DE3650547T2

DE3650547T2 - Verfahren zur Herstellung von Halbleiterlasern

Info

Publication number: DE3650547T2
Application number: DE3650547T
Authority: DE
Inventors: Shinji Kyobate Mansion Kaneiwa; Sadayoshi Matsui; Haruhisa Takiguchi; Toshihiko Yoshida
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1985-02-19
Filing date: 1986-02-18
Publication date: 1997-02-20
Anticipated expiration: 2006-02-19
Also published as: JPS61190993A; US4799227A; US4692206A; JPH0766994B2; EP0192450A3; EP0192450A2; EP0192450B1; DE3650547D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterlasern, im besonderen von solchen mit einer vergrabenen Heterostruktur.
Halbleiterlaser, die eine vergrabene Heterostruktur aufweisen, die von der Umschließung der aktiven Schicht für die Laseroszillation mit einem Heteroübergang herrührt, weisen hinsichtlich einer in einem transversalen Modus erreichbaren stabilisierten Laseroszillation und eines bei Umgebungs-temperatur aufrecht erhaltbaren niedrigen Oszillations-Schwellenstrompegels exzellente Eigenschaften auf, wodurch sie als Laserlichtquellen einsetzbar sind.
Besonders in einem herkömmlichen Halbleiterlaser mit einer in der Fig. 2 gezeigten Struktur, bei dem ein p-Kristall 10 als Subtrat für epitaxisches Aufwachsenlassen von Kristallen verwendet wird, muß der p-n-Übergang eines Stromgrenzbereichs solche Spannungen mit einem hohen Pegel aushalten, durch deren Anliegen ein Betrieb mit einer hohen Leistung errreicht werden kann. Ein solcher herkömmlicher Halbleiterlaser wird wie nachfolgend beschrieben hergestellt: Auf das p-InP-Substrat 10 werden aufeinanderfolgend eine p-InP-Pufferschicht 20, eine aktive nichtdotierte InGaPAs-Schicht 30 und eine n-InP-Überzugsschicht 40 durch Flüssigphasen-Epitaxie aufwachsen gelassen. Beide Seitenbereiche der entstandenen vielschichtigen Kristallstruktur werden anschließend bis zur Pufferschicht 20 abgeätzt. Auf den abgeätzten Bereichen werden eine n-InP-Stromsperrschicht 50 und eine p-Stromgrenzschicht 60 als vergrabene Schichten aufgewachsen. Damit bei der Struktur der zuvor beschriebenen Vorrichtung die elektrische Leitfähigkeit zwischen der Überzugsschicht 40 und der Stromsperrschicht 50 blockiert wird, muß sich die Oberseite der Stromsperrschicht 50 unterhalb der aktiven Schicht 30 befinden. Aus diesem Grund müssen sowohl die Tiefe des Abätzens der vielschichtigen Kristallstruktur und die aufzuwachsene Höhe der Stromsperrschicht 50 sehr präzise eingestellt werden. Jedoch können weder die Flüssigphasen-Epitaxie noch ein Naßätzverfahren eine solche präzise Einstellung erreichen, wodurch Halbleiterlaser dieser Art nur mit niedrigen Produktionsstückzahlen hergestellt werden können.
Ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterlasern nach der Erfindung, nach dem die zuvor erörterten und vielzählige andere Nachteile und Mängel der Verfahren nach dem Stand der Technik umgangen werden, weist die folgenden Schritte auf:
(1) aufwachsen lassen einer vielschichtigen Kristallstruktur, die eine aktive Schicht zur Laseroszillation enthält, auf ein p-Substrat;
(2) ätzen der vielschichtigen Kristallstruktur, um einen streifenförmigen Mesa-Bereich zu bilden, der durchgehende stufenlose Seitenflächen aufweist und von einer tieferen Ebene der geätzten Struktur hervorsteht;
(3) umschließen des Mesa-Bereiches der vielschichtigen Kristallstruktur mit einer vielschichtigen vergrabenen p-n-p-Struktur, die aufeinanderfolgend eine p-Pufferschicht, eine Stromsperrschicht eine p-Stromgrenzschicht aufweist, wobei die p-Pufferschicht die Seitenflächen und die ganze tiefere Ebene des streifenförmigen Mesa-Bereiches durchgehend bedeckt, wodurch an jeder der beiden Seitenflächen der aktiven Schicht ein Heteroübergang entsteht,
