DE69133230T2 - Halbleiterlaservorrichtung und Herstellungsverfahren - Google Patents

Halbleiterlaservorrichtung und Herstellungsverfahren

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Description

  • Diese Anmeldung ist eine Trennanmeldung aus der europäischen Patentanmeldung Nr. 95 115 775.9.
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Verbindungshalbleiter-Bauelements wie eines Halbleiterlaser-Bauelements und einer Lichtemissionsdiode (LED). Genauer gesagt, betrifft die Erfindung ein Halbleiterlaser-Bauelement mit hervorragenden Temperatureigenschaften, die Dauerstrichschwingungen sichtbarer Lichtstrahlen bei Raumtemperatur ermöglichen, und sie betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Verbindungshalbleiter- Bauelements, bei dem eine Halbleiterschicht aus einer Verbindung der III-V- Gruppe mit hoher Kristallinität auf einem GaAs-Substrat hergestellt wird.
  • In den letzten Jahren wurde zum Erzielen eines hohen Wirkungsgrads in Systemen für optische Informationsverarbeitung ein Halbleiterlaser-Bauelement erforderlich, das dazu in der Lage ist, Lichtstrahlen im Bereich kurzer Wellenlänge abzustrahlen. Insbesondere hat ein (AlYGa1-Y)0,5In0,5P-Kristall (0 ≤ Y ≤ 1) mit Gitteranpassung an ein GaAs-Substrat in der Industrie Aufmerksamkeit als Material für einen Halbleiterlaser mit sichtbaren Lichtstrahlen auf sich gezogen, der Lichtstrahlen mit einer Wellenlänge im 600 nm-Band abstrahlen kann. Das Material (AlYGa1-Y)0,5In0,5P (0 ≤ Y ≤ 1) wird nachfolgend als AlGaInP bezeichnet, solange nichts anderes speziell angegeben ist.
  • Molekularstrahlepitaxie (MBE) wie auch metallorganische, chemische Dampfniederschlagung (MOCVD) wurden als wichtige Verfahren für epitaktisches Wachstum eines AlGaInP-Kristalls auf einem GaAs-Substrat bekannt. Es wurde berichtet, dass ein Halbleiter-Bauelement für sichtbares Licht, aus der AlGaInP-Gruppe, das durch das MBE-Verfahren hergestellt wurde, sichtbare Lichtstrahlung im Dauerstrich bei Raumtemperatur emittierte (Hayaka et al. Journal of Crystal Growth 95 (1989), S. 949).
  • Fig. 4 ist eine Schnittansicht durch ein herkömmliches Halbleiterlaser- Bauelement für sichtbares Licht aus der AlGaInP-Gruppe, das durch das MBE- Verfahren hergestellt wurde.
  • Eine GaAs-Pufferschicht 72 von erstem Leitungstyp, eine GaInP-Pufferschicht 73 vom ersten Leitungstyp, eine AlGaInP-Mantelschicht 74 vom ersten Leitungstyp, eine aktive Schicht 75 aus GaInP, eine zweite AlGaInP-Mantelschicht 76 von zweitem Leitungstyp und eine GaInP-Schicht 90 vom zweiten Leitungstyp sind auf solche Weise auf einem GaAs-Substrat 71 vom ersten Leitungstyp hergestellt, dass eine Schicht in der genannten Reihenfolge durch das MBE-Verfahren auf die andere aufgewachsen ist.
  • Auf der GaInP-Schicht 90 vom zweiten Leitungstyp ist ein isolierender Siliziumnitridfilm 91 hergestellt, der über einen 10 um breiten, streifenförmigen Graben verfügt, der sich so erstreckt, dass er die GaInP-Schicht 90 vom zweiten Leitungstyp erreicht.
  • Elektroden 85 und 84 sind auf dem isolierenden Siliziumnitridfilm 91- bzw. an der Rückseite des Substrats 71 ausgebildet.
  • Das in Fig. 4 dargestellte Halbleiterlaser-Bauelement ist ein verstärkungsgeführtes Halbleiterlaser-Bauelement, in dem der Strom durch den isolierenden Siliziumnitridfilm 91 mit dem streifenförmigen Graben begrenzt ist. Dieses Halbleiterlaser-Bauelement verfügt über einen Schwingungs-Schwellenwert von 93 mA, und es kann bei Raumtemperatur sichtbare Lichtstrahlung im Dauerstrich abstrahlen.
  • Diese Art von Halbleiterlaser-Bauelement kann jedoch in der aktiven Schicht während der Schwingung erzeugte Wärme wegen der niedrigen Wärmeleitfähigkeit des AlGaInP-Kristalls nicht wirkungsvoll ableiten. Im Ergebnis hat die maximale Temperatur für Dauerstrichschwingung den niedrigen Wert von 35ºC.
  • Ein Halbleiterlaser-Bauelement, das nicht nur eine Struktur für wirksame Wärmeemission, sondern auch eine Doppelheterostruktur aus AlGaInP-Kristallschichten in Gitteranpassung mit einem GaAs-Substrat aufweist, wird hergestellt, wenn eine AlGaAs-Kristallschicht mit vergleichsweise hoher Wärmeleitfähigkeit und wirksamer Wärmeemission durch das MBE-Verfahren auf AlGaInP-Kristallschichten hergestellt werden kann.
  • Jedoch kann auf AlGaInP-Kristallschichten mit Gitteranpassung an das GaAs- Substrat durch das MBE-Verfahren keine AlGaAs-Kristallschicht mit hoher Kristallinität aufgewachsen werden, wenn die Oberfläche der AlGaInP-Kristallschicht durch Fremdstoffe verunreinigt ist.
  • Wenn die AlGaInP-Kristallschichten und die AlGaAs-Kristallschicht durch das MBE-Verfahren kontinuierlich hergestellt werden, muss die Molekularstrahl- Abstrahlung von P aus As umgeschaltet werden. Die oben genannte Verunreinigung tritt dann auf, wenn das Kristallwachstum für dieses Umschalten zeitweilig angehalten wird, nachdem das Wachstum der AlGaInP-Kristallschichten abgeschlossen ist. Innerhalb einiger Sekunden nach dem Anhalten haften Verunreinigungen wie Sauerstoff und Dampf in der Atmosphäre innerhalb eines MBE-Geräts an der Oberfläche der Kristallschicht an, an der das Wachstum zeitweilig angehalten ist.
  • Darüber hinaus muss zum Aufwachsen einer AlGaAs-Schicht mit hoher Temperatur durch das MBE-Verfahren die Substrattemperatur auf ungefähr 620ºC oder mehr erhöht werden. Bei derartigen Temperaturen verdampfen In und P in den AlGaInP-Schichten auf aktive Weise, was eine Verschlechterung der Oberfläche der AlGaInP-Kristallschichten verursacht. Es ist nicht möglich, eine AlGaAs-Kristallschicht mit hoher Kristallinität auf der verschlechterten Oberfläche der AlGaInP-Kristallschichten aufzuwachsen.
  • Ferner ist ein Halbleiterlaser-Bauelement mit durch das MBE-Verfahren aufgewachsenen AlGaInP-Kristallschichten normalerweise vom verstärkungs-geführten Typ, wie in Fig. 4 dargestellt. In einem verstärkungs-geführten Halbleiterlaser-Bauelement kann der horizontale Transversalmodus der Laserstrahlung nicht vollständig gesteuert werden. Daher ist auch für ein Halbleiterlaser-Bauelement mit AlGaInP-Kristallen die Entwicklung eines indexgeführten Halbleiterlaser-Bauelements erforderlich, das den horizontalen Transversalmodus der Laserstrahlen stabilisieren kann.
  • Fig. 5 ist eine Schnittansicht durch ein herkömmliches indexgeführtes Halbleiterlaser-Bauelement. Eine GaAs-Pufferschicht 72 von erstem Leitungstyp, eine erste AlGaInP-Mantelschicht 74 vom ersten Leitungstyp, eine aktive GaInP-Schicht 75, eine zweite AlGaInP-Mantelschicht 76 von zweitem Leitungstyp, eine GaAs-Schicht 78 vom zweiten Leitungstyp und eine InGaAs- Schicht 100 vom zweiten Leitungstyp sind auf solche Weise auf einem GaAs- Substrat 71 vom ersten Leitungstyp hergestellt, dass durch das MBE-Verfahren eine Schicht in der genannten Reihenfolge auf die andere aufgewachsen ist.
  • Die aktive GaInP-Schicht 75, die zweite AlGaInP-Mantelschicht 76 vom zweiten Leitungstyp, die GaAs-Schicht 78 vom zweiten Leitungstyp und die InGaAs-Schicht 100 vom zweiten Leitungstyp werden so geätzt, dass eine 10 um breite Rippe ausgebildet ist. Diese gerippte Oberfläche wird mit Ausnahme des oberen Abschnitts mit einer Siliziumoxidschicht 101 bedeckt. Dann werden über der oberen, gerippten Fläche und an der Rückseite des Substrats 71 Elektroden 85 bzw. 84 hergestellt.
