DE69738342T2 - Herstellungsverfahren einer Anordnung mit einem Verbindungshalbleiter-Kristall und Herstellungsverfahren einer Verbindungshalbleiterschichten-Struktur - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindungshalbleiterschichtstruktur sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung mit einem Verbindungshalbleiterkristall.
  • Derzeit wird ein zur optischen Kommunikation verwendeter Halbleiterlaser mit einem 1,3 μm-Band oder einem 1,55 μm-Band grundsätzlich mit Material aus der InGaAsP/InP-Reihe hergestellt. Wenn mit dieser Materialreihe ein Heteroübergang ausgebildet wird, ist ein im Leitungsband auftretender Sprung oder ein Bandversatzausmaß ΔEc klein. Mit steigender Temperatur fließen daher die Ladungsträger leicht über. Folglich verringern sich die Wärmeeigenschaften, und eine Degradation bei dem Schwellenwert der Vorrichtung, der Effizienz und dergleichen aufgrund eines Temperaturanstieges stellt ein ernstes Problem dar. In jüngster Zeit wurde dieses Problem unter Verwendung von einen Aluminiummischkristall enthaltendem AlGaInAs etwas gelöst. Diese Technologie ist jedoch für den Zweck der Anwendung auf einen kostengünstigen Laser und dergleichen, welche ohne Temperatursteuerung auskommen, nicht befriedigend.
  • Andererseits gab es eine aktive Entwicklung eines blaufarbigen Lasers unter Verwendung von Material, in das Stickstoff als Element der Gruppe V eingefügt wird. Diese Vorrichtung kann außerdem als Laser im langen Wellenlängenbereich mit einer kleinen Bandlücke verwendet werden, wenn ein Mischkristall, dessen Stickstoffgehalt gering ist, verwendet wird. Beispielsweise wurde bei einem Einzelquantentopflaser, bei dem eine Quantentopfschicht aus InGaAsN (mit einem Stickstoffgehalt von 0,5%) und Barriereschichten aus AlGaAs auf einem GaAs-Substrat ausgebildet sind, die Laseroszillation bei einer Wellenlänge von etwa 1,2 μm berichtet (vergleiche Kondow, et al.: Pre-delivered Papers of '96 Spring Meeting of Japan Applied Physics Academy, 27p-C-6). Da bei einer derartigen Vorrichtung mit Stickstoffgehalt der Grund ihres Leitungsbandes gegenüber dem Vakuumniveau stark abgesenkt ist, ist deren Bandversatzausmaß ΔEc recht groß und zeigt einen Wert von etwa 500 meV, was ungefähr das Fünffache des Wertes gemäß der InGaAsP-Reihe ist. Daher sind bei einer derartigen Vorrichtung die Wärmeeigenschaften beträchtlich verbessert, und es gibt eine Wahrscheinlichkeit, dass die Vorrichtung eine Praxisleistungsfähigkeit bis zu hohen Temperaturen ohne jegliche Temperatursteuerung zeigt. Tatsächlich zeigt dieser Laser eine charakteristische Temperatur T0 = 126 K, was etwa doppelt so groß wie der Wert für einen gewöhnlichen Laser der InP-Reihe ist (vergleiche Kondow, et al. Pre-delivered Papers of '96 Autumn Meeting of Japan Applied Physics Academy, 8p-KH-7).
  • Um Stickstoff in einen Kristall einzuführen, gibt es die sogenannte Nitrifikationstechnologie, bei der ein Element der Gruppe V im Kristall durch Bestrahlen der Substratoberfläche mit Stickstoff durch Stickstoff substituiert wird, abweichend von der gewöhnlichen Kristallwachstumstechnologie, bei der Stickstoff zusammen mit anderen Elementen während des Wachstums zugeführt wird (vergleiche Yamamoto, et al.: Pre-delivered Papers (separate Vol. 1) of Japan Applied Physics Academy, '95 Spring Meeting, 28p-ZH-14 und 28p-ZH-16 sowie '96 Autumn Meeting 9a-ZF-3). Diese Nitrifikationstechnologie stellt ein Substrat zum Aufwachsen eines Kristalls der GaN-Reihe darauf bereit, was hauptsächlich bei einer blaues Licht emittierenden Vorrichtung und einer elektronischen Vorrichtung verwendet wird, und womit eine GaN-Schicht auf einer Oberfläche eines GaAs-Substrates durch Substituieren von As in dem GaAs-Substrat durch Stickstoff ausgebildet wird. Als Nitrifikationsbedingung beträgt die Substrattemperatur 900°C, ein 100-Gas aus NH3 wird bei 3 l/min für zehn (10) Minuten zugeführt, und eine Schicht mit einer Tiefe von etwa 1 μm auf dem Substrat wird in GaN umgewandelt. Da GaN auf dem GaAs-Substrat ausgebildet wird, beträgt die Differenz bei den Gitterkonstanten zwischen ihnen zumindest etwa 20%, und daher wird die Kristallqualität verschlechtert. Somit kann kein Einkristall erhalten werden.
