DE10085441T5 - Oberflächen-emittierende Halbleiterlaservorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen derselben und eine Oberflächen-emittierende Halbleiterlaser-Matrix, die die Laservorrichtung verwendet - Google Patents

Oberflächen-emittierende Halbleiterlaservorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen derselben und eine Oberflächen-emittierende Halbleiterlaser-Matrix, die die Laservorrichtung verwendet Download PDF

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Toshikazu Mukaihara
Noriyuki Yokouchi
Akihiko Kasukawa
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Furukawa Electric Co Ltd
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Furukawa Electric Co Ltd
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Abstract

Eine Oberflächen-emittierende Halbleiter-Laservorrichtung, die folgendes umfasst
eine untere Reflektorschichtstruktur und eine obere Reflektorschichtstruktur, die auf einem p-Typ Halbleitersubstrat ausgebildet sind, und
eine Ätzsperrschicht, eine Strombegrenzungsschicht und eine aktive Schicht, die in dieser Reihenfolge von unten zwischen der unteren Reflektorschichtstruktur und der oberen Reflektorschichtstruktur ausgebildet sind,
worin ein Abschnitt über der Ätzsperrschicht in einer Mesaform ausgebildet ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Oberflächen-emittierende Halbleiterlaservorrichtung, ein Verfahren zum Herstellen derselben und eine Oberflächen-emittierende Halbleiterlaser-Matrix, die die Laservorrichtungen benutzt.
  • Technischer Hintergrund
  • Ein(e) Oberflächen-emittierende Laser(vorrichtung), der (die) Laserlicht in der zur Ebene des Substrats senkrechten Richtung emittiert, kann aufgrund der Kreisform des emittierten Laserstrahls leicht an eine optische Faser gekoppelt werden. Zusätzlich kann der Oberflächen-emittierende Laser über einen optischen Resonator verfügen, der kurz in der Länge ist und Einmodenlicht emittiert. Solchermaßen genießt der Oberflächenemittierende Laser in letzter Zeit Aufmerksamkeit als eine Lichtquelle zur Verwendung in Datenübertragungen (optischen Verbindungen) bzw. optischen Computern, die optische Faser benutzen.
  • Darüber hinaus kann die Oberflächen-emittierende Laservorrichtung, die einen kleinen Lasertätigkeitsbereich, d. h. eine aktive Schicht, hat, an einem niedrigen Schwellenstrom (z. B. in der Größenordnung mehrerer Milliampere) betrieben werden. Außerdem wird erwartet, dass eine Matrix einer großen Anzahl dieser Laservorrichtungen als hoch-integrierte Vorrichtung implementiert werden wird.
  • Ein Beispiel für eine solche Oberflächen-emittierende Laservorrichtung wird in der 1 gezeigt.
  • Die Laservorrichtung umfasst die folgenden Schichten, die in der unten erwähnten Reihenfolge auf einem p-Typ GaAs-Halbleitersubstrat 100 gezüchtet werden. Das heißt: es werden eine untere Reflektorschichtstruktur 110 eines p-Typ AlGaAs-Mehrschichtfilms, eine Strombegrenzungsschicht 120, eine aktive Quantentopfstruktur-Schicht 140 aus GaAs/AlGaAs und eine obere Reflektorschichtstruktur 150 aus einem n-Typ AlGaAs-Mehrschichtfilm gezüchtet. Der obere Abschnitt von der oberen Reflektorschichtstruktur 150 bis zur unteren Oberfläche der Strombegrenzungsschicht 120 (die Schnittstelle zwischen der Strombegrenzungsschicht 120 und der unteren Reflektorschichtstruktur 110) wird in einer zylindrischen Mesastruktur 200 (mit einem Durchmesser von 20 μm) ausgebildet. Auf der oberen Endfläche der Mesastruktur wird durch Verdampfung eine n-Typ Elektrode 160 ausgebildet, um die Mesastruktur 200 abzudecken. Andererseits wird auf der hinteren Oberfläche des Substrats 100 eine p-Typ Elektrode 180 gebildet. Im übrigen wird ein Siliziumnitridfilm 190 gezüchtet, um die Oberfläche der Vorrichtung, abgesehen von der oberen Endfläche der Mesastruktur, d. h. die Seite der Mesastruktur und die obere Oberfläche der oberen Reflektorschichtstruktur, zu passivieren.
  • Um die Mesastruktur 200 zu bilden, wird, nachdem die zuvor erwähnten Schichten auf dem Substrat 100 gezüchtet wurden, auf der gesamten Schichtstruktur eine Trocken-Ätzung wie beispielsweise eine Ätzung mit reaktivem Innenstrahl (RIBE) durchgeführt.
