DE69407507T2

DE69407507T2 - Halbleitende optische Vorrichtung mit Mesa-Struktur, die seitlich von einer isolierenden Maske umgeben ist

Info

Publication number: DE69407507T2
Application number: DE69407507T
Authority: DE
Inventors: Shotaro Kitamura
Original assignee: NEC Corp; Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1993-07-29
Filing date: 1994-07-27
Publication date: 1998-07-23
Anticipated expiration: 2014-07-28
Also published as: EP0637111A1; CA2129074A1; DE69407507D1; US5659565A; EP0637111B1; JPH0745906A; JP2746065B2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft eine optische Halbleitervorrichtung und insbesondere eine optische Halbleitervorrichtung, die durch die selektive MOVPE-Technik (metallorganische Dampfphasenepitaxie) erzeugt wird, und ihren Herstellungsvorgang.

BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK

Bei der selektiven MOVPE-Technik werden zunächst zwei Streifenmasken mit einem Mittenabstand auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats strukturiert. Der Mittenabstand beträgt beispielsweise 2 um. Auf dem freigelegten Mittenabstand zwischen den Streifen ist eine Halbleiter-Mesa-Struktur mit einer aktiven Schicht, einer Wellenleiterschicht oder einer optisch absorbierenden Schicht epitaktisch gezüchtet. Diese selektive MOVPE-Technik hat eine bessere Reproduzierbarkeit beim Formen einer Mesa-Struktur als eine herkömmliche Herstellungstechnik, bei der ein Halbleiterätzverfahren angewendet wird.
Die Zusammensetzung der epitaktisch gewachsenen bzw. gezüchteten Halbleitermaterialien variiert in Abhängigkeit von der Streifenmaskenbreite und diese Erscheinung steht zum Verändern der Energiebandlücke in der Mesa-Struktur zur Verfügung. Diese Technologie wird als "Bandlückensteuertechnologie" bezeichnet.
Die folgenden Veröffentlichungen berichten von einer optischen Halbleitervorrichtung, die durch die selektive Wachstumstechnik hergestellt werden.
(1) "Tunable DBR-Laser Diodes with selektively grown Waveguide"' veröffentlicht von Tatsuya SASAKI et al., C-134, Protokoll des Herbsttreffens 1991 der Electronic Information Communication Society
(2) Japanische Offenlegungsschrift der ungeprüften Patentanmeldung Nr. 5-37092.
(3) "Novel MQW-DFB-LD/Modulator Integrated Light Source", veröffentlicht von Tomoaki KATO et al., C-133, Protokolle des Herbsttreffens 1991 der Electronic Information Communication Society
Sasaki et al. offenbart eine DBR-Laserdiode mit drei Anschlüssen unterschiedlicher Wellenlänge, bei der die Bandlückensteuertechnologie zum gleichzeitigen Wachsen einer aktiven Schicht und einer passiven Wellenleiterschicht der DBR-Laserdiode mit drei Anschlüssen unterschiedlicher Wellenlänge verwendet wird. Die gesamte Oberfläche der Struktur wird mit einer Mantelschicht bedeckt. Sasaki et al. erreichten mit der DBR-Laserdiode mit drei Anschlüssen unterschiedlicher Wellenlänge bei einer Wellenlänge von 1,55 um die Lichtausgangsleistung um 15 mW, wobei die Wellenlänge über eine Bandbreite von 2,2 nm variiert wurde.
Kitamura offenbart in der japanischen Offenlegungsschrift der ungeprüften Patentanmeldung Nr. 5-37092 einen optischen Halbleiterverstärker oder einen LD-Verstärker, wobei die selektive Wachstumstechnologie für die Strukturierungsstufe der aktiven Schicht verwendet wird. Die aktive Schicht hat eine enge Breite von 400 nm (4000 Å) und ist reproduzierbar. Eine derart schmale aktive Schicht kann kaum durch das herkömmliche Ätzverfahren strukturiert werden. Gemäß der japanischen Offenlegungsschrift der ungeprüften Patentanmeldung erreicht der optische Halbleiterverstärker die optische Verstärkung von 20 dB und eine Ablenkungsabhängigkeit, das ist die Abweichung der optischen Verstärkung abhängig von der Ablenkung des einfallenden Lichts, von 1,5 dB.
Kato et al. berichtet von einer MQW-DFB-Laserdiode/modulatorintegrierten Lichtquelle, wobei die Bandlückenenergiesteuertechnologie in der MQW-DFB-Laserdiode/modulatorintegrierten Lichtquelle zum gleichzeitigen Wachsen der aktiven Schicht und der lichtabsorbierenden Schicht verwendet wird, die mit der Mantelschicht bedeckt sind. Die MQW-DFB-Laserdiode/modulatorintegrierte Lichtquelle erzielt eine Laseroszillation mit der Wellenlänge von 1,55 um und eine Lichtabgabe von 1,8 mW, wobei der Dämpfungsfaktor bei 2 V 22 dB beträgt. Alle oben angesprochenen Halbleitervorrichtungen sind BH-Strukturen, bei denen die lichtabsorbierenden Schichten, die passiven Wellenleiterschichten oder die aktiven Schichten in das Halbleitermaterial versenkt sind.
Die Fig. 1A bis 1D zeigen eine Verfahrensabfolge nach dem Stand der Technik zur Herstellung eines Halbleiterlaseroszillators, eines Halbleiterlichtverstärkers (oder eine LD- Verstärkers) oder eines Lichtmodulators, in dem die Bandlückensteuertechnologie in der Verfahrensabfolge nach dem Stand der Technik enthalten ist. In den Fig. 1A bis 1D ist der Querschnitt senkrecht zur [011]-Richtung oder der Längsrichtung der optischen Halbleitervorrichtung.
Die Verfahrensabfolge nach dem Stand der Technik beginnt mit einem Halbleitersubstrat 1 vom n-Typ aus Indiumphosphid, wobei eine [100]-ausgerichtete Oberfläche als die Hauptoberfläche für die optische Vorrichtung dient. Auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 1 vom n-Typ wird eine Streifenmaske 2 aus Siliziumoxid geformt, die 100 nm (1000 Å) dick und 10 um breit ist. Die Streifenmaske 2 wird durch einen Abstand in zwei Teile 2a und 2b aufgeteilt, wobei der Abstand 2 um breit ist.
