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DE3036431A1 - Halbleiterlaser - Google Patents

Halbleiterlaser

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DE3036431A1
DE3036431A1 DE19803036431 DE3036431A DE3036431A1 DE 3036431 A1 DE3036431 A1 DE 3036431A1 DE 19803036431 DE19803036431 DE 19803036431 DE 3036431 A DE3036431 A DE 3036431A DE 3036431 A1 DE3036431 A1 DE 3036431A1
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DE
Germany
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semiconductor
active area
semiconductor laser
junction
layer
Prior art date
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DE19803036431
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DE3036431C2 (de
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Atsutoshi Ohme Tokyo Doi
Motohisa Hirao
Takao Hachioji Tokyo Mori
Michiharu Tokyo Nakamura
Yutaka Ohme Tokyo Takeda
Shinji Kokubunji Tokyo Tsuji
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H01S5/227—Buried mesa structure ; Striped active layer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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    • H01S5/2275—Buried mesa structure ; Striped active layer mesa created by etching

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Description

BESCHREIBUNG
Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterlaser. Halbleiterlaser mit sogenannter "Doppelheterostruktur" sind in breitem Maße bekannt, haben aber die folgenden Nachteile. Da diese Halbleiterlaser zu der Art von Lasern gehören, die unter Konzentration eines Stroms in einem extrem feinen aktiven Bereich arbeiten, kann es zu einem plötzlichen Totalausfall dieser Laser kommen, wenn durch einen Fehler ein den Nennstrom übersteigender Strom fließt oder ein Störstrom etwa in Form eines Stromstoßes auftritt. Typische dieser Laser sind in der US-Patentschrift 4 121 177 beschrieben.
Um mit diesen Nachteilen fertig zu werden, ist es übliche Praxis, eine externe Schutzschaltung vorzusehen.
Demgegenüber schafft die Erfindung einen Halbleiterlaser, bei dem selbst bei Fließen eines über dem Nennwert liegenden Stromes kein plötzlicher Totalausfall auftritt.
Hierzu schlägt die Erfindung bei einem Halbleiterlaser mit wenigstens einem aus einem Halbleitermaterial bestehenden aktiven Bereich und einem eine gegenüber dem aktiven Bereich unterschiedliche Zusammensetzung aufweisenden Halbleiterbereich, der den aktiven Bereich eingrenzt, vor, daß wenigstens ein pn-übergang in dem eingrenzenden Bereich parallel zum aktiven Bereich ausgebildet ist und daß ein bei einer unter einer eine Zerstörung des Halbleiterlasers bewirkenden Feldstärke durch den aktiven Bereich fließender Strom über den pn-übergang durch vom aktiven Bereich verschiedene Bereiche durch Steuerung der Fremdstoffkonzentration in dem den pnübergang enthaltenden Bereich fließen kann.
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Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben. Auf dieser ist bzw. sind
Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines bekannten HaIbleiterlasers mit begrabener HeteroStruktur,
Figuren 2 und 8 perspektivische Ansichten eines Halbleiterlasers gemäß der Erfindung,
Figuren 3 bis 5 Schnittansichten, die Herstellungsstufen des Halbleiterlasers gemäß der Erfindung zeigen, Figur 6 die Strom-Spannungscharakteristik des Halbleiterlasers gemäß der Erfindung, und Figur 7 die Strom-Spannungscharakteristik des herkömmlichen Lasers mit begrabener HeteroStruktur.
Ein Beispiel eines Halbleiterlasers mit begrabener Heterostruktur ist in Figur 1 gezeigt. Ein °GaAs-GaAlAs-Halbleiterlaser beispielsweise hat den folgenden Aufbau.
Eine n-Ga. -7Al0 -,As-Schicht 2, eine p-GaAs-Schicht 3 und eine p-Ga ^Aln -.As-Schicht 4 werden aufeinanderfolgend aus der flüssigen Phase auf einem n-GaAs-Substrat 1 epitaxial aufgewachsen. Das p-GaAs 3 enthält manchmal Spuren von Al und wird zur Erleichterung des Flüssigphasen-Aufwachsens in eine Ga_^ „,-Al j-As-Schicht umgewandelt. Danach wird die Schicht in einer bis zum Substrat reichenden Tiefe mesa-geätzt und dann dem Flüssigphasen-Epitaxialaufwachsen der zweiten Stufe 5 unterworfen. Bei diesem epitaxialen Aufwachsen wird n-Ga n
Al ,As so ausgebildet, daß es das p-GaAs 3 umgibt, so daß O, J
das den aktiven Bereich darstellende p-GaAs im Gan -Aln -,As vollkommen begraben ist. Nach Beendigung des epitaxialen Aufwachsens wird an der Oberfläche über einen oxidierten Film eine seichte Zn-Diffusion aufgebracht. 8 und 9 bezeichnen ohmsehe Elektroden für die p- bzw. die n-Schicht.
