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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Halbleiterlaser und insbesondere
randemittierende Laser, die auf GaN- oder anderen III-V-Materialsystemen
beruhen.
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Hintergrund
der Erfindung
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III-V-Materialien
wie GaN sind insbesondere bei der Konstruktion von Lasern und LEDs
im blauen und grünen
Wellenlängenbereich
nützlich.
Diese Laser werden typischerweise auf einem Saphirsubstrat aufgebracht.
Facetten in den GaN-Schichten stellen die Spiegel für die Enden
der Laserkavität
zur Verfügung.
Diese Facetten müssen
zueinander parallel sein und glatte Oberflächen aufweisen.
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Es
gibt zwei Techniken im Stand der Technik, um die Facetten herzustellen.
Die erste Technik umfaßt
ein Spalten der GaN-Schichten und des darunterliegenden Saphirsubstrats.
Die Gitterkonstanten des GaN und des Saphirs unterscheiden sich
um 13%. Außerdem
ist das Saphirsubstrat sehr hart. Daher liegt die Spaltebene nicht
immer präzise
senkrecht zu der Ebene der aktiven Schicht des Lasers. Dies führt zu Facetten,
die nicht perfekt parallel zueinander sind. Daher ist eine zusätzliche
Bearbeitung in Form von zeitaufwendigen Poliervorgängen notwendig,
um die Spaltfehler zu korrigieren. Zusätzlich muß vor dem Spalten das Saphirsubstrat
in dem Bereich, in dem die Spaltung stattfindet, ausgedünnt werden.
Der Vorgang des Ausdünnens
erhöht
auch die Kosten der Bearbeitung.
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Das
zweite Verfahren aus dem Stand der Technik umfaßt das Maskieren der GaN-Schichten und
ein reaktives Ionenätzen
der Säule,
um die Spiegelfacetten zu bilden. Unglücklicherweise weisen die Masken
oft kleine Fehler auf, die zu Riefen auf der Facettenoberfläche führen. Diese
Riefen bewirken, daß die
Spiegel optisch verlustreich sind.
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EP-A-1
171 143, welches ein Dokument nach Art. 54(3) EPÜ ist, offenbart einen randemittierenden
Laser, der unterliegende Masken zum Reduzieren von Versetzungen
aufweist. Der Laser umfaßt ein
Saphirsubstrat, eine erste GaN-Schicht, eine SiO2-Maske,
eine zweite GaN- Schicht
und eine Insel, die aus SiO2 hergestellt
ist und in der ersten Schicht verdeckt ist, eine erste Kapselschicht,
eine aktive Schicht, eine zweite Kapselschicht und eine dritte Kontaktschicht.
Die erste Kapselschicht, die aktive Schicht und die zweite Kapselschicht
bilden eine optische Kavität,
wobei die aufliegende Kontaktschicht zur Ultraviolettemission benutzt
wird.
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Ando
S. et al., „Novel
Hexagonal-Facet GAAS/ALGAAS Laser Grown by Selectiva Area Metalorganic
Chemical Vapor Deposition",
Japanese Journal of Applied Physics, JP, Band 32 (1993) September
15, Nr. 9B, Teil 02, Tokio, Japan offenbart einen Laser, der auf
einem GaAs-Substrat eine erste AlGaAs-Schicht, eine SiO2-Maske,
eine zweite AlGaAs-Kapselschicht
und eine aktive GaAs-Schicht und eine zweite AlGaAs-Kapselschicht
aufweist. Diese Druckschrift betrifft jedoch keine GaN-Laser.
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Im
weitesten Sinne ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung, einen
verbesserten GaN-Laser zur Verfügung
zu stellen.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Laser zur
Verfügung
zu stellen, bei dem es nicht notwendig ist, die Facetten durch Spalten
des unterliegenden Substrats und der GaN-Schichten zu erzeugen.
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Es
ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Laser
zur Verfügung
zu stellen, bei dem es nicht erforderlich ist, die Spiegelfacetten
zu ätzen
oder zu polieren.
