DE69429906T2

DE69429906T2 - Halbleiterstruktur und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69429906T2
Application number: DE69429906T
Authority: DE
Inventors: Eiichi Kuramochi; Teruhiko Nishiya; Richard Noetzel; Mitsuru Sugo; Toshiaki Tamamura; Jiro Temmyo
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1993-11-25
Filing date: 1994-11-25
Publication date: 2002-08-01
Anticipated expiration: 2014-11-26
Also published as: US5543354A; EP0665578A3; EP0665578A2; DE69429906D1; EP0665578B1

Description

Erfindungsbezeichnung

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiterstruktur und ein Verfahren zur Herstellung derselben, und spezieller einen Inselbereich für ein Halbleiterbauelement und ein Verfahren zur Herstellung desselben.
Es wird gezeigt, dass ein Quanteneinschlußeffekt aufgetreten ist, wenn die Größe einer Halbleiter- Heterostruktur mehrere 10 Nanometer oder weniger beträgt, was der de Broglie- Wellenlänge von Trägern (Elektronen und Löcher) in einem Halbleiterkristall entspricht oder kleiner ist, der in einem massiven Kristall nicht beobachtet wird.
Das liegt daran, dass die Träger in solch kleinen Halbleiter- Heterostrukturen lokalisiert sind.
Der in Fig. 27A dargestellte massive Kristall hat die Funktion der Konzentration von Zuständen von Trägern, die mit der Trägerenergie gemäß Fig. 27B zusammenhängt. Diese Situation ist in Fig. 27A dargestellt. In einem Halbleiter mit einer in Fig. 27C gezeigten Struktur einer Quantenmulden- Filmschicht hat die Konzentration von Zuständen der Träger eine stufenweise Funktion gegenüber der Energie wie in Fig. 27D.
In einem Halbleiter mit einer Drahtstruktur der Quantenmulden- Filmschicht in Fig. 27E sollte die Konzentration von Zuständen von Trägern eine Funktion in Form einer Spitze gegenüber der Energie in Fig. 27F sein. In einem Halbleiter mit einer Quanten- Packungsstruktur, wie sie in Fig. 27G gezeigt wird, sollte die Konzentration von Zuständen der Träger ganz eine diskrete Funktion wie in Fig. 27H sein.
Wegen der vor kurzem gemachten Fortschritte in den Technologien des Kristallwachstums können eine dünne, hochqualitative Halbleiter- Filmschicht oder mehrlagige Filmschichten, die durch Stapeln dieser dünnen Filmschicht gebildet werden, leicht als zweidimensionale Quantenmulden- Filmschichten hergestellt werden. In diesen Quanten- Filmschichten wird ein Emissionsspektrum erzielt, dessen Halbwertsbreite enger als die eines massiven Kristalls ist, und es werden einzigartige physikalische Eigenschaften beobachtet wie eine hohe optische Verstärkung und die Erzeugung von Exzitonen bei Raumtemperatur auf Grund ihrer lokalisierten Konzentration von Zuständen.
Durch Verwendung dieser Quanteneffekte wurden die Eigenschaften von Halbleiterlasern oder verschiedenen optischen Bauelementen wie Lichtmodulatoren und optische Schalter erheblich verbessert.
Unter Berücksichtigung der erfolgreichen Einführung dieser Struktur mit Quantenmulden- Filmschicht werden gegenwärtig die Herstellung und die physikalische Eigenschaften von weiter lokalisierten Strukturen wie Quantendrähte oder Quantenpackungen ausführlich untersucht.
Zur Herstellung einer Quantendraht- Struktur oder einer Quantenpackungs-Struktur sind verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden. Das konventionellste Verfahren besteht darin, feine Strukturen auf einer zweidimensionalen Quantenmulden- Filmschicht zu bilden, indem die Elektronenstrahl- Lithografie genutzt wird, wobei diese Strukturen durch Ätzen in eine Quantenmulden- Filmschicht übertragen werden. Das andere Verfahren ist die Lithografie mit fokussiertem Ionenstrahl, mit dem Drähte oder Packungen direkt gebildet werden können.
In beiden Verfahren werden dünne Halbleiter- Filmschichten gebildet, indem die Zusammensetzungen und die Dicke durch Verwendung von Techniken zum epitaxialen Aufwachsen präzise gesteuert werden. Anschließend wird die Größe in seitlicher Richtung durch Lithografie und/ oder Ätzen von Quantendrähten oder Quantenpackungen gesteuert. Deshalb ist die Mindestgröße und die Größe der Gleichmäßigkeit der Struktur in seitlicher Richtung durch die Genauigkeit der verwendeten Verfahrenstechniken stark eingeschränkt.
Vor kurzem wurde von mehreren Versuchen berichtet, bei denen ein Träger- Confinementbereich gebildet wird, indem eine Technologie zum Aufwachsen wie MOVPE (metallorganische Dampfphasen Epitaxie) oder MBE (molekulare Strahlepitaxie) verwendet wird. Diese Verfahren nutzen die chemischen Eigenschaften des Kristallwachstums. Das heißt, wenn eine dünne Filmschicht auf einem Substratkristall aufgewachsen ist, die einer bestimmten Bearbeitung ausgesetzt wird, treten in einem Kristall stabile Facetten- Oberflächen mit einer dreidimensionalen Struktur in Abhängigkeit von den Wachstumsbedingungen und Wachstumsverfahren auf. Eine mehrdimensional begrenzte Struktur kann durch das aufeinander folgende Aufwachsen von mehreren Arten von epitaxialen Schichten bei unterschiedlichen Bedingungen erzielt werden.
Das charakteristische Merkmal dieses Verfahrens ist, dass die durch den lithografischen Prozess verursachte Beschädigung und Verunreinigung an dem trägerbegrenzten Bereich ausgeschaltet werden können.
Um Quantendrähte und Quantenpackungen mittels Technologie des epitaxialen Wachstums herzustellen, ist häufig das selektive Flächenwachstum genutzt worden, wobei die Oberfläche des Halbleiters mit dünnen strukturierten Passivierungsschichten überzogen wird und man in der Öffnung der dünnen Passivierungsschichten einen Draht aufwachsen läßt.
Andere Beispiele von normalerweise bekannten Verfahren ist eines, bei dem Facetten auf einer Kristallfläche gebildet werden, die die Form einer V-förmigen Ausnehmung aufweisen, wobei eine Drahtstruktur an der Unterseite dieser V-förmigen Ausnehmung gebildet wird, und eines, in dem eine Drahtstruktur in Längsrichtung auf der Basis von Stufen gebildet wird, die auf einem schrägstehenden Substrat gebildet sind.
Als Quantenmulden- Filmschicht- Packungsstruktur, die darauf abzielt, ein O-dimensionales Elektron-Loch- System zu realisieren, wird eine tetraedrische Struktur einer Quantenmulden- Filmschicht- Packung untersucht, die z. B. durch die Bildung einer dünnen epitaxialen AlGaAs- Schicht auf einem (111)B GaAs- Substrat hergestellt wird, indem selektives Flächenwachstum mit MOVPE unter Verwendung von SiO&sub2; als Maske durchgeführt wird.
Leider ist es bei diesen Draht- und Packungsstrukturen notwendig, eine eindimensionale oder zweidimensionale Struktur mit einer Größe von mehreren Zehn Nanometer nicht nur in Richtung der Schichtdicke sondern auch in der Ebene einer dünnen Quantenmulden- Filmschicht auszubilden. Deshalb verschlechtert sich die Qualität eines Kristalls leichter als eine dünne Quantenmulden- Filmschicht. Dies erschwert es, einen Quantendraht oder eine Quantenpackung mit optischen Eigenschaften zu realisieren, die vergleichbar oder besser als die einer Quantenmulden- Filmschicht sind.
Im Fall des Verfahrens mit selektivem Wachstum verursacht eine kurze Diffusionslänge von Aluminium eine große Abhängigkeit der selektiven Maske von der Dicke und Zusammensetzung einer epitaxialen AlGaAs- Filmschicht. Dies erschwert die Bildung einer äußerst feinen Packungsstruktur. Es gibt außerdem weitere Probleme, dass die räumliche Konzentration der Packungen der Quantenmulden- Filmschicht durch die Herstellungsprozesse einer selektiven Maske beschränkt ist und diese bei der Herstellung eines Bauelements (Halbleiterbauelement) entfernt werden muss.
Als ein Verfahren zur Erzielung einer mehrfachen Quantendrahtstruktur wird als Wachstumssubstrat eine auf einem flachen GaAs aufgewachsene (110) gespaltene Oberfläche einer periodischen Struktur aus GaAs/ Al- GaAs verwendet, indem epitaxiales Aufwachsen eines Halbleiters mit einer Fläche der Quanten- Drahtstruktur aus GaAs/ AlGaAs als eine Spaltungsebene genutzt wird. Bei diesem Verfahren tritt das selektive Wachstum von GaAs auf Grund einer von selbst entstandenen dünnen Oxidschicht auf, die auf dem darunter liegenden AlGaAs mit einer stark dotierten Al Zusammensetzung fest wird. Folglich ist es möglich, eine mehrfache Quanten- Drahtstruktur aus GaAs/ AlGaAs zu realisieren, deren Abmessung durch die darunter liegende periodische Struktur aus GaAs/ AlGaAs bestimmt ist.
In diesem Verfahren muß jedoch die Ausbildung von Elektroden oder dergleichen in einem engen Bereich ausgeführt werden, weil die Spaltungsebene eines Kristalls genutzt wird. Deshalb ist es schwierig, brauchbare optische Bauelemente unter Verwendung dieses Verfahrens herzustellen.
Andererseits wird von der Bildung von inselähnlichem InP auf einem GaAs Substrat als einem Verfahren zur Bildung einer Quantenmulden- Filmschicht- Packungsstruktur auf einem ebenen Halbleitersubstrat berichtet, indem nur das Dampfphasen- Kristallwachstum genutzt wird. Da die Kristallgitterkonstante von InP weitgehend unterschiedlich zu der von GaAs ist, wird InP nicht als eine Filmschicht gebildet sondern häuft sich zufällig zu Inseln auf einem GaAs Substrat an.
Leider ist bei diesem Verfahren eine große Änderung der Inselgröße unvermeidlich. Außerdem ist es schwierig, hochdichte Inseln zu erzielen, weil die Größenzunahme von InP den Kristalldefekt in Inseln verursacht. Deshalb erschwert die begrenzte Dichte von inselähnlichem, formbarem InP die Herstellung eines optischen Bauelements auf einem praktischen Niveau.
In US 4 802 181 wird ein lichtemittierendes Supergitter-Halbleiterbauelement beschrieben, das eine aktive Schicht besitzt, die aus einem Supergitter, Überzugsschichten oberhalb und unterhalb der aktiven Schicht, einem ebenen Quantenmulden- Bereich und zumindest einem lokalen Quantenmulden- Bereich zusammengesetzt ist. Im ebenen Quantenmulden- Bereich ist das Potential höher als im lokalen Quantenmulden- Bereich.
Das Japanese Journal of Applied Physics, Bd. 26, Nr. 4, 1987, S. L225 bis L227 "Light Emission from Quantum- Box Structure by Current Injection" offenbart Quantenpackungsstrukturen, die aus eindimensionalen Strukturen einer Quantenmulde hergestellt sind, die durch OMVPE (organometallische Dampfphasenepitaxie) aufgewachsen sind.
EP 0 535 293 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines zusammengesetzten Halbleiterbauelements, das einen Quantenmulden- Draht durch epitaxiales Wachstum auf einem {311}, {211}, {111} oder {110} Halbleitersubstrat aufweist.

