DE69131034T2

DE69131034T2 - Halbleiterlaser mit vergrabener Streifenstruktur

Info

Publication number: DE69131034T2
Application number: DE69131034T
Authority: DE
Inventors: Kazuhiko Inoguchi; Fumihiro Konushi; Toshiyuki Okumura; Haruhisa Takiguchi
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1990-08-30
Filing date: 1991-08-30
Publication date: 1999-09-16
Anticipated expiration: 2011-08-31
Also published as: EP0473443A2; US5335241A; EP0473443A3; DE69131034D1; EP0473443B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser mit vergrabener Streifenstruktur sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlasers mit vergrabener Streifenstruktur.

2. Beschreibung des Stands der Technik

In den letzten Jahren werden Halbleiterlaser in weitem Umfang als Lichtquellen für verschiedene Verbraucherelektronikgeräte und Industrievorrichtungen bei Anwendungen wie optischer Kommunikation und Informationsverarbeitung verwendet. Um den Bauteileigenschaften (wie hohe Ausgangsleistung, hoher Wirkungsgrad und Modulierbarkeit mit hoher Geschwindigkeit) zu genügen, wie sie für diese Halbleiterlaser erforderlich sind, ist es erforderlich, eine Transversalschwingungsmode zu stabilisieren und einen Schwellenstrom zu verringern. Insbesondere ist eine Stabilisierung der Transversalschwingungsmode wichtig, da diese enge Beziehung zum Faserkopplungs-Wirkungsgrad bei optischer Kommunikation und zum Astigmatismus eines optischen Strahls bei Informationsverarbeitung hat.
Bisher wurden verschiedene Strukturen von Halbleiterlasern vorgeschlagen, um die Transversalschwingungsmode zu steuern. Im Allgemeinen werden Halbleiterlaser mit Fabry-Perot-Struktur ihres Resonators in mehrere Typen eingeteilt, wie den Typ mit verstärkendem Wellenleiter mit Stromeingrenzungsstruktur, den Typ mit in den Wellenleiter eingebautem Gradienten des Brechungsindex mit einer Querverteilung des Brechungsindex rechtwinklig zur Schwingungsraumlänge des Resonators sowie einen Typ mit Brechungsindex- Wellenleiter, bei dem die Seiten des Wellenleiters vergraben sind.
In Fig. 6 ist ein herkömmlicher Halbleiterlaser vom Typ mit vergrabener Streifenstruktur mit vergrabener Heterostruktur dargestellt. Dieser Halbleiterlaser mit vergrabener Streifenstruktur kann Laserlicht emittieren, das bei niedrigen Schwellenströmen stabil in einer einzelnen Transversalmode schwingt. Der Halbleiterlaser wird auf die folgende Weise hergestellt.
Eine Pufferschicht 52 aus n-InP, eine aktive Schicht 53 aus GaInAsP, eine Mantelschicht 54 aus p-InP sowie eine Deckschicht 55 aus p-GaInAsP werden durch ein geeignetes Kristallzüchtungsverfahren (erster Kristallzüchtungsprozess) auf ein Substrat 51 aus n-InP aufgewachsen. Dann wird entlang der Schwingungsraumlänge des Resonators durch Photolithographie-und chemische Ätztechniken ein streifenförmiger Mesateil (mit einer Breite von ungefähr 1 um bis 2 um) hergestellt. Anschließend werden eine erste Stromsperrschicht 56 aus p-InP und eine zweite Stromsperrschicht 57 aus n-InP aufeinanderfolgend durch ein geeignetes Kristallzüchtungsverfahren auf solche Weise aufgewachsen, dass dadurch der Mesateil vergraben wird (zweiter Kristallzüchtungsprozess). Abschließend wird auf der Rückseite des Substrats 51 aus n- InP eine n-seitige Elektrode 58 hergestellt, und auf den Oberflächen der Deckschicht 55 aus p-GaInAsP und der zweiten Stromsperrschicht 57 aus n-InP wird eine p-seitige Elektrode 59 hergestellt, wodurch der in Fig. 6 dargestellte Halbleiterlaser erhalten werden kann.
Um einen Halbleiterlaser mit vergrabener Streifenstruktur herzustellen, sind zwei Prozessschritte für das Kristallwachstum erforderlich, wie oben beschrieben. Dies verkompliziert die Prozessabfolge für die Herstellung und führt zu Unzweckdienlichkeit hinsichtlich einer Herstellung der erforderlichen Bauteilstruktur auf einfache produzierbare Weise.
Es wurde ein Halbleiterlaser mit vergrabener Streifenstruktur, der durch einen Kristallzüchtungsprozess mit einem einzelnen Schritt hergestellt werden kann, vorgeschlagen (japanische Patentoffenlegungsveröffentlichung Nr. 64-25 590). Fig. 7 zeigt eine Schnittansicht dieses Halbleiterlasers mit vergrabener Streifenstruktur. Dieser Halbleiterlaser wird auf die folgende Weise hergestellt.
Als erstes wird auf einem Substrat 61 aus n-GaAs mit einer Hauptfläche mit der Kristallausrichtung (100) ein streifenförmiger Mesateil unter Verwendung eines geeigneten Ätzverfahrens in der Richtung < 011> hergestellt. Dann werden durch ein geeignetes Verfahren zur Kristallzüchtung (z. B. durch ein metallorganisches Abscheideverfahren aus der Dampfphase) ein n-GaAs-Film 62', ein n-AlGaAs-Film 63', ein GaAs-Film 64' und ein p-AlGaAs-Film 65' aufeinanderfolgend auf das Substrat 61 aus n-GaAs aufgewachsen. Bei diesem Prozessschritt wird auf dem streifenförmigen Mesateil ein mehrschichtiger Film hergestellt, der aus einer Pufferschicht 62 aus n-GaAs, einer ersten Mantelschicht 63 aus n-AlGaAs, einer aktiven Schicht 64 aus GaAs und einer zweiten Mantelschicht 65 aus p-AlGaAs besteht und von (111)B-Flächen umgeben ist. Dann werden aufeinanderfolgend eine Stromsperrschicht 66 aus n- AlGaAs, eine Mantelschicht 67 aus p-AlGaAs und eine Deckschicht 68 aus p- GaAs aufeinanderfolgend aufgewachsen, um den mehrschichtigen Film zu vergraben. Abschließend wird auf der Rückseite des Substrats 61 aus n-GaAs eine n-seitige Elektrode 69 hergestellt, und auf der Oberseite der Deckschicht 68 aus p-GaAs wird eine p-seitige Elektrode 70 hergestellt, wodurch der in Fig. 7 dargestellte Halbleiterlaser mit vergrabener Streifenstruktur erhalten werden kann.
Beim in Fig. 7 dargestellten Halbleiterlaser mit vergrabener Streifenstruktur sind die Oberseiten der aufeinanderfolgend auf das Halbleitersubstrat aufgewachsenen einzelnen Epitaxieschichten entlang dem streifenförmigen Mesateil erhöht. Eine solche Tendenz ist bei Halbleiterlasern unter Verwendung eines InP-Substrats auffälliger.
