DE69217679T2

DE69217679T2 - Halbleiterlaser

Info

Publication number: DE69217679T2
Application number: DE69217679T
Authority: DE
Inventors: John E Epler; Thomas L Paoli
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1991-01-08
Filing date: 1992-01-08
Publication date: 1997-07-31
Anticipated expiration: 2012-01-09
Also published as: JPH04296083A; US5138625A; EP0494766A2; EP0494766B1; EP0494766A3; DE69217679D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Halbleiterstrukturen im allgemeinen und im besonderen Halbleiterlaserstrukturen mit Quantenleitungen, die unter Verwendung von in situ photoinduzierten Modifikationen an Verbindungshalbleiterfilmen während der Epitaxie hergestellt werden.
Die Verwendung von Quantenleitungen, um die aktiven Bereiche von Halbleiterlasern in Quantenwannenbereichen auf zwei Dimensionen zu begrenzen, ist bekannt. Quantenleitungen in Halbleitern sind Bereiche, in denen Ladungsträger in den zwei Dimensionen rechtwinklig zur Achse der Leitung quantenbegrenzt sind. Quanteneffekte in GaAs-Schichten sind am stärksten, wenn die Dicke weniger als 50 nm beträgt. Eine Quantenleitung wird noch nützlich sein, wenn nur eine ihrer Abmessungen weniger als 50 nm beträgt. Für GaAs bedeutet dies typischerweise einen Bereich für die Quantenleitung in einem Halbleiter von kleiner als ca. 50 nm mal 100 nm.
Die Herstellung von Anordnungen aus Quantenleitungen an Ort und Stelle ist von Fukui et al. erwogen und demonstriert worden, "(AlAs)0.5 (Ga-As)0.5 fractional-layer superlattices grown on (001) vicinal surfaces by metalorganic chemical vapour deposition" in Appl. Phys. Letters 50, 824 (1987) und Tsuchiya et al. in Phys Rev Letters 62, 466 (1989), wobei gestufte Substrate verwendet werden, die mit außerachsigen Substraten erlangt werden, um geneigte Übergitter hervorzubringen. Eine Schwierigkeit bei diesem Lösungsweg ist die Ausbreitung dieser Oberflächentopographie durch die relativ dicken Schichten, die für die Plattierungsschichten einer Halbleiterlaserstruktur benötigt werden.
Eine Quantenwannenschicht, z.B. GaAs, ist aufgewachsen worden, um eine vorher geätzte V-förmige Rille in dem Substrat auszufüllen, um eine Laserstruktur zu bilden. E. Kapon et al., "Quantum Well Lasers Using Patterned Growth", 1988 IEEE Lasers and Electro-Optics Society Annual Meeting, Paper OE-2, Kapon et al., "Patterned Quantum well semiconductor injection laser grown by molecular beam epitaxy", Appl. Phys. Letters 52, 607 (1988).
Appl. Phys. Letters 55, 1989, Seiten 2715-2717, "Single quantum wire semiconductor lasers" offenbaren eine durchgehende Schicht aus Quantenwannenmaterial, die durch undotierte Schichten ohne Leitfähigkeit eingeschlossen ist, so daß kein vorspannender p-n-Übergang gebildet wird.
Die sich ergebende Quantenwannenschicht ist auf den Seiten der Rille dünner als in der Nähe des Scheitels, aber die dünne Seitenwand-Quantenschicht ist noch vorhanden. Als Folge können in dieser Struktur Träger-Rekombination und Lasertätigkeit auf den Seiten der Rille auftreten, weil diese Bereiche größer sind und folglich mehr Verstärkung als die kleineren Scheitelbereiche liefern. Diese Erfindung spricht die Beseitigung des Seitenwandaufwachsens an.
Was gewünscht wird, ist ein Prozeß, insbesondere wie bei der Molekularstrahl-Epitaxie (MBE) oder der metallorganischen chemischen Dampfphasenabscheidung (MOCVD) durchgeführt, bei dem eine ultrafeine Musterung von ultradünnen Schichten an Ort und Stelle ohne Unterbrechung des Aufwachsens durch irgendeinen Offline- oder Nicht-Aufwachsvorgang oder -prozeß zustandegebracht werden kann.
Es sind zwei Beispiele bekannt, wo das Mustern durch thermische Bearbeitung quasi in situ zustandegebracht werden kann, wobei thermisches Ätzen verwendet wird, um GaAs selektiv zu entfernen. In einem Beispiel wird eine GaAs-Schicht über einer p-AlGaAs-Schicht in einem einzelnen Bereich zuerst selektiv chemisch geätzt, gefolgt von thermischem Ätzen, um das von chemischen Ätzen übriggelassene restliche dünne GaAs zu entfernen, bevor mit dem Wiederaufwachsen der p-AlGaAs-Schicht fortgefahren wird. Dies bildet einen vergrabenen umgekehrt vorgespannten Stromeinschlußmechanismus in einem Doppelheterostrukturlaser. H. Tanaka et al., "Single-Longitudinal-Mode Self Aligned AlGa(As) Double- Heterostructure Lasers Fabricated by Molecular Beam Epitaxy", Japanese Journal of Applied Physics, Band 24, Seiten L89-L90, 1985.
In dem anderen Beispiel wird eine durch einen metallischen Film teilweise maskierte GaAs/AlGaAs-Heterostruktur in einer anisotropischen Weise chemisch geätzt, um Submikron-Fähigkeiten zur Bauteilherstellung zu erläutern. A. C. Warren et al., "Masked, Anisotropic Thermal Etching an Regrowth for in Situ Patterning of Compound Semiconductors", Applied Physics Letters, Band 51(22), Seiten 1818-1820, 30. November 1987. In beiden Beispielen werden AlGaAs-Maskierungsschichten als ein Ätzstopp anerkannt, um für die gewünschte geometrische Konfiguration in thermisch geätztem GaAs zu sorgen, obwohl auch bekannt ist, daß, die richtigen Desorptionsparameter vorausgesetzt, AlGaAs gegenfiber GaAs auch bei höheren Temperaturen mit anderen begleitenden umgebungsbedindungen thermisch geätzt werden kann.
Keines dieser Verfahren verwendet jedoch in situ photoinduzierte Bedampfung als ein Verfahren in einem Filmabscheidungssystem, um die Filmdicke in gemusterten oder selektiven Stellen an der Aufwachsoberfläche entweder während oder nach dem Filmaufwachsen inkremental minuziös zu reduzieren, um eine weich geformte Oberflächenmorphologie hervorzubringen, was eine Hauptaufgabe dieser Erfindung ist.
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, in situ das Entfernen oder die Desorption von ausgewählten Oberflächenbereichen oder Schichten von Verbindungshalbleitern unter Verwendung induzierter Bedampfungsanreicherung bei der metallorganischen chemischen Dampfphasenabscheidungs- (MOCVD) Epitaxie zustandezubringen und dieses Verfahren bei der Herstellung von Halbleiterlaserstrukturen mit Aktivschichten anzuwenden, die eine in situ hergestellte Quantenleitung enthalten.
Die Erfindung stellt folglich einen Quantenleitungs-Halbleiterlaser wie in den begleitenden Ansprüchen 1 und 2 beansprucht zur Verfügung.
Das Entfernen oder Dünnen in situ von Teilen oder dem Ganzen von ausgewählten Bereichen abgeschiedener Filme wird zustandegebracht, indem in einem Abscheidungssystem, z.B. einem MBE- oder MOCVD-System, eine Strahlungsenergiequelle auf einen exponierten Fleck oder Bereich auf der Aufwachsoberfläche eines Subtrats oder Trägers gerichtet wird. Dieses Verfahren, genannt "induzierte Bedampfungsanreicherung" wird in US-A-4,962,057 gelehrt.
Im besonderen ist die Erfindung hierin auf Verwendung dieses Verfahrens beim Herstellen von Quantenleitungen in situ in Halbleiterlaserstrukturen gerichtet, worin induzierte Bedampfungsanreicherung das fortgesetzte Wachsen der epitaktisch abgeschiedenen Materialien in ausgewählten Bereichen auf der Aufwachsoberfläche ohne die Notwendigkeit oder Einführung von Maskierungs- oder chemischen Ätzungsprozessen ganz beseitigt oder verhindert. Die Anwendung dieses Verfahrens, wie hier besonders beschrieben, bietet die Möglichkeit, umgekehrt vorgespannte Stromeinschlußkonfigurationen und fremdatominduzierte Wellenleiter, die Strom zu auserwählten Bereichen der Halbleiterlaserstruktur wirksam kanalisieren, mittels gemusterter Desorption der schichtinduzierten Bedampfungsanreicherung in situ zu erzeugen.
Die vorliegende Erfindung wird nun als Beispiel mit Verweis auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Inhalt der Zeichnungen:
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Seitenansicht einer Quantenleitungs-Halbleiterlaserstruktur vor der photoinduzierten Desorption.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer Seitenansicht einer Quantenleitungs-Halbleiterlaserstruktur während der photoinduzierten Desorption.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer Seitenansicht einer erfindungsgemäß gebildeten Quantenleitungs-Halbleiterlaserstruktur.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführung der erfindungsgemäßen Quantenleitungs-Halbleiterlaserstruktur mit einem externen Stromeinschlußstreifen.
