DE69224335T2 - Verfahren zur Herstellung eines optischen Halbleiterelements - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines optischen Halbleiterelements

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Description

    Hintergrund der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Halbleiterelements nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Halbleiterelements mit einem epitaktisch aufgewachsenen Rücken.
  • Bei der optischen Kommunikation werden Wellenleiterverstärker mit einem Zusatz von seltenen Erden (Er, Nd oder ähnlichem) und Halbleiter-Laserverstärker (im folgenden als LD-Verstärker abgekürzt) als optische Verstärker nutzbringend eingesetzt. Unter diesen Verstärkern zeichnet sich besonders der LD-Verstärker durch seine kompakte Bauweise aus, weshalb angestrebt wird, die integrierten Komponenten kompakt auszubilden, und derart auszubilden, daß sie für beliebige Wellenlängen bei der optischen Kommunikation geeignet sind. Aus diesen Gründen kam es im Zusammenhang mit LD-Verstärkern zu einer Vielzahl von technischen Entwicklungen, und folgende technischen Berichte wurden veröffentlicht:
  • 1) K. Magari et al., IEEE Photonics Technology Letters Vol 2 (1990), pp. 556;
  • 2) M.S. Lin et. al., IEEE Journal of Quantum Electronics Vol 26 (1990), pp. 1.772- 1.778;
  • 3)I. Cha et al., Electronics Letters Vol 25 (1989), No. 18 pp. 1.241-1.242;
  • 4) S. Cole et al., Electronics Letters Vol 25 (1989), pp. 314-315;
  • 5) N.A. Olsson, Electronics Letters Vol 25 (1989), pp. 1.048-1.049;
  • 6) EP-A-0 433 051
  • 7) EP-A-0 472 221
  • 8) EP-A-0 422 941
  • 9) Patent Abstracts of Japan, Vol 11, No. 376 (E-563); JP-A-62 144 385.
  • Bei der praktischen Anwendung eines LD-Verstärkers sollte eine Verbesserung der Verstärkung, eine Abnahme der Abhängigkeit der Verstärkung von der Polarisation des einfallenden Lichts (Polarisationsabhängigkeit, eine TE-TM- Verstärkungsdifferenz) und eine Abnahme der Welligkeit der Verstärkung, die von der Wellenlänge des einfallenden Lichts abhängt, erreicht werden. In den Druckschriften 1 und 2 kann die Polarisationsabhängigkeit fast vollständig beseitigt werden, und es wird eine ausreichend hohe interne Verstärkung (bis zu 25 dB) erreicht. In der Druckschrift 3 wird die Welligkeit der Verstärkung beinahe vollständig beseitigt.
  • Die Polarisationsabhängigkeit der Verstärkung in dem LD-Verstärker wird durch die Verwendung eines gedehnten Quantenpotentials (Druckschrift 1), einer eingebetteten Doppel-Hetero-Struktur mit einer Aktiv-Schicht von geringer Breite (bis 400 nm oder weniger) (Druckschrift 2) oder eine Struktur mit einer dicken Aktiv- Schicht (Druckschrift 4) beseitigt. Mit diesen konventionellen Strukturen ergibt sich jedoch folgendes Problem: Bei einem LD-Verstärker mit einem gedehnten Quantenpotential nach Druckschrift list es schwierig, die richtige Zusammensetzung der Schichten festzulegen und bei der Herstellung zu kontrollieren. Deshalb besteht die Aufgabe, ein einfacheres Herstellungsverfahren bereitzustellen.
  • Bei der Herstellung eines LD-Verstärkers mit einer schmalen Aktiv-Schicht wie in Druckschrift 2 treten technische Probleme auf, und es ist schwierig, diesen LD- Verstärker in gleichbleibender Qualität herzustellen. Bei der Herstellung der schmalen Aktiv-Schicht wird ein zusammengesetzter Halbleiter mit einer Aktiv- Schicht in einer schmalen Mesastreifenform (400 nm Breite) ausgeschnitten. Dieser Schneideprozeß ist mit einem herkömmlichen Ätzverfahren sehr schwer in gleichbleibender Qualität durchführbar.