Abriss der Erfindung

Deshalb ist eine hauptsächliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung einer Halbleiterstruktur und eines Verfahrens zur Herstellung derselben, mit dem feine hochdichte Inselbereiche, die eine Träger- Confinementschicht enthalten, gebildet werden können.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben genannte prinzipielle Aufgabe zu erfüllen und einen optischen Modulator mit den Eigenschaften einer scharfen Exzitonen- Absorption zur Verfügung zu stellen.
Eine noch andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben genannte prinzipielle Aufgabe zu erfüllen und einen Halbleiterlaser bereitzustellen, der im Vergleich zu den herkömmlichen Halbleiterlasern in den Eigenschaften verbessert ist.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 11 gelöst.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht, welche die grundlegende Schnittstruktur einer Halbleiter- Quantenstruktur als Halbleiterstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 2 eine Schnittansicht, die den Zustand einer Mehrfachstruktur darstellt, die durch Entwicklung der Halbleiter- Quantenstruktur in Fig. 1 erzielt wird;
Fig. 3A bis 3C Schnittansichten, welche die Schritte eines Verfahrens zur Bildung der Halbleiter- Quantenstruktur der vorliegenden Erfindung darstellen;
Fig. 4A und 4B Schnittansichten, die jeweils die Anordnung einer Halbleiter- Quantenstruktur als ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellen;
Fig. 5 eine elektronenmikroskopische Aufnahme, die auf einem Substrat gebildete feine Inseln darstellt;
Fig. 6 ein Diagramm, das die Emissionsspektren von Proben 1-a und 1-c bei Raumtemperatur darstellt;
Fig. 7 ein Diagramm, das die Emissionsspektren in einer Halbleiter- Quantenstruktur darstellt, in der drei Träger- Confinementschichten übereinander angeordnet sind;
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht, welche den grundlegenden Aufbau von Inselbereichen für ein optisches Halbleiterbauelement der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 9A bis 9C Schnittansichten, die die Schritte eines Verfahrens zur Bildung der Inselbereiche des optischen Halbleiterbauelements darstellen;
Fig. 10 eine Schnittansicht, die den Zustand darstellt, bei dem eine Vielzahl von Schichten aus Inselbereichen des optischen Halbleiterbauelements gebildet sind;
Fig. 11A bis 11D Schnittansichten zur Erläuterung der Schritte eines Verfahrens zur Herstellung einer Mehrschichtstruktur aus Inselbereichen eines optischen Halbleiterbauelements
Fig. 12 eine Schnittansicht, die die Anordnung von Inselbereichen eines optischen Halbleiterbauelements im Beispiel 20 der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 13A bis 13D Schnittansichten zur Erläuterung des Zustands von Inselbereichen eines optischen Halbleiterbauelements der vorliegenden Erfindung;
Fig. 14A und 14B gescannte elektronenmikroskopische Aufnahmen, die jeweils die Oberflächenbeschaffenheit des Substrats in Inselbereichen eines optischen Halbleiterbauelements der vorliegenden Erfindung darstellen;
Fig. 15 ein Diagramm, welches ein Emissionsspektrum der Inselbereiche eines optischen Halbleiterbauelements der vorliegenden Erfindung und ein Emissionsspektrum einer normalen Struktur einer Quantenmulden- Filmschicht darstellt;
Fig. 16 Fig. 16 eine Schnittansicht, die die Anordnung der Schichten von Inselbereichen eines optischen Halbleiterbauelements im Beispiel 21 der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 17A und 17B Diagramme, die das Emissionsspektrum und das Anregungsspektrum von Lumineszenz in dem in der Tabelle 2 dargestellten Beispiel 22 im Vergleich zu den von Quantenmulden- Filmschichten zeigt, die auf einem GaAs- Substrat gebildet sind, das gleichzeitig mit dem Beispiel 22 unter den gleichen Wachstumsbedingungen wie im Beispiel 22 aufgewachsen ist und welches die {100} Fläche als Hauptfläche aufweist;
Fig. 18A und 18B Schnittansichten, die die Anordnung eines optischen Modulators im Beispiel 48 der vorliegenden Erfindung darstellen;
Fig. 19 ein Diagramm, welches das Absorptionsspektrum bei einer zwischen den beiden Elektroden des optischen Modulators in Fig. 18B angelegten umgekehrten Vorspannung und das Absorptionsspektrum darstellt, wenn keine umgekehrte Vorspannung angelegt ist;
Fig. 20 eine Schnittansicht, welche die Anordnung einer dünnen epitaxialen Laser- Filmschicht darstellt, die in einem Ausführungsbeispiel eines Halbleiterlasers im Beispiel 49 der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Fig. 21A und 21B Ansichten, welche die Schnittformen der Filmschicht darstellen, wenn die Al- Zusammensetzungen einer Halbleiterträger- Sperrschicht und einer optischen Leitschicht im Beispiel 49 verändert sind;
Fig. 22 eine Schnittansicht, die ein Ausführungsbeispiel eines Halbleiterlasers nach der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 23A und 23B Diagramme, die jeweils die Eigenschaften des Verstärkungspektrums eines normalen Lasers und die des Lasers der vorliegenden Erfindung darstellen;
Fig. 24 ein Diagramm, das die optischen Eigenschaften eines normalen vorgespannten Quantenmulden- Filmschichtlasers aus InGaAs und diejenigen eines vorgespannten Quantenmulden- Filmschichtlasers aus InGaAs nach der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 25 ein Diagramm, das die Abhängigkeit vom Stromwert eines normalen vorgespannten Quantenmulden- Filmschichtlasers aus InGaAs und dem eines vorgespannten Quantenmulden- Filmschichtlasers aus InGaAs nach der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 26A und 26B Schnittansichten, die noch weitere Modifizierungen der vorliegenden Erfindung darstellen; und
Fig. 27A bis 27H Ansichten, welche die Anordnungen einer kompakten Struktur, einer Quantenmulden- Filmschicht- Struktur, einer Quanten- Draht- Struktur und einer Quanten- Packungs-Struktur darstellen, sowie Diagramme zur Erläuterung der Spektren der Konzentration von Zuständen dieser Strukturen.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Vor Erläuterung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen der grundlegende Aufbau einer Halbleiterstruktur nach der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die den grundlegenden Aufbau einer Halbleiter- Quantenstruktur als Halbleiterstruktur der vorliegenden Erfindung zeigt. In Fig. 1 bezeichnen die Bezugszahlen 11 ein Halbleitersubstrat; 12A und 12B Halbleiter- Barriereschichten, die auf dem Halbleitersubstrat 11 gebildet sind; 13 eine Träger- Confinementschicht, die so gebildet ist, dass sie zwischen die Halbleiter- Barriereschichten 12A und 12B gelegt ist; 14 eine dünne, vorgespannte Quantenmulden- Filmschicht, die die Träger- Confinementschicht 13 bildet; und 15 feine Inseln, die die Träger- Confinementschicht 13 bilden und eine Schichtdicke aufweisen, die größer als die der vorgespannten Quantenmulden- Schicht 14 ist.
Die in Fig. 1 veranschaulichte Halbleiter- Quantenstruktur ist eine neuartige flachdimensionierte Halbleiter- Quantenstruktur, in der sowohl eine zweidimensionale Struktur einer Quantenmulden- Filmschicht als auch eine 0- dimensionale Struktur einer Quantenpackung vorhanden ist. Außerdem zeigt diese Halbleiter- Quantenstruktur einzigartige optische Eigenschaften, die in herkömmlichen Quantenstrukturen nicht vorgefunden werden, d. h. es wird eine intensive Lumineszenz mit einer engen Halbwertsbreite beobachtet.
Fig. 2 zeigt eine Struktur, die durch Entwicklung der Halbleiter- Quantenstruktur in Fig. 1 erzielt wird. In Fig. 2 ist die kombinierte Struktur aus Halbleiter- Barriereschichten und Träger- Confinementschichten auf einem Halbleitersubstrat 21 unterschiedlich zur Fig. 1. In Fig. 2 weist diese kombinierte Struktur eine mehrlagige (dreilagige) Anordnung auf, die durch Halbleiter- Barriereschichten 22A, 22B, 22C und 22D sowie zwischen diesen Barriereschichten geformten Träger- Confinementschichten 23A, 23B und 23C gebildet sind. Mit anderen Worten, in dem in Fig. 2 gezeigten Zustand weist jede der Träger- Confinementschichten 23A, 23B und 23C eine Anordnung auf, in der eine große Anzahl von Inseln 25 in einer Filmschicht 24 mit vorgespannter Quantenmulde verteilt ist. Drei Träger- Confinementschichten mit dieser Anordnung und die oben beschriebenen Halbleiter- Barriereschichten werden abwechselnd kombiniert, um die gesamte Struktur zu bilden.
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Strukturen sind die Grundstrukturen der vorliegenden Erfindung. Um die optischen Eigenschaften zu verbessern, werden manchmal Schichten, die normalerweise bei der Herstellung einer dünnen Quantenmulden- Filmschicht genutzt werden, z. B. eine geeignete Pufferschicht, eine Barriereschicht mit anderer Zusammensetzung oder unterschiedlicher Dicke oder eine Verkappungsschicht zu den oben genannten Strukturen ergänzt.
Nach den durch die gegenwärtigen Erfinder vorgenommenen Untersuchungen werden Halbleiterstrukturen mit Quantenmulden- Filmschicht nach der vorliegenden Erfindung durch die Kombination von einem speziellen Halbleitersubstrat, Halbleiter- Barriereschichten und Halbleiterträger- Confinementschichten realisiert.
Das in der vorliegenden Erfindung verwendete Halbleitersubstrat besteht aus einem III-V Verbindungshalbleiter wie GaAs oder InP, dessen Hauptfläche die {n11} B Fläche ist (wobei n = 2, 3, 4, 5, 6 oder 7 ist). Mikroskopisch besteht diese {n11} B Fläche aus der {100} Fläche, auf der ein gleichmäßiges epitaxiales Wachstum ohne weiteres stattfindet und der {111} B- Fläche, welche die Gruppe V- stabilisierte Fläche wie die As- Fläche ist, und auf der das Wachstum kaum stattfinden kann. Daher zeigt ein auf dieser {n11} B Fläche stattfindendes Dampfphasen- Kristallwachstum die oben erörterten ungewöhnlichen Eigenschaften.
Im Falle von {n11} B GaAs Substraten wurden zum Beispiel die oben genannten einzigartigen Eigenschaften vorgefunden, wenn die Halbleiterträger- Confinementschichten aus vorgespanntem InzGa&sub1;-zAs und die Halbleiter- Barriereschichten aus AlyGa&sub1;&submin;yAs aufgebaut waren, oder wenn die Halbleiterträger- Confinementschichten aus vorgespanntem GaAszSb&sub1;-z und die Halbleiter- Barriereschichten aus AlyGa&sub1;-yAs aufgebaut waren.
Andererseits wurden im Falle von {n11} B InP Substraten die gleichen einzigartigen Eigenschaften vorgefunden, wenn die Halbleiterträger- Confinementschichten aus vorgespanntem InzGa&sub1;-zAs und Halbleiter- Barriereschichten aus InxAlyGa&sub1;-x-yAs hergestellt waren oder wenn die Halbleiterträger- Confinementschichten aus vorgespanntem InxGa&sub1;-xAszSb&sub1;-z und die Halbleiter- Barriereschichten aus InyAl&sub1;-yAs hergestellt waren.
Die Fig. 3A bis 3C sind Schnittansichten, die das Verfahren zur Bildung der Halbleiter- Quantenstruktur nach der vorliegenden Erfindung darstellen. Dieses grundlegende Verfahren zur Bildung einer Quantenmulden- Halbleiter- Filmschicht wird nachstehend beschrieben.
Zuerst werden, wie in Fig. 3A dargestellt, eine Halbleiter- Pufferschicht 32, eine Halbleiter- Barriereschicht 33, eine vorgespannte Quantenmulden- Filmschicht (SQW) 34, eine Halbleiter- Barriereschicht 35 und eine aus einer dünnen, vorgespannten Quantenmulden- Filmschicht bestehende Träger- Confinementschicht 36 in dieser Reihenfolge auf einem Substrat 31 mit hoher Indexzahl, das die {n11} B Fläche als seine Hauptfläche aufweist, gebildet.
Wie in Fig. 3A befindet sich die Träger- Confinementschicht 36 unmittelbar nach dem Wachstum dieser Schichten in der Form der vorgespannten Quantenmulden- Filmschicht. Jedoch verändert sich nach einer angemessenen Unterbrechungszeit des Wachstums ein Teil der Träger- Confinementschicht 36, wie es in Fig. 3B dargestellt ist, zu einer Träger- Confinementschicht 36a, die aus einer dünnen, vorgespannten Quantenmulden- Filmschicht 37 mit einer relativ kleinen Filmschichtdicke und feinen Inseln 38 besteht, die in dieser Filmschicht verteilt sind und eine verhältnismäßig große Schichtdicke aufweisen.
Anschließend werden gemäß Fig. 3C eine Halbleiter- Barriereschicht 39 und eine Halbleiter- Verkappungsschicht 310 auf der Träger- Confinementschicht 36a aufeinanderfolgend gebildet, was eine Struktur mit einer flachen Oberfläche ergibt.
Bei dieser Struktur ist die Rolle der vorgespannten Quantenmulden- Filmschicht 34 in der vorliegenden Erfindung nicht so wesentlich. Daher wird die Wirkung der vorliegenden Erfindung genügend erreicht, selbst wenn diese Schicht 34 nicht gebildet ist. Wenn jedoch die vorgespannte Quantenmulden- Filmschicht 34 wie in diesem Ausführungsbeispiel eingesetzt wird, neigen die Größen der Inseln dazu, bei der Bildung von Inselbereichen des optischen Halbleiterbauteils der vorliegenden Erfindung gleichmäßig zu werden (was später beschrieben wird).
Eine solche Inselstruktur wird nicht gebildet, falls eine normale Quantenmulden- Filmschicht ohne Vorspannung als Halbleiterträger- Confinementschicht verwendet wird. Daher wird abgeschätzt, dass die Vorspannungsenergie der vorgespannten Quantenmulden- Filmschicht zur Bildung dieser Inselstruktur beiträgt.
Im oben genannten Ausführungsbeispiel sind die Inseln in der Quantenmulden- Filmschicht verteilt. Selbst wenn gleiche vorgespannte Quantenmulden- Filmschichten genutzt werden, wird in manchen Fällen der grundlegende Aufbau des oben genannten Ausführungsbeispiels, bei dem die Inseln in der Quantenmulden- Filmschicht verteilt sind, erzielt, und in anderen Fällen wird eine Quantenpackungsstruktur erzielt, in der die Inseln völlig voneinander isoliert sind. Dieser Unterschied im Aufbau wird durch die Dicke und die Zusammensetzung der Filmschicht verursacht, weil sich die Energie der Vorspannung mit der Dicke oder der Zusammensetzung der gebildeten vorgespannten Quantenmulden- Filmschicht ändert.

