DE102010002972B4

DE102010002972B4 - Halbleiterlaserstruktur

Info

Publication number: DE102010002972B4
Application number: DE102010002972.6A
Authority: DE
Inventors: Noriyuki Matsushita; Hitoshi Yamada
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2009-03-19
Filing date: 2010-03-17
Publication date: 2017-08-03
Anticipated expiration: 2030-03-18
Also published as: JP2010225657A; US20100238964A1; JP5091177B2; DE102010002972A1

Abstract

Halbleiterlaserstruktur mit:
einer Mehrzahl von Laserstruktureinheiten (15, 16), wobei jede Laserstruktureinheit (15, 16) eine Deckschicht (2, 8) vom N-Leitfähigkeitstyp, eine Lichtemissionsschicht (17, 18) und eine Deckschicht (6, 12) vom P-Leitfähigkeitstyp aufweist, welche in dieser Reihenfolge aufeinander gestapelt sind; und
einer Tunnelübergangsschicht (7), welche zwischen zwei benachbarten Laserstruktureinheiten angeordnet ist, wobei
die Tunnelübergangsschicht (7) eine Schicht (7a) vom P-Leitfähigkeitstyp und eine Schicht (7b) vom N-Leitfähigkeitstyp aufweist;
die Schicht (7a) vom P-Leitfähigkeitstyp Zink als Dotierstoff aufweist; und
die Schicht (7b) vom N-Leitfähigkeitstyp ein Element der Gruppe VI als Dotierstoff aufweist;
das Produkt der Ladungsträgerkonzentration der Schicht (7a) vom P-Leitfähigkeitstyp und der Ladungsträgerkonzentration der Schicht (7b) vom N-Leitfähigkeitstyp gleich oder größer als 1 × 10³⁶ cm^–6 ist; und
die Dotierstoffkonzentration der Schicht (7b) vom N-Leitfähigkeitstyp gleich oder größer als 2 × 10¹⁷ cm^–3 und kleiner als 5 × 10¹⁸ cm^–3 ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiterlaserstruktur.
Wenn eine Halbleiterlaservorrichtung für eine Vorrichtung, beispielsweise eine Laserradarvorrichtung verwendet wird, um gemäß einem hohen gepulsten Strom eine hohe Leistung zu erzeugen, wird gemäß beigefügter 7 eine Mehrzahl von Laserstruktureinheiten 101, 103 auf eine Aufwachsoberfläche eines Substrats 105 in vertikaler Richtung des Substrats 105 gestapelt. Eine erste Laserstruktureinheit 101 enthält eine Deckschicht 107 vom N-Leitfähigkeitstyp, eine Lichtemissionsschicht 109 und eine Deckschicht 111 des P-Leitfähigkeitstyps, die in dieser Reihenfolge aufeinander gestapelt sind. Die zweite Laserstruktureinheit 103 enthält eine Deckschicht 113 des N-Leitfähigkeitstyps, eine Lichtemissionsschicht 115 und eine Deckschicht 117 des P-Leitfähigkeitstyps, die in dieser Reihenfolge aufeinander gestapelt sind.
Die Deckschicht 111 des P-Leitfähigkeitstyps in der ersten Laserstruktureinheit 101 liegt benachbart der Deckschicht 113 des N-Leitfähigkeitstyps in der zweiten Laserstruktureinheit 103. Wenn somit die Laservorrichtung arbeitet, wird eine Sperrvorspannung an einer Grenzfläche zwischen den ersten und zweiten Laserstruktureinheiten 101, 103 angelegt, sodass die Vorrichtung hohen Widerstand liefert.
Angesichts hiervon wird gemäß 8 eine Tunnelübergangsschicht 119 an der Grenze zwischen den ersten und zweiten Laserstruktureinheiten 101, 103 ausgebildet, sodass der Widerstand in der Vorrichtung verringert wird. Die Tunnelübergangsschicht 119 besteht aus einer Schicht 121 des P-Leitfähigkeitstyps und einer Schicht 123 des N-Leitfähigkeitstyps. Jede Schicht 121 und 123 hat eine Dicke von einigen -zig Nanometern.
Um den Widerstand wirksam zu verringern, werden Verunreinigungen mit hoher Verunreinigungskonzentration in die Schicht 121 des P-Leitfähigkeitstyps bzw. die Schicht 123 des N-Leitfähigkeitstyps eindotiert. Weiterhin ist es notwendig, eine Diffusion der Dotierungsstoffe in der Schicht 121 des P-Leitfähigkeitstyps und der Schicht 123 des N-Leitfähigkeitstyps einzuschränken.
Ein Dotand oder Dotierungsstoff für eine Halbleiterlaservorrichtung mit einem Substrat aus GaAs oder InP hat für gewöhnlich eine hohe Diffusionsrate. Somit ist es schwierig, die Diffusion von Dotierstoffen zu beschränken. Wenn die Diffusion von Dotierstoffen nicht beschränkt wird, nimmt jedoch der Widerstand der Vorrichtung zu. Im Ergebnis kann eine Treiberspannung ansteigen, die Lumineszenzeffizienz wird aufgrund von in der Vorrichtung erzeugter Wärme verringert und/oder die Zuverlässigkeit sinkt. Wenn somit die Halbleiterlaservorrichtung aus beispielsweise einem GaAs-Material gebildet wird, ist ein Dotierstoff vom P-Leitfähigkeitstyp in der Tunnelübergangsschicht 119 Kohlenstoff mit vergleichsweise kleiner Diffusionsrate. Diese Technik wurde bereits in einer Anzahl von Veröffentlichungen beschrieben.