Unter Verwendung der selektiven MOVPE-Technik werden eine pufferschicht 3, eine aktive Schicht 4 und eine Mantelschicht epitaktisch auf dem freigelegten Abstandsbereich gezüchtet, die einen Mesa-Streifen formen. Die aktive Schicht 4 ist eine Indiumgalliumarsenidphosphidschicht mit einer Zusammensetzung für eine wellenlänge von 1,55 um und 200 nm (2000 Å) dick. Die sich in diesem Stadium ergebende Struktur ist in Fig. 1A dargestellt.
Die Maske 2 ist auf beiden Seiten des Mesa-Streifens teilweise entfernt, so daß sich der freigelegte Bereich auf beiden Seiten des Mesa-Streifens erstreckt, wie in Fig. 1B gezeigt.
Wiederum wird die selektive MOVPE-Technik angewendet, um eine Mantelschicht 6 und eine Abdeckschicht 7 auf dem freigelegten Bereich über den Mesa-Streifen zu züchten, wie in Fig. 1C gezeigt. Der Mesa-Streifen wird unter der Mantelschicht 6 versenkt. Die Mantelschicht 6 wird aus Indiumphosphid vom p-Typ geformt und ist 1,5 um dick. Die Abdeckschicht 7 wird aus stark dotiertern Indiumgalliumarsenid vom p-Typ geformt und ist 200 nm (2000 Å) dick.
Darauf wird eine 100 nm (1000 Å) dicke Schicht aus Siliziumdioxid abgelagert, und die Siliziumdioxidschicht wird teilweise entfernt, um die obere Oberfläche der Abdeckschicht 7 freizulegen. Die Siliziumdioxidschicht und die Maske 2 formen eine Passivierungsschicht 8, welche die optische Halbleitervorrichtung mit Ausnahme der Abdeckschicht 7 bedeckt.
Darauf wird schließlich eine 400 nm (4000 Å) dicke Schicht aus Gold und eine 50 nm (500 Å) dicke Schicht aus Titan abgelagert, um so eine Elektrode 9 zu formen, und die sich in diesem Stadium ergebende Struktur ist in Fig. 1D dargestellt.
Das Substrat 1 aus Indiumphosphid vom n-Typ und die Mantelschicht 6 aus Indiumphosphid vom p-Typ bilden dazwischen einen Homoübergang 10 aus. Bei normalen optischen Halbleitervorrichtungen hat das Substrat 1 und die Mantelschicht 6 an dem Homoübergang 10 die Größenordnung von 5 x 10¹&sup7; cm&supmin;³ in optischen Standardhalbleitervorrichtungen.
Wenn die Elektrode 9 mit Bezug auf das Substrat 1 positiv geladen wird, fließt ein Strom von der Elektrode 9 durch die Abdeckschicht 7, die Mantelschicht 6, die Mantelschicht 5, die aktive Schicht 4 und die Pufferschicht 3 in das Substrat 1, und die aktive Schicht 4 erzeugt Laserlicht.
Wenn das Substrat vom p-Typ ist, so sind die Mantelschichten 5 und 6 und die Abdeckschicht 7 mit Dotiermaterial vom n-Typ dotiert und die Pufferschicht 3 ist vom p-Typ. Das hat zur Folge, daß der Strom in der entgegengesetzten Richtung fließt.
Die Verfahrensabfolge nach dem Stand der Technik ist auf einen Elektroabsorptionsmodulator anwendbar, der den Franz- Keldysh-Effekt ausnutzt, wobei die aktive Schicht 4 durch eine Lichtabsorptionsschicht ersetzt wird.
Die in der Veröffentlichung (1) beschriebene optische Halbleitervorrichtung hat eine Wellenleiterschicht in Reihe mit der aktiven Schicht 4 und die in der Veröffentlichung (3) beschriebene optische Halbleitervorrichtung hat ferner eine lichtabsorbierende Schicht in Reihe mit der aktiven Schicht 4. Diese Wellenleiter- und die lichtabsorbierende Schicht werden durch die Bandlückensteuertechnologie geformt, wobei die in den Veröffentlichungen (1) und (3) und der japanischen Offenlegungsschrift der ungeprüften Patentanmeldung offenbarten streifenförmigen Masken in [011]-Richtung ausgerichtet sind.
Bei den optischen Halbleitervorrichtungen nach dem Stand der Technik tritt bei den Ausgabecharakteristika ein Problem auf. Beispielsweise erreicht der Halbleiterlaseroszillator nach dem Stand der Technik kaum eine Lichtabgabe über 50 mW, und der Halbleiterlichtverstärker kann keine Lichtabgabe über 25 dB erreichen. Dies beruht auf dem Umstand, daß die mesa-förmige Struktur in der Mantelschicht 6 versenkt ist, und der eingeleitete Strom teilweise über den Homoübergang direkt zwischen der Mantelschicht 6 und dem Halbleitersubstrat 1 fließt, ohne die aktive Schicht 4 zu passieren.
Der Halbleiterlichtmodulator nach dem Stand der Technik ist ebenfalls durch den Homoübergang 10 beeinträchtigt. Wie oben beschrieben, ist der normale Dotierpegel des Substrats 1 und der Mantelschicht 6 in der Nähe des Homoübergangs in der Größenordnung von 5 x 10¹&sup7; cm&supmin;³. Der Gesamtbetrag der Störkapazität einschließlich der Kapazität an der Elektrode 9 ist gleich oder größer als 3 pF und läßt keine Modulationsbandbreite von mehr als 2,4 GHz zu. Um die Bandbreite von 2,4 GHz zu erreichen, darf der Gesamtbetrag der Störkapazität nicht größer als 2 pF sein.
Ferner tritt bei der Verfahrensabfolge nach dem Stand der Technik ein Problem der Komplexität auf. Dies beruht auf dem Umstand, daß die beiden selektiven MOVPE-Schritte und die beiden maskenbildenden Schritte in der Verfahrensabfolge nach dem Stand der Technik enthalten sind.
Ein optische Halbleitervorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen optischen Halbleitervorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7 ist in US-A-4,077,817 offenbart. Gemäß dieser Druckschrift hat eine Halbleiterlaserstruktur Seitenfacetten senkrecht zu seinem Substrat und eine flache Oberseite. Die zentrale Vertiefung ist eine längliche rechteckige Vertiefung. Ein Substrat mit [100]-Ausrichtung hat eine darauf strukturierte Maske mit einem Fenster mit einem länglichen zentralen Bauteil und mindestens zwei Querbauteilen, die senkrecht zur Achse des länglichen zentralen Bauteils liegen. Das Halbleitermaterial wird darauf durch Flüssigphasenepitaxie aufgezüchtet.