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Diese
und weitere Ziele der vorliegenden Erfindung werden den Fachleuten
aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung und aus
den beigefügten
Zeichnungen deutlich.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist ein Laser mit einer ersten Schicht eines
III-V-Halbleitermaterials eines
ersten Halbleitertyps, auf den eine Maske mit einer Öffnung darin
aufgebracht wird. Eine zweite Schicht eines III-V-Halbleitermaterials
des ersten Halbleitertyps ist von einem Teil der ersten Schicht aufgewachsen,
der unter der Öffnung
in der Maske liegt, und erstreckt sich über die Maske. Eine erste Kapselschicht
eines III-V-Halbleitermaterials
des ersten Halbleitertyps wird über
die zweite Schicht aufgewachsen, um die zweite Schicht zu bedecken.
Die aktive Schicht, die das Licht durch die Rekombination von Löchern und
Elektronen darin erzeugt, wird über die
erste Kapselschicht aufgewachsen. Eine zweite Kapselschicht eines
III-V-Halbleitermaterials wird über
die aktive Schicht aufgewachsen, wobei die zweite Kapselschicht
ein III-V-Halbleitermaterial des der ersten Schicht entgegengesetzten
Halbleitertyps umfaßt.
Eine dritte Schicht eines III-V-Halbleitermaterials
wird über
die zweite Kapselschicht aufgewachsen. Die dritte Schicht eines
III-V-Halbleitermaterials umfaßt
ein III-V-Halbleitermaterial des entgegengesetzten Halbleitertyps,
und die dritte Schicht eines III-V-Halbleitermaterials umfaßt eine
kristalline Schicht, welche die Kapselschicht bedeckt. Zwei Facetten
der kristallinen Schicht bilden die Spiegel an den entgegengesetzten
Enden der optischen Kavität, welche
die aktive Schicht umfaßt.
Das bevorzugte III-V-Halbleitermaterial ist GaN. Die Maske wird
aus einem Material konstruiert, auf dem das III-V-Halbleitermaterial
nicht nukleiert.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines typischen Lasers der auf GaN
beruht.
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2 bis 4 sind
Querschnittsansichten, die das Aufwachsen von GaN auf einem Saphirsubstrat
darstellen.
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5 ist
eine Querschnittsansicht einer GaN-Schicht, die auf dem Saphirsubstrat
aufgewachsen ist.
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6 bis 12 stellen
die Schritte bei der Konstruktion des Lasers gemäß der vorliegenden Erfindung
dar.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung läßt sich
einfacher im Zusammenhang mit der 1 verstehen,
die eine perspektivische Ansicht eines typischen Lasers 10 ist,
der auf GaN beruht. Zur Vereinfachung sind nur die wichtigsten epitaktischen
Schichten gezeigt. Der Laser 10 ist aus fünf Schichten
eines GaN-Materials aufgebaut, einer GaN-Schicht 11 vom
Typ N, einer AlGaN-Kapselschicht 12 vom
Typ N, einer aktiven Schicht 13, einer AlGaN-Kapselschicht 14 vom
Typ P und einer GaN-Schicht 15 vom Typ P. Es ist darauf
zu achten, daß jede
der Kapsel schichten oft aus mehreren Schichten mit leicht unterschiedlichen
Zusammensetzungen aufgebaut ist. Um die Zeichnungen zu vereinfachen,
ist jede Kapselschicht als eine einzelne Schicht gezeigt.
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Die
aktive Schicht 13 erzeugt Licht durch die Rekombination
von Löchern
und Elektronen, die aus einem Potential resultieren, das zwischen
den Schichten 11 und 15 angelegt wird. Dieses
Licht ist auf eine Kavität
eingeschränkt,
die von den Kapselschichten 12 und 14 und den
Facetten, die bei 18 und 19 gezeigt sind, begrenzt
ist. Die Facetten, die bei 21 und 22 gezeigt sind,
sind viel weniger kritisch, weil diese Facetten nicht für das Vor-
und Zurückreflektieren
des Lichts durch den aktiven Bereich verantwortlich sind. Kontakte 17 und 16 liefern
die Verbindungspunkte zum Anlegen des Potentials über die
n-p-Diodenstruktur. Der Laser 10 wird typischerweise durch Auftragen
der verschiedenen Schichten auf ein Substrat und anschließend durch
Erzeugen der verschiedenen Facetten aufgebaut.
