DE69219688T2

DE69219688T2 - Halbleitervorrichtung und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE69219688T2
Application number: DE69219688T
Authority: DE
Inventors: Kazuhiko Inoguchi; Hiroaki Kudo; Satoshi Sugahara; Haruhisa Takiguchi
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1991-06-24
Filing date: 1992-06-24
Publication date: 1997-12-18
Anticipated expiration: 2012-06-25
Also published as: US5309472A; EP0525971B1; DE69219688D1; EP0525971A2; EP0525971A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung:

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung einschließlich einer optischen Vorrichtung und einer elektronischen Vorrichtung und auf ein Verfahren zum Herstellen derselben. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine optische Vorrichtung, wie beispielsweise einen integrierbaren, wellenlängengesteuerten Halbleiterlaser und ebenfalls eine elektronische Vorrichtung mit hoher Geschwindigkeit und niedrigem Leistungsverbrauch.

2. Beschreibung des Standes der Technik:

In jüngster Zeit wurden ein Laser mit verteilter Bragg- Reflexion (DBR) und ein Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB) entwickelt. Diese Typen von Lasern haben hervorragende Eigenschaften als ein Einzel-Longitudinalmodus-Laser.
Die Wellenlänge von Licht, das parallel reflektiert und aus parallel auf ein Beugungsgitter einfallendem Licht erzeugt ist, wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt: λ&sub0; = 2Neff Λ/m, in welcher Neff ein äquivalenter Brechungsindex, Λ die Periodizität des Beugungsgitters und m die Ordnung des Beugungsgitters bedeuten. Im DBR-Laser und im DFB-Laser wird eine Schwingung in einem Einzel-Longitudinalmodus unter Verwendung von Wellenlängenselektivität realisiert.
Fig. 9 ist eine schematische Darstellung eines AlGaAs-DFB- Lasers als ein Beispiel von derartigen bekannten Halbleiterlasern. Der in Fig. 9 gezeigte DFB-Laser wird auf die folgende Weise hergestellt. Auf einem GaAs-Substrat 901 werden eine Überzugschicht 902, eine aktive Schicht 903 und eine optische Leitschicht 904 sequentiell durch ein erstes epitaxiales Wachstum aufgewachsen, und ein Beugungsgitter 907 mit einer spezifischen Periodizität wird auf einer Oberfläche der optischen Leitschicht 904 gebildet. Dann werden eine Überzugschicht 905 und eine Kontaktschicht 906 durch ein zweites epitaxiales Wachstum auf dem Beugungsgitter 907 aufgewachsen.
Wie aus den obigen Erläuterungen folgt, muß, um einen Halbleiterlaser, wie beispielsweise den in Fig. 9 gezeigten Laser, herzustellen, das epitaxiale Wachstum wenigstens zweimal durchgeführt werden. Darüber hinaus ist es erforderlich, ein Beugungsgitter in ausreichend enger Lage zu einer aktiven Schicht zu bilden, so daß das Beugungsgitter vollständig eine optische Feldstärkeverteilung beeinflussen kann, die in dem optischen Wellenleiterbereich einschließlich der aktiven Schicht erzeugt wird. In einem Halbleiterlaser mit einer derartigen Struktur verringert ein nicht-strahlendes Rekombinationszentrum, das an der Zwischenfläche längs des Beugungsgitters erzeugt ist, die Lichtemissionswirksamkeit und die Zuverlässigkeit des Lasers. Darüber hinaus ist die Designfreiheit der Vorrichtungsstruktur beschränkt.
Fig. 10 ist eine schematische Darstellung eines InP-DFB- Lasers als ein anderes Beispiel von bekannten Halbleiterlasern. In dem InP-DFB-Laser wird im Unterschied zu dem AlGaAs-DFB-Laser kein schwingendes oder oszillierendes Licht in das Substrat absorbiert. Daher ist es möglich, ein Beugungsgitter 1006 auf einem Substrat 1001 zu bilden. Demgemäß kann der Rest der Mehrschichtstruktur einschließlich einer optischen Leitschicht 1002, einer aktiven Schicht 1003, einer Überzugschicht 1004 und einer Kontaktschicht 1005 gebildet werden, indem ein epitaxiales Wachstum lediglich einmal ausgeführt wird. Jedoch ist es in dem in Fig. 9 gezeigten AlGaAs-DFB-Laser erforderlich, daß die aktive Schicht 1003 ausreichend nahe bei dem Beugungsgitter 1006 angeordnet wird. Demgemäß hat der Halbleiterlaser von Fig. 10 auch die Probleme, daß die Lichtemissionswirksamkeit und die Produktzuverlässigkeit verringert sind und die Designfreiheit der Vorrichtungsstruktur eingeschränkt ist.
Eine optische Vorrichtung und eine elektronische Vorrichtung, die einen ultradünnen Halbleiterfilm verwenden, wurden neulich untersucht, um eine Vielzahl von Quanteneffekten zur Gewinnung eines höheren Betriebsverhaltens zu verwenden.
Fig. 11 ist eine schematische Darstellung eines Quantenwannenlasers als ein Beispiel von derartigen Vorrichtungen. Im Quantenwannenlaser ist die Bewegung von Elektronen und Löchern innerhalb einer Quantenwannenschicht 1102 in der Dickenrichtung durch ein Paar von Begrenzungsschichten 1101 und 1103 begrenzt. Daher hat der Quantenwannenlaser Vorteile, wie beispielsweise eine verminderte Schwellenstromdichte und verbesserte Temperatureigenschaften, wie dies in Electronics Letters, Band 18, 1095 (1982) beschrieben ist.
In einer derartigen Quantenwanne sind jedoch die Elektronen und Löcher lediglich in der Dickenrichtung, jedoch nicht in einer Richtung auf einer Ebene parallel zu einer Hauptfläche der Quantenwannenschicht quantisiert. Daher sind die Verringerung in der Schwellenstromdichte und die Verbesserung in den Temperatureigenschaften nicht ausreichend. Um diese Probleme zu lösen, werden Halbleiterlaser mit gekrümmten aktiven Schichten, wie dies in den Fig. 12 und 13 gezeigt ist, vorgeschlagen. Die Laser der Fig. 12 und 13 können Quantendrahteffekte bzw. Quantenschachteleffekte erzielen (japanische offengelegte Patentpublikationen Nr. 61-212084 und 61-212085 (Journal of Crystal Growth 104 (1990), Seiten 766- 772).
In jedem der Laser der Fig. 12 und 13 ist eine einzelne aktive Schicht oder eine Mehrfachaktivschichtstruktur als ein Verstärkungsbereich gebildet. Die aktive Schicht ist ausreichend dünn, um Quanteneffekte zu erzeugen, und umfaßt ein Beugungsgitter mit einer ausreichend kurzen Periodizität, um zusätzliche Quanteneffekte in einer Richtung auf einer Ebene parallel zu einer Hauptoberfläche der aktiven Schicht zu liefern. Durch diesen Aufbau werden Quantendrahteffekte und Quantenschachteleffekte erhalten, insbesondere wird die Bewegung der Elektroden und Löcher in einer Richtung der Periodizität der wellung sowie in der Dickenrichtung begrenzt. Als ein Ergebnis werden Halbleitervorrichtungen mit verbessertem Betriebsverhalten erzeugt.