Eine weitere Halbleitervorrichtung und das Verfahren zur Herstellung derselben ist in EP-A-0 312 401 offenbart. Gemäß dieser Druckschrift weist eine Halbleitervorrichtung ein Halbleitersubstrat auf, dessen Oberflächenausrichtung im wesentlichen in einer [100]-Richtung ausgerichtet ist. Auf dem Halbleitersubstrat werden mehrere Stufen mit einer Ausrichtung geformt, die im wesentlichen von einer [100]- Richtung um 5 Grad oder mehr abweicht. Die Stufen, die Mesa- und konkave Abschnitte sind, werden durch mehrere kristalline Halbleiterschichten versenkt, die unter Verwendung von MOCVD oder ähnlichem gezüchtet sind.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist deshalb eine wichtige Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Halbleitervorrichtung mit verbesserten Eigenschaften bereitzustellen.
Eine weitere wichtige Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Halbleitervorrichtung bereitzustellen, das weniger komplex ist als das Verfahren nach dem Stand der Technik.
Diese Aufgaben werden durch eine optische Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 7 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen weitere vorteilhafte Aspekte der vorliegenden Erfindung.
Um die genannten Aufgaben zu erfüllen, schlägt die vorliegende Erfindung vor, die von einer Abdeckschicht 22 überlagerte Mantelschicht 21 von einem Halbleitersubstrat 23 durch eine isolierende Maskenschicht 24 zu isolieren, die eine Mesa-Struktur 25 mit einer Pufferschicht 26 und einer aktiven Schicht 27 seitlich umgibt, wie in Fig. 2 gezeigt.
Die in Fig. 2 gezeigte optische Halbleitervorrichtung wurde durch die selektive MOVPE-Technologie nach dem Stand der Technik hergestellt, wobei durch die selektive MOVPE-Technologie eine Mantelschicht 21a und eine Abdeckschicht 22a mit einer Spitze 28 geformt wurden, wie in Fig. 3 gezeigt. Es hat sich herausgestellt, daß die in [011]-Richtung ausgerichtete isolierende Maske 24 die unerwünschte Spitze 28 verursacht. Das heißt, wenn eine Mesa-Struktur 31 auf einem freigelegten Mittelabstand 35a zwischen einer in [011]- Richtung ausgerichteten isolierenden Maske 33 selektiv aufgezüchtet wird, so wächst die Mesa-Struktur 31 zunächst in einer Richtung A senkrecht zu der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 32 und hat eine flache obere Oberfläche, wie in Fig. 4A gezeigt. Danach wächst die Mesa-Struktur 31 jedoch in Richtungen, die durch die Pfeile B angedeutet sind, und bildet in die Spitze 34 übergehende Seitenoberflächen 31b mit [111]-Ausrichtung, wie in den Fig. 4B bis 4D gezeigt.
Die Spitze 28 ist nicht erwünscht, da eine Elektrode eine flache obere Oberfläche auf der Abdeckschicht erfordert.
Ferner schlägt die vorliegende Erfindung vor, einen freigelegten Mittelabstand um mindestens 5 Grad in bezug auf die [011]-Richtung zu neigen. Die Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung hat sich bestätigt. Es wurde ein Halbleitersubstrat 41 auf dem Abstand zwischen der isolierenden Maske 42 freigelegt, der sich in bezug auf die [011]-Richtung um mindestens 5 Grad schräg erstreckt, und durch eine selektive MOVPE wurde eine Mesa-Struktur 43 mit trapezförmigem Querschnitt erzeugt, wie in den Fig. 5A bis 5C gezeigt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Merkmale und Vorteile der Halbleiterlichtvorrichtung und des Verfahrens zu deren Herstellung gemäß der vorliegenden Erfindung werden besser offenbar aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen:
Die Fig. 1A bis 1D sind Querschnittsansichten, die eine Verfahrensabfolge nach dem Stand der Technik zum Steuern der Bandlücke in der Mesa-Struktur zeigen.
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht, die den Aufbau einer durch die Verfahrensabfolge nach dem Stand der Technik hergestellte optische Halbleitervorrichtung zeigt;
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht, die den Aufbau einer durch die Verfahrensabfolge nach dem Stand der
Technik hergestellte optische Halbleitervorrichtung zeigt;
die Fig. 4A bis 4D sind Querschnittsansichten einer optischen Halbleitervorrichtung nach dem Stand der Technik, die die Mesa-Struktur zeigen, die auf dem freigelegten Mittelabstand zwischen den in [011]- Richtung ausgerichteten isolierenden Masken gezüchtet ist;
die Fig. 5A bis 5C sind Querschnittsansichten, die die Mesa-Struktur zeigen, die auf dem freigelegten Mittelabstand zwischen den gemäß der vorliegenden Erfindung sich um mindestens 5 Grad schräg erstrekkenden isolierenden Masken gezüchtet ist;
Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau eines Halbleiterlasers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 7 ist eine Ansicht, die die Gestalt einer isolierenden Maske zeigt, die einen Teil des Halbleiterlasers gemäß der Erfindung bildet;
die Fig. 8A bis 8C sind Querschnittsansichten, die eine Verfahrensabfolge zur Herstellung des Halbleiterlasers in Fig. 6 zeigt;
Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau eines optischen Halbleiterverstärkers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 10 ist eine Aufsicht, die die Gestalt einer isohlierenden Maske zeigt, die in dem in Fig. 9 gezeigten optischen Halbleiterverstärker enthalten ist;
Fig. 11 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie E-E in Fig. 10 und zeigt den Aufbau des optischen Halbleiterverstärkers;
Fig. 12 ist eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau eines optischen Elektroabsorptionsmodulators gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und die Fig. 13A bis 13C sind Querschnittansichten, die eine Verfahrensabfolge zur Herstellung des in Fig. 12 gezeigten Modulators zeigen.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Erste Ausführungsform

