsstrom und ein Hochgeschwindigkeitsumschalten aufweist, erzielt werden.
Obgleich in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen AlGaAs-Reihenhalbleiterlaser beschrieben sind, kann die vorliegende Erfindung ebenso an anderen Halbleiterlasers angewendet werden.
Obgleich in den zuvor dargestellten Ausführungsbeispielen der Halbleiterlaser eines Stegtyps und der Halbleiterlaser eines Typs mit einem inneren Streifen beschrieben sind, kann die Quantendraht- oder Quantenbehälterstruktur der vorliegenden Erfindung an anderen Halbleiterlasern, wie zum Beispiel einem Laser eines Elektrodenstreifentyps oder einem Laser eines vergrabenen Heterotyps angewendet werden.
Außerdem kann die Quantendraht- oder Quantenbehälter- struktur der vorliegenden Erfindung nicht nur an Halbleiterlasern, sondern ebenso an Halbleiterelementen, wie zurn Beispiel einem Lichtwellenleiter oder einem optischen Umschaltelernent, angewendet werden. In diesen Fällen kann auf der Grundlage des Quanteneffekts eine hervorragende Vorrichtungsleistungsfähigkeit realisiert werden.
Wie es aus der vorhergehenden Beschreibung ersichtlich ist, beinhaltet ein optisches Halbleiterelement ein Halbleitersubstrat oder eine Halbleiterschicht, die auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist; eine Mehrzahl von streifenförmigen Rillen, von denen jede einen rechteckigen Querschnitt aufweist, dessen Breite ausreichend schmal ist, um einen Quanteneffekt zu bewirken, die auf dem Halbleitersubstrat oder der Halbleiterschicht parallel zueinander mit einem Abstand vorgesehen sind, der ausreichend schmal ist, um einen Quanteneffekt zu bewirken, oder eine Mehrzahl von rechteckförmigen Rillen, die eine Breite und eine Länge aufweisen, die ausreichend schmal sind, um einen Quanteneffekt zu bewirken, die auf dem Halbleitersubstrat oder der Halbleiterschicht in einer schachbrettartigen Anordnung vorgesehen sind; und eine Struktur, in welcher eine Potentialsenkenschicht, deren Dicke niedriger als die Tiefe der Rille ist und ausreichend dünn ist, um einen Quanteneffekt zu bewirken, und eine Sperrschicht, deren Dicke größer als die Tiefe der Rille ist, abwechselnd geschichtet werden, welche auf den Bodenoberflächen der Rillen, die in dem Halbleitersubstrat oder der Halbleiterschicht gebildet sind, und Bereichen zwischen den angrenzenden Rillen vorgesehen sind. Deshalb kann ein aktiver Bereich, der eine Mehrzahl von Quantendrähten oder Quantenbehältern aufweist, durch ein einfaches Herstellungsverfahren erzielt werden. Außerdem kann diese Quantendraht- oder Quantenbehälterstruktur für einen aktiven Bereich eines Halbleiterlasers eines Stegtyps, eines Halbleiterlasers eines Typs mit einem inneren Streifen oder dergleichen verwendet werden, wodurch eine Halbleiterlaservorrichtung, die einen niedrigen Schwellwert und einen geringen Betriebsstrom aufweist, einfach erzielt werden kann.
Gemäß einem Verfahren zur Herstellung einer optischen Halbleitervorrichtug werden eine Mehrzahl von streifenförmigen Rillen, von denen jede einen rechteckigen Querschnitt aufweist, dessen Breite ausreichend schmal ist, um einen Quanteneffekt zu bewirken, auf einem Halbleitersubstrat oder einer Halbleiterschicht auf dem Substrat parallel zueinander mit einem Abstand, der ausreichend schmal ist, um den Quanteneffekt zu bewirken, ausgebildet. Oder es wird eine Mehrzahl von rechteckförmigen Rillen, von denen jede eine Breite und eine Länge aufweist, die ausreichend schmal sind, um einen Quanteneffekt zu bewirken, auf dem Halbleitersubstrat oder der Halbleiterschicht in einer schachbrettartigen Anordnung ausgebildet. Dann werden abwechselnd eine Potentialsenkenschicht, die eine Dicke aufweist, die niedriger als die Tiefe der Rille ist und ausreichend dünn ist, um einen Quanteneffekt zu bewirken, und eine Sperrschicht, die eine Dicke aufweist, die größer als die Tiefe der Rille ist, abwechselnd auf den Wafer geschichtet, der die Rillen aufweist, wobei die konkav-konvexe Gestaltung der Rillen aufrechterhalten wird. Deshalb kann eine Laservorrichtung, die eine Struktur aufweist, die eine Mehrzahl von Quantendrähten oder Quantenbehältern aufweist, ohne komplizierte Ätzverfahren oder dergleichen hergestellt werden.