Um jedoch eine aktive Schicht mit einem Beugungsgitter zu bilden, die zur Gewinnung von Quanteneffekten geeignet ist, ist es erforderlich, die aktive Schicht innerhalb eines kurzen Abstandes von der auf dem Substrat gebildeten entsprechenden Wellung zu positionieren. Dies bedeutet, daß die Freiheit beim Design der Vorrichtungsstruktur begrenzt ist. Darüber hinaus ist es schwierig, die Probleme zu vermeiden, die auf dem nicht-strahlenden Rekombinationszentrum beruhen, das an der Zwischenfläche längs der auf dem Substrat gebildeten Wellung erzeugt ist.
"Patent Abstracts of Japan", Band 13, Nr. 594 (E-867) [3942] und JP-A-1 248 585 offenbaren eine Halbleiterlaservorrichtung. Die aktive Schicht dieser Vorrichtung hat eine sich periodisch ändernde Dicke, und dies führt zu periodischen Änderungen im wirksamen Brechungsindex und damit in der Verstärkungsverteilung.
EP-A-0 244 140 offenbart einen Transistor, der eine Struktur hat, die in einer vorbestimmten Richtung periodisch ist. Ladungsträger sind in der Lage, sich lediglich in einer Richtung senkrecht zu der vorbestimmten Richtung zu bewegen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine optische Halbleitervorrichtung vorgesehen, die aufweist: eine Mehrschichtstruktur mit einer aktiven Schicht, einer ersten Halbleiterschicht und einer zweiten Halbleiterschicht nebeneinander, wobei die erste und die zweite Halbleiterschicht eine Wellung, die periodisch ist, an einer Zwischenfläche dazwischen haben, und eine Erzeugungseinrichtung zum Erzeugen einer optischen Feldstärkeverteilung in einem Wellenleiterbereich einschließlich der aktiven Schicht, die mit der Mehrschichtstruktur verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellung von der aktiven Schicht durch wenigstens eine Leiterwellenlänge d getrennt ist, die durch d = λ/n definiert ist, wobei λ eine Schwingungswellenlänge und n einen effektiven Brechungsindex bedeuten, und daß die aktive Schicht im wesentlichen flach ist und eine Verstärkungsverteilung mit einem Verteilungsmuster entsprechend der Wellung enthält.
Bevorzugte Merkmale der optischen Halbleitervorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 9 angegeben.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Erzeugen einer optischen Halbleitervorrichtung vorgesehen, mit einer Mehrschichtstruktur einschließlich einer aktiven Schicht, einer ersten Halbleiterschicht und einer zweiten Halbleiterschicht, die nebeneinander angeordnet sind, wobei die erste und die zweite Halbleiterschicht eine Wellung, die periodisch ist, an einer Zwischenfläche dazwischen haben, und einer Erzeugungseinrichtung zum Erzeugen einer optischen Feldstärkeverteilung in einem Wellenleiterbereich einschließlich der aktiven Schicht, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Erzeugen der Mehrschichtstruktur durch Bilden der Wellung in einer periodischen Weise auf einer oberen Oberfläche der ersten Halbleiterschicht und Bilden des Restes der Mehrschichtstruktur einschließlich der zweiten Halbleiterschicht und der aktiven Schicht in einem einzigen Prozeß mittels einer Dampfphasenwachstumsmethode, um die aktive Schicht in einer Entfernung von der Wellung anzuordnen, und Bilden der Erzeugungseinrichtung, um in Berührung mit der Mehrschichtstruktur zu sein,
wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß der Abstand zwischen der Wellung und der aktiven Schicht wenigstens eine Leiterwellenlänge d ist, die durch d = λ/n festgelegt ist, wobei λ eine Schwingungswellenlänge und n einen effektiven Brechungsindex bedeuten, und daß die aktive Schicht im wesentlichen flach ausgebildet ist und eine Verstärkungsverteilung mit einem Verstärkungsmuster entsprechend der Wellung umfaßt.
Bevorzugte Merkmale des Verfahrens sind in den Ansprüchen 11 bis 17 angegeben.
Somit macht die hier beschriebene Vorrichtung die folgenden Vorteile möglich: (1) Vorsehen einer optischen Vorrichtung, die hervorragende optische Eigenschaften hat, leicht herzustellen ist und eine hohe Zuverlässigkeit aufweist, sowie eines Verfahrens zum Herstellen derselben, (2) Vorsehen einer optischen Vorrichtung und einer elektronischen Vorrichtung, die jeweils einfach in einer monolithischen Vorrichtung integriert sind und eine hohe Koppelwirksamkeit liefern, sowie eines Verfahrens zum Herstellen derselben, und (3) Vorsehen einer Quantendrahtvorrichtung und einer Quantenschachtelvorrichtung, die jeweils eine hohe Betriebsgeschwindigkeit und einen niedrigen Leistungsverbrauch haben, und eines Verfahrens zum Herstellen derselben.
Diese und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für die Fachwelt nach Lesen und Verständnis der folgenden Detailbeschreibung anhand der begleitenden Figuren offensichtlich.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1A ist eine grundsätzliche Darstellung, die ein Prinzip gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 1B ist ein Graph, der eine optische Feldstärkeverteilung der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Fig. 1C ist ein Graph, der eine Verstärkungsverteilung in einer aktiven Schicht der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Fig. 1D ist ein Graph, der eine Brechungsindexverteilung in der aktiven Schicht der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Fig. 2A ist eine schematische Darstellung eines Halbleiterlasers als ein erstes Beispiel gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2B ist ein Graph, der die Strom-Lichtleistungskennlinie des Halbleiterlasers als dem ersten Beispiel veranschaulicht.
Fig. 2C ist ein Graph, der die Abhängigkeit der Schwingungswellenlänge von der Temperatur bei dem Halbleiterlaser als dem ersten Beispiel veranschaulicht.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines Halbleiterlasers als ein zweites Beispiel gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines Halbleiterlasers als ein drittes Beispiel gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung eines Halbleiterlasers als ein viertes Beispiel gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung eines Halbleiterlasers mit einer Quantenwannenstruktur als ein fünftes Beispiel gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 7 ist eine schematische Darstellung eines Halbleiterlasers mit einer Quantenwannenstruktur als ein sechstes Beispiel gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung einer Halbleitervorrichtung mit einer Quantenwanne.
Fig. 9 ist eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Halbleiterlasers.
Fig. 10 ist eine schematische Darstellung eines anderen herkömmlichen Halbleiterlasers.
Fig. 11 ist eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Halbleiterlasers mit einer Quantenwannenstruktur.
Fig. 12 ist ein anderer herkömmlicher Halbleiterlaser mit einer Quantenwannenstruktur.
Fig. 13 ist noch ein anderer herkömmlicher Halbleiterlaser mit einer Quantenwannenstruktur.

DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Das Prinzip einer Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird mit einem Halbleiterlaser als einem Beispiel beschrieben. Fig. 1A ist eine grundsätzliche Darstellung hiervon. In Fig. 1A hat ein Halbleitersubstrat 101 eine periodische Wellung 106 auf einer Oberfläche hiervon. Auf der periodischen Wellung 106 sind eine erste überzugschicht 102, eine aktive Schicht 103, eine zweite Überzugschicht 104 und eine Kontaktschicht 105 sequentiell in einem einzigen Prozeß mittels einer Dampfphasenwachstumsmethode gebildet, um so eine Mehrschichtstruktur mit einem optischen Wellenleiterbereich mit der aktiven Schicht 103 zu erzeugen.
Die aktive Schicht 103 kann gebildet werden, um im wesentlichen flach zu sein, indem das Dampfphasenwachstum unter geeigneten Bedingungen ausgeführt wird. Die Wellung 106 beeinflußt das Dampfphasenwachstum, und als ein Ergebnis wird eine Verstärkungsverteilung mit einer Periodizität entsprechend zu derjenigen der Wellung 106 erhalten. Eine Brechungsindexverteilung mit einer Periodizität entsprechend zu derjenigen der Wellung 106 kann ebenfalls erhalten werden.
In einem derartigen Halbleiterlaser ist eine Wellenlängenselektivität durch eine periodische Verstärkungsverteilung realisiert, die in der aktiven Schicht 103 erhalten ist. Die Wellenlängenselektivität kann auch durch eine Brechungsindexverteilung realisiert werden. Somit kann die Wellung 106 außerhalb einer elektromagnetischen Feldstärkeverteilung, wie beispielsweise einer optischen Feldstärkeverteilung, angeordnet werden. Demgemäß vermindert die Erzeugung eines nicht-strahlenden Rekombinationszentrums an der Zwischenfläche längs der Wellung 106 nicht die Lichtemissionswirksamkeit oder die Zuverlässigkeit des Lasers.
Die Wellung 106 wird außerhalb der optischen Feldstärkeverteilung gebildet, wenn der Abstand zwischen der aktiven Schicht 103 und der Wellung 106 nicht kleiner als die Leiterwellenlänge d ist, die durch d = λ/n festgelegt ist, wobei λ die Schwingungswellenlänge ist und n den wirksamen Brechungsindex bedeutet. Der obige Abstand wird vorzugsweise nicht kleiner als 0,4 µm und noch bevorzugter zwischen 0,5 bis 1,0 µm eingestellt.
Darüber hinaus können eine Quantendrahtvorrichtung und eine Quantenschachtelvorrichtung in der folgenden Weise gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden. Die aktive Schicht 103 wird ausreichend dünn gebildet, um Quanteneffekte zu erzeugen. Zusätzlich wird die Wellung 106 in einem derartigen Muster erzeugt, daß Quanteneffekte in der aktiven Schicht 103 aufgrund einer Verstärkungsverteilung, die in wenigstens einer Richtung parallel zu der aktiven Schicht vorhanden ist, gebildet werden. Die Quanteneffekte können auch aufgrund einer Brechungsindexverteilung geliefert werden, die wenigstens in einer Richtung parallel zu der aktiven Schicht erzeugt ist.
Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von veranschaulichenden Beispielen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.