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Die
Facetten 18 und 19 müssen parallel und glatt sein,
um einen Laser mit einer hohen elektrischen Wirkungsgrad zu liefern.
Wie vorhergehend bemerkt, führen
Schwierigkeiten beim Erzeugen dieser Facetten zu hohen Kosten und
einer geringeren Produktionsausbeute.
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Außerdem müssen die
verschiedenen GaN-Schichten frei von Defekten sein. Defekte entstehen
typischerweise durch die Fehlanpassung der Gitterkonstanten zwischen
GaN und Saphir, dem ausgewählten
Substrat. Techniken zum Verringern der Defektdichte unter Verwendung
eines Wachstums über
einem SiO2-Pad sind den Fachleuten bekannt.
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Die
vorliegende Erfindung beruht auf der Beobachtung, daß geringe
Versetzungsbereiche von GaN beobachtet werden, wenn eine GaN-Schicht über einer
SiO2-Schicht aufgewachsen wird, indem das
GaN seitlich von einem Bereich des GaN ausgebreitet wird, der an
dem SiO2-Bereich
angrenzt. Dieses Phänomen
ist den Fachleuten gut bekannt und wird daher hier im Detail nicht
diskutiert. Für
die Zwecke der vorliegenden Beschreibung kann das Phänomen einfacher
mit Bezug auf die 2 bis 4 verstanden
werden, welche Querschnittsansichten sind, die das Wachstum von
GaN auf einem Saphirsubstrat 41 darstellen. Bezugnehmend
auf die 2 beginnt das Verfahren durch
Aufwachsen einer Schicht von GaN 42 über dem Substrat 41.
Die Schicht 42 besitzt eine hohe Dichte von Versetzungen,
wie bei 43 gezeigt ist. Ein Streifen aus SiO2 44 wird
anschließend
auf die GaN-Schicht aufgebracht, wie in 3 gezeigt
ist, und eine neue GaN-Schicht wird anschließend über die Oberfläche der
Schicht 42 und des Streifens 44 epitaktisch aufgewachsen,
wie in 4 gezeigt ist. Das GaN an den Seiten des Streifens 44 wirkt
als eine Keimfläche
für das
Wachstum des GaN, das sich nach oben und seitlich über den
Streifen 44 verbreitet, wie in 4 gezeigt
ist.
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Die
Versetzungen in den Bereichen, die von dem Streifen 44 nicht
bedeckt sind, werden durch das neue Wachstum verbreitet, wie bei 46 gezeigt
ist. Es wurde jedoch experimentell entdeckt, daß der Bereich 45 des
seitlichen Wachstums über
dem Streifen 44 verhältnismäßig wenig
Versetzungen aufweist. Die Versetzungsdichte im Bereich 45 kann
einige Größenordnungen
geringer sein als die Versetzungsdichte in dem Bereich 46.
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Die
vorliegende Erfindung beruht auf der Beobachtung, daß nicht
nur die Versetzungsdichte erheblich verringert ist, sondern daß auch der
Rand 47 des GaN, das sich über die SiO2-Schicht verbreitet, perfekt
vertikal ist, wodurch eine natürliche
Facette gebildet wird. Die vorliegende Erfindung hängt von
einem Anfangsmaterial ab, das einen im wesentlichen defektfreien
Bereich vor dem Aufbringen der SiO2-Maske
aufweist. Die Art, in der ein solches Anfangsmaterial erzeugt wird,
kann einfacher im Zusammenhang mit der 5 verstanden
werden, die eine Querschnittsansicht eines GaN-Schichtwachstums
auf einem Saphirsubstrat 201 zeigt. Die GaN-Schicht wird
begonnen, indem eine Schicht von GaN 202 auf dem Saphirsubstrat
epitaktisch aufgewachsen wird. Wie vorhergehend bemerkt, besitzt eine
solche Schicht eine hohe Dichte von Versetzungen, die durch die
Fehlanpassung zwischen dem GaN und dem Saphir hervorgerufen wird.
