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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser, der aus einem Gruppe-III-Nitrid-Halbleiter gebildet ist.
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STAND DER
TECHNIK
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1 ist eine schematische
Querschnittansicht, die einen herkömmlichen Gruppe-III-Nitrid-Halbleiterlaser
vom Steghohlleitertyp zeigt. Der Halbleiterlaser von 1 weist eine geschichtete Struktur
auf, die eine GaN-Pufferschicht 202, eine n-GaN-Kontaktschicht 203,
eine n-GaN-Pufferschicht 204, eine n-AlGaN-Mantelschicht 205,
eine n-GaN-Leitungsschicht 206, eine aktive InGaN-MQW-Schicht 207,
eine p-AlGaN-Deckschicht 208, eine p-GaN-Führungsschicht 209,
eine p-AlGaN-Mantelschicht 210 und eine p-GaN-Kontaktschicht 211 auf
einem Saphirsubstrat 201 enthält. Da das Saphirsubstrat isolierend
ist, wird ein Teil der geschichteten Struktur bis zu der Kontaktstruktur 203 vom
n-Typ abgeätzt,
um einen Bereich freizulegen, in dem eine Elektrode vom n-Typ angebracht
wird.
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Außerdem wird
ein Teil einer Mesa-Struktur bis zu der Mantelschicht 210 vom
p-Typ abgeätzt,
um einen Steghohlleiter zu bilden. Bei diesen Prozessen wird ein
Trockenätzverfahren
angewendet, und es wird ein SiO2-Schutzfilm
hinzugefügt,
um den geätzten
Abschnitt zu schützen.
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2 zeigt eine Beziehung zwischen
der Dicke der zurückbleibenden
p-Mantelschicht und einem zwischen dem Inneren und dem Äußeren eines Streifens
(eines Stegabschnitts) wirksamen Brechungsindexunterschied (eine
Kurve bei dem in 2 gezeigten
herkömmlichen
Beispiel). Bei dem herkömmlichen
Gruppe-III-Nitrid-Halbleiter vom Steghohlleitertyp wird unter Nutzung
des Brechungsindexunterschieds, der durch den Unterschied in der Dicke
der p-AlGaN-Mantelschicht 210 zwischen
dem Inneren und dem Äußeren des
Stegabschnitts verursacht ist, wie in 2 gezeigt
ist, eine wirksame Brechungsindexverteilung in einem Abschnitt (A)
und einem Abschnitt (B) ausgebildet, wo durch eine transversale Mode
gesteuert wird. Die Steuerung des wirksamen Brechungsindex im Abschnitt
(B) von 1 wird durch
Regulieren einer Schichtdicke T der p-AlGaN-Mantelschicht 210,
die nicht geätzt
worden ist, durchgeführt.
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Folglich
werden optische Parameter, bei denen ein Lichtemissionswinkel in
der vertikalen Richtung 34° und
ein Lichtemissionswinkel in der horizontalen Richtung 7° ist, bei
einem Dauerstrichbetrieb bei Raumtemperatur erzielt. Außerdem beträgt die Lebensdauer
einer Vorrichtung bei Dauerstrichbetrieb bei Raumtemperatur ungefähr 35 Stunden. 3 zeigt, wie sich ein Betriebsstrom
des herkömmlichen
Gruppe-III-Nitrid-Halbleiterlasers vom Steghohlleitertyp bei Dauerstrichbetrieb
bei Raumtemperatur ändert.
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Bei
dem herkömmlichen
Gruppe-III-Nitrid-Halbleiterlaser vom Steghohlleitertyp, der in 1 gezeigt ist, war jedoch
ein Problem, dass das Herstellen eines Halbleiterlasers, der eine
gleichmäßige transversale
Charakteristik bei einer hohen Ausbeute aufweist, äußerst schwierig
ist. Zum Ätzen
wird ein Trockenätzen
wie etwa ein reaktives Ionen-Ätzen, ein
reaktives Ionenstrahl-Ätzen
oder dergleichen angewendet, da es für den Gruppe-III-Nitrid-Halbleiter kein
geeignetes chemisches Ätzmittel
gibt, und die Steuerung der Schichtdicke einer P-AlGaN-Schicht 210 eines Abschnitts
(B) in 1 wird als zeitabhängige Steuerung
durchgeführt,
da keine geeignete das Ätzen
stoppende Schicht vorhanden ist. Jedoch verwendet die zeitabhängige Steuerung
oder dergleichen eine weniger präzise
Technik. Dadurch schwankt eine Schichtdicke der P-AlGaN-Schicht 210 über mehrere
Lose oder über
denselben Wafer, wodurch die Steuerbarkeit der transversalen Mode erheblich
beeinträchtigt
ist und sich die Produktionsausbeute verschlechtert.
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Ein
weiteres Problem ist die kurze Lebensdauer bei Dauerstrichbetrieb
bei Raumtemperatur. Der Anmelder der Erfindung hat entdeckt, dass
sie die Folge der Anwendung eines Trockenätzes als Verfahren zum Bilden
einer streifenartigen Stegform ist. Genauer resultiert das oben
angegebene Problem daraus, dass die seitlichen Oberflächen und eine
untere Oberfläche
eines zu ätzenden
Halbleiters durch eine Ätzbehandlung
beschädigt
werden, wodurch ein Kristalldefekt und das Auftreten von Poren in
dem SiO2 eines SiO2-Schutzfilms,
der eine p-AlGaN-Mantelschicht an der Seitenfläche des Stegs und außerhalb
des Stegs bedeckt, hervorgerufen werden, wodurch genau genommen
die Kristall- Oberfläche nicht
ausreichend geschützt
werden kann.
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Die
Erfindung ist angesichts der oben dargestellten Bedingungen gemacht
worden, wobei eine ihrer Aufgaben ist, einen Halbleiterlaser mit
einer transversalen Monomode-Charakteristik zu schaffen, der mit
einer hohen Produktionsausbeute hergestellt werden kann.
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JP 01 184 973 A offenbart
einen Verbindungshalbleiterlaser mit einer unteren Mantelschicht, einer
aktiven Schicht und einer oberen Mantelschicht, der einen vergrabenen
Vorsprungsabschnitt aufweist.