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführung der erfindungsgemäßen Quantenleitungs-Halbleiterlaserstruktur mit der anfänglichen Rille in der zuerst aufgewachsenen Plattierungsschicht.
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung einer Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Quantenleitungs-Halbleiterlaserstruktur mit einem umgekehrten Vorspannungsübergang.
Fig. 7 ist eine schematische Darstellung einer Seitenansicht einer erfindungsgemäßen alternativen Quantenleitungs-Halbleiterlaserstruktur mit einem umgekehrten Vorspannungsübergang.
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung einer Seitenansicht einer erfindungsgemäßen alternativen Quantenleitungs-Halbleiterlaserstruktur mit einem umgekehrten Vorspannungsübergang.
Fig. 9 ist eine schematische Darstellung einer Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Quantenleitungs-Halbleiterlaserstruktur mit einem optischen Wellenleiter.
Fig. 10 ist eine schematische Darstellung einer Seitenansicht einer erfindungsgemäßen alternativen Quantenleitungs-Halbleiterlaserstruktur mit einem optischen Wellenleiter.
Fig. 11 ist eine schematische Darstellung einer Seitenansicht einer erfindungsgemäßen alternativen Quantenleitungs-Halbleiterlaserstruktur mit einem optischen Wellenleiter.
Fig. 12 ist eine schematische Darstellung einer Seitenansicht eines erfindungsgemäßen linearen oder horizontalen Mehrfach-Quantenleitungs- Halbleiterlasers.
Fig. 13 ist eine schematische Darstellung einer Seitenansicht einer erfindungsgemäßen alternativen Ausführung einer linearen oder horizontalen Mehrfach-Quantenleitungs-Halbleiterlaserstruktur, bei der der Lichtausgang senkrecht zur Achse der Mehrfach-Quantenleitung ist.
Fig. 14 ist eine schematische Darstellung einer Draufsicht der linearen oder horizontalen Mehrfach-Quantenleitungs-Halbleiterlaserstruktur von Fig. 13.
Fig. 15 ist eine schematische Darstellung einer Seitenansicht eines erfindungsgemäßen vertikalen Mehrfach-Quantenleitungs-Halbleiterlasers.
Fig. 16 ist eine schematische Darstellung einer Seitenansicht eines erfindungsgemäßen zweidimensionalen Mehrfach-Quantenleitungs-Halbleiterlasers.
Beim Beschreiben der Einrichtungen dieser Erfindung wird im allgemeinen auf die einzelenen getrennten Strukturen verwiesen, obwohl es in der Regel der Fall ist, daß eine Mehrzahl solcher Einrichtungen auf einem Wafersubstrat in einem MOCVD-Reaktor hergestellt werden könnten, wobei der bearbeitende Laserstrahl zu ausgewählten Stellen gescannt und/oder moduliert werden würde, um die gewünschte induzierte Bedampfungsanreicherung in gemusterter Weise über der Waferoberfläche durchzuführen.
Es wird nun auf Fig. 1 verwiesen, worin eine Halbleiterlaserstruktur 10 offenbart wird, die eine einzige Quantenleitung aufweist und unter Verwendung der MOCVD-Bearbeitung wie in US-A-4,962,057 beschrieben hergestellt wird. Die Halbleiterlaserstruktur 10 umfaßt ein Substrat 12 aus n-GaAs mit einer geeigneten Pufferschicht, auf der eine Rille 14 ist.
Die Rille kann in der Plattierungsschicht durch chemisches Ätzen, reaktives Ionenätzen, Ionenfräsen oder andere Mittel hergestellt werden. Die Rille kann auch hergestellt werden, indem ein eng fokussierter Strahl mit sich ändernder Verweilzeit über die Oberfläche der Plattierungsschicht bewegt wird, ein in US-A-4,962,057 beschriebener Prozeß.
Die Rille sollte im allgemeinen so schmal wie möglich sein. Die Breite und Tiefe der Rille werden jedoch von dem zu ihrer Herstellung verwendeten Prozeß abhängen. Es ist erwünscht, Rillen zu bilden, die tiefer als ihre Breite sind, was Seitenwandwinkel von größer als 45º ergibt. Chemisches Ätzen oder Strahldesorption kännen z.B. Rillen in einer V-Form mit einer Winkeltrennung der gegenüberliegenden Seitenwände von 70.5º bilden. Reaktives Ionenätzen oder Ionenfräsung können Rillen mit weit veränderlichen Seitenwandwinkeln und selbst Rillen mit vertikalen Seitenwänden bilden. Ähnlich kann Ätzen Rillen mit Seitenwänden bilden, die in flachen Basen kulminieren.
Der optimale Seitenwandwinkel der Rille wird von den Besonderheiten der Halbleiterlaserstruktur abhängen. Allmählicher ansteigende Seitenwände werden beim Erzielen einer nachfolgenden hochwertigen Epitaxie ohne Lücken im Scheitelbereich helfen und dazu neigen, auftreffende desorbierende Strahlung aus der Rille zu reflektieren, um so eine Konzentration der Strahlung innerhalb der Rille zu verhindern. Steilere Seitenwände haben andererseits den Vorteil einer kleineren Abmessung am Scheitel der Rille zum Bilden der Quantenleitung, der größeren Redeposition von desorbiertem Material, was das Zurückbehalten der geeigneten Menge von Material am Scheitel begünstigt, sowie der größeren Beschattungswirkung, wie unten beschrieben.
Der Veranschaulichung zuliebe ist in dieser Ausführung die Rille 14 V-förmig mit gegenüberliegenden spitzwinkligen Seitenwänden 16 und 18, die im Scheitel 20 kulminieren Die Rille kann zwischen 10 nm und 2.5 µm tief sein.
Auf dem Substrat 12 und der Rille 14 werden eine erste äußere Plattierungsschicht 22 aus n-AlxGa1-xAs und eine erste innere Einschlußschicht 24 aus n-AlyGa1-yAs, so x > y, epitaktisch abgeschieden. Da die Aufwachsrate für AlGaAs an den Seitenwänden der Rille größer als an ihrem Boden sein kann, wird die Temperatur für das Aufwachsen der Schichten 22 und 24 so gewählt, daß eine Rille mit scharfem Scheitel in jeder Schicht gebildet und beibehalten wird. Die äußere Plattierungsschicht 22 hat somit eine V-förmige Rille 26 mit Seitenwänden 28 und 30 und einem Scheitel 32, parallel zu der Rille 14 mit ihren Seitenwänden 16 und 18 im Substrat 12. Die innere Einschlußschicht 24 hat eine V-förmige Rille 34 mit Seitenwänden 36 und 38 und einem Scheitel 40, parallel zu den Rillen und Seitenwänden der äußeren Plattierungsschicht und dem Substrat. Sie Rillen sind selbstausrichtend, da die nachfolgend abgeschiedenen Schichten gleichmäßiger Dicke der Kontur der vorangehend abgeschiedenen Schichten folgen werden.
Nach dem Aufwachsen der Schichten 22 und 24 wird eine aktive Quantenwannenschicht 42 aus GaAs oder AlzGa1-zAs, wo z < y, die Lichtwellenerzeugung und -ausbreitung und lasernden Bedingungen bereitstellt, bei einer Temperatur von größer 725ºC abgeschieden, so daß die Aufwachsrate an den Seitenwänden 44 und 46 der V-förmigen Rille 48 niedriger als auf den horizontalen oberen Oberflächen, oder Mesas, 50 und 52 ist, was die Bildung eines etwas dickeren Bereiches 54 am Scheitel der Rille erlaubt, wie in Fig. 1 gezeigt.
Nach dem Ende des Aufwachsens der aktiven Quantenwannenschicht 42 wird jedoch das epitaktische Aufwachsen vorübergehend unterbrochen, und die Trimethylgallium- (TMG) Quelle zu der MOCVD-Kammer wird abgeschaltet, die Substrattemperatur wird auf ca. 825ºC erhöht, und ein Laserstrahl oder Kombinationslaserstrahl wird auf die Oberfläche der Quantenwannenschicht 42 entweder rechtwinklig oder, wie durch die Linien 56 in Fig. 2 angedeutet, unter einem fast senkrechten Einfallswinkel zu den Seitenwänden für eine Zeitdauer fokussiert, die ausreicht, die Quantenwannenschicht 42 an den Seitenwänden 44 und 46 zu den Seitenwänden 36 und 38 der inneren Plattierungsschicht 24 mit einer Rate von 0.1 nm zu verdampfen. Die Temperatur an dem beleuchteten Teil der Quantenwannenschicht 42 kann während des Verdampfungsprozesses ca. 1000ºC bis 1300ºC betragen.
Bei Temperaturen über ca. 725ºC ist das Wachsen von GaAs an Seitenwänden eines Mesa oder einer Rille langsamer als auf der Mesaspitze oder am Scheitel, und dieser Unterschied nimmt weiter zu, wenn die Temperatur erhöht wird. Dieses Verhalten bedeutet, daaA der Haftungskoeffizient für Ga- und As-Atome an den Seitenwänden am kleinsten ist. Für normalen Einfall der optischen Beleuchtung wird folglich verglichen mit dem Bereich 54 am Scheitel der Rille 48 und den oberen Mesabereichen 50 und 52 der Quantenwannenschicht 42 eine erhöhte Temperatur erwartet, um das GaAs der Quantenwannenschicht 42 vorzugsweise von den Seitenwänden 44 und 46 zu desorbieren. Wenn die Quantenwannenschicht AlzGa1-zAs ist, geschieht die Desorption langsamer, ist aber mindenstens bis zu ca. 10% Al (d.h. z ( 0.1) möglich.
