DE69411493T2 - Herstellungsverfahren eines planaren einmodigen Quantum-well-halbleiterlaser mit Austrittsfenster und Strombegrenzung - Google Patents

Description

Herstellungsverfahren eines planaren einmodigen Quantum-Well- Halbleiterlasers mit Austrittsfenster und Strombegrenzung
• Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Halbleiterlaser und spezieller auf einen planaren, topologiefreien Einzelmoden-Quantenmuldenlaser hoher Leistung mit nichtabsorbierenden Spiegeln und Strombegrenzung.
• Steglaser werden routinemäßig dazu verwendet, mit lateralem Einzelmodenindex geführte Laser herzustellen. Eine typische Struktur dieses Typs ist in US-A-5059 552 beschrieben. Steglaser weisen jedoch den charakteristischen Nachteil auf, daß sie große Topologien (d.h. große Höhenunterschiede zwischen benachbarten Elementen) aufweisen, was es schwierig macht, sie herzustellen, und teuer, sie zu fertigen.
• Steglaser weisen einen zusätzlichen Nachteil dahingehend auf, daß ihre Topologie eine Schwankung der im wellenleitenden Bereich beobachteten mechanischen Spannung verursacht. Diese mechanische Spannung wird durch die dielektrischen und die Metallisierungsschichten verursacht - Schichten, die zur Bildung der Struktur notwendig sind. Dies kann zu Schwierigkeiten bei der Erzielung einer gut begrenzten lateralen Einzelmoden-Wellenleitungswirkung führen.
• GaAs- und AlGaAs-Halbleiterlaserstrukturen wurden erfolgreich dazu verwendet, Quantenmulden (QWs) herzustellen. Jüngere Entwicklungen haben gezeigt, daß ein selektives Vermischen durch die Verwendung einer SiO&sub2;-Kappe die Bandlücke der QW beträchtlich erhöhen kann. Diese Technik ist in der Veröffentlichung: "Spatially selective modification of GaAs/AlGaAs quantum wells by SiO&sub2; capping and rapid thermal annealing" von J. Y. Chi et al.., veröffentlicht in Appl. Phys. Lett. (9) vom 28. August. 1989, beschrieben und wurde erfolgreich dazu verwendet, das Bandlückenprofil von QWs zu modifizieren.
• Spalten eines Halbleiterlaserkristalls wurde vorteilhaft dazu verwendet, die Kristallflächen eines Lasers zu erzeugen. Zur Massenfertigung und monolithischen Integration ist es jedoch wünschenswert, ein relativ junges Verfahren zu verwenden, nämlich die Erzeugung geätzter Kristallflächen durch die Verwendung einer chemisch unterstützten Ionenstrahlätztechnik, die zur Erzielung von Resultaten mit ähnlicher Qualität wie jener von gespaltenen Kristallflächen erfolgreich verwendet wurde. In der Veröffentlichung: "Rectangular and L-shaped GaAs/AlGaAs lasers with very high quality etched facets" von A. Behfar-Rad et al., veröffentlicht in Appl. Phys. Lett. 54 (6) vom 6. Februar 1989, ist ein auf einer SiO&sub2;-Ätzmaske beruhender Prozeß beschrieben, der zu sehr glatten geätzten Kristallflächen geführt hat.
• Hochleistungs-Halbleiterlaser mit lateraler Einzelmode haben Eingang in eine Vielzahl von Anwendungen gefunden, die sich von optischer Speicherung, erbiumdotierter Faserverstärkung bis zu Frequenzverdopplung erstrecken. Zuverlässigkeitsbetrachtungen zeigen, daß es vorteilhaft ist, nicht-absorbierende Spiegel oder Kristallflächen für Halbleiterlaser und insbesondere für Hochleistungs-Halbleiterlaser vorliegen zu haben.
• Außerdem ist auch eine Strombegrenzung wünschenswert, um die Durchbruchstromdichte abzusenken, da dies zu einer niedrigeren Betriebstemperatur für den Halbleiterlaser führt und folglich seine Gesamtzuverlässigkeit weiter verbessert. Strombegrenzung vermeidet außerdem das Problem eines Oberflächenrekombinationsstromes an den Kristallflächen. Laterale Strombegrenzung in nerhalb der Struktur weist einen weiteren: Vorteil dahingehend auf, daß sie einen Stromfluß in Bereichen angrenzend an den Wellenleiter verhindert, wodurch das Bauelement weniger anfällig für das Auftreten von nicht-fundamentalen Moden bei hoher Leistung gemacht wird.
• In vielen Anwendungen ist eine geringe vertikale Fernfeld(VFF)- Charakteristik des Laserstrahls äußerst wünschenswert. Ein kürzlicher Beitrag in der Veröffentlichung "A periodic index separate confinement heterostructure quantum well laser" von M. C. Wu et al., Applied Physics Letters (9), 26. August 1991 zeigt den Grad an Komplexität, der in die Laserstruktur eingebracht wurde, um ein geringes VFF zu erzielen.
• Demgemäß besteht eine Hauptaufgabe der Erfindung darin, einen Hochleistungseinzelmoden-Halbleiterquantenmuldenlaser mit nicht-absorbierenden Spiegeln bereitzustellen.
• Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Topologie der Halbleiter-Laserstruktur zu vermeiden, um eine leichte Herstellung zu ermöglichen.
• Noch eine weitere Aufgabe besteht darin, Leckströme in irgendwelche unerwünschte Gebiete zu verhindern, wodurch einer niedrigere Schwellwertstromdichte und ein kühlerer Laserbetrieb ermöglicht werden.
• Eine speziellere Aufgabe besteht darin, Stromfluß nahe den Kristallflächen des Lasers durch Erhöhen der Bandlücke mittels einer störstellenfreien Diffusionstechnik zu verhindern, die einen Oberflächenrekombinationsstrom an den Kristallflächen verhindert und die außerdem zu nicht-absorbierenden Spiegeln führt.
• Eine weitere Aufgabe besteht darin, die Zuverlässigkeit des Hochleistungseinzelmoden-Laserbetriebs durch die Verwendung von nicht-absorbierenden Spiegeln signifikant zu verbessern.
• Noch eine speziellere Aufgabe besteht darin, lateral eine optische Begrenzung durch die Verwendung der störstellenfreien Diffusionstechnik bereitzustellen, die zu einer Modifikation der Zusammensetzung der Struktur und folglich der Änderung des Brechungsindex führt, wodurch ein lateraler Einzelgrundmodenbetrieb ermöglicht wird.
• Noch eine weitere Aufgabe besteht darin, die Laserstruktur sowohl mit herkömmlichem Spalten als auch Ätzen der Kristallflächen kompatibel zu machen.
• Noch eine weitere Aufgabe besteht darin, durch die Verwendung einer Mehrzahl von Zusammensetzungen und/oder Dicken für die Quantenmulde in dem Halbleiterlaser eine Vielzahl von Wellenlängen zu ermöglichen.
• Noch eine weitere Aufgabe besteht darin, GaAs, AlGaAs, InGaAs oder InAlGaAs für die Quantenmulde zu verwenden, um eine Mehrzahl von Wellenlängen für die Halbleiterlaserstruktur bereitzustellen.
• Noch eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Halbleiterlaserstruktur vorliegen zu haben, die ein geringes vertikales Fernfeld erlaubt.
• Die Erfindung ist in Anspruch 1 und 32 definiert. Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
• Die vorliegende Erfindung zielt auf ein Verfahren zur Erzeugung einer Quantenmulden-Laserstruktur ab, in der die Fläche, die außerhalb der aktiven Fläche des Lasers liegt, dem Einfluß eines Materials unterworfen ist, das eine Diffusion eines Zusatzelementes fördert, womit die aktive Fläche longitudihal und lateral durch Vergrößern der Bandlücke außerhalb der aktiven Fläche begrenzt wird.
• Die vorstehenden und zusätzliche Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der folgenden Beschreibung der Erfindung zusammen mit den begleitenden Zeichnungen ersichtlich, in denen:
• Fig. 1 eine schematische Perspektivansicht einer Stegwellenleiter-Laserstruktur gemäß dem Stand der Technik ist;
• Fig. 2 eine schematische Perspektivansicht der Laserstruktur nach einer MBE(Molekularstrahlepitaxie)-Deposition der unteren Laserstruktur auf dem Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
• Fig. 3 die Al-Konzentration in AlXGa1-XAs in einem Querschnitt zeigt, der an der Oberfläche der in Fig. 2 gezeigten Struktur beginnt und in dem Substratbereich endet;
• Fig. 4 eine schematische Perspektivansicht nach einer PECVD- Deposition von SiO&sub2; auf der Oberfläche und Einbringen einer Öffnung in der SiO&sub2;-Schicht zeigt;
• Fig. 5 eine schematische Perspektivansicht der Struktur nach einer PECVD-Deposition von Si&sub3;N&sub4; ist;
• Fig. 6 und 7 Querschnitte an zwei verschiedenen Punkten in der Struktur von Fig. 5 zeigen;
• Fig. 8 eine Perspektivansicht der Struktur nach einem schnellen thermischen Ausheilungsvorgang ist;
• Fig. 9 und 10 Querschnitte an zwei verschiedenen Punkten in der Struktur von Fig. 8 zeigen;
• Fig. 11 eine Perspektivansicht der Struktur nach einer Entfernung der Si&sub3;N&sub4;- und SiO&sub2;-Schichten ist;
• Fig. 12 eine Perspektivansicht der Struktur nach einem leichten Ätzen und einer zweiten MBE-Deposition zur Bildung des oberen Abschnitts der Laserstruktur ist;
• Fig. 13 und 14 Querschnitte an zwei verschiedenen Punkten der Struktur von Fig. 12 zeigen;
• Fig. 15 eine Perspektivansicht der Struktur nach einer PECVD- Deposition von Si&sub3;N&sub4; und einer Strukturierung des Si&sub3;N&sub4; ist, um Öffnungen für, die metallischen Kontakte zu ermöglichen.
• Fig. 16 eine Draufsicht auf die Struktur nach der Deposition der oberen Metallisierung ist;
• Fig. 17 eine Perspektivansicht der Struktur in ihrer endgültigen Form zeigt;
• Fig. 18 das vertikale Fernfeld für die Laserstruktur als Funktion der Dicke der oberen und der unteren Hüllschicht für verschiedene Al-Konzentrationen [Al] in den AlGaAs-Umhüllungen zeigt;
