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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Oberflächen-emittierende
Halbleiterlaservorrichtung, ein Verfahren zum Herstellen derselben
und eine Oberflächen-emittierende
Halbleiterlaser-Matrix,
die die Laservorrichtungen benutzt.
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Technischer Hintergrund
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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.
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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.
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Ein Beispiel für eine solche Oberflächen-emittierende
Laservorrichtung wird in der 1 gezeigt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Querschnittsansicht, die die Schichtstruktur einer herkömmlichen
Oberflächen-emittierenden
Halbleiterlaservorrichtung darstellt.
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2 ist
eine Querschnittsansicht, die die Schichtstruktur einer Oberflächen-emittierenden Halbleiterlaservorrichtung
gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt.
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3 ist
eine Querschnittsansicht, die eine Schichtstruktur A darstellt,
bevor sie geätzt
wird.
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4 ist
eine Querschnittsansicht, die die Schichtstruk tur A darstellt, nachdem
sie trocken-geätzt
wurde.
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5 ist
eine Querschnittsansicht, die die Schichtstruktur A darstellt, nachdem
sie nass-geätzt wurde.
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6 ist
eine Querschnittsansicht, die eine Mesastruktur darstellt, nachdem
sie oxidiert wurde.
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BESTE AUSFÜHRUNGSFORM
ZUM DURCHFÜHREN
DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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Jetzt wird ein Beispiel für eine Oberflächen-emittierende
Laservorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung mit Bezug auf die 2 erläutert.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Es können z. B. die Molekularstrahl-Epitaxie (MBE)
oder das metallorganische chemische Bedampfungsverfahren (MOCVD)
verwendet werden, um jede Halbleiterschicht der Schichtstruktur
zu bilden.
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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.
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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.
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Nun wird ein Verfahren zum Herstellen
der Oberflächenemittierenden
Laservorrichtung 1 erläutert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
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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.
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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.
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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.
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ZUSAMMENFASSUNG
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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.