Durch Steuern der Beleuchtungsstärke, des Winkels und der Länge der Belichtung des Laserstrahls 56 werden die Bereiche der Quantenwannenschicht 42 längs der Seitenwände 44 und 46 herunter zu der Grenzfläche mit der inneren Einschlußschicht 24 desorbiert, was das Bilden einer halbmondförmigen Quantenleitung 58 im Scheitel 40 der Rille 34 der inneren Einschlußschicht 24 zur Folge hat. Das Ausrichten der Polarisation des Laserstrahls parallel zur Einfallsebene, die z.B. senkrecht zu der Quantenleitung sein kann, hilft beim Entfernen von unerwünschtem Material von der Oberfläche und den Seitenwänden der Rille, da Licht am wirksamsten in das Material gekoppelt werden wird. Das AlyGa1-yAs der Einschlußschicht 24 fungiert als ein Desorptionsstopp für die optisch induzierte Desorption, weil AluGa1-yAs, wo y ≥ 0.15, verglichen mit der Desorption des GaAs der Quäntenwannenschicht 42 gemäß diesem Prozeß viel schwerer zu desorbieren ist.
Außerdem wird die Betriebstemperatur für AlGaAs höher sein als die für GaAs, weil der Al-Gehalt in AlGaAs eine lagsamere Verdampfungsrate bewirkt, da GaAs einen höheren Dampfdruck als AlGaAs aufweist.
Der Einfallswinkel des Laserstrahls 56 kann auch eingestellt werden, um den Scheitel zu beschatten und die Beleuchtung auf die Seitenwände zu konzentrieren, wie in Fig, 2 gezeigt. Die Desorption der Quantenwannenschicht wird in dem verdunkelten Scheitelbereich langsamer vorangehen als es in Anwesenheit von Beleuchtung der Fall sein würde, da jede photochemische Desorption reduziert oder beseitigt werden wird und der Scheitelbereich kälter sein wird als die umgebenden Seitenwände. Beide Effekte werden die seitliche Selektivität der Desorption erhöhen. Der optische Prozeß sollte in hohem Maße reproduzierbar sein, weil die Belichtungszeit und die Beleuchtungsstärke genau gesteuert werden können.
Das Verfahren von US-A-4,962,057 erlaubt es, das Aufwachsen der Quantenwannenschicht bei einer Temperatur durchzuführen, die die Qualität der Schicht für die Laserdesorption optimiert. Die Desorption kann anschließend bei einer Basistemperatur erfolgen, die der bevorzugten Verdünnung der Seitenwände in bezug auf den Scheitelbereich förderlich ist. Die Laserlösung für die Desorption ist dem einfachen Anheben der Temperatur des Substrats, um Desorption zu bewirken, vorzuziehen, weil die Stärke der optischen Beleuchtung eine schnellere Steuerung der Halbleitertemperatur, kürzere Desorptionszeiten und weniger bei hohen ungewünschten Temperaturen verbrachte Zeit erlaubt. All diese Faktoren verbessern in hohem Maße die Reproduzierbarkeit des Prozesses, der optische Beleuchtung verwendet.
Wie in Fig. 3 gezeigt, bleiben, nachdem photoinduzierte Desorption eine halbmondförmige Quantenleitung 58 im Scheitel 40 der Rille 34 der inneren Einschlußschicht 24 gebildet hat, verdünnte Quantenwannenschichten 60 und 62 auf den Mesastufen der inneren Einschlußschicht 24 übrig, und die Quantenwannenschicht ist auf den Seitenwänden 36 und 38 der Rille nicht mehr vorhanden. Das epitaktische Aufwachsen der Halbleiterlaserstruktur 10 wird dann mit dem Aufwachsen einer zweiten inneren Einschlußschicht 64 aus p-AlyGa1-yAs und einer zweiten äußeren Plattierungsschcht 66 aus p-AlAGa1-AAs, wo x ≥ oder ≤ A ≥ y, und einer Abdeckschicht 68 aus p+-GaAs fortgesetzt. Jede dieser Schichten stellt eine gleichmäßige Dicke auf den vorangehenden Halbleiterschichten bereit.
Die verdünnten Quantenwannenschichten 60 und 62 auf den Mesastufen lasern nicht, weil der Strom auf die Quantenleitung beschränkt wird. Alternativ können die Schichten auf den Mesas durch den desorbierenden Laserstrahl entfernt werden.
Die innere Einschlußschicht 64 besitzt folglich eine V-förmige Rille 70 mit Seitenwänden 72 und 74 und einem Scheitel 76, parallel zu den Rillen und Seitenwänden in der inneren Einschlußschicht 24, der äußeren Plattierungsschicht 22 und dem Substrat 12. Die äußere Plattierungsschicht 66 besitzt eine V-förmige Rille 78 mit Seitenwänden 80 und 82 und einem Scheitel 84, parallel zu den Rillen und Seitenwänden der inneren Einschlußschichten 64 und 24, der äußeren Plattierungsschicht 22 und des Substrats 12. Die Abdeckschicht 68 besitzt eine V-förmige Rille 86 mit Seitenwänden 88 und 90 und einem Scheitel 92, parallel zu den Rillen und Seitenwänden der äußeren Plattierungsschicht 66, den inneren Einschlußschichten 64 und 24, der äußeren Plattierungsschicht 22 und des Substrats 12.
Wiederum sind die Rillen selbstausrichtend, da die anschließend abgeschiedenen Schichten gleichmäßiger Dicke der Kontur der vorangehend abgeschiedenen Schichten folgen werden. Das GaAS der Quantenwannenschicht wächst am Bodenscheitel der Rille schneller, während das AlGaAs der Plattierungsschicht an den Seitenwänden der Rille schneller wächst, so daß die Rille nach jedem GaAs-Quantenleitungshalbmond in der AlGaAs-Plattierungsschicht umgebildet wird.
Die innere Einschlußschicht 64, die äußere Plattierungsschicht 66 und die Abdeckschicht 68 müssen jedoch den Rillen und Seitenwänden der unteren Schichten nicht folgen.
Die Quantenwannenschicht 42 und die sich ergebende Quantenleitung 58 können aus Halbleitermaterial mit niedriger Bandlücke sein, während die angrenzenden inneren Einschlußschichten aus Halbleitermaterial mit hoher Bandlücke sind, um Träger- und Strahlungsverluste zu vermindern und Träger auf angrenzende Quantenleitungen in unten beschriebenen Mehrfach-Quantenleitungs-Halbleiterlaserstrukturen zu lokalisieren.
Normale chemische Ätzungsmittel oder andere Metallisierungsverfahren werden verwendet, um einen p-Kontakt auf der Plattierungsschicht 68 und einen n-Kontakt auf dem Substrat 12 (nicht gezeigt) zu bilden. Die p-Plattierungsschicht 66 und die n-Plattierungsschicht 22 bilden einen p-n-Übergang mit der Quantenleitung 58 dazwischen. Zwischen dem p-Kontakt und dem n-Kontakt wird Strom injiziert, um den p-n-Übergang der p-Plattierungsschicht 66 und der n-Plattierungsschicht 22 vorwärts vorzuspannen, um die aktive Quantenleitung 58 zu veranlassen, kohärentes Licht zu emittieren.
Die Berarbeitungsverfahren in US-A-4,962,057 erlauben die volle in situ Bearbeitung einer Quantenleitungs-Halbleiterlaserstruktur 10, ohne die Struktur aus dem MOCVD-Reaktor zu entfernen oder die Struktur in dem Reaktor zu bewegen oder zu maskieren.
In Fig. 4 weist die Quantenleitungs-Halbleiterlaserstruktur 94 eine mit der Quantenleitungs-Halbleiterlaserstruktur 10 von Fig. 3 identische Struktur auf außer, daß ein Stromeinschlußstreifen durch Protonenbeschuß oder Ionenimplantationsbereiche 96 durch die Abdeckschicht 100 aus p-GaAs hindurch und in die zweite äußere Plattierungsschicht 98 aus p-AlGaAs gebildet wird. Geeignete Kontaktmetalle werden dann auf die äußere Oberfläche 102 der Abdeckschicht 100 und die äußere Oberfläche 104 des Substrats 106 aufgetragen.
In Fig. 5 weist die Quantenleitungs-Halbleiterlaserstruktur 108 eine mit der Quantenleitungs-Halbleiterlaserstruktur 10 von Fig. 3 identische Struktur auf außer, daß die Struktur 110 aus GaAs flach ist und die Rille 112 in der ersten äußeren Plattierungsschicht 114 aus n-AlxGa1-xAs gebildet wird. Die Rille kann durch einen eng fokussierten Strahl gebildet werden, der mit sich ändernder Verweilzeit über die Oberfläche der aüßeren plattierungsschicht bewegt wird. Der Veranschaulichung halber ist in dieser Ausführung die Rille 112 V- förmig mit gegenüberliegenden spitzwinkligen Seitenwänden 116 und 118, die in einem Scheitel 120 kulminieren.