  • Die Strombegrenzungsschicht 120, die sich zwischen der unteren Reflektorschichtstruktur 110 und der aktiven Schicht 140 befindet, wird wie folgt gebildet: Als erstes wird eine Vorläuferschicht aus beispielsweise AlAs und dann wird eine Mesastruktur, die die Vorläuferschicht einschließt, gebildet. Danach wird die Mesastruktur (z. B. 10 Minuten lang bei 400°C) in einer Wasserdampfatmosphäre erhitzt. Dadurch wird die Vorläuferschicht vom Seitenabschnitt aus in Richtung Kernabschnitt davon oxidiert, um eine Isolierschicht 120a zu bilden und um zu erlauben, dass eine nicht-oxidierte elektrisch leitende Schicht 120b aus AlAs auf dem Kernabschnitt verbleibt. In diesem Fall wird injizierter Strom an der elektrisch leitenden Schicht 120b der Strombegrenzungsschicht 120 konzentriert, wodurch es ermöglicht wird, den Schwellenstrom der Vorrichtung zu reduzieren.
  • Um die Strombegrenzungsschicht 120 in einem stabilen Zustand aus der Vorläuferschicht zu bilden, ist es im übrigen erforderlich, der Vorläuferschicht zu erlauben, positiv in der Mesastruktur eingeschlossen zu sein und vom Seitenabschnitt eine ausreichende Oxidierung durchzuführen. Im Fall, wo jedoch eine Trocken-Ätzung wie beispielsweise RIBE, die eine Bündelung aufweist, verwendet wird, um die Vorläuferschicht in der Mesastruktur zu bilden, bewirkt die Instabilität der Trocken-Ätzung, dass die Tiefe einer eigentlichen Ätzung um etwa ± 10% variiert.
  • Daher ist es anbetrachts einer solchen Änderung zum Ätzen der gesamten Schichtstruktur mit der positiv darin eingeschlossenen Vorläuferschicht erforderlich, den Endpunkt des Ätzens an einer Stelle anzusetzen, die um 10% oder mehr tiefer liegt als die eigentliche Stelle der Vorläuferschicht. In einem Fall, wo z. B. die Vorläuferschicht an einer Tiefe vorhanden ist, die 5 μm von der Oberfläche der gesamten Schichtstruktur weg liegt, kann der Endpunkt der Ätzung an einer Stelle, die 5,5 μm von der Oberfläche liegt, angesetzt werden, um eine tatsächliche Ätzungstiefe von etwa 5 bis 6 Mikrometern bereitzustellen. In jedem Fall ist es solchermaßen möglich, die Mesastruktur mit der positiv darin eingeschlossenen Vorläuferschicht zu bilden.
  • Mit diesem Verfahren muss jedoch der Abschnitt unterhalb der Vorläuferschicht geätzt werden, wenn die Tiefe einer tatsächlichen Ätzung verschoben wird, damit sie größer ist als der Wert des Endpunkts, der eingestellt wurde. Im zuvor erwähnten Beispiel kann z. B. die gesamte Schichtstruktur auf eine Tiefe geätzt werden, die, wie durch die gestrichelte Linie in der 1 gezeigt, im Höchstwert 1 μm tiefer als die Stelle der Vorläuferschicht ist. Dadurch kann ein Teil der oder die ganze untere Reflektorschichtstruktur 110 des p-Typs in einer Mesastruktur ausgebildet werden.