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DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung ist in den beigefügten
Ansprüchen
1 bis 13 definiert.
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Ein
Verbindungshalbleiterlaser aus einem Gruppe-III-Nitrid-Halbleiter
gemäß der Erfindung
umfasst eine erste Mantelschicht von einem ersten Leitfähigkeitstyp,
die auf einem Substrat ausgebildet ist; eine aktive Schicht, die
auf der ersten Mantelschicht ausgebildet ist; eine zweite Mantelschicht,
von einem zweiten Leitfähigkeitstyp,
die auf der aktiven Schicht ausgebildet ist; und eine vergrabene
Schicht, die auf der zweiten Mantelschicht ausgebildet ist, wobei
die vergrabene Schicht einen Öffnungsabschnitt
besitzt, um einen Strom in einem ausgewählten Bereich der aktiven Schicht
einzuengen, wobei ein oberer Abschnitt der zweiten Mantelschicht
einen Stegabschnitt aufweist, wobei sich der Stegabschnitt in dem Öffnungsabschnitt
der vergrabenen Schicht befindet und die vergrabene Schicht im Wesentlichen
kein von der aktiven Schicht ausgegebenes Licht absorbiert, wobei
die vergrabene Schicht einen Brechungsindex besitzt, der ungefähr gleich
jenem der zweiten Mantelschicht ist, wodurch die oben angegebene
Aufgabe gelöst
wird.
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In
einer Ausführungsform
sind eine Lichtführungsschicht
vom zweiten Leitfähigkeitstyp
mit einem Brechungsindex, dessen Wert größer als jener der zweiten Mantelschicht
ist, eine dritte Mantelschicht, vom zweiten Leitfähigkeitstyp,
und eine Kontaktschicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp in dieser Reihenfolge
nacheinander auf dem oberen Abschnitt der zweiten Mantelschicht
ausgebildet.
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In
einer Ausführungsform
ist die Lichtführungsschicht
aus InGaAlN hergestellt.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist die vergrabene Schicht eine dielektrische Dünnschicht, die wenigstens eine
oder mehrere Verbindungen aus der Gruppe enthält, die TiO2,
ZrO2, HfO2, CeO2, In2O3, Nd2O3, Sb2O3, SnO2, Ta2O5 und ZnO enthält.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist die vergrabene Schicht aus einem ZnMgCdSSe-Verbindungshalbleiter
hergestellt.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist die vergrabene Schicht aus einem Halbleiter hergestellt, dessen
Zusammensetzung ungefähr
gleich jener der zweiten Mantelschicht ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist die vergrabene Schicht isolierend oder vom ersten Leitfähigkeitstyp.
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In
noch einer weiteren Ausführungsform
ist eine Kontaktschicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp auf dem oberen
Abschnitt der zweiten Mantelschicht ausgebildet.
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Ein
Verbindungshalbleiterlaser aus einem Gruppe-III-Nitrid-Halbleiter
gemäß der Erfindung
umfasst eine erste Mantelschicht von einem ersten Leitfähigkeitstyp,
die auf einem Substrat ausgebildet ist, eine aktive Schicht, die
auf der ersten Mantelschicht ausgebildet ist, eine zweite Mantelschicht,
von einem zweiten Leitfähigkeitstyp,
die auf der aktiven Schicht ausgebildet ist, und eine Reflexionsschicht,
die auf der zweiten Mantelschicht ausgebildet ist, wobei die Reflexionsschicht
einen Öffnungsabschnitt
besitzt, um einen Strom in einem ausgewählten Bereich der aktiven Schicht
einzuengen, wobei eine Schicht aus einem Halbleiter vom zweiten
Leitfähigkeitstyp,
deren Zusammensetzung ungefähr
gleich jener der zweiten Mantelschicht ist, in dem Öffnungsabschnitt der
Reflexionsschicht ausgebildet ist und die Reflexionsschicht einen
Brechungsindex besitzt, dessen Wert kleiner als jener der zweiten
Mantelschicht ist, wodurch die oben angegebene Aufgabe gelöst wird.
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In
einer Ausführungsform
ist die Reflexionsschicht aus InGaAlN hergestellt.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist Reflexionsschicht isolierend oder vom ersten Leitfähigkeitstyp.
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In
noch einer weiteren Ausführungsform
sind eine dritte Mantelschicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp und eine Kontaktschicht
vom zweiten Leitfähigkeitstyp
auf der Reflexionsschicht ausgebildet.
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Im
Folgenden wird die Wirkungsweise der Erfindung beschrieben.
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Die
Erfindung ermöglicht
die Schaffung einer Vorrichtungsstruktur, bei der sich eine Transversalschwingungsmode
nicht infolge einer Veränderung
des Ausmaßes
des Ätzens
verändert,
und die effektive Herstellung eines Gruppe-III-Nitrid-Halbleiterlasers vom Steghohlleitertyp
mit gleich bleibenden Eigenschaften.
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Außerdem wird
eine Vorrichtung mit einer wesentlich verbesserten Betriebsdauer
verwirklicht, bei der ein Kristalldefekt, der durch eine Beschädigung verursacht
ist, die sich bei einem Ätzvorgang ergibt,
daran gehindert wird, sich bei Dauerstrichbetrieb in eine aktive
Schicht fortzupflanzen, indem eine dielektrische Schicht mit kleineren
Poren außerhalb des
stegförmigen
Streifens durch Ätzen
ausgebildet wird oder eine Struktur mit einer dicken Halbleiterschicht
ausgebildet wird, wodurch ein stegförmiger Streifen im Wesentlichen
vergraben wird.
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Außerdem wird
eine Vorrichtung mit einer wesentlich verbesserten Betriebsdauer
verwirklicht, bei der ein Kristalldefekt, der durch eine Beschädigung verursacht
ist, die sich bei einem Ätzvorgang ergibt,
daran gehindert wird, sich bei Dauerstrichbetrieb in eine aktive
Schicht fortzupflanzen, indem entweder ein durch Ätzen ausgebildeter
Rillenabschnitt konvexer Gestalt als Strompfad verwendet wird oder indem
mit einer Halbleiterschicht eine vergrabene Struktur geschaffen
wird.