Beispiel 1

Nachstehend wird das Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Fig. 4A ist eine Schnittansicht, die die Anordnung von Inselbereichen eines optischen Halbleiterbauelements als Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung darstellt.
Dieses Beispiel beschreibt die Bildung der Inselbereiche eines optischen Halbleiterbauelements aus einem GaAs Substrat 41, dessen Hauptfläche die {311} B Fläche ist, indem das aufeinander folgende Wachstum von verschiedenen Schichten genutzt wird durch Veränderung der Wachstumsbedingungen wie der Gasdurchflusszustand, ohne das Substrat von der Bearbeitungskammer einer MOVPE Vorrichtung mit Niederdruck bei einer Temperatur von 750ºC zu entladen.
Zuerst ließ man GaAs auf dem GaAs Substrat 41 aufwachsen, um eine 10 nm dicke GaAs Pufferschicht 42 zu bilden. Anschließend ließ man Al0,5Ga0,5As aufwachsen, um eine 30 nm dicke untere Barriereschicht 43 zu bilden. Danach wurden nacheinander eine aus vorgespanntem In0,2Ga0,8As aufgebaute, 15 nm dicke vorgespannte Quantenmulden- Filmschicht 44, eine aus vorgespanntem Al0,5Ga0,5As aufgebaute 100 nm dicke Barriereschicht 45 und eine vorgespannte Schicht 46 aus Al0,25Ga0,75As in dieser Reihenfolge gebildet. Auf dieser Stufe wurde eine Unterbrechungszeit des Wachstums von 2,5 min genommen.
Das vorgespannte Al0,5Ga0,5As, das vor der Barriereschicht 45 aufgewachsen war, hielt den Zustand der Filmschicht als die vorgespannte Quantenmulden- Filmschicht 44, da die Barriereschicht 45 anschließend gebildet wurde. Andererseits änderte sich das auf der Pufferschicht 45 aufgewachsene, vorgespannte In0,25Ga0,75As zum Teil während dieser Wachstumsunterbrechung, bildete eine Träger- Confinementschicht 46 aus, die durch eine dünne, vorgespannte Quantenmulden- Filmschicht 46a mit einer relativ kleinen Schichtdicke und feinen Inseln 46b gebildet war, die in dieser dünnen Filmschicht verteilt sind und eine verhältnismäßig große Schichtdicke aufweisen.
Nach dieser Unterbrechung des Wachstums ließ man auf der sich ergebenden Struktur Al0,5Ga0,5As aufwachsen, um eine 50 nm dicke Planarisierungs- Halbleiter- Barriereschicht 47 zu bilden, wobei man anschließend GaAs auf der Schicht 47 aufwachsen ließ, um eine 10 nm dicke Verkappungsschicht 48 zu bilden, wodurch die in der Schnittansicht von Fig. 4A gezeigte Halbleiter- Quantenstruktur hergestellt wird.
Die oben genannte Halbleiter- Quantenstruktur nach der vorliegenden Erfindung wurde als Probe 1-a gekennzeichnet. Zum Vergleich; die ein GaAs Substrat verwendende Probe 1-b, dessen Hauptfläche die {311} A Fläche war und die ein GaAs Substrat verwendende Probe 1-c, dessen Hauptfläche die {100} Fläche war, wurden exakt nach den gleichen Verfahren, wie oben erörtert, hergestellt.
Um die Struktur der Träger- Confinementschicht 46 als charakteristisches Merkmal der vorliegenden Erfindung zu erläutern, wurde die Probe 1-d (Fig. 4B) auch unter Verwendung eines GaAs- Substrats hergestellt, dessen Hauptfläche die {311} B Fläche war. In dieser Probe 1-d würde die Planarisierungs- Barriereschicht 47 der Probe 1-a nicht gebildet. Außerdem wurde die Probe 1-e als Vergleichsprobe der Probe 1-d unter Verwendung eines GaAs Substrats, dessen Hauptfläche die {100} Fläche war, hergestellt. Die Strukturen dieser Proben wurden verglichen.
Die Oberfläche dieser Proben wurde unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskop beobachtet. Dementsprechend wurde auf den Oberflächen der Proben 1-a, 1-b, 1-c und 1-e keine deutliche Struktur beobachtet, was anzeigt, dass die flachen Oberflächen in diesen Proben erzielt wurden.
Andererseits wurde in der Probe 1-d, die der Probe 1- a entspricht, die zur Erläuterung des charakteristischen Merkmals der vorliegenden Erfindung gebildet wurde, der in der Schnittansicht der Fig. 4B veranschaulichte Zustand erreicht, wie es aus der elektronenmikroskopischen Aufnahme in Fig. 5 ersichtlich ist, die auf dem Substrat gebildete feine Inseln darstellt. In dieser Probe 1-d wurde eine aus vorgespanntem In0,25Ga0,75As bestehende Träger- Confinementschicht 46 durch eine 3 nm dicke Filmschicht 49 und eine große Anzahl von Inseln 410 von etwa 70 nm Durchmesser und etwa 10 nm Dicke gebildet, die in der dünnen Filmschicht verteilt waren. Diese Struktur mit einer großen Anzahl von die Träger- Confinementschicht 46 der Probe 1-d bildenden Inseln kann die gleiche sein wie die Träger- Confinementschicht 46 der Probe 1-a.
Wie oben mit Bezug auf die Fig. 4B und 5 erörtert, wurden die Inseln 410 auf der Oberfläche der Träger- Confinementschicht 46 regelmäßig geformt, obwohl sich keine Struktur auf dem GaAs Substrat 41 befand. Dies zeigt an, dass die Halbleiter- Quantenstruktur der vorliegenden Erfindung ein regelmäßiges Phänomen der Selbstorganisierung erzeugt, das gesteuert wird durch das komplexe Zusammenspiel zwischen dem Zustand der {311} B Fläche und der Oberflächenenergie, die von der Spannung der auf dem Substrat gebildeten vorgespannten Quantenmulden- Filmschicht abgeleitet wird.
Fig. 6 ist ein Diagramm, das die oben beschriebenen Emissionsspektren der Proben 1-a und 1-c bei Raumtemperatur zeigt. In Fig. 6 gibt eine Kurve a das Emissionsspektrum der Probe 1-a und eine Kurve b das der Probe 1-c an. Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, beträgt die Halbwertsbreite der Kurve a etwa 8 nm als Wellenlänge, d. h. ist 10,7 meV, und die Halbwertsbreite der Kurve b beträgt 25,7 meV. Das heißt, die Kurve a weist eine kleinere Halbwertsbreite auf. In Fig. 6 werden diese beiden Kurven so ausgedrückt, dass sie den gleichen Scheitelwert besitzen, um ihre Halbwertsbreiten zu vergleichen. Tatsächlich betrug die Intensität der Lumineszenz der Probe 1-a das Zweifache der von der Probe 1-c. Außerdem ist aus Fig. 6 ersichtlich, dass sich der Scheitelwert der Wellenlänge der Kurve a zu kürzeren Wellenlängen als der Spitzenwert der Wellenlänge der Kurve b verschiebt. Das heißt, es wird der Quanteneinschlußeffekt der Halbleiter- Quantenstruktur der vorliegenden Erfindung beobachtet.
Selbst Quantenmulden- Filmschichten auf Basis von GaAs/ AlAs mit ausgezeichneten optischen Eigenschaften besitzen bei Raumtemperatur eine spektrale Halbwertsbreite von etwa 20 meV [Surface Science 174 (1986) 65-70, North-Holland, Amsterdam, PHOTOLUMI- NESCENCE AND ABSORPTION LINEWIDTH OF EXTREMELY FLAT GaAs-AlAs QUANTUM WELL FILMS PREPARED BY MOLECULAR BEIM EPITAXY INCLUDING INTERRUPTED DEPOSITION FOR ATOMIC LAYER SMOOTHING, M. TANAKA et al.] Das heißt, in normalen Strukturen auf der Basis von InGaAs wurde bei Raumtemperatur kein solches scharfes Spektrum beobachtet.

Beispiel 2

Das Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung wird nachstehend beschrieben.
In diesem Beispiel wurde eine Zeit der Unterbrechung des Wachstums von 2 Minuten genommen, nachdem sich vorgespanntes Al0,25Ga0,75As anschließend an die Barriereschicht 45 im oben beschriebenen Beispiel 1 gebildet hatte. Nach dieser Wachstumsunterbrechung ließ man eine Al0,5Ga0,5As Schicht wachsen, um eine 50 nm dicke Planarisierungs- Barriereschicht zu bilden.
In diesem Beispiel 2 wurde anschließend an die Bildung der Planarisierungs- Barriereschicht das Wachstum der 5 nm dicken vorgespannten Al0,25Ga0,75As, die zweiminütige Wachstumsunterbrechung und das Wachstum der 50 nm dicken Al0,5Ga0,5As zweimal wiederholt. Anschließend wurde eine GaAs Verkappungsschicht gebildet. Das Ergebnis war eine Halbleiter- Quantenstruktur, in der drei Träger- Confinementschichten gebildet waren wie es in Fig. 2 veranschaulicht ist.
Nachdem diese dreischichtige Halbleiter- Quantenstruktur einem Ätzen mit Färbung ausgesetzt worden war, wurde der Querschnitt der Struktur durch ein Rasterelektronenmikrospkop beobachtet und folglich in diesen Schichten herausgefunden, dass in einer dünnen Filmschicht von etwa 2,5 nm Dicke Inseln von etwa 50 nm Durchmesser und etwa 9 nm Dicke verteilt waren.
Fig. 7 zeigt das Emissionsspektrum dieser Probe. Es wurde die Kurve c mit einer Halbwertsbreite von 16,7 meV und einer starken Intensität der Photolumineszenz erzielt. Andererseits wurde im Falle einer mit den gleichen Verfahren, wie oben beschrieben, hergestellten Vergleichsprobe auf der {100} Fläche des GaAs in der Kurve d eine spektrale Halbwertsbreite von 35 meV und eine relativ schwache Intensität beobachtet.
Die Tabelle 1 unten stellt die Ergebnisse der Beispiele 3 bis 19 dar, in denen Inseln mit verschiedenen Durchmessern durch Änderung des Substrats, der Barriereschicht, der Quantenmulden- Filmschicht, der Wachstumstemperatur und der Stapelzahl gebildet wurden.
Es ist anzumerken, dass die in der Spalte "Barriereschicht" der Tabelle 1 in gegebenen Daten die vorgespannte Quantenmulden- Filmschicht, die unter der Barriereschicht unterhalb der Träger- Confinementschicht mit einer Inselstruktur gebildet ist, angeben.
Wie aus den oben beschriebenen Beispielen 1 und 2 sowie der Tabelle 1 deutlich wird, kann die Halbleiter- Quantenstruktur der vorliegenden Erfindung in vielfältigen Systemen durch das Wachstum von Träger- Confinementschichten, die aus vorgespannten Quantenmulden- Filmschichten auf der Oberfläche des {n11} B Substrats bestehen und anschließender Wachstumsunterbrechung gebildet werden.
Im Beispiel 4 wurden zum Beispiel auf einem GaAs Substrat mit der {211} B Fläche feine Inseln von etwa 60 nm Durchmesser erzielt. Die Intensität der Lumineszenz war etwa dreimal höher als die der Probe auf der {100} GaAs Fläche. Außerdem war die Halbwertsbreite des Emissionspektrums auf 12 meV verengt.
Im Beispiel 6 war es auch möglich, ein Emissionsspektrum mit einer engen Halbwertsbreite von 14 meV zu erzielen.
Im Beispiel 10 wurden auf einem InP Substrat mit der {211} B Fläche feine Inseln von etwa 60 nm Durchmesser erzielt. Außerdem war die Halbwertsbreite des Emissionsspektrums 15 meV eng, und die Intensität der Lumineszenz war etwa dreimal höher als die in der Probe des InP {100} Substrats.
Ebenso wurde im Beispiel 11 auf einem InP Substrat mit der {311} B Fläche ein Emissionsspektrum mit einer engen Halbwertsbreite von 13 meV erzielt.
Wie aus den obigen Beispielen deutlich wird, ermöglicht uns das Wachstum der aus einer vorgespannten Quantenmulden-Filmschicht und Barriereschichten zusammengesetzten Träger- Confinementschicht auf dem Substrat mit der {n11} B Fläche und der nachfolgenden Unterbrechung des Wachstums, eine Halbleiterstruktur zu erzielen, in der feine Inseln mit einer relativ großen Dicke der Filmschicht in den Quantenmulden- Filmschichten verteilt sind, die gebildet sind, um als Träger- Confinementschichten zu dienen.
Es ist daher klar, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die oben genannten Beispiele beschränkt ist sondern für andere verschiedene Kombinationen gültig ist.
In den oben erörterten Beispielen 1 bis 19 wurden aus dünnen, vorgespannten Quantenmulden- Filmschichten bestehende Träger- Confinementschichten gebildet, wobei anschließend eine Wachstumsunterbrechung durchgeführt wurde. Auf diese Weise wurde eine große Anzahl von feinen Inseln mit einer relativ großen Schichtdicke in den Quantenmulden- Filmschichten verteilt, die gebildet wurden, um als Träger- Confinementschichten zu dienen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt. Beispielsweise ist es auch möglich, Quantenmulden- Filmschichten vollständig zu feinen Inseln zu isolieren, indem die Unterbrechung des Wachstums einen bestimmten Zeitraum lang, wie in Zuständen von später zu beschreibenden Beispielen, gehalten wird.
Die grundlegende Anordnung nach der vorliegenden Erfindung, in der eine Halbleiterträger- Confinementschicht eine Inselstruktur aufweist, wird nachstehend mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Fig. 8 ist eine schematische Ansicht, die die Grundstruktur von Inselbereichen für ein optisches Halbleiterbauelement der vorliegenden Erfindung darstellt.
Diese Struktur wird durch ein Substrat 81 mit hoher Indexzahl, einer auf dem Substrat gebildeten Halbleiter- Barriereschicht 82 und einer Träger- Confinementschicht 83 in Form von plattenähnlichen Inseln gebildet. Die Fläche des Substrats 81 ist zu der Fläche mit geringer Indexzahl wie die {100} Fläche oder die (111) Fläche geneigt. Die Träger- Confinementschicht 83 ist eine Halbleiterschicht, die von der Halbleiter- Barriereschicht 82 umgeben ist und darin befindliche Spannungen aufweist.
Die Struktur einer Quantenpackung wurde theoretisch so behandelt, dass sie hinsichtlich der Länge, Breite und Höhe fast gleiche Abmessungen aufweist. Jedoch stellt die vorliegende Erfindung wie in Fig. 8, eine flache plattenähnliche Form bereit, die in Richtung der Fläche wie die Inseln der Halbleiterträger- Confinementschicht 83 ausgedehnt sind. Das ist der Unterschied in der Form zur herkömmlichen Quantenpackung.
Als Substrat 81 mit hoher Indexzahl eines Verbindungshalbleiters wird ein {n11} B Substrat (n = 2, 3, 4, 5, 6 oder 7) aus GaAs oder InP genutzt. Die kristallografischen Orientierungen dieser Substrate bestehen mikroskopisch aus der {100} Fläche, auf der ohne weiteres ein gleichmäßiges, epitaxiales Wachstum stattfindet, und der {111} B Fläche, die die mit der Gruppe V stabilisierte Fläche ist und auf der das Wachstum kaum stattfinden kann. Aus diesem Grund zeigt das Dampfphasen- Kristallwachstum auf dieser Fläche einzigartige Eigenschaften. Folglich werden die Inselbereiche für ein optisches Halbleiterbauelement erzielt, wie es in Fig. 8 dargestellt ist.
Das grundlegende Konzept eines Verfahrens zur Bildung der oben genannten Inselbereiche für ein optisches Halbleiterbauelement wird nachstehend beschrieben. Die Fig. 9A bis 9C sind Schnittansichten zur Erläuterung dieses Verfahrens zur Bildung der Inselbereiche eines optischen Halbleiterbauelements.
Zuerst wird auf einem Substrat 91 mit hoher Indexzahl eine Halbleiter- Barriereschicht 92 gebildet und auf dieser Schicht eine dünne, vorgespannte Quantenmulden- Filmschicht 93 gebildet. Wie in Fig. 9A dargestellt, ist die dünne, vorgespannte Quantenmulden- Filmschicht 93 unmittelbar nach dem Aufwachsen eine Quantenmulden- Filmschicht, die nicht in Inseln getrennt ist. Nach einer angemessenen Unterbrechungszeit des Wachstums kristallisiert die vorgespannte Quantenmulden- Filmschicht 93 jedoch zu Inseln, die eine Träger- Confinementschicht 94 in Form von Platten bilden. Wenn die Unterbrechung des Wachstums weiter fortgesetzt wird, bedeckt die Barriereschicht 92 auf Grund des Massentransportes die Inseln der Träger- Confinementschicht 94 einschließlich ihrer oben liegenden Teile wie es in Fig. 9B dargestellt ist.
Danach wird eine flache Oberfläche wie in Fig. 9C erzielt, indem man eine Halbleiter- Barriereschicht 95 weiter wachsen läßt.
Obwohl in der obigen Beschreibung eine Träger- Confinementschicht mit Inselstruktur gebildet wird, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Struktur beschränkt. Zum Beispiel können, wie in Fig. 10 dargestellt, eine Vielzahl von Träger- Confinementschichten mit Inselstruktur gebildet werden.
Fig. 10 ist eine Schnittansicht, die den Zustand darstellt, in dem Träger- Confinementschichten mit Inselstruktur wie Inselbereiche für ein optisches Halbleiterbauelement in Richtung senkrecht zu der Substratoberfläche übereinander angeordnet sind. In Fig. 10 bezeichnen die Bezugszahlen 101 ein Substrat mit hoher Indexzahl; 102 Träger- Confinementschichten in Form von Scheiben; und 103 Halbleiter- Barriereschichten, welche die Träger-Confinementschichten 102 einschließlich ihrer oberen Teile auf Grund des Massentransports umgeben.
Hochdichte Inselbereiche eines optischen Halbleiterbauelements können erzielt werden, indem die Stapelstruktur der Träger- Confinementschichten 102, wie oben beschrieben, gebildet wird.
Ein Verfahren zur Bildung von Inselbereichen eines optischen Halbleiterbauelements mit dieser mehrschichtigen Struktur wird nachstehend kurz beschrieben.
Zuerst werden, wie es in Fig. 11A dargestellt ist, die durch eine Halbleiter- Barriereschicht 112 gebildete erste Schicht und eine Träger- Confinementschicht 113 in Form von plattenähnlichen Inseln auf einem Substrat 111 mit hoher Indexzahl gebildet, und anschließend wird die Planarisierungs- Barriereschicht 112 darüber gezogen. Die Träger- Confinementschicht 113 wird durch das gleiche Verfahren wie für die mit Bezug auf die Fig. 9A bis 9C soweit beschriebenen Träger- Confinementschichten gebildet. Alle Teile der Inseln der gebildeten Träger- Confinementschicht werden von der Halbleiter- Barriereschicht 112 umgeben. Anschließend wird wie in Fig. 11B eine vorgespannte Quantenmulden- Filmschicht 114 auf der Oberseite der Struktur gebildet und eine Unterbrechung des Wachstums durchgeführt. Danach wird eine zweite Träger- Confinementschicht 115 mit Inselstruktur wie in Fig. 11C gebildet, und es wächst eine Barriereschicht 116 auf der Schicht 115 wie in Fig. 11D auf. Durch Wiederholung einer Reihe dieser Vorgänge können Inselbereiche eines optischen Halbleiterbauelements mit einer mehrschichtigen Struktur gemäß Fig. 10 gebildet werden.