Beim Herstellen eines Halbleiterlasers unter Verwendung eines GaAs-Substrats ist, wenn Epitaxieschichten auf ein GaAs-Substrat aufgewachsen werden, auf dem ein streifenförmiger Mesateil hergestellt wurde, die Kristallwachstumsrate auf den (111)B-Flächen im Wesentlichen null und daher führt die Fortsetzung des Kristallwachstums nach einem durch (111)B-Flächen umgebenen mehrschichtigen Film zu einem Fortschritt beim Epitaxiewachstum auf solche Weise, dass die Niveaudifferenz zwischen dem GaAs-Substrat und dem Mesateil verringert wird. Demgegenüber ist bei Verwendung eines InP-Substrats die Kristallwachstumsrate auf den (111)B-Flächen deutlich größer als dann, wenn ein GaAs-Substrat verwendet wird und daher dauert das epitaktische Wachstum an, während die Niveaudifferenz zwischen dem InP-Substrat und dem Mesateil unverändert erhalten bleibt. So ist die sich ergebende Konfiguration dergestalt, wie sie in Fig. 8 dargestellt ist.
Der in Fig. 8 dargestellte Halbleiterlaser mit vergrabener Streifenstruktur umfasst ein InP-Substrat 71 mit einem streifenförmigen Wulst, einen ersten mehrschichtigen Film (einschließlich einer Mantelschicht 72 und einer auf diese hergestellten aktiven Schicht 73), der auf der Oberfläche des streifenförmigen Wulsts ausgebildet ist, einen zweiten mehrschichtigen Film mit Schichten 72' und 73', die auf dem InP-Substrat 71 ausgebildet sind, eine Mantelschicht 74 zum Vergraben der mehrschichtigen Filme, eine auf der Mantelschicht 74 hergestellte Kontaktschicht 75, eine auf der Kontakt schicht 75 hergestellte SiO&sub2;-Isolierschicht 76, eine auf der SiO&sub2;-Isolierschicht 76 und der Kontaktschicht 75 hergestellte p-seitige Elektrode 78 sowie eine auf der Rückseite des InP-Substrats 71 hergestellte n-seitige Elektrode 77.
Da der in Fig. 8 dargestellte Halbleiterlaser dergestalt beschaffen ist, dass ein Teil über dem Mesateil hochsteht, kann der Laser nicht mit einer solchen Position montiert werden, dass die Seite mit der Epitaxieschicht nach unten zeigt. Infolge dessen unterliegt der Halbleiterlaser häufig thermischen Einflüssen wegen erhöhten Wärmewiderstands, und außerdem neigt der Mesateil beim Montieren des Bauteils zu Beschädigung, mit dem Ergebnis, dass im aktiven Bereich gewisse Spannungen erzeugt werden, was zu verringerter Zuverlässigkeit führt.
Um die Transversalschwingungsmode zu stabilisieren und den Schwellenstrom zu verringern, ist es erforderlich, eine Struktur zu schaffen, die das Ausbreiten injizierter Ströme verhindern kann, damit die elektrischen Ströme in konzentrierter Weise in einer einen Laserstrahl emittierenden aktiven Schicht fließen können, wobei das Laserlicht wirkungsvoll in den schmalen Bereich eingegrenzt wird. Um einen Halbleiterlaser mit vergrabener Streifenstruktur auf leicht reproduzierbare Weise herzustellen und um hohe Ausbeute zu erhalten, muss die Struktur dergestalt sein, dass sie mittels eines einzelnen Kristallzüchtungsprozesses aufgebaut werden kann. Bei Halbleiterlasern mit solcher Struktur muss, um den Bereich für Strominjektion festzulegen, eine streifenförmige Elektrode oder ein streifenförmiger Fremdstoffdiffusionsbereich vorhanden sein.
Fig. 9 zeigt einen Halbleiterlaser mit vergrabener Streifenstruktur mit einem darin vorhandenen streifenförmigen Fremdstoffdiffusionsbereich. Dieser Halbleiterlaser wird auf die folgende Weise hergestellt.
Als erstes wird auf einem n-InP-Substrat 130 mit einer (100)-Fläche ein streifenförmiger Wulst 131 in der Richtung < 011> hergestellt. Dann werden auf das n-InP-Substrat 130, auf dem der streifenförmige Wulst 131 ausgebildet wurde, ein n-InP-Film 132, ein GaInAsP-Film 133 und ein p-InP-Film 134' aufeinanderfolgend aufgewachsen. Bei diesem Prozessschritt wird auf der Oberseite des streifenförmigen Wulsts 131 ein mehrschichtiger Film mit Doppelheterostruktur ausgebildet, der rechtwinklig zur Schwingungsraumlänge des Resonators einen dreieckigen Querschnitt zeigt und von (111)B-Flächen umgeben ist, d. h. ein mehrschichtiger Film, dessen schräge Flächen (111)B- Flächen sind, die an entgegengesetzten Seiten des streifenförmigen Wulsts 131 wuchsen. Dieser mehrschichtige Film besteht aus einer ersten Mantelschicht 132 aus n-InP, einer aktiven Schicht 133 aus GaInAsP und einer zweiten Mantelschicht 134 aus p-InP. In diesem Fall wächst der p-InP-Film 134' mit solcher Dicke, dass er nicht über die aktive GaInAsP-Schicht 133 der auf der Oberseite des streifenförmigen Wulsts 131 ausgebildeten Doppelheterostruktur reicht. Jedoch wächst der InP-Kristall auch auf den (111)B- Flächen des mehrschichtigen Films, weswegen, wie es in Fig. 9 dargestellt ist, der p-InP-Film 134' den mehrschichtigen Film der Doppelheterostruktur bedeckt.
Anschließend werden eine vergrabene Schicht 135 aus n-InP und eine Kontaktschicht 136 aus p-GaInAsP aufeinanderfolgend so aufgewachsen, dass der mit dem p-InP-Film 134' bedeckte streifenförmige Wulst 131 vergraben wird. Dann wird Zn mit einem Streifenmuster so eindiffundiert, dass es die zweite Mantelschicht 134 aus p-InP erreicht, um einen Zn-Diffusionsbereich 137 zur Strominjektion auszubilden. Abschließend wird auf der Rückseite des n-InP- Substrats 130 eine n-seitige Elektrode 138 hergestellt, und auf der Oberfläche der Kontaktschicht 136 aus p-GaInAsP wird eine p-seitige Elektrode 139 hergestellt. So wird der in Fig. 9 dargestellte Halbleiterlaser erhalten.
Beim in Fig. 9 dargestellten Halbleiterlaser werden der n-InP-Film 132, der GaInAsP-Film 133' und der p-InP-Film 134' auf einer Ebene zu beiden Seiten des streifenförmigen Wulsts 131 hergestellt, wie oben angegeben. Daher wurde, damit ein Injektionsstrom konzentriert in den mehrschichtigen Film der auf der Oberseite des streifenförmigen Wulsts 131 ausgebildeten Doppelheterostruktur fließt, der streifenförmige Zn-Diffusionsbereich 137 so hergestellt, dass er sich von der p-seitigen Elektrode 139 bis zur zweiten Mantelschicht 134 aus p-InP erstreckt.
Jedoch wächst der p-InP-Film 134 auch auf der (111)B-Fläche des mehrschichtigen Films, und dies erlaubt keine zufriedenstellende Stromeingrenzung durch die in der vergrabenden Schicht erzeugte Sperrspannung am pn- Übergang. Infolge dessen leckt beträchtliches an Strom durch den p-InP-Film 134 aus, was die Schwellenströme erhöht.