• Fig. 19 die Absorption für die Laserstruktur als Funktion der Dicke der oberen und der unteren Hüllschicht für verschiedene Al-Konzentrationen in den AlGaAs-Umhüllungen zeigt; und
• Fig. 20 das vertikale Fernfeld für die Laserstruktur als Funktion der Absorption für verschiedene Al-Konzentrationen in den AlGaAs-Umhüllungen zeigt.
• Vor der Beschreibung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine kurze Erläuterung einer typischen Stegstruktur in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben.
• Fig. 1 ist eine Perspektivansicht einer bekannten Steglaserstruktur 1, von der nur wesentliche Merkmale gezeigt sind. Die geschichtete Struktur, die auf einem Substrat 2 aufgewachsen ist, beinhaltet wenigstens eine aktive Schicht, 5; die in Sandwich-Konfiguration zwischen Hüllschichten 4 und 6 geschichtet ist. Die Zeichnung zeigt die Struktur nach Beendigung der Prozeßschritte, die zur Bildung des Wellenleiterstegs 9 erforderlich sind. Sie beinhaltet eine Kontaktschicht 7 und einen Stegabschnitt 8 der oberen Hüllschicht 6. In der Zeichnung nicht gezeigt sind die Isolierung, welche die Seitenwände des Stegs einbettet und die Oberfläche der oberen Hüllschicht 6 bedeckt, sowie die Metallisierungsschichten, die für elektrische Kontakte zu dem fertiggestellten Bauelement sorgen.
• Ein Lichtstrahl 3 wird emittiert, wenn das Bauelement durch Anlegen geeigneter Betriebsspannungen aktiviert wird. In der Zeichnung ist das Lichtmodengebiet des Lasers schematisch als eine kleine Ellipse 11 gezeigt, die um die aktive Schicht 5 herum zentriert und lateral durch den Steg 9 definiert ist.
• Nunmehr bezugnehmend auf Fig. 2, wird in einem Molekularstrahlepitaxie(MBE)-System ein n-leitendes GaAs-Substrat 10 verwen det, auf das der untere Teil der Laserstruktur 26 epitaktisch aufgebracht wird. Ein herkömmliches MBE-System, wie das Modular GEN II SYSTEM, wird in einer dem Fachmann allgemein bekannten Weise betrieben. Die Laserschichten bestehen aus AlXGa1-XAs. GaAs wird im folgenden als die chemische Basiszusaminensetzung bezeichnet, während Al im folgenden als ein Substitutionselement bezeichnet wird (d.h. es ersetzt Ga, was zu AlXGa1-XAs führt). Ein Querschnitt am Punkt 28 in Fig. 2 ist detailliert in Fig. 3 gezeigt: Er zeigt verschiedene Schichten, die sequentiell auf dem Substrat 10 aufgebracht sind, wobei vorzugsweise:
• - Schicht 12 eine n-leitende GaAs-Pufferschicht ist;
• - Schicht 14 eine Schicht mit linearem Gradienten ist, die mit GaAs beginnt und mit Al0,4Ga0,6As endet. Diese Schicht ist 100 min dick und ist mit Si n-leitend dotiert;
• - Schicht 16 eine Hüllschicht aus Al0,4Ga0,6As mit einer Dicke von 2,5 um ist, die mit Si n-leitend dotiert ist;
• - Schicht 18 eine Schicht mit linearem Gradienten ist, die mit Al0,4Ga0,6As beginnt und mit Al0,26Ga0,74As endet. Die Schicht 18 ist 100 nm dick und ist undotiert;
• - Schicht 20 eine undotierte GaAs-Quantenmulde (QW) mit einer Dicke von 7 nm ist;
• - Schicht 22 ein undotiertes Gebiet mit linearem Gradienten ist, die mit einer Zusammensetzung von Al0,26Ga0,74As beginnt und mit Al0,4Ga0,6As endet. Die Dicke dieser Schicht beträgt 100 nm; und
• - Schicht 24 eine undotierte GaAs-Kappe mit einer Dicke von 200 nm ist.
• Wenngleich eine lineare Gradierung als das bevorzugte Verfahren der Gradierung beschrieben wurde, versteht es sich, daß weitere Gradierungstypen zur Bildung dieser Gradientenschichten verwendet werden können.
• Die Schichten 12, 14, 16, 18, 20, 22 und 24 bilden den unteren Bereich 26 der Quantenmulden-Halbleiterlaserstruktur.
• Als nächstes wird SiO&sub2; aus einer plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung (PECVD), alternativ als die laserdefinierende Schicht bezeichnet, auf die Oberfläche der unteren Laserstruktur 26 aufgebracht. Diese Schicht wird unter Verwendung von Photoresist und gepufferter HF strukturiert. Als nächstes wird das Photoresist entfernt. Eine Perspektivansicht der Struktur ist in Fig. 4 dargestellt. Außerdem ist eine Öffnung 31 in der SiO&sub2;-Schicht 34 gezeigt. Die Öffnung 31 definiert das aktive Gebiet des Lasers. Das strukturierte SiO&sub2; wird daraufhin mit PECVD-Siliciumnitrid 36 beschichtet, das sich in der Öffnung 31 in Kontakt mit der Schicht 24 befindet. Das Si&sub3;N&sub4; 36 wird alternativ als diffusionsverhindernde Schicht bezeichnet.