  • Bei einem LD-Verstärker mit einer dicken Aktiv-Schicht wie in Druckschrift 4 tritt unvermeidlich eine Abnahme der Verstärkung ein, weil die injizierte Trägerdichte in der Aktiv-Schicht beim Betrieb des LD-Verstärkers abnimmt. Aus den oben genannten Gründen ist es mit den bekannten Verfahren schwierig einen LD- Verstärker herzustellen, der eine geringe Polarisationsabhängigkeit besitzt und eine ausreichende Verstärkung (bis 20 dB oder höher) liefert.
  • Bezüglich der technischen Eigenschaften eines LD-Verstärkers stellt die Welligkeit der Verstärkung ein Problem dar. Die Welligkeit wird durch die Reflexion des Signallichts, das sich in einem Wellenleiter im Verstärker ausbreitet, an der Facette eines LD-Verstärkerelements verursacht.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Halbleiterelements bereitzustellen, das frei von Polarisationsabhängigkeit und Welligkeit ist und das eine ausreichende Verstärkung liefert.
  • Die oben genannte Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen werden in den Unteransprüchen dargestellt.
  • Die Polarisationsabhängigkeit der Verstärkung bei einem LD-Verstärker mit einer Aktiv-Schicht von großem Ausmaß wird dadurch verursacht, daß der Anteil des Lichtes (der sich fortpflanzenden Welle) der sich innerhalb des Bereichs befindet, in dem die optische Verstärkung eintritt (d.h. in der Aktiv-Schicht), d.h. das optische Begrenzungsverhältnis, polarisationsabhängig ist. Bei LD-Verstärkern mit einer eingebetteten Aktiv-Schicht von großem Ausmaß ist das Begrenzungsverhältnis in Stapelrichtung normalerweise für das TE-Licht größer als für das TM-Licht, weil das optische Begrenzungsverhältnis von dem Anteil des Lichtes abhängt, das unkontrolliert austritt und sich außerhalb der Aktiv-Schicht ausbreitet und weil TM-Licht einen höheren Anteil an austretendem Licht besitzt als TE-Licht. Aus dem gleichen Grund ist dagegen in lateraler LD-Richtung, d.h. in Richtung der Breite der Doppel-Hetero-Aktiv-Schicht, der Anteil des austretenden des TM-Lichts geringer als derjenige des TE-Lichts, und dies kompensiert das geringe optische Begrenzungsverhältnis des TM-Lichts in der Stapelrichtung. Bezüglich der gesamten Polarisationsabhängigkeit des optischen Begrenzungsverhältnisses innerhalb des Bereichs, in dem die optische Verstärkung eintritt, ist das optische Begrenzungsverhältnis von TE-Licht größer als das von TM-Licht, weil der Einfluß des Begrenzungsverhältnisses in der Stapeirichtung dominiert. Aus diesen Gründen ist die Verstärkung von TE-Licht größer als diejenige von TM-Licht.
  • Um die Polarisationsabhängigkeit der Verstärkung zu beseitigen, sollte die Breite der Aktiv-Schicht auf etwa 500 nm verringert werden, so daß sich die Aktiv-Schicht im Schnitt gesehen einem symmetrischen Querschnitt annähert, wodurch die Polarisationsabhängigkeit des optischen Begrenzungsverhältnisses in der Aktiv- Schicht verringert wird. Eine Aktiv-Schicht, die im Schnitt gesehen die oben beschriebene Form besitzt, kann ohne Probleme hergestellt werden.
  • Aufgrund der Eigenschaften des epitaktischen Wachstums kann man einen Rücken mit einer Aktiv-Schicht epitaktisch derart auf einem Halbleitersubstrat aufwachsen lassen, daß die Breite des Rückens zu dessen oberem Ende hin abnimmt. Wie in Figur 1 gezeigt, wird der Rücken epitaktisch auf einer freiliegenden [100] Oberfläche zwischen Masken mit einer streifenartigen Lücke oder einem streifenartigen Intervall in [011] Richtung gezüchtet. Der Rücken besitzt [111] Seitenoberflächen und ist in 550 Richtung ausgebildet. Mittels dieser Merkmale kann eine Aktiv-Schicht mit erwünschter (schmaler) Breite leicht in einer gewünschten Höhe ausgebildet werden, indem die Wachstumsbedingungen kontrolliert werden.