  • Beim Halbleiterlaser-Bauelement mit der vorstehend beschriebenen Struktur fließt Strom zwischen den Elektroden 85 und 84 durch den oberen Abschnitt der Rippe, wo die Siliziumoxidschicht 101 nicht ausgebildet ist. Das Vorhandensein der 10 um breiten, dünnen aktiven Schicht 75 ermöglicht eine Schwingung in einer einheitlichen horizontalen Transversalmode.
  • Jedoch ist das Halbleiterlaser-Bauelement mit dieser Struktur dahingehend nachteilig, dass in der aktiven Schicht 75 erzeugte Wärme auf Grund des Vorliegens von Vertiefungen an der durch Ätzen hergestellten gerippten Oberfläche nicht wirkungsvoll zur Außenseite des Bauelements ausgegeben wird, was eine Dauerstrichschwingung bei Raumtemperatur verhindert.
  • Das Dokument JP-A-63 104 493, auf dem der Oberbegriff von Anspruch 1 beruht, offenbart ein Halbleiterlaser-Bauelement mit einer auf einem GaAs- Substrat angeordneten AlGaInP-Doppelheterostruktur. Auf der Doppelheterostruktur ist eine GaAs-Schicht angeordnet, die mit einem streifenförmigen Graben versehen ist, der sich durch sie hindurch so erstreckt, dass er die Oberseite der Doppelheterostruktur erreicht. Auf der GaAs-Schicht ist eine AlGaAs-Schicht so angebracht, dass sie den streifenförmigen Graben auffüllt.
  • Gemäß einer ersten Erscheinungsform der Erfindung gemäß dem Anspruch 1 ist Folgendes geschaffen: ein Halbleiterlaser-Bauelement mit: einem GaAs-Substrat; einer auf dem GaAs-Substrat hergestellten Doppelheterostruktur aus (AlkGa1-k)0,5In0,5P-Kristallen (0 ≤ k ≤ 1); einer aus der Doppelheterostruktur hergestellten optischen Absorptionsschicht aus GaAs zum Absorbieren von in der Doppelheterostruktur erzeugtem Licht; und einer Wiederaufwachsschicht aus AlYGa1-YAs (0 ≤ y ≤ 1), die auf solche Weise auf der optischen Absorptionsschicht aus GaAs hergestellt ist, dass sie den streifenförmigen Graben auffüllt, und die über eine Bandlückenenergie verfügt, die größer als eine in der Doppelheterostruktur erzeugte optische Energie ist, um die horizontale Transversalmode zu vereinheitlichen;
  • dadurch gekennzeichnet, dass das Laserbauelement ferner über eine Ätzstoppschicht aus (AlxGa1-x)0,5In0,5P (0 ≤ x ≤ 1) verfügt, die zwischen der Doppelheterostruktur und der optischen Absorptionsschicht ausgebildet ist und die über eine Bandlückenenergie verfügt, die größer als eine innerhalb der Doppelheterostruktur erzeugte optische Energie ist, wobei sich der streifenförmige Graben durch die optische Absorptionsschicht zur Ätzstoppschicht erstreckt;
  • wobei der Teil der Ätzstoppschicht unter dem streifenförmigen Graben an der Oberfläche der Ätzstoppschicht und nahe derselben vor dem Wiederaufwachsen der AlyGa1-yAs(0 ≤ y ≤ 1)-Schicht in eine AlxGa1-xAs(0 ≤ x ≤ 1)-Schicht mit einer Dicke von einigen Molekülen umgewandelt wurde.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist eine zweite Ätzstoppschicht (AlyGa1-y)0,5In0,5P(0 ≤ y ≤ 1) zwischen der Oberseite der optischen Absorptionsschicht aus GaAs und der Unterseite der AlYGa1-YAs-Wiederaufwachsschicht hergestellt.
  • Gemäß einer zweiten Ausführungsform gemäß dem Anspruch 3 ist Folgendes geschaffen: ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlaser-Bauelements mit den folgenden Schritten: Herstellen einer Doppelheterostruktur aus (AlkGa1-k)0,5In0,5P-Kristallen (0 ≤ k ≤ 1) auf einem GaAs-Substrat; Herstellen einer (AlxGa1-x)0,5In0,5P(0 ≤ x ≤ 1)-Ätzstoppschicht auf der Doppelheterostruktur, wobei diese Ätzstoppschicht eine Bandlückenenergie aufweist, die größer als eine innerhalb der Doppelheterostruktur erzeugte optische Energie ist; Herstellen einer optischen Absorptionsschicht aus GaAs zum Absorbieren von in der Doppelheterostruktur erzeugtem Licht auf der Ätzstoppschicht; Herstellen eines streifenförmigen Grabens, der sich durch die optische Absorptionsschicht aus GaAs so erstreckt, dass er die Ätzstoppschicht erreicht; Aufstrahlen von As-Molekülstrahlen auf das Schichtsubstrat in einer MBE-Vorrichtung, während das Schichtsubstrat so erwärmt wird, dass es die Temperatur überschreitet, bei der In und P in der Ätzstoppschicht verdampfen, um den frei liegenden Abschnitt an der Oberfläche der Ätzstoppschicht und nahe derselben im streifenförmigen Graben in eine AlxGa1-xAs(0 ≤ x ≤ 1)-Schicht mit einer Dicke mehrerer Moleküle umzuwandeln; und Herstellen einer AlyGa1-yAs(0 ≤ y ≤ 1)-Schicht auf der AlxGa1- xAs-Schicht und der optischen Absorptionsschicht aus GaAs auf solche Weise in der MBE-Vorrichtung, dass der streifenförmige Graben aufgefüllt wird, wobei die AlYGa1-YAs-Schicht eine Bandlückenenergie aufweist, die größer als eine innerhalb der Doppelheterostruktur erzeugte optische Energie ist, um die horizontale Transversalmode zu vereinheitlichen.
  • Gemäß einer dritten Erscheinungsform der Erfindung gemäß dem Anspruch 4 ist Folgendes geschaffen: ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlaser- Bauelements mit den folgenden Schritten: Herstellen einer Doppelheterostruktur aus (AlkGa1-k)0,5In0,5P-Kristallen (0 &le; k &le; 1) auf einem GaAs-Substrat; Herstellen einer ersten (AlxGa1-x)0,5In0,5P(0 &le; x &le; 1)-Ätzstoppschicht auf der Doppelheterostruktur wobei diese erste Ätzstoppschicht eine Bandlückenenergie aufweist, die größer als eine innerhalb der Doppelheterostruktur erzeugte optische Energie ist; Herstellen einer optischen Absorptionsschicht aus GaAs zum Absorbieren von in der Doppelheterostruktur erzeugtem Licht auf der ersten Ätzstoppschicht; Herstellen einer zweiten Ätzstoppschicht aus (AlyGa1-y)0,5In0,5P(0 &le; y &le; 1) auf der optischen Absorptionsschicht aus GaAs; Herstellen eines streifenförmigen Grabens, der sich durch die zweite Ätzstoppschicht aus (AlyGa1-y)0,5In0,5P und die optische Absorptionsschicht aus GaAs erstreckt, um die erste Ätzstoppschicht aus (AlxGa1-x)0,5In0,5P zu erreichen; Aufstrahlen von As-Molekülstrahlen auf das Schichtsubstrat in einer MBE-Vorrichtung, während das Schichtsubstrat so erwärmt wird, dass es die Temperatur überschreitet, bei der In und P in der Ätzstoppschicht verdampfen, um den frei liegenden Abschnitt an der Oberfläche der ersten und der zweiten Ätzstoppschichten in eine AlxGa1- xAs(0 < x &le; 1)-Schicht und eine AlyGa1-yAs(0 &le; y &le; 1) und nahe derselben im streifenförmigen Graben in eine AlxGa1-xAs(0 &le; x &le; 1)-Schicht mit jeweils einer Dicke mehrerer Moleküle umzuwandeln; und Herstellen einer AlLGa1- LAs(0 &le; L &le; 1)-Schicht auf der AlxGa1-xAs-Schicht und der optischen Absorptionsschicht aus GaAs auf solche Weise in der MBE-Vorrichtung, dass der streifenförmige Graben aufgefüllt wird, wobei die AlLGa1-LAs-Schicht, eine Bandlückenenergie aufweist, die größer als eine innerhalb der Doppelheterostruktur erzeugte optische Energie ist, um die horizontale Transversalmode zu vereinheitlichen.