Wenn bei obiger Technik der Dotierstoff vom P-Leitfähigkeitstyp in der Tunnelübergangsschicht Kohlenstoff ist, wird die Kristallinität einer Schicht, welche die Laserstruktur bildet, verringert. Wenn die Halbleiterlaserstruktur durch ein MOCVD-Verfahren (Metal Organic Chemical Vapor Deposition Method) gebildet wird, wird das Kohlenstoffmaterial als halogenierter Kohlenstoff bereitgestellt, beispielsweise in Form von CCl₄ oder CBr₄. Der halogenierte Kohlenstoff erzeugt Halogenwasserstoff, der ätzend wirkt, nachdem der halogenierte Kohlenstoff sich zersetzt hat. Die Kristallinität der Laserstruktur wird somit verringert. Weiterhin, wenn die Vorrichtung unter Verwendung des Substrats aus InP gebildet wird, ist es unmöglich, Kohlenstoff in die Tunnelübergangsschicht mit hoher Verunreinigungskonzentration einzudotieren.
Ein anderes Verfahren zur Beschränkung der Diffusion von Dotierstoffen ist in der JP 2008-47627 A beschrieben, wo Halbleiterlaserstrukturen auf Substraten unterschiedlicher Leitfähigkeitstypen gebildet werden und dann die Substrate aneinander geheftet werden.
Hiermit wird das Herstellungsverfahren für eine Halbleiterlaserstruktur kompliziert.
Weiterer relevanter Stand der Technik ist bekannt aus der DE 10 2006 061 532 A1 , der US 2004/0 161 013 A1 , der US 5 212 706 A und der US 2006/0 233 213 A1 .
Angesichts der obigen Probleme ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleiterlaserstruktur mit geringem Widerstand und hoher Kristallinität zu schaffen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist demnach eine Halbleiterlaserstruktur auf: eine Mehrzahl von Laserstruktureinheiten, wobei jede Laserstruktureinheit eine Deckschicht des N-Leitfähigkeitstyps, eine Lichtemissionsschicht und eine Deckschicht des P-Leitfähigkeitstyps, die in dieser Reihenfolge aufeinander gestapelt sind; und eine Tunnelübergangsschicht aufweist, welche zwischen zwei benachbarten Laserstruktureinheiten angeordnet ist. Die Tunnelübergangsschicht enthält eine Schicht vom P-Leitfähigkeitstyp und eine Schicht vom N-Leitfähigkeitstyp. Die Schicht vom P-Leitfähigkeitstyp enthält Zink als Dotierstoff oder Dotand. Die Schicht vom N-Leitfähigkeitstyp enthält als Dotand oder Dotierstoff ein Element der Gruppe IV.
Da die Dotierstoffe in der Schicht vom P-Leitfähigkeitstyp und der Schicht vom N-Leitfähigkeitstyp daran gehindert sind, in andere Schichten zu diffundieren, wird eine hohe Dotierstoffkonzentration in den Schichten vom P-Leitfähigkeitstyp und vom N-Leitfähigkeitstyp aufrechterhalten. Im Ergebnis ist der Widerstand der Halbleiterlaserstruktur unter Verwendung der Tunnelübergangsschicht verringert. Da weiterhin der Dotierstoff vom P-Leitfähigkeitstyp nach seiner Zersetzung keine ätzende Wirkung hat, wird die Kristallinität nicht verringert. Das Herstellungsverfahren für die Laserstruktur ist demnach einfach.
Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich besser aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
Es zeigt:
1 in Querschnittsdarstellung eine Halbleiterlaserstruktur;
2 in Querschnittsdarstellung eine Halbleiterlaserstruktur gemäß einer ersten exemplarischen Ausführungsform;
3 in einer Grafik ein Konzentrationsprofil von Zn in der Schicht vom P-Leitfähigkeitstyp und der Schicht vom N-Leitfähigkeitstyp;
4 in einer Grafik eine Beziehung zwischen Widerstand und Ladungsträgerkonzentration in der Schicht vom P-Leitfähigkeitstyp und der Schicht vom N-Leitfähigkeitstyp;
5 in einer Grafik eine Beziehung zwischen der Konzentration von Se-Dotierstoff in der Schicht vom N-Leitfähigkeitstyp und einer Oberflächenrauigkeit;
6 in einer Querschnittsdarstellung eine Halbleiterlaserstruktur gemäß einer zweiten exemplarischen Ausführungsform;
7 in einer Querschnittsdarstellung eine Halbleiterlaserstruktur ohne Tunnelübergangsschicht;
8 in einer Querschnittsdarstellung eine Halbleiterlaserstruktur mit einer Tunnelübergangsschicht;
9 tabellarisch Material, Dicke, Ladungsträgerkonzentration und Dotierstoff einer jeden Schicht in der Halbleiterlaserstruktur gemäß der ersten exemplarischen Ausführungsform; und
10 tabellarisch Material, Dicke, Ladungsträgerkonzentration und Dotierstoff einer jeden Schicht in der Halbleiterlaserstruktur gemäß der zweiten exemplarischen Ausführungsform.