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2 zeigt einen zwischen dem
Inneren und dem Äußeren des
Stegs wirksamen Brechungsindexunterschied in einer Struktur einer
Vorrichtung, die keine Lichtführungsschicht
aufweist, wenn ein geätzter
Abschnitt mit einem Material vergraben ist, das einen Brechungsindex
aufweist, der jenem einer p-Mantelschicht völlig gleich ist (in 2 eine Linie für die Erfindung).
Wie 2 zeigt, ist gemäß der Erfindung
der zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Stegs wirksame Brechungsindexunterschied
beseitigt. Andererseits tritt ein Verstärkungsunterschied in einem
Abschnitt direkt unter einem Steg in der aktiven Schicht und in
einem Abschnitt direkt unter der vergrabenen Schicht durch eine
den Strom einengende Wirkung der vergrabenen Stegschicht auf, wodurch
die Transversalschwingungsmode gesteuert wird. Bei der Struktur
ist ein Fehlertoleranzbereich in Bezug auf eine Ätztiefe bei einem Ätzverfahren
zur Bildung eines Stegs weit, die Steuerbarkeit der Transversalschwingungsmode
wird stabil und folglich verbessert sich die Produktionsausbeute
einer Laservorrichtung mit gleich bleibenden Eigenschaften.
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Außerdem erzeugen
diese Materialien, die vergraben werden, keine Wärme infolge Lichtabsorption,
da sie für
Licht mit einer Emissionswellenlänge des
Lasers durchlässig
sind, noch beeinflussen sie die Transversalschwingungsmode des Lasers,
da sie einen Brechungsindex besitzen, der ungefähr jenem der zweiten Mantelschicht
gleich ist, weshalb sie als vergrabene Schicht geeignet sind.
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Außerdem wird
ein Kristalldefekt, der durch eine Beschädigung verursacht ist, die
sich bei einem Ätzvorgang
ergibt, daran gehindert, sich bei Dauerstrichbetrieb in eine aktive
Schicht fortzupflanzen, da ein durch Ätzen ausgebildeter stegförmiger Streifenabschnitt
mit der vergrabenen Schicht vergraben worden ist, wodurch eine Vorrichtung
mit einer wesentlich verbesserten Betriebsdauer geschaffen wird. Außerdem verschwindet,
wenn ein Gruppe-III-Nitrid-Halbleiter mit einer Zusammensetzung,
die ungefähr
jener der zweiten Mantelschicht gleich ist, als Material für die vergrabene
Schicht verwendet wird, ein Unterschied in der Gitterkonstanten
zwischen der vergrabenen Schicht und einer weiteren Epitaxialschicht.
Folglich können
Effekte, die eine Vorrichtung unter mechanische Spannung setzen,
wie etwa eine thermische Gitterdeformation, vermieden werden.
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4 zeigt eine Beziehung zwischen
einer Restschichtdicke einer p-Mantelschicht und einem zwischen
dem Inneren und dem Äußeren eines
Streifens wirksamen Brechungsindexunterschied (herkömmliches
Beispiel in 4) sowie
eine Beziehung zwischen der Restschichtdicke der p-Mantelschicht und
einem zwischen dem Inneren und dem Äußeren eines Streifens wirksamen
Brechungsindexunterschied, wenn ein geätzter Abschnitt mit einem Material
vergraben wird, das in einer Struktur der Vorrichtung mit einer
Lichtführungs schicht
den gleichen Brechungsindex wie die p-Mantelschicht aufweist (Erfindung
in 4). Indem eine Struktur
geschaffen wird, bei der die Lichtführungsschicht in dem Stegabschnitt
enthalten ist, wie oben beschrieben worden ist, wird ein wirksamer
Brechungsindex im Inneren des Stegs groß, wie in 4 gezeigt ist, wodurch ein Lichtausbreitungsbereich
in seitlicher Richtung in der Mitte konzentriert wird. Dadurch wird
ein Steuern der Transversalschwingungsmode leichter als bei einem Laser
vom Steghohlleitertyp, der eine Verstärkungsdifferenz nutzt, wie
weiter oben beschrieben worden ist. Wenn die vergrabene Schicht
nicht vorgesehen ist oder wenn ein Brechungsindex der vergrabenen Schicht
von jenem der zweiten Mantelschicht abweicht, steht eine Dicke der
zweiten Mantelschicht außerhalb
des Stegs (eine Ätzrestschichtdicke)
mit einem Wert eines wirksamen Brechungsindex außerhalb des Stegs im Zusammenhang,
wodurch die Eigenschaften des Lasers wesentlich beeinflusst werden.
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Bei
der Struktur der Erfindung ist jedoch ein Brechungsindex einer vergrabenen
Schicht jenem der zweiten Mantelschicht völlig gleich; folglich hat eine
Dicke der zweiten Mantelschicht außerhalb des Stegs (eine Ätzrestschichtdicke)
keinen Einfluss auf einen wirksamen Brechungsindex außerhalb
des Stegs. Folglich ist es nicht erforderlich, eine Ätztiefe präzise zu
steuern, und es ist nur erforderlich, dass die Ätztiefe eine Grenzfläche zwischen
der Lichtführungsschicht
und der zweiten Mantelschicht erreicht, so dass sich wenigstens
die Lichtführungsschicht
innerhalb des Stegs befindet. Außerdem ist es selbst bei einem Überätzen nur
erforderlich, dass sich die untere Ätzfläche innerhalb der zweiten Mantelschicht befindet.
Folglich ist ein Fehlertoleranzbereich beim Ätzen groß, die Steuerbarkeit der Transversalschwingungsmode
wird stabil, und die Produktionsausbeute des Lasers verbessert sich.