• Fig. 5 zeigt die Struktur mit der Beschichtung 36 aus Si&sub3;N&sub4;. Zwei Querschnitte an einer Stelle 38 (innerhalb der Öffnung 31) und 39 (außerhalb der Öffnung 31) in Fig. 5 sind in den Fig. 6 beziehungsweise 7 gezeigt und illustrieren ohne weiteres Unterschiede an diesen zwei Punkten.
• In dem Querschnitt von Fig. 6 befindet sich eine PECVD-Si&sub3;N&sub4;- Schicht 36 in Kontakt mit der GaAs-Deckschicht 24. In dem Querschnitt von Fig. 7 befindet sich jedoch eine PECVD-SiO&sub2;-Schicht 34 in Kontakt mit der GaAs-Deckschicht 24. Fig. 8 zeigt eine Perspektivansicht der Struktur nach einer schnellen thermischen Ausheilung (RTA), die bei einer vorgegebenen Temperatur im Be reich von 700ºC bis 900ºC während einer Zeitspanne im Bereich von 15 Sekunden bis 10 Minuten ausgeführt wurde. Die spezifische Temperatur und Zeitdauer sind von verschiedenen Parametern abhängig, welche die Schichtdicke des PECVD-SiO&sub2; 34 und den Grad an Vermischung beinhalten, der gewünscht ist, um die Bandlücke der Struktur zu verändern. Der RTA-Schritt bewirkt eine Diffusion von Ga von der GaAs-Kappe 24 in die SiO&sub2;-Schicht 34 hinein. Die Diffusion von Ga aus Gebieten der GaAs-Deckschicht 24 in direktem Kontakt mit dem Si&sub3;N&sub4; 36 ist während dieses Schrittes jedoch vernachlässigbar. Die schnelle Diffusion von Ga in die SiO&sub2;-Schicht 34 führt zu der Bildung von dreiwertigen Fehlstellen in Bereichen, die vom SiO&sub2; 34 bedeckt sind. Dies bewirkt wiederum die Vermischung von dreiwertigen Elementen, nämlich Al und Ga. Die Vermischung dringt leicht ein und diffundiert nach innen zu der Stelle der Öffnung 31 hin, in welcher sich die Si&sub3;N&sub4;-Schicht 36 in direktem Kontakt zu der GaAs- Kappe 24 befindet. Diese Durchdringung ist gering und nimmt mit der Entfernung vom Umfang der Öffnung 31 ab. Dies stellt eine äußerst wünschenswerte graduelle Änderung des Vermischungsgrades der Laserstruktur von außerhalb der Öffnung zum Inneren der Öffnung hin bereit.
• Da die untere Laserstruktur 26 durch den störstellenfreien Diffusionsprozeß modifiziert wird, wird sie künftig mit 26a bezeichnet.
• Querschnitte an Stellen 40 und 42 in Fig. 8 sind in den Fig. 9 beziehungsweise 10 gezeigt. Sie illustrieren den drastischen Unterschied, der durch den störstellenfreien Diffusionsprozeß bewirkt wird, so daß die Quantenmulde lediglich in dem Gebiet unterhalb der Öffnung 31 intakt bleibt (ausschließlich eines schmalen Umfangsrings um die Öffnung 31 herum und innerhalb derselben), wodurch ein aktives Gebiet gebildet wird. Der Effekt der Diffusion besteht darin, daß die Bandlücke außerhalb des aktiven Gebiets angehoben wird, wodurch der Brechungsindex erniedrigt wird. Das Anheben der Bandlücke ermöglicht, daß. Strom auf das aktive Gebiet konzentriert wird. Die Verringerung des Brechungsindex ermöglicht, daß der Strahl optisch begrenzt wird.
• Als nächstes wird die Si&sub3;N&sub4;-Schicht 36 unter Verwendung von reaktivem Ionenätzen (RIE) mit CF&sub4; entfernt. Anschließend wird HF dazu verwendet, die strukturierte SiO&sub2;-Schicht 34 wegzuätzen. Aufgrund des Einbaus von Ga in das SiO&sub2; verhält sich das Ätzen des SiO&sub2; etwas anders als jenes von normalem SiO&sub2;. Alternativ können sowohl die Si&sub3;N&sub4;-Schicht 36 als auch die strukturierte SiO&sub2;-Schicht 34 in einem einzigen CF&sub4;-RIE-Vorgang mit geringer Vorspannung entfernt werden. Die Oberfläche des Substrates wird dann unter Verwendung von 200H&sub2;O:16H&sub2;SO&sub4;:H&sub2;O&sub2; geätzt, um in dem Gebiet, das von der störstellenfreien Diffusion unterhalb der Position der Öffnung 31 unbeeinflußt ist, 150 nm GaAs zu entfernen. Dieser Ätzvorgang entfernt im allgemeinen AlXGa1-XAs etwas schneller als GaAs, so daß die Fläche unterhalb der Öffnung 31 etwas höher als der Rest ist. Eine Perspektivansicht der Struktur zu diesem Zeitpunkt im Prozeß ist in Fig. 11 gezeigt. Das Gebiet über der aktiven Fläche ist mit dem Bezugszeichen 57 bezeichnet. Da die modifizierte untere Laserstruktur 26a aufgrund des Ätzvorgangs mit 200H&sub2;O:16H&sub2;SO&sub4;:H&sub2;O&sub2; weiter modifiziert wurde, wird sie im folgenden mit 26b bezeichnet. Der geringe Unterschied in der Höhe ist im Vergleich zu der Abmessung der Struktur nahezu vernachlässigbar und ist in Fig. 11 nicht gezeigt, um die Übersichtlichkeit zu erhöhen. Das MBE-System wird mit der Struktur beschickt, und unter einem As-Fluß wird für die restlichen 50 nm GaAs auf der Oberseite des Gebiets, das nicht durch die störstellenfreie Diffusion beeinflußt ist, eine Desorption durchgeführt. Dieser Schritt entfernt GaAs, stoppt jedoch bei der AlGaAs-Schicht. Wenn dieser Schritt beendet ist, werden die Schichten, welche den oberen Bereich der Halbleiter laserstruktur 50 bilden, in dem MBE-System aufgebracht, wie in Fig. 12 gezeigt. Der obere Bereich der Laserstruktur 50 besteht vorzugsweise aus:
• - Schicht 52, einer Hüllschicht aus Al0,4Ga0,6As, die mit Be p-leitend dotiert und 1,85 um dick ist;
• - Schicht 54, einer Schicht mit linearem Gradienten, der mit Al0,4Ga0,6As beginnt und mit GaAs endet, wobei sie eine Dicke von 100 nm aufweist. Sie ist mit Be pdotiert, und
• - Schicht 56, einer hoch p-dotierten (mit Be) GaAs- Kontaktschicht mit einer Dicke von 50 nm.
• Da die modifizierte untere Laserstruktur 26b aufgrund der Entfernung von GaAs unter einem Fluß von As in dem MBE-System weiter modifiziert wurde, wird sie im folgenden mit 26c bezeichnet. Wenngleich ein linearer Gradient als das bevorzugte Gradierungsverfahren beschrieben wurde, versteht es sich für den Fachmann, daß andere Gradierungstypen zur Bildung dieser Gradientenschichten vorteilhaft verwendet werden können.
• Querschnitte in Fig. 12 an zwei Stellen 58 und 59 sind in den Fig. 13 beziehungsweise 14 gezeigt. Es sind die strukturellen Unterschiede zwischen dem Bereich, der nicht durch die störstellenfreie Diffusion 57 beeinflußt ist, und dem Bereich gezeigt, der durch diese Diffusion beeinflußt ist.
• Ein n-Kontakt 126 ist auf der Rückseite des Substrates aufgebracht. Eine Schicht aus 100 nm PECVD-Si&sub3;N&sub4; 108 ist auf der Oberfläche der Laserstruktur aufgebracht, und der n-Kontakt wird vorzugsweise in einem RTA-System getempert: Der Zweck ei ner Beschichtung dir Frontseite des Substrates mit Siliciumnitrid besteht darin zu verhindern, daß As während des Tempervorgangs aus der GaAs-Kontaktschicht 56 entweicht.
• Unter Verwendung von Justierung und photolithographischer Festlegung wird das Si&sub3;N&sub4; 108 strukturiert, wie in Fig. 15 gezeigt. CF&sub4;-RIE führt die Strukturierung des Si&sub3;N&sub4; 108 mit einem als Maske wirkenden Photoresist durch. Dann wird das Photoresist entfernt. Somit ist die Öffnung für den p-Metallkontakt gebildet. Unter Verwendung eines Metallisierungs-Lift-off-Prozesses, der einem Fachmann allgemein bekannt ist, wird der p-Metallkontakt 110 aufgebracht und danach vorzugsweise unter Verwendung von RTA getempert.
• Die Strukturierung des Si&sub3;N&sub4; 108 wird in einer solchen Weise durchgeführt, daß Kristallflächen-Spaltkanäle 104 und Chiptrennkanäle 100 gebildet werden. Linien 112 zeigen die Stellen, an denen die gespaltenen Kristallflächen gebildet werden, während Linien 113 zeigen, wo Schneiden oder Spalten tatsächlich stattfindet, um zu erlauben, daß einzelne Chips gebildet werden. Die aktive Laserfläche verläuft parallel zu den Kanälen 100 unter Öffnungen 102 für den p-Kontakt. Dies ist in Fig. 16 unter Verwendung einer Draufsicht gezeigt. Man beachte, daß die gestrichelten Linien 112, welche die nominelle Spaltungsposition der Laserkristallflächen definieren, zu der Kante der aktiven Fläche um einen Abstand versetzt sind, der in den Fig. 16 und 17 mit Klammern bezeichnet ist. Diese Trennung ermöglicht, daß der Kontakt durch die zuvor erwähnte Metallisierungs-Liftoff-Technik gebildet wird. Gestrichelte Linien 113, welche die nominellen Positionen für das Schneiden oder Spalten zur Bildung der Seiten 122 definieren, sind um einen Abstand, der mit Klammern 115 bezeichnet ist, zu dem aktiven Bereich versetzt. Dieser Abstand wurde bewußt so festgelegt, daß er von einer Seite von 122 zu dem aktiven Bereich vom Abstand von der entge gengesetzten Seite zu dem aktiven Bereich verschieden ist, wie in den Fig. 16 und 17 gezeigt. Schließlich nimmt das Bauelement nach Spalten der Kristallflächen 124 in Kanal 104 entlang 112 und Bilden des Chips durch Schneiden oder Spalten der Seiten 122 in Kanal 100 seine endgültige Form an, wie in Fig. 17 gezeigt. Wie zu sehen ist, ist die resultierende physikalische Struktur des Lasers äußerst planar, so daß die Änderung der mechanischen Spannung, mit der die Steglaser behaftet sind, in dem aktiven Gebiet vernachlässigbar ist.
• Alternativ können die Kristallflächen auch durch Ätzen unter Verwendung der Technik erzeugt werden, die von A. Behfar-Rad et al. in Appl. Phys. Lett. 54 (6), 6. Februar 1989 dargelegt wird. Die Struktur eignet sich gut für diese Ätztechnik, da das Substrat praktisch topologiefrei ist. Die Schritte des Aufbringens, Strukturierens und Entfernens des SiO&sub2; und des Si&sub3;N&sub4; werden mit herkömmlichen Techniken für integrierte Schaltkreise ausgeführt, die einem Fachmann allgemein bekannt sind. Der Prozeß der Erzeugung geätzter Kristallflächen weicht von jenem des obigen Prozesses von dem Punkt an ab, an dem Schicht 108 aufgebracht wird. Die nachfolgenden Schritte folgen jenen, die in US-A-4 851 368 dargelegt sind.
