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DE69201782T2 - Optoelektronische Vorrichtung mit sehr niedrigem Serienwiderstand. - Google Patents

Optoelektronische Vorrichtung mit sehr niedrigem Serienwiderstand.

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DE69201782T2
DE69201782T2 DE69201782T DE69201782T DE69201782T2 DE 69201782 T2 DE69201782 T2 DE 69201782T2 DE 69201782 T DE69201782 T DE 69201782T DE 69201782 T DE69201782 T DE 69201782T DE 69201782 T2 DE69201782 T2 DE 69201782T2
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layer
doped
active
ions
inp
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DE69201782T
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Christophe Kazmierski
Benoit Rose
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France Telecom SA
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Publication date
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Description

  • Die Erfindung hat eine optoelektronische Halbleitervorrichtung mit sehr niedrigem Serienwiderstand zum Gegenstand. Sie wird angewandt auf dem Gebiet der Laser, der Modulatoren und weiterer Halbleitervorrichtungen mit Doppel-Deterostruktur für die Übertragung von Informationen, durch Lichtleitfasern geleitet oder nicht.
  • Noch spezieller sind diese Anwendungen Laser mit großen Leistungen und hohem Wirkungsgrad, verwendbar vor allem auf dem Gebiet der Photochemie, der Telekommunikationen, des Fernsehens, der Informatik und der Telemetrie.
  • Diese Vorrichtung verwendet als Halbleitermaterial Verbindungen auf der Basis von III- und V-Elementen des Periodensystems der Elemente.
  • Eine Doppel-Heterostruktur wird gebildet durch eine Halbleiterschicht mit einem niedrigen verbotenen Energieband, Aktivschicht genannt, auf beiden Seite umgeben von Halbleiterschichten mit einem breiteren verbotenen Energieband, die die Doppelrolle der optischen und elektrischen Einschließung spielen.
  • Die typischen Beispiele von Doppel-Heterostrukturen sind eine GaAs-Schicht zwischen zwei Schichten einer GaaAla-1As- Legierung mit 0< a&le;1 für die Emission mit 0,8 um, und eine Schicht GabIn1-bAScPi-c mit 0&le;b&le;1 und 0&le;c&le;1 zwischen zwei InP-Schichten zur Emission mit 1,3um oder mit 1,5um.
  • Diese Schichten aus Halbleitermaterial werden auf GaS- oder InP-Substraten abgeschieden durch eines der folgenden Wachstumsverfahren: Flüssigphasen- oder Gasphasenepitaxie, durch Molekularstrahl oder chemisch.
  • Die Aktivschicht hat die geometrische Form eines Streifens, der die Lichtemission leitet mit einer optischen Rückkopplung, zurückzuführen auf die Reflexionen auf Spiegeln, gebildet durch die zum Streifen senkrechten, gespalteten oder geätzten Flächen, oder auch durch periodische Gitter, die eine Indexstörung in den Laserstreifen einführen.
  • Zwei beiderseits des Halbleiterschichtenstapels angebrachte Metallisierungen vervollständigen die Laserstruktur.
  • Potentiell können die Halbleiterlaservorrichtungen sehr leistungsstark sein und sehr schnell auf die elektrischen Störungen ansprechen, wobei ihre Leistungen oft begrenzt werden durch die mit der Struktur der Vorrichtung verbundenen Serienwiderstände. Folglich verursacht der Serienwiderstand eine Erhöhung der Wärmeverluste und die Verringerung der statischen Leistungen der Vorrichtung wie Schwellenstrom, Elektron-Photon- Umwandlungs-Quantenausbeute, die optische Leistung und, im Falle der Laser, der energetische Wirkungsgrad. Außerdem hängen die dynamischen Leistungen über das RC-Produkt der Vorrichtung von dem Serienwiderstand ab, was den Durchlaßbereich begrenzt.
  • Mit den Fortschritten der Telekommunikationen, des Fernsehens und der Informatik wachsen die ausgetauschten Datenvolumen und die Übertragungsdistanzen sehr schnell. Eine der Lösungen zur Übertragung und Verteilung von Daten ist die Kommunikation durch Lichtleitfasern (Erdverbindung) oder über Satellit (Raumverbindung), was die Verwendung von sehr leistungsstarken und/oder sehr schnellen Lasern erforderlich macht.