Der Oberbegriff von Anspruch 1 beruht auf dem in Fig. 9 dieser Anmeldung dargestellten bekannten Laser.
Das Dokument JP-A-63 73 690 offenbart einen Halbleiterlaser mit Mesawulst. Auf der Oberfläche des Substrats (außer dort, wo der Mesawulst vorhanden ist) wird eine Stromsperrschicht angebracht, die jedoch die Seiten des Mesawulsts nicht vollständig bedeckt.
Das Dokument JP-A-60 116 185 offenbart einen Halbleiterlaser mit Mesawulst. Auf der Oberfläche des Substrats (außer dort, wo der Wulst vorhanden ist) wird eine Stromsperrschicht angebracht, jedoch erstreckt sich diese nicht über die gesamte Höhe des Mesawulsts.
Das Dokument JP-A-60 77 482 offenbart einen Halbleiterlaser mit Mesawulst. Auf der Oberfläche des Substrats (außer dort, wo der Wulst vorhanden ist) wird eine Stromsperrschicht angebracht, jedoch erstreckt sich diese wiederum über die gesamte Höhe des Mesawulsts.
Gemäß einer ersten Erscheinungsform der Erfindung ist ein Halbleiterlaser mit folgendem geschaffen:
- einem Halbleitersubstrat von erstem Leitungstyp mit einer Hauptfläche mit der Kristallausrichtung (100);
- einem auf der Hauptfläche des Halbleitersubstrats hergestellten Mesastreifen, der entlang der Richtung < 011> ausgerichtet ist und eine Oberfläche mit der Kristallausrichtung (100) aufweist, und der durch einen Teil des Halbleitersubstrats gebildet ist;
- einer auf der Oberfläche des Mesastreifens hergestellten Mehrschichtstruktur mit einer aktiven Schicht für Laserschwingung, wobei die Seitenflächen der Mehrschichtstruktur {111}-Flächen sind;
- dadurch gekennzeichnet, dass er ferner eine Stromeingrenzungseinrichtung zum Eingrenzen elektrischer Ströme auf innerhalb den Mesastreifen aufweist, die auf der Hauptfläche des Halbleitersubstrats und an den gesamten Seitenflächen des Mesastreifens ausgebildet ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Stromeingrenzungseinrichtung eine Halbleiterschicht von zweitem Leitungstyp auf, die auf der Hauptfläche des Halbleitersubstrats und an den Seitenflächen des Mesastreifens ausgebildet ist.
Bei einer alternativen bevorzugten Ausführungsform weist die Stromeingrenzungseinrichtung eine halbisolierende Halbleiterschicht auf, die auf der Hauptfläche des Halbleitersubstrats und an den Seitenflächen des Mesastreifens ausgebildet ist.
Gemäß einer zweiten Erscheinungsform der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlasers geschaffen, das die folgenden Schritte aufweist:
- Herstellen eines Mesastreifens auf einem Halbleitersubstrat von erstem Leitungstyp, das über die Kristallausrichtung (100) verfügt, durch ein selektives Ätzverfahren unter Verwendung einer streifenförmigen Maske, wobei der Mesastreifen entlang der Richtung < 011> ausgerichtet ist und eine Oberfläche mit der Kristallausrichtung (100) aufweist;
- Herstellen einer Stromsperrschicht auf der Hauptfläche des Halbleitersubstrats und an den gesamten Seitenflächen des Mesastreifens durch ein selektives Aufwachsverfahren unter Verwendung der streifenförmigen Maske;
- Entfernen der streifenförmigen Maske;
- Herstellen einer Mehrschichtstruktur auf der Oberfläche des Mesastreifens, die eine aktive Schicht für Laserschwingung aufweist, wobei die Seitenflächen der Mehrschichtstruktur {111}-Flächen sind;
- Herstellen einer Halbleiterschicht von zweitem Leitungstyp, um die Mehrschichtstruktur zu bedecken; und
- Herstellen einer Kontaktschicht auf der Halbleiterschicht.
Beim erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wird als erstes ein streifenförmiger Mesateil auf einem Halbleitersubstrat von erstem Leitungstyp mit einer (100)-Fläche in der Richtung < 011> hergestellt. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die Richtung < 011> alle Richtungen repräsentiert, die der Richtung [011] äquivalent sind, wobei davon z. B. die Richtung [011] umfasst ist. Um den Mesateil herzustellen, werden herkömmliche Photolithographie- und Ätztechniken verwendet.
Auf dem Substrat mit dem Mesateil wird ein mehrschichtiger Film hergestellt, der aufeinanderfolgend eine aktive Schicht für Laserschwingung, eine Deckschicht von zweitem Leitungstyp und eine obere Halbleiterschicht aufweist. Bei diesem Prozessschritt wird der mehrschichtiger Film in solcher Weise auf den Mesateil aufgewachsen, dass er über {111}-Flächen verfügt. Es wird darauf hingewiesen, dass in diesem Zusammenhang eine {111}- Fläche alle Kristallflächen repräsentiert, die einer (111)-Fläche kristallographisch äquivalent sind, einschließlich z. B. einer (111)B-Fläche. An geeigneten Orten kann, falls erforderlich, eine Pufferschicht oder eine Mantelschicht hergestellt werden. Für das Aufwachsen dieser Halbleiterschichten werden herkömmliche Kristallzüchtungstechniken verwendet, einschließlich z. B. einem Verfahren mit metallorganischer, chemischer Ab scheidung aus der Dampfphase (MOCVD).
So ermöglicht es die hier beschriebene Erfindung, die folgenden Ziele zu erreichen:
(1) Schaffen eines Halbleiterlasers mit vergrabener Streifenstruktur mit den Vorteilen verringerter Stromlecks, eines Schwellenstrompegels und Stabilität der Schwingung der Transversalmode;
(2) Schaffen eines Halbleiterlasers mit vergrabener Streifenstruktur, bei dem die Herstellung eines mit Zn oder ähnlichen Fremdstoffatomen dotierten Bereichs nicht erforderlich ist; und
(3) Schaffen eines Verfahrens zum Herstellen eines Halbleiterlasers mit vergrabener Streifenstruktur.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung wird dem Fachmann unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen besser verständlich, und ihre zahlreichen Aufgaben und Vorteile werden daraus demselben erkennbar.
Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Fig. 2A und 2B sind Schnittansichten zum Veranschaulichen der Herstellprozessabfolge für das Bauteil von Fig. 1.
Fig. 3 ist eine Schnittansicht eines Vergleichsbeispiels.
Fig. 4A bis 4C sind Schnittansichten zum Veranschaulichen der Herstellprozessabfolge des Bauteils von Fig. 3.
Fig. 5 ist eine Schnittansicht eines Vergleichsbeispiels.
Fig. 6 bis 9 sind Schnittansichten, die Stand der Technik veranschaulichen.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Beispiel 1