  • Ferner gibt es den Fall, dass nur eine sehr dünne Schicht (etwa 10 nm) auf der Oberfläche in eine GaN-Schicht verändert wird (vergleiche Yao, et al.: Pre-delivered Papers (separate vol. 1) of Japan Applied Physics Academy, '96 Autumn Meeting 7a-ZF-2). Bei dieser Technologie wird ein GaAs-Substrat mit einem durch Hochfrequenz angeregten Stickstoffplasma bestrahlt, und deren Zweck ist die Verbesserung der Qualität der Substratoberfläche, aber nicht die Steuerung der zur Substitution bestimmten Stickstoffmenge.
  • Darüber hinaus zielt diese Technologie darauf ab, die Gitterkonstante der Oberflächenschicht nahe bei der von GaN im kubischen System auszubilden.
  • Die Druckschrift „Growth of GaAsN alloys by low-Pressure metalorganic chemical vapor deposition using plasmacracked NH3", Band 62, Nr. 12, 22. März 1993, Seiten 1396–1398 von Weyers M. et al enthält einen Artikel über das Wachstum von GaAs1-xNx-Legierungen (0 < x < 0,016). Die Schichten wurden durch metallorganische chemische Gasphasenabscheidung bei sehr geringem Druck (25 Pa) aufgewachsen. Die Stickstoffquelle NH3 wurde in einem abliegenden Mikrowellenplasma zersetzt, und es wurde nicht aufgebrochenes Triethylgallium und AsH3 verwendet. Die Stickstoffaufnahme in den Schichten zeigte eine starke Abhängigkeit von der Wachstumstemperatur. Die Zusammensetzung für die Gitterstellen der Gruppe V führte zu einer Reduktion des Stickstoffgehaltes bei höheren AsH3-Durchflussmengen. Die GaAsN-Schichten zeigten eine starke Rotverschiebung der Photolumineszenz mit ansteigendem Stickstoffgehalt.
  • Ferner offenbart die Druckschrift „Plasma-assisted MOCVD growth of GaAs/GaN/GaAs thin-layer structures by N-As replacement using N-radicals", 23. August 1994, Seiten 7–9 von Sato M., GaAs/GaN/GaAs-Dünnschichtstrukturen, die zum ersten Mal durch Plasmagestützte Niederdruck-MOCVD aufgewachsen wurden. GaN-Schichten wurden ausgebildet, indem die Oberflächen von GaAs-Epitaxieschichten Flüssen von Stickstoffradikalen ausgesetzt wurden. Wenn die Stickstoffmenge die von einer Monoschichtdicke GaN überschritt, verschlechterten sich die GaN/GaAs-Grenzflächen drastisch. Die Niedertemperaturphotolumineszenz der Strukturen legt nahe, dass die GaN-Schichtdicke auf eine Monoschicht selbstbeschränkt ist, und dass die überschüssigen Stickstoffatome in darunter liegenden Schichten GaN-Cluster ausbilden. Das in GaN eingebettete eine Monoschichtdicke GaN zeigt eine intensive Photolumineszenz, wohingegen die GaN-Cluster nicht strahlend sind, vermutlich aufgrund der durch die starke Gitterfehlanpassung zwischen GaN und GaAs verursachten Fehler.
  • Wenn InGaAsN aufzuwachsen ist, wird dessen Wachstum beispielsweise durch eine metalloxidische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) durchgeführt, wobei durch Hochfrequenzanregung plasmolisierte Stickstoffatome als Stickstoffmaterial einem Reaktor zugeführt werden, und zusammen damit andere Materialien wie etwa Arsin (AsH3), Trimethylindium (TMI) und Trimethylgallium (TEG) ebenfalls dem Reaktor zugeführt werden. Da hierbei der Stickstoffgehalt äußerst gering ist, schwankt der Stickstoffgehalt aufgrund einer leichten Änderung bei der Substrattemperatur und den Zufuhrmengen der anderen Materialien. Folglich werden die Kristallqualität und die optische Charakteristik verschlechtert, was zu einem Anstieg bei dem Schwellenwert und dergleichen führt. Wenn zudem ein Heteroübergang herzustellen ist, muss die Atmosphäre in einem Reaktor zur Steuerung des Grenzflächenzustandes fein gesteuert werden. Wenn zudem das vorstehend beschriebene Verfahren verwendet wird, gibt es eine Grenze bei dem Stickstoffgehalt. Daher ist der Freiheitsgrad bei der Oszillationswellenlänge des Lasers gering, und die charakteristische Temperatur kann nicht so ausgezeichnet verbessert werden, wie die theoretischen Werte zeigen.