Eine Halbleiterlaserstruktur 14 gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung umfasst eine Mehrzahl von Laserstruktureinheiten 15. Jede Einheit 15 enthält eine Deckschicht 2 vom N-Leitfähigkeitstyp (nachfolgend als ”N-Deckschicht 2” bezeichnet), eine Lichtemissionsschicht 17 und eine Deckschicht 6 vom P-Leitähigkeitstyp (nachfolgend als ”P-Deckschicht 6” bezeichnet), die in dieser Reihenfolge aufeinander gestapelt sind. Eine Tunnelübergangsschicht 7 liegt benachbart den beiden Laserstruktureinheiten 15. Die Tunnelübergangsschicht 7 enthält eine Schicht 7a vom P-Leitfähigkeitstyp (”P-Schicht 7a”) mit Zn (Zink) als Dotand oder Dotierstoff und eine Schicht 7b des N-Leitfähig-keitstyps (”N-Schicht 7b”) mit einem Dotand oder Dotierstoff aus einem Element der Gruppe VI, beispielsweise Se (Selen).
Da somit der Dotierstoff in der P-Schicht 7a Zn ist und der Dotierstoff der N-Schicht 7b ein Element der Gruppe VI ist, ist eine Diffusion in andere Schichten der Dotierstoffe in der P-Schicht 7a und der N-Schicht 7b begrenzt. Insbesondere wird üblicherweise angenommen, dass Zink leicht diffundiert, obgleich Zink eine hohe Dotiereffizienz und eine hohe Aktivierungsrate hat. Wenn jedoch die Laserstruktur 14 den obigen Aufbau hat, ist das Zink daran gehindert oder stark eingeschränkt, in die N-Schicht 7b zu diffundieren.
Da die Dotierstoffe der P-Schicht 7a und der N-Schicht 7b daran gehindert sind, in andere Schichten zu diffundieren, wird eine hohe Konzentration der Dotierstoffe in der P-Schicht 7a und der N-Schicht 7b beibehalten. Im Ergebnis ist der (elektrische) Widerstand der Halbleiterlaserstruktur 14 unter Verwendung der Tunnelübergangsschicht 7 verringert.
Da der Widerstand der Laserstruktur 14 unter Verwendung der Tunnelübergangsschicht 7 verringert ist, sind ein Anstieg einer Treiberspannung, eine Verringerung der Lumineszenzleistung und der Zuverlässigkeit aufgrund von Wärmeerzeugung in der Laserstruktur 14 begrenzt.
Da der Dotierstoff vom P-Leitfähigkeitstyp kein Kohlenstoff ist, wird auch die Kristallinität nicht verringert. Es entfällt auch, dass Kohlenstoff als Dotierstoff nach der Zersetzung eine Ätzwirkung hat.
Jede Schicht in der Laserstruktur 14 kann alleine durch eine metallorganische chemische Dampfabscheidung (MOCVD) gebildet werden. Somit kann eine Dotierstoffkonzentration in der Tunnelübergangsschicht 7 erhöht werden, ohne dass irgendwelche Mittel zur Diffusionsbegrenzung oder Diffusionseinschränkung vorhanden sein müssen. Besagte Mittel zur Beschränkung der Diffusion wären beispielsweise ein anderes Kristallaufwachsverfahren oder ein Ionenimplantationsverfahren. Das Herstellungsverfahren für die Laserstruktur 14 wird somit im Vergleich zu einem komplizierten Herstellungsverfahren etwa gemäß der JP 2008-47627 A einfacher.
Ein Element der Gruppe VI ist beispielsweise S (Schwefel), Se (Selen), Te (Tellur) etc. Es ist bevorzugt, Se zu verwenden, da Se einfach zu handhaben ist, eine hohe Dotiereffizienz hat und auch eine hohe Aktivierungsrate besitzt.
Erfindungsgemäß ist das Produkt aus Ladungsträgerkonzentration in der P-Schicht 7a und Ladungsträgerkonzentration in der N-Schicht 7B gleich oder höher als 1 × 10³⁶ cm^–6. In diesem Fall wird der Widerstand an der Tunnelübergangsschicht 7 wesentlich verringert. Die Ladungsträgerkonzentration kann beispielsweise durch ein Hall-Messverfahren oder ein CV-Messverfahren ermittelt werden.
Die Dotierstoffkonzentration in der N-Schicht 7b liegt erfindungsgemäß in einem Bereich zwischen 2 × 10¹⁷ cm^–3 und 5 × 10¹⁸ cm^–3. Wenn die Dotierstoffkonzentration der N-Schicht 7b gleich oder höher als 2 × 10¹⁷ cm^–3 ist, wird der Dotierstoff, d. h. beispielsweise Zn in der P-Schicht 7a wirksam daran gehindert, in die N-Schicht 7b zu diffundieren. Wenn die Dotierstoffkonzentration in der N-Schicht 7b gleich oder niedriger als 5 × 10¹⁸ cm^–3 ist, wird die Kristallinität der N-Schicht 7b und anderer Schichten, die über der N-Schicht 7b liegen, verbessert. Die Dotierstoffkonzentration wird beispielsweise durch SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometer) gemessen.
Die Tunnelübergangsschicht 7 kann Indium enthalten. Es ist schwierig, Kohlenstoff als Dotierstoff des P-Typs in einem Kristall anzuwenden, der Indium enthält. Somit ist es notwendig, Zn als P-Dotierstoff in einem Indium enthaltenden Kristall zu verwenden. Üblicherweise kann davon ausgegangen werden, dass Zn in einem Indium enthaltenden Kristall leicht diffundiert. Wenn jedoch die Laserstruktur 14 den obigen Aufbau hat, wird das Zn an einer Diffusion gehindert oder wesentlich eingeschränkt.