  • Die Welligkeit der Verstärkung wird durch die Reflexion der sich ausbreitenden Welle an der Facette des LD-Verstärkers hervorgerufen. Um die Reflexion an der Facette zu beseitigen, wird geeigneterweise eine Fensterstruktur ausgebildet, in der die Aktiv-Schicht als Wellenleiter verschwindet.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Rücken, der erfindungsgemäß durch einen epitaktischen Wachstumsprozeß hergestellt wurde;
  • Figur 2 zeigt einen LD-Verstärker, der durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt wurde, in perspektivischer Darstellung;
  • Figur 3 zeigt einen LD-Verstärker im Schnitt entlang der Linie A-A' in Figur 2 und senkrecht zum Substrat;
  • Figur 4 zeigt ein Substrat, das mit einer Maske nach der in Fig. 2 dargestellten Ausführung hergestellt wurde, in der Draufsicht;
  • Figur 5 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie V-V' in Fig. 4 des Substrats, das nach der Ausführung von Fig. 1 mit einem Rücken hergestellt ist;
  • Figur 6 zeigt ein Substrat nach dem Ätzen des inneren Abschnitts 10 der Maske, von oben;
  • Figur 7 zeigt ein Substrat nach weiterem epitaktischen Aufwachsen auf das Substrat in Figur 6, im Schnitt;
  • Figur 8 zeigt einen Querschnitt eines Substrats, das unter Verwendung eines Isolierfilms 7 auf der Struktur von Fig. 7 hergestellt ist;
  • Figur 9 zeigt einen Querschnitt eines Substrats nachdem der Isolierfilm 7 auf der Oberfläche der Deckschicht 6 entfernt wurde und nach Ausbildung einer Elektrode; und
  • Figur 10 zeigt eine Draufsicht auf ein Substrat ohne Fensterstruktur.
    • Beschreibung der vorteilhaften Ausführungen
  • Die vorteilhaften Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden im folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
  • Figur 2 zeigt einen LD-Verstärker der mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde. Figur 3 zeigt die Struktur des LD-Verstärkers im Schnitt entlang der Linie A-A' in Figur 2 und senkrecht zur Oberfläche des Substrats 1. Dieser LD- Verstärker wird nach folgendem Verfahren hergestellt:
  • (1) Eine Maske aus einem 21,5 um breiten, streifenartigen dünnen SiO&sub2;-Film mit einer Lücke (9) von 1,5 um Breite und 300 um Länge wird auf der Oberfläche (100 Oberfläche) eines n-dotierten Inp-Substrats 1 ausgebildet (Figur 4). Der streifenartige dünne SiO&sub2;-Film wird mittels eines thermischen CVD-Verfahrens bei einer Temperatur von 375ºC mit einem Gasgemisch (SiO&sub2; + O&sub2;) unter Normaldruck als Gasquelle ausgebildet. Dabei besitzt der dünne SiO&sub2;-Film eine Dicke von etwa 100 nm. Danach wird die Maske mittels herkömmlicher Resistverfahren und SiO&sub2;- Ätzverfahren mit verdünntem Fluorwasserstoff hergestellt. Dieses Verfahren ist dem Fachmann bekannt.
  • (2) Das epitaktische Wachstum wird selektiv in der Lücke durchgeführt, in der die Oberfläche des Substrats freiliegt, wodurch ein Rücken mit einer n-dotierten Mantelschicht 2 und einer eigenleitenden Aktivschicht 3 ausgebildet wird. Die Aktivschicht 3 hat eine Dicke von 200 nm und eine Breite von 400 nm (Figur 5). Das epitaktische Wachstum beruht darauf, daß beim Erhitzen des Substrates in einer Atmosphäre mit Halbleiter-Zusammensetzung das ursprüngliche Gas zerfällt und seine Bestandteile sich auf dem Halbleiter abscheiden. Bei diesem epitaktischen Wachstum entsteht eine Halbleiterschicht mit pyramidenähnlichen Querschnitt, wie in Figur 5 dargestellt ist. Beim epitaktischen Wachstum des Rückens entstehen unvermeidlicherweise Schichten außerhalb der Maske, welche die Funktion des LD-Verstärkers beeinflussen.