  • Gemäß einer vierten Erscheinungsform der Erfindung gemäß dem Anspruch 5 ist Folgendes geschaffen: ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlaser- Bauelements mit den folgenden Schritten: Herstellen einer Doppelheterostruktur aus (AlkGa1-k)0,5In0,5P-Kristallen (0 &le; k &le; 1) auf einem GaAs-Substrat; Herstellen einer (AlxGa1-x)0,5In0,5P(0 &le; x &le; 1)-Ätzstoppschicht auf der Doppelheterostruktur wobei diese Ätzstoppschicht eine Bandlückenenergie aufweist, die größer als eine innerhalb der Doppelheterostruktur erzeugte optische Energie ist; Herstellen einer optischen Absorptionsschicht aus GaAs zum Absorbieren von in der Doppelheterostruktur erzeugtem Licht auf der Ätzstoppschicht; Herstellen eines streifenförmigen Grabens, der sich durch die optische Absorptionsschicht aus GaAs so erstreckt, dass er die Ätzstoppschicht erreicht; Aufstrahlen von As-Molekülstrahlen auf das Schichtsubstrat in einer MBE-Vorrichtung, während das Schichtsubstrat so erwärmt wird, dass es die Temperatur überschreitet, bei der In und P in der Ätzstoppschicht verdampfen, so dass die Ätzstoppschicht innerhalb des streifenförmigen Grabens freigelegt wird und der Abschnitt an der freigelegten Oberfläche der Ätzstoppschicht und nähe derselben in eine AlAs- Schicht einer Dicke einiger Moleküle umgewandelt wird; und Herstellen einer AlYGa1-YAs(0 &le; y &le; 1)-Schicht auf der AlAs-Schicht und der optischen Absorptionsschicht aus GaAs auf solche Weise in der MBE-Vorrichtung, dass der streifenförmige Graben aufgefüllt wird, wobei die AlyGa1-yAs-Schicht eine Bandlückenenergie aufweist, die größer als eine innerhalb der Doppelheterostruktur erzeugte optische Energie ist, um die horizontale Transversalmode zu vereinheitlichen.
  • Beim Verfahren zum Herstellen eines Verbindungshalbleiter-Bauelements gemäß der Erfindung werden As-Molekülstrahlen auf die Oberfläche der mit dem GaAs-Substrat gitterangepassten (AlYGa1-Y)0,5In0,5P-Kristallschicht (0 &le; Y &le; 1) gestrahlt, während die Temperatur des Substrats auf eine Temperatur erhöht wird, bei der das In in der Kristallschicht verdampft, wodurch die Oberfläche der Kristallschicht über eine Dicke von mehreren Molekülen in eine AlYGa1-YAs-Kristallschicht (0 &le; Y &le; 1) umgewandelt wird. Auf diese Weise wird die Oberfläche der (AlYGa1-Y)0,5In0,5P-Kristallschicht gereinigt, wobei gleichzeitig verhindert wird, dass In und P aus der (AlYGa1- Y)0,5In0,5P-Kristallschicht verdampfen. Auch darin, wenn eine AlXGa1-XAs- Kristallschicht (0 &le; X &le; 1) mit einer Dicke von einigen Molekülen auf der AlYGa1-YAs-Kristallschicht hergestellt wird, wird die Oberfläche der AlYGa1-YAs-Kristallschicht gereinigt, was es erlaubt, hohe Kristallinität der AlXGa1-XAs-Kristallschicht zu erzielen. So kann das Verfahren zum Herstellen des Verbindungshalbleiter-Bauelements gemäß der Erfindung ein Verbindungshalbleiter-Bauelement hoher Qualität mit einer AlXGa1-XAs-Kristallschicht hoher Kristallinität erzeugen, die auf der (AlYGa1-Y)0,5In0,5P- Kristallschicht ausgebildet ist.
  • Ferner wird beim Verfahren zum Herstellen eines Verbindungshalbleiter-Bauelements gemäß der Erfindung die Oberfläche der GaInP-Ätzstoppschicht in der MBE-Vorrichtung gereinigt, und darauf wird die thermisch stabile GaAs- Schicht ausgebildet, bevor die AlGaAs-Schicht hergestellt wird. Dies ermöglicht es, auf der GaAs-Schicht eine AlGaAs-Schicht hoher Kristallinität auszubilden. Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren einen Halbleiterlaser für sichtbares Licht schaffen, bei dem optische Absorptionsverluste im Streifengraben verringert sind und der einen niedrigen Schwellenstrom aufweist.
  • Das erfindungsgemäße Halbleiterlaser-Bauelement umfasst eine AlGaAs-Schicht mit relativ hoher Wärmeleitfähigkeit, die es ermöglicht, die innerhalb der Doppelheterostruktur mit dem AlGaInP erzeugte Wärme wirkungsvoll zur Außenseite des Halbleiterlaser-Bauelements abzuleiten. Ferner ist das erfindungsgemäße Halbleiterlaser-Bauelement, das vom brechungsindex-geführten Typ mit einem innenliegenden Streifengraben ist, mit hervorragenden Temperatureigenschaften versehen, die Dauerstrichbetrieb sichtbarer Lichtstrahlen in einem einheitlichen Horizontal-Transversalmodus bei Raumtemperatur ermöglichen. Die GaInP-Ätzstoppschicht enthält kein aktives Al, was verhindern kann, dass die Schicht leicht verunreinigt wird.
  • Demgemäß ermöglicht es die hier beschriebene Erfindung, die folgenden Ziele zu erreichen: (1) Schaffen eines Verfahrens zum Herstellen eines Verbindungshalbleiter-Bauelements mit hoher Qualität, bei dem eine AlXGa1-XAs- Kristallschicht hoher Kristallinität leicht auf einer verschlechterten Oberfläche einer (AlYGa1-Y)0,5In0,5P-Kristallschicht ausgebildet wird; und (2) Schaffen eines Halbleiterlaser-Bauelements mit einer Struktur, die für hervorragende Wärmeverteilung sorgt und die kontinuierlich sichtbare Lichtstrahlen bei Raumtemperatur abstrahlen kann.
  • Die Erfindung kann unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen besser verstanden werden, und ihre zahlreichen Aufgaben und Vorteile werden dem Fachmann hieraus erkennbar.
  • Fig. 1(a) bis 1(d) sind Schnittansichten, die Schritte eines Verfahrens zum Herstellen eines Halbleiterlaser-Bauelements zeigen;
  • Fig. 2(a) bis 2(d) Sind Schnittansichten, die Schritte eines Verfahrens zum Herstellen eines Halbleiterlaser-Bauelements zeigen;
  • Fig. 3(a) bis 3(d) sind Schnittansichten, die Schritte eines Verfahrens zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Halbleiterlaser-Bauelements zeigen;
  • Fig. 4 ist eine Schnittansicht, die einen herkömmlichen Halbleiterlaser zeigt; und
  • Fig. 5 ist eine Schnittansicht, die einen anderen herkömmlichen Halbleiterlaser zeigt.
    • Beispiel 1
  • Fig. 1(d) ist eine Schnittansicht eines Beispiels des erfindungsgemäßen Halbleiterlaser-Bauelements. Dieses Halbleiterlaser-Bauelement umfasst eine GaAs-Pufferschicht 32 von erstem Leitungstypeine GaInP-Pufferschicht 33 vom ersten Leitungstyp, eine AlGaInP-Mantelschicht 34 vom ersten Leitungstyp, eine aktive GaInP-Schicht 35, eine AlGaInP-Mantelschicht 36 von zweitem Leitungstyp, eine erste Ätzstoppschicht 37 aus (Al0,7Ga0,3)0,5In0,5P, eine optische Absorptionsschicht 38 aus GaAs und eine zweite Ätzstoppschicht 39 aus (Al0,4Ga0,6)0,5In0,5P, die in dieser Reihenfolge auf dem GaAs-Substrat 31 vom ersten Leitungstyp ausgebildet sind. Durch die zweite Ätzstoppschicht 39 aus (Al0,4Ga0,6)0,5In0,5P sowie die optische Absorptionsschicht 38 aus GaAs hindurch wird ein streifenförmiger Graben (Breite von 5 um) so hergestellt, dass er die erste Ätzstoppschicht 37 aus (Al0,7Ga0,3)0,5In0,5P erreicht.
  • Auf der Oberfläche der ersten Ätzstoppschicht 37, die innerhalb des streifenförmigen Grabens freiliegt, wird eine Al0,7Ga0,3As-Schicht 40 mit einer Dicke von einigen Molekülen hergestellt. Ruch wird auf der Oberfläche der zweiten Ätzstoppschicht 39 eine Al0,4Ga0,6As-Schicht 46 mit einer Dicke von einigen Molekülen hergestellt.
  • Auf der GaAs-Schicht 38, der Al0,7Ga0,3As-Schicht 40 und der Al0,4Ga0,6As- Schicht 46 wird eine Wiederaufwachs-Mantelschicht 41 aus Al0,7Ga0,3As vom zweiten Leitungstyp auf solche Weise hergestellt, dass der streifenförmige Graben aufgefüllt wird.
  • Beim Halbleiterlaser-Bauelement mit dieser Struktur bilden die AlGaInP- Mantelschicht 34 vom ersten Leitungstyp, die aktive GaInP-Schicht 35 und die AlGaInP-Mantelschicht 36 vom zweiten Leitungstyp eine Doppelheterostruktur, und daher werden die meisten innerhalb der aktiven Schicht 35 erzeugten Lichtstrahlen innerhalb dieser Doppelheterostruktur eingegrenzt.
  • Die Bandlückenenergie in der GaAs-Schicht 38, die zu beiden Seiten des streifenförmigen Grabens liegt, ist kleiner als die Energie der in der aktiven Schicht 35 erzeugten Lichtstrahlen. Daher absorbiert die GaAS- Schicht 38 relativ leicht diese Lichtstrahlen. Andererseits ist die Wiederaufwachs-Mantelschicht 41 aus Al0,7Ga0,3As so ausgebildet, dass sie eine ausreichend große Bandlücke und einen ausreichend kleinen Brechungsindex aufweist, wie erforderlich, um die in der aktiven Schicht 35 erzeugten Lichtstrahlen innerhalb der Doppelheterostruktur einzugrenzen. Dies führt zur Erzeugung einer wirksamen Brechungsindexdifferenz zwischen dem Inneren und dem Äußeren des über der Doppelheterostruktur ausgebildeten streifenförmigen Grabens, und so wird die Horizontal-Transversalmode der Laserstrahlen vereinheitlicht.