Die Laserstruktur kann ein Substrat aus InP enthalten. In diesem Fall ist es mit Blick auf die Gitterkonstante bevorzugt, wenn die Tunnelübergangsschicht 7 einen Kristall aus In enthält, beispielsweise InGaAs, InGaAsP oder AlGaInAs.
Die Dicke sowohl der N-Schicht 7b als auch der P-Schicht 7a ist bevorzugt gleich oder größer als 20 Nanometer. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass die Diffusionslänge sowohl von Zn als auch einem Element der Gruppe VI gleich oder kleiner als 20 Nanometer ist (SIMS-Ergebnis). Insbesondere wenn das Produkt aus Ladungsträgerkonzentration in der P-Schicht 7a und der Ladungsträgerkonzentration in der N-Schicht 7b gleich oder größer als 1 × 10³⁶ cm^–6 ist, ist die Diffusionslänge sowohl von Zn als auch eines Elements der Gruppe VI gleich oder kleiner als 20 Nanometer. Wenn somit die Dicke sowohl der N-Schicht 7b als auch der P-Schicht 7a bevorzugt gleich oder größer als 20 Nanometer gemacht wird, ist die Diffusion des Elements der Gruppe VI aus der N-Schicht 7b in die P-Schicht 7a und die Diffusion von Zn aus der P-Schicht 7a in die N-Schicht 7b ausreichend eingeschränkt. Eine Verringerung des Widerstands unter Verwendung der Tunnelübergangsschicht 7 kann somit wirksam erfolgen.
Die Anzahl von Laserstruktureinheiten 15 ist bevorzugt gleich oder größer als zwei.
<Erste beispielhafte Ausführungsform>
2 zeigt eine Laserstruktur 14 gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform. Die Struktur 14 umfasst ein Substrat 1 aus InP vom N-Leitfähigkeitstyp, eine Deckschicht 2 vom N-Leitfähigkeitstyp (”N-Deckschicht 2”), eine Wellenleiterschicht 3 vom N-Leitfähigkeitstyp (”N-Wellenleiterschicht 3”), eine aktive Mehrfach-Quantum-Well-Schicht 4 (”aktive Schicht 4”), eine Wellenleiterschicht 5 vom P-Leitfähigkeitstyp (”P-Wellenleiterschicht 5”), eine Deckschicht 6 vom P-Leitfähigkeitstyp (”P-Deckschicht 6”), eine Schicht 7a vom P-Leitfähigkeitstyp (”P-Schicht 7a”), eine Schicht 7b vom N-Leitfähigkeitstyp (”N-Schicht 7b”), eine Deckschicht 8 vom N-Leitfähigkeitstyp (”N-Deckschicht 8”), eine Wellenleiterschicht 9 vom N-Leitfähigkeitstyp (”N-Wellenleiterschicht 9”), eine aktive Multiple-Quantum-Well-Schicht 10 (”aktive Schicht 10”), eine Wellenleiterschicht 11 vom P-Leitfähigkeitstyp (”P-Wellenleiterschicht 11”), eine Deckschicht 12 vom P-Leitfähigkeitstyp (”P-Deckschicht 12”) und eine Kontaktschicht 13 vom P-Leitfähigkeitstyp (”P-Kontaktschicht 13”), die in dieser Reihenfolge aufeinander gestapelt sind. Jede Schicht wird durch ein übliches MOVCD-Verfahren gebildet. Die Substrattemperatur im Aufwachsprozess liegt in einem Bereich zwischen 550°C und 800°C.
Zusammensetzung, Dicke, Ladungsträgerkonzentration und Dotierstoff in jeder Schicht sind in der Übersicht von 9 dargestellt.
Die N-Deckschicht 2, die N-Wellenleiterschicht 3, die aktive Schicht 4, die P-Wellenleiterschicht 5 und die P-Deckschicht 6 bilden eine Laserstruktureinheit 15. Die N-Deckschicht 8, die N-Wellenleiterschicht 9, die aktive Schicht 10, die P-Wellenleiterschicht 11 und die P-Deckschicht 12 bilden eine weitere Laserstruktureinheit 16. Die P-Schicht 7a und die N-Schicht 7b bilden eine Tunnelübergangsschicht 7. Die N-Wellenleiterschicht 3, die aktive Schicht 4 und die P-Wellenleiterschicht 5 liefern eine Lichtemissionsschicht 17. Die N-Wellenleiterschicht 9, die aktive Schicht 10 und die P-Wellenleiterschicht 11 liefern eine weitere Lichtemissionsschicht 18. Somit ist die Halbleiterlaserstruktur 14 eine Halbleiterlaserstruktur vom Stapeltyp, welche zwei Laserstruktureinheiten 15 und 16 aufweist, die in einer Richtung senkrecht zum Substrat 1 aufeinander gesetzt sind.