  • Dabei beträgt der beim langen Wellenlängenbereich wie etwa 1,3 μm zu verwendende Stickstoffgehalt für InGaAsN ungefähr 1% und eine strenge Zusammensetzungssteuerung ist erforderlich, um einen hoch qualitativen Heteroübergang mit einem Verspannungsausmaß auszubilden, das auf einen Wert von unter etwa 1% reduziert ist. Wenn Stickstoff hinzuzufügen ist, nachdem das Wachstum durch ein bekanntes Nitrifikationsverfahren durchgeführt ist, ist daher das Ausmaß an Substitution durch Stickstoff zu groß, um die Schichtdicke, den Molanteil, die Verspannung und dergleichen zu steuern. Somit ist die Oberfläche aufgrund der Verdampfung eines Elementes der Gruppe V wie etwa As aufgeraut.
  • Bei einer die vorstehend beschriebene Nitrifikationstechnologie offenbarenden Druckschrift (Pre-delivered Papers (separate vol. 1) of Applied Physics Japan Academy, '95 Spring Meeting 28p-ZH-14 und 28p-ZH-16, '96 Atumn Meeting 9a-ZF-3 und 7a-ZF-2) ist deren Zweck die vollständige Substitution von As aus GaAs durch Stickstoff, und es erfolgt keine Beschreibung über die Steuerung des Stickstoffgehaltes. Der vorliegende Erfinder fand heraus, dass wenn ein Verfahren zum Substituieren eines Elementes der Gruppe V in einem Kristall durch Stickstoff als Verfahren zur Ausbildung einer Stickstoff enthaltenden Schicht verwendet wird, kann der Stickstoffgehalt in der Stickstoff enthaltenden Schicht genau gesteuert werden. Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines Verbindungshalbleiterkristalls bereit, das ein Verfahren zum Substituieren eines Elementes der Gruppe V im Kristall des Stickstoffs verwendet. Insbesondere wenn ein Verfahren zum Substituieren eines Elementes der Gruppe V in einem Kristall durch Stickstoff verwendet wird, das der vorliegenden Erfinder herausfand, kann der Stickstoffgehalt in der Stickstoff enthaltenden Schicht genau gesteuert werden. Auf dieser Grundlage stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Verbindungshalbleiterkristalls sowie ein Verfahren zur weiteren Verbesserung der Genauigkeit bei der Substitution eines Elementes der Gruppe V im Kristall des Stickstoffs bereit.
  • Dies wird gemäß dem beigefügten unabhängigen Patentanspruch erzielt. Vorteilhafte Abwandlungen sind in den beigefügten abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Vorliegend kann das zumindest Stickstoff enthaltene Material Stickstoff selbst oder ein Stickstoff als Bestandteil enthaltendes Material sein.
  • Das erfindungsgemäß zu behandelnde Material ist ein Kristall aus einem Verbindungshalbleiter mit einem Element der Gruppe V und insbesondere ein Kristall aus einem III–V-Verbindungshalbleiter. Wenn beispielsweise InGaAs mit einem zumindest Stickstoff enthaltenden Material bestrahlt wird, kann eine InGaAsN-Schicht ausgebildet werden.
  • Bei der Funktionsschicht einer Vorrichtung wird gewünscht, dass deren Zusammensetzung oder Molanteil zur Steuerung ihrer Charakteristik (wie etwa ihrer Bandlücke, ihres Brechungsindex, ihrer Übergangsenergie und ihres Verstärkungsspektrums) genau gesteuert wird.
  • Bei der vorliegenden Erfindung kann die Zusammensetzung der Funktionsschicht und insbesondere der Stickstoffgehalt genau gesteuert werden, weil die Funktionsschicht durch Substitution mit Stickstoff ausgebildet wird. Bezüglich der Bestrahlung mit einem zumindest Stickstoff enthaltenden Material muss beispielsweise nur durch Elektronenzyklotronresonanz (ECR) oder Hochfrequenz plasmolisierter Stickstoff projiziert werden. Der Vakuumgrad wird vorzugsweise unter 10–4 Torr gehalten. Dabei kann die Projektionsleistung im Falle der ECR etwa 30 W betragen, und im Falle der Hochfrequenz kann die Projektionsleistung etwa 200 W betragen. Diese Werte sind etwa um eine Größenordnung kleiner als die im Falle der GaN-Reihe. Ferner kann der Stickstofffluss etwa 10 sccm betragen, was ebenfalls sehr viel kleiner als der Wert im Falle der GaN-Reihe ist.