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist als Stromeingrenzungseinrichtung eine halbisolierende Stromeingrenzungsschicht verwendet. Dieser Halbleiterlaser wurde gemäß dem folgenden Ablauf hergestellt.
Als erstes wurde auf ein n-InP-Substrat 110 mit einer Hauptfläche mit der Kristallausrichtung (100) (n-InP-(100)-Substrat 110) ein Photoresist aufgetragen und im Photoresist wurde unter Verwendung eines 4 um breiten Maskenmusters eine streifenförmige Öffnung hergestellt, die sich in der Richtung [011] erstreckte. Auf dem ganzen n-InP-Substrat 110 wurde ein Elektronenstrahl-Verdampfungsverfahren ein Al&sub2;O&sub3;-Film (250 nm dick) hergestellt, und dann wurde durch eine Abhebetechnik eine streifenförmige Al&sub2;O&sub3;-Maske 117 mit einer Breite von 4 um hergestellt.
Als nächstes wurde, wie es in Fig. 2A dargestellt ist, ein umgekehrter Mesawulst (streifenförmiger Wulst) 111 mit einer Breite von 2 um durch eine chemische Ätztechnik unter Verwendung eines H&sub2;SO&sub4;-Ätzmittels (H&sub1;SO&sub4;: H&sub2;O&sub2; H&sub2;O = 3 : 1 : 1; 60ºC) hergestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel verfügt jede der Seitenflächen des streifenförmigen Wulsts 113 über eine {221}-Fläche und eine {111}-Fläche.
Anschließend wurde, wie es in Fig. 2B dargestellt ist, durch ein MOCVD- Verfahren eine mit Fe dotierte InP-Schicht (Stromsperrschicht) 114 (mit einer Dicke von ungefähr 0, 5 um auf ebenen Bereichen zu beiden Seiten des streifenförmigen Wulsts 111) aufgewachsen, wobei die streifenförmige Al&sub2;O&sub3;- Maske 117 als solche verblieb. Bei diesem Prozessschritt wurde die mit Fe dotierte InP-Schicht 114 sowohl auf den {221}-Flächen als auch den {111}- Flächen des streifenförmigen Wulsts 111 aufgewachsen, wobei die Wachstumsrate auf den {111}-Flächen kleiner als die auf den {221}-Flächen war. Die {111)-Fläche lag zwischen der {221}-Fläche und der (100)-Oberfläche, und sie hatte eine relativ kleine Fläche. Daher waren die Seitenflächen des streifenförmigen Wulsts 111, d. h. die {221}-Flächen und die {111}-Flächen sowie die (100)-Oberfläche, d. h. die Hauptfläche des n-InP-Substrats 110 zu beiden Seiten des streifenförmigen Wulsts 111, alle mit der mit Fe dotierten InP-Schicht 114 bedeckt. Danach wurde die streifenförmige Al&sub2;O&sub3;-Maske 117 unter Verwendung einer HF-Lösung entfernt, mit dem Ergebnis, dass ein n-InP-Substrat 110 mit Stromeingrenzungsstruktur erhalten war. Bei diesem Ausführungsbeispiel hatte die mit Fe dotierte InP-Schicht 114 hohen Widerstand, und sie war als halbisolierende Stromeingrenzungsschicht verwendbar.
Auf das n-InP-Substrat 110 mit dieser Stromeingrenzungsstruktur wurden durch ein Niederdruck-MOCVD-Verfahren aufeinanderfolgend ein mit Si dotierter n-InP-Film 112' (mit einer Dicke von 0,5 um auf der Ebene) und ein undotierter GaInAsP-Film 113' (mit einer Dicke von 0,2 um auf der Ebene) aufgewachsen. Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, wurde auf der Oberfläche des streifenförmigen Wulsts 111 ein mehrschichtiger Film mit Doppelheterostruktur mit trapezförmigem Querschnitt rechtwinklig zur Schwingungsraumlänge des Resonators ausgebildet, der von (111)B-Flächen umgeben war. Die schrägen Flächen des mehrschichtigen Films waren Al&sub2;O&sub3;, die von den beiden Enden des streifenförmigen Wulsts 111 her gewachsen waren. Dieser mehrschichtige Film bestand aus einer mit Si dotierten n-InP-Pufferschicht 112 (Ladungsträgerkonzentration: 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³) und einer aktiven Schicht 113 aus undotiertem GaInAsP (Wellenlänge des emittierten Lichts: 1,3 um).
Anschließend wurden aufeinanderfolgend eine mit Zn dotierte p-InP-Mantelschicht 115 (Ladungsträgerkonzentration: 5 · 10¹&sup7; cm&supmin;³; 2,5 um Dicke auf den ebenen Bereichen) und eine mit Zn dotierte Kontaktschicht 116 aus p- GaInAsP (Ladungsträgerkonzentration: 1 · 10¹&sup8; cm 3; 0,5 um Dicke auf der Ebene) aufgewachsen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel trat über dem streifenförmigen Wulst 111 das Aufwachsen eines GaInAsP-Kristalls wegen der Abhängigkeit der Wachstumsrate von der Flächenausrichtung nur auf der (100)-Fläche auf, wohingegen Wachstum eines InP-Kristalls nicht nur auf der (100)-Fläche sondern auch auf den (111)B-Flächen auftrat, obwohl die Kristallwachstumsrate auf den (111)B- Flächen kleiner als ein Zehntel derjenigen auf der (100)-Fläche war. Daher wuchs die Mehrfachschicht mit Doppelheterostruktur rechtwinklig zur Schwingungsraumlänge des Resonators mit trapezförmiger Querschnittskonfiguration, entsprechend der Abhängigkeit der Kristallwachstumsrate von der Flächenausrichtung.
