SE511719C2 - Begravd heterostrukturlaser med ströminneslutande skikt - Google Patents

Description

511 719 2 ansluten till det undre skiktet 5, så att det övre skiktet får högre potential än de undre, kom- mer ström att gå igenom strukturen i riktning nedåt. Laddningsbärare, dvs hål och elektroner, injiceras då i det aktiva området l. Dessa rekombinerar både genom spontan rekombination och genom stimulerad rekombination. Vid en viss lägsta ström kallad tröskelströmmen (Im) s blir den stimulerade förstärkningen så stor, att den överstiger förlusterna i laserkaviteten (på grund av utkoppling av ljus genom ändfacetterna, spridning av ljus mot imperfektioner i vågledaren och absorption av av ljus på fribärar absortption, mm). Komponenten börjar då att lasra och ljus utsänds från denna.

Den optiska uteffekten P som funktion av den elektriska strömmen I genom lasern ser wdå idealt ut såsom visas vid kurvan A i fig. 2 med en optisk uteffekt som ökar linjärt i bero- ende av strömmens ökning. Huvudsakligen tvâ fysikaliska fenomen leder emellertid till, att karakteristiken i stället ofta ser ut, såsom visas av kurvan B i fig. 2, dvs med en böjd karak- teristik, där den optiska uteffekten ökar mindre än linjärt i beroende av strömökningen från tröskelströmmen Im: 15 l) Uppvärmning av chipet, dvs av den halvledande plattan, i vilken lasern är utförd. 2) Ström-(eller spännings-)beroende läckströmmar.

Uppvännningen är proportionell mot V-I, där V är det elektriska spänníngsfallet över dioden och I är styrkan hos den elektriska strömmen genom dioden. Denna terrniska effekt kan rninimeras, genom att god termisk avledning anordnas. zo Det andra fysikaliska fenomenet är starkt beroende av, hur de strömspärrskikt 7 är utformade, som omger det aktiva sl-:iktet l till vänster och höger i fig. l.

TEKNIKENS STÅNDPUNKT I U.S. patentet 5,398,255, "Semiconductor laser having buried structure on p-InP sub- strate" för Tomoji Terakado, NEC Corporation, visas en laser av ovan beskriven typ. I detta zs patent diskuteras införandet av ett eller flera tunna skikt med lägre bandgap i strömspärrstruk- turen. lasern är uppbyggd på ett p-InP-substrat med en därpå i strömspärromrâdet placerad skiktföljd i riktning uppåt av först ett p-InP-skikt ll, som kommer från den undre manteln i vågledaren, därefter ytterligare ett p-InP-slcikt 17, vidare ett n-InP-skikt 18, ett p-InP-skikt 19, ett InGaAsP-skikt 20, ett n-InP-sldkt 21 och överst ytterligare ett n-InP-slcikt 22, som ao kommer från den övre manteln. InGaAsP-skiktet ligger sålunda i den sista pn-övergången i den allmänna p-n-p-n-strukturen sett i riktning nedifrån och uppåt.

REDoGöRELsE FÖR UPPHNNINGEN Det är syfte med uppfinníngen att anvisa en halvledarlaserdiod av BH-typ, som har minskade läckströmmar, för att göra den mer lämpad for användning i olika kommunikations- ss system.

Det är ett ytterligare syfte med uppfinningen att anvisa en halvledarlaserdiod av BH-typ, som har ett ökat framspänníngsfall i strömspärrstrukturen och som kan åstadkommas på ett enkelt sätt.

Den kända strömspärrstrukturen i en halvledarlaser av BH-typ med exempelvis en n-p- 3 511719 n-p-följd av skikt ingående i strukturen kompletteras med ett eller flera tunna, extra eller tillagda skikt, placerat resp. placerade mellan det andra n-dopade skiktet och det andra p- dopade skiktet. De tumia, extra skikten skall vara p-dopade och bestå av omväxlande material med högre bandgap och lägre bandgap. Dessa tunna skikt leder till bättre ströminneslutning s hos lasem.

