DE69313807T2

DE69313807T2 - Halbleiterlaser mit Begrenzungsschicht aus AlGaInP

Info

Publication number: DE69313807T2
Application number: DE69313807T
Authority: DE
Inventors: Jun-Ichi Hashimoto; Tsukuru Katsuyama; Ichiro Yoshida
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1992-12-28
Filing date: 1993-12-27
Publication date: 1998-01-22
Anticipated expiration: 2013-12-28
Also published as: EP0604965B1; US5586135A; EP0604965A1; DE69313807D1; CA2112319C; CA2112319A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser, der zum Pumpen von Er-dotierten optischen-Quarzfaser-Verstärkern (Verstärkern in der Form Er-dotierter optischer Quarzfasern) und anderen Zwecken eingesetztwerden kann. Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Halbleiterlaser vom Streifentyp, der ein GaAs-Substrat hat.
Ein Er-dotierter optischer Quarzfaser-Verstärker zieht derzeit als ein Kernbauelement und eine Kerntechnologie der nächsten Generation optischer Kommunikationssysteme viel Aufmerksamkeit auf sich. Ein Halbleiterlaser, der eine wellenlänge von 1,48 µm oder 0,98 µm hat, wird als Pumplichtquelle für diesen optischen Verstärker benutzt. Es wurde ein 0,98-µm-Halbleiterlaser vorgeschlagen, der eine aktive GaInAs-Quantentrogschicht und AlGaAs- oder GaInP-Begrenzungsschichten hat.
Im allgemeinen müssen zur Erhöhung der Effektivität der Einkopplung von Laserausgabeleistung in eine optische Faser durch Verlängerung eines Nahfeldmusters in der vertikalen Richtung eine aktive Quantentrogschicht und optische Einschluß(confinement-)schichten dünner gemacht werden. Das Dünnermachen der aktiven Quantentrogschicht und der optischen Einschlußschichten verschlechtert jedoch die optische Einschlußeffizienz. Als Resultat werden Träger ungenügend eingeschlossen und die Temperatureigenschaften werden verschlechtert. Aufgrund der oben geschilderten Phänomene, die in einem Halbleiterlaser inhärent sind, kann der obenerwähnte 0,98-µm-Halbleiterlaser nicht sowohl die hohe Ausgabeleistung als auch die besseren Temperatureigenschaften erfüllen, die für eine Pumplichtquelle für einen Er-dotierten optischen Quarzfaser-Verstärker notwendig sind.
Sich hier einem anderen Thema zuwendend kennen wir einen Halbleiterlaser im 1-µm-Band, der eine Siliciumoxidschicht oder eine Siliciumnitridschicht zum Einschluß von Licht und Strom einsetzt. Während dieser Typ eines konventionellen Halbleiterlasers leicht hergestellt werden kann, hat er den Nachteil geringer Wärmeableitung.
Im Hinblick auf das Obengesagte werden nun Halbleiterlaser entwickelt, in denen Licht und Strom durch eine Struktur eingeschlossen werden, die nur aus Halbleitern hergestellt ist. Im Falle von Halbleiterlasern, bei denen die Energie des oszillierenden Lichtes größer oder gleich der Bandlückenenergie von GaAs ist, kann Licht im wesentlichen eingeschlossen werden, indem ein Mesa-Bereich (hervorstehender Streifen) in einem Begrenzungsschichtbereich gebildet wird und die Seitenbereiche des Mesa-Bereiches mit GaAs gefüllt werden, wobei die Seitenbereiche zur Absorption von geführtem Lichtes dienen. Da jedoch dieser Strukturtyp nicht bei Halbleiterlasern im 1-µm- Band benutzt werden kann, wurden verschiedene Versuche bei jenen Halbleiterlasern unternommen.
Unter diesen Versuchen wird nun eine Technik aktiv untersucht, bei der die Seitenbereiche des Mesa-Bereiches eines Begrenzungsschichtbereiches mit einem Material gefüllt wird, dessen effektiver Brechungsindex kleiner ist als der des Schichtbereiches, da dieser Strukturtyp relativ leicht hergestellt werden kann. Wir werden unten zwei Beispiele herausstellen. Bei dem ersten wird ein Begrenzungsschichtbereich aus AlGaAs gefertigt und die Seitenbereiche des Mesa-Bereiches werden mit GaInP aufgefüllt, dessen Brechungsindex kleiner ist als von AlGaAs (Chida et al., The 40th Spring Conference of the Japan Society of Applied Physics, Präsentation Nr. 1a-C-2 (1993)). Beim zweiten wird ein Mesa-Bereich, der eine hochbrechende GaAs-Schicht umfaßt, in einem Begrenzungsschichtbereich, der aus GaInP gemacht ist, geformt und die Seitenbereiche der GaAs-Schicht werden mit GaInP aufgefüllt (Sagawa et al., The 40th Spring Conference of the Japan Society of Applied Physics, Prsentation Nr. 31p-C-11 (1993)).