Nach dem Anfertigen der Rille 112 wird der Quantenleitungs-Halbleiterlaser 108 in der gleichen Weise wie der in Fig. 1 und 3 gezeigte Quantenleitungs-Halbleiterlaser 10 hergestellt. Eine erste innere Einschlußschicht 122 aus n-AlyGa1-yAs, wo x > y, wird auf der äußeren Plattierungsschicht 112, die der Kontur der Rille folgt, epitaktisch aufgewachsen. Eine aktive Quantenwannenschicht 124 aus GaAs oder Alz Ga1-zAs, wo z < y, die Lichtwellenerzeugung und -ausbreitung unter lasernden Bedindungen bereitstellt, wird über der inneren Einschlußschicht gebildet, und photoinduzierte Desorption bildet eine halbmondförmige Quantenleitung 126. Das epitaktische Aufwachsen wird dann mit dem Aufwachsen einer zweiten inneren Einschlußschicht 128 aus p-AlyGa1-yAs und einer zweiten äußeren Plattierungsschicht 130 aus p-AlAGa1-AAs, wo x ≥ oder ≤ A ≥ y, und einer Abdeckschicht 132 aus p+-GaAs fortgesetzt.
Fig. 6, 7 und 8 offenbaren eine Quantenleitungs-Halbleiterlaserstruktur mit einem umgekehrten Vorspannungsübergang im Plattierungsbereich des Lasers für Zwecke des Stromeinschlusses und einer vergrabenen Quantenleitung, die beide in situ während des epitaktischen Aufwachsens unter Verwendung der induzierten Bedampfungsanreicherung gebildet werden.
In Fig. 6 umfaßt ein Quantenleitungs-Halbleiterlaser mit umgekehrtem Vorspannungsübergang 134 ein Substrat 136 aus n-GaAs, auf dem sich eine V-förmige Rille 138 befindet. Auf dem Substrat und der Rille werden eine erste äußere Plattierungschicht 140 aus n-AlxGa1-xAs, die eine Rille 142 bildet, eine erste innere Einschlußschicht 144 aus n-AlyGa1-yAs, wo x > y, die eine Rille 146 bildet, und eine aktive Quantenwannenschicht aus GaAs epitaktisch abgeschi eden.
Nach Vollendung des Aufwachsens der aktiven Quantenwannenschicht wird jedoch das epitaktische Aufwachsen vorübergehend unterbrochen, und eine Quantenleitung 148 im Scheitel der Rille und verdünnte Quantenschichten 150 und 152 auf dem Mesa der Halbleiterschichten werden durch einen fokussierten Laserstrahl erstellt, der die epitaktisch aufgewachsene Quantenwannenschicht lokal desorbiert. Das epitaktische Aufwachsen wird dann mit dem Aufwachsen der zweiten inneren Einschlußschicht 154 aus p-AlyGa1-yAs, die eine Rille 156 bildet, und der zweiten äußeren Plattierungschicht 158 aus p-AlAGa1-AAs, wo x ≥ oder ≤ A ≥ y, fortgesetzt, um eine V-förmige Rille 160 mit gegenüberliegenden spitzwinkligen Seitenwänden 162 und 164 zu bilden, die sich am Scheitel 166 über den Rillen der vorangehenden Schichten treffen und mit diesen ausgerichtet sind.
Eine n-dotierte Quantenwannenschicht aus stark dotiertem n-GaAs, z.B. Si oder Se, wird dann auf die äußere Plattierungsschicht 158 aufgewachsen.
Nach dem Aufwachsen der dotierten Quantenwannenschicht wird das Aufwachsen der Halbleiterschichten vorübergehend unterbrochen, ein Laserstrahl wird auf den zentralen Bereich der dotierten Quantenwannenschicht über den V-förmigen Rillen 160, 156, 146, 142 und 138 und der Quantenleitung 148 fokussiert, um einen Temperaturgradienten bereitzustellen, der ausreicht, um die Desorption eines Streifens in der dotierten Quantenwannenschicht herab zu bis zur Grenzfläche mit der äußeren Plattierungschicht 158 an den Seitenwänden 162 und 164 zu bewirken, um einen Stromkanal 168 in der Quantenwannenschicht zu bilden. Das AlAGa1-AAs der äußeren Plattierungsschicht 158 wirkt an der Grenzfläche als ein Desorptionsstopp für die optisch gemusterte Desorption, weil AlGaAs verglichen mit der n-dotierten Quantenwannenschicht schwerer zu desorbieren ist.
Als Beispiel wird für eine Dauer von 300 Sekunden GaAs am Kanal 168 mit einer Rate von ca. 0.03 nm pro Sekunde bei einer Temperatur von ca. 1030ºC von einem Fleck desorbiert, der auf einen Durchmesser etwas größer als die Breite der Rille 156 fokussiert ist. Das GaAs wird von den Seitenwänden schneller desorbiert als von der Mesaoberfläche, so daß der Kanal 168 völlig geöffnet wird.
Nach dem Bilden des Stromkanals durch induzierte Bedampfungsanreicherung des Bereichs der dotierten Quantenwannenschicht bildet die auf den Mesas der äußeren Einschlußschicht verbleibende dotierte Quantenwannenschicht eine Übergangskonfiguration mit umgekehrter Vorspannung oder Sperrschicht 170. Das epitaktische Aufwachsen wird mit dem Aufwachsen der äußeren Plattierungsschicht 172 aus p-ALBGa1-BAs, wo x ≥ A ≥ oder ≤ B > y, gefolgt von dem Aufwachsen der Abdeckschicht 174 aus MG-dotiertem p+-GaAs fortgesetzt.
Normale chemische Ätzungsmittel oder andere Metallisierungsverfahren sind in der Technik bekannt und werden verwendet, um auf der Abdeckschicht 174 einen p-Kontakt und auf dem Subtstrat 136 einen n-Kontakt zu bilden (nicht gezeigt). Die p-Plattierungsschicht 158 und die n- Plattierungsschicht 140 bilden einen p-n-Übergang mit der Quantenleitung 148 dazwischen. Zwischen dem p-Kontakt und dem n-Kontakt wird Strom injiziert, um den p-n-Übergang der p-Plattierungsschicht 158 und der n-Plattierungsschicht 140 vorwärts vorzuspannen, um die aktive Quantenleitung 148 zu veranlassen, kohärentes Licht zu emittieren.
Der Rückwärtsvorspannungsübergang 170 kann in Verbindung mit den angrenzenden Plattierungschichten 158 und 172 als ein optischer Wellenleiter fungieren, der mit dem Stromkanal 168 und dem aktiven Quantenleitungsbereich 148 selbstausgerichtet ist.
Als Beispiel können die Schichten 158 und 172 beide aus Al0.8Ga0.2 As bestehen. Diese optische Wellenleiterstruktur mit dem Rückwärtsvorspannungsübergang 170 sorgt für eine Indexführung, die eine Betonung auf seitlichen Wellenleitungseigenschaften hat. Andererseits kann mit B > A eine gegenführende optische Wellenleiterstruktur in Verbindung mit der rückwärts vorgespannten Übergangskonfiguration geschaffen werden, z.B. kann die Schicht 158 Al0.8Ga0.2As sein, und die Schicht 172 kann Al0.1Ga0.9As sein. Diese Gegenführungsstruktur ermöglicht den Betrieb mit hoher Leistung in einem stabilen Modus, indem optische Leistung über eine große seitliche Abmessung an der Ausgangsfacette der Laserstruktur verteilt wird.
In Fig. 7 weist der Quantenleitungs-Halbleiterlaser mit Rückwärtsvorspannungsübergang 176 eine mit dem Laser 134 von Fig. 6 identische Struktur auf außer, daß sich der Stromkanal und der Rückwärtsvorspannungsübergang auf der n-Seite des Quantenleitung befinden.
Der Quantenleitungs-Halbleiterlaser mit Rückwärtsvorspannungsübergang 176 umfaßt somit ein Substrat 178, auf dem sich eine V-förmige Rille 180 befindet. Auf dem Substrat und der Rille werden eine äußere Plattierungsschicht 182 aus n-AlxGa1-xAs, die eine Rille 184 bildet, und dann eine p-dotierte Quantenwannenschicht aus stark dotiertem p-GaAs, z.B. mit Mg oder C, epitaktisch abgeschieden.
Nach dem Aufwachsen der dotierten Quantenwannenschicht wird das Aufwachsen der Halbleiterschichten vorübergehend unterbrochen, ein Laserstrahl wird auf den zentralen Bereich der dotierten Quantenwannenschicht über den V-förmigen Rillen 184 und 180 fokussiert, um einen Temperaturgradienten bereitzustellen, der ausreicht, um die Desorption eines Streifens in der dotierten Quantenwannenschicht herab zu bis zur Grenzfläche mit der Plattierungschicht 182 zu bewirken, um einen Stromkanal 186 in der Quantenwannenschicht zu bilden.
Nach dem Bilden des Stromkanals 186 durch induzierte Bedampfungsanreicherung des Bereichs der dotierten Quantenwannenschicht bildet die auf den Mesas der äußeren Plattierungsschicht verbleibende dotierte Quantenwannenschicht eine Übergangskonfiguration mit umgekehrter Vorspannung oder Sperrschicht 188. Das epitaktische Aufwachsen wird mit dem Aufwachsen der ersten äußeren Plattierungsschicht 190 aus n-AlwGa1-w As, wo w ≤ x, und der ersten inneren Einschlußschicht 192 aus n-Alz Ga1-zAs, wo x ≥ w > z, und dann der Quantenleitung 194 aus GaAs und den verdünnten Quantenwannenschichten 196 aus GaAs und dem sequentiellen Aufwachsen einer zweiten inneren Einschlußschicht 198 aus p- AlyGa1-yAs und einer zweiten äußeren Plattierungschicht 200 aus p- AlAGa1-AAs, wo x ≥ oder ≤ A > y, und der Abdeckschicht 202 aus p+- GaAs fortgesetzt.
Wie bei dem Rückwärtsvorspannungsübergang von Fig. 6 kann die Zusammensetzung der angrenzenden Plattierungschichten mit dem Rückwärtsvorspannungsübergang von Fig. 7 einen optischen Wellenleiter mit entweder einer Indexführungs- oder einer Gegenführungsstruktur bereitstellen.
In Fig. 8 weist der Quantenleitungs-Halbleiterlaser mit Rückwärtsvorspannungsübergang 204 eine mit dem Laser 134 von Fig. 6 und dem Laser 176 von Fig. 7 identische Struktur auf außer, daß sich der Stromkanal und der Rückwärtsvorspannungsübergang sowohl auf der n- als auch der p-Seite der Quantenleitung befinden.