Den grundläggande teknologin för att tillverka BH-lasrar i de materialsystem, som nämnts ovan, är väl känd. Den förändring i tillverkningen, som krävs för införande av de tunna sldkten i strömspärrstrukturen, medßr inte, att några fundamentalt nya processmetoder behöver utvecklas, utan framställningen av de tunna skikten kan utföras med hjälp av känd w processteknologi, såsom MOVPE ("Metal Organic Vapor Phase Epitaxy") eller LPE ("Liquid Phase Epitaxy") för odling av skikt med olika bandgap och dopning samt våtetsnings- eller torretsningsmetoder för att avlägsna eventuellt selektivt med avseende på material och/eller över bestämda, litografiskt definierade ytor.

Laserdioder av den här behandlad; typen "Buried Heterostructure" med förbättrad is ströminneslutning enligt ovan tillåter uteffekt och ger en mer linjär uteffekt-ström- karakteristik, jämfört med konventionella. BH-lasrar, särskilt vid högre temperaturer. Dessa egenskaper är viktiga för okylda lasrar fórjlågkostrladstillämpningar.

Den ovan beskrivna strukturen för möminnesluming skiljer sig i väsentliga avseenden från den kända struktur, som visas i det U.S. patentet: ao (1) Den här beskrivna strukturen iögijsuöminneslutrling i lasrar hänför sig i första hand till lasrar tillverkade pa en ii-siibsuai Sagem i det tidigare kaaaa fallet för laai-ai framsällda på p-substrat. Den här strukturen för ströminneslutning torde dock i princip även fungera för lasrar byggda påup-ísubstrat; i detta fall blir skiktföljden i strömspärr- strukturen omvänd jämfört med beskrivninggl ovan;. zs (2) Den här beskrivna strukturen hänför sig till lasrar med såväl strömspärrstrukturer av såväl n-p-n-p-typgfim n-SI-n-p-typ; den sistnämnda varianten är av särskilt stor vikt för sådana lasrar, som med andra komponenter monolitiskt, för vilka ett selni-isolerande InP-skikt behövs för att elektriskt isolera de olika delfunktionerna på samma chip från varandra, samt för att sänka kapacitansen och därmed erhålla komponenter, ae som kan moduleras för högre bithastighetct; (3) Den här beskrivna strukturen -gtrönrinneslutrling bygger på en annan fysikalisk mekanism och på en annan skiktstruktur __ förut kända. Här utnyttjas bandböjning, som uppkommer genom införandet av en med N perioder av p-InP/p-lnGaAsP på p- sidan, omedelbart ovanför ett översta n-skikt i ett konventionellt strömspärrornråde. Band- as höjningen är ekvivalent med en ökad differentiell resistans och därav följande högre spän- ningsfall. Den mekanism, som utnyttjas kända patentet är, att ett eller flera skikt av InGaAsP införs inuti ett av bas och kollektorslcilcten i den p-n-p-n-tyristorstruktur, som bildas av strömspärrskikten tillsammans med och överskikt, för minska laddningsbärarnas livslängd och därigenom minska strömtörstškningsfaktom i tyristorn. 511 719 4 Även om den här beskrivna strukturen för ströminneslutning och den forut kända struk- turen alltså ytligt sett kan förefalla likartade, skiljer sig såväl den exakta skiktstrukturen som syftet med skiktstrukturen väsentligt från varandra. Den här beskrivna strukturen för strömin- neslutning är mer generell och kan, såsom visas nedan, användas även för att förbättra lasrar s med semi-isolerande strömspärrskikt. Det kan vidare påpekas, att införandet av skiktstruktu- ren på p-sidan är en klar fördel i det fall att ett materialsystem med InP/InGaAsP används, eftersom diskontinuiteten i bandgapet är större i valensbandet än i ledningsbandet, vilket leder till större bandböjning än om en motsvarande skiktstruktur hade placerats på n-sidan (dvs substratsidan). w FIGURBESKRIVNING Uppfinningen skall nu beslcivas i detalj med hjälp av ett ej begränsande utföringsexem- pel i samband med de bifogade ritningama, i vilka Fig. l är ett schematiskt tvärsnitt genom en konventionell BH-laserdiod, där tvärsnittet är taget vinkelrätt mot ljusets fortplantningsriktning, is Fig. 2 är ett diagram över den optiska uteffekten P, mätt i mW, som funktion av ström- men I, mätt i mA, genom en halvledarlaser, där kurvan A svarar mot en ideal laser utan läckning eller uppvärmning och kurvan B svarar mot en laser med läckning vid höga ström- mar/spänningar, Fig. 3. är ett schematiskt tvärsnitt liknande ñg. 1, som något mer detaljerat visar det 20 konventionella utförandet av strömspårrskikt i en BH-laser byggd på InP/InGaAsP, Fig. 4A och 4B är schematiska bilder av strömspärrstrukturen i snittet H - II i ñg. 3 med konventionell uppbyggnad resp. med uppbyggnad innefattande tunna sldkt, varav ett har mindre bandgap, Fig. 5 är ett diagram, som vid kurvan A visar uppmätt uteffekt som funktion av tempe- zs raturen för lasrar med konventionell strömspärrstruktur och vid kurvan B visar samma effekt för strukturen med tunna extra skikt for ströminneslutning, Fig. 6 är ett diagram, som vid kurvorna A och B visar uppmätt icke-linjäritet hos kur- voma över uteffekt som funktion av strömmen vid 7 mW uteffekt frän den ena sidan av laserchipet för lasrar med konventionell strömspärrstruktur resp. för strukturen med tunna ao extra skikt fór ströminneslutning, Fig. 7 är ett diagram, som visar kurvor över simulerad strömstyrka per en bredd av en mikrometer hos en diod utan (N=O) och med (N = 3, 6) strukturen med tunna, extra skikt för ströminneslutning.