  • Die japanische Patentoffenlegungsveröffentlichung Nr. Hei 5-235464 offenbart die folgende Tatsache. Wenn die Quer schnittsfläche einer p-Typ GaAs/AlAs-Spiegelschicht (Reflektorstruktur) einer Laservorrichtung abnimmt, neigt ein Spike oder eine Differenz in den Valenzbändern am Heteroübergang vom GaAs/AlAs dazu, die elektrische Leitfähigkeit der Löcher einzuschränken, wodurch ein Anstieg im Widerstand der Vorrichtung bewirkt wird. Daher zeigt die Oberflächen-emittierende Halbleiterlaservorrichtung, die ein p-Typ Halbleiter-Substrat verwendet, ein solches Problem, dass eine p-Typ Reflektorschichtstruktur auf dem Substrat in eine Mesastruktur geätzt wird, die eine verringerte Querschnittsfläche hat, und solchermaßen hat die Vorrichtung einen höheren Widerstand als eine Vorrichtung, in der die geätzte Reflektorschichtstruktur nicht geätzt wurde, was zu einem Anstieg in der Wärmeerzeugung und Betriebsspannung der Vorrichtung führt. Darüber hinaus bewirkt eine Änderung in der Ätzungstiefe, dass sich die Eigenschaft der entstandenen Vorrichtung ändert.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, die zuvor erwähnten Probleme der Oberflächen-emittierenden Halbleiterlaservorrichtung zu lösen, indem eine Oberflächenemittierende Halbleiterlaservorrichtung, ein Verfahren zum Herstellen der Vorrichtung und eine Oberflächen-emittierende Halbleiterlaser-Matrix, die die Vorrichtung verwendet, bereitgestellt werden, in der durch eine Ätzsperrschicht verhindert wird, dass die untere Reflektorschichtstruktur geätzt wird, die zwischen der Strombegrenzungsschicht und der unteren Reflektorschichtstruktur bereitgestellt wird, und in der der Widerstand der Vorrichtung gesenkt wird.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Um die zuvor erwähnte Aufgabe zu erfüllen, stellt die vorliegende Erfindung eine Oberflächen-emittierende Halbleiterlaservorrichtung bereit, die eine untere Reflektorschichtstruktur und eine obere Reflektorschichtstruktur umfasst, die auf einem p-Typ Halbleitersubstrat ausgebildet werden. Die Vorrichtung umfasst auch eine Ätzsperrschicht, eine Strombegrenzungsschicht und eine aktive Schicht, die in dieser Reihenfolge von unten zwischen der unteren Reflektorschichtstruktur und der oberen Reflektorschichtstruktur ausgebildet werden. In der Vorrichtung wird ein Abschnitt über der Ätzsperrschicht in einer Mesaform gebildet.
  • Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Oberflächen-emittierenden Halbleiterlaservorrichtung bereit, das die Schritte zum Bilden einer unteren Reflektorschichtstruktur, einer Ätzsperrschicht, einer Vorläuferschicht, einer Strombegrenzungsschicht und einer oberen Reflektorschichtstruktur auf einem p-Typ Halbleitersubstrat in dieser Reihenfolge umfasst; das Durchführen einer Trocken-Ätzung von der oberen Reflektorschichtstruktur nach unten, um über der Ätzsperrschicht eine allgemeine Form einer Mesastruktur zu bilden; das Durchführen einer Nass-Ätzung nach oben zu einer oberen Oberfläche der Ätzsperrschicht, um auf der oberen Oberfläche der Ätzsperrschicht eine Form der Mesastruktur zu bilden; und das Oxidieren eines Seitenabschnitts der Vorläuferschicht der Strombegrenzungsschicht, die innerhalb der Mesastruktur eingeschlossen ist, zum Bilden der Strombegrenzungsschicht.
  • Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung eine Oberflächen-emittierende Halbleiterlaser-Matrix bereit, die eine Mehrzahl von Schichtstrukturen umfasst, die jeweils die Schichtstrukturen von der unteren Reflektorschichtstruktur zur oberen Reflektorschichtstruktur der oben erwähnten Oberflächenemittierenden Halbleiterlaservorrichtung einschließt, worin die Mehrzahl der Schichtstrukturen auf einem p-Typ Halbleitersubstrat integriert ist, das ihnen gemeinsam ist.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine Querschnittsansicht, die die Schichtstruktur einer herkömmlichen Oberflächen-emittierenden Halbleiterlaservorrichtung darstellt.
  • 2 ist eine Querschnittsansicht, die die Schichtstruktur einer Oberflächen-emittierenden Halbleiterlaservorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • 3 ist eine Querschnittsansicht, die eine Schichtstruktur A darstellt, bevor sie geätzt wird.
  • 4 ist eine Querschnittsansicht, die die Schichtstruk tur A darstellt, nachdem sie trocken-geätzt wurde.
  • 5 ist eine Querschnittsansicht, die die Schichtstruktur A darstellt, nachdem sie nass-geätzt wurde.
  • 6 ist eine Querschnittsansicht, die eine Mesastruktur darstellt, nachdem sie oxidiert wurde.
  • BESTE AUSFÜHRUNGSFORM ZUM DURCHFÜHREN DER ERFINDUNG
  • Der technische Grundsatz der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Vorrichtung mit einem verringerten Widerstand bereitzustellen. Dies wird erfüllt, indem zwischen der Strombegrenzungsschicht und der unteren Reflektorschichtstruktur eine Ätzsperrschicht bereitgestellt wird, wodurch verhindert wird, dass die (p-Typ) Reflektorschichtstruktur, die sich unter der Ätzsperrschicht befindet, geätzt wird, damit sie in einem Teil der Mesastruktur ausgebildet wird.