  • Der Kristall des Verbindungshalbleiters vor der Bestrahlung mit einem zumindest Stickstoff enthaltenen Material kann Stickstoff enthalten oder kann keinen Stickstoff enthalten. Sein Stickstoffgehalt kann durch die Bestrahlung mit einem zumindest Stickstoff enthaltenen Material kompensiert oder erhöht werden. Im Einzelnen kann der Stickstoffgehalt durch Steuern der Bestrahlungsmenge, der Zeitdauer und der Substrattemperatur leicht gesteuert werden. Der Stickstoffgehalt kann beispielsweise durch Photolumineszenz oder RHEED vor Ort bestimmt werden. Die Kompensationsmenge von Stickstoff zum Zeitpunkt der Bestrahlung der Stickstoff enthaltenden Schicht mit einem zumindest Stickstoff enthaltenen Material muss beispielsweise nur auf einer derartigen Bestimmung des Stickstoffgehaltes gesteuert werden. Bei der vorliegenden Erfindung kann Stickstoff in einer extrem dünnen Schicht auf einer Oberfläche enthalten sein, und eine Stickstoff enthaltende dünne Schicht kann durch die Bestrahlung mit zumindest Stickstoff enthaltendem Material erhalten werden. Die in einem Infrarotbereich benötigte Substitutionsmenge an Stickstoff kann beispielsweise ausreichend erreicht werden, und eine Quantentopfschicht kann leicht ausgebildet werden. Erfindungsgemäß kann ein hoch qualitativer III–V-Verbindungshalbleiter der N-Reihe leicht ausgebildet werden. Bezüglich der erfindungsgemäßen Funktionsschicht gibt es verschiedene Schichten. Wenn die Vorrichtung beispielsweise ein Laser ist, kann eine Stickstoffsubstituierte Schicht als dessen aktive Schicht verwendet werden. Ferner muss bei einem Oberflächenemissionslaser mit Vertikaleresonator der Brechungsindex seines Reflektorspiegels zur Ausbildung seines Resonators auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Da erfindungsgemäß das Ausmaß der Stickstoffsubstitution bevorzugt gesteuert werden kann, wird bei der Reflektorspiegelschicht als Funktionsschicht vorzugsweise eine Stickstoffsubstituierte Schicht verwendet. Insbesondere wenn die Stickstoff enthaltende Schicht in der Spiegelschicht verwendet wird, kann eine große Differenz beim Brechungsindex darin erhalten werden, und ihre Wärmecharakteristik kann stark verbessert werden.
  • Wenn zudem die Substitution durch den Stickstoff bis zu einer vorbestimmten Tiefe von einem mit zumindest Stickstoff enthaltenden Material bestrahlten Oberflächenabschnitt ausgeführt wird, kann die Dicke der Stickstoff enthaltenden Schicht gesteuert werden.
  • Wenn ferner der Schritt zur Bestrahlung mit einem zumindest Stickstoff enthaltenden Material und ein Schritt zum Aufwachsen eines Kristalls aus einem III–V-Verbindungshalbleiter abwechselnd durchgeführt werden, können Stickstoffsubstituierte Schichten periodisch ausgebildet werden. Daher kann eine Mehrfachquantentopfstruktur leicht ausgebildet werden.
  • Ferner kann eine Quantentopfstruktur mit einer Topfschicht mit einem gestuften Bänderdiagramm durch die Substitution mit Stickstoff ausgebildet werden. Eine Vorrichtung mit einer gewünschten Charakteristik kann durch Ausbilden einer mehrfach gestuften Quantentopfstruktur erhalten werden.
  • Gemäß der verwendeten Definition wird eine kritische Schichtdicke durch ein Verspannungsausmaß in der Stickstoffsubstituierten Schicht bestimmt. Falls beispielsweise eine Differenz zwischen den Gitterkonstanten der Stickstoffsubstituierten Schicht und ihrer Substratseite groß ist, tritt darin eine Verspannung auf. Falls die kritische Schichtdicke überschritten wird, wird die Qualität der Schicht aufgrund einer derartigen Verspannung verschlechtert. Bei der vorliegenden Erfindung ist bevorzugt, dass die Dicke der Stickstoffsubstituierten Schicht ungefähr nicht mehr als 10 nm beträgt.
  • Bezüglich eines Schritts zur Ausbildung eines Abschnitts mit einem schwer durch Stickstoff zu substituierenden Material unter einem durch Stickstoff zu substituierenden Abschnitt, beispielsweise wenn gewünscht wird, dass die Substitution durch Stickstoff bis zu einer bestimmten Tiefe hinab ausgeführt wird (wie etwa einer kritischen Schichtdicke, einer gewünschten Dicke eines Quantentopfs und einer gewünschten Dicke einer Schicht eines Reflektionsspiegels), und dass die Substitution durch Stickstoff in einem tieferen Abschnitt unterdrückt wird, muss nur ein Element der Gruppe V in diesem tieferen Abschnitt enthalten sein, das schwer durch Stickstoff zu substituieren ist. Wenn beispielsweise InGaAs mit einem zumindest Stickstoff enthaltenden Material zu bestrahlen ist, wird eine Phosphor enthaltende Schicht unter InGaAs ausgebildet. Daher kann ein Vorgang zur Substitution durch Stickstoff jenseits eines gewünschten Bereiches unterdrückt werden, weil Phosphor schwieriger als As zu substituieren ist.