  • Folgende Druckschriften sind zu dem epitaktischen Wachstum bekannt, das in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung angewandt wird:
  • 6) T. Kato et al. Electronics Letters Vol 28 (1992) pp. 153
  • 7) Y.D. Galeuchet et al. Journal of Crystal Growth Vol 107 (1991) pp. 147
  • (3) Der innere Abschnitt der Maske wird geätzt, um die Lücke auf 6,5 um aufzuweiten (Figur 6). Da SiO&sub2; als Maske verwendet wird, wird dabei eine verdünnte Fluorwasserstofflösung als Ätzlösung verwendet.
  • (4) Ein p-dotierter p+-/InP-InGaAs-Film wird epitaktisch auf der Lücke 10 gezüchtet, die auf 6,5 um aufgeweitet wurde, um den Rücken abzudecken, wobei gleichzeitig eine p-dotierte Mantelschicht 4 und eine Fensterstruktur 5 ausgebildet werden. Außerdem wird eine p+-dotierte Mantelschicht 6 ausgebildet. Dieser Zustand ist in Figur 7 gezeigt. Die Fensterstruktur 5 wird als solche bezeichnet, da, wenn die p- dotierte Mantelschicht 4 auf einem Abschnitt zwischen zwei Rücken abgeschieden wird, in diesem Abschnitt keine eigenleitende Aktiv-Schicht 3 vorhanden ist. Wenn der LD-Verstärker am Ende aus dem Substrat ausgeschnitten wird, wird dabei das Substrat an der Mittellinie dieser Fensterstruktur geschnitten. Deshalb befindet sich die Fensterstruktur am Ende des LD-Verstärkers, und die Facette, an der die Aktiv- Schicht in diesem Endbereich verschwindet, wird als Fensterfacette bezeichnet. Diese Fensterstruktur kann zur Verringerung des Anteils beitragen, zu dem das Wellenleiterlicht (das Licht, das sich entlang dem optischen Wellenleiter des Elements ausbreitet) an der Facette reflektiert und in den Wellenleiter zurück geleitet wird, d.h. der Facettenreflexion.
  • (5) Die gesamte Oberfläche des Substrates wird mit einem isolierenden SiO&sub2;-Film 7 bedeckt (Figur 8). Der dünne SiO&sub2;-Film wird aus dem gleichen Material gebildet wie die Maske und wird z. B. mittels des thermischen CVD-Verfahrens bei 375ºC mit einem Gasgemisch aus (SiO&sub2; + O&sub2;) Gasquelle bei Normaldruck ausgebildet. Dabei hat der dünne SiO&sub2;-Film eine Dicke von etwa 200 nm.
  • (6) Ein Abschnitt des isolierenden Films 7 auf der Oberfläche der p+-dotierten Mantelschicht 6 wird durch Ätzen entfernt. In diesem Fall besteht der isolierende Film aus SiO&sub2;. Das SiO&sub2; wird mittels herkömmlicher Resist- und Ätzverfahren durch die Behandlung mit einer verdünnten Fluorwasserstoffiösung entfernt. Dieses Verfahren ist dem Fachmann bekannt. Danach wird eine Au/Ti-Elektrode 8 auf der Oberfläche einschließlich der freiliegenden p+-dotierten Mantelschicht 6 ausgebildet (Figur 9). Dabei hat die Au-Schicht eine Dicke von 400 nm und die Ti- Schicht eine Dicke von 50 nm.
  • (7) Aus der so entstandenen Struktur wird ein 350 um langes Element ausgeschnitten. Der Zustand nach dem Schneiden ist in Figur 2 gezeigt, und Figur 3 zeigt eine Ansicht im Schnitt längs einer Linie A-A' in Figur 2.
  • (8) Eine AR(anti-Reflexions-)-Beschichtung wird auf den beiden Facetten (Schnittflächen) des ausgeschnittenen Elements ausgebildet. In diesem Verfahrensschritt wird eine SiOxNx-Schicht mit einem Brechungsindex = 1,85 mittels einer ECR-Plasma-Einrichtung aufgebracht. Dabei beträgt die Dicke der SiOxNx-Schicht etwa 180 nm.
  • Die Eigenschaften eines nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellten optischen Verstärkerelements (LD-Verstärker) wurden ermittelt. Als Ergebnis konnte bei der Einstrahlung eines Laserstrahls mit einer Wellenlänge von 1,3 um und einem Injektionsstrom von 120 mA auf das optische Verstärkerelement eine interne Verstärkung von 20 dB oder mehr, eine Polarisationsabhängigkeit TE-TM- Verstärkungsdifferenz) von 1,5 dB oder weniger und eine Welligkeit von etwa 0,05 dB erreicht werden.