  • Die im allgemeinen übernommenen Lösungen gehen in Richtung einer Optimierung des optischen Verhaltens des Bauteils, was erforderlich macht, das Halbleitermaterial zu dotieren und folglich einen Serienwiderstand einführt.
  • Generell wird die Aktivschicht nichtabsichtlich dotiert. Außerdem wird eine der Grenz- bzw. Einschließschichten n- dotiert und die andere Grenzschicht wird p-dotiert, um einen p-n- Übergang herzustellen.
  • Der Serienwiderstand einer elektronischen Doppel- Heterostrukturvorrichtung mit einem p-n-Übergang wie bei dem BRS- Laser (Buried Ridge Stripe, veröffentlicht zum Beispiel in dem Artikel "1.55um strip buried Schottky laser" von Bouley J.C. u.a. in Proceedings of the 9th IEEE International Semiconductor Laser Conference, Seite 54, August 1984), ist im wesentlichen begrenzt durch den Serienwiderstand zwischen den Metallisierungselektroden und ihrer Grenzfläche mit dem Halbleiter und durch die Konduktivität der Halbleiterschichten selbst.
  • Große Anstrengungen wurden und werden noch immer unternommen, um den elektrischen Widerstand der Metallisierungen zu verringern. Da dieser Widerstand inzwischen vergleichbar geworden ist mit dem der Halbleiterschichten, wäre es wirkungsvoll, auch den Widerstand der Halbleiterschichten zu beeinflussen.
  • Eine einleuchtende Maßnahme ist die Erhöhung des Dotierungsniveaus, speziell auf der p-Seite des p-n-Übergangs, da das p-Material resistiver ist aufgrund der Tatsache, daß die Mobilität der Löcher bis zu 100-mal kleiner ist als die der Elektronen. Aber es wurde demonstriert, z.B. durch Sasaki u.a. (Journal of Crystal Growth 93 (1988), Seiten 838-842, "Doping optimization in InGaAsP DH Lasers and improved characteristics in BH lasers grown by MOVPE"), daß eine Erhöhung der p-Dotierung über 5x10¹&sup7;Ionen/cm³ hinaus zu einer deutlichen Verschlechterung der Charakteristika der Laservorrichtungen führt. Dieser Leistungsverlust wurde der Diffundierung des n-Dotierungsmaterials (hier Zn) in die Aktivschicht zugeschrieben.
  • Bis heute wurden wenige Arbeiten veröffentlicht bezüglich der Möglichkeit, eine sehr hohe p-Dotierung zu verwenden, wahrscheinlich weil - da das Akzeptorendiffussionsphänomen während des Wachstums der Aktivschicht 200nm beträgt - eine Steuerung der Diffusion auf ungefähr 20 nm erforderlich wäre.
  • Nichtsdestotrotz sind einige Anstrenungen zur Vermeidung der Diffusion des Zinks in die Aktivschicht zu vermerken.
  • Das Patent US-A-437 197 beschreibt einen Halbleiterlaser, der eine dotierte Sperrschicht enthält, eingefügt zwischen eine der Grenzschichten und die Aktivschicht.
  • Y.L. Wang u.a. hat in in Applied Physics Letters 57 (Oktober 1990), Seite 1864, "Buried-heterostructure lasers fabricated by in situ processing techniques", eine mittels Molekularstrahlepitaxie erzeugte Laserstruktur veröffentlicht, die eine zusätzliche, nichtabsichtlich (n-Typ-)dotierte InP-Schicht umfaßt, eingefügt zwischen die InGaAsP-Aktivschicht und die p- dotierte InP-Grenzschicht.
  • Die Rolle dieser zusätzlichen Schicht ist es, die Aktivschicht während der Abscheidung der p-Schicht genau um die Diffusionsdistanz des Zinks zu beabstanden ("Spacer" in angelsächsischer Terminologie).
  • Eine Diffusionsuntersuchung des Zinks unter exitaxialen Wachstumsbedingungen war nötig, um die Dicke der zusätzlichen ("Spacer"-)Schicht genau festzulegen.
  • Dieselbe Idee einer InP-Trennschicht wird auch durch Sasaki berichtet, in dem oben erwähnten Artikel.
  • Üblicherweise haben Laserstrukturen mit optoelektronisch optimierten Leistungen einen Serienwiderstand zwischen 4 und 10 Ohm bei einer Struktur von ungefähr 300um Länge, wie z.B. die eines BRS-Lasers, beschrieben durch P. Devoldere u.a. in IEE Proceedings J, Band 136, N (1989), Seiten 76-82, "Lasers on semi- insulating InP substrate".