  • Bei der vorstehend beschriebenen Erfindung ist ein unvermeidliches Element die Durchführung der Substitution durch Stickstoff durch Bestrahlen eines Objekts mit einem zumindest Stickstoff enthaltenen Material, und das Ausmaß dieser Stickstoffsubstitution kann vorzugsweise gesteuert werden. Daher ist die Erfindung vorzugsweise anwendbar, wenn ein Abschnitt eines Elementes der Gruppe V. der in einem mit zumindest Stickstoff enthaltendem Material bestrahlten Abschnitt enthalten ist, durch Stickstoff zu substituieren ist. Im Einzelnen wird die Substitution durch Stickstoff durch Substituieren von nicht mehr als etwa 20% des Elementes der Gruppe V durch Stickstoff ausgeführt, oder die Substitution durch Stickstoff wird derart ausgeführt, dass ein Verspannungsausmaß des Abschnitts, dessen Element der Gruppe V durch Stickstoff substituiert wird, nicht über etwa einigen Prozent liegt (noch bevorzugter nicht mehr als 1%). Diese Fälle sind besonders bevorzugt, und die Qualität der Schicht (Einkristallqualität, Seltenheit von Rauhigkeit auf ihrer Oberfläche und dergleichen) kann ebenso auf einem gewünschten Niveau gehalten werden. Wenn die Schicht als eine aktive Schicht verwendet wird, ist es besonders wichtig, die Schichtqualität auf einem bevorzugten Niveau zu halten. Wenn zudem ein Neuwachstum auf der Stickstoffsubstituierten Schicht ausgeführt wird, ist es außerdem wichtig, die Schichtqualität auf einem bevorzugten Niveau zu halten.
  • Die Bestrahlung mit dem zumindest Stickstoff enthaltenden Material kann weiterhin eine Bestrahlung mit Stickstoffplasma oder Ammoniakgas sein. Das Stickstoffplasma ist zunächst aktivierter Stickstoff. Bezüglich eines Stickstoff enthaltenden Materials wie etwa dem Ammoniakgas wird aktivierter Stickstoff erzeugt, wenn das Material nach Projektion auf dem Substrat leicht thermisch zersetzt wird.
  • Ferner kann die Bestrahlung mit dem zumindest Stickstoff enthaltenden Material eine Bestrahlung mit diesem Material und einem in dem bestrahlten Abschnitt enthaltenen Element der Gruppe V sein. Zudem kann der bestrahlte Abschnitt gleichzeitig mit einem zumindest Stickstoff enthaltenden Material und einem zumindest ein Element der Gruppe V enthaltenden Material, das in dem bestrahlten Abschnitt enthalten ist, bestrahlt werden.
  • Außerdem kann ein Schritt zum Aufwachsen eines Kristalls aus einem Verbindungshalbleiter (ein heteroepitaktisches Wachstum eines III–V-Verbindungshalbleiters) nach dem Bestrahlungsschritt mit dem zumindest Stickstoff enthaltenden Material durchgeführt werden. Bei dem Schritt zum Aufwachsen eines Kristalls aus einem Verbindungshalbleiter außer dem Schritt zum Bestrahlen mit dem zumindest Stickstoff enthaltenden Material ist es wünschenswert, die Zufuhr des zumindest Stickstoff enthaltenden Materials zu stoppen. Es ist außerdem wünschenswert, das Wachstum des Kristalls aus einem Verbindungshalbleiter und den Schritt zur Bestrahlung mit dem zumindest Stickstoff enthaltenden Material in einer Kristallwachstumskammer kontinuierlich durchzuführen, in die eine Gasquelle eingeführt werden kann.
  • Ferner kann die nach dem Schritt zum Bestrahlen mit dem zumindest Stickstoff enthaltenden Material aufgewachsene Schicht eine zu der Verspannung des Stickstoffsubstituierten Abschnitts entgegengesetzte Verspannung aufweisen. Dadurch kann die Verspannung des Stickstoffsubstituierten Abschnitts gelöst werden. Wenn eine Vielzahl von Stickstoffsubstituierten Schichten als Mehrfachquantentopfstruktur auszubilden ist, kann eine große Anzahl der Stickstoffsubstituierten Schichten aufgrund der Relaxation der Verspannung bereitgestellt werden.
  • Wenn zudem eine unebene Oberfläche auf einem mit dem zumindest Stickstoff enthaltenden Material zu bestrahlenden Abschnitt ausgebildet wird, und die unebene Oberfläche mit dem zumindest Stickstoff enthaltenden Material bestrahlt wird, tritt die Substitution noch leichter auf einem Vertiefungsabschnitt der unebenen Oberfläche auf, wo das Bindungspotenzial gering ist. Daher kann ein III–V-Halbleiter der N-Reihe selektiv ausgebildet werden. Somit kann eine feine Struktur wie etwa eine Quantendrahtstruktur leicht ausgebildet werden.