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Gemäß der Erfindung
wird, indem eine Halbleiterschicht mit einem Öffnungsabschnitt vorgesehen
wird, die vom ersten Leitfähigkeitstyp
oder isolierend ist und einen kleineren Brechungsindex als die zweite
Mantelschicht aufweist, ein Vorrichtungsstrom in dem Öffnungsabschnitt
konzentriert, wodurch eine Verstärkungsverteilung
in einer seitlichen Richtung des Lasers erzeugt wird. Außerdem wird
ein wirksamer Brechungsindex in einer Halbleiterschicht in dem Öffnungsabschnitt
im Verhältnis
zu den anderen Abschnitten größer, und
ein Lichtausbreitungsbereich in der seitlichen Richtung ist auf
die Mitte konzentriert, wodurch zusätzlich zu dem Effekt der oben
beschriebenen Verstärkungs verteilung
die Steuerung der Transversalschwingungsmode erleichtert wird.
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Außerdem können bei
Verwendung von InGaAlN als Material für eine Halbleiterschicht, die
auf der zweiten Mantelschicht abgelagert wird und einen kleineren
Brechungsindex als die zweite Mantelschicht zeigt, entsprechende
Gruppe-III-Nitrid-Schichten,
die der Reihe nach auf der Schicht aufgewachsen werden, epitaktisch
aufgewachsen werden, während
die Entstehung eines Defekts unterbunden ist, wodurch sich die Zuverlässigkeit
des Lasers verbessert.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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1 ist eine schematische
Darstellung, die eine Querschnittstruktur des herkömmlichen
Halbleiterlasers zeigt;
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2 ist ein Diagramm, das
eine Restschichtdicke einer p-Mantelschicht und einen wirksamen
Brechungsindexunterschied in einer Vorrichtungsstruktur, die keine
Lichtführungsschicht
besitzt, zeigt, wenn ein Vergleich zwischen dem herkömmlichen
Beispiel und der Erfindung angestellt wird;
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3 ist ein Diagramm, das
die Veränderung
eines Betriebsstroms des herkömmlichen
Halbleiterlasers bei kontinuierlicher Elektrizitätsleitung bei Raumtemperatur
zeigt;
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4 ist ein Diagramm, das
eine Restschichtdicke einer p-Mantelschicht und einen wirksamen
Brechungsindexunterschied in einer Vorrichtungsstruktur, die eine
Lichtführungsschicht
besitzt, zeigt, wenn ein Vergleich zwischen dem herkömmlichen
Beispiel und der Erfindung angestellt wird;
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5 ist eine schematische
Darstellung, die eine Querschnittstruktur eines Halbleiterlasers
gemäß dem Beispiel
1 der Erfindung zeigt;
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6 ist eine schematische
Darstellung, die Schritte zur Herstellung eines Halbleiterlasers
gemäß dem Beispiel
1 der Erfindung zeigt;
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7 ist ein Diagramm, das
eine Änderung eines
Betriebsstroms bei Dauerstrichbetrieb des Halbleiterlasers gemäß dem Beispiel
1 der Erfindung bei Raumtemperatur zeigt;
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8 ist eine schematische
Darstellung, die eine Querschnittstruktur eines Halbleiterlasers
gemäß dem Beispiel
2 der Erfindung zeigt;
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9 ist eine schematische
Darstellung, die eine Querschnittstruktur eines Halbleiterlasers
gemäß dem Beispiel
3 der Erfindung zeigt;
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10 ist eine schematische
Darstellung, die eine Querschnittstruktur eines Halbleiterlasers gemäß dem Beispiel
4 der Erfindung zeigt;
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11 ist eine schematische
Darstellung, die Schritte zur Herstellung des Halbleiterlasers gemäß dem Beispiel
4 der Erfindung zeigt.
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BESTE AUSFÜHRUNGSFORM
DER ERFINDUNG
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Im
Folgenden werden Beispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.
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Beispiel 1
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5 ist eine schematische
Darstellung, die eine Querschnittstruktur eines Halbleiterlasers
gemäß dem Beispiel
1 der Erfindung zeigt. 6 ist eine
schematische Darstellung, welche die Herstellungsschritte davon
zeigt.
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Eine
Laserdiode des vorliegenden Beispiels wird gemäß dem folgenden Verfahren hergestellt: Zuerst
werden eine undotierte GaN-Pufferschicht 102 von 20 nm,
eine GaN-Kontaktschicht 103 vom n-Leitungstyp (im Folgenden
als "n-" dargestellt) von 5 μm, eine n-Al0,3Ga0,7N-Mantelschicht 104 von
1 μm, eine
Licht einschließende
Schicht 105 von 0,1 μm, eine
aktive Schicht 106 mit einer InGaN-MQW-Struktur, eine Licht
einschließende
GaN-Schicht 107 vom p-Leitungstyp (im Folgenden als "p-" dargestellt) von 0,1 μm, eine p-Al0,3Ga0,7N-Mantelschicht 108 von
1 μm und
eine p-GaN-Kontaktschicht 109 von 0,5 μm auf einem Saphirsubstrat 101 mit
einer (0001)-Ebenenorientierung (Ebene C) der Reihe nach durch ein Verfahren
der metallorganisch-chemischen Abscheidung aus der Dampfphase (MOCVD)
epitaktisch aufgewachsen (6(a)).
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Als
Nächstes
wird eine Maskierung M1 auf einen Abschnitt der p-Kontaktschicht 109 aufgebracht,
und ein unmaskierter Abschnitt der Epitaxialschicht wird bis zu
einer geeigneten Tiefe in der n-Kontaktschicht 103 trockengeätzt, wodurch
eine Mesa-Form ausgebildet wird (6(b)).
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Nachdem
die Maske M1 entfernt worden ist, wird dann ein Abschnitt einer
Mesa-Kopffläche
sowie die gesamte Oberfläche
der n-Kontaktschicht 103, die durch das Ätzen freigelegt
wurde, mit einer Maske M2 bedeckt und erneut einem Trockenätzen unterworfen,
wodurch in dem oberen Abschnitt der Mesa eine Stegstruktur ausgebildet
wird. In diesem Fall erreicht eine Tiefe des Ätzvorgangs irgendeine Position
in der p-Mantelschicht 108, weshalb es nicht erforderlich
ist, eine Dicke H der Restschicht zu steuern (6(c)).