  • Auf der Wiederaufwachs-Mantelschicht 41 aus Al0,7Ga0,3As vom zweiten Leitungstyp wird eine GaAs-Deckschicht 42 vom zweiten Leitungstyp hergestellt, und auf der Oberfläche der GaAs-Deckschicht 42 vom zweiten Leitungstyp und der Rückseite des Substrats 31 werden Elektroden 45 bzw. 44 hergestellt.
  • Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1(a) bis 1(d) ein Verfahren zum Herstellen des Halbleiterlaser-Bauelements gemäß diesem Beispiel wie folgt beschrieben.
  • Wie es in Fig. 1(a) dargestellt ist, werden die GaAs-Pufferschicht 32 vom ersten Leitungstyp, die GaInP-Pufferschicht 33 vom ersten Leitungstyp, die AlGaInP-Deckschicht 34 vom ersten Leitungstyp, die aktive GaInP-Schicht 35, die AlGaInP-Deckschicht 36 vom zweiten Leitungstyp, die erste Ätzstoppschicht 37 aus (Al0,7Ga0,3)0,5In0,5P, die optische Absorptionsschicht 38 aus GaAs und die zweite Ätzstoppschicht 39 aus (Al0,4Ga0,6)0,5In0,5P auf solche Weise auf dem GaAs-Substrat 31 vom ersten Leitungstyp hergestellt, dass eine Schicht kontinuierlich in dieser Reihenfolge durch das MBE-Verfahren auf die andere aufgewachsen wird. Die Substrattemperatur liegt in diesem Stadium im Bereich von ungefähr 480ºC bis ungefähr 570ºC.
  • Während des obigen Schritts sollte das Substrat 31 nicht aus der MBE-Vorrichtung herausbewegt werden, um die Wachstumsschichten sauber zu halten.
  • Die Gesamtdicke der zweiten AlGaInP-Deckschicht 36 vom zweiten Leitungstyp und der ersten Ätzstoppschicht 37 aus (Al0,7Ga0,3)0,5In0,5P vom zweiten Leitungstyp hat den kleinen Wert von ungefähr 200 nm, so dass in der aktiven Schicht 35 erzeugte Lichtstrahlen zur optischen Absorptionsschicht 38 aus GaAs hindurchstrahlen können.
  • Nachdem die Schicht 39 hergestellt wurde, wird das Schichtsubstrat der MBE- Vorrichtung entnommen. Einige Teile der zweiten Ätzstoppschicht 39 aus (Al0,4Ga0,6)0,5In0,5P und der optischen Absorptionsschicht 38 aus GaAs werden unter Verwendung einer Photomaske 43 selektiv geätzt, um einen streifenförmigen Graben herzustellen, der sich so erstreckt, dass er die erste Ätzstoppschicht 37 aus (Al0,7Ga0,3)0,5In0,5P erreicht (Fig. 1(b)).
  • Während dieses Ätzschritts, der außerhalb der MBE-Vorrichtung erfolgt, haften Verunreinigungen wie Sauerstoff und Dampf in der Atmosphäre an der Oberfläche der ersten Ätzstoppschicht 37 aus (Al0,7Ga0,3)0,5In0,5P vom zweiten Leitungstyp an und verunreinigen diese. Die verunreinigte Oberfläche der Schicht 37 beeinträchtigt die Kristallinität anderer Schichten, die auf sie aufzuwachsen sind. Um diese Störung zu vermeiden und um die Oberflächen der ersten Ätzstoppschicht 37 aus (Al0,7Ga0,3)0,5In0,5P und der zweiten Ätzstoppschicht 39 aus (Al0,4Ga0,6)0,5In0,5P zu reinigen, wird das Schichtsubstrat in die MBE-Vorrichtung zurückgesetzt, in der die Schicht 37 und die Schicht 39 einer ausreichenden Menge an As-Molekülstrahlen ausgesetzt werden, während die Substrattemperatur auf 620ºC erhöht wird. Dieser Zustand wird für einige Minuten aufrechterhalten.
  • Durch diesen Vorgang werden In und P, die sich nahe den Oberflächen der Schicht 37 und der Schicht 39 befinden, durch As in den As-Molekülstrahlen ausgetauscht, wodurch die Abschnitte nahe den Oberflächen dieser Schichten 37 und 39 in die Al0,7Ga0,3As-Schicht 40 bzw. die Al0,4Ga0,6As-Schicht 46 mit jeweils einer Dicke von einigen Molekülen umgewandelt werden (Fig. 1(c)). Gleichzeitig werden Verunreinigungen von den Oberflächen der Schicht 37 und der Schicht 39 entfernt, um diese Oberflächen zu reinigen.
  • Die bei diesem Schritt hergestellte Al0,7Ga0,3As-Schicht 40 und die Al0,4Ga0,6As-Schicht 46 sind bei Temperaturen unter ungefähr 680ºC stabil, so dass es selten zu einer Verdampfung der Aufbauelemente kommt. 5o kann die Verdampfung von In und P aus diesen Schichten 37 und 39, die normalerweise um ungefähr 620ºC herum aktiv ist, dadurch vermieden werden, dass diese mit den dünnen Schichten 40 und 46 bedeckt sind.
  • Die Substrattemperatur beim Einstrahlen der As-Molekülstrahlen ist nicht auf 620ºC beschränkt, sondern sie kann ungefähr 580ºC oder mehr betragen, bei der In verdampft, um die Al0,7Ga0,3As-Schicht 40 und die Al0,4Ga0,6As- Schicht 46 zu bilden. Auch P verdampft im Temperaturbereich, in dem In verdampft. Daher werden sowohl In als auch P beim Einstrahlen einer ausreichenden Menge an As-Molekülstrahlen durch As ersetzt, um die Schicht 40 und die Schicht 46 auszubilden. Dabei beträgt die Substrattemperatur vorzugsweise ungefähr 680ºC oder weniger, um die Schicht 40 und die Schicht 46 während des ganzen obigen Stadiums stabil zu halten.
  • Als nächstes werden, unter Beibehaltung der Substrattemperatur auf ungefähr 600ºC, die Wiederaufwachs-Mantelschicht 41 aus Al0,7Ga0,3As vom zweiten Leitungstyp sowie die GaAs-Deckschicht 42 vom zweiten Leitungstyp auf die Oberseite des Schichtsubstrats auf solche Weise aufgewachsen, dass der streifenförmige Graben aufgefüllt wird.
  • Dabei werden normalerweise die Ätzstoppschicht 37 aus (Al0,7Ga0,3)0,5In0,5P und die Ätzstoppschicht 39 aus (Al0,4Ga0,6)0,5In0,5P hervorgerufen durch die Verdampfung von In und P in ihnen bei der Temperatur, die dazu erforderlich ist, die Wiederaufwachs-Mantelschicht 41 vom zweiten Leitungstyp aufzuwachsen, deutlich beeinträchtigt. In diesem Beispiel kann jedoch, wie oben beschrieben, diese Beeinträchtigung vermieden werden, da diese Schichten 37 und 39 mit der thermisch stabilen Al0,7Ga0,3As-Schicht 40 bzw. der Al0,4Ga0,6As-Schicht 36 bedeckt sind.
  • Die Wiederaufwachs-Mantelschicht 41 aus Al0,7Ga0,3As wird so hergestellt, dass sie eine Bandlückenenergie aufweist, die größer als die Energie der in der aktiven Schicht 35 erzeugten Lichtstrahlen aufweist, was durch Einstellen des Al-Gehalts in der Schicht erfolgt. Die in der aktiven Schicht 35 erzeugten Lichtstrahlen können so innerhalb der Doppelheterostruktur eingegrenzt werden.
  • Elektroden 45 und 44 werden auf der Oberseite der Schichtstruktur bzw. auf der Rückseite des Substrats 41 hergestellt, um ein indexgeführtes Halbleiterlaser-Bauelement herzustellen, wie es in Fig. 1(d) dargestellt ist.
  • Wie oben beschrieben, kann das Halbleiterlaser-Bauelement dieses Beispiels mit der Doppelheterostruktur mit den AlGaInP-Kristallschichten Lichtstrahlen von einer Wellenlänge von 670 nm bei Raumtemperatur im Dauerstrich abstrahlen. Auch kann das indexgeführte Halbleiterlaser-Bauelement mit streifenförmigem Graben innerhalb des Bauelements Laserstrahlen in einer vereinheitlichten Horizontal-Transversalmode abstrahlen.
  • Ferner ist das Halbleiterlaser-Bauelement dieses Beispiels mit der Wiederaufwachs-Mantelschicht 41 aus AlGaAs vom zweiten Leitungstyp versehen, die AlGaAs mit relativ hoher Wärmeleitfähigkeit enthält, was es ermöglicht, dass innerhalb der aktiven Schicht 35 erzeugte Wärme wirkungsvoll zur Außenseite des Halbleiterlaser-Bauelements verteilt wird. Im Ergebnis kann das Halbleiterlaser-Bauelement dieses Beispiels im Vergleich mit dem in Fig. 4 dargestellten hervorragenden Temperatureigenschaften zeigen.