  • Wenn zudem die Funktionsschicht die durch das vorstehend beschriebene Verfahren ausgebildete Stickstoffsubstituierte Schicht ist, kann eine Vorrichtung mit einer genau ausgebildeten Funktionsschicht wie etwa ein Halbleiterlaser erzielt werden. Dieser Halbleiterlaser weist außerdem eine ausgezeichnete thermische Charakteristik auf.
  • Wenn ferner eine Quantentopfstruktur mit dem gestuften Bänderdiagramm ausgebildet wird, können Vorrichtungen wie etwa ein Halbleiterlaser mit einer ausgezeichneten hochschnellen Charakteristik aufgebaut werden.
  • Ferner können verbesserte Eigenschaften wie etwa ein niedriger Schwellenwert durch eine Vorrichtung mit einer Quantentopfstruktur erzielt werden. Die Quantentopfstruktur kann in eine Mehrfachquantentopfstruktur ausgebildet werden. Der Schwellenwert eines Halbleiterlasers kann durch Einfügen einer Quantendrahtstruktur darin weiter verringert werden.
  • Wenn zudem ein GaAs-Substrat verwendet wird, wird InGaAs als eine Topfschicht durch Nitrifizieren von InGaAs durch das vorstehend beschriebene Verfahren ausgebildet, und GaAs wird als Barrierenschicht verwendet, und ein Laser in einem 1,3 μm bis 1,55 μm-Band mit ausgezeichneter Wärmecharakteristik, der zur Kommunikation besonders geeignet ist, kann erhalten werden.
  • Außerdem kann durch das vorstehend beschriebene Verfahren hergestelltes GaInAsN/AlAs als ein Vielschicht-(Epitaxie-)Spiegel in einem Oberflächenemissionslaser mit Vertikalresonator anstelle von GaAs/AlAs verwendet werden. Dadurch kann die Brechungsindexdifferenz und dessen Wärmecharakteristik verbessert werden.
  • Weiterhin können ein erfindungsgemäß hergestellter Laser und eine Steuerschaltung zur Modulation von dessen Ausgabelicht einen optischen Transmitter zur Ausgabe eines optischen Signals bilden. Der Laser kann durch die Steuerschaltung direkt moduliert werden. Im Einzelnen muss gemäß einem Übertragungssignal modulierter Strom lediglich dem Laser unter einer Bedingung zugeführt werden, unter der ein vorbestimmter Strom oder eine vorbestimmte Spannung daran angelegt wird.
  • Zudem kann durch das vorstehend beschriebene Verfahren ein Photodetektor hergestellt werden.
  • Sowohl der Laser als auch der Photodetektor der Erfindung können zumindest eine ausgezeichnete Wärmecharakteristik, ein ausgezeichnetes hochschnelles Ansprechen oder eine hohe Effizienz aufweisen. Daher können unter Verwendung dieser Vorrichtungen optische Transmitter und Empfänger mit guter Qualität verwirklicht werden. Optische Kommunikationssysteme mit praktischer Anwendbarkeit und ausgezeichneter Qualität können ebenfalls unter Verwendung dieser Vorrichtung gebaut werden.
  • Diese Vorteile und andere sind in Verbindung aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung leicht ersichtlich.
  • 1 zeigt eine Schnittansicht entlang einer Lateralrichtung eines Lasers in Rippenbauart nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 2 zeigt eine Schnittansicht eines Oberflächenemittierenden Lasers mit Vertikalresonator nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 3 zeigt eine Ansicht zur Darstellung eines Beispiels der Bänderstruktur einer aktiven Schicht bei einem dritten Ausführungsbeispiel, das unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens hergestellt ist.
  • 4 zeigt eine Ansicht zur Darstellung eines Beispiels der Bänderstruktur einer aktiven Schicht bei einem vierten Ausführungsbeispiel, das unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens hergestellt ist.
  • 5 zeigt eine Schnittansicht entlang einer Längsrichtung eines Quantendrahtlasers nach einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 6 zeigt ein schematisches Blockschaltbild zur Darstellung der Struktur eines Knotens bei einem System nach 7 oder 8.
  • 7 zeigt ein schematisches Blockschaltbild zur Darstellung der Struktur eines optischen LAN-Systems in Bus-Bauart unter Verwendung einer erfindungsgemäßen optischen Halbleitervorrichtung.
  • 8 zeigt ein schematisches Blockschaltbild zur Darstellung der Struktur eines optischen LAN-Systems in Schleifen-Bauart unter Verwendung einer erfindungsgemäßen optischen Halbleitervorrichtung.
  • Nachstehend sind Ausführungsbeispiele mit spezifischen Strukturen beschrieben.