Der Quantenleitungs-Halbleiterlaser mit Rückwärtsvorspannungsübergang 204 besitzt somit einen n-seitigen Rückwärtsvorspannungsübergang 206 und einen entsprechenden Stromkanal 208, eine Quantenleitung 210 und einen p-seitigen Rückwärtsvorspannungsübergang 212 und einen entsprechenden Stromkanal 214.
Die Sperrschicht und der Stromkanal können sich bei einem Quantenleitungs-Halbleiterlaser mit Rückwärtsvorspannungsübergang zwischen anderen Schichten in dem Halbleiter befinden. Fig. 6, 7 und 8 sind nur veranschaulichende Beispiele.
Fig. 9 offenbart eine Quantenleitungs-Halbleiterlaserstruktur mit einem optischen Wellenleiter und einer vergrabenen Quantenleitung, die beide während des epitaktischen Aufwachsen unter Verwendung der induzierten Bedampfungsanreicherung in situ gebildet werden.
Die Halbleiterlaserstruktur 216 umfaßt ein Substrat 218 aus n-GaAs mit einer V-förmigen Rille 220, auf der eine erste äußere Plattierungsschicht 222 aus n-AlxGa1-xAs, die eine Rille 224 bildet, eine erste innere Einschlußschicht 226 aus n-AlyGa1-yAs, wo x > y, die eine Rille 228 bildet, eine aktive Quantenleitung 230 aus GaAs innerhalb der Rille 228, eine zweite innere Einschlußschicht 232 aus p- AlyGa1-yAs, die eine Rille 234 bildet, und eine Fremdatomquellenschicht 236 epitaktisch abgeschieden werden, die n-GaAs umfaßt, das z.B. mit Si oder Se bei einer Konzentration über 10¹&sup9;/cm³ oder bis zu einem Punkt der gesättigen Konzentration des Si- oder Se-Elementarbestandteils in GaAs stark dotiert ist. Die Fremdatomquellenschicht 236 wird in Fig. 9 mit dicken gebrochenen Linien gezeigt, um ihren höheren Dotierstoffbesitz hervorzuheben. Die Fremdatomquellenschicht 236 kann sehr dünn sein, d.h. die Quantenwannengröße von z.B. 7.5 nm aufweisen, und kann auch, alternativ alleine oder in Kombination damit, eine Si- oder Se-Spitze sein, die eine oder mehr Atommonolagen umfaßt.
Nach dem Aufwachsen der Fremdatomquellenschicht 236 wird das epitaktische Aufwachsen vorübergehend unterbrochen, die Temperatur des Substrats wird, wenn nötig, erhöht, die metallorganischen Quellen werden entlüftet, eine 1% Arsenwasserstoffmischung wird in die MOCVD-Kammer eingeführt, und ein Laserstrahl wird auf den zentralen Bereich der Fremdatomquellenschicht 236 fokussiert, um einen Temperaturgradienten bereitzustellen, der ausreicht, um die Desorption eines linearen Streifens in der Quellenschicht 236 herab zu der Grenzfläche mit der zweiten inneren Einschlußschicht 232 zu bewirken, um in der Schicht 236 einen Kanal zu bilden.
Das AlyGa1-yAs der Einschlußschicht 232 wirkt für die optische gemusterte Desorption als ein Desorptionsstopp an dem Kanal, weil AlGaAs verglichen mit GaAs beim Verwenden des Verfahrens der induzierten Bedampfungsanreicherung schwerer zu desorbieren ist. Die Substrattemperatur kann während der Desorption von 800ºC auf 825ºC oder 850ºC erhöht werden, um die zum Entfernen benötigte Laserleistung zu reduzieren. Der Teil der im Bereich des Kanals desorbierten GaAs-Fremdatomquellenschicht ist sehr dünn, z.B. im Bereich von 5 bis 10 nm, so daß er in einer relativ kurzen Dauer, z.B. einigen hundert Sekunden, entfernt werden kann. Die Erfahrung hat gezeigt, daß eine 7.5 nm dicke Quantenwannenschicht in ca. 300 Sekunden entfernt werden kann.
Wenn die Temperatur während des Desorptionsprozesses geändert wird, dann wird die Temperatur an dem aufgewachsenen Bereich auf 800ºC zurückgebracht, und das Aufwachsen wird mit dem epitaktischen Aufwachsen der zweiten äußeren Plattierungsschicht 238 aus p-AlAGa1-AAs, wo x ≥ A > y, um eine Rille 240 zu bilden, und der Abdeckschicht 242 aus p+-GaAs, um eine Rille 244 zu bilden, fortgesetzt.
Die störende Quellenschicht 236 wird durch eine Kombination von Glühen aktiviert, das während des Aufwachsens der letzten zwei Halbleiterschichten 238 und 242 geschehen wird. Die Diffusion von Fremdatomarten, z.B. Si oder Se, von der Quellenschicht 236 verursacht die Interdiffusion von Ga und Al und die Bildung von gestörten Bereichen 246, wie in Fig. 9 gezeigt, von der äußeren Plattierungsschicht 238 durch die anderen Halbleiterschichten zu der ersten äußeren Plattierungsschicht 222. In der Halbleiterstruktur 216 wird somit zwischen den gestörten Bereichen 246 ein optischer Wellenleiter 236 gebildet, der mit der Quantenleitung 230 in den nicht-gestörten Bereichen der Halbleiterschichten ausgerichtet ist.
Normale chemische Ätzungsmittel oder andere Metallisierungsverfahren werden verwendet, um auf der Abdeckschicht 242 einen p-Kontakt und auf dem Subtstrat 218 einen n-Kontakt zu bilden (nicht gezeigt). Die p-Plattierungsschicht 238 und die n-Plattierungsschicht 222 bilden einen p-n-Übergang mit der Quantenleitung 230 dazwischen. Zwischen dem p-Kontakt und dem n-Kontakt wird Strom injiziert, um den p-n- Übergang der p-Plattierungsschicht 238 und der n-Plattierungsschicht 222 vorwärts vorzuspannen, um die aktive Quantenleitung 230 zu veranlassen, kohärentes Licht zu emittieren.
In Fig. 10 weist die Quantenleitungs-Halbleiterlaserstruktur 250 mit einem optischen Wellenleiter 252 und einer vergrabenen Quantenleitung 254 eine mit der Quantenleitungs-Halbleiterlaserstruktur 216 von Fig. 9 identische Struktur auf außer, daß die störende Fremdatomquellenschicht 256 von Fig. 10 auf der Abdeckschicht 258 aus p+-GaAs oder direkt auf der zweiten Plattierungsschicht epitaktisch abgeschieden wird.
Der Glühungsschritt zum Bilden der gestörten Bereiche 260 von der störenden Quellenschicht wird nach dem epitaktischen Aufwachsen der Halbleiterstruktur innerhalb des Reaktors (nicht gezeigt) durchgeführt oder kann in einem Glühofen (ebenfalls nicht gezeigt) durchgeführt werden, nachdem die Halbleiterstruktur 250 aus dem Reaktor entfernt wurde. Der Kanal in der störenden Fremdatomquellenschicht kann durch das vorangehend in dieser Beschreibung erörterte Desorptionsverfahren oder durch Ätzen oder andere Mittel gebildet werden.
In Fig. 11 weist die Quantenleitungs-Halbleiterlaserstruktur 262 mit einem optischen Wellenleiter 264 und einer vergrabenen Quantenleitung 266 eine mit der Quantenleitungs-Halbleiterlaserstruktur 216 von Fig. 9 identische Struktur auf außer, daß die störende Fremdatomquellenschicht 268 von Fig. 11 zwischen der ersten äußeren Plattierungsschicht 270 aus n-AlxGa1-xAs und der ersten inneren Einschlußschicht aus n-AlyGa1-yAs, wo x > y, epitaktisch abgeschieden wird. Die Fremdatomquellenschicht 268 könnte stark dotiertes GaAs umfassen, z.B. mit Zn bis zu einem Punkt der Sättigungskonzentration des Zn-Elementarbestandteils in GaAs. Zn bewegt sich schneller als Si und so wäre es daher wahrscheinlich, die nachfolgend epitaktisch abgeschiedenen Halbleiterschichten während des Aufwachsens dieser restlichen Schichten zu stören.
Die fremdatominduzierte Störung hat den weiteren Vorteil, das meiste, wenn nicht alles, der nach der Desorption auf der Oberfläche der Mesas übriggebliebenen Quantenwannenschicht zu beseitigen. Das Hinzufügen der Schichtstörungsbereiche stellt auch eine Maßnahme zum Stromeinschluß bereit.
Fig. 12 offenbart eine Halbleiterlaserstruktur mit einer Reihe von linearen oder horizontalen Mehrfach-Quantenleitungen. Die horizontale Mehrfachquantenleitungs-Halbleiterlaserstruktur 274 umfaßt ein einziges Substrat 276 aus n-GaAs, auf dem mehrfache V-förmige Rillen 278 in Reihe erstellt worden sind.
Auf dem Substrat und den V-förmigen Rillen werden eine erste äußere Plattierungsschicht 280 aus n-AlxGa1-xAs, um mehrfache mit den Rillen 276 ausgerichtete Rillen 282 zu bilden, eine erste innere Einschlußschicht 284 aus n-AlyGa1-yAs, wo x > y, um mehrfache mit den Rillen 282 und 276 ausgerichtete Rillen 286 zu bilden, sowie aktive Quantenleitungen 288 aus GaAs, jede halbmondförmig in den V-förmigen Rillen 286, epitaktisch abgeschieden. Der desorbierende Laserstrahl kann entweder ein einziger Strahl oder ein Kombinationsstrahl sein, die nacheinander arbeiten, oder besser, mehrfache Laserstrahlen oder Kombinationslaserstrahlen sein, die parallel arbeiten.