Beispiel 20

Fig. 12 zeigt die Anordnung von Inselbereichen für ein optisches Halbleiterbauelement im Beispiel 20 der vorliegenden Erfindung. In Fig. 12 bezeichnen die Bezugszahlen 121 ein GaAs Substrat, dessen Hauptfläche die {311} B Fläche ist; 122 eine auf dem GaAs Substrat 121 gebildete GaAs Pufferschicht; 123 eine aus AlxGa&sub1;-xAs zusammengesetzte, untere Barriereschicht;
124 eine aus InyGa&sub1;-yAs zusammengesetzte, vorgespannte Quantenmulden- Filmschicht, die ein System der Gitterfehlanpassung in Bezug auf AlxGa&sub1;-xAs ist; 125 eine untere Barriereschicht, die auf der Quantenmulden- Filmschicht 124 gebildet ist und aus AlxGa&sub1;-xAs besteht; 126 eine Träger- Confinementschicht mit einer plattenähnlichen Inselstruktur, die durch Bildung von vorgespannten Quantenmulden- Filmschichten aus InzGa&sub1;- zAs erzielt wurde; 127 eine aus AlxGa&sub1;-xAs zusammengesetzte, obere Barriereschicht und 128 eine GaAs Verkappungsschicht.
Nachstehend wird ein Verfahren zur Bildung der in Fig. 12 dargestellten Inselbereiche des optischen Halbleiterbauelements beschrieben.
In diesem Beispiel werden die Inselbereiche des optischen Halbleiterbauelements auf dem GaAs Substrat 121, dessen Hauptfläche die {311} B Fläche ist, durch aufeinander folgendes Wachstum von verschiedenen Materialien bei einer Temperatur von 750ºC gebildet.
Zuerst läßt man GaAs auf dem GaAs Substrat 121 aufwachsen, um die GaAs Pufferschicht 122 zu bilden. Anschließend läßt man AlxGa&sub1;-xAs aufwachsen, um die untere Barriereschicht 123 zu bilden. Danach werden vorgespannte Quantenmulden- Filmschichten gebildet, indem man die InyGa&sub1;-yAs Schicht 124, die AlxGa&sub1;-xAs Schicht 125 und die InzGa&sub1;-zAs Schicht 126 nacheinander aufwachsen läßt.
In diesem Stadium wird eine Unterbrechungszeit des Wachstums von 2 Minuten genommen. Die so aufgewachsene InyGa&sub1;-yAs Schicht 124 befindet sich in der Form einer Filmschicht, wie sie durch die vorgespannte Quantenmulden- Filmschicht 124 repräsentiert wird, aber mit dieser Wachstumsunterbrechung, wobei sich die vorgespannte Quantenmulden- Filmschicht 126 aus InzGa&sub1;-zAs zu Inseln zusammenballt, d. h. kristallisiert, was zu der plattenähnlichen Träger- Confinementschicht 126 führt.
Die unter der Träger- Confinementschicht 126 aufgewachsene InyGa&sub1;-yAs Barriereschicht bedeckt völlig die Inseln der Träger- Confinementschicht 126 einschließlich ihrer oberen Bereiche auf Grund des Massentransports, wodurch die untere Barriereschicht 125 gebildet wird. Nach der oben beschriebenen zweiminütigen Wachstumsunterbrechung ist auf der Oberseite der sich ergebenden Struktur AlxGa&sub1;-xAs aufgewachsen, um die obere Barriereschicht 127 zu bilden. Anschließend läßt man GaAs aufwachsen, um die Verkappungsschicht 128 zu bilden, womit eine Struktur hergestellt wird, die eine flache Oberfläche besitzt und Inselbereiche für ein optisches Halbleiterbauelement einschließt.
Die Größe der Inseln der Träger- Confinementschicht 126 und der Abstand zwischen ihnen kann durch den Gehalt z an In und die Schichtdicke verändert werden. Es ist zu beachten, dass diese Faktoren von der Aluminiumkonzentration (0 bis 60%) der unteren Barriereschicht 125 unabhängig sind.
Je größer der Unterschied zwischen der Gitterkonstanten der darunter liegenden Schicht und der Gitterkonstanten der gebildeten vorgespannten Quantenmulden- Filmschichten ist, desto größer ist die Spannungsenergie. Die Größe und der Abstand der plattenähnlichen Inseln sind von dieser Differenz abhängig.
Die Differenz der Gitterkonstanten wird bestimmt durch das Verhältnis der Zusammensetzung von In zu Ga in dem InzGa&sub1;-zAs der Träger- Confinementschicht 126.
Folglich können Größe und Abstand der Inseln der Träger- Confinementschicht 126 durch den In-Gehalt z verändert werden. Durch Erhöhung des In-Gehalts z von InzGa&sub1;-zAs zum Beispiel auf 20, 30 und 40% kann der Durchmesser der plattenähnlichen Inseln der Träger- Confinementschicht 126 auf jeweils etwa 150 nm, 100 nm und 70 nm gesteuert werden. In diesem Falle ist es möglich, die Größe und den Abstand der Inseln der Träger- Confinementschicht 126 durch die zu Anfang aufgewachsene Schichtdicke von InzGa&sub1;-zAs zu verändern. Beispielsweise kann der Durchmesser der plattenähnlichen Inseln der Träger- Confinementschicht 126 von 100 nm auf 50 nm reduziert werden, indem die Schichtdicke von aufgewachsenem InzGa&sub1;-zAs von 10 nm auf 3 nm verändert wird, während der In-Gehalt z auf 30% festgelegt ist.
Ein solches Phänomen der Bildung von Inseln tritt in einer gitterangepaßten GaAs Quantenmulden- Filmschicht nicht auf. Dies zeigt an, dass dieses Phänomen durch die Spannungsenergie der vorgespannten In- GaAs Filmschicht gesteuert wird.
Die Rolle der unterhalb der unteren Barriereschicht 125 gebildeten vorgespannten Quantenmulden- Filmschicht 124 ist in der vorliegenden Erfindung nicht so wesentlich. Deshalb können die oben genannten Inseln gebildet werden, indem eine Verweilzeit von etwa 2 Minuten nach dem Wachstum von InzGa&sub1;-zAs genommen wird. Wie es früher erörtert wurde, neigen die Plattenmaße der Träger- Confinementschicht 126 jedoch dazu, leichter gleichmäßig zu sein, wenn die aus InyGa&sub1;- yAs bestehende vorgespannte Quantenmulden- Filmschicht 124 vorhanden ist. Anzumerken ist, dass nach der Bildung der oberen Barriereschicht 127 zur Planarisierung es möglich ist, das Wachstum von InzGa&sub1;-zAs, die zweiminütige Wachstumsunterbrechung und das Wachstum der Barriereschicht zur Planarisierung zu wiederholen. Dies ermöglicht es, Inselbereiche eines optischen Halbleiterbauelements zu bilden, in denen mehrere Schichten übereinander angeordnet sind.
Im oben genannten Beispiel wird das GaAs {311} B Substrat verwendet. Jedoch ist die Bildung von Inselbereichen für ein optisches Halbleiterbauelement mit der Fläche einer anderen Orientierung, in der die {100} Fläche und die {111} B Fläche in einem unterschiedlichen Verhältnis vorhanden sind, z. B. der {211} B Fläche, der {411} B Fläche, der {511} B Fläche, der {611} B Fläche oder der {711} B Fläche möglich.
In einem epitaxialen Wachstumssystem mit vorgespannter Filmschicht aus anderen Materialien können auch ähnliche Inselbereiche eines optischen Halbleiterbauelements auf einem Verbindungshalbleiter- Substrat mit der Fläche mit hoher Indexzahl in genau der gleichen Weise, wie oben erörtert, gebildet werden, indem das MOVPE Verfahren genutzt wird. Beispiele des Systems sind ein System, welches als Halbleiterträger- Confinementschicht vorgespanntes GaAszSb&sub1;-z und als Barriereschicht AlyGa&sub1;-yAs auf einem GaAs Substrat nutzt, ein System, das vorgespanntes InxGa&sub1;-xAs als eine Halbleiterträger-Confinementschicht und InyAlz- Ga&sub1;-y-zAs als eine Barriereschicht auf einem InP Substrat nutzt, ein System, das vorgespanntes InxGa&sub1;-xAs als eine Halbleiterträger- Confinementschicht und InyAl&sub1;-yAs als eine Barriereschicht nutzt, ein System, das vorgespanntes InxGa&sub1;-xAs als Halbleiterträger- Confinementschicht und InP als eine Trägerschicht nutzt sowie ein System, das vorgespanntes InxGa&sub1;- xAszSb&sub1;-z als Halbleiter- Confinementschicht und InyAl&sub1;-yAs als Halbleiter- Barriereschicht auf einem InP Substrat nutzt.
Die Größe und Dichte der Inseln der gebildeten Halbleiterträger- Confinementschicht ist natürlich vom Materialtyp des Systems abhängig.
Die grundlegenden Bedingungen der vorliegenden Erfindung sind jedoch die Nutzung eines Substrats mit der {n11} B Fläche, die Verwendung einer Spannungen enthaltenden Halbleiterschicht wie die Halbleiterträger- Confinementschicht und die Unterbrechung des Wachstums, die die Anhäufung der Spannungen enthaltenden Halbleiterschicht zu plattenähnlichen Inseln und den Massentransport einer Barriereschicht erlaubt.
Dieser Inselbereich eines optischen Halbleiterbauteils zeigt ungewöhnliche optische Eigenschaften, die unterschiedlich zu denen der normal hergestellten Packungsstrukturen einer Quantenmulden- Filmschicht sind. Das heißt, eine durch normales selektives Wachstum oder dergleichen gebildete Packungsstruktur mit Quantenmulden- Filmschicht besitzt eine Intensität der Lumineszenz bei Raumtemperatur, die schwächer als die einer Quantenmulden- Filmschicht ist. Außerdem ist die Linienbreite eines Emissionsspektrums auf Grund des Einflusses der Größenabweichung während der Herstellung weitgehend erhöht.
Die Halbwertsbreite dieser Spektrallinie beträgt normalerweise 40 meV oder mehr.
Jedoch besitzt der Inselbereich eines optischen Halbleiterbauelements der vorliegenden Erfindung eine höhere Intensität der Lumineszenz als eine Quantenmulden- Filmschicht, die auf einem {100} Substrat unter den gleichen Bedingungen gebildet ist. Außerdem ist die Breite einer Spektrallinie sehr klein, das heißt, dass die Halbwertsbreite von weniger als 20 meV in vielen Beispielen der vorliegenden Erfindung erzielt wird.
Selbst Quantenmulden- Filmschichten auf der Basis von GaAs/ AlAs, die dafür bekannt sind, dass sie gute Lumineszenzeigenschaften zeigen, weisen eine Halbwertsbreite von etwa 20 meV auf [Surface Science 174 (1986), North-Holland, Amsterdam, PHOTOLUMINESCENCE AND ABSORPTION LINEWIDTH OF EXTREMELY FLAT GaAs- AlAs QUANTUM WELL FILMS PREPARED BY MOLECULAR BEAM EPITAXY INCLUDING INTERRUPTED DEPOSITION FOR ATOMIC LAYER SMOOTHING, M. TANAKA et al.]. Das heißt, eine solche enge Halbwertsbreite wurde in normalen Quantenmulden- Filmschichten auf der Basis von InGaAs bei Raumtemperatur nicht beobachtet.
Wie oben beschrieben, ist die Halbwertsbreite der Lumineszenz- Spektrallinie sehr eng und die Intensität der Lumineszenz hoch verglichen mit Emissionspektren von Quanten- Draht- Strukturen oder Packungsstrukturen mit Quantenmulden- Filmschichten, die durch normale Ätzverfahren oder das konventionelle Verfahren des selektiven Wachstums gebildet sind. Es wird eingeschätzt, dass diese Eigenschaften von den Tatsachen abgeleitet werden, dass Inseln in jedem Halbleiter- Inselbereich sehr gleichmäßig und dicht gebildet sind und die Qualität des Kristalls des Inselbereichs äußerst gut ist und die Dichte von Zuständen in der Struktur des Inselbereichs aufgrund des Quanteneinschlußeffekts herabgesetzt ist.
Diese ausgezeichneten optischen Eigenschaften zeigen, dass die Inselbereiche des optischen Halbleiterbauelements der vorliegenden Erfindung auf Halbleiterlaser oder optische, nichtlineare Bauelemente wie optische Schalter angewendet werden können.
Der Zustand der Inselbereiche des optischen Halbleiterbauelements nach der vorliegenden Erfindung wird nachstehend ausführlich beschrieben.
Die Probe 1-d (Fig. 13A) gemäß der vorliegenden Erfindung wurde wie folgt hergestellt.
Zuerst ließ man eine 10 nm dicke GaAs Pufferschicht 132 auf einem GaAs Substrat 131, dessen Hauptfläche die {311} B Fläche war, bei einer Temperatur von 750ºC aufwachsen, indem ein MOVPE Verfahren mit Niederdruck verwendet wurde. Anschließend ließ man eine aus Al0,5Ga0,5As zusammengesetzte, 30 nm dicke, untere Barriereschicht 133 aufwachsen, und auf dieser ließ man eine aus In0,2Ga0,8As bestehende, 5 nm dicke, vorgespannte Quantenmulden- Filmschicht 134 aufwachsen. Anschließend ließ man eine 30 nm dicke Barriereschicht 135 aus Al0,5Ga0,5As aufwachsen, und auf dieser ließ man eine 5 nm dicke, vorgespannte Quantenmulden- Filmschicht 136 aus In0,3Ga0,7As aufwachsen. Danach wurde eine Unterbrechungszeit des Wachstums von 2 Minuten genommen. Anschließend ließ man eine Planarisierungs- Barriereschicht 137 aus Al0,5Ga0,5As von 30 nm Dicke aufwachsen und auf dieser eine 10 nm dicke GaAs Verkappungsschicht 138 aufwachsen. Ein Inselbereich für ein optisches Halbleiterbauelement wurde als Probe 1-a hergestellt wie es in Fig. 13A gezeigt ist.
Zum Vergleich wurde die Probe 1-b (nicht gezeigt) den gleichen oben beschriebenen Verfahren folgend durch Verwendung eines GaAs Substrats hergestellt, dessen Hauptfläche die {311} A Fläche ist. Ebenso wurde die Probe 1-c (nicht gezeigt) durch Nutzung eines GaAs Substrats hergestellt, dessen Hauptfläche die {100} Fläche war. Außerdem wurden Proben den gleichen oben erörterten Verfahren folgend mit der Ausnahme hergestellt, dass die Schichten von der Planarisierungs- Barriereschicht 137 nicht nach der zweiminütigen Unterbrechung des Wachstums gebildet waren. Diese Proben wurden unter Verwendung eines GaAs Substrats, dessen Hauptfläche die {311} B Fläche (Probe 1-d) war, eines GaAs Substrats, dessen Hauptfläche die {311} A Fläche (Probe 1-e) war, und ein GaAs Substrat, dessen Hauptfläche die {100} Fläche (Probe 1- f) war, hergestellt. Die Strukturen von allen diesen Proben wurden verglichen.
Als diese Proben beobachtet wurden, indem gescannte, elektronenmikroskopische Aufnahmen genutzt wurden, sind in den Proben 1-a, 1-b und 1-c flache Oberflächen beobachtet worden. Wie es in der Schnittansicht von Fig. 13B dargestellt ist, wurde in der Probe 1-d eine Struktur erzielt, in der die durch das Aufwachsen von In0,3Ga0,7As erzielte Schicht zu Inseln von etwa 100 nm Durchmesser gebildet wurde und diese Inseln durch die Schicht umgeben waren, die durch Aufwachsen von Al0,5Ga0,5As erzielt wurde.
In der Probe 1-e wurde, wie es in der Schnittansicht von Fig. 13C und in der gescannten, elektronenmikroskopischen Aufnahme von Fig. 14A gezeigt ist, eine Struktur erzeugt, auf deren Oberfläche Stufen vorhanden sind, deren Perioden nicht so gleichmäßig waren, d. h. ein sogenanntes facettenförmiges Abschrägen, wobei keine Inselstruktur erzielt wurde. In der Probe 1-f wurde eine Quantenmulden- Filmschicht mit einer vollständig flachen Oberfläche erzielt wie es in Fig. 13D veranschaulicht ist.
Es ist zu beachten, dass die gleichen Bezugszahlen dieselben Teile in den Fig. 13A bis 13D bezeichnen. In diesen Zeichnungen bezeichnen die Bezugszahlen 139 ein GaAs Substrat, dessen Hauptfläche die {100} Fläche 140 war; 140 eine 5 nm dicke, vorgespannte Quantenmulden- Filmschicht, die aus In0,3Ga0,7As besteht; 141 ein GaAs Substrat, dessen Hauptfläche die {311} A Fläche war; und 142 eine vorgespannte Quantenmulden- Filmschicht, die durch Wachstum von In0,3Ga0,7As gebildet wurde, um eine Schichtdicke von 5 nm zu erhalten.
Fig. 14B ist eine abgetastete, elektronenmikroskopische Aufnahme, die den Zustand der Oberfläche der Probe 1-d zeigt, in der eine auf dem Substrat gebildete feine Struktur dargestellt ist. Wie in Fig. 14B waren die Inseln der Träger- Confinementschicht 136, die durch die zweiminütige Wachstumsunterbrechung nach dem Aufwachsen der vorgespannten Quantenmulden- Filmschicht auf der Barriereschicht 135 gebildet wurde, regelmäßig gebildet, obwohl auf dem GaAs Substrat 131 keine Strukturierung durchgeführt wurde (Fig. 13A). Dies zeigt, dass sich der Inselbereich des optischen Halbleiterbauelements der vorliegenden Erfindung aus einer regelmäßigen Selbstorganisierung ergibt auf Grund des einzigartigen Oberflächenzustands der {311} B Fläche und der durch Spannungen, die in der Halbleiterschicht (vorgespannte Mulden- Schicht) enthalten sind, verursachten Oberflächenenergie.
Fig. 15 zeigt die Emissionsspektren der Proben 1-a und 1-c bei Raumtemperatur.
In Fig. 15 gibt die Kurve e das Emissionspektrum der Probe 1-a und die Kurve f das der Probe 1-c an. Quanten- Drahtstrukturen oder Packungsstrukturen der Quantenmulden- Filmschicht, die konventionell hergestellt sein können, liegen z. B. in der Lumineszenzintensität unter den flachen Quantenmulden- Filmschichtstrukturen. Obwohl die Probe 1-a eine der Quanten- Packungsstruktur ähnliche Inselstruktur aufwies, besaß das Emissionsspektrum e der Probe 1-a eine Lumineszenzintensität vom Zweifachen der des Emissionsspektrums f der Probe 1-c oder mehr, die eine auf dem Substrat gebildete Quantenmulden- Filmschicht war, dessen Hauptfläche die {100} Fläche war.
Außerdem betrug die Halbwertsbreite (FWHM) der Spektrallinie des Emissionsspektrums e 15 meV, was etwa die Hälfte von der des Emissionsspektrums f von einer flachen Quantenmulden- Filmschicht- Struktur war. Darüber hinaus verschiebt sich der Spitzenwert der Emissionswellenlänge des Emissionsspektrums e zu kürzeren Wellenlängen als beim Emissionsspektrum f, das den Quanteneinschlußeffekt anzeigt.
Diese ausgezeichneten optischen Eigenschaften zeigen an, das die Inselbereiche des optischen Halbleiterbauelements der vorliegenden Erfindung anwendbar sind auf Halbleiterlaser oder Bauelemente von optischen nichtlinearen Systemen.