  • Gegenwärtig scheint die nichtabsichtlich dotierte InP- Trennschicht bei Strukturen von optoelektronischen Vorrichtungen das einzige Mittel zu sein, die Verschlechterung der Aktivschicht durch Akzeptorendiffusion einer Schicht von geringer Resistivität (d.h. stark dotiert) zu verhindern, die sich mit der Epitaxiewachstumstemperatur verstärkt. Jedoch beseitigt diese Technik nicht das Problem der Steuerung der Lage des p-n-Übergangs, denn es gibt noch immer eine chemische Diffusion des Akzeptors in die Trennschicht.
  • Ein weiterer praktischer Nachteil ist die Notwendigkeit, die Dicke der Trennschicht jedesmal neu zu eichen, wenn man das Wachstumsverfahren oder die Wachstumsbedingungen ändert, oder das Halbleitermaterial oder seine Struktur. Diese Nachteile machen die Verwendung von sehr hohen Dotierungen schwierig, die notwendig sind zum Erreichen eines niedrigen Serienwiderstands.
  • Das Ziel der Erfindung ist, eine optoelektronische Vorrichtungsstruktur mit einer veränderten Stapelung der Halbleiterschichten vorzuschlagen, die ermöglicht, die obigen Nachteile zu beseitigen. Diese Vorrichtung weist vor allem einen geringen Serienwiderstand auf, ohne Verschlechterung des Schwellenstroms und der Elektron-Photon-Umwandlungs- Quantenausbeute.
  • Die vorgeschlagene Halbleiterstruktur hat den Vorteil einer besseren Kontrolle der Lage des p-n-Übergangs, unabhängig vom Epitaxieverfahren und den Epitaxiebedingungen, und ermöglicht, in bezug auf die vorhergehende Technik, höhere Dotierungen zu beherrschen.
  • Genauer hat die Erfindung eine optoelektronische Vorrichtung zum Gegenstand, umfassend ein III-V-Substrat, eine untere Halbleitergrenzschicht aus III-V-Material, n-dotiert, angeordnet mit Kontakt zum Substrat, eine Aktivzone mit wenigstens einer Halbleiteraktivschicht aus nichtabsichtlich dotiertem III-V- Material, angeordnet auf der unteren Grenzschicht, eine obere Halbleitergrenzschicht aus p-dotiertem III-V-Material, die Aktivzone bedeckend, wobei das verbotene Energieband der Aktivschicht niedriger ist als das der Grenzschichten, eine erste Metallisierung, angeordnet über der oberen Grenzschicht, eine zweite Metallisierung, angeordnet auf dem Substrat, und eine Halbleiter-Diffusionssperrschicht für die Dotierungsionen der oberen Grenzschicht, angeordnet zwischen der Aktivschicht und der oberen Grenzschicht, wobei diese Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß die Sperrschicht aus stark n-dotiertem quarternärem III-V-Material erzeugt ist, und dadurch, daß die Sperrschicht eine kleinere oder gleiche Dicke aufweist wie die Aktivschicht und außerdem Teil der Aktivzone ist. Dabei muß man sich unter stark dotiert eine Dotierung höher als 10¹&sup7;Ionen/cm³ vorstellen.
  • Die Erfindung kann bei jedem III-V-Materialtyp angewendet werden. Insbesondere wird das III-Element ausgewählt unter Aluminium, Gallium und Indium und das V-Element unter Phosphor, Arsen oder Äntimon. Außerdem können die Halbleiterschichten aus Binär-, Ternär oder Quarternär-Material sein. Das Substrat ist insbesondere aus GaAs oder InP.
  • Die Aktivschicht kann aus einem einzigen Material erzeugt werden oder gebildet werden durch einen Stapel von Schichten, der eine aktive Struktur mit "Quantentöpfen" ("puits quantiques") bildet, d.h. eine Struktur, die wechselweise dünne Schichten aus zwei Materialarten umfaßt, wobei die eine ein niedrigeres verbotenes Energieband hat als die andere.
  • Beiderseits dieser Aktivschicht ist es möglich, eine Schicht mit gradueller Zusammensetzung zu verwenden, deren in Kontakt mit der Aktivschicht befindliche Oberfläche dieselbe Zusammensetzung wie diese hat, und deren in Kontakt mit der oberen Grenzschicht befindliche Oberfläche dieselbe Zusammensetzung wie diese letztere hat.