Eine verdünnte Quantenwannenschicht 290 verbleibt auf den Mesas der inneren Einschlußschicht 284, und das sequentielle Aufwachsen wird mit dem Aufwachsen einer zweiten inneren Einschlußschicht 292 aus p-Aly Ga1-yAs, um mehrfache mit den Rillen 286, 282 und 278 ausgerichtete Rillen 294 zu bilden, einer zweiten äußeren Plattierungsschicht 296 aus p-AlAGa1-AAs, wo x ≥ oder ≤ A > y, um mehrfache mit den Rillen 294, 286, 282 und 278 ausgerichtete Rillen 298 zu bilden, und einer Abdeckschicht 300 aus p+-GaAs, um mehrfache mit den Rillen 298, 294, 286, 282 und 278 ausgerichtete Rillen 302 zu bilden, fortgesetzt. Mehrfache aktive Quantenleitungen liefern verglichen mit Einzelquantenleitungs-Aktivbereichen mehr modale Verstärkung für den Laserhohlraum.
Normale chemische Ätzungsmittel oder andere Metallisierungsverfahren werden verwendet, um auf der Abdeckschicht 300 einen p-Kontakt und auf dem Subtstrat 276 einen n-Kontakt zu bilden (nicht gezeigt). Die p-Plattierungsschicht 296 und die n-Plattierungsschicht 280 bilden einen p-n-Übergang mit den Quantenleitungen 288 dazwischen. Zwischen dem p-Kontakt und dem n-Kontakt wird Strom injiziert, um den p-n- Übergang der p-Plattierungsschicht 296 und der n-Plattierungsschicht 280 vorwärts vorzuspannen, um die aktiven Quantenleitungen 288 zu veranlassen, kohärentes Licht zu emittieren.
Fig. 13 offenbart eine alternative Ausführung einer Halbleiterlaserstruktur mit einer Reihe von linearen oder horizontalen Mehrfachquantenleitungen, bei der der Ausgang senkrecht zur Achse der Mehrfachquantenleitungen ist. Die horizontale Mehrfachquantenleitungs-Halbleiterlaserstruktur 304 umfaßt ein einziges Substrat 306 aus n-GaAs mit Rillen (nicht gezeigt). Die Rillen in dieser und den folgenden Schichten werden in dieser Perspektive dieser Abbildung nicht gezeigt, sind aber wie in bezug auf den Mehrfachquantenleitungs-Halbleiterlaser von Fig. 12 beschrieben ausgerichtet.
Auf dem Substrat und den Rillen werden eine erste äußere Plattierungsschicht 308 aus n-AlxGa1-xAs, um mehrfache Rillen (nicht gezeigt) zu bilden, eine erste innere Einschlußschicht 310 aus n-AlyGa1-yAs, wo x > y, um mehrfache Rillen (nicht gezeigt) zu bilden, und aktive Quantenleitungen 312 aus GaAs epitaktisch abgeschieden, die von links nach rechts, in dieser Persprektive in den Rillen der ersten inneren Einschlußschicht (nicht gezeigt), ausgerichtet sind. Der desorbierende Laserstrahl kann entweder ein einziger Strahl oder ein Kombinationsstrahl sein, die nacheinander arbeiten, oder besser, mehrfache Laserstrahlen oder Kombinationslaserstrahlen sein, die parallel arbeiten.
Eine verdünnte Quantenwannenschicht (nicht gezeigt) verbleibt auf den Mesas (ebenfalls nicht gezeigt) der ersten inneren Einschlußschicht 310, und das sequentielle Aufwachsen wird mit dem Aufwachsen einer zweiten inneren Einschlußschicht 314 aus p-AlyGa1-yAs, um mehrfache Rillen (nicht gezeigt) zu bilden, und einer Fremdatomquellenschicht 316, die stark dotiertes n-GaAs umfaßt, fortgesetzt. Die Fremdatomquellenschicht 316 wird in Fig. 13 in dicken gebrochenen Linien gezeigt, um ihren höheren Dotierstoffbesitz zu betonen.
Die Fremdatomquelle wird entweder auf der zweiten inneren Einschlußschicht 314 in linearen Streifen senkrecht zu den Quantenleitungen abgeschieden, wobei ein linearer Streifenabschnitt in der Quellenschicht frei von der Fremdatomquelle gelassen wird, um eine Anordnung von Quantenleitungslasern zu bilden, oder die Fremdatomquelle wird über der ganzen zweiten inneren Schicht abgeschieden, und ein linearer Streifen in der Quellenschicht wird über einem Abschnitt der Quantenleitungen desorbiert, um einen einzigen Laser senkrecht zu den Quanleitungen zu bilden.
Das epitaktische Aufwachsen geht weiter mit dem Abscheiden der zweiten äußeren Plattierungsschicht 318 aus p-AlAGa1-AAs, wo x ≥ A > y, um mehrfache Rillen (nicht gezeigt) zu bilden, und der Abdeckschicht 320 aus p+-GaAs, um mehrfache Rillen (auch nicht gezeigt) zu bilden. Wie in bezug auf das Stören in Fig. 9 erörtert, bewirkt ein Glühen der Fremdatomstörungsquelle 316 während des epitaktischen Aufwachsens der letzten zwei Halbleiterschichten 318 und 320 eine fremdatominduzierte Diffusion von Fremdatomarten von der Quellenschicht 316 mit der Interdiffusion von Ga und Al und die Bildung von gestörten Bereichen 322, wie in Fig. 13 gezeigt, von der zweiten äußeren Plattierungsschicht 318 durch die anderen Halbleiterschichten zu der ersten äußeren Plattierungsschicht 308. Alternativ kann, wie in Fig. 10 und 11 gezeigt, die Fremdatomstörungsquelle auf der Abdeckschicht, auf der zweiten äußeren Plattierungsschicht oder zwischen der ersten Plattierungsschicht und der ersten Einschlußschicht abgeschieden werden, um die gestörten Bereiche zu erzeugen.
Wie am besten in der Draufsicht von Fig. 14 zu sehen ist, umfaßt die Mehrfachquantenleitungs-Halbleiterlaserstruktur 304 eine lineare oder horizontale Reihe von Quantenleitungen 312 zur Lichtwellenerzeugung und- verbreitung unter lasernden Bedingungen, die durch gestörte Bereiche 322 abgegrenzt werden. Die Lichtwellenerzeugung und -verbreitung, wie durch Pfeil 324 angedeutet, ist senkrecht zu den abgegrenzten Quantenleitungen des gestörten Bereiches. Die gleichmäßige aktive Schicht der vorangehenden Ausführungen, die längs der Quantenleitung verläuft, wird durch eine Aktivschicht ersetzt, die nur die Breiten der Quantenleitungen 312 bedeckt, wobei die inneren Einschlußschichten 310 und 314 zwischen den Quantenleitungen liegen. Die optische Verstärkung ist auf die Quantenleitungen lokalisiert. Der optische Hohlraum des Lasers 326 besitz eine gerippte Aktivschicht vom vorderen Laserspiegel 328 zum hinteren Laserspiegel 330. Diese Ausrichtung kann die höchste Verstärkung für eine Mehrfachquantenleitungs-Halbleiterlaserstruktur liefern, da die Strahlungsübergangsrate für ein längs der Quantenleitung polarisiertes optisches Feld am größten ist, d.h. entsprechend dem bevorzugten Modus (TE) des optischen Hohlraums.
Normale chemische Ätzungsmittel oder andere Metallisierungsverfahren werden verwendet, um auf der Abdeckschicht 320 einen p-Kontakt und auf dem Subtstrat 310 einen n-Kontakt zu bilden (nicht gezeigt). Die p-Plattierungsschicht 318 und die n-Plattierungsschicht 308 bilden einen p-n-Übergang mit den Quantenleitungen 312 dazwischen. Zwischen dem p-Kontakt und dem n-Kontakt wird Strom injiziert, um den p-n- Übergang der p-Plattierungsschicht 318 und der n-Plattierungsschicht 308 vorwärts vorzuspannen, um den optischen Hohlraum 326 zu veranlassen, kohärentes Licht zu emittieren.
Die Quantenleitungen können auch mit n λ/2 beabstandet werden, um eine verteilte Rückkopplungsstruktur (DFB) zu bilden und dadurch die Notwendigkeit für gespaltene Laserendspiegel zu beseitigen.
Fig. 15 offenbart einen Halbleiterlaser 332 mit einer Reihe von nacheinander aufgewachsenen vertikalen Quantenwannen über einer einzigen Rille in dem Substrat. Die vertikale Mehrfachquantenleitungs-Halbleiterlasersruktur 332 umfaßt ein einziges Substrat 334 aus n-GaAs, auf dem eine einzige Rille 336 gebildet worden ist. Auf dem Substrat und der Rille werden eine erste äußere Plattierungsschicht 338 aus n-AlxGa1-xAs, um eine mit der Rille 336 ausgerichtete Rille 340 zu bilden, eine erste innere Einschlußschicht 342 aus n-AlyGa1-yAs, wo x > y, die eine mit den vorangehenden Rillen ausgerichtete Rille 344 bildet, und eine im Scheitel der Rille 344 gebildete aktive Quantenleitung 346 aus GaAs epitaktisch abgeschieden.
Eine verdünnte Quantenwannenschicht 348 verbleibt oben auf der inneren Einschlußschicht 342. Eine Barriereschicht 350 aus AlcGa1-cAs, wo C ≤ y, wird dann über den freigelegten Oberflächen der Quantenwannenschicht 348, der Rille 344 der inneren Einschlußschicht 342 und der Quantenleitung 346 epitaktisch abgeschieden, um eine mit den vorangehenden Rillen ausgerichtete Rille 352 zu bilden.
Eine weitere Quantenwannenschicht wird oben auf der Barriereschicht 350 aufgewachsen und photoinduziert desorbiert, um eine Quantenleitung 354 im Scheitel der Rille 352 und eine verdünnte Quantenwannenschicht 356 oben auf der Barriereschicht 308 zurückzulassen.