Beispiel 1

Ein AlGaAs-Halbleiterlaser wird als ein erstes Beispiel gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert.
Fig. 2A ist eine Schnittdarstellung eines mittleren Teiles des AIGAAS-Halbleiterlasers längs einer Ebene parallel zu einer optischen Wellenleiterrichtung, und die Fig. 28 und 2C sind Graphen, die repräsentative Eigenschaften bzw. Kennlinien dieses Halbleiterlasers veranschaulichen.
In Fig. 2A ist eine Wellung 206 mit einer Periodizität Λ von 200 bis 250 nm auf einer Hauptoberfläche eines n-GaAs-Substrates 201 gebildet. Die Wellung 206 ist durch die Kombination bekannter Techniken, wie beispielsweise einer hobgraphischen Belichtung und Ätzung oder einer Elektronenstrahlbelichtung und Ätzung hergestellt. Auf dem n-GaAs-Substrat 201 mit der Wellung 206 sind sequentiell eine n-Al0,5Ga0,5As-Überzugschicht 202 (Dicke: 0,5 µm), eine Al0,13Ga0,87As-Aktivschicht 203 (Dicke: 0,1 µm), eine p-Al0,5Ga0,5As-Überzugschicht 204 (Dicke: 0,5 µm) und eine p-GaAs-Kontaktschicht 205 (Dicke: 1,0 /µm) unter Verwendung einer metallorganischen chemischen Dampfabscheidung (MOCVD) unter niedrigem Druck aufgewachsen. Auf diese Weise wird eine Mehrschichtstruktur für den Halbleiterlaser geliefert. Die aktive Schicht 203 kann unter geeigneten Bedingungen erzeugt werden, um im wesentlichen flach zu sein, beispielsweise mit einer Wachstumstemperatur von 600ºC bis 750ºC und einem V/III-Verhältnis von 60 bis 120.
Im folgenden wird eine Elektrode mit einem Kontaktstreifen von 10 µm auf einer oberen Oberfläche der Kontaktschicht 205 gebildet, und eine andere Elektrode wird auf einer Boden- oder unteren Oberfläche des Substrates 201 gebildet, um so einen Halbleiterlaser herzustellen.
Fig. 2B veranschaulicht die Strom-Licht-Leistungskennlinie. Wie in Fig. 2B gezeigt ist, beträgt der Schwellenstrom Ith ungefähr 110 mA, und der Ansteuerstrom Iop bei 10 mW beträgt ungefähr 140 mA. Diese Eigenschaften bzw. Kennlinien sind ähnlich zu denjenigen eines herkömmlichen Fabry-Pérot- Lasers, was bedeutet, daß im wesentlichen kein optischer Absorptionsverlust vorliegt. Daher ist es offensichtlich, daß keine optische Feldstärkeverteilung auf der Wellung 206 vorliegt.
Fig. 2C veranschaulicht die Abhängigkeit der Schwingungswellenlänge von der Temperatur, wenn der Halbleiterlaser durch einen 10 mW APC-Impuls angesteuert ist. Der Temperaturbereich ΔT, in welchem ein dynamischer Einzel-Longitudinalbetriebsmodus erhalten wird, hat einen oberen Bereich von ungefähr 80ºC. Somit hat der Halbleiterlaser eine befriedigende DFB-Modus-Kennlinie.
Aus der obigen Beschreibung ist ersichtlich, daß die Periodizität der Verstärkungsverteilung des optischen Wellenleiterbereiches einschließlich der aktiven Schicht 203 derjenigen der Wellung 206 entspricht, die auf dem n-GaAs-Substrat 201 erzeugt ist. Die Brechungsindexverteilung kann auch in dem optischen Wellenleiterbereich erzeugt sein, dessen Periodizität derjenigen der Wellung 206 entspricht.
Es wird angenommen, daß eine derartige Verstärkungsverteilung und Brechungsindexverteilung aus dem folgenden Grund erhalten sind. Die Wachstumsgeschwindigkeit der mittels der Dampfphasenwachstumsmethode aufgewachsenen Schichten ändert sich abhängig von den verschiedenen Abschrägungen oder Flächen längs der Wellung 206. Daher wird die Belastungsbeanspruchung bzw. -spannung entsprechend der Periodizität der Wellung 206 in dem optischen Wellenleiterbereich einschließlich der aktiven Schicht 203 erzeugt. Eine derartige Belastungsbeanspruchung ist deutlicher, wenn der Unterschied im Zusammensetzungsverhältnis zwischen den aufgewachsenen Schichten größer und die Wachstumstemperatur höher werden.
Die Dichte an Fremdstoff, der in jeder aufgewachsenen Halbleiterschicht enthalten ist, ändert sich auch abhängig von der Wachstumsgeschwindigkeit, die von der Abschrägung oder Fläche der Wellung abhängt.
Es wird daher angenommen, daß die Periodizität der Wellung 206 in die darauf aufgewachsenen Schichten reflektiert werden kann, indem eine geeignete Wachstumsbedingung gemäß der Wachstumstemperatur, dem Wachstumsdruck, dem Durchsatz des Materialgases und dergl. verwendet wird.