  • Wenn nötig ist es möglich, eine Schutzschicht der Aktivzone zu verwenden, angeordnet zwischen der oberen Grenzschicht und der ersten Metallisierung.
  • Die quarternäre Sperrschicht kann eine identische oder eine andere Zusammensetzung haben als die der Schichten, die die Aktivschicht bilden.
  • Nach einer Ausführungsart hat sie eine Zusammensetzung, die identisch ist mit der von einer der die Aktivschicht bildenden Schichten.
  • Für ein GaAs-Substrat kann die Sperrschicht Ga1-dAldAS1-ePe sein, mit 0&le;d< 1 und 0&le;e< 1.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist jedoch besonders gut an die Laser des BRS-Typs angepaßt, bei denen das Substrat aus InP ist.
  • Auf einem solchen Substrat verwendet man vorteilhafterweise eine untere Grenzschicht aus n-dotiertem InP, eine Aktivschicht aus Ga1-xInxAS1-yPy mit 0&le;x&le;1 und 0&le;y&le;1 nichtabsichtlich dotiert, eine untere Grenzschicht aus p&spplus;-dotiertem InP und eine Diffusionssperrschicht aus Ga1-zInzAS1-tPt mit 0< z< 1 und 0< t< 1, n- dotiert.
  • Selbstverständlich werden x, y, z und t so gewählt, daß die Aktivschicht ein verbotenes Energieband hat, das niedriger ist als das der Grenzschichten.
  • Bei diesem Strukturtyp wirkt die hohe p-Dotierung in dem Übergang InP-n/InP-p der beiden Seiten der Aktivzone in Richtung bzw. im Sinne einer Verringerung der seitlichen Streu- bzw. Verlustströme, und daher im Sinne der Verbesserung der Einschließung des Laserstroms in der Aktivschicht.
  • Vorteilhafterweise ist die Quarternärschicht mit einer Donatorenionenkonzentration dotiert, die gleich oder höher ist als die der oberen Grenzschicht, und insbesonder mit einer Donatoren- Dotierionenkonzentration von 5.10¹&sup7; bis 5.10¹&sup8;Ionen/cm³.
  • Weitere Mermale und Vorteile der Erfindung gehen besser aus der nachfolgenden, beispielhaften und nichteinschränkenden Beschreibung hervor, mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen:
  • - die Figur 1 zeigt schematisch im Querschnitt eine erfindungskonforme Laserstruktur,
  • - die Figur 2 ist eine Kurve, die die Veränderungen der Stromdichte, ausgedrückt in Ampere/cm², in Abhängigkeit von der in Volt ausgedrückten Spannung angibt, die an Heteroübergangsdioden mit oder ohne zusätzlicher Quarternärschicht liegt,
  • - die Figuren 3a und 3c stellen schematisch die verschiedenen Herstellungsschritte einer erfindungskonformen Laserstruktur dar.
  • Die in der nachfolgenden Beschreibung gegebenen Beispiele entsprechen einer Struktur, die weitgehend den Halbleiter InP verwendet, aber selbstverständlich ist die Erfindung nicht beschränkt auf diesen Fall.
  • Die Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Laserstruktur des BRS-Typs im Querschnitt. Man findet dort einen Schichtenstapel wieder, der dem ähnlich ist, dem man bei den bekannten Laserstrukturen begegnet.
  • Diese Struktur umfaßt ein InP-Substrat 10 des n-Typs (siliciumdotiert) mit einer Dotierionenkonzentration von ungefähr 5.10¹&sup8;Ionen/cm³, einer AuTi-Metallisierung 12 auf seiner Unterseite 11 und eine untere Grenzschicht oder Pufferschicht 14 auf seiner Oberseite 13. Die Pufferschicht 14 ist aus n-dotiertem InP mit einer Konzentration von 5x10¹&sup7; bis 3x10¹&sup8;Siliciumionen/cm³. Sie weiste eine Dicke von 0,5 bis 2,0 um auf.
  • Diese Pufferschicht 14 trägt eine Aktivschicht 16. Diese Schicht 16 ist z.B. aus massivem Quarternärmaterial Ga1-xInxAs1-yPy mit 0< z< 1 und 0< t< 1, nichtabsichtlich dotiert. Die Restdotierung ist vom n-Typ mit einer Konzentration in der Größenordung von 10¹&sup6;Ionen/cm³. Die Dicke der Schicht beträgt ungefähr 15nm.