Die obigen zwei Techniken gebrauchen eine reelle Brechungsindex-Wellenleiterstruktur, bei welchem die Seitenbereiche eines Mesa-Bereiches mit einem niedrigbrechenden Material aufgefüllt werden. Andererseits wurde ein roter Halbleiterlaser von einer Index-antigeführten Struktur (index antiguiding structure) vorgeschlagen, bei welchem die Seitenbereiche eines Mesa-Bereiches eines AlGaInP-Begrenzungsschichtbereiches mit AlGaInP kleineren Al-Anteils aufgefüllt sind (Kidoguchi et al., The Autumn Conference of the Japan Society of Applied Physics, Präsentation Nr. 18a-V-5 (1992)). Da diese Index-antigeführte Struktur einen großen Unterschied zwischen den Schwellwerten für die fundamentale transversale Mode und höhere andere transversale Moden erzeugen kann, kann sie leicht einen transversalen Einzelmodenbetrieb bereitstellen.
Die erste konventionelle Technik von Chida et al. weist jedoch das Problem eines kleinen Regelungsbereiches des optischen Einschlusses auf, da das Begrenzungsschichtbereichmaterial auf AlGaAs begrenzt ist, dessen Brechungsindex größer ist als GaInP als dem Einbettungsmaterial. Bei der zweiten konventionellen Technik von Sagawa et al. ist die Erhöhung der Brechungsindexdifferenz in der horizontalen Richtung notwendigerweise mit einer übermäßigen Konzentration von Licht in der GaAs-Schicht verbunden.
Außerdem, während die dritte konventionelle Technik von Kidoguchi et al., die die Index-antigeführte Struktur aufweist, leicht einen transversalen Einzelmodenbetrieb ermöglicht, benötigt sie eine AlGaInP-Lichtdiffusionsschicht (welche den Mesa-Bereich (hervorstehenden Streifen) umgibt), die einen kleinen Al-Anteil (Ga/(Al + Ga)) von 0,6 aufweist. Es ist schwierig, die Wachstumsbedingungen und die Vorbehandlungsbedingungen für das Wachstum der AlGaInP-Lichtdiffusionsschicht zu steuern. Das heißt, da die aktive Quantentrogschicht des Halbleiterlasers von Kidoguchi et al. aus GaInP gemacht ist, dessen Bandlückenenergie größer ist als von GaAs, muß der Al-Anteil des Begrenzungsschichtbereiches erhöht werden, um die Träger effektiv einzuschließen, was die Erhöhung des Al-Anteiles der Lichtdiffusionsschicht erfordert.
IEEE Photonics Technology Letters, Band 4, Nr. 7, Juli 1992, Seiten 676-679 offenbart einen Halbleiterlaser entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Halbleiterlaser bereitzustellen, der eine hohe Ausgabeleistung und verbesserte Temperatureigenschaften aufweist, der im speziellen für den Gebrauch als Pumplichtquelle für einen Er-dotierten optischen Faser-Verstärker eingesetzt werden kann.
Dieses Ziel wird mit einem Halbleiterlaser erreicht, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
Eine spezielle Ausführungsform der Erfindung stellt einen Halbleiterlaser vom Index-antigeführten Typ zur Verfügung, welcher Licht und Strom mit einer Struktur einschließen kann, die nur aus Halbleitermaterialien gefertigt ist, und leicht einen transversalen Einzelmodenbetrieb ermöglicht und welcher den optischen Einschluß sowohl in der vertikalen als auch in der horizontalen Richtung steuert.
Das Träger-(Elektronen-)überfließen von dem aktiven Bereich zu der p-Typ-Begrenzungsschicht ist ein Hauptfaktor für den Verlust, der bei Einkopplung hohen Stromes auftritt. Um das Trägerüberfließen zu unterdrücken, ist es effektiv, die Barrierenhöhe zwischen der aktiven Quantentrogschicht und der Begrenzungsschicht (d.h., eine Leitungsbanddiskontinuität zwischen GaInAs und AlGaInP) zu erhöhen. In AlGaInP mit einem Al-Anteil von 50 % ist die Leitungsbanddiskontinuität ungefähr zweimal der von GaInP.