Bezugnehmend auf Fig. 6 der Zeichnungen wird ein optischer Halbleiterlaser nach der vorliegenden Erfindung auf einem Substrat 51 aus Indiumphosphid vom n-Typ mit einer Hauptoberfläche 51a mit [100]-Ausrichtung erzeugt. Pfeile C zeigen die [011]-Richtung des Substrats 51 an.
Der Halbleiterlaser nach der vorliegenden Erfindung weist eine isolierende Maske 52 aus Siliziumdioxid auf, welche die Hauptoberfläche des Substrats 51 bedeckt, 100 nm (1000 Å) dick und 10 um breit ist. Die isolierende Maske 52 ist in zwei Hälften 52a und 52b aufgeteilt, die um 2 Mirkometer voneinander beabstandet sind, wobei sich zwischen den beiden Hälften 52a und 52b ein Mittelabstand in einem vorgegebenen Winkel AG gleich oder größer als 5 Grad in bezug auf die [011]-Richtung schrägt erstreckt. Der Mittelabstand legt einen Teil der Hauptoberfläche des Substrats 51 frei. Fig. 7 veranschaulicht die Gestalt der isolierenden Maske 52, wobei die beiden Hälften 52a und 52b zum besseren Verständnis schraffiert sind.
Wieder bezugnehmend auf Fig. 6 weist der Halbleiterlaser nach der vorliegenden Erfindung ferner eine Pufferschicht 53 aus Indiumphosphid vom n-Typ auf, die über den Teil der Hauptoberfläche gezüchtet ist, und einen über die Pufferschicht 53 gezüchteten Vielfachquanten-Well 54 mit einem Aufbau für eine Wellenlänge von 1,48 um. Der Vielfachquanten-Well 54 dient als eine aktive Schicht und beinhaltet sechs Indiumgalliumarsenidschichten, von denen jede 40 Å dick ist, und fünf Indiumgalliumarsenidphosphidschichten, von denen jede 13 nm (130 Å) dick ist. Die Pufferschicht 53 und der Vielfachquanten-Well 54 bilden in Kombination eine Mesa-Struktur 55 mit einem trapezförmigen Querschnitt, wobei die beiden Hälften 52a und 52b der isolierenden Maske 52 mit beiden Seiten eines unteren Abschnitts der Mesa- Struktur 55 in Kontakt stehen.
Der Halbleiterlaser nach der vorliegenden Erfindung weist ferner eine 2,5 um hohe Mantelschicht 56 aus Indiumphosphid vom p-Typ auf und eine 0,3 um dicke Abdeckschicht 57 aus stark dotiertem Indiumgalliumarsenid vom p-Typ auf. Die Mantelschicht 56 ist von der Mesa-Struktur 55 aus gewachsen und erstreckt sich über eine obere Oberfläche der isolierenden Maske 52. Aus diesem Grund steht die Mantelschicht 56 nicht direkt mit dem Substrat 51 in Kontakt. Die Mantelschicht 56 hat eine flache obere Oberfläche, und die Abdeckschicht 57 formt ebenfalls eine flache obere Oberfläche über der flachen oberen Oberfläche der Mantelschicht 56.
Der Halbleiterlaser nach der vorliegenden Erfindung weist ferner eine isolierende Schicht 58 aus Siliziumdioxid auf, um so eine flache obere Oberfläche über der flachen oberen Oberfläche der Mantelschicht 56 zu erzeugen. Die isolierende Schicht 58 ist 200 nm (2000 Å) dick und in die flache obere Oberfläche der isolierenden Schicht 58 ist ein Spalt 58a geformt, um die Abdeckschicht 57 freizulegen.
Der Halbleiterlaser nach der vorliegenden Erfindung weist ferner eine Elektrode 59 auf, welche die isolierende Schicht 58 bedeckt und über den Spalt 58a mit der Abdeckschicht 57 in Kontakt steht, wobei die Elektrode 59 in Form einer Schichtung mit einem Goldfilm von 400 nm (4000 Å) Dicke und einem Titanfilm von 50 nm (500 Å) Dicke ausgeführt ist.
Obwohl nicht in Fig. 6 gezeigt, steht eine weitere Elektrode mit der hinteren Oberfläche des Substrats 51 in Kontakt. Eine der Facetten der Vorrichtung ist mit einem reflektierenden Film beschichtet, wobei der reflektierende Film ein Reflexionsvermögen von etwa 95º besitzt. Die Facetten der gegenüberliegenden Seite sind mit einem anti-reflektierenden Film beschichtet, wobei das Ausgabelicht von der anti-reflektierenden Facette emittiert wird.
Ein derart angeordneter Halbleiterlaser hat eine Länge in der Größenordnung von 1 mm.
Bei Betrieb fließt Strom von der Elektrode 59 durch die Abdeckschicht 57, die Mantelschicht 56, die Mesa-Struktur 55 und das Substrat 51 in die andere Elektrode, wobei der Halbleiterlaseroszillator eine Lichtabgabe von gleich oder größer als 50 mW erreicht.