  • Die Zusammensetzung der Aktivschicht kann angepaßt werden, abhängig von der gewählten Emissionswellenlänge und vor allem so, daß der Laser in dem Fenster von 1,5um oder 1,3um emittiert.
  • Die 1,5um-Emission entspricht x in der Größenordnung von 0,6 und y in der Größenordnung von 0,1, und eine 1,3um- Emission entspricht x in der Größenordnung von 0,75 und y in der Größenordnung von 0,5.
  • Es ist auch möglich, die Aktivschicht 16 in Form einer Struktur mit "Quantentöpfen" herzustellen, gebildet aus einem Stapel Ga1-uInuAs/Ga1-xINxAs1-yPy, nichtabsichtlich dotiert (n-Typ restlich), mit 0&le;u&le;1 und x und y mit den oben angegebenen Werten. Die GaInAs-Schichten bilden die Quantentöpfe. Die GaInAsP- Schichten spielen die Rolle des optischen Leiters und können eine konstante oder graduelle Zusammensetzung haben; die als optische Leiter dienenden Schichten weisen eine verbotene Bandbreite auf, die höher ist als die der Schichten, die die Rolle der Quantentöpfe spielen. Diese Quantentöpfe-Strukturen sind auch unter dem Namen Gitterstruktur (structure réseau) bekannt.
  • Insbesondere kann man eine Struktur verwenden mit 3 Quantentöpfen von 7nm Dicke und einer Zusammensetzung u aus Indium von 0,53 und mit 4 optischen Leitern konstanter Zusammensetzung aus Indium und Phosphor mit x des Werts 0,75 und y des Werts 0,5 und 10nm Dicke.
  • Auf bekannte Weise kann die Laserstruktur eventuell eine oder mehrere Schichten 18 umfassen, in Kontakt mit der Aktivschicht, erzeugt aus Ga1-vInvAs1-wPw mit 0&le;v&le;1 und 0&le;w&le;1, nichabsichtlich dotiert (n-Typ restlich) und mit einer verbotenen Bandbreite höher als die der Aktivschicht 16, wenn diese aus massivem GaInAsP ist, wobei diese Schichten abwechseln mit nichtabsichtlich dotierten InP-Schichten; diese Struktur bildet ein periodisches Bragg-Gitter von verteilten Spiegeln.
  • Ein mit diesem Bragg-Gitter ausgerüsteter Laser ist bekannt unter der Bezeichnung DFB-Laser.
  • Der Stapel 18 hat eine Dicke von ungefähr 140nm. Er kann z.B. bestehen aus einer GaInAsP-Schicht von 20nm Dicke mit Zusammensetzungen v aus In und w aus P des Werts 0,75 beziehungsweise 0,5 und aus zwei Schichten InP von 60nm Dicke.
  • Dieses Bragg-Gitter 18 trägt eventuell eine Schutzschicht 20 der Aktivzone, erzeugt aus InP des p-Typs mit einer Dicke von 0,01um bis 0,2um und einer Konzentration an Dotierionen (Zink) von 5.10¹&sup7;Ionen/cm³.
  • Die Aktivschicht 16, die Bragg-Gitter-Schicht 18 und die Schutzschicht 20 werden geätzt zu einen Streifen 22 mit der Breite 1 von 1 bis 3um, die Aktivzone des Lasers bildend.
  • Der Aktivstreifen 22 ist bedeckt von einer Schicht 24 aus InP des Typs p (Zinkdotierung), die obere Grenzschicht bildend.
  • Hinsichtlich der seitlichen Einschließung des Lichts umfaßt die Grenzschicht 24 beiderseits der Aktivzone 22 Zonen 25, erhalten durch Protonenimplantation.
  • Anschließend findet man eine Kontaktschicht 26 aus Gaf-1InfAS mit 0&le;f&le;1 des Typs p+ und eine Metallisierung 28, getragen durch die Kontaktschicht 26. Die Metallisierung 28 ist eine TiPt-Legierung, vergoldet (rechargé en or), mit einer Dicke von 150nm. Die Kontaktschicht hat z.B. eine Zusammensetzung f aus Indium des Werts 0,53, eine Dicke von 200nm und eine p- Dotierstoffkonzentration von 5x10¹&sup8;Ionen/cm³ bis 2x10¹&sup9;Ionen/cm³ und typisch 1x10¹&sup9;Ionen/cm³.