Da das AlGaInP (den Fall einschließend, bei dem der Al-Anteil Null ist) der Lichtdiffusionsschicht einen Brechungsindex hat, der größer ist als der des AlGaInP des vorstehenden Streifens, neigt das Licht dazu, sich in horizontaler Richtung zu verteilen. Aufgrund der Verstärkung, die unterhalb des vorstehenden Streifens erreicht wird, wird das Licht jedoch im wesentlichen im Zentralbereich konzentriert, um Lichtführung zu erhalten. Da der Grad der Lichtdiffusion in der horizontalen Richtung mit der Mode variiert, kann die transversale Mode durch Einstellen des Brechungsindex des hervorstehenden Streifens gesteuert werden. Wenn der Al-Anteil (Al/(Al + Ga)) des AlGaInP des hervorstehenden Streifens zur Erhöhung der Lichtdiffusion erhöht wird (d.h., der Brechungsindex wird verringert), wird die Verstärkung zur Lichtführung ungenügend. Demgegenüber werden transversale Moden höherer Ordnung wahrscheinlicher auftreten, wenn der Al-Anteil des AlGaInP des hervorstehenden Streifens zur Verringerung der Diffusion verringert wird (d.h., der Brechungsindex wird erhöht). Ein transversaler Einzelmodenbetrieb wird leicht ermöglicht, wenn der Al-Anteil des hervorstehenden Streifens minus dem der Lichtdiffusionsschicht im Bereich von 0,1 bis 0,4 gesetzt wird.
Da die Lichtdiffusionsschicht epitaktisch auf der Oberfläche gewachsen wird, die durch das Ausbilden des vorstehenden Streifens erzeugt worden ist und dementsprechend der Luft ausgesetzt wird, ist es schwierig, das Wachstum von AlGaInP wieder zu starten. Bei der Erfindung kann der Al-Anteil des AlGaInP der Lichtdiffusionsschicht ausreichend klein gemacht werden, da die aktive Quantentrogschicht aus einem Material gemacht ist, dessen Bandlückenenergie kleiner ist als die von GaAs, z.B. AlGaInP. Das Wachstum von AlGaInP kann leichter wieder gestartet werden, wenn sein Al-Anteil kleiner ist. Im Hinblick darauf ist es vorzuziehen, daß der Al-Anteil des AlGaInP der Lichtdiffusionsschicht 0,2 nicht übersteigt.
Das Wiederbeginnen des AlGaInP-Wachstums der Lichtdiffusionsschicht wird weiterhin vereinfacht, wenn zuvor zumindest eine dünne Schicht aus GaAs oder GaAsP gebildet wird, welche nur ein Gruppe-III-Element umfaßt. Es ist vorzuziehen, daß diese Schichten eine Gesamtdicke von weniger als 50 Å haben, weil der optische Einschluß in horizontaler Richtung verschlechtert wird, wenn sie zu dick sind. Wenn GaInP für die Lichtdiffusionsschicht gebraucht wird (d.h., der Al-Anteil des AlGaInP ist Null), kann es leichter gewachsen werden.
Die Lichtverteilung in vertikaler Richtung kann durch Änderung der Zusammensetzung und der Dicke des AlGaInP der Basisschicht des oberen Begrenzungsschichtbereiches gesteuert werden, wobei das AlGaInP einen Al-Anteil hat, der größer ist als der des hervorstehenden Streifens. Wenn weiterhin die longitudinalen Enden des hervorstehenden Streifens von den Laserfacetten beabstandet sind und die Lichtdiffusionsschicht so erstreckt wird, daß sie die Bereiche dazwischen ausfüllt, breitet sich das Licht in den Facettenbereichen aus und verringert die Lichtdichte dort und die Verschlechterung der Laserfaetten kann daher unterdrückt werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Querschnitt, der die vertikale Struktur eines Halbleiterlasers zeigt, die keine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 2 ist ein Querschnitt, der einen epitaktischen Wafer zeigt, der zur Herstellung eines Halbleiterlasers entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung eingesetzt wird;
Fig. 3 ist ein Querschnitt, der eine Struktur zeigt, die durch Mesa-Ätzen des epitaktischen Wafers der Fig. 2 erhalten wird;
Fig. 4 ist ein Querschnitt, der eine Struktur zeigt, nachdem eine Lichtdiffusionsschicht auf der Struktur der Fig. 3 gebildet worden ist;
Fig. 5 ist ein Querschnitt, der eine Struktur zeigt, die erhalten wird, nachdem eine p-Typ-GaAs-Schicht auf der Struktur der Fig. 4 gebildet worden ist;
Fig. 6 zeigt eine Draufsicht, die die Anordnung eines hervorstehenden Streifens zeigt;
Fig. 7 ist ein Querschnitt, der einen epitaktischen Wafer zeigt, der zur Herstellung eines Halbleiterlasers entsprechend einer zweiten Ausführungsform der Erfindung eingesetzt wird;