Vergleichsbeispiel 1

In diesem Vergleichsbeispiel 1 wurde eine dem Beispiel 20 analoge Struktur durch Verwendung eines GaAs/ AlGaAs Systems als gitterangepaßtes System hergestellt.
Zuerst ließ man auf einem GaAs Substrat, dessen Hauptfläche die {311} B Fläche war, bei einer Temperatur von 750ºC eine 10 nm dicke GaAs Pufferschicht aufwachsen, indem MOVPE mit Niederdruck verwendet wurde. Anschließend ließ man eine aus Al0,5Ga0,5As zusammengesetzte 30 nm dicke untere Barriereschicht aufwachsen, wobei man dann eine 5 nm dicke gitterangepaßte GaAs Quantenmulden- Filmschicht aufwachsen ließ. Anschließend ließ man eine 30 nm dicke Al0,5Ga0,5As Barriereschicht aufwachsen. Nachdem eine 5 nm dicke GaAs Quantenmulden- Filmschicht aufgewachsen war, wurde eine Unterbrechungszeit des Wachstums von 2 Minuten genommen, wodurch eine Probe hergestellt wurde.
Die sich ergebende Probe wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop beobachtet. Das Ergebnis war, dass die Oberfläche der Struktur vollständig flach war und keine Inselstruktur beobachtet wurde.

Beispiel 21

Nachstehend wird ein Verfahren zur Herstellung von Inselbereichen für ein optisches Halbleiterbauelement von Beispiel 21 der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Wie in Fig. 16 dargestellt, ließ man zuerst GaAs aufwachsen, um auf einem GaAs Substrat 161, dessen Hauptfläche die {311} 8 Fläche war, bei einer Temperatur von 750ºC unter Verwendung eines MOVPE Verfahrens mit Niederdruck eine Pufferschicht 162 zu bilden. Anschließend ließ man eine aus Al0,5Ga0,5As bestehende, 30 nm dicke, untere Barriereschicht 163 aufwachsen. Danach ließ man hintereinander eine 5 nm dicke Quantenmulden- Filmschicht 164 aus In0,2Ga0,8As und eine Barriereschicht 165 aus Al0,5Ga0,5As aufwachsen.
Nachdem eine vorgespannte In0,3Ga0,7 Quantenmulden- Filmschicht aufgewachsen war, wurde eine Unterbrechungszeit des Wachstums von 2 Minuten genommen, um Inseln 166 zu bilden. Anschließend ließ man eine 20 nm dicke Planarisierungs- Barriereschicht 167 aus Al0,5Ga0,5As aufwachsen. Danach wurde das Wachstum der vorgespannten Quantenmulden- Filmschicht aus In0,3Ga0,7, die zweiminütige Unterbrechung des Wachstums und das Wachstum der 20 nm dicken Planarisierungs- Barriereschicht 167 aus Al0,5Ga0,5As zweimal wiederholt. Dann wurde eine 10 nm dicke GaAs- Verkappungsschicht 168 gebildet.
Die Trennung des Inselbereichs des optischen Halbleiterbauelements, der wie oben erörtert gebildet ist, wurde unter Nutzung eines Rasterelektronenmikroskops beobachtet, nachdem eine Bearbeitung wie Ätzen durch Färbung durchgeführt wurde. Im Ergebnis wurde beobachtet, dass ein dreilagiger Inselbereich eines optischen Halbleiterbaulements erzielt wurde, der aus Inseln 166 mit einem Durchmesser von etwa 50 nm besteht.
Es ist anzumerken, dass der Inselbereich des optischen Halbleiterbauelements der vorliegenden Erfindung nicht auf die der oben genannten Beispiele beschränkt ist.
Die Tabellen 2 und 3 unten zeigen die Ergebnisse von anderen Beispielen, in denen Inselbereiche des optischen Halbleiterbauelements mit verschiedenen Materialsystemen hergestellt wurden, indem das Substrat, die Barriereschicht, die Quantenmulden- Filmschicht, die Wachstumstemperatur und die Stapelzahl verändert wurden.
Wie aus den oben erörterten Beispielen 20 und 21 und den Tabellen 2 und 3 ersichtlich ist, können Inselbereiche für optische Halbleiterbauelemente mit verschiedenen Systemen gebildet werden, indem man eine Träger- Confinementschicht aufwachsen läßt, die durch eine Barriereschicht und eine vorgespannte Quantenmulden- Filmschicht auf der {n11} B Fläche des Substrats gebildet ist, und eine Unterbrechung des Wachstums durchgeführt wird.
Im Beispiel 22 wurden zum Beispiel feine Inseln von etwa 65 nm Durchmesser gebildet, wobei die Intensität der Lumineszenz das Zweifache oder mehr von der einer Struktur der Quantenmulden- Filmschicht, die durch Verwendung eines {100} GaAs Substrats hergestellt wurde, betragen hat und die Halbwertsbreite der Emissions- Spektrallinie 18 meV eng war. Im Beispiel 26 wurden feine Inseln von etwa 60 nm Durchmesser gebildet, wobei die Intensität der Lumineszenz etwa das Zweifache oder mehr von der der Struktur der Quantenmulden- Filmschicht betrug, die durch Verwendung eines {100} GaAs Substrats hergestellt wurde, wobei die Halbwertsbreite der Spektrallinie des Emissionsspektrums 19 meV eng war. Im Beispiel 27 wurden signifikant kleine Inseln mit einem Durchmesser von 25 nm gebildet, und die Halbwertsbreite der Spektrallinie des Emissionsspektrums war auch 20 meV eng. Die Intensität der Lumineszenz war etwas geringer als die einer durch Verwendung eines {100} GaAs Substrats hergestellten Quantenmulden- Filmschicht- Struktur.
Im Beispiel 35 wurde andererseits eine Spektrallinie des Emissionspektrums mit einer engen Halbwertsbreite von 20 meV erzielt. Ebenso wurde im Beispiel 42 eine Spektrallinie des Emissionsspektrums mit einer engen Halbwertsbreite von 21 meV erzielt. Außerdem betrug die Intensität der Lumineszenz das Dreifache oder mehr von der einer Quantenmulden- Filmschicht- Struktur, die durch Verwendung eines {100} GaAs Substrats hergestellt wurde.
Emissionspektren mit einer engen Halbwertsbreite bei Raumtemperatur wie in den oben genannten Beispielen werden normalerweise nur in sehr guten, dünnen Quantenmulden- Filmschichten beobachtet. Dies zeigt, dass der Inselbereich des optischen Halbleiterbauelements der vorliegenden Erfindung ungewöhnliche optische Eigenschaften aufweist. Aus dem Vorhergehenden wird deutlich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt ist, sondern ebenso für verschiedene andere Kombinationen wirksam ist.
Als Inselstrukturen, die wie oben erörtert aus einer Vielzahl von Inseln bestehen, mit einem Elektronendurchstrahlungsmikroskop und energiedispersiver Elementaranalyse analysiert wurden, wurde zufällig herausgefunden, dass im oberen Teil der AlGaAs Barriereschicht, welche die vorgespannte InGaAs Insel durch Massentransport während einer Wachstumsunterbrechung bedeckt, In enthalten gewesen ist. Speziell wurde in der feinen Kristallflächenschicht aus AlGaAs in Form von Inseln eine InAlGaAs Struktur vorgefunden, die eine erhebliche Menge von In enthält.
Das liegt daran, dass das In eine Abscheidung in einer Reihe von Prozessen eines selbstorganisierenden Phänomens erzeugt, bei dem das vorgespannte InGaAs Inseln bildet. Aus diesem Grund wird das Volumen, das durch den InGaAs trägerbegrenzten Teil in der diese Inselstruktur aufweisenden Quantenmulden- Struktur eingenommen wird, erheblich reduziert im Vergleich zu demjenigen im Stadium einer Quantenmulden- Filmschicht vor der Selbstorganisierung. Das Volumen des vom inselähnlichen Träger begrenzten Teils kann aus der Dichte der Oberfläche und der Querschnittsform bestimmt werden, wobei es aber von den Bildungsbedingungen abhängig ist. Deshalb wird überlegt, das Gesamtvolumen von InGaAs auf etwa 30 bis 50% zu reduzieren.
Unmittelbar nach dem Aufwachsen nimmt die Schichtdicke der Inseln von der Schichtdicke der Quantenmulden- Filmschicht nicht in hohem Maße zu. Es ist anzumerken, dass dies auf dem Ergebnis einer Entwicklung der Querschnittsform unter Verwendung von Ätzen mit Färbung basiert. Aus diesem Grund mischt sich In in einem Teil von um die Inseln herum befindlichem AlGaAs. Folglich gibt es die Möglichkeit, dass die Größe der durch Ätzen mit Färbung mittels selektivem Ätzen von InGaAs und AlGaAs erzielten Inseln etwas größer ist als die eines wirklichen durch den Träger begrenzten Teils.
Die Fig. 17A und 17B sind Diagramme, die das Emissionsspektrum und das Anregungsspektrum von Lumineszenz in dem in der Tabelle 2 gezeigten Beispiel 22 im Vergleich zu denjenigen einer Quantenmulden- Filmschicht darstellen, die auf einem GaAs Substrat gebildet sind, das gleichzeitig mit dem Beispiel 22 unter den gleichen Wachstumsbedingungen wie im Beispiel 22 aufgewachsen ist und die {100} Fläche als Hauptfläche aufweist.
Das sehr scharfe Emissionsspektrum der Inselstruktur besteht auf Grund der scharfen Exzitonenabsorption. Die Intensität der Lumineszenz betrug das Zweifache oder mehr von derjenigen der Quantenmulden- Filmschicht, die auf dem {100} GaAs Substrat gebildet wurde, und die Halbwertsbreite des Emissionsspektrums war 18 meV eng. Dieses enge Emissionsspektrum widerspiegelt die Wirkung von Exzitonen, die in feinen Bereichen von Inseln begrenzt sind.
Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass das Volumen des zu einer Inselstruktur gebildeten, trägerbegrenzten Teils in hohem Maß vom Volumen in Form einer Quantenmulden- Filmschicht vor einer Bildung der Inseln reduziert wird, zeigt die Zunahme der Intensität der Lumineszenz eine große Erhöhung der Übergangswahrscheinlichkeit des lichtemittierenden Teils in dieser Inselstruktur an. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Oszillatorstärke im Inselabschnitt zunimmt und/ oder auf Grund einer ausgezeichneten Kristallinität des Inselabschnitts fast kein Nichtstrahlungs- Prozess vorhanden ist.
Gemäß Fig. 17B zeigt dieses optische Halbleiterbauelement, das die Träger- Confinementschicht mit Inselstruktur nach der vorliegenden Erfindung aufweist, ein scharfes Anregungsspektrum von Lumineszenz. Da ein Anregungsspektrum einem Absorptionsspektrum entspricht, gibt dies an, dass die Exzitonenabsorption der Inseln sehr scharf und hochintensiv ist. Wegen dieser Tatsache und der Vorhersage einer Zunahme der Oszillatorstärke der Inseln weist diese Struktur brauchbare charakteristische Merkmale auf, um auf einen optischen Modulator angewandt zu werden.