  • Bei diesem Beispiel wurden die (Al0,7Ga0,3)0,5In0,5P-Schicht 37 und die (Al0,4Ga0,6)0,5In0,5P-Schicht 39 als Ätzstoppschichten verwendet. Jedoch kann auch ein anderes Zusammensetzungsverhältnis von AlGaInP als das obige dazu verwendet werden, eine AlGaInP-Ätzstoppschicht herzustellen, die Gitteranpassung zum Substrat aufweist. Dies bedeutet, dass Gitteranpassung an das Substrat für eine Ätzstoppschicht aus AlGaInP durch extensive Variation des Zusammensetzungsverhältnisses derselben, im Vergleich z. B. mit AlGaAs, möglich ist. Im Ergebnis kann eine Verringerung des Lichtwirkungsgrads, wie durch einen Mangel der Gitteranpassung im unteren Abschnitt des streifenförmigen Grabens hervorgerufen, vermieden werden, und es können Laserstrahlen mit hoher optischer Ausgangsleistung erzeugt werden.
  • Die an der Oberfläche der AlGaInP-Schicht hergestellte AlGaAs-Schicht neigt nicht dazu, durch Fremdstoffe wie Sauerstoff verunreinigt zu werden, im Vergleich mit z. B. einer AlAs-Schicht, die kein Ga enthält.
  • Als Vergleichsbeispiel wurde ein Halbleiterlaser-Bauelement mit demselben Verfahren wie oben beschrieben hergestellt, jedoch ohne den Schritt des Aufstrahlens von As-Molekülstrahlen und des Erhöhens der Substrattemperatur auf 620ºC. Im Ergebnis nahm der Schwellenstrom zu, und daher war kein Dauerstrichbetrieb bei Raumtemperatur möglich. Dies, da die Oberfläche der ersten Ätzstoppschicht 37 aus AlGaInP vom zweiten Leitungstyp nicht gereinigt war und es nicht möglich war, darauf eine Wiederaufwachs-Mantelschicht 41 aus AlGaAs hoher Qualität aufzuwachsen.
  • Übrigens haben die Al0,7Ga0,3As-Schicht 40 und die Al0,4Ga0,6As-Schicht 46, die dünne Schichten mit einer Dicke von einigen Molekülen sind, keine direkte optische und elektrische Auswirkung auf die Eigenschaften des Halbleiterlaser-Bauelements.
  • Das Halbleiterlaser-Bauelement dieses Beispiels ist mit der (Al0,4Ga0,6)0,5In0,5P-Schicht als zweiter Ätzstoppschicht versehen, die auf der optischen Absorptionsschicht 38 ausgebildet ist. Die Kristallinität desjenigen Teils der AlGaAs-Wiederaufwachsschicht 41, der über der optischen Absorptionsschicht 38 liegt, zeigt dann dieselben hervorragenden Eigenschaften wie derjenige Teil derselben, der auf den streifenförmigen Graben aufgewachsen ist. Jedoch werden in der aktiven Schicht 35 erzeugte Lichtstrahlen nur selten in denjenigen Teil der Schicht 41 hindurchgestrahlt, der über der optischen Absorptionsschicht 38 liegt, weswegen ein Halbleiterlaser-Bauelement ohne die zweite Ätzstoppschicht 39 dieselbe stabile Schwingung bei Raumtemperatur zeigen kann wie das des Beispiels 5.
    • Beispiel 2
  • Fig. 2(d) ist eine Schnittansicht eines anderen Beispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterlaser-Bauelements. Die Hauptunterschiede zwischen diesem Beispiel und dem in Fig. 1(d) dargestellten Beispiels 1 bestehen darin, dass bei diesem Beispiel keine (Al0,4Ga0,6)0,5In0,5P-Schicht auf der optischen Absorptionsschicht 38 ausgebildet ist und dass anstelle der Al0,7Ga0,3As-Schicht 40 des Beispiels 5 eine AlAs-Schicht 49 auf der Ätzstoppschicht im unteren Abschnitt des streifenförmigen Grabens ausgebildet ist.
  • Gemäß den Fig. 2(a) bis 2(d) wird das Verfahren zum Herstellen des Halbleiterlaser-Bauelements gemäß diesem Beispiel wie folgt beschrieben.
  • Wie es in Fig. 2(a) dargestellt ist, werden eine GaAs-Pufferschicht 32 von erstem Leitungstyp, eine GaInP-Pufferschicht vom ersten Leitungstyp, eine erste AlGaInP-Mantelschicht 34 vom ersten Leitungstyp, eine aktive GaInP- Schicht 35, eine zweite AlGaInP-Mantelschicht 36 von zweitem Leitungstyp, eine Ätzstoppschicht 37 aus (Al0,7Ga0,3)0,5In0,5P und eine optische Absorptionsschicht 38 aus GaAs auf einem GaAs-Substrat 31 vom ersten Leitungstyp auf solche Weise, durch das MBE-Verfahren hergestellt, dass eine Schicht auf die andere aufgewachsen wird.
  • Die Gesamtdicke der zweiten AlGaInP-Mantelschicht 36 vom zweiten Leitungstyp und der Ätzstoppschicht 37 aus (Al0,7Ga0,3)0,5In0,5P vom zweiten Leitungstyp hat den kleinen Wert von ungefähr 250 nm, so dass in der aktiven. Schicht 35 erzeugte Lichtstrahlen zur optischen Absorptionsschicht 38 aus GaAs durchgestrahlt werden können.
  • Dann wird, nachdem das Schichtsubstrat 31 der MBE-Vorrichtung entnommen wurde, ein gewisser Abschnitt der optischen Absorptionsschicht 38 aus GaAs selektiv unter Verwendung einer Photomaske 43 geätzt, um einen streifenförmigen Graben mit solcher Tiefe herzustellen, dass die Ätzstoppschicht 37 aus (Al0,7Ga0,3)0,5In0,5P nicht erreicht ist (Fig. 2(b)), so dass eine ungefähr 100 nm dicke GaAs-Schicht zwischen der Unterseite des streifenförmigen Grabens und der Oberseite der Ätzstoppschicht 37 verbleibt.
  • Als nächstes wird das Schichtsubstrat wieder in die MBE-Vorrichtung eingesetzt, in der dieses mit der GaAs-Schicht bedeckte Schichtsubstrat 31 einer ausreichenden Menge an As-Molekülstrahlen ausgesetzt wird, während die Substrattemperatur auf 720ºC erhöht wird. Dieser Zustand wird für einige Minuten aufrechterhalten.
  • Durch diesen Vorgang verdampft das im unteren Abschnitt des streifenförmigen Grabens verbliebene GaAs und Ga, In und P, wie sie nahe der Oberfläche der dadurch freigelegten Ätzstoppschicht 37 aus (Al0,7Ga0,3)0,5In0,5P vorhanden sind, werden durch As in den As-Molekülstrahlen ersetzt, wodurch die Abschnitte nahe der Oberfläche der Schicht 37 in eine AlAs-Schicht 49 mit einer Dicke von einigen Molekülen umgewandelt werden (Fig. 2(c)).
  • Diese dünne AlAs-Schicht 49 ist bei ungefähr 720ºC thermisch stabil, und es ist keine wesentliche Verdampfung der Aufbauelemente verursacht. So ist die Verdampfung von In und P aus der Ätzstoppschicht 37 aus (Al0,7Ga0,3)0,5In0,5P die normalerweise um 720ºC herum aktiv ist, durch die Bedeckung mit dieser AlAs-Schicht 49 vermieden.
  • Bei diesem Beispiel betrug die Substrattemperatur während des obigen Schritts 720ºC, jedoch kann sie, um die AlAs-Schicht 49 herzustellen, ungefähr 680ºC oder höher sein, wobei Ga und As verdampfen. Es verdampfen auch In und P im Temperaturbereich, in dem Ga und As verdampfen. Daher werden Ga, In und P, wie sie im freigelegten Abschnitt der (Al0,7Ga0,3)0,5In0,5P-Schicht 37 enthalten sind, beim Einstrahlen einer ausreichenden Menge an As-Molekülstrahlen durch As ersetzt, um die AlAs- Schicht 49 auszubilden. Dabei beträgt die Substrattemperatur vorzugsweise ungefähr 740ºC oder weniger, um die Stabilität der AlAs-Schicht 49 im gesamten obigen Stadium aufrechtzuerhalten.
  • So wird durch Herstellen des streifenförmigen Grabens in solcher Weise, dass ein Teil der Dicke der GaAs-Schicht im Bodenabschnitt des streifenförmigen Grabens verbleibt, die Oberfläche der (Al0,7Ga0,3)0,5In0,5P-Schicht nicht der Atmosphäre ausgesetzt, wodurch sie gegen Verunreinigung geschützt ist. Auch kann die Oberfläche der GaAs-Schicht, die dadurch verunreinigt wird, dass sie der Atmosphäre ausgesetzt ist, durch Verdampfen nahe der Oberfläche der GaAs-Schicht in der MBE-Vorrichtung gereinigt werden.