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Anschließend wird
ein Gemisch aus TiO2 und ZrO2 mittels
eines Elektronenstrahl-Ablagerungsverfahrens auf einer oberen Oberfläche einer
Vorrichtung abgelagert. Die Dicke der abgelagerten Schicht ist so
beschaffen, dass eine Oberfläche
der abgelagerten Schicht auf gleicher Höhe mit der oberen Oberfläche des
Stegs ist. Das heißt
der Stegabschnitt wird mit einer vergrabenen Schicht 110,
die aus dem Gemisch aus TiO2 und ZrO2 gebildet ist, vergraben (6(d)).
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Zum
Schluss werden eine Mischschicht 110 aus TiO2 und
ZrO2, die Maske M2, die auf der n-GaN-Kontaktschicht 103 ausgebildet
ist, und eine Mischschicht 110 aus TiO2 und
ZrO2 auf der Maske M2 entfernt, und es werden
eine n-Seitenelektrode 111 sowie eine p-Seitenelektrode 112 ausgebildet. Auf
diese Weise wird eine Laserstruktur vom Steghohlleitertyp entsprechend 5 vollendet.
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Der
Halbleiterlaser des vorliegenden Beispiels ist so ausgelegt, dass
das Licht, das von der aktiven Schicht 106 ausgegeben wird,
eine Wellenlänge
von ungefähr
520 nm hat. Der Brechungsindex der p-Mantelschicht 108 beträgt ungefähr 2,33
in Bezug auf Licht mit dieser Wellenlänge. Das dielektrische Material
für die
vergrabene Schicht ist eine Mischung aus TiO2 Brechungsindex
= 2,35) und ZrO2 (Brechungsindex = 2,05),
die so eingestellt ist, dass der Brechungsindex der abgelagerten
Mischschicht bei einer Wellenlänge
von 520 nm 2,33 sein wird. In diesem Fall beträgt das Mischungsverhältnis (Molverhältnis) von
TiO2 und ZrO2 93
: 7. Wenn sich eine Emissionswellenlänge auf Grund einer Designänderung
der aktiven Schicht verändert,
wird auch der Brechungsindex der p-Mantelschicht 108 verändert. In
einem solchen Fall kann der Brechungsindex durch Ändern des
Mischungsverhältnisses
von TiO2 und ZrO2 oder
durch Abändern
der Bedingungen für die
Ablagerung eingestellt werden.
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Der
Typ des dielektrischen Materials ist nicht auf TiO2 und
ZrO2 beschränkt. Es kann dielektrisches Material
jedes Typs verwendet werden, so lange es an einer Emissionswellenlänge des
Lasers Licht nicht wesentlich absorbiert, d. h. es für Licht,
das von der aktiven Schicht 106 ausgegeben wird, durchlässig ist.
Der Ausdruck "es
absorbiert nicht wesentlich Licht an einer Emissionswellenlänge des
Lasers" bedeutet
hier, dass keine Lichtabsorption auftritt, die eine Transversalschwingungsmode
des Lasers nachteilig beeinflussen würde. Es ist überflüssig zu erwähnen, dass
ein Verfahren zum Bilden der dielektrischen Schicht nicht auf ein
Elektronenstrahl-Ablagerungsverfahren beschränkt ist. Es können dafür Zerstäubungsverfahren
oder andere Schichtbildungsverfahren verwendet werden.
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Bei
dem auf diese Weise gebildeten Halbleiterlaser vom Typ des vergrabenen
Steghohlleiters wird ein Strom durch die vergrabene Schicht 110,
die ein Isolator ist, eingeengt und in einem Abschnitt direkt unter
dem Stegabschnitt der aktiven Schicht konzentriert, wodurch eine
Verstärkungsverteilung
auftritt. Andererseits ist der Brechungsindex der vergrabenen Schicht
jenem der p-Mantelschicht
gleich, wodurch sich die Brechungsindex-Verteilung für das Licht,
das von der aktiven Schicht ausgegeben wird, nicht ergibt. Folglich
ist die Steuerung der Transversalschwingungsmode des Lasers leicht,
denn sie kann durch das Steuern der Stegbreite gesteuert werden.
Außerdem
ist es nicht erforderlich, die Dicke der Restschicht präzise zu
steuern, wodurch ein zulässiger
Fehlerbereich erweitert wird und die Produktionsausbeute ansteigt.
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Außerdem pflanzt
sich ein Kristalldefekt infolge eines Fehlers, der während des Ätzvorgangs hervorgerufen
wird, nicht durch einen kontinuierlichen Elektrizitätsleitungsvorgang
in die aktive Schicht fort, da der durch das Ätzen ausgebildete stegförmige Streifenabschnitt
mit der vergrabenen Schicht 110, die aus einer Mischung
aus TiO2 und ZrO2 besteht,
aufgefüllt
ist. Folglich kann eine Vorrichtung mit einer weiter verbesserten
Betriebslebensdauer erzielt werden. Wie in 7 gezeigt ist, erreicht gemäß der Erfindung
die Lebensdauer der Vorrichtung bei einer kontinuierlichen Elektrizitätsleitung
bei Raumtemperatur 120 Stunden und mehr.
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Beispiel 2
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8 ist eine schematische
Darstellung, die eine Querschnittstruktur eines Halbleiterlasers
gemäß dem Beispiel
2 der Erfindung zeigt. Die Laserdiode der Erfindung verwendet ein
nichtleitendendes Substrat. Ein Verfahren zur Herstellung davon
weist Fertigungsschritte auf, die im Wesentlichen jenen des Beispiels
1 gleich sind.