Beispiel 2

Ein AlGaAs-Halbleiterlaser mit einer Schwingungswellenlänge um 830 nm wird als ein zweites Beispiel gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Fig. 3 ist eine Schnittdarstellung eines mittleren Teiles dieses Halbleiterlasers längs einer Ebene parallel zu einer optischen Wellenleiterrichtung.
In Fig. 3 hat ein n-GaAs-Substrat 301 darauf eine n-Al0,45Ga0,55As-Anlegeschicht 302. Auf einer Hauptoberfläche der Anlegeschicht 302 ist eine Wellung 307 mit einer Periodizität Λ von 200 bis 250 nm mittels bekannter Techniken gebildet. Auf der n-Al0,45Ga0,55As-Anlegeschicht 302 mit der Wellung 307 sind sequentiell eine n-A10,45Ga0,55As-Überzugschicht 303, eine A10,05Ga0,95As-Aktivschicht 304, eine p-Al0,45Ga0,55As-Überzugschicht 305 und eine p-GaAs-Kontaktschicht 306 mittels Niederdruck-MOCVD aufgewachsen. Auf diese Weise wird eine Mehrschichtstruktur für den Halbleiterlaser erzeugt. Die aktive Schicht 304 kann so gebildet werden, daß sie im wesentlichen flach ist, indem die Wachstumstemperatur, das V/III-Verhältnis und die Schichtdicke gesteuert werden.
Das zweite Beispiel unterscheidet sich vom ersten Beispiel, da die Anlegeschicht 302 und die Überzugschicht 303 ein identisches Zusammensetzungsverhältnis zueinander haben und der Brechungsindex nicht auf der Wellung 307 moduliert ist. Jedoch können unter geeigneten Wachstumsbedingungen die gleichen Effekte wie diejenigen, die im ersten Beispiel beschrieben sind, erhalten werden. Als ein Ergebnis wird eine Verstärkungsverteilung mit einer Periodizität entsprechend zu derjenigen der Wellung 307 in einem optischen Wellenleiterbereich einschließlich der aktiven Schicht 304 erzeugt. Eine Brechungsindexverteilung mit der gleichen Periodizität kann auch in dem optischen Wellenleiterbereich erzeugt werden.
Daher kann ein Halbleiterlaser mit einer befriedigenden DFB- Modus-Kennlinie erzeugt werden, obwohl geometrisch keine Wellung innerhalb der Mehrschichtstruktur hiervon vorliegt.

Beispiel 3

Ein InP-Halbleiterlaser mit einer Schwingungswellenlänge um 1,3 µm wird als ein drittes Beispiel gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Fig. 4 ist eine Schnittdarstellung eines mittleren Teiles dieses Halbleiterlasers längs einer Ebene parallel zu einer optischen Wellenleiterrichtung.
Wie in Fig. 4 gezeigt ist, umfaßt eine Mehrschichtstruktur dieses Halbleiterlasers ein InP-Substrat 401, eine InGaAsP- Anlegeschicht 402 mit einer Wellung 407, eine erste InP-Überzugschicht 403, eine InGaAsP-Aktivschicht 404, eine zweite InP-Überzugschicht 405 und eine InGaAsP-Kontaktschicht 406.
In dem dritten Beispiel ist die Wellung 407 nicht auf dem Substrat 401, sondern auf einer oberen Oberfläche der Anlegeschicht 402 gebildet, um eine Deformation der Wellung 407 während des Wachstumsprozesses der Schichten zu verhindern.
Der Halbleiterlaser des dritten Beispiels unterscheidet sich von dem in Fig. 10 gezeigten herkömmlichen InP-DFB-Laser, da die aktive Schicht 404 und die Wellung 407 voneinander durch wenigstens eine Leiterwellenlänge getrennt sind (d = λ/n; wobei d die Leiterwellenlänge, λ die Schwingungswellenlänge, n den effektiven Brechungsindex bedeuten und d ungefähr 0,4 µm in diesem Fall ist).
Bei den ersten und zweiten Beispielen wird eine Verstärkungsverteilung mit einer Periodizität entsprechend zu derjenigen der Wellung 407 in der aktiven Schicht 404 erhalten. Eine Brechungsindexverteilung mit der gleichen Periodizität kann auch in der aktiven Schicht 404 erhalten werden. Demgemäß zeigt der Halbleiterlaser eine befriedigende DFB-Modus-Kennlinie. Da darüber hinaus eine optische Feldstärkeverteilung, die in einem optischen Wellenleiterbereich einschließlich der aktiven Schicht 404 erzeugt ist, auf der Wellung 407 nicht vorliegt, beeinflußt die Erzeugung eines nicht-strahlenden Rekombinationszentrums an der Zwischenfläche längs der Wellung 407 nicht nachteilhaft den Halbleiterlaser.

Beispiel 4

Ein ZnCdSSe-Halbleiterlaser mit einer Schwingungswellenlänge um 460 nm wird als ein viertes Beispiel gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Fig. 5 ist eine Schnittdarstellung eines zentralen Teiles dieses Halbleiterlasers längs einer Ebene parallel zu einer optischen Wellenleiterrichtung.
In Fig. 5 hat ein n-GaAs-Substrat 501 eine Wellung 510 mit einer spezifischen Periodizität Λ, die auf einer Hauptoberfläche hiervon mittels bekannter Techniken ausgebildet ist. Die spezifische Periodizität Λ beträgt ungefähr 80 bis 100 nm und ungefähr 160 bis 200 nm, um den Beugungsgittereffekt erster Ordnung bzw. den Beugungsgittereffekt zweiter Ordnung zu erhalten. Auf dem n-GaAs-Substrat 501 mit der Wellung 510 sind sequentiell eine n-ZnSe-Pufferschicht 502, eine ZnSSe- Überzugschicht 503 (Dicke: 2,5 µm), eine ZnSe-SCH-Schicht 504 (Dicke: 0,5 µm), eine ZnCdSe-Aktivschicht 506 (Dicke: 10 nm), eine ZnSe-SCH-Schicht 507 (Dicke: 0,5 µm), eine ZnSSeÜberzugschicht 508 (Dicke: 1,5 µm) und eine ZnSe-Kontaktschicht 509 (Dicke: 0,1 µm) mittels Niederdruck-MOCVD aufgewachsen. Auf diese Weise wird eine Mehrschichtstruktur für den Halbleiterlaser erzeugt.
Wie in den vorangehenden Beispielen erhält die aktive Schicht 506, die durch Steuern der Wachstumsbedingungen im wesentlichen flach gebildet werden kann, eine Verstärkungsverteilung mit einer Periodizität entsprechend zu derjenigen der wellung 510. Eine Brechungsindexverteilung mit der gleichen Periodizität kann auch in der aktiven Schicht 506 erhalten werden.
Da darüber hinaus keine optische Feldstärkeverteilung auf der Wellung 510 vorliegt, tritt kein Problem hinsichtlich der Lichtemissionswirksamkeit oder der Zuverlässigkeit des Produktes auf. Somit kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein gewünschter DFB-Laser auch durch Verwendung von ZnCdSSe-Halbleitern realisiert werden.