BESKRIVNING Av FÖREDRAGEN UrFöRmGsFoRM ss Den grundläggande uppbyggnaden av en konventionell BH-laser har redan beskrivits i samband med ñg. 1 och dess effekt-strömkarakteristik ges av ñg. 2. En sådan känd BH-laser visas också i ñg. 3, av vilken också uppbyggnaden av de ströminneslutande områdena 7 framgår. Lasem antas i fortsättningen i första hand vara tillverkad på ett InP-substrat eller undre skikt 5, som har ett bandgap av ca 1,35 eV, och vidare antas, att strömspârrskikten 7 5 511719 liksom skiktet 3 ovanför det aktiva skiktet 1 också består av InP med olika typer av dopning såsom framgår av den i fig. 1 visade strukturen och att det aktiva skiktet 1 består av antingen ett enkelt skikt av InGaAsP med en tjocklek av typiskt 0,05 pm - 0,30 pm eller en sekvens av skikt med olika sammansättning av InP och InGaAs och/eller InGaAsP, varav vissa skikt kan s vara mycket tunna för att på känt sätt åstadkomma en sk multipel kvantbrunnsstruktur. Laser- dioden kan emellertid också realiseras i andra, liknande materialsystem såsom GaAs/A1GaAs, GaAs/mGaAs eller InP/rasmus.

Lasrar av denna typ är särskilt för ñberoptisk kommunikation i våglängdsinter- vallen omkring 1,3 pm och 1,55 pm. w Den grundläggande teknologin för att tillverka BH-lasrar i dessa materialsystem är känd. Det finns huvudsakligen två, väl åda sätt att utforma strömspärrområdena 7 i fig. 1: A) Användning av en sk tyristorstâíktur, där strörnspärrområdet består av först ett p- dopat InP-lager följt av ett n-dopat InP-lï.