Ein mehrschichtiger Film mit ähnlichem Aufbau wuchs auch auf der (100)- Fläche zu beiden Seiten des streifenförmigen Wulsts 111. Wenn die mit Zn dotierte p-InP-Mantelschicht 115 aufgewachsen wurde, wurde die Kristallwachstumsrate auf allen Flächen einschließlich den (111)B-Flächen gleichmäßig, und der auf der Oberseite des streifenförmigen Wulsts 111 ausgebildete mehrschichtige Film der Doppelheterostruktur war durch die mit Zn dotierte p-InP-Mantelschicht 115 vergraben.
Der Winkel zwischen Seitenflächen des mehrschichtigen Films auf dem streifenförmigen Wulst 111 und der Bodenfläche des mehrschichtigen Films entspricht dem Winkel zwischen einer (100)-Fläche und einer (111)B-Fläche. Der Winkel wurde kristallographisch auf ungefähr 54,7º gehalten. Daher ist es durch Herstellen eines streifenförmigen Wulsts 111 mit einer Breite von 3 um möglich, die Breite der undotierten aktiven Schicht 113 auf leicht reduzierbare Weise auf 2 um (Breite, die dazu erforderlich ist, eine Schwingung in einer einzelnen Transversalmode zu erzielen) einzustellen.
Abschließend wurde auf der Rückseite des n-InP-Substrats 110 eine n-seitige AuGe-Elektrode 118 hergestellt, und auf der Oberfläche der mit Zn dotierten p-GaInAsP-Kontaktschicht 116 wurde eine p-seitige AuZn-Elektrode 119 hergestellt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde der mehrschichtige Film der Doppelheterostruktur mit der aktiven Schicht 113 aus undotiertem GaInAsP selektiv unter Verwendung der Niederdruck-MOCVD-Technik aufgewachsen. Daher wurde die Breite der aktiven Schicht mit guter Genauigkeit und auf leicht reproduzierbare Weise einfach auf ungefähr 2 um eingestellt. Ferner wurde die Stromeingrenzungsstruktur unter Verwendung der mit Fe dotierten InP-Schicht 114 mit hohem Widerstand vorab auf dem In-InP-Substrat 110 hergestellt, und demgemäß wurde der Halbleiterlaser mit vergrabener Streifenstruktur leicht dadurch erhalten, dass einfach beide Seiten des streifenförmigen Wulsts 111 in die mit Zn dotierte p-InP-Mantelschicht 115 eingebettet wurden. Daher zeigt der Halbleiterlaser stationäre Schwingung in einer einzelnen Transversalmode sowie hervorragende Bauteileigenschaften, wie verringerten Leckstrom und verringerten Schwellenstrom.
Beim Ausführungsbeispiel ist die mit Fe dotierte InP-Schicht 114 als halbisolierende Stromeingrenzungsschicht verwendet. Jedoch kann als Stromeingrenzungsschicht eine Halbleiterschicht von anderem Leitungstyp als dem des Halbleitersubstrats verwendet werden. Zum Beispiel kann eine p-Halbleiterschicht, die von anderem Leitungstyp als dem des n-InP-Substrats 110 ist, verwendet werden. In diesem Fall ist der Leitungstyp des Halbleitersubstrats (oder der erste Leitungstyp) der n-Typ und der Leitungstyp der Stromeingrenzungsschicht (oder der zweite Leitungstyp) ist der p-Typ. Umgekehrt kann die Beschaffenheit dergestalt sein, dass der erste Leitungstyp der p-Typ ist und der zweite Leitungstyp der n-Typ ist.
Bei Herstellprozessen für das Ausführungsbeispiel wurde die Niederdruck- MOCVD-Technik verwendet, um die Stromeingrenzungsstruktur auf dem n-InP- Substrat 110 herzustellen und um den mehrschichtigen Film mit Doppelheterostruktur einschließlich der aktiven Schicht 113 aus undotiertem GaInAsP aufzuwachsen. Alternativ kann Atmosphärendruck MOCVD oder epitaktisches Wachstum aus der Dampfphase (VPE) oder eine Technik mit epitaktischen Wachstum mittels eines Molekülstrahls (MBE) verwendet werden.
Zum Ausrichten des streifenförmigen Wulsts wurde die [011]-Richtung ausgewählt, jedoch kann eine [011]-Richtung (kristallographisch äquivalente Richtung) ausgewählt werden, um ein ähnliches Ergebnis zu erhalten.
Beim Ausführungsbeispiel ist der Halbleiterlaser mit vergrabener Streifenstruktur vom InP-GaInAsP-Typ. In ähnlicher Weise können für den erfindungsgemäßen Halbleiterlaser mit vergrabener Streifenstruktur GaAs-AlGaAs und andere Verbindungshalbleiter einschließlich Mehrfach-Mischkristallsystemen verwendet werden, wobei ähnlich hervorragende Ergebnisse erzielt werden.
Wie oben beschrieben, kann gemäß der Erfindung beim Herstellen eines Halbleiterlasers mit vergrabener Streifenstruktur eine aktive Schicht mit geringer Breite auf gut reproduzierbare Weise ausgebildet werden. Außerdem können Stromlecks verringert werden, ohne dass irgendein streifenförmiger, mit Fremdstoffatomen dotierter Bereich in den vergrabenen Schichten hergestellt wird. Daher ist es möglich, einen Halbleiterlaser mit vergrabener Streifenstruktur zu erhalten, der verringerte Schwellenstromstärke zeigt und stabile Schwingung in einer einzelnen Transversalmode erzielt und der mit guter Ausbeute hergestellt werden kann.