Der Vielfachquanten-Well kann durch eine aktive Grundschicht für einen Einsatz einer Wellenlänge von 1,48 um ersetzt werden und für einen Einsatz einer Wellenlänge von 1,3 um oder für einen Einsatz einer Wellenlänge von 1,55 um geregelt werden.
Es folgt die Beschreibung einer Verfahrensabfolge zum Herstellen des Halbleiterlasers gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 8A bis 8C, die einen Querschnitt entlang der Linie D-D in Fig. 7 darstellen. Das Verfahren beginnt mit der Vorbereitung des Substrats 51, wobei Siliziumdioxid mit einer Dicke von 100 nm (1000 Å) auf der Hauptoberfläche des Substrats 51 abgelagert wird. Die Siliziumdioxidschicht ist in die isolierende Maske 52 mit den Abmessungen strukturiert, wie sie im Zusammenhang mit dem Aufbau des Halbleiterlasers beschrieben wurden, und der Mittelabstand 52c verläuft zwischen den beiden Hälften 52a und 52b mit 5 Grad schrag in bezug auf die [011]-Richtung.
Indiumphosphid vom n-Typ, Indiumgalliumarsenid und Indiumgalliumarsenidphosphid werden nacheinander durch eine metallorganische Gasphasenepitaxie auf dem freigelegten Mittelabstand aufgewachsen bzw. gezüchtet. Das Indiumphosphid vom n-Typ bildet die Pufferschicht 53, während die sechs Indiumgalliumarsenidschichten und die fünf Indiumgalliumarsenidphosphidschichten abwechselnd aufeinandergeschichtet in Kombination den Vielfachquanten-Well 54 bilden. Auf diese Weise wird auf dem freigelegten Bereich die Mesa- Struktur geformt, wie in Fig. 8A gezeigt.
Mittels der metallorganischen Gasphasenepitaxie wird ferner die Mantelschicht 56 aus Indiumphosphid vom p-Typ und die Abdeckschicht 57 aus stark dotiertem Indiumgalliumarsenidphosphid vom p-Typ aufgezüchtet. Die Mantelschicht 56 bedeckt die Mesa-Struktur 55 und erstreckt sich auf der isolierenden Maske 52. Die Mantelschicht 56 erreicht eine Höhe von 2,5 um, während die Abdeckschicht 0,3 um dick ist. Selbst wenn die Abdeckschicht 57 von der isolierenden Maskenschicht um 2,8 um hervorsteht, werden die oberen Oberflächen 56a und 57a der Mantelschicht 56 und der Abdeckschicht 57 flach gehalten, weil sich die Mesa-Struktur 55 in bezug auf die [011]-Richtung um 5 Grad schräg erstreckt.
Über die gesamte Oberfläche der Struktur wird Siliziumdioxid in einer Dicke von 200 nm (2000 Å) abgelagert und in dem Passivierungsfilm 58 wird der Spalt 58a geformt, um die flache obere Oberfläche 57a freizulegen. Über die gesamte Oberfläche des Passivierungsfilms 58 wird Gold und Titan in einer Dicke von 400 nm (4000 Å) und 50 nm (500 Å) abgelagert, wobei der Goldfilm und der Titanfilm durch ein Legierungsverfahren die Elektrode 59 bilden. Die resultierende Struktur ist in Fig. 8C dargestellt. Nachdem das Substrat 51 durch Ätzen der hinteren Oberfläche dünner gemacht wurde, wird auf der hinteren Oberfläche des Substrats 51 eine Elektrode (nicht gezeigt) geformt. Die Halbleiterlaser werden durch einen Aufspaltungsschritt derart voneinander getrennt, daß sie eine Länge von 1 mm haben.
Wie der vorangegangenen Beschreibung zu entnehmen ist, fließt der eingeleitete Strom ohne Kriechstrom durch die Mantelschicht 56 zu der Mesa-Struktur 55 und erzielt eine große Lichtabgabe. Ferner wachsen bei der Verfahrensabfolge gemäß der vorliegenden Erfindung nacheinander die Pufferschicht 53, der Vielfachquanten-Well 54, die Mantelschicht 56 und die Abdeckschicht 57, ohne eine Phase des teilweisen Abtragens der isolierenden Maske 52. Deshalb ist nur eine Abfolge des MOVPE-Vorgangs erforderlich, während das Verfahren nach dem Stand der Technik zwei Abfolgen des MOVPE erfordert. Tatsächlich ist die selektive MOVPE in der halben Zeit abgeschlossen wie bei dem Verfahren nach dem Stand der Technik. Schließlich weist die Verfahrensabfolge nach der vorliegenden Erfindung eine gute Reproduzierbarkeit auf.