wobei die vielschichtige Kristallstruktur aufeinanderfolgend eine p-Pufferschicht, eine undotierte aktive Schicht und eine n-Überzugsschicht auf dem p- Substrat aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die vielschichtige Kristallstruktur im Bereich von ihrer oberen Oberfläche bis zur Mitte der p-Pufferschicht weggeätzt.
Die p-Pufferschicht der vielschichtigen p-n-p-Struktur ist in einer bevorzugten Ausführungsform eine Schicht, deren Bandbreite des verbotenen Bands größer als die der aktiven Schicht und deren Brechzahl kleiner als die der aktiven Schicht ist.
Durch die hier beschriebene Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterlasern angegeben, durch das Halbleiterlaser mit einer vergrabenen Struktur ohne eine sehr präzise Einstellung beim Aufwachsenlassen von Kristallen und beim Ätzen hergestellt werden können, wodurch deren Herstellungsstückzahlen erhöht werden können.
Die Erfindung kann in bezug auf die beigefügten Zeichnungen besser verstanden werden, ihre vielfältigen Absichten und Vorteile werden damit den Fachleuten verständlicher. Es zeigen:
Fig. 1(1) und 1(B) schematische Darstellungen des Herstellungsverfahrenes einer Halbleiterlasers nach der Erfindung;
Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines herkömmlichen Halbleiterlasers mit einer vergrabenen Heterostruktur.
Die Fig. 1 zeigt die Herstellungsfolge für einen Halbleiterlaser nach der Erfindung. Auf ein p-(100)InP-Substrat 1 werden aufeinanderfolgend eine p-InP-Pufferschicht 2 mit einer Dicke von 3 µm, eine aktive nichtdotierte InGaPAs-Schicht 3 mit einer Abstrahlungswellenlänge von 1,3 µm und einer Dicke von 0,2 µm und eine n-InP-Überzugsschicht 4 mit einer Dicke von 0,5 µm durch Flüssigphasen-Epitaxie aufgewachsen. Auf der Überzugsschicht 4 wird in der (011)-Richtung ein nicht gezeigter photowiderstandsfähiger Streifen mit einer Breite von ungefähr 3 µm durch Photolithographie gebildet. Die vielschichtige Kristallstruktur wird anschließend im Bereich ihrer oberen Oberfläche bis zur Mitte der Pufferschicht 2 einer Ätzbehandlung mit einer Br-Methanollösung ausgesetzt, wodurch ein streifenförmiger Mesa-Bereich 11 entsteht (Fig. 1(A)). Wird der streifenförmige Mesa- Bereich 11 mit einer Streifenbreite W von 2 bis 4 µm und einer Höhe h von 2 µm geformt, so kann im nachfolgenden Vergrab-Aufwachsvorgang das Aufwachsen der Kristalle über den Mesa-Bereich 11 hinaus verhindert werden (Mito et al., TGOQE 80-116). Der Vergrab-Aufwachsprozeß wird anschließend, wie in Fig. 1(B) gezeigt, so ausgeführt, daß aufeinanderfolgend eine p-InP-Pufferschicht 7, deren ebener Bereich eine Dicke von 0,5 µm aufweist, eine n-InP-Stromsperrschicht 5, eine p- InP-Stromgrenzschicht 6, deren ebener Bereich eine Dicke von 0,5 µm aufweist, und eine n-InP-Vergrabschicht 8, deren ebener Bereich eine Dicke von 3 µm aufweist, entlang des streifenförmigen Mesa-Bereichs 11 durch Flüssigphasen-Epitaxie aufgewachsen werden. Anschließend werden eine nicht gezeigte n-seitige Ohm'sche Eletktrode und eine nicht gezeigte p-seitige Ohm'sche Elektrode jeweils auf der InP-Vergrabschicht 8 und dem Substrat 1 gebildet, wonach eine Spaltung an der (011)-Fläche erfolgt, wodurch ein Halbleiterlaser entsteht.
Bei dem Halbleiterlaser mit dem zuvor beschriebenen Aufbau hat die aktive InGa-PAs-Schicht 3 zur Laseroszillation einen Übergang an den Schnittstellen mit der InP-Pufferschicht 2 und der InP-Überzugsschicht 4 in der Richtung ihrer Dicke und einen Übergang an der Schnittstelle mit der InP-Pufferschicht 7 an ihren beiden Seiten, wodurch ein aktiver Bereich entsteht, der durch diese Heteroübergänge auf eine streifenförmige Form begrenzt ist. Da die Pufferschicht 7 dahin tendiert, an den Seiten des streifenförmigen Mesa-Bereichs 11 aufgewachsen zu werden, sind die Seiten sowohl der Überzugsschicht 4 als auch der aktiven Schicht 3 mit der p-InP-Pufferschicht 7 bedeckt, wodurch die Überzugsschicht 4 elektrisch von der Stromsperrschicht 5 