Die Struktur 14 kann eine Halbleiterlaservorrichtung bilden. Zunächst wird ein Oxidfilm aus SiO₂ auf der Kontaktschicht 13 ausgebildet und gemustert. Eine Elektrode aus Cr/Pt/Au wird auf dem Oxidfilm ausgebildet. Weiterhin wird eine Rückseite des Substrats 1 poliert, sodass die Dicke des Substrats 1 120 Mikrometer beträgt. Eine weitere Elektrode aus Au-Ge/Ni/Au wird auf der polierten Oberfläche des Substrats 1 gebildet. Es erfolgt eine thermische Behandlung bei 360°C für eine Minute, sodass ein elektrischer Kontakt zwischen jeder Elektrode und der Halbleiterlaserstruktur 14 stabilisiert wird.
Nachfolgend wird das Substrat 1 in Rechtecke mit einer Breite von 500 Mikrometer durch ein geeignetes Spaltverfahren geschnitten, um einen Resonator zu bilden. Eine Schicht geringer Reflektivität, welche einen niederen Reflexionsgrad für die emittierte Laserwellenlänge hat, wird auf einer Seite des Rechtecks ausgebildet und eine Schicht hoher Reflektivität mit einem hohen Reflexionsgrad für die emittierte Laserwellenlänge wird an der anderen Seite des Rechtecks ausgebildet. Die Schichten niedriger und hoher Reflektivität werden beispielsweise aus Al₂O₃ und a-Si gefertigt. Die Abmessungen des Rechtecks werden dann auf bestimmte Abmessungen für einen Chip gebracht. Die Halbleiterlaservorrichtung ist damit fertig gestellt.
In obiger Ausführungsform wird eine Wachstums- oder Aufwachsschicht aus einer InP-Schicht, einer AlGaInAs-Schicht und einer InGaAs-Schicht auf dem Substrat 1 ausgebildet, das aus InP vom N-Leitfähigkeitstyp ist. Alternativ kann das Substrat aus GaAs vom N-Leitfähigkeitstyp sein. Alternativ kann eine Wachstums- oder Aufwachsschicht aus einer GaAs-Schicht, einer AlGaAs-Schicht, einer InGaP-Schicht, einer InGaAsP-Schicht und einer AlGalnP-Schicht auf einem InP- oder GaAs-Substrat gebildet werden. Die Struktur 14 enthält zwei Einheiten 15 und 16. Alternativ kann die Struktur 14 auch drei oder mehr Einheiten aufweisen. In diesem Fall sind eine oder mehrere Tunnelübergangsschichten 7 und eine oder mehrere Laserstruktureinheiten mit dem gleichen Aufbau wie die Einheit 16 zwischen der Einheit 16 und der Kontaktschicht 13 angeordnet.
Materialien für jedes Kristallelement in jeder Schicht sind beispielsweise Trimethyl-Gallium oder Triethyl-Gallium zur Bereitstellung von Ga, Trimethyl-Aluminium oder Triethyl-Aluminium für Al, Trimethyl-Indium oder Triethyl-Indium für In und Trimethyl-Zink oder Triethyl-Zink für Zn. Materialien zur Bereitstellung von As sind beispielsweise AsH₃ (Arsin). Materialien zur Bereitstellung von P sind beispielsweise PH₃ (Phosphin). Materialien zur Bereitstellung von Se sind beispielsweise H₂Se (Hydrogenselenid).
Ein Konzentrationsprofil von Zn in der P-Schicht 7a und der N-Schicht 7b in Tiefenrichtung wird durch ein SIMS-Verfahren gemessen. Hierbei ist Zn ein Dotierstoff in der P-Schicht 7a. Weiterhin hat eine andere Struktur als eine Vergleichsstruktur den gleichen Aufbau wie die Laserstruktur 14, jedoch eine N-Schicht 7b mit Si als Dotierstoff und ein Konzentrationsprofil von Zn in der P-Schicht 7a und der N-Schicht 7b in Tiefenrichtung wird durch ein SIMS-Verfahren gemessen. Die Dotierstoffkonzentration von Si in der anderen Struktur beträgt 5 × 10¹⁷ cm^–3. Hierbei hat die Struktur 14 die N-Schicht 7b mit dem Dotierstoff Si. Das Ergebnis ist in 3 gezeigt.
Wenn gemäß 3 der Dotierstoff in der N-Schicht 7b Se ist, d. h. im Fall der Struktur 14, ist eine Diffusion von Zn in die N-Schicht 7b merklich beschränkt. Wenn jedoch der Dotierstoff in der N-Schicht 7b Si ist, d. h. im Fall der anderen Struktur, erfolgt eine merkliche Diffusion von Zn in die N-Schicht 7b. Somit begrenzt oder behindert die Laserstruktur 14 die Diffusion des Dotierstoffs aus der P-Schicht 7a in andere Schichten und der Widerstand der Struktur 14 ist wesentlich verringert.
Verschiedene Halbleiterlaserstrukturen mit annähernd gleichem Aufbau wie die Struktur 14 wurden so hergestellt, dass die Ladungsträgerkonzentration in der N-Schicht 7a und die Ladungsträgerkonzentration in der P-Schicht 7b geändert wurden. 4 zeigt ein Ergebnis. In 4 ist eine Kombination der Ladungsträgerkonzentration in der N-Schicht 7a und der Ladungsträgerkonzentration in der P-Schicht 7b als ein Kreis O oder ein Kreuz X gezeigt. Der Widerstand einer jeden Laserstruktur wurde gemessen. Wenn der Widerstand der Struktur annähernd gleich dem Widerstand der Struktur gemäß IV ist, ist ein Kreis eingezeichnet. Wenn der Widerstand der Struktur zehnmal gleich oder größer als der Widerstand der Struktur gemäß IV ist, ist das Kreuz X eingezeichnet. Wenn hierbei der Widerstand der Struktur zehnmal gleich oder größer als der Widerstand der Struktur gemäß IV ist, ist der Widerstand der Struktur annähernd gleich der Struktur ohne Tunnelübergangsschicht 7. Wenn gemäß 4 das Produkt der Ladungsträgerkonzentration der P-Schicht 7a und der Ladungsträgerkonzentration der N-Schicht 7b gleich oder größer als 1 × 10³⁶ cm^–6 ist, ist der Widerstand der Struktur ausreichend klein.