Beispiel 2 (Vergleichsbeispiel)

Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht eines Vergleichsbeispiels zu einem erfindungsgemäßen Halbleiterlaser mit vergrabener Streifenstruktur. Dieser Halbleiterlaser mit vergrabener Streifenstruktur wurde auf die folgende Weise hergestellt.
Als erstes wurde ein SiO&sub2;-Film 21 (siehe Fig. 4A) auf einem n-InP-Substrat 11 abgeschieden, das eine Hauptfläche mit (100)-Kristallausrichtung aufwies. Dann wurde der SiO&sub2;-Film 21 durch Photolithographie- und chemische Ätztechniken unter Verwendung von HF selektiv geätzt, um eine streifenförmige Ätzmaske auszubilden, die sich in der [011]-Richtung erstreckt. Als nächstes wurde das n-InP-Substrat 11 durch ein chemisches Ätzverfahren unter Verwendung eines Lösungsgemischs von H&sub2;SO&sub4;, H&sub2;O&sub2; und H&sub2;O (3 : 1 : 1) selektiv geätzt, wodurch ein inverser Mesawulst (1,8 um hoch, 3 um breit) ausgebildet wurde, wie es in Fig. 4A dargestellt ist.
Nachdem die Ätzmaske entfernt worden war, wurden ein n-InP-Film 12' (0,7 um dick) und ein Ga0,24In0,76As0,55P0,45-Film 13' (0,1 um dick) aufeinanderfolgend durch ein MOCVD-Verfahren auf das n-InP-Substrat aufgewachsen. In diesem Schritt wurde, wie es in Fig. 4B dargestellt ist, auf dem Mesateil ein mehrschichtiger Film mit Doppelheterostruktur mit trapezförmiger Konfiguration im Querschnitt rechtwinklig zur Schwingungsraumlänge des Resonators erzeugt, der durch (111)B-Flächen umgeben war. Das heißt, dass die schrägen Flächen des mehrschichtigen Films (111)B-Flächen sind. Dieser mehrschichtige Film besteht aus einer n-InP-Pufferschicht 12 und einer aktiven Schicht 13 aus Ga0,24In0,76As0,55P0,45.
Anschließend wurden aufeinanderfolgend eine p-InP-Mantelschicht (2,0 um dick), eine p-Ga0,53In0,47As-Deckschicht 15 (0,5 um dick) und eine obere Halbleiterschicht 16 aus n-InP (1,8 um dick) aufgewachsen. Da das Kristallwachstum zu beiden Seiten des Mesateils fortschreitet, trat Kristallwachstum mit gleichmäßiger Rate an allen Flächen einschließlich der (111)B-Flächen auf, und so wurde eine vergrabene Streifenstruktur erhalten, wie sie in Fig. 4B dargestellt ist.
Als nächstes wurde, wie es in Fig. 4C dargestellt ist, der erhöhte Teil der oberen Halbleiterschicht 16 aus n-InP über dem Mesateil selektiv durch Photolithographie- und chemische Ätztechniken entfernt, so dass die Fläche über dem Mesateil eben mit der Fläche zu den beiden Seiten desselben verlief. Als Ätzmittel wurde ein Lösungsgemisch von HCL und H&sub2;O (4 : 1) verwendet, wodurch nur die obere Halbleiterschicht 16 aus n-InP selektiv geätzt werden konnte, ohne dass die p-Ga0,53In0,47As-Deckschicht 15 geätzt wurde.
Anschließend wurde über allem ein SiO&sub2;-Isolierfilm 17 abgeschieden, und nachdem der Streifenteil des SiO&sub2;-Isolierfilms 17, der als Strominjektionsbereich dienen sollte, durch Ätzen entfernt war, wurde auf der Rückseite des n-InP-Substrats 11 eine n-seitige Elektrode 18 hergestellt; außerdem wurde auf der Oberfläche des SiO&sub2;-Isolierfilms 17 und auf der Oberfläche der dem streifenförmigen Teil des Films 17 zugewandten p-Ga&sub0;&sub5;&sub3;In0,47As- Deckschicht 15 eine p-seitige Elektrode 19 hergestellt. So wurde der in Fig. 3 dargestellte Halbleiterlaser mit vergrabener Streifenstruktur erhalten.
Ein anderer Halbleiterlaser mit vergrabener Streifenstruktur wurde auf dieselbe Weise hergestellt, wie sie oben beschrieben ist, mit der Ausnahme, dass der umgekehrte Mesawulst eine kleinere Breite in der Größenordnung von 1,5 um aufwies. Der Halbleiterlaser mit vergrabener Streifenstruktur war ebenfalls reproduzierbar.
Der so hergestellte Halbleiterlaser wies eine Oberfläche über dem Mesateil auf, die eben mit der Oberfläche zu dessen beiden Seiten oder niedriger verlief und die an der Position mit der epitaktischen Schichtseite nach unten lag. Das Bauteil war viel weniger anfällig gegen thermische Einflüsse wie ein Temperaturanstieg durch Wärmeerzeugung und es zeigte zufriedenstellende Bauteileigenschaften.