  • Erstes Ausführungsbeispiel
  • 1 zeigt ein Beispiel für eine Laserwaferstruktur, die durch ein erstes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren hergestellt ist. 1 zeigt eine Schnittansicht in einer zu deren Resonatorrichtung senkrechten Richtung. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel werden anfangs eine n-GaAs-Pufferschicht 2 mit einer Dicke von 1 μm, eine n-InGaP-Mantelschicht 3, die gitterangepasst ist, und deren Dicke 1 μm ist, eine undotierte separat Ladungsträger- und optisch einschließende GaAs-Heterostrukturschicht (SCH) 4 mit einer Dicke von 50 nm, und eine druckverspannte undotierte InGaAs-Schicht (wobei deren In-Gehalt und Ga-Gehalt 15% bzw. 85% ausmachen) mit einer Dicke von 5 nm auf einem n-GaAs-Substrat 1 durch ein chemisches Strahlepitaxieverfahren (CBE) aufgewachsen. Dabei werden Arsin (AsH3) und Phosphin (PH3), die bei 900°C thermisch zersetzt werden, als Elemente der Gruppe V verwendet, und Trimethylindium (TMI) und Trimethylgallium (TEG) als Elemente der Gruppe III verwendet, und die Wachstumstemperatur ist auf 550°C eingestellt. Danach wird die Substrattemperatur bei 800°C gehalten, und das Substrat wird mit Arsin bestrahlt und durch ECR Stickstoff-plasmolisiert. Während der Bestrahlung werden die Flüsse von Arsin und Stickstoff auf 0,1 sccm bzw. 10 sccm eingestellt, und diese Werte werden für zehn (10) Minuten beibehalten. Die Projektionsleistung der ECR und der Vakuumgrad können auf 30 W bzw. etwa 5 × 10–5 Torr eingestellt werden. Dadurch wird die druckverspannte undotierte InGaAs-Schicht mit einer Dicke von 5 nm nitrifikationsverarbeitet und in InGaAsN verändert.
  • Wenn die Strahlungsspitzenwertwellenlängen zwischen dem der Stickstoffbestrahlung unterzogenen InGaAs und dem durch das erfindungsgemäße Verfahren ausgebildeten InGaAsN unter Verwendung von Photolumineszenz (PL) verglichen werden, zeigt dieser Vergleich, dass die Spitzenwertwellenlängen von Letzterem, dass dem Nitrifikationsverfahren unterzogen wurde, bei einer längeren Wellenlänge verschoben ist, beispielsweise 1,3 μm, während die Spitzenwertwellenlänge von Ersterem unverändert bleibt, d. h. 1,1 μm. Dies ist der Tatsache zuzuschreiben, dass ein Anteil von As in InGaAs durch N substituiert wird. Somit kann diese Struktur als eine aktive Schicht in einem Laser verwendet werden, dessen Oszillationswellenlänge sich im 1,3 μm-Band befindet. Das Substitutionsausmaß von Stickstoff wird aus einer durch Röntgenstrahlbeugung bestimmten Gitterkonstante und einer Photolumineszenzwellenlänge auf etwa 1% geschätzt.
  • Unter erneuter Bezugnahme auf 1 werden nach diesem Nitrifikationsvorgang eine undotierte GaAs-Barrierenschicht mit einer Dicke von 10 nm und eine undotierte InGaAs-Schicht mit einer Dicke von 5 nm aufgewachsen. In ähnlicher Weise wird der Nitrifikationsvorgang zur Ausbildung einer weiteren InGaAsN-Schicht erneut durchgeführt. Derartige Vorgänge werden fünfmal wiederholt, um eine aktive Schicht 5 mit fünf Topfschichten auszubilden. Nachdem die fünfte InGaAsN-Schicht ausgebildet ist, werden eine undotierte GaAs-SCH-Schicht 6 mit einer Dicke von 15 nm, eine p-InGaP-Mantelschicht 7 mit einer Dicke von 1 μm und eine p-GaAs-Kontaktschicht 8 mit einer Dicke von 0,3 μm ausgebildet. Dadurch kann eine Laserstruktur gemäß der Darstellung aus 1 erhalten werden, die eine derart tiefe Topfstruktur aufweist, dass Ladungsträger nicht leicht daraus überfließen, falls ihre Temperatur ansteigt.
  • Der somit gewachsene Wafer wird in eine Rippenbauart mit einer Wellenleiterbreite von 2 μm geformt, wie es in 1 dargestellt ist, und dies wird als ein Laser mit einer Resonatorlänge von 300 μm bewertet. Sein Schwellenwert während eines kontinuierlichen Betriebes bei Raumtemperatur beträgt ungefähr 20 mA, und seine charakteristische Temperatur T0 bei 150 K kann erhalten werden, wenn die charakteristische Temperatur T0 während seines Pulsbetriebes gemessen wird. Mit steigender charakteristischer Temperatur T0 verringert sich das Ausmaß der Änderung beim Schwellenwert relativ zum Anstieg bei der Temperatur. Dieser Wert ist im Vergleich zu einem Durchschnittswert von 60 K bei einer bekannten Vorrichtung der InGaAsP/InP-Reihe ausgesprochen ausgezeichnet. Daher kann die Qualität der aufgewachsenen Schicht und dergleichen verbessert und der Schwellenwert verringert werden, indem die Bedingungen des Nitrifikationsvorgangs, der Stromeinschränkungsstruktur und dergleichen optimiert werden (im vorstehenden Fall beispielsweise die Bedingungen des Arsinflusses, des Stickstoffflusses und der Substrattemperatur). Daher kann die Vorrichtung als ein Laser zur Kommunikation verwendet werden, der frei von Temperatursteuerung angesteuert werden kann.