Fig. 8 ist ein Querschnitt, der eine Struktur zeigt, die durch Mesa-Ätzen der Struktur der Fig. 7 erhalten wird;
Fig. 9 ist ein Querschnitt, der eine Struktur zeigt, die erhalten wird, nachdem eine Lichtdiffusionsschicht auf der Struktur der Fig. 8 gebildet worden ist;
Fig. 10 ist ein Querschnitt, der eine Struktur zeigt, die erhalten wird, nachdem eine p-Typ-GaAs-Schicht auf der Struktur der Fig. 9 gebildet worden ist;
Fig. 11 ist ein Querschnitt, der einen epitaktischen Wafer zeigt, der zur Herstellung eines Halbleiterlasers entsprechend einer dritten Ausführungsform der Erfindung eingesetzt wird;
Fig. 12 ist ein Querschnitt, der einen epitaktischen Wafer zeigt, der zur Herstellung eines Halbleiterlasers entsprechend einer vierten Ausführungsform der Erfindung eingesetzt wird; und
Fig. 13 ist ein Querschnit, der einen epitaktischen Wafer zeigt, der zur Herstellung eines Halbleiterlasers entsprechend einer fünften Ausführungsform der Erfindung eingesetzt wird.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 zeigt schematisch eine vertikale Struktur eines Halbleiterlasers, die keine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. Die entsprechenden epitaktischen Schichten 2-16 werden auf einem n-Typ-GaAs-Substrat 1 mit Hilfe einer bekanten metallorganischen Dampfphasenepitaxie (MOVPE) gebildet. Materialien und Dicken der jeweiligen epitaktischen Schichten 2-16 sind wie folgt. Die Bezugszeichen 17 bzw. 18 bezeichnen eine p-seitige Elektrode bzw. eine n-seitige Elektrode.
Erste Schicht ... n-Typ-GaAs-Pufferschicht 2 mit 0,2 µm Dicke
Zweite Schicht ... Si-dotierte AlGaInP-Begrenzungsschicht 3 (x = Al/(Al + Ga) = 0,7, n 2 x 10¹&sup8; cm&supmin;³) von 1,5 µm Dicke
Dritte Schicht ... undotierte AlGaInP-Begrenzungsschicht 4 (x = 0,1) von 100 Å (1 nm = 10 Å) Dicke
Vierte Schicht ... undotierte GaInAsP-optische Einschlußschicht 5 (Eg ≈ 1,7 eV) von 100 Å Dicke
Fünfte Schicht ... undotierte GaAs-Schicht 6 von 100 Å Dicke
Sechste Schicht ... undotierte aktive GaInAs-Quantentrogschicht 7 von 40 Å Dicke
Siebte Schicht ... undotierte GaAs-Schicht 8 von 100 Å Dicke
Achte Schicht ... undotierte GaInAsP-optische Einschlußschicht 9 (Eg = 1,7 eV) von 100 Å Dicke
Neunte Schicht ... undotierte AlGaInP-Begrenzungsschicht 10 (x = 0,1) von 100 Å Dicke
Zehnte Schicht ... Zn-dotierte AlGaInP-Begrenzungsschicht 11 (x = 0,7, p = 5 x 10¹&sup7; cm&supmin;³) von 0,4 µm Dicke
Elfte Schicht ... Zn-dotierte GaAs-Ätzstoppschicht 12 von 100 Å Dicke
Zwölfte Schicht ... Zn-dotierte AlGaInP-Begrenzungsschicht 13 (x = 0,7, p = 5 x 10¹&sup7; cm&supmin;³) von 1,1 µm Dicke
Dreizehnte Schicht ... Zn-dotierte AlGaInP-Pufferschicht 14 (x = 0,1) von 200 Å Dicke
Vierzehnte Schicht ... Zn-dotierte GaAs-Kontaktschicht 15 (p = 1 x 10¹&sup9; cm&supmin;³) von 0,5 µm Dicke
Wie oben erwähnt sind die Werte x der AlGaInP-Schichten 3, 4, 10, 11, 13 und 14 Zusammensetzungsverhältnisse von Al zu (Al + Ga). Bei dieser Ausführungsform ist das AlGaInP der jeweiligen Schichten im wesentlichen gitterangepaßt zu GaAs.
Wir werden mehrere Punkte beschreiben, die bei der Durchführung des epitaktischen Wachstums beachtet werden müssen. Um hohe kristalline Qualität zu erhalten, ist es vorzuziehen, daß die AlGaInP-Schichten 3, 4, 10, 11, 13 und 14 bei Temperaturen um 50ºC höher als die GaInP-Schichten gewachsen werden. Bei dieser Ausführungsform ist die n-Typ-AlGaInP-Schicht 3 bei 760ºC gewachsen worden und die p-Typ-AlGaInP-Schichten 11, 13 und 14 sind bei 740ºC gewachsen worden. Die Flußrate von Diethylzink, welches ein Materialgas von Zn als dem p-Typ- Dotierstoff ist, ist auf denselben Wert gesetzt worden, wie im Falle der Bildung der Zn-dotierten GaAs-Kontaktschicht 15.