Beispiel 3 (Vergleichsbeispiel)

Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht eines weiteren Vergleichsbeispiels eines Halbleiterlasers mit vergrabener Streifenstruktur. Dieser Halbleiterlaser mit vergrabener Streifenstruktur wurde auf die folgende Weise hergestellt. Als erstes wurde auf einem n-InP-Substrat 31 mit einer (100)-Fläche auf dieselbe Weise wie beim Beispiel 2 ein umgekehrter Mesawulst (1,8 um hoch, 3 um breit) hergestellt. Dann wurden auf das n-InP-Substrat 31 mit dem Mesateil aufeinanderfolgend ein n-InP-Film 32' (0,7 um dick) und ein Ga0,24In0,76As0,55P0,45-Film 33 (0,1 um dick) auf dieselbe Weise wie beim Beispiel 2 unter Verwendung eines MOCVD-Verfahrens aufgewachsen. Bei diesem Schritt wurde auf dem Mesateil ein mehrschichtiger Film mit Doppelheterostruktur mit im Schnitt trapezförmiger Konfiguration rechtwinklig zur Schwingungsraumlänge des Resonators und umgeben durch (111)B-Flächen erzeugt. Das heißt, dass die schrägen Flächen des mehrschichtigen Films (111)B-Flächen waren, die von den beiden Rändern des Mesateils her wuchsen. Dieser mehrschichtige Film besteht aus einer n-InP-Pufferschicht 32 und einer aktiven Schicht 33 aus Ga0,24In0,76As0,55P0,45.
Anschließend wurden aufeinanderfolgend eine p-InP-Mantelschicht 34 (1,0 um dick), eine n-InP-Stromsperrschicht 35 (0,5 um dick), eine p-InP-Mantelschicht 36 (1,0 um dick), eine p-Ga0,53In0,47As-Deckschicht 37 (0,5 um dick) und eine obere Halbleiterschicht 38 aus n-InP (1,8 um dick) aufgewachsen, um den mehrschichtigen Film zu vergraben.
Als nächstes wurde der erhöhte Teil der oberen Halbleiterschicht 38 aus n- InP über dem Mesateil durch Photolithographie- und chemische Ätztechniken selektiv entfernt, so dass die Oberfläche über dem Mesateil eben mit der Fläche zu den beiden Seiten desselben war. Als Ätzmittel wurde ein Lösungs gemisch aus HCL und H&sub2;O (4 : 1) verwendet.
Als nächstes wurde auf allem ein SiO&sub2;-Isolierfilm 39 abgeschieden, und nachdem der zugehörige Streifenteil durch Ätzen entfernt war, um im SiO&sub2;- Isolierfilm 39 ein Streifenfenster auszubilden, wurde Zn durch dieses Streifenfenster diffundiert, um in den vergrabenen Schichten einen Zn-Diffusionsbereich 40 auszubilden. Ferner wurde der Leitungstyp desjenigen Teils der n-InP-Stromsperrschicht 35, der über dem Mesateil war, in den p- Typ umgewandelt, und auf der Rückseite des n-InP-Substrats 31 wurde eine n- seitige Elektrode 41 hergestellt, und auf der Oberfläche des SiO&sub2;-Isolierfilms 39 und des Zn-Diffusionsbereichs 40, die dem streifenförmigen Teil des Isolierfilms 39 zugewandt war, wurde eine p-seitige Elektrode 42 hergestellt. So wurde der in Fig. 5 dargestellte Halbleiterlaser mit vergrabener Streifenstruktur erhalten.
Dieser Halbleiterlaser war mit der n-InP-Stromsperrschicht 35 versehen. Außerdem war der Leitungstyp desjenigen Teils der Stromsperrschicht 35, der über dem Mesateil lag, durch Zn-Diffusion in den p-Typ umgekehrt. Daher können, dank eines pn-Übergangs, injizierte Ströme genauer eingegrenzt werden, und demgemäß kann die Schwellenstromstärke weiter verringert werden.
Beim zweiten Vergleichsbeispiel ist der Leitungstyp des Halbleitersubstrats (d. h. der erste Leitungstyp) der n-Typ, der Leitungstyp der Deckschicht (d. h. der zweite Leitungstyp) ist der p-Typ. Umgekehrt kann die Ausbildung dergestalt sein, dass der erste Leitungstyp der p = Typ ist und der zweite Leitungstyp der n-Typ ist. Zum Ausrichten des streifenförmigen Mesateils, der auf dem Halbleitersubstrat herzustellen ist, wurde die [011]-Richtung gewählt. Alternativ kann die [011]-Richtung, die kristallographisch äquivalent ist, gewählt werden, wobei ähnliche Effekte erzielbar sind.
Beim zweiten Vergleichsbeispiel ist der Halbleiterlaser mit vergrabener Streifenstruktur vom InP-GaInAsP-Typ. Entsprechend ist das erfindungsgemäße Verfahren in gleicher Weise bei GaAs-AlGaAs und anderen Verbindungshalbleitern einschließlich Mehrfach-Mischkristallsystemen anwendbar, wobei ähnlich zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden.
Wie bereits ausgeführt, ist es gemäß der Erfindung möglich, einen Halbleiterlaser mit vergrabener Streifenstruktur zu erhalten, bei, dem eine viel niedrigere Schwellenstromstärke für die Schwingung erzielt wird und der hinsichtlich der Schwingung in einer einzelnen Transversalmode stabil ist.
Es ist zu beachten, dass dem Fachmann verschiedene andere Modifizierungen erkennbar sind und von ihm leicht ausgeführt werden können, ohne von der Erfindung abzuweichen. Demgemäß soll der Schutzumfang der Erfindung nicht durch die oben dargelegte Beschreibung sondern die beigefügten Ansprüche begrenzt sein.