Eine weitere Barriereschicht 358 wird abgeschieden, um eine mit den vorangehenden Rillen ausgerichtete Rille 360 zu bilden, gefolgt vom Abscheiden einer Quantenwannenschicht, die desorbiert wird, um eine Quantenleitung 362 im Scheitel der Rille 360 und eine verdünnte Quantenwannenschicht 364 oben auf der Barriereschicht 358 zurückzulassen.
Eine weitere Barriereschicht 366 wird abgeschieden, um eine mit den vorangehenden Rillen ausgerichtete Rille 368 zu bilden, gefolgt vom Abscheiden einer Quantenwannenschicht, die desorbiert wird, um eine Quantenleitung 370 im Scheitel der Rille 368 und eine verdünnte Quantenwannenschicht 372 oben auf der Barriereschicht 366 zurückzulassen.
Das epitaktische Aufwachsen wird dann fortgesetzt mit dem Aufwachsen einer zweiten inneren Einschlußschicht 374 aus p-AlyGa1-yAs, um eine mit den vorangehenden Rillen ausgerichtete Rille 378 zu bilden, einer zweiten äußeren Plattierungsschicht 378 aus p-AlAGa1-AAs, wo x ≥ oder ≤ A ≥ y, um eine mit den vorangehenden Rillen ausgerichtete Rille 380 zu bilden, und einer Abdeckschicht 382 aus p+-GaAs, um eine mit den vorangehenden Rillen ausgerichtete Rille 384 zu bilden.
Normale chemische Ätzungsmittel oder andere Metallisierungsverfahren werden verwendet, um auf der Abdeckschicht 382 einen p-Kontakt und auf dem Subtstrat 334 einen n-Kontakt zu bilden (nicht gezeigt). Die p-Plattierungsschicht 378 und die n-Plattierungsschicht 338 bilden einen p-n-Übergang mit den Quantenleitungen 370, 362, 354 und 364 dazwischen. Zwischen dem p-Kontakt und dem n-Kontakt wird Strom injiziert, um den p-nÜbergang der p-Plattierungsschicht 378 und der n- Plattierungsschicht 338 vorwärts vorzuspannen, um die aktiven Quantenleitungen 370, 362, 354 und 364 zu veranlassen, kohärentes Licht zu emittieren. Die Barriereschichten beeinflussen nicht die Fähigkeit des p-n-Übergangs, die Quantenleitungen vorwärts vorzuspannnen und Licht zu emittieren.
Ein Stromeinschluß kann, wie vorangehend gelehrt, mit einer Rückwärtsvorspannungsschicht auf dem Substrat oder auf der n-Seite, auf der p- Seite oder auf beiden Seiten der Quantenleitungen bereitgestellt werden. Optische Wellenleiter, wie ebenfalls vorangehend gelehrt, können für diese Ausführung bereitgestellt werden.
In dieser Abbildung folgt die Barriereschicht der Kontur der vorangehenden Plattierungs- oder Barriereschicht. Da es eine Rille in der Plattierungschicht gibt, wird sich folglich eine ausgerichtete Rille in der Barriereschicht bilden, wenn die Barriereschicht auf der Plattierungsschicht epitaktisch abgeschi eden wird.
Die nacheinander aufgewachsenen Quantenleitungen von Fig. 15 sind durch das Bilden der Rillen alle selbstausgerichtet. Die Folge des Aufwachsens von abwechselnden Barriereschichten und Quantenwannenschichten, die im Scheitel der Rillen der Barriereschichten zu Quantenleitungen zu desorbieren sind, kann wiederholt werden, um so viele Quantenleitungen wie gewünscht zu bilden. Mehrfache aktive Quantenleitungen liefern verglichen mit Einzelquantenleitungs-Aktivbereichen mehr modale Verstärkung für den Laserhohlraum.
Eine zweidimensionale Mehrfachquantenleitungs-Halbleiterlaserstruktur 386, wie in Fig. 16 gezeigt, wird gebildet, indem mehr als eine Quantenleitung auf jeder der Reihe von in dem Substrat erstellten Rillen nacheinander aufgewachsen wird. Die Mehrfachquantenleitungs-Halbleiterstruktur 386 umfaßt ein Substrat 388 aus n-GaAs, auf dem eine Reihe von Rillen 390 gebildet wird. Wie in Fig. 12 und 15 gezeigt, werden auf dem Substrat und den Rillen eine erste äußere Plattierungsschicht 392 aus n-AlxGa1-xAs, um Rillen 394 zu bilden, eine erste innere Einschlußschicht 396 aus n-AlyGa1-yAs, wo x > y, um Rillen 398 zu bilden, und aktive Quantenleitungen aus GaAs, jede halbmondförmig in den Rillen 398, epitaktisch abgeschieden. Eine verdünnte Quantenleitung 402 verbleibt auf den Mesas der inneren Einschlußschicht 396.
Eine Barriereschicht 404 aus AlcGa1-cAs, wo C ≤ y, wird dann über den freigelegten Oberflächen der Quantenleitungsschicht 402, den Seitenwänden der Rillen 398 der inneren Einschlußschicht 406 und der Quantenleitungen 400 epitaktisch abgeschieden, um durch vorangehend in dieser Anmeldung gelehrte und in Fig. 15 gezeigte Mittel Rillen 406 zu bilden.
Eine weitere Quantenwannenschicht wird auf der Barriereschicht 404 aufgewachsen und photoinduziert desorbiert, um Quantenleitungen 408 in den Scheiteln der Rillen 398 und eine verdünnte Quantenwannenschicht 410 auf den Mesas der Barriereschicht 404 zurückzulassen.
Die Barriereschichten und die horizontale Reihe von Quantenleitungen können in vertikalen Schichten so oft wie gewünscht wiederholt werden. Auf der letzten dünnen Quantenwannenschicht 412, der Reihe von Quantenleitungen 414 in den Rillen 416 und der Barriereschicht 418 werden eine zweite innere Einschlußschicht 420 aus p-AlyGa1-yAs, um Rillen 422 zu bilden, eine zweite äußere Plattierungsschicht 424 aus p-AlA Ga1-AAs, wo x ≥ oder ≤ A ≥ y, um Rillen 426 zu bilden, und eine Abdeckschicht 428 aus p+-GaAs, um Rillen 430 zu bilden, epitaktisch abgeschieden. Zweidimensionale Anordnungen aus aktiven Quantenleitungen liefern erhöhte modale Verstärkung für den Laserhohlraum verglichen mit aktiven Bereichen, die eine einzige Quantenleitung oder eine eindimensionale Anordnung von Quantenleitungen, entweder horizontal oder vertikal, enthalten.
Die Bearbeitungsverfahren erlauben die volle in situ Bearbeitung einer Quantenleitung, ohne die Halbleiterstruktur aus dem MOCVD-Reaktor zu entfernen oder die Struktur im Reaktor zu bewegen oder zu maskieren.
Wie in Fig. 5 gezeigt, können die Reihen von mehrfachen Rillen für die zweidimensionalen Mehrfachquantenleitungs-Halbleiterlaserstrukturen in der äußeren Plattierungsschicht anstelle des Substrats hergestellt werden. Ähnlich können, wie in Fig. 13 und 14 gezeigt, die vertikalen und zweidimensionalen Mehrfachquantenleitungs-Halbleiterlaserstrukturen hergestellt werden, bei denen der Lichtausgang senkrecht zur Achse der Mehrfachquantenleitungen liegt. Rückwärtsvorspannungsübergänge und optische Wellenleiter können bei den verschiedenen Ausführungen der Quantenleitungs-Halbleiterlaserstrukturen hergestellt werden.
Obwohl die vorangehende Erörterung in Verbindung mit Halbleitern aus GaAs und GaAlAs beschrieben worden ist, können in der Praxis der Erfindung andere Legierungen der Gruppe III-V verwendet werden, wie z.B. InGaP, InGaAsP, GaAlAsP, InGaAlP, InGaAlAsP, InP oder GaAlSb oder Materialien der Gruppe II-VI z.B. ZnSe, ZnSSe und CDS. Außerdem können Materialien der Gruppe IV, am wichtigsten Si und Ge, als Halbleiterschichten oder als eine Mehrfachquantenwannenstruktur aus abwechselnden Wannenschichten aus GaAs oder AlzGa1-zAs und entsprechenden Barriereschichten aus AlAs oder Alz'Ga1-z'As, wo x > y > z' > z, verwendet werden. Bei einer Mehrfachquantenleitungs-Halbleiterstruktur können abhängig von den Umständen und Erfordernissen verschiedene Quantenleitungen aus unterschiedlichem Quantenwannen-Halbleitermaterial sein.
Die aktive Schicht kann in der Alternativen undotiert, p-dotiert oder n-dotiert sein; GaAs, AlyGa1-yAs oder (AlxGa1-x)0.5In0.5P; oder eine relativ dünne herkömmliche Doppelheterostruktur- (DH) Aktivschicht; oder eine Einzeiquantenwanne z.B. aus GaAs oder AlyGa1-yAs, y < x; oder ein Mehrfachquantenwannen-Übergitter, z.B. abwechselnde Schichten aus GaAs und AlyGa1-yAs, wo y < x, oder abwechselnde Schichten aus AlwGa1-wAs und AlBGa1-BAs, wo B < w , x, mit einer zweiten Plattierungsschicht aus AlzGa1-zAs, wo B < w < 7, oder eine getrennte Einzel- oder Mehrfachquantenwannenstruktur in einem getrennten Einschlußhohlraum.
Es gibt alternative herkömmliche Verfahren und Diffusions/Implantationsarten, um das gewünscht Stören oder das elementare Implantations/Glühungs-Verfahren durchzuführen. Die Erörterung ist auf fremdatominduzierte Störung beschränkt worden. Andere Verfahren und elementare Diffusionen oder Implantationen sind gleichermaßen anwendbar.