• Die Laserstruktur, die in Fig. 17 schematisch gezeigt ist, ist in der Lage, von ihren Kristallflächen 124 einen Ausgangslaserstrahl 116 zu erzeugen.
• Wenngleich das horizontale Fernfeld in Steghalbleiterlasern durch die Veränderung der Stegbreite und der Restätztiefe erfolgreich beeinflußt wurde, war die Erzielung eines geringen vertikalen Fernfeldes (VFF) (oder einer geringen Strahldiverenz in der Richtung senkrecht zu dem Halbleiterlaserübergang) eine größere Herausforderung. Das VFF wird überwiegend von den Halbleiterschichten gesteuert, die in dem Epitaxiedepositions system aufgewachsen werden. Forscher sind zu äußerst komplexen Strukturen übergegangen (siehe die Veröffentlichung von M. C. Wu, auf die zuvor verwiesen wurde), um ein geringes VFF zu erzielen. Hier wurden die Zusammensetzungen und Dicken der verschiedenen Schichten, welche die Laserstruktur bilden, sorgfältig geplant, um innere Absorption zu minimieren und ein geringes VFF zu erzielen.
• Wenn ein geringes VFF gewünscht ist, wie in einer Stegstruktur, wie in Fig. 1 gezeigt, dann ist im Gegensatz zu dem oben erörterten, zweistufigen Depositionsprozeß mit dem störstellenfreien Diffusionsschritt dazwischen lediglich ein sequentieller epitaxialer Wachstumsvorgang erforderlich, um eine Struktur zu erzeugen, die jener von Fig. 13 äquivalent ist. In dieser Struktur sind die Al-Konzentration in AlXGa1-XAs, die Dicken und die Dotierungen die gleichen wie jene zuvor spezifizierten.
• Nunmehr bezugnehmend auf Fig. 18, ist eine graphische Darstellung gezeigt, welche die Abhängigkeit eines VFF von der Dicke der oberen und der unteren Hüllschicht für verschiedene Al- Konzentrationen x zeigt. Alle Dicken von Nicht-Hüllschichten und Al-Konzentrationsniveaus sind wie in Fig. 13 gezeigt, zwecks Einfachheit sind jedoch die oberen und unteren Hüllschichten auf gleiche Dicken eingestellt. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß bei x = 0,7 VFF für bestimmte Anwendungen, wie einen optischen Speicher, zu hoch ist. Für diesen Fall ist die Änderung des VFF im wesentlichen unabhängig von einer Dicke der Hüllschichten über 1 um. Zum Vergleich ist bei x = 0,3 das VFF gering, die Kurve flacht jedoch erst für eine Dicke von mehr als 3,5 um ab.
• Nunmehr bezugnehmend auf Fig. 19, ist eine graphische Darstellung der Absorption in Abhängigkeit von der Dicke der oberen und der unteren Hüllschicht für den gleichen Bereich von x- Werten wie in Fig. 18 gezeigt, wobei in der verlustbehafteten Metallkontaktschicht und in der GaAs-Kontaktschicht am oberen Bereich der Struktur und an dem unteren GaAs-Substrat Absorption stattfindet. Die Absorption ist eine Variable, die in erster Linie von der vertikalen Verteilung der Modenleistung in verlustbehafteten Bereichen abhängig ist.
• Diese Daten zeigen, daß eine äußerst komplexe Struktur, wie jene durch die oben zitierte Referenz von Wu gelehrte, nicht erforderlich ist, um ein akzeptabel geringes VFF zu erreichen. Wenn die richtige Kombination von Umhüllungs-Al-Konzentration und Schichtdicke gewählt wird, kann mit der einfachen Struktur von Fig. 13 ohne weiteres ein geringes VFF erzielt werden, vorausgesetzt, daß die Kombination auch zu einer geringen Absorption führt. Die geeignete Dicke für einen gegebenen X-Wert ist gleich oder größer als die "Übergangsdicke", bei der die in Fig. 18 gezeigte Kurve horizontal wird. Diese Übergangsdicke entspricht auch einer Absorption von ungefähr gleich 0,3/cm (siehe Fig. 19). Die Übergangsdicke beträgt zum Beispiel 1,2 um bei x = 0,6; 1,4 um bei x = 0,5; 1,9 um bei x = 0,4; und 3,3 um bei x = 0,3. Somit ist dem Fachmann ersichtlich, daß Werte von x zwischen 0,5 und 0,3 mit entsprechenden Umhüllungsdicken zwischen 1,4 um und 2,5 um die bevorzugten Bereiche dieses Phasenraums für Anwendungen mit geringem VFF sind.
• Fig. 20 stellt die Daten der Fig. 18 und 19 für Änderungen des VFF als Funktion der Absorption für den gleichen Bereich von x- Werten für die obere und die untere Hüllschicht dar, wie er in den Fig. 18 und 19 verwendet wurde. Fig. 20 zeigt außerdem, daß das VFF im wesentlichen unabhängig von der Absorption für Absorptionswerte von weniger als etwa 0,3/cm bleibt.