  • Die vorliegende Erfindung beachtet den Unterschied in den Eigenschaften zwischen Trocken- und Nass-Ätzen ihre. Das Trocken-Ätzen, das eine gute Ätzgenauigkeit bereitstellt, wird zur Bildung der gesamten Schichtstruktur zuerst angelegt, wodurch der sich über der Ätzsperrschicht befindliche Abschnitt geätzt wird, um mit guter Genauigkeit eine allgemeine Form der Mesastruktur zu bilden. Dann wird an der zuvor erwähnten allgemeinen Form das Nass-Ätzen angelegt, das für eine hohe Ätz-Selektivität sorgt, womit die auf der Ätzsperrschicht verbliebene Schichtstruktur selektiv geätzt wird, um den Abschnitt bis zur oberen Oberfläche der Ätzsperrschicht in der Mesastruktur einer beabsichtigten Form mit Genauigkeit auszubilden.
  • Jetzt wird ein Beispiel für eine Oberflächen-emittierende Laservorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die 2 erläutert.
  • Nimmt man auf die 2 Bezug, verfügt eine Oberflächenemittierende Laservorrichtung 1 über die folgende Struktur, die auf einem p-Typ Halbleitersubstrat 10 eines p-Typ GaAs gezüchtet wurde. Das bedeutet, dass die Struktur einen unteren DBR-Spiegel 11 (eine untere Reflektorschichtstruktur) von 30 Paaren einer p-Typ Al0,2Ga0,8As-Schicht und einer p-Typ Al0,9Ga0,1As-Schicht ein schließt. Die Struktur schließt auch einen oberen DBR-Spiegel (eine obere Reflektorschichtstruktur) 17 von 20 Paaren einer n-Typ Al0,2Ga0,8As-Schicht und einer n-Typ Al0,9Ga0,1As-Schicht ein. Zusätzlich werden zwischen den DBR-Spiegeln 11 und 17 von unten her in der Reihenfolge eine Ätzsperrschicht 12 aus InGaP, eine Strombegrenzungsschicht 14 und eine aktive GaAs/AlGaAs-Schicht 16 angeordnet, die über drei Quantentopfstrukturen verfügt, wobei diese Schichten als Ganzes eine Halbleiterschichtstruktur bilden. Im übrigen wird in dieser Ausführungsform eine Abdeckungsschicht 18 eines n-Typ GaAs auf dem oberen DBR-Spiegel 17 ausgebildet.
  • Darüber hinaus wird der Abschnitt von der Abdeckungsschicht 18 zur unteren Endfläche der Strombegrenzungsschicht 14 (die Schnittstelle zwischen der Strombegrenzungsschicht 14 und der Ätzsperrschicht 12) herunter in einer zylindrischen Mesastruktur 20 (30 μm im Durchmesser und 3,5 μm hoch) ausgebildet. Auf der oberen Endfläche und der Seitenfläche der Mesastruktur wird durch Verdampfung eine n-Typ Ti/Pt/Au-Elektrode 30 gebildet, um die gesamte Mesastruktur 20 abzudecken. Andererseits wird auf der Rückfläche des p-Typ Substrats 10 eine p-Typ AuZn-Elektrode 32 gebildet. Im übrigen wird ein Siliziumnitridfilm 70 gezüchtet, um die gesamte Oberfläche der Oberflächen-emittierenden Laservorrichtung 1 zu passivieren.
  • Die untere Reflektorschichtstruktur 11 und die obere Reflektorschichtstruktur 17 sind Laser-reflektierende Spiegel zum Bilden eines Resonators und können, wie oben beschrieben, durch das abwechselnde Züchten von zwei Typen von Halbleiterfilmen unterschiedlicher Zusammensetzungen (z. B. den AlGaAs-Schichten) gebildet werden. In diesem Fall ist es wünschenswert, jeden Halbleiterfilm mit einer optischen Dicke von λ/4 bereitzustellen (worin λ die Wellenlänge des emittierten Laserlichts ist).