  • Nach einer Ausführungsart der Erfingung unterscheidet sich die in Figur 1 dargestellte Laserstruktur von der der vorhergehenden Technik durch eine zusätzliche Schicht 30 aus Quarternärmaterial, n-dotiert zwischen 5x10¹&sup7;Ionen/cm³ und 5x10¹&sup8;Ionen/cm z.B. aus Ga1-zInzAs1-tPt mit 0< z< 1 und 0< t< 1, die als Diffusionssperrschicht für die p-dotierenden Ionen (hier Zink) der oberen Grenzschicht 24 dienen. Diese Schicht 30 dient dem Schutze der Aktivschicht 16.
  • Diese Schicht 30 hat z.B. dieselbe Zusammensetzung wie die Aktivschicht 16 (also z und t des Werts 0,75 bzw. 0,5 für eine Emission mit 1,3um) und ist auch Teil der Aktivzone 22 des Lasers. Unter diesen Bedingungen präsentiert sich die Schicht 30 auch in Form eines Streifens der Breite 1. Außerdem ist die Dicke dieser zusätzlichen Schicht 30 geringer oder gleich der der Aktivschicht 16. Ihre typische Dicke beträgt 15nm.
  • Außerdem ist die obere Grenzschicht 24 erfindungsgemäß p-dotiert mit einer Dotierung höher als 1x10¹&sup8;Ionen/cm³ und z.B. enthalten zwischen 1x10¹&sup8;Ionen/cm³ und 1x10¹&sup9;Ionen/cm³. Diese Dotierung ist typisch 2x10¹&sup8;Ionen/cm³. Zudem hat diese Schicht 24 eine Dicke von 1500nm.
  • Eine Bewertung des Serienwiderstands der erfindungsgemäßen BRS-Struktur führt zu einem Wert des unteren Serienwiderstands bei 2 Ohm für eine Vorrichtungslänge L, gemessen in einer zu 1 senkrechten Richtung, von 250um, also 2- bis 5mal weniger als der von optimierten Laserstrukturen.
  • Die statischen und dynamischen Leistungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden bewahrt, ja sogar verbessert in bezug auf die der vorhergehenden Technik.
  • Der Anwender hat diverse Versuche und Untersuchungen durchgeführt, um die wesentlichen Erfindungstatsachen an der Funktionsweise der Laserstruktur zu überprüfen, d.h. die der Blockierung der Diffusion der Zinkionen durch eine Sperrschicht aus Ga1-zInzAs1-tPt, n-dotiert, zwischen dem Ga1-xInxAs1-yPy der Aktivschicht und dem InP des Typs p der oberen Grenzschicht 24.
  • Der Diffusionsmechanismus wird durch den Anmelder beschrieben in dem Dokument Japanese Journal of Applied Physics, Band 25, No8, August 1986, Seiten 1169-1173, von K. Kazmierski und B. de Cremoux, "A simple model and calculation of the influence of doping and intrinsic concentrations on the interstitial- substitutional diffusion mechanism : Application to Zn and Cd in InP".
  • Die Diffusion von Akzeptoren beschleunigt sich beim Vorhandensein von Löchern (Material des Typs p) oder verlangsamt sich beim Vorhandensein von Elektronen (Material des Typs n), wobei ein totaler Diffusionsstopp eintritt wenn die Konzentration von n-Dotierstoff höher ist als die der Akzeptoren p. Außerdem verlangsamt sich diese Diffusion in den GaInAsP-Materialien einer Zusammensetzung, die von InP bis GaInAs variiert.
  • Da die beiden Phänomene gemeinsam wirken, ist es möglich, die Dicke der Blockierschicht 30 anzupassen an sehr geringe Werte, z.B. kleiner als 20nm und typisch 5 bis 15nm.
  • Ein weiterer wichtiger Punkt der Erfindung betrifft den Stromverlust durch den parasitären p-n-Übergang aus InP aufgrund der Tatsache der hohen p-Dotierung der Schicht 24 und der BRS- Struktur.
  • Der Verluststrom hängt ab vom direkten Vor- bzw. Polarisationsspannungsunterschied, den man an die Elektroden legt, für einen gegebenen Strom zwischen dem aktiven Übergang und dem Homoübergang. Eine Erhöhung der direkten Spannung bei einer komplexeren Aktiv-Diode könnte diesen Unterschied eliminieren.