Zweite Ausführungsform

Bezugnehmend auf Fig. 9 der Zeichnungen wird ein optischer Halbleiterverstärker oder ein Halbleiterlaserdiodenverstärker auf einem Substrat 61 aus Indiumphosphid vom n-Typ hergestellt. Das Substrat 61 aus Indiumphosphid vom n-Typ hat eine Hauptoberfläche 61a mit [100]-Ausrichtung, wobei ein Pfeil C' die [011]-Richtung anzeigt.
Der optische Halbleiterlaser wird durch den folgenden Verfahrensablauf hergestellt. Auf der Hauptoberfläche des Substrats 61 ist eine isolierende Maske 62 vorgesehen und die isolierende Maske 62 wird in zwei Abschnitte 62a und 62b aufgeteilt, die um 0,7 um voneinander beabstandet sind, wie in Fig. 10 gezeigt. Die Abschnitte 62a und 62b sind 700 Å dick und 10 um breit. Der Mittelabstand 62c erstreckt sich in bezug auf die [011]-Richtung um 10 Grad schräg und legt einen Teil der Hauptoberfläche 61a des Substrats 61 frei.
Auf dem freigelegten Mittelabstand 61a wird durch eine metallorganische Gasphasenepitaxie eine Pufferschicht 63 aus Indiumphosphid vom n-Typ und eine aktive Schicht 64 aus Indiumgalliumarsenidphosphid aufgezüchtet, wie in Fig. 11 gezeigt. Das Indiumgalliumarsenidphosphid ist auf eine vorgegebene Verwendung einer wellenlänge von 1,3 um geregelt und 300 nm (3000 Å) dick. Die aktive Schicht 64 ist am Mittelpunkt der Dicke 500 nm (5000 Å) breit, und die Pufferschicht 63 und die aktive Schicht 64 bilden in Kombination eine Mesa-Struktur 65. Die Abschnitte 62a und 62b stehen mit dem unteren Abschnitt der Pufferschicht 63 in Kontakt.
Ähnlich der ersten Ausführungsform wird durch die metallorganische Gasphasenepitaxie eine Mantelschicht 66 aus Indiumphosphid vom p-Typ und eine stark dotierte Abdeckschicht 67 aus Indiumgalliumarsenid vom p-Typ auf der Mesa-Struktur 65 kontinuierlich aufgezüchtet (vgl. Fig. 9). Die Mantelschicht 66 erstreckt sich auf der isolierenden Maske 62 und steht mit der Hauptoberfläche 61a nicht in direktem Kontakt.
Obwohl die Mantelschicht 66 1,5 um hoch und die Abdeckschicht 67 0,3 um dick ist, sind deren oberen Oberflächen flach, da der Winkel AG' nicht weniger als 5 Grad beträgt.
Über die gesamte Oberfläche der Struktur wird Siliziumdioxid in einer Dicke von 200 nm (2000 Å) flächig abgeschieden, um eine isolierende Schicht 68 zu formen, wobei in die obere Oberfläche des Passivierungsfilms 68 ein Spalt 68a geformt wird, um die flache obere Oberfläche der Abdeckschicht 67 freizulegen. Über der gesamten Oberfläche der Struktur wird Gold und Titan 400 nm (4000 Å) dick und 50 nm (500 Å) dick abgelagert, wobei der Goldfilm und der Titanfilm durch eine Legierungstechnik zu einer Elektrode 69 geformt werden.
Die hintere Oberfläche des Substrats 61 wird abgeschliffen, und anschließend wird auf der abgeschliffenen hinteren Oberfläche eine Elektrode angebracht. Die Halbleiterlichtverstärker werden durch Spaltung voneinander getrennt, wobei die Länge der Vorrichtungen 500 um beträgt.
Bei Betrieb wird Strom durch die Mantelschicht in die aktive Schicht 64 eingeleitet und der optische Halbleiterverstärker erreicht bei 200 mA für einfallendes Licht mit einer Wellenlänge von 1,31 um mehr als 25 dB.
Die aktive Schicht 64 kann aus Indiumgalliumarsenidphosphid geformt werden mit Verwendung für eine Wellenlänge von 1,55 um für einfallendes Licht mit einer wellenlänge von 1,55 um.
Wie der vorangegangenen Beschreibung zu entnehmen ist, erreicht der Halbleiterlichtverstärker einen hohen Verstärkungsfaktor, weil der Strom ohne Kriechstrom in das Substrat 61 in die aktive Schicht fließt und die Verfahrensabfolge ist einfacher als beim Verfahren nach dem Stand der Technik. Die Verfahrensabfolge nach der vorliegenden Erfindung weist eine gute Reproduzierbarkeit auf.