  • Darüber hinaus ist es vorzuziehen, die Reflektorschichtstrukturen 11, 17 eines n-Typ oder eines p-Typ Halbleiters gemäß der Polarität der Laservorrichtung zu bilden. Solchermaßen wird die untere Reflektorschichtstruktur 11 vorzugsweise aus einem p-Typ Halbleiter und die obere Reflektorschichtstruktur 17 vorzugsweise aus einem n-Typ Halbleiter ausgebildet. Im übrigen ist es vorzuziehen, das Verhältnis der Zusammensetzung des Al in den Halbleiterfilmen des AlGaAs so zu reduzieren, dass jede der Reflektorschichtstrukturen 11, 17, wie später beschrieben, davor bewahrt wird, bei der Bildung der Strombegrenzungsschicht 14 oxidiert zu werden. Statt des Mehrschichtenfilms der zuvor erwähnten Halbleiter können außerdem die Reflektorschichtstrukturen eines dielektrischen Mehrschichtenfilms oder eines metallischen dünnen Films gebildet werden.
  • Die Ätzsperrschicht 12 wird aus einem Material gebildet, das zu den zu ätzenden Halbleiterschichten 0,5% oder weniger Gitter-unangepasst ist, und sie wird insbesondere aus einem Material gebildet, das nicht durch Nass-Ätzung geätzt wird, wie später beschrieben. Zum Beispiel schließen solche Materialien InGaP für einen Fall ein, in dem die gesamte Schichtstruktur aus einem GaAs-basierenden Halbleiter gebildet wird. Wenn die Schichtstruktur, die die Ätzsperrschicht einschließt, nassgeätzt wird, wird nur die über der Ätzsperrschicht befindliche Schichtstruktur selektiv geätzt. Es wird verhindert, dass die Ätzsperrschicht geätzt wird, so dass das Ätzen an der oberen Oberfläche der Ätzsperrschicht gesperrt wird. In diesem Fall wird der Abschnitt unter der Ätzsperrschicht oder die untere Reflektorschichtstruktur niemals geätzt.
  • Die Strombegrenzungsschicht 14 hat einen konzentrischen, ringförmigen Aufbau, in dem der Kernabschnitt aus einer leitfähigen Schicht 14b von etwa 10 μm Durchmesser gebildet ist und der Außenumfangsabschnitt aus einer Isolierschicht 14a gebildet ist. Injizierter Strom wird an der elektrisch leitfähigen Schicht 14 konzentriert, und der Schwellenstrom wird dadurch gesenkt.
  • Die Strombegrenzungsschicht 14 wird in den folgenden Schritten gebildet. Als erstes wird eine Vorläuferschicht gebildet, indem bei der Bildung der zuvor erwähnten Schichtstruktur ein Al-dotierter Verbindungshalbleiter verwendet wird, und dann wird das Ätzen durchgeführt, um die Mesastruktur zu bilden. Danach wird die Oxidation vom Seitenabschnitt der Vorläuferschicht aus in Richtung des Kernabschnitts durchgeführt, um dadurch den Randabschnitt in die Isolierschicht 14a aus Alumi niumoxid umzuwandeln. Dem nicht-oxidierten Halbleiter der Al-dotierten Verbindung wird gestattet, als leitfähige Schicht 14b auf dem Kernabschnitt zu bleiben. Zum Beispiel kann AlAs oder AlGaAs als Al-dotierter Verbindungshalbleiter verwendet werden. Im übrigen verwendet diese Ausführungsform ein p-Typ AlAs als das Material der Vorläuferschicht.
  • Die aktive Schicht 16 stellt die Lasertätigkeit durch die Rekombination der Elektronen und Löcher bereit. Insbesondere ist eine Quantentopf-strukturierte aktive Schicht deshalb vorzuziehen, da sie einen gesenkteren Schwellwert bereitstellt. Im übrigen kann die aktive Schicht 12 auf eine passende Art und Weise mit Mantelschichten eingepfercht werden, die einen Bandabstand haben, der höher ist als der der aktiven Schicht 6, und einen Brechungskoeffizienten haben, der kleiner ist als der der aktiven Schicht 6, und die jeweils über und unter der aktiven Schicht 16 liegen, wodurch sie Elektronen und Licht innerhalb der aktiven Schicht einschließen. Als Material der aktiven Schicht 16 (und der Mantelschichten) kann z. B. ein GaAs-Halbleiter benutzt werden. Um die Mantelschichten zu bilden, können zusätzlich die Mantelschichten z. B. mit einer geringen Menge an Al dotiert werden, so dass ihr Bandabstand höher ist als der der aktiven Schicht.
  • Die Abdeckungsschicht 18 realisiert einen ohmschen Kontakt mit der n-Typ Elektrode, die oben darauf gebildet werden soll, und wird aus einem Material gebildet, um den Kontaktwiderstand zwischen den beiden zu reduzieren. Die Abdeckungsschicht 18 kann z. B. aus einem GaAs-Halbleiter gebildet werden, der mit einem n-Typ Dotierung wie beispielsweise Si, Ge, Sn und Se dotiert ist.