  • Der Anmelder hat nachgeprüft, daß die direkte Vor- bzw. Polarisationsspannung einer erfindungsgemäßen aktiven Diode mit der stark n-dotierten zusätzlichen Quarternärschicht sich nicht erhöht in bezug auf den Fall, bei dem diese Schicht fehlt. Die Resultate sind in Figur 2 eingetragen.
  • Diese Figur 2 zeigt die Strom-Spannungs-Charakteristika der beiden Heteroübergangsdioden mit und ohne zusätzliche Quarternärschicht. Diese Dioden umfassen eine obere Grenzschicht, dotiert mit 2x10¹&sup8;Ionen/cm³ des Typs p, eine untere Grenzschicht aus InP, dotiert mit 1x10¹&sup8;Ionen/cm³ mit einem n-Dotierstoff und eine Aktivschicht aus Ga1-xInxAS1-yPy, nichtabsichtlich dotiert mit x des Werts 0,75 und y des Werts 0,50.
  • Die Kurven a und b geben jeweils die Veränderungen der Stromdichte I an, ausgedrückt in A/cm², in Abhängigkeit von der Spannung V, ausgedrückt in Volt, für eine Diode mit einer zusätzlichen Quarternärschicht aus Ga1-zInzAS1-tPt mit z des Werts 0,75 und t des Werts 0,50, n&spplus;-dotiert mit 1.10¹&sup8;Ionen/cm³, zwischen der Aktivschicht und der p-dotierten InP-Schicht, und für eine Diode ohne diese zusätzliche Schicht.
  • Es ist vergesehen, die erfindungsgemäße Laserstruktur in zwei Epitaxieschritten zu erzeugen. Das Herstellungsverfahren der Laserstruktur der Figur 1 ist in den Figuren 3a bis 3c dargestellt.
  • In einem ersten Epitaxiezyklus und bezogen auf die Figur 3 scheidet man durch das CVD-Verfahren, mit Metallorganica (MOVPE), auf dem Substrat 10 aus InP des Typs n die folgenden Schichten ab:
  • - die Pufferschicht 14 aus InP des Typs n;
  • - die Schicht 16 z.B. aus Ga1-xInxAs1-yPy, nichtabsichtlich dotiert, mit x und y wie vorhergehend angegeben, um im 1,3um- oder 1,5um-Fenster zu emittieren;
  • - die Diffusionssperrschicht 30 aus Ga1-zInzAs1-tPt derselben Zusammensetzung wie die Schicht 16, n-dotiert mit 1x10¹&sup8;Silciumionen/cm³;
  • - die Bragg-Gitter-Schicht 18; sodann
  • - die Schutzschicht 20 aus InP des Typs p.
  • Man führt dann, wie dargestellt in Figur 3b, eine Ätzung der Schichten 16, 18, 30 und 20 durch, um den aktiven Streifen 22 der Breite 1 zu erhalten. Diese Ätzung erfolgt entsprechend den bevorzugten kristallographischen Richtungen, z.B. entsprechend der Richtung < 110> oder < 1 0> .
  • Diese Ätzungen werden auf chemischem Wege durchgeführt, unter Verwendung von HBr:Br als Angriffsmittel.
  • Es ist jedoch möglich, diese Ätzungen auf trockenem Wege auszuführen durch reaktives Ionenätzen oder Ionenbearbeitung bzw. -beschuß, dem Fachmann wohlbekannt.
  • Dann schreitet man zu einem zweiten MOVPE-Epitaxiezyklus, um die p&spplus;-dotierten InP-Schichten 24 und die Kontakt schicht 26 aus p&spplus;-dotiertem Ga1-fInfAS wachsen zu lassen.
  • Dann wird die obere Elektrode 28 auf der Schicht 26 erzeugt durch Verwendung einer Metallisierungsabscheidung TiPt, vergoldet (rechargé en or). die untere Elektrode 12 aus TiAu wird auf der Fläche 11 des InP-Substrats abgeschieden. Man führt dann eine Protonen-Ionenimplantation 25 durch, beiderseits des Laserstreifens 22, der die InP-Schicht 24 des n-Typs in diesen Bereichen 25 semi-isolierend macht, um eine elektrische Isolation des Laserstreifens vom Rest der Struktur sicherzustellen.