Bei diesem Halbleiterlaser kann ein großer Unterschied zwischen den Bandlückenenergien der aktiven Quantentrogschichten und der Begrenzungsschichten erhalten werden, da GaInAs für die aktive Quantentrogschicht und AlGaInP für die Begrenzungsschichten benutzt wird. Im Ergebnis wird ein großer Elektronenenergieniveauunterschied erzeugt und es ist für die Elektronen weniger wahrscheinlich aus der aktiven Quantentrogschicht zu entweichen, was bedeutet, daß die Elektron-Loch- Rekombination effektiv in der aktiven Quantentrogschicht geschieht. Dieser Halbleiterlaser kann auf diese Weise eine ausreichend hohe Ausgangsleistung erzeugen, die geeignet als Pumplichtquelle für einen Er-dotierten optischen Quarzfaser- Verstärker ist, ohne die Temperatureigenschaften zu verschlechtern.
Halbleiterlaser entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung werden unten beschrieben.
Bei einem Halbleiterlaser entsprechend einer speziellen Ausführungsform wird ein epitaktischer Wafer 116, der eine Vielschichtstruktur der Fig. 2 hat, durch eine MOVPE verringerten Drucks bei ungefähr 60 Torr gebildet.
Eine n-Typ-GaAs-Pufferschicht 102, eine n-Typ-AlGaInP-Begrenzungsschicht 103, ein aktiver Bereich 115, eine p-Typ-AlGaInP- Begrenzungsschicht 111, eine p-Typ-GaInP-Ätzstoppschicht 112, eine p-Typ-AlGaInP-Begrenzungsschicht 113 und eine p-Typ-GaInP-Deckschicht 114 werden nacheinander auf einem GaAs-Substrat 101 durch epitaktisches Wachstum gebildet. Der aktive Bereich 115 besteht aus einer GaInP-Begrenzungsschicht 104, einer GaInAsP-optischen Einschlußschicht 105, einer GaAs-Schicht 106, einer GaInAs-Quantentrogschicht 107, einer GaAs-Schicht 108, einer GaInAsP-optischen Einschlußschicht 109 und einer GaInP-Begrenzungsschicht 110. Die p-Typ-AlGaInP-Begrenzungsschicht 111, die p-Typ-GaInP-Ätzstoppschicht 112, die p-Typ-AlGaInP-Begrenzungsschicht 113 und die p-Typ-GaInP-Deckschicht bilden einen oberen Begrenzungsschichtbereich. Die p-Typ-AlGaInP-Begrenzungsschicht 113 wird durch nachfolgendes Ätzen zu einem hervorstehenden Streifen geformt, der sich zusammen mit einem Stromeinkopplungsbereich der aktiven Quantentrogschicht ausdehnt und parallel dazu ist.
Dicken, Arten und Konzentrationen von Dotierstoffen der jeweiligen epitaktischen Schichten sind in Fig. 2 angegeben. Ebenso ist im linken Teil der Fig. 2 die Variation der Temperatur während des epitaktischen Wachstums gezeigt. Es ist wünschenswert, daß das AlGaInP für die Begrenzungsschichtbereiche bei einer höheren Temperatur gewachsen werden, und daß das GaInAs für die aktive Quantentrogschicht bei einer niedrigeren Temperatur gewachsen wird. Bei dieser Ausführungsform, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, wird der aktive Bereich 115 bei 650ºC gewachsen und die unteren und die oberen Begrenzungsschichtbereiche werden bei 720-740ºC gewachsen.
Dann werden unnötige Teile der GaInP-Deckschicht 114 und der AlGaInP-Begrenzungsschicht 113 des so gebildeten epitaktischen Wafers 116 durch Ätzen entfernt. Zuerst wird ein 0,1 µm-dicker Siliciumnitridfilm auf der ganzen Oberfläche abgelagert und durch eine Lithographietechnik strukturiert, um einen 4 µm-breiten streifenartigen Bereich 120 übrigzulassen Dann werden die GaInP-Deckschicht 114 und die AlGaInP-Begrenzungsschicht 113 unter Gebrauch der Siliciumnitridschicht 120 als Maske geätzt (siehe Fig. 3). Genauer ausgedrückt wird zuerst die GaInP-Deckschicht 114 und der oberste Oberflächenbereich der AlGaInP-Begrenzungsschicht 113 bei 50ºC mit Hilfe einer Mischung aus Schwefelsäure, Wasserstoffperoxid und Wasser abgeätzt, welche in einem Verhältnis von 3:1:1 gemischt sind. Dann wird die AlGaInP-Begrenzungsschicht 113 mit konzentrierter Schwefelsäure bei 60ºC geätzt, bis die Farbe der Waferoberfläche sich ändert, was bedeutet, daß die GaInP-Ätzstoppschicht 112 freigelegt ist. So wird ein vorstehender Streifen 121 des oberen Begrenzungsschichtbereiches gebildet, wie es in Fig. 3 gezeigt ist.