Beispiel 5

Fig. 6 ist eine schematische Darstellung eines AlGaAs-Halbleiter-Quantendrahtlasers als ein fünftes Beispiel gemäß der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 6 weist ein n-GaAs-Substrat 601 eine auf einer Hauptoberfläche hiervon gebildete Wellung 606 mit einer Periodizität Λ von 50 bis 100 nm auf. Auf den n-GaAs-Substrat 601 mit der Wellung 606 sind sequentiell eine n-AlGaAs-Überzugschicht 602, eine AlGaAs-GRIN-SCH-SQW- (graded-index-of- refraction separate-confinement-heterostructure single- quantum-well bzw. abgestufter Brechungsindex, getrennte Begrenzungs-Heterostruktur, Einzelquantenwanne) Schicht 603, eine p-AlGaAs-Überzugschicht 604 und eine p-GaAs-Kontaktschicht 605 durch ein Niederdruck-MOCVD aufgewachsen. Auf diese Weise wird eine Mehrschichtstruktur für den Halbleiter-Quantendrahtlaser erzeugt.
Die obige Wellung 606 ist vorzugsweise durch die Kombination einer Elektronenstrahlbelichtung und einer Trockenätztechnik, wie beispielsweise eines reaktiven lonenätzens (RIE) unter Verwendung eines Chlorgases gebildet. Diese Kombination liefert eine periodische Wellung mit einem größeren Seiten- oder Aspektverhältnis, das stärker die darauf gebildeten Schichten beeinflussen kann.
Das fünfte Beispiel unterscheidet sich von den vorangehenden Beispielen, da eine aktive Schicht in der GRIN-SCH-SQW- Schicht 603 enthalten ist, und die Wellung 606 hat eine ausreichend kurze Periodizität, um Quanteneffekte zu erzeugen. Demgemäß werden in der GRIN-SCH-SQW-Schicht 603 die Quanteneffekte nicht nur in einer Dickenrichtung, sondern auch in einer Richtung der Periodizitat einer Verstärkungsverteilung entsprechend zu derjenigen der Wellung 606 erzeugt. Die Quanteneffekte können in einer Richtung der Periodizität einer Brechungsindexverteilung entsprechend zu derjenigen der Wellung 606 erzeugt werden. Als ein Ergebnis können eindimensionale Quantendrahteffekte erhalten werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Halbleiter-Quantendrahtlaser mit einem niedrigen Leistungsverbrauch und einem Ansprechen mit hoher Geschwindigkeit realisiert werden.

Beispiel 6

Fig. 7 ist eine schematische Darstellung eines Halbleiter- Quantenschachtellasers als ein sechstes Beispiel gemäß der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 7 hat ein n-GaAs-Substrat 701 eine zweidimensionale Wellung 706 auf einer Hauptoberfläche hiervon, wobei die Wellung 706 eine spezifische Periodizität jeweils in einer optischen Wellenleiterrichtung und einer Richtung senkrecht hierzu aufweist. Die Periodizität A der Wellung in der optischen Wellenleiterrichtung sollte angenähert 0,1 µm betragen, um den Beugungsgittereffekt erster Ordnung für einen DFB-Laserbetrieb zu erhalten. Die Periodizität in der Richtung senkrecht zu der optischen Wellenleiterrichtung sollte 0,1 µm oder weniger sein, um die Elektronen und Löcher wirksam zu begrenzen.
Auf der Wellung 706 sind eine MQW-(multiple-quantum-well bzw. Mehrfach-Quanten-Wanne-)Schicht 703, eine Überzugschicht 704 und eine Kontaktschicht 705 sequentiell mittels Niederdruck-MOCVD aufgewachsen. Auf diese Weise wird eine Mehrfachschichtstruktur für den Halbleiter-Quantenschachtellaser bzw. Quantenkastenlaser erzeugt.
In dem sechsten Beispiel erhält der MQW-Laser 703 mit den Quanteneffekten in der Dickenrichtung zusätzliche zweidimensionale Quanteneffekte durch eine Verstärkungsverteilung, die der zweidimensionalen Wellung 706 entspricht. Die zusätzlichen zweidimensionalen Quanteneffekte können auch durch eine Brechungsindexverteilung erhalten werden, die der zweidimensionalen Wellung 706 entspricht. Daher können nulldimensionale Quantenschachteleffekte erhalten werden. Als ein Ergebnis kann ein DFB-Laser mit einem extrem niedrigen Leistungsverbrauch und einem Ansprechen mit extrem hoher Geschwindigkeit realisiert werden.