Verschiedene Halbleiterlaserstrukturen mit annähernd dem gleichen Aufbau wie die Struktur 14 werden so hergestellt, dass die Konzentration von Se als Dotierstoff in der N-Schicht 7b geändert wird, wie in 5 gezeigt. Wenn die N-Schicht 7b vollständig ausgebildet worden ist, wird die Oberflächenrauigkeit der N-Schicht 7b mittels AFM (Atomkraftmikroskop) gemessen. 5 zeigt das Ergebnis. Wenn die Konzentration von Se-Dotierstoff in der N-Schicht 7b kleiner als 5 × 10¹⁸ cm^–3 ist, ist die Oberflächenrauigkeit ausreichend gering. Allgemein gesagt, wenn eine ausgezeichnete Kristallinität vorliegt, ist die Oberflächenrauigkeit klein. Somit zeigt das Ergebnis von 5, dass die Kristallinität der N-Schicht 7b und der über der N-Schicht 7b ausgebildeten Schichten ausgezeichnet ist, wenn die Konzentration von Se als Dotierstoff in der N-Schicht 7b kleiner als 5 × 10¹⁸ cm^–3 ist.
<Zweite exemplarische Ausführungsform>
6 zeigt eine Lasterstruktur 14 gemäß einer zweiten exemplarischen Ausführungsform. Die Struktur 14 umfasst ein Substrat 1 aus GaAs vom N-Leitfähigkeitstyp, eine Deckschicht 2 vom N-Leitfähigkeitstyp (”N-Deckschicht 2”), eine Wellenleiterschicht 3 vom N-Leitfähigkeitstyp (”N-Wellenleiterschicht 3”), eine aktive Multiple-Quantum-Well-Schicht 4 (”aktive Schicht 4”), eine Wellenleiterschicht 5 vom P-Leitfähigkeitstyp (”P-Wellenleiterschicht 5”), eine Deckschicht 6 vom P-Leitfähigkeitstyp (”P-Deckschicht 6”), eine Schicht 7a vom P-Leitfähigkeitstyp (”P-Schicht 7a”), eine Schicht 7b vom N-Leitfähigkeitstyp (”N-Schicht 7b”), eine Deckschicht 8 vom N-Leitfähigkeitstyp (”N-Deckschicht 8”), eine Wellenleiterschicht 9 vom N-Leitfähigkeitstyp (”N-Wellenleiterschicht 9”), eine aktive Multiple-Quantum-Well-Schicht 10 (”aktive Schicht 10”), eine Wellenleiterschicht 11 vom P-Leitfähigkeitstyp (”P-Wellenleiterschicht 11”), eine Deckschicht 12 vom P-Leitfähigkeitstyp (”P-Deckschicht 12”) und eine Kontaktschicht 13 vom P-Leitfähigkeitstyp (”P-Kontaktschicht 13”), die in dieser Reihenfolge aufeinander gestapelt sind. Jede der Schichten wird durch ein übliches MOVCD-Verfahren ausgebildet. Die Substrattemperatur beim Aufwachsprozess liegt in einem Bereich zwischen 550°C und 800°C.
Zusammensetzung, Dicke, Ladungsträgerkonzentration und Dotand oder Dotierstoff in jeder Schicht sind in 10 tabellarisch zusammengefasst.
Die N-Deckschicht 2, die N-Wellenleiterschicht 3, die aktive Schicht 4, die P-Wellenleiterschicht 5 und die P-Deckschicht 6 bilden eine Laserstruktureinheit 15. Die N-Deckschicht 8, die N-Wellenleiterschicht 9, die aktive Schicht 10, die P-Wellenleiterschicht 11 und die P-Deckschicht 12 bilden eine andere Laserstruktureinheit 16. Die P-Schicht 7a und die N-Schicht 7b bilden eine Tunnelübergangsschicht 7. Die N-Wellenleiterschicht 3, die aktive Schicht 4 und die P-Wellenleiterschicht 5 liefern eine Lichtemissionsschicht 17. Die N-Wellenleiterschicht 9, die aktive Schicht 10 und die P-Wellenleiterschicht 11 liefern eine andere Lichtemissionsschicht 18. Somit ist die Halbleiterlaserstruktur 14 eine Halbleiterlaserstruktur vom Stapeltyp mit zwei Laserstruktureinheiten 15 und 16, die in einer Richtung senkrecht zum Substrat 1 aufeinander gestapelt sind.
Die Struktur 14 schafft eine Halbleiterlaservorrichtung. Zunächst wird ein Oxidfilm aus SiO₂ auf der Kontaktschicht 13 ausgebildet und gemustert. Dann wird eine Elektrode aus Cr/Pt/Au auf dem Oxidfilm gebildet. Weiterhin wird eine Rückseite des Substrats 1 poliert, sodass die Dicke des Substrats 1 gleich 120 Mikrometer wird. Eine andere Elektrode aus Au-Ge/Ni/Au wird auf einer polierten Oberfläche des Substrats 1 ausgebildet. Weiterhin wird zwei Minuten lang bei 360°C eine thermische Behandlung durchgeführt, sodass der elektrische Kontakt zwischen jeder Elektrode und der Halbleiterlaserstruktur 14 stabilisiert wird.