  • Darüber hinaus kann die AlAs-Schicht 49 eine Beeinträchtigung der (Al0,7Ga0,3)0,5In0,5P-Schicht 37, hervorgerufen durch die Verdampfung von In und P, die normalerweise bei einer Temperatur um 580ºC oder darüber aktiv ist, verhindern.
  • Nach dem obigen Schritt werden eine Wiederaufwachs-Mantelschicht 41 aus Al0,7Ga0,3As vom zweiten Leitungstyp und eine GaAs-Deckschicht 42 vom zweiten Leitungstyp in dieser Reihenfolge auf der Oberseite des Schichtsubstrats 31 hergestellt. Der Al-Gehalt in der Wiederaufwachs-Mantelschicht 41 aus Al0,7Ga0,3As ist so bestimmt, dass der Brechungsindex ausreichend niedrig dafür liegt, dass die in der aktiven Schicht 35 erzeugten Lichtstrahlen innerhalb derselben Schicht 35 eingegrenzt sind.
  • Auf der Oberseite der Mehrschichtstruktur und der Rückseite des Substrats 41 werden Elektroden 45 bzw. 44 hergestellt, um das indexgeführte Halbleiterlaser-Bauelement herzustellen, wie es in Fig. 2(d) dargestellt ist.
    • Beispiel 3
  • Fig. 3(d) ist eine Schnittansicht eines noch anderen Halbleiterlaser-Bauelements gemäß der Erfindung.
  • Dieses Halbleiterlaser-Bauelement umfasst eine GaAS-Pufferschicht 52 von erstem Leitungstyp, eine GaInP-Pufferschicht 53 vom ersten Leitungstyp, eine erste AlGaInP-Mantelschicht 54 vom ersten Leitungstyp, eine aktive GaInP-Schicht 55, eine zweite AlGaInP-Mantelschicht 56 von zweitem Leitungstyp (Dicke von 150 nm), eine erste GaInP-Ätzstoppschicht 57 (Dicke von 7 nm), eine optische Absorptionsschicht 58 aus GaAs sowie eine zweite GaInP-Ätzstoppschicht 59, die in dieser Reihenfolge auf einem GaAs-Substrat 51 vom ersten Leitungstyp hergestellt sind.
  • Die erste AlGaInP-Mantelschicht 54 vom ersten Leitungstyp, die aktive GaInP-Schicht 55 und die zweite AlGaInP-Mantelschicht 56 vom zweiten Leitungstyp bilden eine Doppelheterostruktur.
  • Durch die zweite GaInP-Ätzstoppschicht 59 und die optische Absorptionsschicht 58 aus GaAs hindurch wird ein streifenförmiger Graben (Breite von 5 um) so hergestellt, dass er die Oberfläche der ersten GaInP-Ätzstoppschicht 57 erreicht.
  • Auf der Schichtstruktur wird eine Wiederaufwachs-Mantelschicht 61 aus Al0,7Ga0,3As auf solche Weise hergestellt, dass der streifenförmige Graben aufgefüllt wird. Der Al-Gehalt in der Wiederaufwachs-Mantelschicht 61 aus Al0,7Ga0,3As wird so bestimmt, dass der Brechungsindex ausreichend niedrig (ungefähr 3,3) dafür ist, dass die in der aktiven Schicht 55 erzeugten Lichtstrahlen innerhalb der Doppelheterostruktur eingegrenzt sind. Die Wärmeleitfähigkeit dieser Wiederaufwachs-Mantelschicht 61 beträgt ungefähr 0,1 W/cm·Grad.
  • Auf der Wiederaufwachs-Mantelschicht 61 wird eine GaAs-Deckschicht 62 vom zweiten Leitungstyp hergestellt. Auf der Oberseite der Deckschicht 62 und der Rückseite des Substrats 51 werden Elektroden 65 bzw. 64 hergestellt.
  • Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die Fig. 3(a) bis 3(d) ein Verfahren zum Herstellen des Halbleiter-Bauelements gemäß diesem Beispiel wie folgt beschrieben.
  • Wie es in Fig. 3(a) dargestellt ist, werden die GaAs-Pufferschicht 52 vom ersten Leitungstyp, die GaInP-Pufferschicht 53 vom ersten Leitungstyp, die erste AlGaInP-Mantelschicht 54 vom ersten Leitungstyp, die aktive n GaInP- Schicht 55, die zweite AlGaInP-Mantelschicht 56 vom zweiten Leitungstyp, die erste GaInP-Ätzstoppschicht 57, die optische Absorptionsschicht 58 aus GaAs und die zweite GaInP-Ätzstoppschicht 59 auf solche Weise auf dem GaAs- Substrat 51 vom ersten Leitungstyp hergestellt, dass eine Schicht in dieser Reihenfolge auf die andere aufgewachsen wird. Die Substrattemperatur beim Aufwachsender Schichten liegt im Bereich von ungefähr 450ºC bis ungefähr 570ºC.
  • Während des obigen Schritts des Aufwachsens jeder Schicht sollte das Substrat 51 nicht aus der MBE-Vorrichtung herausbewegt werden, um die wachsenden Schichten sauber zu halten.
  • Die Dicke der zweiten AlGaInP-Deckschicht 56 vom zweiten Leitungstyp hat den kleinen Wert von ungefähr 150 nm, so dass in der aktive n Schicht 55 erzeugte Lichtstrahlen in die optische Absorptionsschicht 58 aus GaAs durchgestrahlt werden.
  • Dann wird, nachdem das Schichtsubstrat 51 der MBE-Vorrichtung entnommen wurde, ein bestimmter Abschnitt der zweiten GaInP-Ätzstoppschicht 59 und der optischen Absorptionsschicht 58 aus GaAs selektiv unter Verwendung einer Photomaske 63 geätzt, um einen streifenförmigen Graben auszubilden, der die erste GaInP-Ätzstoppschicht 57 erreicht (Fig. 3(b)).
  • Nach diesem Ätzschritt haften Verunreinigungen wie Sauerstoff und Dampf aus der Atmosphäre an der Oberfläche der ersten GaInP-Ätzstoppschicht 57 an.
  • Nachdem das Schichtsubstrat 51 in die MBE-Vorrichtung zurückgesetzt wurden, werden die GaInP-Schichten 57 und 59 einer ausreichenden Menge an As-Molekülstrahlen ausgesetzt, um ihre Oberflächen zu reinigen, während die Substrattemperatur auf 620ºC erhöht wird. Dieser Zustand wird für einige Minuten aufrechterhalten.
  • Durch diesen Vorgang werden In und P, die nahe den Oberflächen der ersten GaInP-Ätzstoppschicht 57 und der zweiten GaInP-Ätzstoppschicht 59 vorhanden sind, durch As in den As-Molekülstrahlen ersetzt, wodurch die Abschnitte nahe den Oberflächen dieser Schichten 57 und 59 in eine GaAs-Schicht 60 mit einer Dicke von einigen Molekülen umgewandelt werden (Fig. 3(c)).
  • Gleichzeitig werden Verunreinigungen von den Oberflächen der GaInP-Schichten 57 und 59 entfernt, und diese Oberflächen werden gereinigt. Ferner ist die GaAs-Schicht 60 thermisch stabil, und es kommt selten zu einer Verdampfung der Aufbauelemente bei einer Temperatur unter ungefähr 680ºC. 5o ist Verdampfung von In und P aus diesen Schichten 57 und 59, die normalerweise um ungefähr 620ºC herum aktiv ist, dadurch vermieden, dass sie mit der Schicht 60 bedeckt sind.
  • Die Substrattemperatur im Stadium des Herstellens der GaAs-Schicht 60 ist nicht auf 620ºC beschränkt, sondern sie kann ungefähr 580ºC oder mehr betragen, bei welcher Temperatur In verdampft, um die GaAs-Schicht 60 auszubilden. Auch P verdampft im Temperaturbereich, in dem In verdampft. Daher werden sowohl In als auch P durch As ersetzt, wenn eine ausreichende Menge von As-Molekülstrahlen eingestrahlt wird, um die GaAs-Schicht 60 auszubilden. Dabei beträgt die Substrattemperatur vorzugsweise ungefähr 680ºC oder weniger, um die Stabilität der GaAs-Schicht 60 im gesamten obigen Stadium aufrechtzuerhalten.
  • 5o kann durch Ausbilden der GaAs-Schicht 60 eine Beeinträchtigung der GaInP-Schichten 57 und 59, hervorgerufen durch Verdampfung von In und P in ihnen, wie dies bei einer Temperatur von ungefähr 580ºC oder höher wesentlich ist, bei einer Temperatur von ungefähr 680ºC vermieden werden.