Claims

1. Quantenleitungs-Halbleiterlaser (10) umfassend:

A) eine erste Mehrzahl von Schichten (22, 24; 140, 144) aus einem ersten Halbleitermaterial, die auf einem Substrat (12; 136) abgeschieden werden, wobei die Schichten und das Substrat vom gleichen Leitfähigkeitstyp sind, wobei das Substrat oder eine der ersten Mehrzahl von Schichten wenigstens einen Kanal mit schrägen Seitenwänden (36, 38; 162, 164) in sich aufweist, die sich in einem Scheitel treffen, und wobei diese Schichten der ersten Mehrzahl von Schichten auf dem kanalisierten Substrat oder der kanalisierten der ersten Mehrzahl von Schichten abgeschieden werden, um die Form des wenigstens einen Kanals zu bewahren;

B) einen Körper (58; 148; 288) aus Halbleitermaterial, der im Scheitel des oder jedes Kanals in der kanalformbewahrenden obersten Schicht (24; 122; 144; 284) der ersten Mehrzahl von Schichten gebildet wird, wobei der oder jeder Körper eine Quantenleitung bildet, um Lichtwellenerzeugung und -verbreitung unter lasernden Bedingungen bereitzustellen;

C) eine zweite Mehrzahl von Schichten (64, 66; 154, 158, 170, 172, 174; 292, 296, 300) aus einem zweiten Halbleitermaterial mit einem zu dem ersten Material und dem Substrat entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, die auf der kanalformbewahrenden obersten Schicht und der oder jeder Quantenleitung so bereitgestellt werden, daß das erste und zweite Halbleitermaterial die oder jede Quantenleitung zwischen sich einschließen und einen p-n-Übergang bilden, so daß vorwärts Vorspannen des p-n-Übergangs die oder jede Quantenleitung veranlaßt, Laserstrahlung zu emittieren.

2. Laser nach Anspruch 1 mit einem vergrabenen rückwärts vorgespannten Übergang, weiter umfassend:

D) eine weitere Quantenwannenschicht (170) aus Halbleitermaterial, die zwischen zwei kanalformbewahrenden Schichten (158, 172) der zweiten Mehrzahl von Schichten auf den seitlichen Oberflächen der unteren der zwei kanalformbewahrenden Schichten (158) außerhalb des oder jedes Kanals gebildet wird, wobei die weitere Quantenwannenschicht (170) einen Dotiergehalt von entgegengesetzter Leitfähigkeit in bezug auf die zwei unmittelbar angrenzenden kanalformbewahrenden Schichten (158, 172) aufweist, um einen rückwärts vorgespannten Übergang, der einen Stromkanal für den oder jeden Kanal enthält, mit den Quantenleitungen zu bilden.

3. Laser nach Anspruch 1 oder 2, weiter umfassend:

A) wenigstens eine weitere kanalformbewahrende Schicht (350, 358, 366; 404, 418), die zwischen der kanalformbewahrenden obersten Schicht (342, 396) der ersten Mehrzahl von Schichten und der zweiten Mehrzahl von Schichten angeordnet ist, wobei wenigstens eine weitere Schicht aus dem ersten Halbleitermaterial besteht;

B) einen Körper (354, 362, 370; 408, 414) aus Halbleitermaterial, das eine Quantenleitung in dem oder jedem Scheitel der Kanäle der wenigstens einen weiteren kanalformbewahrenden Schicht bildet, um Lichtwellenerzeugung und -verbreitung unter lasernden Bedingungen bereitzustellen, während die wenigstens eine weitere kanalformbewahrende Schicht als eine Barriereschicht zwischen vertikal angrenzenden Quantenleitungen dient.

4. Laser nach Anspruch 1 oder 3, bei dem der Kanal in dem Substrat gebildet wird, und bei dem der Kanal in den nachfolgend abgeschiedenen Schichten (22, 24) aus Halbleitermaterial reproduziert wird.

5. Laser nach Anspruch 1, 3 oder 4, bei dem das Material, das die Quantenleitung (58; 354, 362, 370; 408, 414) bildet, einen niedrigeren Bandabstand als das unmittelbar vertikal angrenzende Halbleitermaterial aufweist.

6. Laser nach Anspruch 1, 3, 4 oder 5, bei dem die nach dem Bilden der Quantenleitung abgeschiedenen Materialschichten einen Stromeinschlußstreifen (96) umfassen.

7. Laser nach Anspruch 1, 3, 4, 5 oder 6, bei dem das Halbleitermaterial dicht bei dem Substrat n-Typ-Leitfähigkeit aufweist und die auf der Quantenleitung abgeschiedenen Schichten p-Typ-Leitfähigkeit aufweisen.

8. Laser nach Anspruch 2 oder 3, bei dem der rückwärts vorgespannte Übergang und die unmittelbar angrenzende zweite Schicht einen optischen Wellenleiter bilden.

9. Laser nach Anspruch 8, bei dem der optische Wellenleiter mit der Quantenleitung ausgerichtet ist.

10. Laser nach Anspruch 8 oder 9, bei dem der optische Wellenleiter eine Indexführung ist.

11. Laser nach Anspruch 8 oder 9, bei dem der optische Wellenleiter eine Gegenführungsstruktur ist.