Claims

1. Optisches Halbleiterelement, das, aufweist:

eine Halbleiterschicht (9);

eine Mehrzahl von streifenförmigen Rillen (13), von denen jede einen rechteckigen Querschnitt aufweist, die in der Halbleiterschicht parallel zueinander ausgebildet sind, wobei die Rillenbreite und der Abstand jeweils 20 nm oder weniger betragen;

eine Potentialsenkenschicht (10) und eine Sperrschicht (11), die abwechselnd auf die Bodenoberflächen der Rillen und die Bereiche zwischen den angrenzenden Rillen geschichtet sind, wobei die Dicke der Senkenschicht weniger als die Rillentiefe beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Sperrschicht größer als die Rillentiefe ist.

2. Optisches Halbleiterelement nach Anspruch 1, bei dem die Dicke der Senkenschicht w, die Dicke der Sperrschicht b und die Tiefe der Rille d die folgende Beziehung aufweisen;

w < b, (w +b)/2 = d

3. Optisches Halbleiterelement nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die Rillen rechteckförmige Rillen sind, die in einer schachbrettartigen Anordnung auf der Halbleiterschicht ausgebildet sind.

4. Optisches Halbleiterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Halbleiterschicht ein Halbleitersubstrat ist.

5. Optisches Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem die Halbleiterschicht (9) auf einem Halbleitersubstrat (12) ausgebildet ist.

6. Optisches Halbleiterelement nach Anspruch 5, bei dem:

die Potentialsenkenschicht (10) ein Halbleitermaterial aufweist, das eine Energiebandlücke aufweist, die kleiner als die Energiebandlücke der Halbleiterschicht (9) ist; und

die Sperrschicht (11) ein Halbleitermaterial aufweist, das eine Energiebandlücke aufweist, die größer als die der Potentialsenkenschicht ist; und

die Senkenschicht und die Sperrschicht abwechselnd auf die Bodenoberflächen der Rillen (13) und Bereiche zwischen den angrenzenden Rillen geschichtet sind.

7. Optisches Halbleiterelement nach Anspruch 6,

bei dem die Halbleiterschicht eine Schicht (9) eines ersten Leitfähigkeitstyps aus einem ersten Halbleitermaterial ist, die auf einem Halbleitersubstrat (12) ausgebildet ist und eine Energiebandlücke aufweist, die größer als die der Potentialsenkenschicht ist; das des weiteren aufweist:

eine Schicht (19) eines zweiten Leitfähigkeitstyps aus dern ersten Halbleitermaterial, die eine Energiebandlücke aufweist, die größer als die der Potentialsenkenschicht ist, die auf der geschichteten Struktur (14) der Senkenschicht (10) und der Sperrschicht (11) ausgebildet ist und in der Mitte des Elements einen streifenförmigen Steg aufweist; und

eine Schicht (15) des ersten Leitfähigkeitstyps aus einem zweiten Halbleitermaterial, die auf der Schicht (19) des zweiten Leitfähigkeitstyps aus dem ersten Halbleitermaterial ausgebildet ist, um den streifenförmigen Steg zu begraben.