getrennt ist und zwischen der Überzugsschicht 4 und der Stomsperrschicht 5 niemals ein Verluststrom entsteht. Weiter dient die Pufferschicht 7 als Isolierschicht, die einen Verluststrom von der Überzugsschicht 4 an die Stromsperrschicht 5 verhindert, da die Trägerkonzentration der Pufferschicht 7 einen niedrigen Pegel aufweist. Weiter dient die Pufferschicht 7 der Eingrenzung der Träger und des Lichts unterhalb der aktiven Schicht 3, da die Bandbreite des verbotenen Bandes der Pufferschicht 7 größer als die der aktiven Schicht 3 ist und ihre Brechzahl kleiner als die der aktiven Schicht 3 ist.
Wird durch die n-seitige Ohm'sche Elektrode ein Treiberstrom und die p-seitige Ohm'sche Elektrode ein Treiberstrom in den Halbleiterlaser injiziert, so fließt der Strom nur in den elektroleitfähigen Bereich, der zu dem streifenförmigen die Überzugsschicht 4 und die aktive Schicht 3 enthaltenden Mesa-Bereich 11 korrespondiert. Ein Fluß aus dem streifenförmigen Mesa-Bereich 11 hinaus wird durch die vielschichtige p-n-p-Struktur abgeblockt, die sich aus der Stromgrenzschicht 6, der Stromsperrschicht 5 und der Pufferschicht 7 zusammensetzt. Die Träger und das Licht werden innerhalb der aktiven Schicht 3 durch den Übergang an der Schnittstelle zwischen der Pufferschicht 7 und der aktiven Schicht 3 begrenzt. Die Spitze jedes p-n-Übergangs in der vielschichtigen p-n-p-Struktur ist im Schulterbereich der Überzugsschicht 4 angeordnet und sein unterer Bereich verläuft bogenförmig zur lateralen Richtung hin. Dies ergibt sich, da die Pufferschicht 7 während des epitaxischen Aufwachsens um den streifenförmigen Mesa-Bereich 11 in der lateralan Richtung aufwächst, und da anschließend die Stromsperrschicht 5 und die Stromgrenzschicht 6 nacheinander auf der Pufferschicht 7 gebildet werden, die als unterliegende Schicht dient. Aufgrund der zuvor dargestellten Struktur kann ein Strom mit einer hohen Dichte an die aktive Schicht 3 angelegt werden, und der so erhaltene Halbleiterlaser bietet dahingehend exzellente Kennwerte, daß er bei einem niedrigen Oszillations-Schwellenstrompegel im Bereich von 15 bis 20 mA bei Raumtemperatur oszillieren kann, wobei charakteristische Temperaturen des Oszillations-Schwellenstroms 70 K oder größer, bis zu einer Temperatur von 100ºC sind. Weiter werden die Herstellungsstückzahlen stark verbessert, da die Ätztiefe und die Dicke der aufzuwachsenen Kristallschichten nicht genau eingestellt werden müssen.
Das zuvor diskutierte Beispiel offenbart nur die InGaPAs-Systemmaterialien als aktive Schicht, die eine Abstrahlungswellenlänge von 1,3 µm entwickeln, aber es ist nicht darauf begrenzt. Die Erfindung ist natürlich auf andere InGaPAs-Systemmaterialien anwendbar, die eine Abstrahlungswellenlänge im Bereich von 1,1 µm bis 1,7 µm besitzen und/oder auch anderen Halbleitermaterialien. In dem oben diskutierten Beispiel sind die vier die vergrabene Struktur bildenden Schichten aus InP gebildet, sie können aber auch aus InGaPAs gebildet sein, dessen Bandbreite des verbotenen Bandes größer als die der aktiven Schicht ist und dessen Brechzahl kleiner als die der aktiven Schicht ist.
Es ist offensichtlich, daß von den Fachleuten auf diesem Gebiet verschiedene andere Modifikationen durchgeführt werden können, ohne vom Umfang und Geist dieser Erfindung abzuweichen. Folglich ist es nicht beabsichtigt, daß der Umfang der sich anschließenden Patentansprüche auf die vorgehende Beschreibung beschränkt ist, sondern daß die Patentansprüche so aufgebaut sind, daß sie alle neuen patentfähigen Merkmale enthalten, die in der Erfindung liegen, worin alle Merkmale enthalten sind, die von den Fachleuten auf diesem Gebiet, an die sich diese Erfindung wendet, als Equivalente der Erfindung behandelt werden würden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Halbleiterlasern mit den folgenden Schritten:

(1) aufwachsen lassen einer vielschichtigen Kristallstruktur (2, 3, 4), die eine aktive Schicht (3) zur Laseroszillation enthält, auf ein p-Substrat (1);

(2) ätzen der vielschichtigen Kristallstruktur, um einen streifenförmigen Mesa-Bereich (11) zu bilden, der durchgehende stufenlose Seitenflächen aufweist und von einer tieferen Ebene der geätzten Struktur hervorsteht;

(3) umschließen des Mesa-Bereiches der vielschichtigen Kristallstruktur mit einer vielschichtigen vergrabenen p-n-p-Struktur (5, 6, 7), die aufeinanderfolgend eine p-Pufferschicht (7), eine Stromsperrschicht (5) und eine p-Stromgrenzschicht (6) aufweist, wobei die p-Pufferschicht (7) die Seitenflächen und die ganze tiefere Ebene des streifenförmigen Mesa-Bereiches (11) durchgehend bedeckt, wodurch an jeder der beiden Seitenflächen der aktiven Schicht ein Heteroübergang entsteht,

wobei die vielschichtige Kristallstruktur (2, 3, 4) aufeinanderfolgend eine p-Pufferschicht (2), eine undotierte aktive Schicht (3) und eine n-Überzugsschicht (4) auf dem p-Substrat (1) aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vielschichtige Kristallstrutur im Bereich von ihrer oberen Oberfläche bis ungefähr zur Mitte der p-Pufferschicht (2) weggeätzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die p- Pufferschicht (7) der vielschichtigen p-n-p-Struktur eine Schicht ist, deren Bandbreite des verbotenen Bandes größer als die der aktiven Schicht (3) und deren Brechzahl kleiner als die der aktiven Schicht ist.