Beispiel 7

Fig. 8 ist eine schematische Darstellung eines Quantendrahttransistors.
In Fig. 8 hat ein GaAs-Substrat 801 eine auf einer Hauptoberfläche hiervon ausgebildete Wellung 808, wobei die Wellung 808 eine Periodizität aufweist, die die gleiche oder kürzer ist als die de Broglie-Wellenlänge der Elektronen (< 30 nm). Auf dem Substrat 801 mit der Wellung 808 werden sequentiell eine GaAs-Kanalschicht 802, eine AlGaAs-Abstandsschicht 803 mit einer Quantenwannenstruktur, eine AlGaAs-Ladungsträger- Dotierschicht 804 und eine GaAs-Kontaktschicht 809 durch Niederdruck-MOCVD aufgewachsen. Dann werden ein Sourcebereich 807, ein Drainbereich 805 und ein Gatebereich 806, der zwischen dem Sourcebereich 807 und dem Drainbereich 805 liegt, durch Ionenimplantation gebildet. Danach wird eine Elektrode in jedem Bereich erzeugt, um eine Quantendrahttransistorvorrichtung zu erzeugen.
In der Abstandsschicht 803, die der aktiven Schicht der vorangehenden Beispiele entspricht, wird die Modulation des Energiebandes in einer Richtung senkrecht zu der Bewegung der Elektronen entsprechend zu der Periodizität der Wellung 808 erzeugt. Somit können Quantendrahteffekte in der gleichen Weise wie in dem fünften Beispiel erhalten werden. Daher beeinträchtigt eine Änderung in der Gatespannung die Lokalisierung der Elektronen, was zu einer Veränderung in der Elektronenbeweglichkeit führt. Ein Quantendrahttransistor mit niedrigem Leistungsverbrauch und einem Ansprechen von hoher Geschwindigkeit kann erzeugt werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obigen Beispiele begrenzt, sondern die folgenden Abwandlungen bieten die gleichen Effekte wie diejenigen in den obigen Beispielen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht nur auf einen DFB-Laser angewandt, sondern auch für andere optische Vorrichtungen und elektronische Vorrichtungen einschließlich eines DBR- Lasers, eines DR-Lasers und einer wellenlängenselektiven Filtervorrichtung anwendbar.
Obwohl die AlGaAs- und InP- sowie ZnCdSSe-Halbleiter in den obigen Beispielen verwendet sind, können andere Halbleiter- Verbindungsmaterialien einschließlich der III-V-Gruppe, wie beispielsweise der InGaAlP-Halbleiter, der II-VI-Gruppe und der I-III-V-Gruppe ebenfalls benutzt werden.
Die Wellung ist nicht auf die obige eine Periodizität begrenzt. Insbesondere ist im Fall einer Quantendrahtvorrichtung jeglicher Typ eines Musters anwendbar, solange das Muster zum Erzeugen gewünschter Quanteneffekte beiträgt. Die Gestalt der Wellung kann dreieckförmig, rechteckförmig, sägezahnähnlich oder von jeder anderen Gestalt sein.
Die Dampfphasenwachstumsmethode kann eine Molekularstrahl- Epitaxie (MBE) oder dergl. anstelle von MOCVD sein.
Wie aus der obigen Beschreibung folgt, ist erfindungsgemäß eine Wellung auf einem Halbleitersubstrat oder auf einer Halbleiterschicht gebildet, die auf das Halbleitersubstrat geschichtet ist, und Mehrfach-Halbleiterschichten einschließlich einer im wesentlichen flachen aktiven Schicht sind auf der Wellung gebildet, indem ein Dampfphasenwachstum lediglich einmal durchgeführt wird. Somit hat die aktive Schicht der sich ergebenden Halbleitervorrichtung eine Verstärkungsverteilung, die die Struktur der Wellung widerspiegelt. Die aktive Schicht kann auch eine Brechungsindexverteilung haben, die die Struktur der Wellung widerspiegelt. Auf diese Weise wird ein wellenlängengesteuerter Haibleiterlaser mit hervorragenden Eigenschaften auf einfache Weise erzeugt. Zusätzlich wird eine Halbleitervorrichtung mit hoher Geschwindigkeit und niedrigem Leistungsverbrauch, die Quanteneffekte ausnützt, ebenfalls in der gleichen Weise realisiert.
Die Flachheit des Wellenleiterbereiches einschließlich der aktiven Schicht bietet eine hohe Koppelwirksamkeit, wenn eine Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in eine monolithische Vorrichtung zur Realisierung eines OEIC (optoelektronischer 10) der nächsten Generation integriert ist.
Weiterhin liegt keine optische Feldstärkeverteilung auf der Wellung gemäß der vorliegenden Erfindung vor. Diese Tatsache bietet die Vorteile, daß die Erzeugung eines nicht-strahlenden Rekombinationszentrums an der Zwischenfläche längs der Wellung nicht nachteilhaft die Halbleitervorrichtung beeinträchtigt, ein hoher Freiheitsgrad bei der Auslegung der Vorrichtungsstruktur erhalten werden kann und ein Trockenätzen anwendbar ist, um die Wellung zu erzeugen, da das Problem einer Beschädigung der Zwischenfläche vernachlässigbar ist.
Die vorliegende Erfindung hat weiterhin den folgenden bemerkenswerten Effekt. Da die Verstärkungsverteilung und die Brechungsindexverteilung in dem gesamten Bereich des Wellenleiterbereiches einschließlich der aktiven Schicht gebildet sind, kann eine dynamische Einfach-Longitudinalmodus-Schwingungskennlinie, die eine hohe Koppelwirksamkeit hat, erhalten werden. Der Pegel der Koppelwirksamkeit kann einfach durch Steuern der Wachstumsbedingungen oder der Vorrichtungsstruktur eingestellt werden.
Verschiedene andere Abwandlungen sind für den Fachmann offensichtlich und können sofort ausgeführt werden, ohne von dem Bereich der beigefügten Patentansprüche abzuweichen.