B) Användning av semi-isolerande (SB InP, t ex InP dopad med järn Fe, följd av ett n- rs dopat InP-skikt. » I det i fig. 3 mer detaljerat visafl,_transversella tvärsnittet genom en BH-laser kan denna vara tillverkad genom MOVPE-ofing på det undre skiktet 5, dvs det n-dopade sub- stratet, av det eller de olika skikt, som i det aktiva området 1, etsning för framställning av det aktiva området 1 i form av en upphöjd långstråckt plattform med en bredd 20 w av typiskt 1 - 2 pm och därefter med hjälp av lämplig mask, som även kan använts vid den föregående etsningen, 7. Fallet A) ovan svarar mot ett p-dopat InP-sldkt 9 närmast n-subsuatet~:§,“:f'vilket skikt omger det aktiva området l vid hela dettas sidoytor och även kan täcka detta övre yta, medan fallet B) ovan svarar mot ett Fe-dopat InP-skikt närmast n-substiaíéå. Ovanpå lagret 9 finns det n-dopade InP-lagret 25 11, som dock inte behöver ha direkt med skikten i det aktiva området 1 utan endast är beläget vid sidan av detta. Typiska ' hos det undre skiktet 9 i strömspärrområdet 7 är b = 0,5 - 3 pm och hos det övre ll däri a = 0,5 - 1,5 pm. Överst i strukturen finns det övre p-dopade InP-skiktet 3, direkt ovanpå det övre strömspärrslciktet ll vid områden vid sidan av det aktiva 1 och i direkt kontakt med de undre ström- :w spärrskiktet 9 ovanpå själva det aktiva 1.

Den totala strömspärren eller i sidled består då antingen A) av laterala n-p-n-p-strukturer av tyristortyp ~ nedifrån, vilka är belägna vid sidoma av det aktiva området 1, eller B) av n-SI-n-p ~- v , se den materialtöljd som fås vid linjen eller snittet II - H. ss I fallet A) fungerar ströminneslu laterala n-p-n-p-tyristorstrukturen än i , genom att framspänningsfallet är högre i den i :i i mitten liggande n-i-p-diodstrukturern, se struk- turen längs linjen I - I i fig. 3, varför idealt leds via det aktiva sldktet 1 i mitten. I fallet B) fungerar ströminneslutningen, att elektroner, som injiceras från substratet in i 511719 6 ifrån kombineras SI-skiktet oftast med ett ovanpå liggande, n-dopat InP-skikt 11, såsom visas ifig. 3.

I många sammanhang år strukturen B) att föredra framför A), eftersom den leder till lägre kapacitans och därmed större modulationsbandbredd hos komponenten. Användning av s SI-sldkt möjliggör också, att olika delar av ett InP-chip isoleras elektriskt, vilket år använd- bart for att göra monolitiskt integrerade optiska och/eller optoelektroniska kretsar. i' Ett problem med bägge typerna av struktur är, såsom redan har nämnts, att de inte är ideala. Vid höga strömmar genom lasem kommer en viss del av den elektriska strömmen att trots allt gå igenom den laterala strömspårrstrukturen. Orsaken till detta är bl a, att spännings- w fallet över det aktiva området 1 och det närmast därovanpå liggande p-dopade skiktet 3 blir så stort, att det blir jämförbart med framspänningsfallet hos strömspärrstrukturen.

För att förbättra strömspärrslciktens blockeringsförrnåga är det alltså önskvärt, att deras framspåmiingsfall skall vara så stora som möjligt.

Den konventionella strömspärrstrukturen i fig. 3, oavsett om det gäller A- eller B-vari- 1s anten, kompletteras för detta ändamål med ett eller flera tunna skikt, placerade ovanför det övre skiktet i strömspärrområdet 7, dvs ovanpå det n-dopade lnP-sldktet ll. De tunna skikten skall allmänt ha dopning motsatt det underliggande skiktet ll och alltså vara p-dopade och de skall bestå av omväxlande material med högre bandgap såsom InP och lägre bandgap såsom InGaAsP med bandgap av 0,9 - 1,1 eV. Dessa tunna skikt ger större framspänningsfall vid zo måttliga till höga strömtätheter hos den n-p-n-p- eller n-SI-n-p-struktur, som erhålls av ström- spärrslcikten 9, ll tillsammans med substrat 5 och övre skikt 3, och därmed bättre ströminne- slutning hos komponenten, vilket i sin tur ger högre optisk uteffekt och mindre avböjning av P-l-karakteristiken. Ett ökat framspänningsfall i dessa inneslutande strukturer orsakas huvud- sakligen av böjning av enerigibanden erhållen på grund av skiktet/skikten med lägre bandgap zs vid måttliga till höga strömmar.