Gemäß der Erfindung ist ein pn-übergang in vom aktiven Bereich des Halbleiterlasers verschiedenen Kristallen angeordnet, wobei die Fremdstoffkonzentration dieses pn-über— gangs auf einen bestimmten Wert eingestellt ist, durch den erreicht wird, daß ein Überstrom in vom aktiven Bereich ver-
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— b —
schiedene Bereiche umgeleitet und ein Güteabfall des Lasers damit verhindert wird. Im Falle des Lasers mit begrabener
HeteroStruktur kann die begrabene Schicht 5 als der Bereich verwendet werden, in dem der pn-übergang angeordnet ist.
Figur 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Halbleiterlasers gemäß der Erfindung. Im folgenden wird die Erfindung am Beispiel eines durch ein InP-InGaAsP-System gebildeten
Lasers mit begrabener HeteroStruktur beschrieben. Natürlich ist die Erfindung auch bei den verschiedensten anderen HaIbleiterlasern, wie etwa des vorerwähnten GaAs-GaAlAs-Typs,
des GaSb-GaAlAsSb-Typs, GaAsP-InGaAsP-Typs, PbSnTe-Tpys,
CdTe-Typs, HgTe-Typs usw., anwendbar.
In der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform bezeichnet 11 ein n-InP-Substrat, 12 eine n-InP-Mantelschicht (clad layer), 13 einen aktiven InGaAsP-Bereich, 14 eine p-InP-Mantelschicht, 15 eine InGaAsP-Deckschicht, und 16 und 17 sind ohmsche Elektroden für die p- bzw. η-Schicht. Der aktive Bereich und die den aktiven Bereich -zwischen sich einschließenden Mantelschichten änd in der gleichen Weise wie bei einem Halbleiterlaser mit gewöhnlicher Doppel-Heterostruktur gewählt. Das heißt,
der aktive Bereich In- Ga As P- (0<x<1, 0<y<1) wird für ein InP-Substrat im allgemeinen in der folgenden Weise gewählt.
Der Bandabstand kann zwar Werte zwischen 0,75 und 1,35eV annehmen, InP paßt aber zur Gitterkonstanten mit χ und y,
die der folgenden Gleichung für den Bandabstand genügen:
E(x, y) = 1,35 + O,668x - 1,7y + O,758x2
+ O,18y2 - O,O69xy - O,322x2y + O,O3xy2 (eV)
Der aktive Bereich und eine aus den zwischen sich den
aktiven Bereich aufnehmenden Mantelschichten bestehende Begrenzungsschicht sind an ihren Seitenflächen mittels begrabener Schichten 19, 20 begraben, wobei die Seitenflächen parallel zur Ausbreitungsrichtung des Laserlichts sind. Her-
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kömmlicherweise werden begrabene Schichten dieses Typs vorgesehen, um den Strom auf den aktiven Bereich des Lasers zu konzentrieren. Aus diesem Grund wurde es für günstig gehalten, wenn die Fremdstoffkonzentration der n-InP-Schicht 20 und der p-InP-Schicht 19 niedrig sind. Die Fremdstoffkonzentration der Mantelschichten und der Begrenzungsschicht
18 18 — 3
betrug wenigstens 1 .10 bis 2-10 cm (in der Praxis
Ί wurde eine Konzentration von bis zu ungefähr 5 ' 10 cm verwendet), und die undotierte aktive Schicht hatte im allgemeinen eine Fremdstoffkonzentration von wenigstens 1 -10 cm , während die Fremdstoffkonzentration der begrabenen Schichten in der Größenordnung von 1o cm lag.
Die Erfindung setzt die Fremdstoffkonzentration des
17 —3 vorerwähnten pn-Übergangs auf wenigstens 10 cm . Die Konzentration des den aktiven Bereich enthaltenden Begrenzungsbereichs, der Mantelschichten und der begrabenen Schicht werden abhängig von der Art der Halbleitermaterialien und den Erfordernissen für das Einstellen einer Kippspannung ausgewählt. Der aus der p-Schicht 19 und der n-Schicht gebildete pn-übergang wird, während der Laser arbeitet, allgemein in den sperrvorgespannten Zustand gebracht und wirkt als Blockierschicht für den Strom. Wenn jedoch der Arbeitsstrom des Lasers erhöht wird, überschreitet die an den pn-übergang gelegte Spannung die Rückwärtsspannung und verursacht einen Durchbruch. Durch diesen Durchbruch werden die begrabenen Schichten auf beiden Seiten der aktiven Schicht leitend und gelangen damit in die Lage, den Strom durch sie umzuleiten. Selbst wenn also eine diese Kippspannung Vß0 überschreitende Spannung an den Halbleiterlaser gelegt wird, nimmt der durch die aktive Schicht des Lasers fließende Strom nicht zu, so daß der Laser keine Eigenschafsverschlechterung erleidet.