Nachfolgend wird das Substrat 1 mit einem geeigneten Verfahren in Rechtecke einer Breite von 500 Mikrometer geschnitten, um einen Resonator zu bilden. Eine Schicht niedriger Reflektivität, welche für eine emittierte Laserwellenlänge geringes Reflexionsvermögen hat, wird auf einer Seite des Rechtecks ausgebildet und eine Schicht hoher Reflektivität, welche für einen Laserstrahl hohes Reflexionsvermögen hat, wird auf der anderen Seite des Rechtecks ausgebildet. Die Schichten mit niedriger und hoher Reflektivität werden beispielsweise aus Al₂O₃ und a-Si gebildet. Dann werden die Abmessungen des Rechtecks auf bestimmte Abmessungen für einen Chip gebracht. Damit ist die Halbleiterlaservorrichtung fertig gestellt.
Bei obiger Ausführungsform wird eine Wachstumsschicht aus einer GaAs-Schicht ausgebildet und eine AlGaAs-Schicht wird auf dem Substrat 1 ausgebildet, welches aus GaAs vom N-Leitfähigkeitstyp ist. Alternativ kann das Substrat aus InP sein. Alternativ kann eine Wachstumsschicht in Form einer InP-Schicht, einer InGaAs-Schicht, einer InGaP-Schicht, einer InGaAsP-Schicht, einer AlGaInAs-Schicht und einer AlGaInP-Schicht auf einem Substrat aus InP oder GaAs gebildet werden. Die Struktur 14 enthält die beiden Einheiten 15 und 16. Alternativ kann die Struktur 14 drei oder mehr Einheiten enthalten. In diesem Fall wird eine oder werden mehrere Tunnelübergangsschichten 7 und eine oder mehrere Laserstruktureinheiten mit gleichem Aufbau wie die Einheit 16 zwischen der Einheit 16 und der Kontaktschicht 13 angeordnet.
Materialien zur Bereitstellung eines jeden Elements des Kristalls in jeder Schicht sind beispielsweise Trimethyl-Gallium oder Triethyl-Gallium zur Bereitstellung von Ga, Trimethyl-Aluminium oder Triethyl-Aluminium für Al und Dimethyl-Zink oder Diethyl-Zink für Zn. Materialien zur Bereitstellung von As sind beispielsweise AsH₃ (Arsin). Materialien zur Bereitstellung von Se sind beispielsweise H₂Se (Hydrogenselenid).
Die Laserstruktur 14 gemäß 6 hat im Wesentlichen gleiche Effekte und Wirkungsweise wie die Laserstruktur 14 von 2.
Insoweit zusammenfassend weist eine Halbleiterlaserstruktur demnach auf: eine Mehrzahl von Lasterstruktureinheiten, wobei jede Laserstruktureinheit eine Deckschicht vom N-Leitfähigkeitstyp, eine Lichtemissionsschicht und eine Deckschicht vom P-Leitfähigkeitstyp aufweist, welche in dieser Reihenfolge aufeinander gestapelt sind; eine Tunnelübergangsschicht ist zwischen zwei benachbarten Laserstruktureinheiten angeordnet. Die Tunnelübergangsschicht enthält eine Schicht vom P-Leitfähigkeitstyp und eine Schicht vom N-Leitfähigkeitstyp. Die Schicht vom P-Leitfähigkeitstyp enthält Zink als Dotierstoff. Die Schicht vom N-Leitfähigkeitstyp enthält ein Element der Gruppe VI als Dotierstoff.
Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen hiervon beschrieben; es versteht sich, dass die Erfindung jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist eine Vielzahl von Modifikationen und Abwandlungen möglich, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie er in den nachfolgenden Ansprüchen und deren Äquivalenten definiert ist.

Claims

Halbleiterlaserstruktur mit: einer Mehrzahl von Laserstruktureinheiten (15, 16), wobei jede Laserstruktureinheit (15, 16) eine Deckschicht (2, 8) vom N-Leitfähigkeitstyp, eine Lichtemissionsschicht (17, 18) und eine Deckschicht (6, 12) vom P-Leitfähigkeitstyp aufweist, welche in dieser Reihenfolge aufeinander gestapelt sind; und einer Tunnelübergangsschicht (7), welche zwischen zwei benachbarten Laserstruktureinheiten angeordnet ist, wobei die Tunnelübergangsschicht (7) eine Schicht (7a) vom P-Leitfähigkeitstyp und eine Schicht (7b) vom N-Leitfähigkeitstyp aufweist; die Schicht (7a) vom P-Leitfähigkeitstyp Zink als Dotierstoff aufweist; und die Schicht (7b) vom N-Leitfähigkeitstyp ein Element der Gruppe VI als Dotierstoff aufweist; das Produkt der Ladungsträgerkonzentration der Schicht (7a) vom P-Leitfähigkeitstyp und der Ladungsträgerkonzentration der Schicht (7b) vom N-Leitfähigkeitstyp gleich oder größer als 1 × 10³⁶ cm^–6 ist; und die Dotierstoffkonzentration der Schicht (7b) vom N-Leitfähigkeitstyp gleich oder größer als 2 × 10¹⁷ cm^–3 und kleiner als 5 × 10¹⁸ cm^–3 ist.