Dann wird, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, eine Lichtdiffusionsschicht 132 aus n-Typ-GaInP gebildet, so daß sie beide Seiten des hervorstehenden Streifens 121 bedeckt. Eine GaAs-Schicht 130 und eine GaAsP-Schicht 131 werden vor der Bildung der Lichtdiffusionsschicht 132 gebildet. Als Resultat davon, daß sie der Luft ausgesetzt wird, ist die Waferoberfläche zum Zeitpunkt des Wiederbeginns des Wachstums der Lichtdiffusionsschicht 132 rauh. Im speziellen dort, wo das Oberflächenmaterial zwei oder mehr Gruppe-III-Elemente enthält, ist der Oberflächenzustand schlecht, d.h., nicht geeignet für das Wachstum der Lichtdiffusionsschicht 132. Die GaAs-Schicht 130 und die GaAsP-Schicht 131 dienen zur Erleichterung des Wachstums der Lichtdiffusionsschicht 132. Die Gesamtdicke der Schichten 130 und 131 sollte weniger als 50 Å betragen, weil sie den optischen Einschluß in horizontaler Richtung negativ beeinflussen, wenn sie zu dick sind. Bei dieser Ausführungsform ist die GaAs-Schicht 130 30 Å dick und die GaAsP-Schicht 131 ist 10 Å dick. Die Zusammensetzung der GaAsP-Schicht 130 muß nicht genau gewählt werden. Bei 650ºC kann das molare Verhältnis zwischen Arsin und Phosphin auf ungefähr 0,1 gesetzt werden und das molare Verhältnis zwischen den Gruppe-V-Elementen und den Gruppe-III-Elementen kann auf ungefähr 70 gesetzt werden. Die Temperatur sollte in einer Phosphinatmosphäre erhöht werden. Da sie vom n-Typ ist, dient die Lichtdiffusionsschicht 132 auch als Stromsperrschicht.
Als nächstes wird die Siliciumnitridschicht 120 mit einer Lösung aus Fluorwasserstoffsäure und Wasser (1:1) abgeätzt und eine p-Typ-GaAs-Schicht 140 wird mit einer Dicke von 2 µm gebildet. Eine p-seitige Elektrode 141 wird auf die p-Typ-GaAs- Schicht 140 aufgedampft. Nachdem das GaAs-Substrat 101 auf ungefähr 100 µm abgedünnt worden ist, wird eine n-seitige Elektrode 142 darauf aufgedampft. Nachdem die Elektroden 141 und 142 mit den benachbarten Schichten durch Ausheilen legiert worden sind, werden die Spaltungs- und Befestigungsschritte durchgeführt, um einen Halbleiterlaser fertigzustellen (siehe Fig. 5).
Der optische Einschluß sowohl in der vertikalen als auch in der horizontalen Richtung kann durch Änderung der Dicke und der Komposition (der Verteilung) der Basisschicht des oberen Begrenzungsschichtbereiches, d.h. bei dieser Ausführungsform die AlGaInP-Begrenzungsschicht 111, gesteuert werden. Obwohl bei dieser Ausführungsform die Mesa-Form des hervorstehenden Streifens 121 gewöhnlich ist (der obere Teil ist schmaler als der untere Teil), kann es auch eine umgekehrte sein, d.h. die Streifenbreite kann sich verringern.
Fig. 6 ist eine Draufsicht, die zu der Fig. 5 gehört und zeigt, wie der hervorstehende Streifen 121 auf einem Chip, wie er herausgeschnitten ist, angeordnet ist. Wie es in Fig. 6 gezeigt ist, sind die Enden 121a und 121b des hervorstehenden Streifens 121 von den Facetten 152 und 153 beabstandet. Die Lichtdiffusionsschicht füllt auch die Bereiche zwischen den Enden 121a und der Facette 152 und zwischen dem Ende 121b und der Facette 153 in gleicher Weise wie an den lateralen Seiten des hervorstehenden Streifens 121. Es ist vorzuziehen, daß die Abst:nde d zwischen dem Ende 121a und der Facette 152 und zwischen dem Ende 121b und der Facette 153 ungefähr 20 µm sind. Die Basisschichten des oberen Begrenzungsschichtbereiches, d.h., die p-Typ-AlGaInP-Begrenzungsschicht 111 und die p-Typ- GaInP-Ätzstoppschicht 112 erstrecken sich zu den Facetten 152 und 153. Weil die obige Facettenstruktur Lichtdiffusion in der Nähe der Facetten hervorruft, kann die Lichtdichte dort verringert werden.
Eine plötzliche Fehlfunktion kann bei Halbleiterlasern, die eine aktive GaInAs-Quantentrogschicht haben, auftreten. Die plötzliche Fehlfunktion wird durch Schmelzen einer Facette hervorgerufen, was katastrophale optische Schädigung (COD) genannt wird und von der angenommen wird, daß sie von einer Wechselwirkung zwischen dem Licht und dem Strom an dem Facettenbereich herrührt. Wenn die Lichtdichte an den Facettenbereichen durch Gebrauch der Facettenstruktur dieser Ausführungsform verringert wird, wird COD kaum auftreten und die Verläßlichkeit des Halbleiterlasers wird verbessert.
Bei dieser Ausführungsform wird die obige Struktur bei beiden Facettenbereichen eingesetzt. Wenn Beschichtungen verschiedenen Reflexionsvermögens an den jeweiligen Facetten angebracht werden, kann die obige Struktur nur für die Facette der Seite niedrigen Reflexionsvermögens benutzt werden, wobei sich der hervorstehende Streifen 121 bis zu der Facette auf der Seite hohen Reflexionsvermögens erstreckt.