Im Falle eines Injektions-Halbleiterlasers kann die Erfindung ungeachtet der den Laser bildenden Materialien vorgesehen werden.
1 3 0 0 1 6 / 0 8.0 9
Gemäß der Erfindung ist wenigstens ein pn-übergang parallel zum aktiven Bereich vorgesehen, so daß sich, wann immer nötig, eine Stromumleitung ergibt.
Dementsprechend beschränken sich die Halbleiterschichten und dergleichen, die neben dem aktiven Bereich liegen, nicht auf die in der Ausführungsform gezeigten. Für die angrenzend an den aktiven Bereich aufzuschichtenden Halbleiterschichten gibt es eine Reihe von Möglichkeiten. Beispiel 1
Die Figuren 3 bis 5 sind Schnittansichten, die in Schritten das Herstellungsverfahren des Halbleiterlasers zeigen.
Auf der (100)-Ebene eines n-InP-Substrats 11 werden die folgenden Schichten durch Flüssigphasen-Epitaxialaufwachsen in den erforderlichen Dicken aufeinanderfolgend ausgebildet (siehe Figur 3):
n-InP-Schicht 12 als Pufferschicht. (Te-dotiert, Fremd-
1 R — 3 Stoffkonzentration 3 · 10 cm ,2-3 pm dick);
In_ -,-Ga^ .-,-,As.. .,P,_ _--Schicht 13 (undotiert, Fremd-Stoffkonzentration 5-10 cm , 0,3 ym dick);
p-InP-Schicht 14 (Zn-dotiert, Fremdstoffkonzentration 2 · 1018 cm"3, 3,0 pm dick), und
Iru o-)Ga^ nAS„ „Pn r „-Schicht 15 (Zn-dotiert, Fremd-
O , O J U,I/ U,J/ U,OJ ^n _o
Stoffkonzentration 2 - 3 - 10 cm , 0,5 ym dick).
Die Halbleiterschicht 13 wirkt hierbei als aktive Schicht, die Halbleiterschichten 12 und 14 wirken als die Mantelschichten, und die Schicht 15 wirkt als Deckschicht. Das Flüssigphasen-Epitaxialaufwachsen kann dabei nach einem Verfahren unter Verwendung eines bekannten Gleitschiffchens (sliding boat) durchgeführt werden. Natürlich kann ein epitaxiales Aufwachsen aus der Gasphase ebenfalls angewandt werden.
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Als nächstes wird ein 6 pm breiter SiO2-FiIm 21 in der <11O>-Richtung parallel zur Spaltungsrichtung des Kristalls ausgebildet.
Der SiO2-FiIm kann durch übliche chemische Gasphasenabscheidung unter Verwendung des bekannten Monosilans mit zugesetztem Sauerstoff durchgeführt werden.
Unter Verwendung dieses SiO2-FiImS als Maske wird der erwähnte mehrschichtige epitaxial aufgewachsene Film mit einer Mischlösung aus Brommethanol (1 % Brom) geätzt. Dieser Verfahrensschritt bildet einen gürtel- bzw. bandartigen Begrenzungsbereich auf dem Halbleitersubstrat 11 aus (siehe Figur 4). Nach diesem Atzschritt folgt das epitaxiale Aufwachsen der nachfolgenden Halbleiterschichten. Zunächst werden eine p-InP-Schicht 19 (Zn-dotiert, Fremdstoffkon-
-IO O
zentration 1 · 10 cm ) in einer Dicke von 1 pm und eine n-InP-Schicht 20 (Te-dotiert, Fremdstoffkonzentration
-IQ O
2 · 10 cm ) in einer Dicke von 4 pm durch epitaxiales Aufwachsen ausgebildet, wobei diese Dicken der Ätztiefe entsprechen. Da das Aufwachsen nur in dem Bereich erfolgt, v/o die Ätzung das n-InP-Substrat 11 erreicht hat, erhält man einen Aufbau, der in Figur 5 im Schnitt gezeigt ist. Damit ergibt sich ein pnpn-Aufbau in einem Aufbau, der von der Mantelschicht 14 über die aufgewachsenen Schichten 19, 20 in das n-InP-Substrat übergeht.