  • Diese Ausführung ist nicht auf die Zusammensetzung der beschriebenen Aktiv- Schicht, Mantelschicht, Deckschicht und des Abschnitts mit der Fensterstruktur beschränkt.
  • Außerdem kann ein anderer isolierender Film als SiO&sub2; als Isolierfilm verwendet werden.
  • Bei dieser Ausführung kann eine Elektrode mit anderer Zusammensetzung verwendet werden.
  • Die Ausführung ist auf keine bestimmte Breite der Masken oder Breite der Lücke zwischen den Masken oder auf eine bestimmte Dicke der Masken beschränkt.
  • Die oben beschriebene Ausführung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines LD-Verstärkers mit einer Fensterstruktur und mit Element-Eigenschaften. Ein LD-Verstärker ohne Fensterstruktur wird mittels folgendem Verfahren hergestellt, das zur Veranschaulichung beschrieben wird: (1) Zwei 10 um breite, streifenförmige dünne SiO&sub2;Filme werden als Masken auf der Oberfläche (100 Oberfläche) eines n-dotierten Inp-Substrates 1 mit einem dazwischen liegenden Intervall von 1,5 um ausgebildet (Figur 10).
  • Danach wird der LD-Verstärker mit den selben Verfahrensschritten wie in Abschnitt (2) und den darauffolgenden Abschnitten hergestellt. In Abschnitt (4) wird jedoch keine Fensterstruktur ausgebildet.
  • Die Eigenschaften eines LD-Verstärkers, der ohne Fensterstruktur mittels des oben beschriebenen Verfahrens hergestellt wurde, wurden ermittelt. Als Ergebnis konnte bei der Einstrahlung eines Laserstrahls mit einer Wellenlänge von 1,3 um und einem Injektionsstrom von 120 mA auf das optische Verstärkerelement eine interne Verstärkung von 20 dB oder mehr, eine Polarisationsabhängigkeit (TE-TM- Verstärkungsdifferenz) von 1,5 dB oder weniger und eine Welligkeit von etwa 0,5 dB erreicht werden.
  • LD-Verstärker mit ausreichender Verstärkung, geringer Polarisationsabhängigkeit der Verstärkung und geringer Welligkeit der Verstärkung können auch von aus Verfahrensgesichtspunkten betrachtet in einfacher Weise hergestellt werden.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung eines optischen Halbleiterelements bestehend aus wenigstens den folgenden Schritten:
(a) Bildung einer Maske mit einer streifenartigen Lücke oder einem streifenartigen Intervall (g) einer vorbestimmten Länge auf einem Halbleitersubstrat (1);
(b) Epitaktisches Aufwachsen eines Halbleiterrückens mit einer Aktiv-Schicht (3) nur in der Lücke oder dem Intervall auf dem Halbleitersubstrat, wobei die Breite der Aktiv-Schicht (3) weniger als 500 nm beträgt; und
(c) epitaktisches Aufwachsen einer Halbleiter-Mantelschicht (4) um den Rücken zu bedecken,
dadurch gekennzeichnet, daß
Schritt (a) den folgenden Schritt enthält:
Bildung der Maske, so daß sie wenigstens zwei längliche streifenförmige Lücken (9) auf einem Halbleitersubstrat (1) enthält, die derart angeordnet sind, daß sie eine Reihe von länglichen Lücken bilden;
und nach Schritt (b) der folgende Schritt durchgeführt wird:
Ätzen des inneren Abschnitts der Maske, um die Lücken aufzuweiten und Entfernen eines Abschnitts der Maske zwischen zwei Rückenenden, so daß im Schritt (c) eine Fensterstruktur (5) ausgebildet wird, in der die Aktiv- Schicht (3) verschwindet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Lücken (9) eine Länge von 300 um und eine Breite von 1.5 um haben, und der innere Abschnitt der Maske eine Breite von 6.5 um hat.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Rücken auf einer [100] Oberfläche des Substrats wächst, und die länglichen streifenartigen Lücken in [011] Richtung angeordnet sind, und der Rücken [111] Seitenoberflächen hat und in 55º Richtung ausgebildet ist.
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