Claims

1. Optische Halbleitervorrichtung, mit:

einer Mehrschichtstruktur mit einer aktiven Schicht (103, 203, 304, 404, 506, 603, 703), einer ersten Halbleiterschicht (101, 201, 302, 402, 501, 601, 701) und einer zweiten Halbleiterschicht (102, 202, 303, 403, 502, 6Ö2, 702), die nebeneinanderliegen, wobei die erste und die zweite Halbleiterschicht eine Wellung (106, 206, 307, 407, 510, 606, 706), die periodisch ist, an einer Zwischenfläche dazwischen haben, und

einer Erzeugungseinrichtung zum Erzeugen einer optischen Feldstärkeverteilung in einem Wellenleiterbereich einschließlich der aktiven Schicht, die mit der Mehrschichtstruktur verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Wellung von der aktiven Schicht durch wenigstens eine Leiterwellenlänge d getrennt ist, die durch d = λ/n definiert ist, wobei λ eine Schwingungswellenlänge bedeutet und n ein effektiver Brechungsindex ist, und

daß die aktive Schicht im wesentlichen flach ist und eine Verstärkungsverteilung mit einem Verteilungsmuster entsprechend der Wellung hat.

2. Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die aktive Schicht außerdem eine Brechungsindexverteilung mit einem Verteilungsmuster entsprechend zu der Wellung umfaßt.

3. Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die ersten und zweiten Halbleiterschichten ein identisches zusammensetzungsverhältnis zueinander haben.

4. Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der die erste Halbleiterschicht ein Substrat ist.

5. Optische Halbleitervorrichtung nach einem vorangehenden Anspruch, bei der die aktive Schicht ausreichend dünn ist, um Quanteneffekte zu erzeugen.

6. Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Verstärkungsverteilung Quanteneffekte in der aktiven Schicht in einer Richtung in einer Ebene, die parallel zu der aktiven Schicht ist, erzeugt.

7. Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Verstärkungsverteilung Quanteneffekte in der aktiven Schicht in wenigstens zwei Richtungen in einer Ebene, die parallel zu der aktiven Schicht ist, erzeugt.

8. Optische Halbleitervorrichtung nach einem vorangehenden Anspruch, bei der jede Schicht der Mehrschichtstruktur aus einem Material gebildet ist, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus einem AlGaAs-Halbleiter, einem InP- Halbleiter und einem ZnCdSSe-Halbleiter besteht.

9. Optische Halbleitervorrichtung nach einem vorangehenden Anspruch, bei der ein Abstand zwischen der aktiven Schicht und der Wellung 0,5 bis 1,0 µm beträgt.

10. Verfahren zum Herstellen einer optischen Halbleitervorrichtung umfassend eine Mehrschichtstruktur mit einer aktiven Schicht (103, 203, 304, 404, 506, 603, 703), einer ersten Halbleiterschicht (101, 201, 302, 402, 501, 601, 701) und einer zweiten Halbleiterschicht (102, 202, 303, 403, 502, 602, 702), die nebeneinander angeordnet sind, wobei die erste und die zweite Halbleiterschicht eine Wellung (106, 206, 307, 407, 510, 606, 706), die periodisch ist, an einer Zwischenfläche dazwischen haben, und eine Erzeugungseinrichtung zum Erzeugen einer optischen Feldstärkeverteilung in einem Wellenleiterbereich einschließlich der aktiven Schicht, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

Vorbereiten der Mehrschichtstruktur durch Bilden der Wellung in einer periodischen Weise auf einer oberen Oberfläche der ersten Halbleiterschicht und Bilden des Restes der Mehrschichtstruktur einschließlich der zweiten Halbleiterschicht und der aktiven Schicht in einem einzigen Prozeß unter Verwenden einer Dampfphasenwachstumsmethode, um die aktive Schicht unter einem Abstand von der Wellung vorzusehen, und

Bilden der Erzeugungseinrichtung, so daß sie in Berührung mit der Mehrschichtstruktur ist,

wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß der Abstand zwischen der Wellung und der aktiven Schicht wenigstens eine Leiterwellenlänge d beträgt, die durch d = λ/n definiert ist, wobei λ eine Schwingungswellenlänge bedeutet und n ein effektiver Brechungsindex ist, und daß die aktive Schicht im wesentlichen flach ausgebildet wird und eine Verstärkungsverteilung mit einem Verstärkungsmuster entsprechend zu der Wellung umfaßt.

11. Verfahren zum Herstellen einer optischen Halbleitervorrichtung nach Anspruch 10, bei dem die Dampfphasenwachstumsmethode eine metallorganische chemische Dampfabscheidung bei niedrigem Druck ist.

12. Verfahren zum Herstellen einer optischen Halbleitervorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die ersten und zweiten Halbleiterschichten ein zueinander identisches Zusammensetzungsverhältnis haben.

13. Verfahren zum Herstellen einer optischen Halbleitervorrichtung nach Anspruch 10, 11 oder 12, bei dem die erste Halbleiterschicht ein Substrat ist.

14. Verfahren zum Herstellen einer optischen Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem die aktive Schicht im wesentlichen dünn ist, um Quanteneffekte zu erzeugen.

15. Verfahren zum Herstellen einer optischen Halbleitervorrichtung nach Anspruch 14, bei dem die Verstärkungsverteilung Quanteneffekte in der aktiven Schicht in einer Richtung in einer Ebene erzeugt, die parallel zu der aktiven Schicht ist.

16. Verfahren zum Herstellen einer optischen Halbleitervorrichtung nach Anspruch 14, bei dem die Verstärkungsverteilung Quanteneffekte in der aktiven Schicht in wenigstens zwei Richtungen in einer Ebene erzeugt, die parallel zu der aktiven Schicht ist.

17. Verfahren zum Herstellen einer optischen Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, bei dem jede Schicht der Mehrschichtstruktur aus einem Material gebildet wird, das aus der Gruppe gewählt wird, die aus einem AlGaAs-Halbleiter, einem InP-Halbleiter und einem ZnCdSSe-Halbleiter besteht.