Halbleiterlaserstruktur nach Anspruch 1, wobei das Element der Gruppe VI Selen ist.
Halbleiterlaserstruktur nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Material der Tunnelübergangsschicht (7) Indium enthält.
Halbleiterlaserstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin mit einem Substrat (1) aus InP.
Halbleiterlaserstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Dicke der Schicht (7b) vom N-Leitfähigkeitstyp gleich oder größer als 20 Nanometer ist und die Dicke der Schicht (7a) vom P-Leitfähigkeitstyp gleich oder größer als 20 Nanometer ist.
Halbleiterlaserstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei jede Schicht (2, 6, 7, 8, 12, 17, 18) zur Bildung der Halbleiterlaserstruktur ein metallorganischer chemischer Dampfabscheidungsfilm (MOCVD-Film) ist.
Halbleiterlaserstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiterhin mit: einem Substrat (1) aus InP vom N-Leitfähigkeitstyp, wobei die Lichtemissionsschicht (17, 18) eine Wellenleiterschicht (3, 9) vom N-Leitfähigkeitstyp, eine aktive Multiple-Quantum-Well-Schicht (4, 10) und eine Wellenleiterschicht (5, 11) vom P-Leitfähigkeitstyp aufweist; die Schicht (7a) vom P-Leitfähigkeitstyp die Deckschicht (6, 12) vom P-Leitfähigkeitstyp kontaktiert; und die Schicht (7b) vom N-Leitfähigkeitstyp die Deckschicht (2, 8) vom N-Leitfähigkeitstyp kontaktiert.
Halbleiterlaserstruktur nach Anspruch 7, wobei die Deckschicht (2, 8) vom N-Leitfähigkeitstyp als Dotierstoff ein Element der Gruppe VI aufweist; die Wellenleiterschicht (3, 9) vom N-Leitfähigkeitstyp als Dotierstoff ein Element der Gruppe VI aufweist; die Wellenleiterschicht (5, 11) vom P-Leitfähigkeitstyp als Dotierstoff Zink aufweist; und die Deckschicht (6, 12) vom P-Leitfähigkeitstyp als Dotierstoff Zink aufweist.
Halbleiterlaserstruktur nach Anspruch 8, wobei die Deckschicht (2, 8) vom N-Leitfähigkeitstyp aus InP ist; die Wellenleiterschicht (3, 9) vom N-Leitfähigkeitstyp aus AlGaInAs ist; die aktive Multiple-Quantum-Well-Schicht (4, 10) aus AlGaInAs ist und zwei aufeinander gestapelte unterschiedliche Zusammensetzungsschichten enthält; die Wellenleiterschicht (5, 11) vom P-Leitfähigkeitstyp aus AlGaInAs ist; die Deckschicht (6, 12) vom P-Leitfähigkeitstyp aus InP ist; die Schicht (7a) vom P-Leitfähigkeitstyp aus InGaAs ist; und die Schicht (7b) vom N-Leitfähigkeitstyp aus InGaAs ist.
Halbleiterlaserstruktur nach einem der Ansprüche 1, 2, 5 und 6, weiterhin mit: einem Substrat (1) aus GaAs vom N-Leitfähigkeitstyp, wobei: die Lichtemissionsschicht (17, 18) eine Wellenleiterschicht (3, 9) vom N-Leitfähigkeitstyp, eine aktive Multiple-Quantum-Well-Schicht (4, 10) und eine Wellenleiterschicht (5, 11) vom P-Leitfähigkeitstyp aufweist; die Schicht (7a) vom P-Leitfähigkeitstyp die Deckschicht (6, 12) vom P-Leitfähigkeitstyp kontaktiert; und die Schicht (7b) vom N-Leitfähigkeitstyp die Deckschicht (2, 8) vom N-Leitfähigkeitstyp kontaktiert.
Halbleiterlaserstruktur nach Anspruch 10, wobei die Deckschicht (2, 8) vom N-Leitfähigkeitstyp als Dotierstoff ein Element der Gruppe VI enthält; die Wellenleiterschicht (3, 9) vom N-Leitfähigkeitstyp als Dotierstoff ein Element der Gruppe VI aufweist; die Wellenleiterschicht (5, 11) vom P-Leitfähigkeitstyp als Dotierstoff Zink aufweist; und die Deckschicht (6, 12) vom P-Leitfähigkeitstyp als Dotierstoff Zink aufweist.
Halbleiterlaserstruktur nach Anspruch 11, wobei die Deckschicht (2, 8) vom N-Leitfähigkeitstyp aus AlGaAs ist; die Wellenleiterschicht (3, 9) vom N-Leitfähigkeitstyp aus AlGaAs ist; die aktive Multiple-Quantum-Well-Schicht (4, 10) eine erste Schicht aus GaAs und eine zweite Schicht aus AlGaAs aufweist; die Wellenleiterschicht (5, 11) vom P-Leitfähigkeitstyp aus AlGaAs ist; die Deckschicht (6, 12) vom P-Leitfähigkeitstyp aus AlGaAs ist; die Schicht (7a) vom P-Leitfähigkeitstyp aus GaAs ist; und die Schicht (7b) vom N-Leitfähigkeitstyp aus GaAs ist.