  • Die n-Typ Elektrode 30 kann beispielsweise aus einem Mehrschichtenfilm wie beispielsweise Ti/Pt/Au gebildet werden. Die p-Typ Elektrode 32 kann beispielsweise durch Verdampfung aus AuZn oder Ti/Pt/Au gebildet werden.
  • Es können z. B. die Molekularstrahl-Epitaxie (MBE) oder das metallorganische chemische Bedampfungsverfahren (MOCVD) verwendet werden, um jede Halbleiterschicht der Schichtstruktur zu bilden.
  • Aufgrund der Tätigkeit der Ätzsperrschicht 12 erlaubt die Oberflächen-emittierende Laservorrichtung 1, wie oben beschrieben, nicht, dass die unter der Ätzsperrschicht 12 befindliche untere Reflektorschichtstruktur 11 geätzt wird und in einen Teil der Mesastruktur ausgebildet wird. Dies verhindert, dass die p-Typ untere Reflektorschichtstruktur 11 in der Querschnittsfläche gesenkt wird und der Widerstand der Vorrichtung erhöht wird, wodurch ein Anstieg in der Wärmeerzeugung und in der Betriebsspannung der Vorrichtung verhindert wird. Die untere Reflektorschichtstruktur 11 kann in der Querschnittsfläche größer gemacht werden, um dadurch beträchtlich den Widerstand der Vorrichtung zu reduzieren. Darüber hinaus ist es möglich, die Vorläuferschicht 14, die sich über der Ätzsperrschicht 12 befindet, positiv zu ätzen und innerhalb der Mesastruktur einzuschließen. Außerdem kann die anschließende Oxidation die Vorläuferschicht auf eine leichte Art und Weise in die Strombegrenzungsschicht umwandeln, wodurch es ermöglicht wird, eine Laservorrichtung mit einem niedrigeren Schwellwert bereitzustellen.
  • Die Oberflächen-emittierende Laservorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform der 2 verfügt über einen Vorrichtungs-Widerstand, der so gering wie 30Ω ist, und kann ein Laserlicht im Bereich von 850 nm bei einem kleinen Schwellwert (3 mA) und einer geringen Betriebsspannung (2V bei einem Treiberstrom von 20 mA) emittieren.
  • Nun wird ein Verfahren zum Herstellen der Oberflächenemittierenden Laservorrichtung 1 erläutert.
  • Wie in der 3 gezeigt, werden als erstes die folgenden Schichten beispielsweise durch MBE am p-Typ Halbleitersubstrat 10 aus p-Typ Gags gebildet. Das bedeutet, dass die untere Reflektorschichtstruktur 11, die Ätzsperrschicht 12, die Vorläuferschicht 24 der Strombegrenzungsschicht, die aktive Schicht 16, die obere Reflektorschichtstruktur 17 und die Abdeckungsschicht 18 der Reihe nach gezüchtet werden, um eine Schichtstruktur A zu bilden. Dann wird auf der obersten Schicht der Schichtstruktur A oder auf der Abdeckungsschicht 18 ein Fotolack aufgetragen, um beispielsweise durch Photolithographie ein Abdeckmuster 60 zu bilden, das dieselbe Querschnittsform wie die der Mesastruktur hat.
  • Wie in der 4 gezeigt, wird dann an der Schichtstruktur A eine Trocken-Ätzung D wie beispielsweise RIBE angelegt, die über eine Richtwirkung verfügt, um eine allgemeine Form der Mesastruktur zu bilden. D. h., dass ein Teil der über der Ätzsperrschicht 12 befindlichen Schichtstruktur durch Ätzen entfernt wird. Der Teil der über der Ätzsperrschicht 12 befindlichen Schichtstruktur kann irgendein Abschnitt sein, sofern er sich über der Ätzsperrschicht 12 befindet. Jedoch muss der Abschnitt so liegen, dass die Ätzsperrschicht 12 selbst dann nicht geätzt wird, wenn das Trocken-Ätzung D veränderliche Ätztiefen bereitstellt. Nimmt man z. B. den Fall, wo sich die Ätzsperrschicht an einer Tiefe von 5 μm von der Oberfläche der Schichtstruktur A befindet und der Endpunkt der Ätzung ungefähr 1 μm über der Ätzsperrschicht am oberen Abschnitt angesetzt wird. In diesem Fall wird die Ätzsperrschicht 12 niemals geätzt werden, da die Ätztiefe maximal etwa 4,5 (5 – 1 + 0,5) μm ist. Im übrigen kann der Endpunkt des Trocken-Ätzens z. B. in Übereinstimmung mit den gemessenen Ätztiefen bestimmt werden.