Claims

1. Halbleiterlaser mit:

- einem Halbleitersubstrat (110) von erstem Leitungstyp mit einer Hauptfläche mit der Kristallausrichtung (100);

- einem auf der Hauptfläche des Halbleitersubstrats (110) hergestellten Mesastreifen (111), der entlang der Richtung < 011> ausgerichtet ist und eine Oberfläche mit der Kristallausrichtung (100) aufweist, und der durch einen Teil des Halbleitersubstrats (110) gebildet ist;

- einer auf der Oberfläche des Mesastreifens (111) hergestellten Mehrschichtstruktur mit einer aktiven Schicht (113) für Laserschwingung, wobei die Seitenflächen der Mehrschichtstruktur (111)-Flächen sind;

- dadurch gekennzeichnet, dass er ferner eine Stromeingrenzungseinrichtung (114) zum Eingrenzen elektrischer Ströme auf innerhalb den Mesastreifen (111) aufweist, die auf der Hauptfläche des Halbleitersubstrats (110) und an den gesamten Seitenflächen des Mesastreifens (111) ausgebildet ist.

2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, bei dem die Stromeingrenzungseinrichtung (114) eine Halbleiterschicht von zweitem Leitungstyp aufweist, die auf der Hauptfläche des Halbleitersubstrats und an den Seitenflächen des Mesastreifens (111) ausgebildet ist.

3. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, bei dem die Stromeingrenzungseinrichtung (114) eine halbisolierende Halbleiterschicht aufweist, die auf der Hauptfläche des Halbleitersubstrats (110) und an den Seitenflächen des Mesastreifens (111) ausgebildet ist.

4. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlasers, das die folgenden Schritte aufweist:

- Herstellen eines Mesastreifens (111) auf einem Halbleitersubstrat (110) von erstem Leitungstyp, das über die Kristallausrichtung (100) verfügt, durch ein selektives Ätzverfahren unter Verwendung einer streifenförmigen Maske, wobei der Mesastreifen (111) entlang der Richtung < 011> ausgerichtet ist und eine Oberfläche mit der Kristallausrichtung (100) aufweist;

- Herstellen einer Stromsperrschicht (114) auf der Hauptfläche des Halbleitersubstrats (110) und an den gesamten Seitenflächen des Mesastreifens (111) durch ein selektives Aufwachsverfahren unter Verwendung der streifenförmigen Maske;

- Entfernen der streifenförmigen Maske;

- Herstellen einer Mehrschichtstruktur auf der Oberfläche des Mesastreifens (111), die eine aktive Schicht (113) für Laserschwingung aufweist, wobei die Seitenflächen der Mehrschichtstruktur {111}-Flächen sind;

- Herstellen einer Halbleiterschicht (115) von zweitem Leitungstyp, um die Mehrschichtstruktur zu bedecken; und

- Herstellen einer Kontaktschicht (116) auf der Halbleiterschicht (115).