Dritte Ausführungsform

Bezugnehmend auf Fig. 12 der Zeichnungen wird ein optischer Elektroabsorptionsmodulator nach der vorliegenden Erfindung auf einem Substrat 71 aus Indiumphosphid vom n-Typ hergestellt. Der Indiumphosphidkristall hat eine [100]-Oberfläche, die als Hauptoberfläche des Substrats 71 dient.
Die Struktur des optischen Elektroabsorptionsmodulators wird aus der folgenden Beschreibung des Herstellungsverfahrens unter Bezugnahme auf die Fig. 13A bis 13C verständlich.
Zunächst wird auf der Hauptoberfläche eine isolierende Maske 72 vorgesehen und in zwei Abschnitte 72a und 72b aufgespalten, die durch einen 2 jjm breiten Mittenabstand voneinander getrennt sind. Die beiden Abschnitte 72a und 72b sind 300 nm (3000 Å) dick und 15 um breit. Der Mittelabstand erstreckt sich um 10 Grad schräg in bezug auf die durch den Pfeil C" angedeutete [011]-Richtung.
Unter Verwendung einer metallorganischen Gasphasenepitaxie werden eine Pufferschicht 73 aus Indiumphosphid vom n-Typ und eine optische Absorptionsschicht 74 auf dem freigelegten Bereich der Hauptoberfläche des Substrats 71 nacheinander aufgezüchtet. Die optische Absorptionsschicht 74 ist 250 nm (2500 Å) dick und das Indiumgalliumarsenidphosphid ist zur Verwendung einer Wellenlänge von 1,45 um eingerichtet. Die Pufferschicht 73 und die optische Absorptionsschicht 74 bilden eine Mesa-Struktur 75.
Mit der metallorganischen Gasphasenepitaxie wird ferner eine Mantelschicht 76 aus Indiumphosphid vom p-Typ und eine stark dotierte Abdeckschicht 77 aus Indiumgalliumarsenid vom p-Typ über die Mesa-Struktur 75 aufgezüchtet, wobei die isolierende Maske 72 verhindert, daß die Mantelschicht 76 und das Substrat 71 in direkten Kontakt kommen. Die Mantelschicht 76 ist 1,5 um hoch und die Abdeckschicht 77 ist 0,3 um dick. Die oberen Oberflächen der Mantelschicht 76 und der Abdeckschicht 77 bleiben jedoch flach, da die Mesa- Struktur 75 auf dem freigelegten Mittelabschnitt aufgewachsen ist, der in bezug auf die [011]-Richtung um mehr als 5 Grad geneigt ist.
Während die Pufferschicht 73, die optische Absorptionsschicht 74, die Mantelschicht 76 und die Abdeckschicht 77 durch die metallorganische Gasphasenepitaxie gezüchtet sind, werden eine Indiumphosphidschicht 73a vom n-Typ, eine Indiumgalliumarsenidphosphidschicht 74a, eine Indiumphosphidschicht vom p-Typ und eine stark dotierte Indiumgalliumarsenidschicht vom p-Typ auf der Hauptoberfläche abseits der isolierenden Maske 72 gleichzeitig aufgezüchtet, wie in Fig. 13A gezeigt.
Diese Schichten 76a bis 77a werden um mindestens 1 um Dicke abgeätzt, wie in Fig. 13B gezeigt. Über der gesamten Oberfläche der Struktur wird Siliziumdioxid mit einer Dicke von 200 nm (2000 Å) abgelagert, um eine Passivierungsschicht 78 zu formen, wobei die Passivierungsschicht 78 mit Polyimid 79 beschichtet wird, wie in Fig. 13C gezeigt.
Die Polyimidschicht 79 und die Passivierungsschicht 78 werden teilweise entfernt, um die flache obere Oberfläche der Abdeckschicht 77 freizulegen und über der gesamten Oberfläche der Struktur wird Gold und Titan mit einer Dicke von 400 nm (4000 Å) und 50 nm (500 Å) abgelagert. Der Goldfilm, der Titanfilm und die Polyimidschicht 79 sind, wie in Fig. 12 gezeigt, strukturiert.
Der Goldfilm und der Titanfilm werden durch einen Legierungsschritt zu eine Elektrode 80 geformt. Das Substrat wird durch Abätzen der Rückseite dünner gemacht. Auf die Rückseite wird eine Elektrode (nicht gezeigt) geformt und die optischen Halbleitermodulatoren werden mit einer Vorrichtungslänge von 300 um durch Aufspaltung getrennt. Die Vorrichtungsfacetten werden durch einen anti-reflektierenden Film (nicht gezeigt) bedeckt.
Der optische Elektroabsorptionsmodulator nach der vorliegenden Erfindung erreicht einen Dämpfungsfaktor von 20 dB, einen optischen Verlust von 3 dB und eine Modulationsbandbreite von 5 GHz. Wenn der optische Elektroabsorptionsmodulator an eine optische Faser gekoppelt wird, beträgt der Kopplungsverlust 2,5 dB.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die isolierende Maske 72 300 nm (3000 Å) dick. Wenn jedoch die isolierende Maske 72 aus Siliziumdioxid nicht dünner als 200 nm (2000 Å) ist, so ist eine Modulationsbandbreite von 2,4 GHz erreichbar.
Die optische Absorptionsschicht 74 kann durch eine Vielfachquanten-Wellstruktur ersetzt werden, die aus sechs jeweils 3 nm (30 Å) dicken Indiumgalliumarsenidschichten und fünf jeweils 13 nm (130 Å) dicken Indiumgalliumarsenidphosphidschichten zur Verwendung einer Wellenlänge von 1,3 um abwechselnd geschichtet aufgebaut ist. Die Struktur ist zur Verwendung einer oszillierenden Wellenlänge von 1,45 um konzipiert.
Wie aus der vorangehenden Beschreibung zu entnehmen ist, verhindert die isolierende Maskenschicht 72 im Substrat 71 einen Kriechstrom von der Mantelschicht 76 und die dicke isolierende Maske 72 verringert die Störkapazität auf weniger als 1 pF. Daraus ergeben sich die guten Betriebseigenschaften des optischen Elektroabsorptionsmodulators nach der vorliegenden Erfindung.
Ferner wachsen die Schichten von der Pufferschicht 73 bis zur Abdeckschicht 77 bei der Verfahrensabfolge nach der vorliegenden Erfindung durch eine einzige metallorganische Gasphasenepitaxie, wodurch sie, ohne an Reproduzierbarkeit einzubüßen, einfacher ist als die Verfahrensabfolge nach dem Stand der Technik.
Obwohl besondere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, ist es für den Fachmann offensichtlich, daß unterschiedliche Veränderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen. So ist die Wachstumstechnologie nicht auf die metallorganische Gasphasenepitaxie beschränkt und für die Zusammensetzung der für die optische Halbleitervorrichtung verwendeten Halbleitermatenahen können von verschiedener Art (System) sein. Die optische Halbleitervorrichtung nach der vorliegenden Erfindung kann aus einem Halbleitersubstrat vom p-Typ hergestellt werden, indem das Dotiermaterial der Halbleiterverbundschichten in den entgegengesetzten Typ gewechselt wird als das in der oben beschriebenen optischen Halbleitervorrichtung verwendete.
Die isolierenden Maskenschichten, die isolierenden Schichten und die Passivierungsschicht können aus Phosphorsiliziumglas (PSG) oder Siliziumstickoxid (SiNO) geformt sein.