  • Wie in der 5 gezeigt, wird dann das Nass-Ätzen W an der vom Trocken-Ätzen D ausgesetzten Oberfläche angelegt. Der Abschnitt von der durch das Trocken-Ätzen D ausgesetzten Oberfläche herunter zur oberen Oberfläche der Ätzsperrschicht 12 (der durch die gestrichelten Linien in der Figur gezeigte Abschnitt) wird dadurch entfernt, um die Mesastruktur zu vollenden. Da die Ätzsperrschicht 12 aus einem Material gebildet wird, das durch das Nass-Ätzen W nicht geätzt werden kann, wird in diesem Fall das Ätzen ohne strenge Regelung des Endpunkts automatisch an der oberen Oberfläche der Ätzsperrschicht 12 gestoppt. Als Ätzmittel, das für die Nass-Ätzung W wie diese verwendet wird, kann z. B. eine wässrige Lösung aus Schwefelsäure oder Phosphorsäure verwendet werden.
  • Im übrigen benutzt diese Ausführungsform die Mesastruktur, die in Form eines Zylinders ausgebildet ist, aber die Form der Mesastruktur ist nicht darauf eingeschränkt. Die Mesastruktur kann z. B. in Form eines rechteckigen oder polygonalen Stabs ausgebildet sein.
  • Danach wird die Oxidation an der Schichtstruktur A durchgeführt, die positiv zumindest die Vorläuferschicht 24 innerhalb der Mesastruktur einschließt. Dadurch wird die Vorläuferschicht 24 von ihrer Seite aus oxidiert, die in die Strombegrenzungsschicht 14 umzuwandeln ist (6). Die zuvor erwähnte Dampfoxidation wird z. B. vorzugsweise durchgeführt. Der Taupunkt, die Temperatur, und die Anlegungszeit des Wasserdampfs können verändert werden, um die Rate und den Pegel der Oxidation zu ändern. Die Wasserdampfoxidation, d. h. Dampfoxidation, kann zehn Minuten lang bei 400°C durchgeführt werden.
  • Dann wird die Passivierung an der gesamten Oberfläche der entstandenen Schichtstruktur A mit dem Siliziumnitridfilm 70 durchgeführt. Danach wird an der Schichtstruktur A eine Trocken-Ätzung wie beispielsweise RIE angelegt, um den auf der oberen Endfläche der Mesastruktur gebildeten Siliziumnitridfilm zu entfernen. Darüber hinaus wird auf der oberen Endfläche der Mesastruktur (auf der Oberfläche der Abdeckungsschicht 18) die n-Typ Ti/Pt/Au-Mehrschichten-Elektrode 30 (nicht gezeigt) durch Verdampfung so gebildet, dass die gesamte Mesastruktur abgedeckt wird. Auf der Rückfläche des p-Typ Halbleitersubstrats 10 wird durch Verdampfung z. B. ein AuZn-Film gezüchtet, um die p-Typ Elektrode 32 zu bilden. Solchermaßen wird die Oberflächenemittierende Laservorrichtung 1 hergestellt.
  • GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
  • Wie oben beschrieben, wird gemäß der vorliegenden Erfindung als erstes an der gesamten Schichtstruktur eine Trocken-Ätzung angelegt, die eine gute Ätzgenauigkeit bereitstellt. Dadurch wird jener Teil der Schichtstruktur, der auf der Ätzsperrschicht befindlich ist, durch Ätzen entfernt, um mit Genauigkeit eine allgemeine Form der Mesastruktur zu bilden. Danach wird ein hoch-selektives Nass-Ätzen durchgeführt, um die auf der Ätzsperrschicht verbliebene Schichtstruktur zu ätzen. Dadurch wird der über der oberen Oberfläche der Ätzsperrschicht befindliche Abschnitt positiv geätzt und mit sehr genauen Ausmaßen in der Mesastruktur ausgebildet. Zusätzlich wird verhindert, dass die unter der Ätzsperrschicht liegende Schichtstruktur, insbesondere die Reflektorschichtstruktur, geätzt wird. Aus diesem Grund wird verhindert, dass die p-Typ untere Reflektorschichtstruktur in der Querschnittsfläche gesenkt wird, und es wird verhindert, dass der Widerstand der Vorrichtung erhöht wird, wodurch eine Erhöhung der Wärmeerzeugung und Betriebsspannung der Vorrichtung verhindert wird. Solchermaßen kann die Reflektorschichtstruktur 11 in der Querschnittsfläche größer gemacht werden, um dadurch den Widerstand der Vorrichtung beträchtlich zu reduzieren. Zusätzlich wird der obere Abschnitt über der Ätzsperrschicht positiv geätzt und in der Mesastruktur ausgebildet. Solchermaßen wird die Strombegrenzungsschicht in einem stabilen Zustand ausgebildet, womit es ermöglicht wird, den Schwellwert der Vorrichtung zu senken.