Fig. 7 zeigt eine Vielschichtstruktur eines epitaktischen Wafers, die zur Herstellung eines Halbleiterlasers entsprechend einer zweiten Ausführungsform der Erfindung benutzt wird. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, daß die Lichtdiffusionsschicht AlGaInP, dessen Brechungsindex größer ist als der des AlGaInP des hervorstehenden Streifens, anstelle von GaInP einsetzt. Dazu werden, wie es in Fig. 7 gezeigt ist, die AlGaInP-Begrenzungsschichten 103 und 113 des epitaktischen Wafers 116 der ersten Ausführungsform durch die AlGaInP-Schichten 103' und 113' ersetzt, die einen großen Al-Anteil haben, um einen epitaktischen Wafer 116' zu bilden. Das Verfahren zur Bildung des epitaktischen Wafers 116' ist im wesentlichen das gleiche wie bei der ersten Ausführungsform. Bei der zweiten Ausführungsform ist die Temperatur beim Bilden des oberen Begrenzungsschichtbereiches ein wenig höher als bei der ersten Ausführungsform (siehe Fig. 7).
Nach der Bildung des epitaktischen Wafers 116' wird ein hervorstehender Streifen 121' durch Ätzen gebildet, wie es in Fig. 8 gezeigt ist, und dann wird eine Lichtdiffusionsschicht 170 gebildet, wie es in Fig. 9 gezeigt ist, welche aus n-Typ- AlGaInP gemacht ist, das einen Al-Anteil (Al/(Al + Ga)) von 0,2 hat. Obwohl bei dieser Ausführungsform die Lichtdiffusionsschicht 170 direkt auf der Ätzstoppschicht 112 gebildet wird, kann im vorhinein, wie im Falle der ersten Ausführungsform, zur Erleichterung des epitaktischen Wachstums die GaAs- Schicht 130 und die GaAsP-Schicht 131 gebildet werden. Dann werden, wie im Falle der ersten Ausführungsform, die p-Typ- GaAs-Schicht 140 und die Elektroden 141 und 142 gebildet und ein Chip wird ausgeschnitten, um einen Halbleiterlaser fertigzustellen (siehe Fig. 10).
Fig. 11-13 zeigen epitaktische Wafer entsprechend den dritten bis fünften Ausführungsformen, welche Alternativen zu dem epitaktischen Wafer 116 der Fig. 2 sind. Bei der dritten Ausführungsform der Fig. 11 wird eine Ätzstoppschicht aus GaAs anstelle der Ätzstoppschicht 112 aus GaInP der ersten Ausführungsform eingesetzt. Diese Änderung bedeutet größere Auswahlbereiche und trägt zur Stabilisierung des Herstellungsverfahrens bei. Bei dieser Ausführungsform kann z.B. eine Raumtemperaturlösung von Salzsäure, Phosphorsäure und Wasser (22:11:17) als Ätze benutzt werden.
Bei der vierten Ausführungsform der Fig. 12 werden ein n-seitiger (oberer) Begrenzungsschichtbereich und ein p-seitiger (unterer) Begrenzungsschichtbereich ungefähr symmetrisch gemacht. Auch bei der ersten Ausführungsform können die Lichtverteilungen auf den n- und p-Seiten durch Einstellen der Dicke der AlGaInP-Begrenzungsschicht 111 und anderer Faktoren identisch gemacht werden. Es ist offensichtlich, daß der epitaktische Wafer der vierten Ausführungsform die n-seitigen und p-seitigen Lichtverteilungen leichter ausgleichen kann.
Bei der fünften Ausführungsform der Fig. 13 wird der Al-Anteil (Al/(Al + Ga)) der Basisschicht des oberen Begrenzungsschichtbereiches gleich dem des hervorstehenden Streifens gesetzt, damit ein Großteil des Begrenzungsschichtbereiches die gleiche Zusammensetzung hat. Dies wird das epitaktische Wachstum erleichtem.
Wie oben beschrieben zeigen die Halbleiterlaser entsprechend der ersten bis fünften Ausführungsformen eine gute Hitzeableitungsleistungsfähigkeit, da sie Licht und Strom durch eine Struktur einschließen, die nur aus Halbleitermaterialien gefertigt ist. Der transversale Einzelmodenbetrieb kann leicht mit Hilfe der Index-antigeführten Struktur erhalten werden. Durch Änderung der Dicke und Zusammensetzung der AlGaInP- Basisschicht des oberen Begrenzungsschichtbereiches, die einen Al-Anteil hat, der kleiner ist als der des AlGaInP des hervorstehenden Streifens, kann der optische Einschluß sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung geregelt werden.