Claims

1. Optische Halbleitervorrichtung hergestellt auf einem Halbleitersubstrat (51, 61, 71) mit:

a) einer isolierenden Maske (52, 62, 72) , die eine Oberfläche des Halbleitersubstrats bedeckt;

b) einer Halbleiter-Mesastruktur (55, 65, 75), die epitaktisch über einen Teil des Halbleitersubstrats mit einer [100]-Ausrichtung gewachsen ist, wobei die isolierende Maskenschicht eine Streifenlücke (62c) hat, die den Teil der Oberfläche freilegt, um es so einem unteren Abschnitt der Mesa-Struktur zu ermöglichen, mit dem Teil der Oberfläche und mit der isolierenden Maske in Kontakt zu stehen;

c) einer Manteischicht (56, 66, 76), die epitaktisch über die Mesa-Halbleiterstruktur gewachsen ist und sich ohne direkten Kontakt mit der Halbleiterstruktur über die isolierende Maskenschicht erstreckt; und

d) einer epitaktisch gewachsenen Abdeckschicht (57, 67, 77), welche die Mantelschicht bedeckt, dadurch gekennzeichnet, daß

die Halbleiter-Mesastruktur, die Mantelschicht und die Abdeckschicht unter Verwendung einer Dampfphasenepitaxie gewachsen sind und

die Streifenlücke in Bezug auf die [011]-Richtung der Kristallstruktur des Halbleitersubstrats sich um 50 oder mehr schräg erstreckt.

2. Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Mesa-Struktur einen Vielfachquanten-Well zum Erzeugen eines Laserlichts aufweist.

3. Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Mesa-Struktur eine aktive Schicht zum Verstärken von einfallendem Licht aufweist.

4. Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Mesa-Struktur eine lichtabsorbierende Schicht zum Modulieren einfallenden Lichts aufweist.

5. Optische Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, bei der die Mesa-Struktur ferner eine Pufferschicht aufweist, die zwischen dem Substrat und der lichtabsorbierenden Schicht vorgesehen ist.

6. Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Substanz und die Dicke der isolierenden Maskenschicht derart sind, daß eine elektrische Störkapazität nicht größer als 2 pF ist.

7. Verfahren zur Herstellung einer optischen Halbleitervorrichtung mit den Schritten:

a) Vorbereiten eines Halbleitersubstrats (51, 61, 71), das eine Hauptoberfläche (61a) mit [100]-Ausrichtung und eine sich auf der Hauptoberfläche erstreckende Kristallstruktur mit [011]-Ausrichtung hat;

b) Erzeugen einer isolierenden Maskenschicht (52, 62, 72) auf der Hauptoberfläche, wobei die isolierende Maskenschicht eine Streifenlücke (62c) hat, die einen Teil der Hauptoberfläche freilegt;

c) Formen einer Mesa-Struktur (55, 65, 75) , die auf einem Teil der Hauptoberfläche gewachsen ist, so daß die isolierende Maskenschicht mit einem unteren Abschnitt der Mesa- Struktur in Kontakt steht;

d) anschließendes Formen einer Mantelschicht (56, 66, 76) und einer Abdeckschicht (57, 67, 77), die über die Mesa- Struktur gewachsen sind und sich über eine obere Oberfläche der isolierenden Maskenschicht erstrecken; und

e) Formen einer mit der Mantelschicht elektrisch verbundenen Elektrode (59, 69) zum Zuführen von Strom durch die Mantelschicht zu der Mesa-Struktur, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter-Mesastruktur und die Mantelschicht unter Verwendung einer Dampfphasenepitaxie und unter der Bedingung gewachsen sind, daß die Streifenlücke mit Bezug auf die [011]-Ausrichtung der Kristallstruktur des Halbleitersubstrats sich um 50 oder mehr schräg erstreckt, um so eine ebene Oberfläche (56a) der Mantelschicht und eine ebene Oberfläche (57a) der Abdeckschicht zu bilden, mit denen die Elektrode in Kontakt steht.