Zur Vereinfachung haben wir ein GaN-Wachstum direkt auf einem Saphir
gezeigt. In bestimmten Fällen
werden AlN- oder GaN-Pufferschichten vor dem Aufwachsen des Bulk-GaN
aufgewachsen. Diese Pufferschichten dienen Nukleationszwecken.
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Eine
Schicht mit weniger Versetzungen wird erzeugt, indem ein SiO2-Streifen 203 auf der Schicht 202 aufgebracht
wird und anschließend
eine zusätzliche
Schicht 207 aus GaN über
den Streifen epitaktisch aufwächst.
Wie vorhergehend bemerkt, ist das GaN, das sich über den SiO2-Streifen
erstreckt, im wesentlichen frei von Defekten. Es gibt jedoch einen großen Defekt über dem
Streifen an dem Ort, an dem sich das GaN-Wachstum von jeder Seite
des Streifens trifft. Ein solcher Defekt ist bei 205 gezeigt.
Die Bereiche 206 zwischen dem Defekt und dem Rand des SiO2-Streifens sind jedoch im wesentlichen frei von
Defekten bzw. weisen eine erheblich geringere Defektdichte auf.
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Es
wird nun auf die 6 bis 12 Bezug genommen,
die den Aufbau eines Lasers 50 gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellen. Der Herstellungsprozeß beginnt mit der Erzeugung
eines im wesentlichen defektfreien Bereichs von n-GaN, auf den eine
SiO2-Maske aufgebracht wird. Wie vorhergehend
bemerkt, kann dies durch Aufwachsen einer n-GaN-Schicht 52 auf
einem Saphirsubstrat 51 ausgeführt werden, wie es in den 6 und 7 gezeigt
ist. 7 ist eine Aufsicht auf den Laser 50,
und 6 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 71-72,
die in 7 gezeigt ist. Ein SiO2-Pad 58 wird anschließend auf
die Schicht 52 aufgebracht, und eine zweite Schicht 53 eines
n-GaN-Wachstums über das
Pad wird durch epitaktisches Wachstum von dem Teil der Schicht 52 zu
den Seiten des Pads 58 aufgewachsen. Wie vorhergehend bemerkt,
bildet sich ein Bereich von im wesentlichen defektfreiem GaN über dem
Pad 58. Eine SiO2-Maske 54 wird
anschließend auf
die Schicht 53 aufgebracht und bedeckt den Defekt 205,
der vorhergehend im Zusammenhang mit der 5 beschrieben
wurde. Die Maske 54 besitzt eine Öffnung 55, welche über dem
im wesentlichen defektfreien Bereich der Schicht 53 liegt.
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Die
verschiedenen Schichten des Lasers 50 werden nun aufgebracht,
wobei der defektfreie Bereich in der Öffnung 55 als Keim
für die
Schichten verwendet wird, die sich über die Maske 45 erstrecken,
wie in den 8 bis 10 gezeigt
ist. 9 ist wiederum eine Aufsicht auf die Vorrichtung, 8 eine
Querschnittsansicht entlang der Linie 71-72, und 10 ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linie 73-74, die in 9 gezeigt
sind. Die Schichten sind in der Reihenfolge des Wachstums die n-GaN-Schicht 61,
eine AlGaN-Kapselschicht 63 des Typs n, eine aktive Schicht 64,
eine AlGaN-Kapselschicht 65 des Typs p und eine GaN-Schicht 66 des Typs
p. Die natürlichen
Facetten der p-GaN-Schicht 66 stellen die Abschlußspiegel
für die
optische Kavität
des Lasers zur Verfügung.