Nachdem das Aufwachsen vollzogen ist, wird der Oxidfilm an der Oberfläche entfernt und ein Au-Sn-Eutektikum auf der n-InP-Substratkristallseite zur Bildung einer n-Elektrode aufgedampft, während zur Ausbildung einer p-Elektrode Cr-Au auf der p-Kristalloberflache aufgedampft wird.
Schließlich wird die Halbleiteranordnung zur Ausbildung eines optischen Hohlraums in den oben genannten gürtelartigen Bereich vertikal gespalten, womit die Halbleiterlaservorrichtung fertig ist. Figur 2 zeigt eine perspektivische Ansicht dieser Vorrichtung. Die Länge des Laser— Hohlraums beträgt dabei 300 pm.
130016/030 9
Figur 6 zeigt die Strom-Spannungscharakteristik des oben erwähnten Elements bei Gleichstrombetrieb * Die Schaltung weist über die Seitenflächen der begrabenen Schichten den aus der p-InP-Schicht 14, der n-InP-Schicht 20, der p-InP-Schicht 19 und der n-InP-Schicht 11 bestehenden pnpn-Übergang auf. Die Strom-Spannungscharakteristik weist einen Bereich negativen Widerstands auf. Die Kippspannung V1^ be-
XiU
trägt 3 V, der Strom dabei 300 mA. Die Lichtausgangsleistung dieses Lasers beträgt in Gleichstrombetrieb 30 mW und liegt unter der Ausfallgrenze. Wenn ein weiterer Überstrom zugeführt wird, erleidet der Laser in der Tat eine Eigenschaftsverschlechterung .
Die Einstellung der Kippspannung ändert sich mit dem Aufbau der Halbleitervorrichtung, weil sich die Spannung der Ausfallgrenze mit dem Laseraufbau ändert. Die Auslegung muß daher entsprechend dem Laseraufbau geschehen. Es ist unbedingt erforderlich, daß die Fremdstoffkonzentration der n- und der p-Schicht, die zusammen den beim Betrieb des Lasers rückwärts vorgespannten pn-übergang bilden, jeweils wenigstens
5 · 1017 cm"3 beträgt.
Figur 7 zeigt die Strom-Spannungscharakteristik des
oben erwähnten Halbleiterlasers, wenn die Fremdstoffkon^
17 —3
zentration für seine p-InP-Schicht 19 auf unter 2-10 cm
17 -3 und für seine n-InP-Schicht 20 auf unter 1-10 cm eingestellt wird. Der Bereich negativen Widerstands der Strom-Spannungscharakteristik, wie er gemäß der Erfindung vorliegt, ist nicht zu sehen. Bei einem Strom von 400 mA wird der Halbleiterlaser in den Nebenschlußzustand gebracht und er fällt aus. Pfeile und Ziffern in Figur 7 geben die Reihenfolge an, in der die Charakteristik durchlaufen wird.
Es ist extrem wünschenswert, daß der Leitungstyp der über dem aktiven Bereich liegenden Halbleiterschicht 14 entgegengesetzt zum Leitungstyp des damit in Berührung kommenden Eingrenzungsbereichs 20 ist. Eine solche Anordnung blockiert nicht nur Leckströme, sondern verbessert auch das Arbeiten der am
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aktiven Bereich liegenden Diode.
Beispiel 2
Figur 8 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Auf der (100)-Ebene eines n-GaAs-Substrats 31 werden die folgenden Halbleiterschichten durch epitaxiales Aufwachsen in den erforderlichen Dicken ausgebildet:
n-Gan -7Al AS-Schicht 32 (Sn-dotiert, Fremdstoff-U , /U, J ..g __
konzentration 2 · 10 cm , 1 um dick),
p-GaAs-Schicht 33 (undotiert, Fremdstoffkonzentration 5 · 1016 cm"3, 0,5 μπι dick), und
p-Ga -yAl As-Schicht 34 (Ge-dotiert, Fremdstoffkonzentration 2 · 10 cm , 1 μκι dick) .
Das Aufwachsen dieser Schichten geschieht nach dem bekannten Flüssigphasen-Epitaxialprozeß.