Claims (30)

1. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlasers mit wenigstens einer Quantenmulden-Struktur, die eine Mehrzahl von Schichten beinhaltet, die auf einem GaAs-Substrat aufgebracht sind, das die Schritte umfaßt:

Bereitstellen eines GaAs-Substrats (10);

Bilden eines Satzes von Laserschichten aus einer chemischen Zusammensetzung auf GaAs-Basis auf dem Substrat, die wenigstens ein dreiwertiges Substitutionselement beinhaltet; wobei die Laserschichten wenigstens eine untere Plattierungsschicht (16) mit einem ersten Konzentrationswert des Substitutionselements und eine untere Gradientenschicht (18) auf der unteren Plattierungsschicht mit einer chemischen Zusammensetzung beinhalten, die sich von einem zweiten Konzentrationswert des Substitutionselements an der Grenzfläche zu der unteren Plattierungsschicht bis zu einem dritten Konzentrationswert des Substitutionselements an einer oberen Grenzfläche der unteren Gradientenschicht ändert;

Bilden einer aktiven Quantenmulden-Schicht (20) aus einer chemischen Zusammensetzung auf GaAs-Basis mit einem vierten Konzentrationswert des Substitutionselements auf der unteren Gradientenschicht an der oberen Grenzfläche;

Bilden einer ersten oberen Gradientenschicht (22) auf der Quantenmulden-Schicht aus einer chemischen Zusammensetzung auf GaAs-Basis mit einem Konzentrationswert des Substitutionselements, der sich von einem fünften Konzentrationswert an der Grenzfläche zu der Quantenmulden-Schicht bis zu einem sechsten Konzentrationswert des Substitutionselements an der oberen Grenzfläche der ersten oberen Gradientenschicht ändert;

Bilden einer Deckschicht (24) aus einer chemischen Zusammensetzung auf GaAs-Basis mit einem siebten Konzentrationswert des Substitutionselements auf der ersten oberen Gradientenschicht;

Aufbringen einer Laserdefinitionsschicht (34) aus SiO&sub2; über der Deckschicht;

Strukturieren der Laserdefinitionsschicht derart, daß sie wenigstens eine Öffnung über einem entsprechenden aktiven Gebiet aufweist;

Aufbringen einer Diffusionssperrschicht (36) aus Si&sub3;N&sub4; über der Laserdefinitionsschicht und der Öffnung, wodurch sich die Diffusionssperrschicht in der Öffnung in Kontakt mit der Deckschicht befindet;

Erwärmen des Substrats mit vorgegebener Zeitdauer und Temperatur derart, daß eine Diffusion von Ga in die SiO&sub2;- Schicht bewirkt wird, während seine Diffusion in die Si&sub3;N&sub4;-Schicht vernachlässigbar ist, was zu einer Bildung von dreiwertigen Fehlstellen und einer Vermischung der dreiwertigen Elemente in den durch SiO&sub2; bedeckten Bereichen führt, womit bewirkt wird, daß sich die Quantenmulden-Schicht außerhalb des aktiven Gebiets in ein Material mit höherem Bandabstand wandelt, das nicht zur Lasertätigkeit fähig ist, wodurch ein Stromfluß in das aktive Gebiet geleitet wird;

Entfernen der Diffusionssperrschicht, der Laserdefinitionsschicht und der Deckschicht;

Bilden einer oberen Plattierungsschicht (52) mit einem achten Konzentrationswert des Substitutionselements über der oberen ersten Gradientenschicht;

Bilden einer zweiten oberen Gradientenschicht (54) auf der oberen Plattierungsschicht mit einem Konzentrationswert, der sich linear von einem neunten Konzentrationswert an der Grenzfläche zu der oberen Plattierungsschicht bis zu einem zehnten Konzentrationswert an einer oberen Grenzfläche der zweiten Gradientenschicht ändert; und

Bilden einer Kontaktschicht mit einem elften Konzentrationswert des Substitutionselements über der zweiten oberen Plattierungsschicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt der Bildung der Laserschichten wenigstens die Bildung einer n-leitenden GaAs-Schicht beinhaltet.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt der. Bildung der unteren Plattierungsschicht ein Einstellen des Konzentrationswerts des Substitutionselements in der unteren Plattierungsschicht derart beinhaltet, daß er Al0,4Ga0,6As entspricht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei bei dem Schritt der Bildung der Plattierungsschicht Si verwendet wird, um eine n- leitende Dotierung bereitzustellen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt der Bildung der n-leitenden Plattierungsschicht ein Einstellen der Dicke der Plattierung auf 2,5 um beinhaltet.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt der Bildung der Laserschichten die Bildung der unteren Gradientenschicht durch Einstellen des dritten Konzentrationswerts des Substitutionselements derart, daß er an ihrer unteren Grenzfläche Al0,4Ga0,6As entspricht, und des zweiten Konzentrationswerts des Substitutionselements derart beinhaltet, daß er an ihrer oberen Grenzfläche Al0,26Ga0,74As entspricht, während zwischen den zwei Grenzflächen eine lineare Änderung des Substitutionselements aufrechterhalten wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Gradientenbereich undotiert und 100 nm dick ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt der Bildung der Quantenmulden-Schicht undotiertes GaAs beinhaltet, wodurch die vierte Konzentration des Substitutionselements auf null eingestellt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei, der Schritt der Bildung der Quantenmulden-Schicht wenigstens ein Substitutionselement beinhaltet, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Al und In besteht.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Dicke der Quantenmulde im Bereich zwischen 3 nm und 15 nm liegt.

11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt der Bildung der Laserschichten die Bildung der ersten oberen Gradientenschicht durch Einstellen des sechsten Konzentrations werts des Substitutionselements derart, daß er an ihrer unteren Grenzfläche Al0,26Ga0,74As entspricht, und des fünften Konzentrationswerts des Substitutionselements derart beinhaltet, daß er an ihrer oberen Grenzfläche Al0,4Ga0,6As entspricht, während zwischen den zwei Grenzflächen eine lineare Änderung aufrechterhalten wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Gradientenschicht undotiert und 100 nm dick ist.

13. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Aufbringens der oberen Plattierungsschicht ein Einstellen des achten Konzentrationswerts des Substitutionselements derart beinhaltet, daß er Al0,4Ga0,6As entspricht.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Plattierungsschicht unter Verwendung von Be p-leitend dotiert und 1,85 um dick ist.

15. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt der Bildung der Kontaktschicht ein Einstellen des elften Konzentrationswerts des Substitutionselements derart beinhaltet, daß er GaAs entspricht.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Kontaktschicht mit Be p-leitend dotiert und 50 nm dick ist.

17. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der durch die Laserschichten gebildete Quantenmulden-Laser die untere Plattierungsschicht, die untere Gradientenschicht, die Quantenmulden-Schicht, die erste obere Gradientenschicht, die obere Plattierungsschicht, die zweite obere Gradientenschicht und die Kontaktschicht beinhaltet.

18. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Deckschicht undotiert und 200 nm dick ist.

19. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Aufbringens der Laserdefinitionsschichten aus SiO&sub2; das Aufbringen von SiO&sub2; durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung beinhaltet.

20. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt der Strukturierung der Laserdefinitionsschicht die Herstellung einer Öffnung unter Verwendung von Photolithographie und gepufferter HF beinhaltet.

21. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Aufbringens der Diffusionssperrschicht Si&sub3;N&sub4; das Aufbringen von Si&sub3;N&sub4; durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung beinhaltet.

22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei sich die Sperrschicht aus Si&sub3;N&sub4; in Kontakt mit der Deckschicht über dem aktiven Gebiet befindet.

23. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Erwärmung des Substrats bei einer vorgegebenen Temperatur die Erwärmung des Substrats auf eine Temperatur im Bereich von 700ºC bis 900ºC und während einer Zeitdauer beinhaltet, die im Bereich zwischen 15 Sekunden und 10 Minuten liegt.

24. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Entfernen der Diffusionssperrschicht die Verwendung von reaktivem Ionenätzen beinhaltet.

25. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Entfernen der Laserdefinitionsschicht die Verwendung von reaktivem Ionenätzen beinhaltet.

26. Verfahren nach Anspruch 25, wobei das reaktive Ionenätzen CF&sub4; verwendet.

27. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Entfernen der Deckschicht teilweise durch Verwenden von H&sub2;O:H&sub2;SO&sub4;:H&sub2;O&sub2; durchgeführt wird.

28. Verfahren nach Anspruch 27, wobei das H&sub2;O:H&sub2;SO&sub4;:H&sub2;O&sub2; jeweils ein Verhältnis von 200:16:1 besitzt.

29. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Entfernen der Deckschicht teilweise in einem MBE-System unter einem Überdruck von As durchgeführt wird.

30. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlasers mit wenigstens einer Quantenmulden-Struktur, die eine Mehrzahl von auf einem GaAs-Substrat aufgebrachten Schichten beinhaltet, das die Schritte umfaßt:

Bereitstellen eines GaAs-Substrats (10);

Bilden einer Pufferschicht (12) aus GaAs auf dem Substrat;

Bilden einer ersten unteren Gradientenschicht (14) auf einer oberen Grenzfläche der Pufferschicht mit einer chemischen Zusammensetzung, die sich linear von GaAs an der Grenzfläche zu der Pufferschicht zu Al0,4Ga0,6As an der oberen Grenzfläche ändert;

Bilden einer unteren Plattierungsschicht (16) aus Al0,4Ga0,6As auf der ersten unteren Gradientenschicht;

Bilden einer zweiten unteren Gradientenschicht (18) auf der unteren Plattierungsschicht mit einer chemischen Zusammensetzung, die sich von Al0,4Ga0,6As an der Grenzfläche zu der unteren Plattierungsschicht zu Al0,26Ga0,74As an einer oberen Grenzfläche der unteren Gradientenschicht ändert;

Bilden einer aktiven Quantenmulden-Schicht (20) aus GaAs auf der unteren Gradientenschicht an der oberen Grenzfläche;

Bilden einer ersten oberen Gradientenschicht (22) auf der Quantenmulden-Schicht, die sich von Al0,26Ga0,74As an der Grenzfläche zu der Quantenmulden-Schicht zu Al0,4Ga0,6As an einer oberen Grenzfläche ändert;

Bilden einer Deckschicht (24) aus. GaAs auf der ersten oberen Gradientenschicht;

Aufbringen einer Laserdefinitionsschicht (34) aus SiO&sub2; über der Deckschicht;

Strukturieren der Laserdefinitionsschicht, damit wenigstens eine Öffnung über einem entsprechenden aktiven Gebiet vorliegt;

Aufbringen einer Diffusionssperrschicht (36) aus Si&sub3;N&sub4; über der Laserdefinitionsschicht und der Öffnung, wodurch sich in der. Öffnung die Diffusionssperrschicht in Kontakt mit der Deckschicht befindet;

Erwärmen des Substrats mit vorgegebener Zeitdauer und Temperatur derart, daß eine Diffusion von Ga in die SiO&sub2;- Schicht bewirkt wird, während seine Diffusion in die Si&sub3;N&sub4;-Schicht vernachlässigbar ist, was zu einer Bildung von dreiwertigen Fehlstellen und einer Vermischung der dreiwertigen Elemente in den durch SiO&sub2; bedeckten Bereichen führt, womit bewirkt wird, daß sich die Quantenmulden-Schicht außerhalb des aktiven Gebiets in ein Material mit höherem Bandabstand wandelt, das nicht zur Lasertätigkeit fähig ist, wodurch ein Stromfluß in das aktive Gebiet geleitet wird

Entfernen der Diffusionssperrschicht, der Laserdefinitionsschicht und der Deckschicht;

Bilden einer oberen Plattierungsschicht (52) aus Al0,4Ga0,6As über der oberen ersten Gradientenschicht;

Bilden einer zweiten oberen Gradientenschicht (54) auf der oberen Plattierungsschicht mit einem Konzentrationswert, der sich linear von Al0,4Ga0,6As an der Grenzfläche mit der oberen Plattierungsschicht zu GaAs an einer oberen Grenzfläche ändert; und

Bilden einer Kontaktschicht aus GaAs über der zweiten oberen Plattierungsschicht.