Claims

1. Ein Halbleiterlaser, der folgendes umfaßt:

ein GaAs-Substrat;

einen aktiven Bereich (115), der eine aktive Quantentrogschicht (7,107) umfaßt, die eine Bandlücke hat, die kleiner ist als die von GaAs; und

einen oberen Begrenzungsschichtbereich, der eine erste Begrenzungsschicht (111) vom p-Typ umfaßt, der auf dem aktiven Bereich (115) angeordnet ist und im wesentlichen gitterangepaßt mit dem GaAs-Substrat ist;

dadurch gekennzeichnet, daß

die erste Begrenzungsschicht (111) aus

(AlxGa1-x)0,5In0,5P (0,5 ≤ x ≤ 1) gemacht ist, und

der Halbleiterlaser weiterhin einen hervorstehenden Streifen (121) zur Stromeinkopplung umfaßt, der oberhalb der ersten Begrenzungsschicht (111) angeordnet ist und eine zweite Begrenzungsschicht (113) aus (AlyGa1-y)0,5In0,5P (0 < y < x) umfaßt, die einen Al-Anteil y hat, der kleiner ist als der Al-Anteil x der ersten Begrenzungsschicht (111), und

eine Lichtdiffusionsschicht (132) aus (AlzGa1-z)0,5In0,5P (O ≤ z < y), die auf der ersten Begrenzungsschicht (111) benachbart zu dem hervorstehenden Streifen (121) gebildet ist, wobei die Lichtdiffusionsschicht (132) einen Al-Anteil z hat, der kleiner ist als der Al-Anteil y der zweiten Begrenzungsschicht (113) und Null miteinschließt, umfaßt,

wobei die erste Begrenzungsschicht (111) eine solche Dicke hat, daß das Licht der Laserschwingung in die Lichtdiffusionsschicht (132) entweichen kann, um einen Halbleiterlaser vom Index-antigeführten Typ zu bilden.

2. Ein Halbleiterlaser nach Anspruch 1, worin die Differenz zwischen dem Al-Anteil y der zweiten Begrenzungsschicht (113) und den Al-Anteil z der Lichtdiffusionsschicht im Bereich von 0,1 bis 0,4 ist.

3. Ein Halbleiterlaser nach Anspruch 2, worin der Al-Anteil z der Lichtdiffusionsschicht (132) nicht größer als 0,2 ist.

4. Ein Halbleiterlaser nach Anspruch 1, der weiterhin zumindest eine GaAs-Schicht (130) oder eine GaAsP-Schicht (131) zwischen der Lichtdiffusionsschicht (132) und der ersten Begrenzungsschicht (111) und zwischen der Lichtdiffusionsschicht (132) und dem hervorstehenden Streifen (121) umfaßt.

5. Ein Halbleiterlaser nach Anspruch 1, worin die longitudinalen Endoberflächen (121a,121b) des hervorstehenden Streifens (121), welche parallel zu den Laserfacetten (152,153) sind, von den jeweiligen Laserfacetten (152,153) beabstandet sind und die Lichtdiffusionsschicht (132) sich so erstreckt, daß sie die Bereiche zwischen den longitudinalen Endoberflächen (121a,121b) des hervorstehenden Streifens (121) und den Laserfacetten (152,153) ausfüllt.