  • Als nächstes werden unter Beibehaltung der Substrattemperatur auf ungefähr 680ºC eine Wiederaufwachs-Mantelschicht 61 aus Al0,7Ga0,3As vom zweiten Leitungstyp und eine GaAs-Deckschicht 62 vom zweiten Leitungstyp auf solche Weise auf die Oberseite des Schichtsubstrats ausgewachsen, dass der streifenförmige Graben aufgefüllt wird. Dabei werden normaleweise die GaAs- Schichten 57 und 59 deutlich beeinträchtigt, und zwar hervorgerufen durch die Verdampfung von In und P in ihnen bei der Temperatur, die dazu erforderlich ist, die Wiederaufwachs-Mantelschicht 61 aus Al0,7Ga0,3As aufzuwachsen. Bei diesem Beispiel kann jedoch diese Beeinträchtigung vermieden werden, da diese Schichten 57 und 59 mit der thermisch stabilen GaAs- Schicht 60 bedeckt sind.
  • Die Wiederaufwachs-Mantelschicht 61 aus Al0,7Ga0,3As wird so hergestellt, dass sie eine Bandlückenenergie (2,1 eV) aufweist, die größer als die Energie von Lichtstrahlen (ungefähr 1,9 eV) ist, wie sie in der aktiven Schicht 55 erzeugt werden, was durch Einstellen des Al-Gehalts in der Schicht erfolgt. Die in der aktiven Schicht 55 erzeugten Lichtstrahlen können so innerhalb der Doppelheterostruktur eingegrenzt werden.
  • Die Bandlückenenergie der GaAs-Schicht 58 mit dem durch sie hindurchgehenden streifenförmigen Graben ist kleiner als die Energie die in der aktiven Schicht 55 erzeugten Lichtstrahlen, die daher durch die GaAs-Schicht 58 leicht absorbiert werden. Im Ergebnis entsteht eine effektive Differenz der Brechungsindizes zwischen dem Inneren und dem Äußeren des streifenförmigen Grabens, der über der Doppelheterostruktur liegt, und demgemäß wird die Horizontal-Transversalmode der Laserstrahlen vereinheitlicht.
  • Auf der Oberseite der Mehrschichtstruktur und der Rückseite des Substrats 51 werden Elektroden 65 bzw. 64 hergestellt, um das indexgeführte Halbleterlaser-Bauelement herzustellen, wie es in Fig. 3(d) dargestellt ist.
  • Das Halbleiterlaser-Bauelement dieses Beispiels kann bei Raumtemperatur Lichtstrahlen mit einer Wellenlänge von 670 nm im Dauerstrich abstrahlen, wobei die Horizontal-Transversalmode der Laserstrahlen vereinheitlicht ist.
  • Da die GaAs-Schicht 40 eine dünne Schicht mit einer Dicke von einigen Molekülen ist, hat sie keine direkten optischen und elektrischen Auswirkungen auf die Eigenschaften des Halbleiterlaser-Bauelements.
  • Das Halbleiterlaser-Bauelement dieses Beispiels ist mit der Wiederaufwachs- Mantelschicht 61 aus AlGaAs vom zweiten Leitungstyp versehen, die AlGaAs mit relativ hoher Wärmeleitfähigkeit enthält, was es ermöglicht, dass in der aktiven Schicht 55 erzeugte Wärme wirkungsvoll zur Außenseite des Halbleiterlaser-Bauelements verteilt wird. Im Ergebnis kann das Halbleiterlaser-Bauelement dieses Beispiels hervorragende Temperatureigenschaften im Vergleich mit dem in Fig. 4 dargestellten zeigen.
  • Als Vergleichsbeispiel wurde ein Halbleiterlaser-Bauelement durch dasselbe Herstellverfahren, wie es oben beschrieben ist, hergestellt, jedoch ohne den Schritt des Einstrahlens von As-Molekülstrahlen und des Erhöhens der Substrattemperatur auf 620ºC. Bei diesem Vergleichsbeispiel nahm der Schwellenstrom zu und es war kein Dauerstrichbetrieb bei Raumtemperatur möglich. Dies, da die Oberfläche der ersten GaInP-Ätzstoppschicht 57 vom zweiten Leitungstyp nicht gereinigt war, wodurch es nicht gelang, auf ihr eine Wiederaufwachs-Mantelschicht aus AlGaAs mit hoher Qualität aufzuwachsen.
  • Das Halbleiterlaser-Bauelement dieses Beispiels ist mit der GaInP-Schicht als zweiter Ätzstoppschicht 59 versehen, die auf der GaAs-Schicht 60 ausgebildet ist. Die Kristallinität des Teils der AlGaAs-Wiederaufwachsschicht 61, der über der optischen Absorptionsschicht 58 liegt, zeigt dann dieselben hervorragenden Eigenschaften wie der Teil derselben, der über dem streifenförmigen Graben aufgewachsen ist, in dem die optische Absorptionsschicht 58 entfernt ist. Jedoch werden in der aktiven Schicht 55 erzeugte Lichtstrahlen kaum in denjenigen Teil der Schicht 61 übertragen, der über der optischen Absorptionsschicht 58 liegt, und daher kann ein Halbleiterlaser-Bauelement mit der zweiten Ätzstoppschicht 59 dieselbe stabile Schwingung bei Raumtemperatur wie dasjenige des Beispiels 7 erzielen. Jedoch ist in diesem Fall der Schwellenstrom geringfügig erhöht, da die Kristallinität im Teil der AlGaAs-Wiederaufwachsschicht 61, der über der optischen Absorptionsschicht 58 liegt, im Vergleich zum Fall beim Beispiel 7 beeinträchtigt ist. Daher ist es bevorzugt, die zweite GaInP-Ätzstoppschicht 59 auch auf der optischen Absorptionsschicht 58 anzubringen, um ein Halbleiterlaser- Bauelement zu erhalten, das bei niedrigem Schwellenstrom stabil beim Raumtemperatur schwingen kann.
  • Die erste GaInP-Ätzstoppschicht 57 bei diesem Beispiel ist 7 nm dick. Es zeigte sich, dass ein Halbleiterlaser-Bauelement mit einer Schicht mit einer Dicke von 20 nm nicht stabil bei Raumtemperatur schwingen konnte. Der Grund dafür ist der, dass dann, wenn die Dicke der ersten GaInP-Ätzstoppschicht 57 groß im Vergleich mit der De-Broglie-Wellenlänge ist, die optische Absorption der Schicht 57 zunimmt, was die Wellenleiterverluste erhöht und daher den Schwellenstrom erhöht.
  • Aus dem obigen Grund muss, um sichtbare Lichtstrahlen bei Raumtemperatur im Dauerbetrieb abzustrahlen, die Dicke der ersten GaInP-Ätzstoppschicht 57 kleiner als die elektronische De-Broglie-Wellenlänge sein. In der Praxis liegt die Dicke vorzugsweise im Bereich von ungefähr 3 nm bis ungefähr 15 nm.
  • In diesem Fall kann die Bandlückenenergie der ersten GaInP-Ätzstoppschicht 57 dadurch größer als diejenige der aktiven Schicht 55 gemacht werden, dass ein Quantenzustand in der Schicht 57 erzeugt wird, um die optische Absorption zu verringern.
  • Die für die Ätzstoppschichten verwendete GaInP-Schicht, die kein aktives Al enthält, hat den Vorteil, dass sie durch Sauerstoff, Dampf und dergleichen weniger als eine AlGaInP-Schicht verunreinigt wird. Daher ist das Halbleiterlaser-Bauelement dieses Beispiels, bei dem die GaInP-Ätzstoppschichten über der Doppelheterostruktur mit den AlGaInP-Schichten angeordnet sind, dahingehend von Vorteil, dass es während des Herstellprozesses weniger verunreinigt wird und es auch bei Raumtemperatur sichtbare Lichtstrahlen im Dauerstrich abstrahlen kann.
  • Bei diesem Beispiel ist eine Schicht aus GaAs für die optische Absorptionsschicht 58 verwendet, jedoch können auch andere Materialien verwendet werden, die leicht in der aktiven Schicht 55 erzeugte Lichtstrahlen absorbieren, wie AlGaAs.
  • Bei den Halbleiterlaser-Bauelementen der Beispiele 1, 2 und 3, besteht die Doppelheterostruktur aus der ersten AlGaInP-Mantelschicht vom ersten Leitungstyp, der aktiven GaInP-Schicht und der zweiten AlGaInP-Mantelschicht vom zweiten Leitungstyp. Es ist möglich, dass die Struktur aus Halbleiterschichten anderer Zusammensetzungen innerhalb der AlGaInP-Gruppe besteht: z. B. aus Schichten aus einem AlInP-Mischkristall mit drei Elementen als erster und zweiter Mantelschicht, einer Schicht aus einem AlGaInP-Mischkristall mit vier Elementen als aktiver Schicht, oder es kann eine Schicht mit Quantentrogstruktur oder Übergitterstruktur verwendet werden. Es kann auch eine SCH-Struktur dadurch hergestellt werden, dass zwischen den Mantelschichten und der aktiven Schicht ein Wellenleiter angebracht wird, der kleine Verstärkung und Absorptionsverluste aufweist.
  • Es ist zu beachten, dass dem Fachmann verschiedene andere Modifizierungen ersichtlich sind und von ihm leicht ausgeführt werden können, ohne vom Schutzumfang der durch die beigefügten ansprüche definierten Erfindung abzuweichen.