I fig. 4A visas schematiskt en konventionell strömspärrstruktur och i fig. 4B en ström- spärrstruktur för förbättrad ströminneslutníng utförd enligt beskrivningen ovan, där strukturen motsvarar snittet ll - II i fig. 3. I det i fig. 4B visade utförandet finns tre perioder, där varje period innefattar underst ett p-dopat InGaAsP-skikt med tjocklek y nm och därpå ett p-dopat ao InP-skikt 15 med tjocklek x nm. Antalet perioder N kan variera, liksom de exakta tjocklekar- na x, y hos de här tillagda, tunna skikten 13, 15 och tjocklekarna a och b hos de båda under- liggande skikten 9, ll i strömspärrområdet 7. Typiska värden på n- och p-dopningarna i skikten 13, 15 är av storleksordningen 5-1017 cm'3 till 2-1018 cm'3 men kan i det allmänna fallet anta både lägre och högre värden. as Komponenter med lasringsvåglängd kring 1,51 pm tillverkades med strömspärrstruktu- rer enligt fig. 4A och 4B. En och samma bricka användes, på vilket en konventionell laser- struktur med kvantbrunnar i det aktiva området odlades på sedvanliga sätt. Inför odlingen av strömspärrskikten delades skivan i två halvor: på den ena halvan odlades strömspärrslcikt enligt fig. 4A, dvs enligt den konventionella metoden, och på den andra halvan odlades 7 51 1 7 19 strömspärrskikt för framställningen av den i fig. 4B visade strukturen. Tjocklekama hos sldkten var: x = 30 nm, y p= 30 nm, a = 0,4 um och b = 1,3 um. Antalet perioder var N = 3. InGaAsP-skiktet 13 hade bandgapet 0,96 eV. Det näst understa skiktet 9, det ström- spärrskikt, som ligger omedelbart ovanpå n-substratet 5, bestod av jämdopad (Fe) semi-iso1e- s rande InP.

Diagrammet i fig. 5 visar uppmätt uteffekt beräknad som medianvärdet för 15 lasrar vid 60 mA ovanför tröskelstzrömmen som frmktion av chipens temperatur för de två olika varian- terna av strömspärrskikt. Såsom framgår av ñg. 5, ger strömspärrstrukturen med en följd av extra, tunna skikt 13, 15 väsentligt förbättrade prestanda, dvs högre uteffekt, speciellt vid w höga temperaturer.

Diagrammet i fig. 6 åskådliggör iclre-linjäriteten i P-I-karakteristiken för de två olika lasrarna. Icke-linjäriteten definieras här, genom att först berälmas den ström, som skulle erfordras för att nå en uteffekt på 7 mW, förutsatt att P-I kurvan följde den linjära kurvan "A" i fig. 2, utgående frän uppmätt trñqblstöm och uppmätt lutning (kvantverkningsgrad) 15 för strömmar nära tröskelströmmen. Denna ström kallas Il. Sedan uppmäts storleken av den uteffekt, som faktiskt erhålls vid denna ström Il, när den verkliga komponenten följer en uppmätt kurva liknande kurva "B" i fig. 2. Denna uppmätta uteffekt benämns Pl. Sedan beräknas kvoten mellan differensen (7 mW - P1) och 7 mW. Denna kvot, omräknad till pro- cent, benämns här icke-línjäriteten. Återigen syns en kraftig förbättring för ströminneslutníng :o förstärkt med flera perioder av tunna enligt ovan jämfört med den konventionella ström- inneslutningen, särskilt vid höga chiptemšífiaturer.