  • Eine Oberflächen-emittierende Laser-Matrix gemäß der vorliegenden Erfindung setzt sich aus einer Mehrzahl der zuvor erwähnten Oberflächen-emittierenden Laservorrichtungen zusammen. Diese Vorrichtungen werden auf einem p-Typ Halbleitersubstrat 10 ausgebildet, das ihnen gemeinsam ist. Genauer erläutert, wird eine einzige Ätzsperrschicht 12 auf dem p-Typ Substrat 10 gebildet und sie dient als eine gemeinsame Ätzsperrschicht für die Oberflächen-emittierenden Laservorrichtungen.
  • Darüber hinaus kann gemäß der vorliegenden Erfindung das Ätzen an einer gewünschten Stelle selbst dann gestoppt werden, wenn der gesamte untere DBR-Spiegel (untere Reflektorschichtstruktur 11) aus AlAs einer hohen Wärmeleitfähigkeit gebildet wird. Aus diesem Grund kann die vorliegende Erfindung eine Oberflächen-emittierende Halbleiterlaservorrichtung mit einer guten Steuerbarkeit und guten Wärmesättigungseigenschaft bereitstellen.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Eine Oberflächen-emittierende Halbleiter-Laservorrichtung, die einen gesenkten Vorrichtungswiderstand aufweist, ein Verfahren zum Herstellen der Vorrichtung und eine Oberflächenemittierende Halbleiterlaser-Matrix, die die Vorrichtung verwendet, werden bereitgestellt. Die Laservorrichtung umfasst eine untere Reflektorschichtstruktur und eine obere Reflektorschichtstruktur, die auf einem p-Typ Halbleitersubstrat ausgebildet sind. Eine Ätzsperrschicht, eine Strombegrenzungsschicht und eine aktive Schicht sind in dieser Reihenfolge von unten zwischen der unteren und der oberen Reflektorschichtstruktur ausgebildet. Der Abschnitt über der Ätzsperrschicht wird in einer Mesaform ausgebildet.

Claims (3)

  1. Eine Oberflächen-emittierende Halbleiter-Laservorrichtung, die folgendes umfasst eine untere Reflektorschichtstruktur und eine obere Reflektorschichtstruktur, die auf einem p-Typ Halbleitersubstrat ausgebildet sind, und eine Ätzsperrschicht, eine Strombegrenzungsschicht und eine aktive Schicht, die in dieser Reihenfolge von unten zwischen der unteren Reflektorschichtstruktur und der oberen Reflektorschichtstruktur ausgebildet sind, worin ein Abschnitt über der Ätzsperrschicht in einer Mesaform ausgebildet ist.
  2. Ein Verfahren zum Herstellen einer Oberflächenemittierenden Halbleiterlaservorrichtung, das folgende Schritte umfasst: das Bilden einer unteren Reflektorschichtstruktur, einer Ätzsperrschicht, einer Vorläuferschicht einer Strombegrenzungsschicht und einer oberen Reflektorschichtstruktur auf einem p-Typ Halbleitersubstrat in dieser Reihenfolge, das Durchführen einer Trocken-Ätzung von der oberen Reflektorschichtstruktur nach unten, um über der Ätzsperrschicht eine allgemeine Form einer Mesastruktur zu bilden, das Durchführen einer Nass-Ätzung bis zu einer oberen Oberfläche der Ätzsperrschicht, um auf der oberen Oberfläche der Ätzsperrschicht eine Form der Mesastruktur zu bilden, und das Oxidieren eines Seitenabschnitts der Vorläuferschicht der innerhalb der Mesastruktur eingeschlossenen Strombegrenzungsschicht, um die Strombegrenzungsschicht zu bilden.
  3. Eine Oberflächen-emittierende Halbleiterlaser-Matrix, die eine Mehrzahl von Schichtstrukturen umfasst, die jeweils die Schichten von der unteren Reflektorschichtstruktur bis zu der oberen Reflektorschichtstruktur gemäß Anspruch 1 einschließen, wobei die Mehrzahl von Schichtstrukturen auf einem p-Typ Halbleitersubstrat integriert ist, das ihnen gemeinsam ist.
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