Claims (5)

1. Halbleiterlaser-Bauelement mit:
- einem GaAs-Substrat (31, 51);
- einer auf dem GaAs-Substrat (31, 51) hergestellten Doppelheterostruktur aus (AlkGa1-k)0,5In0,5P-Kristallen (0 &le; k &le; 1);
- einer aus der Doppelheterostruktur (37, 57) hergestellten optischen Absorptionsschicht (38, 58) aus GaAs zum Absorbieren von in der Doppelheterostruktur erzeugtem Licht; und
- einer Wiederaufwachsschicht (41, 61) aus AlYGa1-YAs (0 &le; y &le; 1), die auf solche Weise auf der optischen Absorptionsschicht (38, 58) aus GaAs hergestellt ist, dass sie den streifenförmigen Graben auffüllt, und die über eine Bandlückenenergie verfügt, die größer als eine in der Doppelheterostruktur erzeugte optische Energie ist, um die horizontale Transversalmode zu vereinheitlichen;
dadurch gekennzeichnet, dass das Laserbauelement ferner über eine Ätzstoppschicht (37, 57) aus (AlxGa1-x)0,5In0,5P (0 &le; x &le; 1) verfügt, die zwischen der Doppelheterostruktur und der optischen Absorptionsschicht (38, 58) ausgebildet ist und die über eine Bandlückenenergie verfügt, die größer als eine innerhalb der Doppelheterostruktur erzeugte optische Energie ist, wobei sich der streifenförmige Graben durch die optische Absorptionsschicht zur Ätzstoppschicht erstreckt;
- wobei der Teil der Ätzstoppschicht (37, 57) unter dem streifenförmigen Graben an der Oberfläche der Ätzstoppschicht (37, 57) und nahe derselben vor dem Wiederaufwachsen der AlyGa1-yAs(5 &le; y &le; 1)-Schicht (41, 61) in eine AlxGa1-xAs(0 &le; x &le; 1)-Schicht (40, 49, 60) mit einer Dicke von einigen Molekülen umgewandelt wurde.
2. Halbleiterlaser-Bauelement nach Anspruch 1, bei dem zwischen der Oberseite der optischen Absorptionsschicht (38, 58) aus GaAs und der Unterseite der AlYGa1-YAs-Wiederaufwachsschicht (41, 61) eine zweite Ätzstoppschicht (AlyGa1-y)0,5In0,5P(0 &le; y &le; 1) hergestellt ist.
3. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlaser-Bauelements mit den folgenden Schritten:
- Herstellen einer Doppelheterostruktur aus (AlkGa1-k)0,5In0,5P-Kristallen (0 &le; k &le; 1) auf einem GaAs-Substrat (31, 51);
- Herstellen einer (AlxGa1-x)0,5In0,5P(0 &le; x &le; 1)-Ätzstoppschicht (37, 57) auf der Doppelheterostruktur, wobei diese Ätzstoppschicht (37, 57) eine Bandlückenenergie aufweist, die größer als eine innerhalb der Doppelheterostruktur erzeugte optische Energie ist;
- Herstellen einer optischen Absorptionsschicht (38, 58) aus GaAs zum Absorbieren von in der Doppelheterostruktur erzeugtem Licht auf der Ätzstoppschicht (37, 57);
- Herstellen eines streifenförmigen Grabens, der sich durch die optische Absorptionsschicht (38, 58) aus GaAs so erstreckt, dass er die Ätzstoppschicht (37, 57) erreicht;
- Aufstrahlen von As-Molekülstrahlen auf das Schichtsubstrat in einer MBE- Vorrichtung, während das Schichtsubstrat so erwärmt wird, dass es die Temperatur überschreitet, bei der In und P in der Ätzstoppschicht (37, 57) verdampfen, um den frei liegenden Abschnitt an der Oberfläche der Ätzstoppschicht und nahe derselben im streifenförmigen Graben in eine AlxGa1-xAs(0 &le; x &le; 1)-Schicht mit einer Dicke mehrerer Moleküle umzuwandeln; und
- Herstellen einer AlyGa1-yAs(0 &le; y &le; 1)-Schicht (41, 49) auf der AlxGa1- xAs-Schicht (40, 60) und der optischen Absorptionsschicht (38, 58) aus GaAs auf solche Weise in der MBE-Vorrichtung, dass der streifenförmige Graben aufgefüllt wird, wobei die AlYGa1-YAs-Schicht (41, 49) eine Bandlückenenergie aufweist, die größer als eine innerhalb der Doppelheterostruktur erzeugte optische Energie ist, um die horizontale Transversalmode zu Vereinheitlichen.
4. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlaser-Bauelements mit den folgenden Schritten:
- Herstellen einer Doppelheterostruktur aus (AlkGa1-k)0,5In0,5P-Kristallen (0 &le; k &le; 1) auf einem GaAs-Substrat (31, 51);
- Herstellen einer ersten (AlxGa1-x)0,5In0,5P(0 &le; x &le; 1)-Ätzstoppschicht (37, 57) auf der Doppelheterostruktur wobei diese erste Ätzstoppschicht (37, 57) eine Bandlückenenergie aufweist, die größer als eine innerhalb der Doppelheterostruktur erzeugte optische Energie ist;
- Herstellen einer optischen Absorptionsschicht (38, 58) aus GaAs zum Absorbieren von in der Doppelheterostruktur erzeugtem Licht auf der ersten Ätzstoppschicht (37, 57);
- Herstellen einer zweiten Ätzstoppschicht (39, 59) aus (AlyGa1-y)0,5-In0,5P(0 &le; y &le; 1) auf der optischen Absorptionsschicht aus GaAs;
- Herstellen eines streifenförmigen Grabens, der sich durch die zweite Ätzstoppschicht (39, 59) aus (AlyGa1-y)0,5In0,5P und die optische Absorptionsschicht (38, 58) aus GaAs erstreckt, um die erste Ätzstoppschicht (37, 57) aus (AlxGa1-x)0,5In0,5P zu erreichen;
- Aufstrahlen von As-Molekülstrahlen auf das Schichtsubstrat in einer MBE- Vorrichtung, während das Schichtsubstrat so erwärmt wird, dass es die Temperatur überschreitet, bei der In und P in der Ätzstoppschicht (37, 57) verdampfen, um, den frei liegenden Abschnitt an der Oberfläche der ersten und der zweiten Ätzstoppschichten (37, 39, 57, 59) in eine AlxGa1-xAs(0 &le; x &le; 1)-Schicht (40, 60) und eine AlyGa-yAs(0 &le; y &le; 1) und nahe derselben im streifenförmigen Graben in eine AlxGa1-xAs(0 &le; x &le; 1)-Schicht (46, 60) mit jeweils einer Dicke mehrerer Moleküle umzuwandeln; und
- Herstellen einer AlLGa1-LAs(0 &le; L &le; 1)-Schicht (41, 61) auf der AlxGa1- xAs-Schicht (40, 60) und der optischen Absorptionsschicht (38, 58) aus GaAs auf solche Weise in der MBE-Vorrichtung, dass der streifenförmige Graben aufgefüllt wird, wobei die AlLGa1-LAs-Schicht (41, 61) eine Bandlückenenergie aufweist, die größer als eine innerhalb der Doppelheterostruktur erzeugte optische Energie ist, um die horizontale Transversalmode zu vereinheitlichen.
5. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlaser-Bauelements mit den folgenden Schritten:
- Herstellen einer Doppelheterostruktur aus (AlkGa1-k)0,5In0,5P-Kristallen (0 &le; k &le; 1) auf einem GaAs-Substrat (31);
- Herstellen einer (AlxGa1-x)0,5In0,5P(0 &le; x &le; 1)-Ätzstoppschicht (37) auf der Doppelheterostruktur wobei diese Ätzstoppschicht (37) eine Bandlückenenergie aufweist, die größer als eine innerhalb der Doppelheterostruktur erzeugte optische Energie ist;
- Herstellen einer optischen Absorptionsschicht (38) aus GaAs zum Absorbieren von in der Doppelheterostruktur erzeugtem Licht auf der Ätzstoppschicht (37);
- Herstellen eines streifenförmigen Grabens, der sich durch die optische Absorptionsschicht (38) aus GaAs so erstreckt, dass er die Ätzstoppschicht (37) erreicht;
- Aufstrahlen von As-Molekülstrahlen auf das Schichtsubstrat in einer MBE- Vorrichtung, während das Schichtsubstrat so erwärmt wird, dass es die Temperatur überschreitet, bei der In und P in der Ätzstoppschicht (37) verdampfen, so dass die Ätzstoppschicht (37) innerhalb des streifenförmigen Grabens freigelegt wird und der Abschnitt an der freigelegten Oberfläche der Ätzstoppschicht (37) und nahe derselben in eine AlAs-Schicht einer Dicke einiger Moleküle umgewandelt wird; und
- Herstellen einer AlYGa1-YAs(0 &le; y &le; 1)-Schicht (41) auf der AlAs-Schicht und der optischen Absorptionsschicht (38) aus GaAs auf solche Weise in der MBE-Vorrichtung, dass der streifenförmige Graben aufgefüllt wird, wobei die AlyGa1-yAs-Schicht (41) eine Bandlückenenergie aufweist, die größer als eine innerhalb der Doppelheterostruktur erzeugte optische Energie ist, um die horizontale Transversalmode zu vereinheitlichen.
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