8. Optisches Halbleiterelement nach Anspruch 7, welches des weiteren eine Schicht (16) des zweiten Leitfähig keitstyps aus dem zweiten Halbleitermaterial, die auf der Schicht (15) des ersten Leitfähigkeitstyps aus dem zweiten Halbleitermaterial und dem streifenförmigen Steg ausgebildet ist, eine Elektrode (17), die auf der Schicht (16) des zweiten Leitfähigkeitstyps aus dem zweiten Halbleitermaterial ausgebildet ist, und eine Elektrode (18) aufweist, die auf der hinteren Oberfläche des Substrats (12) ausgebildet ist.

9. Optisches Halbleiterelement nach Anspruch 6,

bei dem die Halbleiterschicht eine Schicht (9) eines ersten Leitfähigkeitstyps aus einem ersten Halbleitermaterial ist, die auf einem Halbleitersubstrat (12) ausgebildet ist und eine Energiebandlücke aufweist, die größer als die der Potentialsenkenschicht (10) ist; das des weiteren aufweist:

eine Schicht (29) des zweiten Leitfähigkeitstyps aus dern ersten Halbleitermaterial, die eine Energiebandlücke aufweist, die größer als die der Potentialsenkenschicht (10) ist, die auf der geschichteten Struktur der Senkenschicht (10) und der Sperrschicht (11) ausgebildet ist;

eine Schicht (15) des ersten Leitfähigkeitstyps aus einem zweiten Halbleitermaterial, die auf der Schicht (29) des zweiten Leitfähigkeitstyps aus dem ersten Halbleitermaterial ausgebildet ist;

eine streifenförmige Rille, die an dem Mittelteil der Schicht (15) des ersten Leitfähigkeitstyps aus dem zweiten Halbleitermaterial ausgebildet ist, die durch die Halbleiterschicht dringt; und

eine Schicht (16) des zweiten Leitfähigkeitstyps aus dern zweiten Halbleitermaterial, die auf Schicht (15) des ersten Leitfähigkeitstyps aus dem zweiten Halbleitermaterial und auf der Schicht (29) des zweiten Leitfähigkeits typs aus dem ersten Halbleitermaterial ausgebildet ist, die an dem Bodenteil der streifenförmigen Rille freigelegt ist.

10. Optisches Halbleiterelement nach Anspruch 9, welches des weiteren eine Elektrode (17), die auf der Schicht (16) des zweiten Leitfähigkeitstyps aus dem zweiten Halbleitermaterial ausgebildet ist, und eine Elektrode (18) aufweist, die auf der hinteren Oberfläche des Substrats (12) ausgebildet ist.

11. Verfahren zum Herstellen eines optischen Halbleiterelements nach Anspruch 1, das die Schritte aufweist:

Vorsehen eines Halbleitersubstrats (12) oder einer Halbleiterschicht (9), die auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist;

Ausbilden einer Mehrzahl von streifenförmigen Rillen (13), von denen jede einen rechteckigen Querschnitt aufweist, deren Breite und Abstand jeweils 20 nm oder weniger betragen, auf dem Halbleitersubstrat oder der Halbleiterschicht parallel zueinander oder Ausbilden einer Mehrzahl von solchen Rillen in einer schachbrettartigen Anordnung; und

abwechselndes Schichten einer Potentialsenkenschicht (10), die eine Dicke aufweist, die geringer als die Tiefe der Rillen ist, und einer Sperrschicht (11), die eine Dicke aufweist, die größer als die Tiefe der Rillen ist, auf dem Wafer.

12. Verfahren zum Herstellen eines optischen Halbleiterelements nach Anspruch 11, bei dem die Rillen durch Trockenätzen ausgebildet werden.

13. Verfahren zum Herstellen eines optischen Halbleiterelements nach Anspruch 11, bei dem die Senkenschicht und die Sperrschicht durch Molekularstrahlepitaxie oder metallisch-organische chemische Dampfphasenabscheidung ausgebildet werden.