Det faktum, att prestanda för lasrarna blir mycket bättre med den förstärkta strörninne- slutningen vid höga temperaturer hos chipen, år särskilt viktigt, eftersom lasrar för tillämp- ningar inom accessnät (sk "Fibre to the H0me') och för optisk internförbindning (i t ex dato- :s rer eller telefonväxlar) måste kunna arbeta vid höga temperaturer (upp till 350 - 360 K), eftersom en kylfunktion i en kapsel innällande en laser enligt ovan, skulle medföra alltför l . 1-111 stora kostnader för sådana system.

För att verifiera den grund " n, bakom införandet av en eller flera (N) perio- der av tunna skikt pä p-InP-sidan i e ' med ñg. 4B verkligen leder till större framspän- ao ningsfall i strömspärrskiktet, har ström gskarakterístiken (U) hos de bägge struktu- rerna visade i ñg. 4A och 4B simulerats._vj_y I stället för att simulera den tyristorstrukturen valdes att studera inverkan av de extra skikten på p-sidan mer i detaljfiïíi om att simulera n-p-diodstrukturen svarande mot de två övre skikten ll, 3 visade i ñg. i dessa skikt inklusive de tunna mellanskikten ss 13, 15 visade i ñg. 4B. Strukturen sålunda i det senare fallet av n-dopad InP längst ned, förja av N perioder av 280 A InP och 280 Å p-aopad rnGaAsP, förjaa av p dopad InP. Alla dopningar var 11018 InGaAsP-materialet hade bandgapet 0,96 eV och var gitteranpassat till InP. V I diagrammet i fig. 7 visas ström en bredd av en mikrometer (1 pm) för en sådan 511719 8 struktur med längd av 300 pm som funktion av den elektriska spänningen över strukturen.

Såsom framgår av fig. 7 ökar framspänriingsfallet vid strömmar större än 1 mA/pm drastiskt genom införandet av den ovan föreslagna strukturen med extra ströminneslutriingsskikt. Det ökade framspänningsfallet hos strömspärrstrukturen innebär, att mer ström i stället gär genom s det aktiva området 1 (i snittet I - I i fig. 1 och 3) och att lasern får bättre prestanda.

Claims (6)

9 511 719 PATENTKRAV

1. Halvledarlaser innefattande ett aktivt område i form av en begravd heterostruktur och ströminneslutningsområden omgivande det aktiva området i sidled och ett övre och ett undre skikt omgivande det aktiva området i höjdled eller tvärled, varvid ströminneslumingsområde- s na och de övre och undre skikten tillsammans bildar en n-p-n-p- eller n-SI-n-p-struktur för ströminneslutrting, k å n n e t e c k n a d av ett eller flera tunna skikt, placerat resp. placera- de mellan det andra n-dopade skiktet och det andra p-dopade skiktet i strukturen för strömin- neslutning för ökning av framspânriingsfallet i strukturen för ströminneslutriing och för att därigenom minska läckning av ström utanför det aktiva området. w

2. Halvledarlaser enligt krav 1, kännetecknad av att de ett eller flera tunna skikten är p-dopade.

3. Halvledarlaser enligt något av krav 1 - 2, kânnetecknad av att de tunna skikten år minst två och innefattar omväxlande material med högre bandgap och lägre band- gap- »s

4. Halvledarlaser enligt något av krav 1 - 3, k å n n e te c k n a d av att minst ett av de ett eller flera tunna skikten har lägre bandgap än de omgivande skikten.

5. Halvledarlaser enligt något av krav 1 - 4, kân n ete c kn a d av att den år till- verkad på ett n-InP-substrat.

6. Halvledarlaser enligt något av krav I - 5, k ä n n e te c k n a d av p-, n- eller Fe- zo dopade skikt av InP och olika legeringar av InGaAsP.