Ein 8 μπι breiter SiO^-Film wird in der <110>-Richtung parallel zur Spaltungsrichtung des Kristalls ausgebildet. Unter Verwendung dieses Films als Maske wird eine Ätzung bis zum Substrat durchgeführt, die einen gürtel- bzw. streifenförmigen Bereich parallel zur <Ί 10>-Richtung hinterläßt. Nach Beendigung dieses Ätzvorgangs werden die folgenden Halbleiterschichten erneut aufgewachsen:
p-Gan f-Al .As-Schicht 35 (Ge-dotiert, Fremdstoffkonzentration 1 . 10 cm ),
n~Gan £Aln ,,As-Schicht 36 (Sn-dotiert, Fremdstoff-
U7O U, 4 ..g _-,
konzentration 2 · 10 cm ), und
P-Gan f-Al .As-Schicht 37 (Ge-dotiert, Fremdstoff-U,b ü, 4 ..g _2
konzentration 2-10 cm ).
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Da das Aufwachsen nur in dem Bereich passiert, in dem die Ätzung das n-GaAs-Substrat erreicht hat, erhält man eine Halbleiterschichtstruktur, wie sie in Figur 8 gezeigt ist.
Hierauf erfolgt eine Cr- und Au-Aufdämpfung auf die aufgewachsenen Schichten, während Au-Ge-Ni auf der Rückseite des Substrats aufgedampft wird. Schließlich wird die Halbleiteranordnung zur Ausbildung eines optischen Hohlraums radikal in den streifenartigen Bereich gespalten, womit der Halbleiterlaser fertig ist.
Auch bei diesem Beispiel zeigt die Strom-Spannungscharakteristik den Bereich negativen Widerstands, so daß sich eine Eigenschaftsverschlechterung des Halbleiterlasers verhindern läßt.
Die vorstehenden Beispiele bezogen sich zwar auf Halbleiterlaser ir.it begrabener HeteroStruktur, das Ziel der Erfindung läßt sich jedoch in gleicher Wc' >e durch Verwendung eines Aufbaus, bei welchem wenigstens ein pn-übergang parallel zum Arbeitsbereich der Halbleiterlaser allgemein ausgebildet ist, und durch Verwendung einer bestimmten Fremdstoffkonzentration erreichen. Natürlich können auch zwei oder mehr pn-Übergänge parallel zum Arbeitsbereich des Halbleiterlasers ausgebildet sein.
Dr.Ki/Ug
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■Al·
Leerseite

Claims (4)

  1. PATENTANWALT £
    SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS FINCK
    MARIAHILFPLATZ 2 & 3, MÖNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 6O, D-800O MÜNCHEN 35
    HITACHI, LTD. 26. September 19 80
    DEA-25 302
    Halbleiterlaser
    PATENTANSPRÜCHE
    1» Halbleiterlaser mit wenigstens einem aus einem Halbleitermaterial bestehenden aktiven Bereich und einem aus einem Material mit von demjenigen des aktiven Bereichs unterschiedlicher Zusammensetzung bestehenden Halbleiterbereich, der den aktiven Bereich eingrenzt, dadurch gekennzeichnet , daß in dem eingrenzenden Bereich parallel zum aktiven Bereich wenigstens ein pn-übergang ausgebildet ist und daß ein bei einer unter einer eine Eigenschaftsverschlechterung des Halbleiterlasers bewirkenden elektrischen Feldstärke durch den aktiven Bereich fließender Strom durch Steuerung der Fremdstoffkonzentration des den pnübergang enthaltenden Bereichs über den pn-übergang durch vom aktiven Bereich verschiedene Bereiche fließen kann.
    130016/080^
  2. 2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Fremdstoffkonzentration des den pn-übergang enthaltenden Bereichs wenigstens 5 · 1O17 cm"3 beträgt.
  3. 3. Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß den aktiven Bereich enthaltende Halbleiterschichten (12,13,14;32,33,34) in einer bandartigen Mesa-Struktur auf einem bestimmten Halbleitersubstrat (11;31) ausgebildet sind, daß der'aktive Bereich zwischen Halbleiterschichten mit niedrigem Brechungsindex innerhalb des Mesa-Struktur liegt, daß die parallel zur Ausbreitungsrichtung des Laserlichts liegenden Seitenflächen der Mesa-Struktur in den Halbleiterschichten mit niedrigem Brechungsindex begraben sind, und daß der pn-übergang in den Halbleiterschichten mit dem niedrigen Brechungsindex, in denen die Mesa-Struktur begraben ist, ausgebildet ist.
  4. 4. Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitungstyp der auf dem aktiven Bereich liegenden Halbleiterschicht (14) entgegengesetzt zum Leitungstyp der damit in Berührung kommenden HaIbleiterschicht (20) des Eingrenzungsbereichs ist.
    13Ö016/08Ö3
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