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Zuerst
werden eine undotierte GaN-Pufferschicht 402 von 20 nm,
eine n-GaN-Kontaktschicht 403 von
5 μm, eine
erste n-Al0,08Ga0,92N-Mantelschicht 404 von
1 μm, eine
Licht einschließende n-GaN-Schicht 405 von
0,1 μm,
eine aktive Schicht 406 mit einer InGaN-MQW-Struktur, eine
das Katodenzerstäuben
verhindernde p-Al0,2Ga0,8N-Schicht 407 von
0,05 μm,
eine Licht einschließende p-GaN-Schicht 408 von
0,1 μm,
eine zweite p-AlGaN-Mantelschicht 409 von 0,2 μm, eine p-GaN-Lichtführungsschicht 410 von
0,05 μm,
eine dritte p-Al0,08Ga0,92N-Mantelschicht 411 von
0,8 μm und
eine p-GaN-Kontaktschicht 412 von 0,5 μm auf einem Saphirsubstrat 401 mit
einer (0001)-Ebenenorientierung (Ebene C) der Reihe nach durch ein
Verfahren der metallorganisch-chemischen Abscheidung aus der Dampfphase
(MOCVD) epitaktisch aufgewachsen.
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Als
Nächstes
wird eine Maskierung M1 auf einen Abschnitt der p-Kontaktschicht 412 aufgebracht,
und ein unmaskierter Abschnitt der Epitaxialschicht wird bis zu
einer geeigneten Tiefe in der n-Kontaktschicht 403 trockengeätzt, wodurch
eine Mesa-Form ausgebildet wird. Außerdem werden, nachdem die
Maske M1 entfernt worden ist, ein Abschnitt einer Mesa-Kopffläche und
die gesamte Oberfläche
der n-Kontaktschicht 403, die durch das vorangehende Ätzen freigelegt
wurden, mit einer Maske M2 bedeckt und erneut einem Trockenätzen unterworfen,
wodurch in dem oberen Abschnitt der Mesa eine Stegstruktur ausgebildet
wird. In diesem Fall erreicht eine Tiefe des Ätzvorgangs irgendeine Position in
der zweiten p-Mantelschicht 409, weshalb es nicht erforderlich
ist, die Restschichtdicke zu steuern. Nachfolgend wird eine Cl-dotierte
ZnMgSSe-Verbindung mittels eines Molekularstrahl-Epitaxieverfahrens
(MBE) auf einer oberen Oberfläche
einer Vorrichtung abgelagert. Die Dicke der Verbindungsschicht ist
so beschaffen, dass eine Oberfläche
der Schicht auf gleicher Höhe
mit der oberen Oberfläche des
Stegs ist. Das heißt
der Stegabschnitt wird mit einer vergrabenen Schicht 413 vergraben,
die aus ZnMgSSe gebildet ist.
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Zum
Schluss werden die Maske M1, die Maske M2 und die Cl-dotierte ZnMgSSe-Verbindung, die
auf der Maske M1 und der Maske M2 ausgebildet ist, entfernt, und
es werden eine n-Seitenelektrode 414 sowie eine p-Seitenelektrode 415 ausgebildet. Auf
diese Weise wird eine Laserstruktur vom Steghohlleitertyp entsprechend 8 vollendet.
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Der
Halbleiterlaser des vorliegenden Beispiels ist so ausgelegt, dass
das Licht, das von der aktiven Schicht 406 ausgegeben wird,
eine Wellenlänge
von ungefähr
410 nm hat. Der Brechungsindex der zweiten p-Mantelschicht 409 beträgt ungefähr 2,50
für Licht
mit dieser Wellenlänge.
Folglich wird das Mischungsverhältnis
der Elemente von ZnMgSSe, das für
den Gruppen-II-VI-Halbleiter in der vergrabenen Schicht verwendet
wird, so eingestellt, dass eine Bandlücke 3,30 eV oder mehr und ein
Brechungsindex 2,50 beträgt.
Wenn sich eine Emissionswellenlänge
auf Grund einer Designänderung
der aktiven Schicht verändert,
wird auch der Brechungsindex der zweiten p-Mantelschicht 409 verändert. In einem
solchen Fall kann der Brechungsindex der vergrabenen Schicht durch Ändern des
Mischungsverhältnisses
von ZnMgSSe verändert
werden. Ein Gruppen-II-VI-Halbleitertyp ist nicht auf ZnMgSSe beschränkt. Beispielsweise
könnte
ZnCdSe verwendet werden. Außerdem
ist es überflüssig zu
erwähnen,
dass ein Verfahren zum Bilden der Gruppe-II-VI-Halbleiterschicht
nicht auf ein epitaktisches Aufwachsen mittels des Molekularstrahlepitaxieverfahrens
beschränkt
ist. Es können
dafür auch
ein Zerstäubungsverfahren
oder ein anderes Schichtbildungsverfahren verwendet werden.
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Bei
dem auf diese Weise gebildeten Halbleiterlaser vom Steghohlleitertyp
wird ein Strom durch die Cl-dotierte vergrabene ZnMgSS2-Schicht 413, die
einen n-Leitungstyp
zeigt, eingeengt und in der aktiven Schicht direkt unter dem Stegabschnitt
der aktiven Schicht konzentriert, wodurch eine Verstärkungsverteilung
auftritt. Andererseits ist der Brechungsindex der Lichtführungsschicht 410 größer als die
Brechungsindizes der zweiten p-Mantelschicht 409 und der
vergrabene Schicht 413, und die Lichtführungsschicht 410 ist
außerhalb
des Stegs entfernt worden, wodurch sich eine wirksame Brechungsindexverteilung
zwischen dem Inneren und dem Äußeren des
Stegabschnitts ergibt. Folglich ist im Vergleich zu dem Beispiel
1, das keine Lichtführungsschicht
aufweist, die Wirksamkeit der Lichteinengung in einen Abschnitt
direkt unter dem Steg verbessert, wodurch die Steuerung der Transversalschwingungsmode
leichter wird.
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Außerdem ist
es bei der Bildung des Stegs durch Trockenätzen nur erforderlich, dass
das Ätzen wenigstens
eine Grenzfläche
zwischen der Lichtführungsschicht 410 und
der zweiten Mantelschicht 409 erreicht. Auch ist ein Überätzen zulässig, so
lange die Ätzung
nicht die Licht einschließende
Schicht 408 erreicht. Dementsprechend ist es nicht erforderlich,
die Restschichtdicke präzise
zu steuern, wodurch sich die Produktionsausbeute verbessert.