Beispiel 48

Ein Beispiel, in dem die oben erörterte vorliegende Erfindung auf einen optischen Modulator angewandt wurde, wird nachstehend beschrieben.
Die Fig. 18A und 18B sind Schnittansichten, die die Schritte zur Herstellung eines optischen Modulators nach dem Beispiel 48 der vorliegenden Erfindung darstellen.
Zuerst ließ man eine GaAs Pufferschicht 182 vom n- Typ, eine aus Al0,2Ga0,75As vom n-Typ zusammengesetzte, untere Überzugsschicht 183 und eine aus Al0,2Ga0,8As vom n-Typ zusammengesetzte, untere Wellenleiterschicht 184 durch Verwendung von MOVPE nacheinander auf einem n-Typ GaAs Substrat 181, dessen Hauptfläche die {311} B Fläche ist, aufwachsen.
Anschließend ist eine optische Wellenleiterschicht 185 aus Al0,15Ga0,85As als eine Halbleiterträger- Sperrschicht gewachsen. Danach ist eine 5 nm dicke, vorgespannte Quantenmulden- Filmschicht aus Al0,25Ga0,75As gewachsen. Anschließend wurde eine Unterbrechungszeit des Wachstums von 2,5 Minuten genommen. Das Ergebnis ist eine Inselstruktur 186, in der die vorgespannte Quantenmulden- Filmschicht aus Al0,25Ga0,75As zu einer Vielzahl von angehäuften Inseln aggregiert und die Inseln mit einer Al0,15Ga0,85As Schicht 185 auf Grund von Massentransport überzogen werden. Anschließend läßt man die Barriereschicht 187 aus Al0,15Ga0,85As wachsen, um eine fast geebnete Oberfläche zu bilden.
Die Bildung der vorgespannten Quantenmulden- Filmschicht aus Al0,25Ga0,75As, die Unterbrechung des Wachstums eine vorgegebene Zeit lang, die Bildung der Inselstruktur mit einer Vielzahl von Inseln, die Bildung der die Inseln umgebenden Barriereschicht und die Planarisierung durch das Wachstum von Al0,15Ga0,85As werden viermal wiederholt, wodurch eine Struktur gebildet wird, in der die fünf Inselstrukturen 186 und die fünf Barriereschichten 187 abwechselnd übereinander angeordnet sind.
Auf der sich ergebenden Struktur ist eine optische Wellenleiterschicht 188 aus Al0,15Ga0,85As, die als obere Halbleiterträger- Sperrschicht dient, gewachsen. Anschließend sind eine Wellenleiterschicht 189 und eine aus Al0,25Ga0,75As vom p-Typ bestehende obere Überzugsschicht 190 aufgewachsen. Schließlich ist eine GaAs Kontaktschicht 191 vom p&spplus; - Typ gewachsen.
Die Kontaktschicht 191 und die Überzugsschicht 190 werden anschließend bearbeitet, um einen Steg 191a von etwa 50 um Breite zu bilden, wie es in Fig. 18B veranschaulicht ist. Spezieller wird durch Fotolithografie auf der Kontaktschicht 191 ein Resistmuster in dem in Fig. 18A dargestellten Zustand gebildet, wobei der Steg 191a durch Ätzen der Kontaktschicht 191 und die Überzugsschicht 190 durch Verwendung des Resistmusters als eine Maske gebildet werden. Nachdem der Steg 191a gebildet ist, wird das Resistmuster entfernt und eine aus Siliziumoxid oder dergleichen hergestellte Passivierungsschicht 192 auf der gesamten Oberfläche, z. B. durch Sputtern, ausgebildet. Ein Teil der Passivierungsschicht 192 auf der Oberseite des Steges 191a, der einer Elektrode entspricht, wird anschließend entfernt (weggeätzt) und eine aus Cr/Au oder Ti/Pt/Au zusammengesetzte Elektrode 193 vom p- Typ gebildet.
Anschließend wird die Dicke des Substrats 181 herabgesetzt und eine n-Typ Elektrode 194, die z. B. aus AuGeNi zusammengesetzt ist, auf der unteren Fläche des Substrats gebildet. Die sich ergebende Struktur wird anschließend ohmisch gesintert und geteilt, damit sie eine Länge von 300 um besitzt, wodurch eine Modulatorstruktur gemäß Fig. 18B ausgeführt wird.
Golddrähte oder dergleichen wurden mit der Elektrode 193 vom p-Typ und der Elektrode 194 vom n-Typ des wie oben erörtert hergestellten Bauelements gebondet, und es wurde eine Spannung angelegt. Unter Verwendung eines Lichtleiters fiel von einer Stirnfläche Spektrallicht ein, wobei das austretende Licht von der anderen Stirnfläche mit einem anderen Lichtleiter aufgenommen wurde. Das Absorptionsspektrum des Lichts wurde durch eine Lichtzählmethode gemessen.
Fig. 19 ist ein Diagramm, das die Absorptionsspektren zeigt, als zwischen den beiden Elektroden eine umgekehrte Vorspannung (Kurve ) und keine umgekehrte Vorspannung (Kurve ) angelegt wurde. Aus Fig. 19 wird klar, dass das scharfe Anregungsspektrum beobachtet und eine große Absorptionsverschiebung von 20 meV erreicht wurde durch Anlegen einer umgekehrten Vorspannung von 3 V wie es durch die Kurve angegeben ist. Außerdem wurde ein Extinktionsverhältnis von Licht mit einer Wellenlänge von 915 nm gemessen, indem eine Wechselspannung von 3 V mit dem Ergebnis angelegt wurde, dass ein großer Wert von 30dB erzielt wurde. Dieses Ergebnis wird als Widerspiegelung der charakteristischen Merkmale der Halbträger- Confinementschicht mit einer Inselstruktur betrachtet, die eine scharfe Exzitonenabsorption und eine durch ein elektrisches Feld verursachte große Absorptionsverschiebung aufweist.
In diesem Beispiel sind nur Inselbereiche als die Halbleiterträger- Confinementschicht gebildet. Es ist natürlich möglich, eine Struktur zu bilden, in der einzelne Inselbereiche durch eine dünne Quantenmulden- Filmschicht, wie in Fig. 1 veranschaulicht, ausgebildet sind.