  • Nun führt man eine Teilung bzw. Spaltung der Stuktur durch, entsprechend einer zum Laserstreifen 22 senkrechten Richtung, um die beiden semi-reflektierenden Spiegel herzustellen.
  • Ein Serienwiderstand von 1,5 Ohm wurde mit dieser Ausführung erreicht, einen Schwellenstrom von 15mA aufweisend und eine maximale optische Leistung höher als 40 mW (Maximum 90mW) pro Seite für eine Vorrichtungslänge von 250um.
  • Diese vorzüglichen statischen Charakteristika beweisen die Effizienz der höhen Dotierung und der Blockierung der Diffusion der p-Dotierstoffe in die Aktivschicht in der erfindungsgemäßen Struktur.
  • Das RC-Produkt dieser Ausführung (d.h. BRS-Laser einer Länge von 250um mit nichtbehandelten Spiegeln) wurde gemessen unter Verwendung eines Stromnetz-Analysators. Nach der Analyse des entsprechenden Smith-Diagramms wurde ein äquivalentes RC-Schema der Struktur abgeleitet. Der RC-Wert der erfindungsgemäßen Struktur (also 1,5 Ohm x 5 pF) ist niederfreguent und hochfrequent kleiner als 8 ps, was einer Durchlaßbereichsgrenze besser als 20 GHz entspricht.
  • Die bei diesen Bauteilen effektiv gemessenen Durchlaßbereiche überschreiten 16 GHz mit einem oberen Maximum höher als 18 GHz; sie sind höher als diejenigen der BRS-Laservorrichtungen der vorhergehenden Technik.

Claims (8)

1. Optoelektronische Vorrichtung, umfassend ein III-V- Substrat (10), eine untere Halbleiter-Grenzschicht (14) aus n- dotiertem III-V-Material, angeordnet mit Kontakt zum Substrat (10), eine aktive Zone (22), wenigstens eine aktive Halbleiterschicht (16) aus III-V-Material umfassend, unbeabsichtigt dotiert, angeordnet auf der unteren Grenzschicht (14), eine obere Halbleiter-Grenzschicht (24) aus p-dotiertem III-V-Material, die aktive Zone bedeckend, wobei das verbotene Energieband der aktiven Schicht kleiner ist als das der Grenzschichten, eine erste Metallisierung (12), angeordnet über der oberen Grenzschicht, eine zweite Metallisierung (28), angeordnet auf dem Substrat, und eine Halbleiter-Diffusionssperrschicht (30) für die Dotierungsionen der oberen Grenzschicht, angeordnet zwischen der aktiven Schicht und der oberen Grenzschicht, wobei diese Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß die Sperrschicht (30) aus quarternärem III-V-Material erzeugt ist, dessen n-Typ-Dotierung höher ist als 10¹&sup7; Ionen/cm³, und dadurch, daß die Sperrschicht (30) eine kleinere oder gleiche Dicke aufweist wie die aktive Schicht und außerdem Teil der aktiven Zone ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die quarternäre Schicht (30) dotiert ist mit einer Donatorenkonzentration, die gleich oder höher ist als die der Akzeptoren der oberen Grenzschicht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die quarternäre Schicht dotiert ist mit einer Konzentration aus Donatoren-Dotierionen von 5x10¹&sup7; bis 5x10¹&sup8; Ionen/cm³.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die quarternäre Schicht (30) eine Zusammensetzung aufweist, die identisch ist mit einer der die aktive Schicht bildenden Schichten.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Grenzschicht (24) dotiert ist mit wenigstens 10¹&sup8; Akzeptoren-Dotierionen/cm³.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schutzschicht (20) der aktiven Zone vorgesehen ist zwischen der oberen Grenzschicht und der ersten Metallisierung.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus InP ist, die untere Grenzschicht (14) aus n-dotiertem InP ist, die aktive Schicht (16) aus Ga1-xInxAs1-yPy mit 0&le;x&le;1 und 0&le;y&le;1 ist, unbeabsichtigt dotiert, die obere Grenzschicht (24) aus p&spplus;-dotiertem InP ist und die Diffusionssperrschicht (30) aus Ga1-zInzAs1-tPt mit 0&le;z&le;1 und 0&le;t&le;1 ist, n-dotiert mit einer Konzentration von 5x10¹&sup7; bis 5x10¹&sup8; Ionen/cm³.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Zone (22) die Form eines Streifens aufweist, umgeben von der oberen Grenzschicht (24).
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