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Außerdem pflanzt
sich ein Kristalldefekt infolge eines Fehlers, der während des Ätzvorgangs hervorgerufen
wird, nicht bei Dauerstrichbetrieb in die aktive Schicht fort, da
ein stegförmiger
Streifenabschnitt mit der vergrabenen Schicht 413, die
aus ZnMgSSe gebildet ist, vergraben ist, wodurch eine Vorrichtung
mit einer wesentlich verbesserten Betriebslebensdauer erzielt wird.
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Beispiel 3
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9 ist eine schematische
Darstellung, die eine Querschnittstruktur eines Halbleiterlasers
gemäß dem Beispiel
3 der Erfindung zeigt. Eine Laserdiode des vorliegenden Beispiels
wird gemäß dem folgenden
Verfahren hergestellt:
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Zuerst
werden eine undotierte GaN-Pufferschicht 502 von 20 nm,
eine erste n-Al0,08Ga0,92N-Mantelschicht 503 von
1 μm, eine Licht
einschließende
n-GaN-Schicht 504 von
0,1 μm, eine
aktive Schicht 505 mit einer InGaN-MQW-Struktur, eine das Katodenzerstäuben verhindernde p-Al0,2Ga0,8N-Schicht 506 von
0,05 μm,
eine Licht einschließende
p-GaN-Schicht 507 von 0,1 μm, eine zweite p-Al0,08Ga0,92N-Mantelschicht 508 von 0,2 μm, eine p-Al0,02Ga0,98N-Lichtführungsschicht 509 von 0,05 μm, eine dritte
p-Al0,08Ga0,92N-Mantelschicht 510 von
0,8 μm und
eine p-GaN-Kontaktschicht 511 von 0,5 μm auf einem n-SiC-Substrat 501 der
Reihe nach durch das MOCVD-Verfahren epitaktisch aufgewachsen.
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Als
Nächstes
wird eine Maske auf einen Abschnitt der p-Kontaktschicht 511 aufgebracht,
und ein unmaskierter Abschnitt der Epitaxialschicht wird trockengeätzt, um
eine Stegstruktur auszubilden. In diesem Fall erreicht eine Tiefe
des Ätzvorgangs
irgendeine Position in der zweiten p-Mantelschicht 508;
deshalb ist es nicht erforderlich, die Restschichtdicke zu steuern.
Anschließend
wird nur an der seitlichen Oberfläche des Stegs eine n-Al0,08Ga0,92N-Schicht
ausgebildet, während
die Maske auf dem oberen Abschnitt des Stegs bei selektivem Wachstum
mittels des MOCVD-Verfahrens belassen wird. Die Dicke der AlGaN-Schicht
ist so beschaffen, dass eine Oberfläche der Schicht auf gleicher
Höhe mit
der oberen Oberfläche
des Stegs ist. Das heißt
der Stegabschnitt ist mit einer vergrabenen Schicht 512 vergraben,
die aus Al0,08Ga0,92N besteht.
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Zum
Schluss wird die Maske entfernt, und eine n-Seitenelektrode 513 wird
an der rückseitigen Oberfläche des
Substrats ausgebildet, und eine p-Seitenelektrode 514 wird
an der oberen Oberfläche der
Vorrichtung ausgebildet. Auf diese Weise wird eine Laserstruktur
vom Steghohlleitertyp entsprechend 9 vollendet.
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Der
Halbleiterlaser des vorliegenden Beispiels ist derart ausgelegt,
dass das Licht, das von der aktiven Schicht 505 ausgegeben
wird, eine Wellenlänge
von ungefähr
450 nm hat. Der Brechungsindex der zweiten p-Mantelschicht 508 beträgt ungefähr 2,45
für Licht
mit dieser Wellenlänge.
Bei dem vorliegenden Beispiel hat die vergrabene Schicht 512 einen
Leitfähigkeitstyp,
der von jenem der zweiten p-Mantelschicht 508 verschieden
ist, wobei jedoch die Zusammensetzung der vergrabenen Schicht 512 jener
der zweiten p-Mantelschicht 508 völlig gleich ist. Der Brechungsindex
der vergrabenen Schicht 512, die für Licht mit der Emissionswellenlänge durchlässig ist,
beträgt
ungefähr
2,45.
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Bei
dem Halbleiterlaser vom Steghohlleitertyp des vorliegenden Beispiels
wird ein Vorrichtungsstrom durch die vergrabene Schicht 512 eingeengt und
in der aktiven Schicht direkt unter dem Stegabschnitt konzentriert,
wodurch sich eine Verstärkungsverteilung
ergibt. Andererseits ist der Brechungsindex der Lichtführungsschicht 509 größer als
die Brechungsindizes der zweiten p-Mantelschicht 508 und der
vergrabenen Schicht 512, und die Lichtführungsschicht 509 ist
außerhalb
des Stegs entfernt worden, wodurch sich eine wirksame Brechungsindexverteilung
zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Stegabschnitts
ergibt. Folglich verbessert sich, wie im Beispiel 2, die Wirksamkeit
des Lichteinschlusses in einem Abschnitt direkt unter dem Steg,
wodurch die Steuerung der Transversalschwingungsmode leichter wird.
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Außerdem ist
es bei der Bildung des Stegs durch Trockenätzen nur erforderlich, dass
eine Ätzbodenfläche wenigstens
eine Grenzfläche
zwischen der Lichtführungsschicht 509 und
der zweiten p-Mantelschicht 508 erreicht. Auch ist ein Überätzen zulässig, so
lange die Ätzung
nicht die Licht einengende Schicht 507 erreicht. Dementsprechend
ist es nicht erforderlich, die Rest schichtdicke präzise zu
steuern, wodurch sich die Produktionsausbeute verbessert.