Beispiel 49

In diesem Beispiel wurde die vorliegende Erfindung auf einen optischen Halbleiterlaser angewandt.
Fig. 20 ist eine Schnittansicht, die die Struktur einer diesen optischen Halbleiterlaser bildenden, epitaxialen Laser- Filmschicht zeigt.
Ein GaAs {311} B Substrat vom n-Typ wird als Kristallsubstrat verwendet. Mikroskopisch ist diese Orientierung durch 1 : 1 der {100} Fläche, auf der zwei lose Bindungen vorhanden sind und ohne weiteres ein glattes, epitaxiales Wachstum auftritt, und der {111} B Fläche gebildet, welche die mit As stabilisierte Fläche ist, auf der Wachstum kaum auftreten kann. Auf diesem Substrat 201 sind nacheinander unter Verwendung von MOVPE (Metallorganische Dampfphasenepitaxie) eine GaAs Pufferschicht 202 vom n-Typ, eine aus Als. Ga&sub1;-xAs vom n-Typ bestehende, untere Überzugsschicht 203 sowie eine aus AlxGa&sub1;-xAs vom n-Typ zusammengesetzte untere Wellenleiterschicht 204 aufgewachsen (wobei x die Zusammensetzung darstellt).
Anschließend sind eine untere Halbleiterträger-Sperrschicht aus AlsGa&sub1;-sAs und eine optische Wellenleiterschicht 205 gewachsen. Danach ist eine dünne, vorgespannte Quantenmulden- Filmschicht 206 aus InyGa&sub1;-yAs als ein System der Fehlanpassung des Kristallgitters in Bezug auf GaAs gewachsen, um eine Dicke im Bereich der entscheidenden Filmschichtdicke zu erhalten.
Anschließend wird eine Unterbrechungszeit des Wachstums von 10 Sekunden bis 5 Minuten vorgenommen. Das Ergebnis ist eine Inselstruktur 206a, in der die dünne, vorgespannte Quantenmulden- Filmschicht 206 aus InyGal yAs zu einer Vielzahl von angehäuften Inseln aggregiert und die Inseln auf Grund von Massentransport mit der Barriereschicht aus AlbGa&sub1;-bAs überzogen sind. Es ist anzumerken, dass die Symbole , y und b die Zusammensetzungen darstellen.
Es ist auch möglich, wenn nötig, n- Paare der Barriereschicht und der dünnen, vorgespannten Quantenmulden- Filmschicht- Struktur zu bilden, die man mit der Wachstumsunterbrechung zwischen dem Wachstum von jedem Paar wiederholt aufwachsen ließ, um mehrlagige Inselbereiche zu bilden. Anschließend ließ man eine obere Halbleiterträger- Sperrschicht aus AlsGa&sub1;-sAs und eine optische Wellenleiterschicht 207 aufwachsen. Nachfolgend ließ man eine obere Wellenleiterschicht 208 aus p-AlzGa&sub1;-zAs und eine obere Überzugsschicht 209 aus p-AlyGa&sub1;-yAs aufwachsen. Schließlich ist eine p&spplus; - GaAs Kontaktschicht 210 gewachsen.
In der oben genannten Laserstruktur wird die Temperatur des Substrats nach dem Wachstum von InyGa&sub1;-yAs bei etwa 750ºC oder höher gehalten und die oben erörterte passende Unterbrechungszeit des Wachstums eingehalten. Folglich wird die einmal aufgewachsene, dünne zweidimensionale Filmschicht aus InGaAs umgebaut und in Form einer Einkristall- Inselstruktur aus InyGa&sub1; yAs, d. h. einer Scheibenstruktur, stabilisiert, die energiestabiler ist. Anschließend läßt man die darunterliegende AlGaAs Filmschicht durch Massentransport als Seite erneut aufwachsen, wodurch die InyGal-yAs Inseln überzogen werden. An diesem Punkt können Größe und Abstand der Inseln verändert werden, indem der In Gehalt y und die Zuführmenge zweckmäßig ausgewählt werden. Speziell durch Erhöhung der In Zusammensetzung von 20% auf 50% nimmt die Größe von 150 nm auf etwa 30 nm ab. Da dieses Wachstum von Inseln nicht in einer dünnen Quantum- Filmschicht des gitterangepaßten GaAs stattfindet, wird verständlich, dass dieses Phänomen durch die Spannungsenergie der vorgespannten InGaAs Filmschicht beherrscht wird. Bei Temperaturen von 750ºC oder höher wirkt die mikroskopische Oberflächenrauhigkeit oder dergleichen der {311} B Fläche des auf einer hohen Temperatur gehaltenen Substrats wie ein Kern, der das Wachstum von Inseln ermutigt, während von der epitaxialen Filmschicht eine energiestabilisierte Seitenfläche gebildet wird. Wenn Atome auf Grund von hohen Temperaturen bewegt werden können, findet der Massentransport von AlGaAs zu der InGaAs Fläche statt, so dass die vorgespannte Energie reduziert wird. Es wird angenommen, dass dieser Massentransport auftritt, um sich im energiestabilisierten Zustand mit dem Überzug von Al- GaAs anzusiedeln.
Anschließend werden beim Aufwachsen der Halbleiterträger- Sperrschicht und der optischen Wellenleiterschicht 207 auf dieser Halbleiter- Scheibenstruktur die Welligkeit auf der Oberfläche, die durch die Scheibenform verursacht ist, durch die Halbleiterträger- Sperrschicht und die optische Wellenleiterschicht, die aus Werkstoffsystemen mit einer hohen Oberflächenenergie aufgebaut sind, geebnet. Die Flachheit der Oberfläche in diesem Wachstum verändert sich mit der Zusammensetzung eines Mehrelement- Verbindungshalbleiters. Wie die Zusammensetzung eines Halbleiterwerkstoffs, die die Welligkeit auf der Oberfläche einer Scheibenstruktur durch das Wachstum einer optischen Wellenleiterschicht von etwa 50 bis 200 nm Dicke ebnen kann, erfüllt die Al- Zusammensetzung s das Verhältnis s < 0,4 in der Halbleiterträger- Sperrschicht aus AlsGa&sub1;-sAs und der optischen Wellenleiterschicht.
Fig. 21A ist eine schematische Ansicht, welche die Schnittform zeigt, wenn die Al- Zusammensetzung s in der 100 nm dicken oberen Halbleiterträger- Sperrschicht aus AlsGa&sub1;-sAs und die optische Wellenleiterschicht 207 0,5 beträgt. Fig. 21B ist eine schematische Ansicht, die die Schnittform zeigt, wenn die Al- Zusammensetzung in der 100 nm dicken, oberen Halbleiterträger- Sperrschicht aus AlsGa&sub1;-sAs und die optische Wellenleiterschicht 207 0,3 beträgt. In der Struktur von Fig. 21A wurde die Welligkeit auf der Oberfläche selbst nach der Bildung der 100 nm dicken, oberen Halbleiterträger- Sperrschicht aus AlsGa&sub1;-sAs und der optischen Wellenleiterschicht nicht völlig geebnet. Deshalb verursachte die übrig gebliebene Welligkeit in der Schnittstelle mit der auf der Oberfläche gebildeten optischen Wellenleiterschicht den Verlust, als der Wellenleiter gebildet war.
Andererseits wurde in der Struktur von Fig. 21B nach Bildung der 100 nm dicken, oberen Halbleiterträger- Sperrschicht aus AlgGa&sub1;-sAs und der optischen Wellenleiterschicht die Welligkeit auf der Oberfläche vollständig geebnet. Auch die Schnittstelle mit der auf der Oberfläche gebildeten optischen Wellenleiterschicht war flach.
In der oben genannten Struktur sind die Al- Zusammensetzung der Wellenleiterschichten 204 und 208 auf 0,2 bis 0,6 sowie die Al- Zusammensetzungen der Halbleiterträger- Sperrschicht und der optischen Wellenleiterschicht, wie die optischen Wellenleiterschichten 205 und 207, auf 0,1 bis 0,4 als typische Werte einer epitaxialen Laser- Filmschicht eingestellt, wobei Se oder Si als Dotierungssubstanz vom n-Typ in die untere Wellenleiterschicht 204 mit etwa 5 * 10¹&sup7; cm&supmin;³ dotiert sind und Zn, Mg oder Be als Dotierungssubstanz vom p-Typ in die obere Wellenleiterschicht 208 mit etwa 5 * 10¹&sup7; cm&supmin;³ dotiert sind. Die untere Wellenleiterschicht 204 und die obere Wellenleiterschicht 208 sind entweder mit Dotierungssubstanzen vom n-Typ bzw. p-Typ dotiert oder werden undotiert gelassen. Um eine ohmsche Elektrode zu bilden, wird die Kontaktschicht 210 mit einer hohen Konzentration von, d. h. 5 * 10¹&sup7; cm&supmin;³ oder mehr, einer Dotierungssubstanz vom p-Typ wie Zn dotiert.
Dieses Beispiel ist beschrieben worden, indem das {311} B GaAs Substrat als Beispiel genommen wurde. Es ist jedoch auch möglich, die oben erörterte Quanten- Scheiben- Struktur zu bilden und eine Planarisierung unter Verwendung der auf der Scheibenstruktur gebildeten Halbleiterträger- Sperrschicht und der optischen Wellenleiterschicht durchzuführen, indem die Fläche mit anderer Orientierung, in der das Verhältnis der {100} Fläche zur {111} B Fläche unterschiedlich ist, z. B. die {211} B Fläche, {411} B Fläche, {511} B Fläche, {611} B Fläche oder {711} B Fläche verwendet wird.
Fig. 22 zeigt eine stegförmige Laserstruktur als repräsentatives Beispiel eines GaAs Wellenleiterlasers mit Brechungszahl, indem eine epitaxiale Laser- Filmschicht mit vorgespannter Quantenmulden- Filmschicht verwendet wird. Die Bezugszahlen bezeichnen 211 ein n&spplus; GaAs Substrat, 212 eine n&spplus; GaAs Pufferschicht, 213 eine untere Überzugsschicht aus n-AlxGa&sub1;-xAs, 214 und 218 Wellenleiterschichten aus AlzGa&sub1;-zAs, 215 und 217 eine AlsGa&sub1;-sAs Träger- Sperrschicht und eine optische Wellenleiterschicht, 216 eine vorgespannte InyGa&sub1;-yAs Quantenmulden- Filmschicht, 218 eine obere Wellenleiterschicht aus p-AlzGa&sub1;-zAs, 219 eine obere Überzugsschicht aus p-AlzGa&sub1;-zAs, 220 eine p&spplus; GaAs Kontaktschicht, 221 eine Passivierungs- Filmschicht, 222 eine Elektrode vom p-Typ und 224 eine Elektrode vom n- Typ.
Nach dem Kristallwachstum werden die Kontaktschicht 220 und die Überzugsschicht 219 bearbeitet, um einen Steg von etwa 1,5 bis 3 um Breite zu bilden, wie es in Fig. 22 dargestellt ist. Zu diesem Zweck wird durch Fotolithografie ein Resist strukturiert und als Maske genutzt, um die Kontaktschicht 220 und die obere Überzugsschicht 219 durch naßchemisches Ätzen oder Trockenätzen zu ätzen. Die Tiefe ist in dem Bereich festgelegt, über den ein Regime mit hoher Ordnung nicht auftritt, indem ein Nebenregime berücksichtigt wird. In einigen Beispielen wird das Ätzen in die Wellenleiterschicht 218 fortgesetzt. Nachdem der Steg gebildet ist, wird die Resistmaske entfernt und die Passivierungsschicht 221 (z. B. SiO&sub2;) auf der gesamten Oberfläche gebildet. Nachdem ein Teil von SiO&sub2; auf der Oberseite des einer Elektrode entsprechenden Stegs weggeätzt ist, wird die aus Cr/Au oder Ti/Pt/Au zusammengesetzte Elektrode 222 vom p-Typ gebildet. Nachdem die Dicke des Substrats reduziert ist, wird die z. B. aus AuGeNi zusammengesetzte Elektrode 224 vom n-Typ auf der unteren Fläche des Substrats gebildet. Anschließend wird ohmsches Sintern durchgeführt, um die stegförmige Laserstruktur in Fig. 22 abzuschließen.
Mit dieser Struktur ist es möglich, Fotolumineszenz (PL) mit einer engen Halbwertsbreite zu erzielen, die einzigartig für den Quanteneffekt ist. Fotolumineszenz von einer zweckmäßig gewachsenen Quantenscheiben- Struktur besitzt eine enge Halbwertsbreite, welche die Hälfte bis ein Drittel von der eines {100} Substrats ist, und eine Intensität der Lumineszenz, die 2 bis 5 mal höher ist als die eines {100} Substrats. Dies zeigt an, dass Inseln, d. h. Quantenscheiben, natürlich sehr gleichmäßig gebildet sind und ihre Dichte hoch ist. Außerdem ist diese Fotolumineszenz kräftiger als die Fotolumineszenz einer durch normale Verfahren hergestellten, flachdimensionierten Quantenstruktur oder eine durch normales selektives Wachstum erzielte PL. Infolgedessen zeigte der Halbleiterlaser nach der vorliegenden Erfindung scharfe Verstärkungspektren. Die Fig. 23A und 23B stellen jeweils die Verstärkungsspektren eines normalen Lasers mit vorgespannter Quantenmulden- Filmschicht aus InGaAs und die Verstärkungsspektren eines Lasers mit vorgespannter Quantenmulden- Filmschicht nach der vorliegenden Erfindung dar. Wie aus den Fig. 24A und 24B ersichtlich ist, zeigt der Laser mit einer vorgespannten Quantenmulden- Filmschicht nach der vorliegenden Erfindung scharfe Verstärkungsspektren im Vergleich zu denen des normalen Beispiels.
Eine Verbesserung wurde auch im Schwellenstrom herausgefunden. Fig. 24 zeigt eine Kurve k der optischen Ausgangscharakteristik eines normalen Lasers mit vorgespannter Quantenmulden-Filmschicht aus InGaAs und eine Kurve l der optischen Ausgangscharakteristik des Lasers mit vorgespannter Quantenmulden- Filmschicht nach der vorliegenden Erfindung. Aus Fig. 24 wird ersichtlich, dass der Schwellenstrom verbessert ist. Fig. 25 zeigt die Injektorstrom- Abhängigkeit m der Oszillationswellenlänge eines normalen Lasers mit vorgespannter Quantenmulden- Filmschicht aus InGaAs und die Injektorstrom- Abhängigkeit n der Laserwellenlänge des Lasers mit vorgespannter Quantenmulden- Filmschicht gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Laser mit vorgespannter Quantenmulden- Filmschicht der vorliegenden Erfindung strahlt Laserlicht in einem einzelnen Wellentyp im gesamten beobachteten Strombereich aus, wogegen der normale Laser mit vorgespannter Quantenmulden- Filmschicht aus InGaAs die Tendenz hatte, Laserlicht als einen Multiwellentyp in einem Strombereich auszustrahlen, in welchem der Sprung des Wellentyps auftrat. Das heißt, der Laser mit vorgespannter Quantenmulden- Filmschicht der vorliegenden Erfindung zeigte eine gute Stabilität der Laserwirkung. Die Wirksamkeit des neuartigen Lasers mit Quantenmulden- Filmschicht der vorliegenden Erfindung wurde damit bestätigt.
Bei der Herstellung von normalen flachdimensionierten Halbleiterstrukturen wird ein Prozess beim Bearbeiten einer Quantenmulden- Filmschicht durch Ätzen kompliziert gemacht. Außerdem wird eine Quantenmulden- Filmschicht beschädigt, wenn sie durch Trockenätzen bearbeitet wird und wird seitlich geätzt, wenn sie durch naßchemisches Ätzen bearbeitet wird. Dieser Mangel an Kontrollfähigkeit führt zu einer Größenschwankung oder dergleichen. Der Halbleiterlaser der vorliegenden Erfindung kann diese herkömmlichen Probleme lösen.
Darüber hinaus wird in einem normalen Herstellungsverfahren, bei dem eine feine Maske aus SiO&sub2; oder dergleichen im voraus auf einem Halbleitersubstrat gebildet wird und selektives Wachstum durch ein MOVPE Verfahren oder dergleichen genutzt wird, ein Verfahren zur Herstellung eines Substrats kompliziert gemacht. Außerdem erfordert das Verfahren die Schritte des Entfernens einer Maske und erneuten Aufwachsens, wenn es auf die Herstellung von Lasern angewandt wird. Dies führt zu Nachteilen wie eine Erhöhung der Anzahl von Herstellungsschritten, die unvermeidliche Einleitung einer Beschädigung und eine geringe Produktivität. Der Halbleiterlaser der vorliegenden Erfindung kann auch diese konventionellen Probleme lösen.
Ferner wird bei einem normalen Verfahren zur Bildung einer Quantenstruktur auf einem Verbindungshalbleiter- Substrat, dessen Oberfläche eine Fläche mit hoher Indexzahl ist, die Flachheit der Oberfäche mit dem Wachstum ebenfalls schwächer, indem nur das Dampfphasen- Wachstum verwendet wird. Deshalb findet eine Verteilung der von der Scheibenform abgeleiteten Brechungszahl statt, wenn ein Laser durch das Aufwachsen einer optischen Wellenleiterschicht und einer optischen Überzugsschicht auf dieser Halbleiter- Scheibenstruktur hergestellt wird. Diese Streuung kann zu einer Zunahme des Verlustes führen. Der Halbleiterlaser der vorliegenden Erfindung kann dieses Problem auch lösen, indem die Zusammensetzung der Barriereschicht eingestellt wird. Dies ermöglicht es, die Eigenschaften eines Halbleiterlasers durch Nutzung des flachdimensionierten Quanteneffekts zu verbessern.
In den Strukturen der Fig. 20 und 22 sind nur Inselbereiche als Halbleiter- Träger- Confinementschicht ausgebildet. Jedoch ist es natürlich auch möglich, eine Struktur zu bilden, in der einzelne Inselbereiche durch eine dünne Quantenmulden- Filmschicht verbunden sind.
Es wurde bestätigt, dass in den oben genannten optischen Halbleiterlasern die Wirksamkeit, Laserlicht auszustrahlen, höher war, wenn die Halbleiterträger- Confinementschicht durch die Kombination einer großen Anzahl von Inseln und einer dünnen Quantenmulden- Filmschicht gebildet wurde. Das liegt daran, dass in die dünne Quantenmulden- Filmschicht injizierte Träger in die einzelnen Inselbereiche diffundieren, ohne irgendeine nicht strahlende Rekombination zu verursachen, wobei dies zur Rekombination von Lumineszenz in den Inselbereichen beiträgt. Wenn nur Inselbereiche gebildet sind, tragen nur Träger innerhalb der jeweiligen Diffusionslängen von den Inselbereichen zum Ausstrahlen von Laserlicht bei. Deshalb ist die sich ergebende Wirksamkeit der Ausstrahlung von Laserlicht gering im Vergleich zu der, die durch die Kombination einer dünnen Quantenmulden- Filmschicht und Inselbereichen erzielt wird.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben genannten Beispiele beschränkt, sondern kann in Form von verschiedenen Modifizierungen ausgeführt werden.
Beispiele sind Strukturen in den Fig. 26A und 26B, bei denen es sich um Modifizierungen der in Fig. 2 veranschaulichten Struktur handelt. Die gleichen Bezugszahlen wie in Fig. 2 bezeichnen dieselben Teile oder Teile, die die gleichen Funktionen in den Fig. 26A und 26B haben. Fig. 26A zeigt die Struktur, in der Inselbereiche 25 von einer dünnen Quantenmulden- Filmschicht 24 nach unten gebildet sind. Fig. 26B stellt die Struktur dar, in der die Inselbereiche 25 oberhalb und unterhalb der dünnen Quantenmulden- Filmschicht 24 gebildet sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie oben erörtert worden ist, wird auf einem Halbleiter- Substrat mit einer Fläche mit hoher Indexzahl eine Halbleiter- Barriereschicht durch Dampfphasen- Kristallwachstum gebildet. Anschließend wird eine vorgespannte Quantenmulden- Filmschicht mit Fehlanpassung des Kristallgitters mit der Barriereschicht gebildet, um eine bestimmte Filmschichtdicke auf der Halbleiter- Barriereschicht durch Dampfphasen- Kristallwachstum unter einer bestimmten Bedingung zu erzielen. Nach dem Wachstum dieser vorgespannten Quantenmulden- Filmschicht wurde eine Zeit zur Unterbrechung des Wachstums genommen, um die Anhäufung der Filmschicht zu Inseln zu erleichtern, wodurch eine Inselstruktur auf der vorgespannten Quantenmulden- Filmschicht gebildet wird. Auf diese Art und Weise ist es ohne irgendeinen Strukturierprozess möglich, auf dem Substrat einen Inselbereich für ein optisches Halbleiterbauelement zu erzielen, der eine Halbleiter- Quantenstruktur mit der vorgespannten Quantenmulden- Filmschicht ist, auf der feine Inseln mit einer hohen Gleichmäßigkeit und einer hohen Dichte gebildet sind.
Die vorliegende Erfindung nutzt außerdem die Schritte des Bildens einer Halbleiter- Barriereschicht durch Dampfphasen- Kristallwachstum auf einem Halbleiter- Substrat, das eine Fläche mit hoher Indexzahl aufweist, des Bildens einer eine Fehlanpassung des Kristallgitters aufweisenden vorgespannten Quantenmulden- Filmschicht mit der Barriereschicht durch Dampfphasen- Kristallwachstum, des Bildens von Inseln durch Anhäufung der vorgespannten Quantenmulden- Filmschicht zu Inseln und durch den Massentransport der unteren Barriereschicht, indem nach dem Wachstum der vorgespannten Quantenmulden- Filmschicht eine Unterbrechung des Wachstums vorgenommen wird, und des Bildens einer oberen Halbleiter- Barriereschicht auf den Inseln durch Dampfphasen- Kristallwachstum.
Folglich ist es ohne Strukturierprozess möglich, auf dem Substrat einen Inselbereich des optischen Halbleiterbauelements zu bilden, auf dem feine Halbleiter- Inseln mit einer hohen Gleichmäßigkeit und einer hohen Dichte ausgebildet sind.
In der auf diese Weise hergestellten Halbleiter- Quantenstruktur kann eine Vielzahl der Inselstrukturen der Träger- Confinementschichten in Richtung der Dicke übereinander angeordnet werden, indem der Vorgang zur Bildung von einer Lage der trägerbegrenzten Struktur der vorliegenden Erfindung wiederholt wird. Dies macht eine hochdichte Halbleiter- Quantenstruktur durchführbar. Das heißt, diese Halbleiter- Quantenstrukturen realisieren flachdimensionierte Quantenstrukturen, die Träger begrenzen und eine starke Lumineszenz zeigen. Deshalb können diese Halbleiter- Quantenstrukturen in einem praktischen Niveau auf Halbleiterlaser, optische Modulatoren oder optische nichtlineare Halbleiterbauelemente angewandt werden.