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Der
Kontakt 67 für
die p-GaN-Schicht, die bei 66 gezeigt ist, ist so angeordnet,
daß der
Teil der aktiven Schicht 64, der unter dem Kontakt liegt,
die vertikalen Abschnitte der aktiven Schicht umfaßt. Die Verbindungen
zur Schicht 61 können
durch Aufbringen einer oder mehrerer Kontakte auf die Oberfläche der
Schicht 53 hergestellt werden, wie bei 69 gezeigt ist.
Es ist darauf zu achten, daß die
Maske 54 den Stromfluß zu
dem gewünschten
Teil der aktiven Schicht einschränkt.
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Es
wird nun auf die 11 und 12 Bezug
genommen, die Querschnittsansichten des Lasers 50 zeigen,
nachdem zwei optionale Ätzschritte ausgeführt wurden.
Die 11 ist eine Ansicht entlang der Linie 71-72,
die in der 9 gezeigt ist, und 12 ist
eine Ansicht entlang der Linie 73-74. In der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind die Wände des Lasers, die senkrecht
zu den Spiegelfacetten liegen, geätzt, um jegliche Fehlstromwege
zu entfernen. Da die Reflektivität
dieser Wände
für die
Verstärkung
des Lasers nicht bestimmend ist, beeinflussen Fehler in den geätzten Wänden den
Betrieb des Lasers nicht.
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Es
wird nun auf die 12 Bezug genommen. Während die
Facetten der verschiedenen Schichten dafür bekannt sind, vertikal und
parallel zueinander in den Bereichen über der SiO2-Maske
in bestimmten Richtungen von Kristallebenen zu wachsen, können die
Details des aufgewachsenen Musters an der SiO2-GaN-Grenzfläche so sein,
daß verschiedene
Schichten elektrisch kurzgeschlossen sind bzw. in sehr enger Nachbarschaft
zueinander liegen. Ein Verfahren zur Abhilfe dieser Situation ist das
Maskieren der Seitenwände
und das Ätzen
einer schmalen Unterschneidung, wie bei 75 gezeigt ist.
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Bei
den vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung wird eine n-GaN-Schicht in Kontakt mit dem Saphirsubstrat und
ein p-GaN-Schicht über
der aktiven Schicht verwendet. Es wird jedoch für die betreffenden Fachleute
aus der vorhergehenden Diskussion deutlich, daß die Schichten des p-Typs
und des n-Typs umgekehrt werden können.
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Obgleich
bei den vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung GaN-Schichten benutzt wurden, können die Lehren der vorliegenden
Erfindung auch auf eine Schicht angewandt werden, die aus einem
beliebigen III-V-Material, wie InP, GaAs usw., aufgebaut wird. Es
ist außerdem
zu beachten, daß verschiedene
Schichten des Lasers aus unterschiedlichen III-V-Halbleitermaterialien
oder aus Kombinationen von Schichten verschiedener III-V-Halbleitermaterialien
aufgebaut werden können.
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Gleichermaßen können andere
Maskenmaterialien benutzt werden. Beliebiges Material, das mit den
Verfahrensbedingungen verträglich
ist und welches die Eigenschaft hat, daß das III-V-Material darauf nicht nukleieren kann,
kann benutzt werden. In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
ist das Maskenmaterial dielektrisch, wie SiO2,
SiC, Si3N4, TiN
AlN, usw. Es können
jedoch auch Masken auf Grundlage von Leitern, wie karbonisierte
Polymere, unter der Voraussetzung benutzt werden, daß alle Schichten,
die von der Maske kurzgeschlossen wären, von der Maske getrennt
werden, nachdem die Schichten aufgebracht wurden.
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Verschiedene
Modifikationen an der vorliegenden Erfindung werden den betreffenden
Fachleuten aus der vorhergehenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen
deutlich. Die vorliegende Erfindung ist daher alleine durch den
Umfang der nachfolgenden Ansprüche
beschränkt.