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Beispiel 4
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10 ist eine schematische
Darstellung, die eine Querschnittstruktur eines Halbleiterlasers gemäß dem Beispiel
4 der Erfindung zeigt, und 11 ist
eine schematische Darstellung, die Schritte zur Herstellung des
Lasers zeigt. Eine Laserdiode des vorliegenden Beispiels wird gemäß dem folgenden
Verfahren hergestellt:
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Zuerst
werden eine undotierte GaN-Pufferschicht 602 von 20 nm,
eine erste n-Al0,08Ga0,92N-Mantelschicht 603 von
1 μm, eine Licht
einschließende
n-GaN-Schicht 604 von
0,1 μm, eine
aktive Schicht 605 mit einer InGaN-MQW-Struktur, eine die Katodenzerstäubung verhindernde Schicht 606 von
0,05 μm,
eine Licht einschließende p-GaN-Schicht 607 von
0,1 μm,
eine zweite p-Al0,08Ga0,92N-Mantelschicht 608 von
0,2 μm,
eine n-Al0,3Ga0,7N-Lichtreflexionsschicht 609 von
0,1 μm, eine
dritte p-Al0,08Ga0,92N-Mantelschicht 610 von
0,7 μm und
eine p-GaN-Kontaktschicht 611 von 0,5 μm auf einem n-GaN-Substrat 601 der
Reihe nach durch das MOCVD-Verfahren epitaktisch aufgewachsen (11(a)).
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Als
Nächstes
wird eine Maskierung M1 auf einen Abschnitt der p-Kontaktschicht 611 aufgebracht,
und ein unmaskierter Abschnitt der Epitaxialschicht wird trockengeätzt, um
eine konkave Struktur R auszubilden. In diesem Fall erreicht die Ätztiefe
irgendeine Position in der zweiten p-Mantelschicht 608,
weshalb es nicht erforderlich ist, die Restschichtdicke zu steuern
(11(b)).
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Anschließend wird
nur innerhalb einer Rille in der konkaven Struktur eine p-Al0,08Ga0,92N-Schicht 612 in der Umgebung
der Grenzschicht zwischen der dritten p-Mantelschicht 610 und
der p-Kontaktschicht 611 bei selektivem Wachstum durch
das MOCVD-Verfahren epitaktisch aufgewachsen, und dann wird eine
p-Kontaktschicht 613 in der Umgebung der Oberfläche der
p-Kontaktschicht 611 durch selektives Wachstum mittels
des MOCVD-Verfahrens epitaktisch aufgewachsen. Das heißt der Rillenabschnitt
der konkaven Struktur wird mit der vergrabenen Schicht 612,
die aus p-Al0,08Ga0,92N
besteht, vergraben (11(c)).
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Zum
Schluss wird die Maske M1 entfernt, und eine n-Seitenelektrode 614 wird
an der rückseitigen
Oberfläche
des Substrats ausgebildet, und eine p-Seitenelektrode 615 wird
an der oberen Oberfläche der
Vorrichtung ausgebildet (10).
Auf diese Weise wird eine Laserstruktur entsprechend 10 vollendet.
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Der
Halbleiterlaser des vorliegenden Beispiels ist derart ausgelegt,
dass das Licht, das von der aktiven Schicht 605 ausgegeben
wird, eine Wellenlänge
von ungefähr
430 nm hat. Bei dem vorliegenden Beispiel ist die vergrabene Schicht 612 im Leitfähigkeitstyp
und in der Zusammensetzung der zweiten p-Mantelschicht 608 völlig gleich,
und die Licht reflektierende Schicht 609, die einen Öffnungsabschnitt
aufweist, der dem Rillenabschnitt der konkaven Struktur entspricht,
wird auf Grund des Unterschieds im Leitfähigkeitstyp als eine den Strom
sperrende Schicht wirksam, wodurch ein Vorrichtungsstrom in der
aktiven Schicht direkt unter dem Rillenabschnitt (Öffnungsabschnitt)
konzentriert wird. Dadurch tritt eine Verstärkungsverteilung in der seitlichen
Richtung des Lasers auf.
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Andererseits
ist der Brechungsindex der Licht reflektierenden Schicht 609,
der den vom Rillenabschnitt verschiedenen Abschnitten gegeben worden
ist, kleiner als die Brechungsindizes der zweiten p-Mantelschicht 608 und
der vergrabenen Schicht 612. Außerdem ist, da der Brechungsindex über dem Rillenabschnitt
einheitlich ist, in einem von dem Rillenabschnitt verschiedenen
Abschnitt ein wirksamer Brechungsindex des Lichts klein. Folglich
unterscheidet sich der wirksame Brechungsindex zwischen dem Inneren
und dem Äußeren der
Streifenstruktur. Folglich verbessert sich die Wirksamkeit des Lichteinschlusses
in dem Streifenabschnitt, wodurch die Steuerung der Transversalschwingungsmode
leichter wird.
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Außerdem ist
es bei der Bildung der Rillenstruktur durch Trockenätzen nur
erforderlich, dass eine Ätzbodenfläche wenigstens
eine Grenzfläche zwischen
der Licht reflektierenden Schicht 609 und der zweiten p-Mantelschicht 608 erreicht.
Auch ist ein Überätzen zulässig, so
lange die Ätzung
nicht die Licht einschließende
Schicht 607 erreicht. Dementsprechend ist es nicht erforderlich,
die Restschichtdicke präzise
zu steuern, wodurch sich die Produktionsausbeute verbessert. Bei
dem Beispiel 4 sind Strukturelemente verwendet worden, die nicht
in den Ansprüchen
beschrieben sind, wie etwa verschiedene Substrate, eine Pufferschicht,
eine Licht einschließende
Schicht usw. Diese werden verwendet, um eine Laservorrichtung zu
bilden, die überlegene
Eigenschaften aufweist, wobei sie sich hinsichtlich der Struktur
des Stegabschnitts nicht auf die Anwendung der Erfindung auswirken.
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GEWERBLICHE
ANWENDBARKEIT
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Gemäß der Erfindung
kann ein Halbleiterlaser mit einer transversalen Monomode-Charakteristik mit
einer hohen Produktionsausbeute hergestellt werden, da die Transversalschwingungsmode
eines Halbleiterlasers vom Steghohlleitertyp nicht wie im Stand
der Technik mittels einer Ätzrestschichtdicke gesteuert
wird.