Claims

1. Halbleiterstruktur mit einer ersten Halbleiterbarriereschicht (12A, 92) gebildet auf einem Verbindungshalbleitersubstrat (11, 91), das einen III-V Verbindungshalbleiter umfaßt,

einer Halbleiterträger-Confinementschicht (13, 94), die auf der Halbleiterbarriereschicht (12A, 92) gebildet ist; und

einer zweiten Halbleiterbarriereschicht (12B, 95), die auf der Halbleiterträger-Confinementschicht (13, 94) gebildet ist, wobei die Halbleiterträger-Confinementschicht (13, 94) eine Mehrzahl von voneinander beabstandeten Inseln (15) umfaßt,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Verbindungshalbleitersubstrat eine {n11}B Fläche (n = 2, 3, 4, 5, 6 oder 7) als eine Hauptfläche aufweist.

2. Struktur nach Anspruch 1, bei der die Halbleiterträger-Confinementschicht (13) weiterhin eine dünne Quantum-Well-Schicht (14) umfaßt, die zwischen den Inseln und um die Inseln (15) herum geformt sind und die Dicke aufweist, die kleiner ist als die eine Dicke der Inseln (15), wobei die Inseln (15) und die Quantum-Well-Schicht (14) die Träger-Confinementschicht (13) bilden.

3. Struktur nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der das Halbleitersubstrat (11) GaAs umfaßt, wobei die Halbleiterträger-Confinementschicht (13, 94) vorgespanntes InzGa&sub1;-zAs umfaßt und jede der Halbleiterbarriereschichten (12A, 128) AlyGa&sub1;-yAs umfaßt.

4. Struktur nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der das Substrat (11) GaAs umfaßt, die Halbleiterträger-Confinementschicht (13) vorgespanntes GaAszSb&sub1;-z umfaßt und jede der Halbleiterbarriereschichten (12A, 128) AlyGa&sub1;-yAs umfaßt.

5. Struktur nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der das Substrat (11) InP umfaßt, die Halbleiterträger-Confinementschicht (13) vorgespanntes InzGa&sub1;-xAs umfaßt und jede der Halbleiterbarriereschichten (12A, 12B) InxAlyGa&sub1;-x-yAs umfaßt.

6. Struktur nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der das Substrat (11) InP umfaßt, die Halbleiterträger-Confinementschicht (13) vorgespanntes InxGa&sub1;-xAs2Sb&sub1;-z umfaßt und jede der Halbleiterbarriereschichten (12A, 12B) InyAl&sub1;-yAs umfaßt.

7. Struktur nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der das Substrat (11) InP umfaßt, die Halbleiterträger-Confinementschicht (13) vorgespanntes InzGa&sub1;-zAs umfaßt und jede der Halbleiterbarriereschichten (12A, 12B) InyAl&sub1;-yAs umfaßt.

8. Struktur nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der das Substrat (11) InP umfaßt, die Halbleiterträger-Confinementschicht (13) vorgespanntes InzGa&sub1;-zAs umfaßt und jede der Halbleiterbarriereschichten (12A, 12B) InP umfaßt.

9. Halbleiterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Halbleiterträger-Sperrschicht und eine optische Wellenleiterschicht, die auf der zweiten Halbleiterbarriereschicht gebildet sind, wobei die Inseln der Träger-Confinementschicht (94) durch Barriereschichten (92, 95) umgeben sind, die über und unter den Inseln ausgebildet sind.

10. Struktur nach Anspruch 9, bei der eine Mehrzahl von den Halbleiterträger-Confinementschichten (94) übereinander angeordnet ist.

11. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterstruktur, dadurch gekennzeichnet, daß es umfaßt:

den ersten Schritt des Formens einer ersten Halbleiterbarriereschicht (122, 133) auf einem Substrat (121, 131), das eine {n11}B Fläche (n = 2, 3, 4, 5, 6 oder 7) als Hauptfläche aufweist und das einen III-V Verbindungshalbleiter umfaßt, unter Verwendung des Dampfphasen-Kristallwachstums; den zweiten Schritt des Bildens einer vorgespannten Quantum-Well-Filmschicht (124, 134) mit Gitterfehlanpassung auf der Halbleiterbarriereschicht (122, 133) durch Dampfphasen- Kristallwachstum;

den dritten Schritt des Unterbrechens des Wachstums der vorgespannten Quantum-Well-Schicht (124, 134) nach dem zweiten Schritt, um den Transfer der vorgespannten Quantum-Well-Filmschicht (124, 134) zu Inselbereichen zu erleichtern, wobei eine Träger-Confinementschicht mit einer Inselstruktur, bestehend aus einer Mehrzahl von Inseln gebildet wird; und

den vierten Schritt des Bildens einer zweiten Halbleiterbarriereschicht (127, 135) auf der Träger-Confinementschicht durch Dampfphasen-Kristallwachstum.

12. Verfahren nach Anspruch 11, weiterhin umfassend:

den fünften Schritt des Bildens einer zweiten vorgespannten Quantum-Well-Schicht mit Gitterfehlanpassung auf der zweiten Halbleiterbarriereschicht durch Dampfphasen-Kristallwachstum;

den sechsten Schritt des Unterbrechens des Wachstums der zweiten vorgespannten Quantum- Well-Schicht für eine vorbestimmte Zeit nach dem fünften Schritt, um den Transfer der zweiten vorgespannten Quantum-Well-Schicht zu Inselbereichen zu erleichtern, wobei eine Träger- Confinementschicht mit einer Inselstruktur, bestehend aus einer Mehrzahl von Inseln, auf der zweiten vorgespannten Quantum-Well-Schicht gebildet wird und

den siebenten Schritt des Bildens einer Halbleiterbarriereschicht auf der Träger-Confinementschicht durch Dampfphasen-Kristallwachstum.

13. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der dritte Schritt umfaßt:

Unterbrechen des Wachstums der vorgespannten Quantum-Well-Filmschicht (134) nach dem zweiten Schritt, um den Transfer der vorgespannten Quantum-Well-Filmschicht (134) zu Inselbereiche zu erleichtern und der Halbleiterbarriereschicht (133) unter der vorgespannten Quantum-Well- Filmschicht (134), wobei eine Halbleiterträger- Confinementschicht mit einer Inselstruktur gebildet wird, bei der die vorgespannte Quantum- Well-Filmschicht (134) in eine Mehrzahl von Inseln aufbricht und die Inseln vollständig von der Halbleiterbarriereschicht (133) umgeben sind.

14. Verfahren nach Anspruch 11 und Anspruch 13, weiterhin umfassen:

den fünften Schritt des Bildens einer zweiten vorgespannten Quantum-Well-Filmschicht mit Gitterfehlanpassung auf der zweiten Halbleiterbarriereschicht durch Dampfphasen-Kristallwachstum;

den sechsten Schritt des Erleichterns des Transfers der zweiten vorgespannten Quantum-Well- Filmschicht zu Inselbereiche und der Halbleiterbarriereschicht unter der zweiten vorgespannten Quantum-Well-Filmschicht nach dem fünften Schritt, wobei eine Halbleiterträger-Confinementschicht mit einer Inselstruktur gebildet wird, bei der die vorgespannte Quantum-Well- Filmschicht in eine Mehrzahl von Inseln aufbricht und die Inseln vollständig von der Halbleiterbarriereschicht umgeben sind; und den siebten Schritt des Bildens einer Halbleiterbarriereschicht auf der zweiten Halbleiterträger- Confinementschicht durch Dampfphasen-Kristallwachstum.

15. Optischer Modulator unter Verwendung der Halbleiterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß er umfaßt:

ein Substrat (181) mit einem III-V Verbindungshalbleiter und eine {n11}B Fläche (n = 2, 3, 4, 5, 6) als eine Hauptfläche;

eine auf dem Substrat (181) gebildete Pufferschicht (182);

eine untere Überzugsschicht (183), die auf der Pufferschicht (182) gebildet ist;

eine untere Wellenleiterschicht (184), die auf der unteren Überzugsschicht (183) gebildet ist;

eine auf der unteren Wellenleiterschicht (184) gebildete Halbleiterträger-Sperrschicht (185);

wobei die Halbleiterträger-Confinementschicht (186) auf der Halbleiterträger-Sperrschicht (185) gebildet ist;

einer auf der Halbleiterträger-Confinementschicht (186) gebildete Halbleiterbarriereschicht (187);

eine Halbleiterträger-Sperrschicht (188) und eine optische Wellenleiterschicht (189), die auf der Halblelterbarriereschicht (187) gebildet sind;

eine obere Überzugsschicht (190), die auf der Wellenleiterschicht (189) gebildet ist, eine Kontaktschicht (191) in Form eines Steges, die auf der oberen Überzugsschicht (190) gebildet ist;

eine erste Elektrode (183), die auf der Kontaktschicht (191) angeordnet ist; und

eine zweite Elektrode (194), die auf der unteren Fläche des Substrats (181) angeordnet ist, wobei die Halbleiterträger-Confinementschicht (186) eine Mehrzahl von Inseln (186) umfaßt, die voneinander beabstandet sind.

16. Optischer Modulator nach Anspruch 15, bei dem die Träger-Confinementschicht (186) weiterhin umfaßt

eine dünne Quantum-Well-Schicht, die um die Inseln (186) herum und zwischen diesen gebildet ist und eine Dicke aufweist, die geringer ist als die Dicke der Inseln (166), wobei die Inseln und die Quantum-Well-Schicht die Träger-Confinementschicht bilden.

17. Modulator nach Anspruch 15 oder 16, bei dem das Halbleitersubstrat (181) GaAs umfaßt, die Halbleiterträgersperrschicht (188) und die optische Wellenleiterschicht (189) AlxGa&sub1;-xAs umfaßt und

die Halbleiterträger-Confinementschicht (186) InyGa&sub1;-yAs umfaßt.

18. Modulator nach Anspruch 17, bei dem eine Al- Verbindung x der Halbleiterträger-Sperrschicht (188) und der optischen Wellenleiterschicht (189) nicht mehr als 0,4 ist.

19. Halbleiterlaser unter Verwendung einer Halbleiterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß er umfaßt:

ein Substrat (211), das einen III-V Verbindungshalbleiter und eine {n11}B Fläche (n = 2, 3, 4, 5, 6 oder 7) als Hauptfläche umfaßt ;

eine Pufferschicht (212), die auf dem Substrat (211) gebildet ist, eine auf der Pufferschicht (212) gebildete untere Überzugsschicht (213);

eine untere Wellenleiterschicht (214), die auf der unteren Überzugsschicht (213) gebildet ist;

eine auf der unteren Wellenleiterschicht (214) gebildete Halbleiterbarriereschicht (215);

wobei die Halbleiterträger-Confinementschicht (216) auf der Halbleiterbarriereschicht (215) gebildet ist;

eine Halbleiterträger-Sperrschicht (217) und eine optische Wellenleiterschicht (218), die auf der Halbleiterträger-Confinementschicht (216) gebildet sind;

eine obere Überzugsschicht (219), die auf der Wellenleiterschicht (218) gebildet ist;

eine Kontaktschicht (220) in Form eines Steges, die auf der oberen Überzugsschicht (219) gebildet ist;

eine erste Elektrode (220), die auf der Kontaktschicht (220) angeordnet ist und

eine zweite Elektrode (224), die auf einer unteren Fläche des Substrats (211) angeordnet ist, wobei die Halbleiterträger-Confinementschicht (216) eine Mehrzahl von Inseln (216A) umfaßt, die voneinander beabstandet sind.

20. Halbleiterlaser nach Anspruch 19, bei dem die Träger-Confinementschicht (216) weiterhin umfaßt eine dünne Quantum-Well-Schicht, die zwischen den Inseln (216A) angeordnet ist und die eine geringere Dicke als die Dicke der Inseln (216A) aufweist, wobei die Inseln (216A) und die Quantum-Well-Schicht die Träger-Confinementschicht bilden.

21. Laser nach Anspruch 19 oder 20, bei den das Halbleitersubstrat (211) GaAs umfaßt, die Halbleiterträger-Sperrschicht (217) und die optische Wellenleiterschicht (218) AlxGa&sub1;-xAs umfaßt und

die Halbleiterträger-Confinementschicht (216) InyGa&sub1;-yAs umfaßt.

22. Laser nach Anspruch 21, bei dem eine Al- Verbindung x der Halbleiterträger-Sperrschicht (217) und der optischen Wellenleiterschicht (218) nicht mehr als 0,4 ist.