  • Obwohl bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel die Nitrifikationsverarbeitung der Oberfläche der InGaAs-Schicht durchgeführt wird, ist es möglich, dass nach Aufwachsen von GaInNAs durch Zufuhr von Stickstoff auch während der Wachstumszeit deren Stickstoffgehalt vor Ort bewertet wird, und dann der vorstehend beschriebene Nitrifikationsvorgang durchgeführt wird. Dabei ist das Bänderdiagramm einer aktiven Schicht ähnlich zu der von der Vorrichtung nach 1, und die dem Nitrifikationsvorgang unterzogene Schicht ist eine Schicht, welche das tiefste Grundniveau aller Topfschichten bildet, oder welches hauptsächlich zur Laseroszillation beiträgt. Daher können die Eigenschaften eines Lasers durch Einfügen der dem Nitrifikationsvorgang unterzogenen Schicht darin verbessert werden.
  • In 1 bezeichnet das Bezugszeichen 9 eine isolierende Schicht, und die Bezugszeichen 10 und 11 bezeichnen n-seitige bzw. p-seitige Elektroden. Die Vorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist als eine Fabry-Perot-Struktur beschrieben, aber die Vorrichtung kann als ein Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB) aufgebaut werden, indem darin ein Beugungsgitter ausgebildet wird.
  • Zweites Ausführungsbeispiel
  • Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel wird die Vorrichtung als ein Kantenemittierender Laser betrieben, aber die Vorrichtung kann als Oberflächenemittierender Laser mit Vertikalresonator betrieben werden, wie es in 2 dargestellt ist, indem eine ähnliche Schichtstruktur um ihre aktive Schicht ausgebildet wird. Die Struktur gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist nachstehend beschrieben.
  • Nach 2 werden durch ein erfindungsgemäßes Verfahren ein aus zwanzig (20) Paaren n-GaAs/AlAs (wobei die Dicke jeder Schicht λ/4 beträgt) bestehender verteilter Reflektorspiegel 202, eine n-InGaP-Mantelschicht 203, eine GaAs-Abstandsschicht 204, eine ähnlich zu der aus 1 aus einer InGaAsN/GaAs-Mehrfachschicht zusammengesetzte aktive MQW-Schicht (zehn Töpfe) 205, eine GaAs-Abstandsschchicht 206, einen aus 30 Paaren p-GaAs/AlAs (wobei die Dicke jeder Schicht λ/4 beträgt) bestehender verteilter Reflektorspiegel 207, und eine p-GaAs-Kontaktschicht 208 auf einem n-GaAs-Substrat 207 aufgewachsen.
  • Da hierbei die Dicke jeder Topfschicht (zehn Töpfe) in der aktiven Schicht 205 groß ist, kann der Fall auftreten, dass die Dicke eine kritische Schichtdicke aufgrund der Verspannung von InGaAsN erreicht. Dabei ist es möglich, dass die Barrierenschicht aus einer InGaAsP-Schicht ausgebildet ist, und eine zu der Verspannung der Topfschicht entgegengesetzte Verspannung in die Barrierenschicht eingeführt wird, um eine aktive Schicht aus einer Verspannungskompensationsart zu etablieren. Wenn dabei P im Kristall enthalten ist, agiert der Kristall als eine Stoppschicht, um zu vermeiden, dass die Nitrifikation jenseits eines Entwurfswertes in der Tiefenrichtung fortschreitet. Diese Wirkung ist der Tatsache zuzuschreiben, dass die Substitution von P durch N ein Vorgang ist, der hohe Energie erfordert, während die Substitution von As durch N thermodynamisch stabil fortschreitet.
  • Die GaAs-Abstandsschichten 204 und 206 werden zur Einstellung der Resonatorlänge, des injizierten Stroms usw. bereitgestellt, und sind aus einem gegenüber Licht transparenten Material ausgebildet. Der verteilte Reflektorspiegel 207 und die Kontaktschicht 208 über der aktiven Schicht 205 sind in eine kreisförmige Struktur mit einem Durchmesser von 10 μm ausgebildet, und ein kurzer Resonator ist durch die Reflektorspiegel 202 und 207 ausgebildet. Oszillationslicht wird aus der Seite des Substrates 201 herausgeführt. Zu diesem Zweck ist die Bodenoberfläche des Substrates 201 in eine spiegelnde Oberfläche poliert.
  • In 2 bezeichnet das Bezugszeichen 209 eine isolierende Schicht, das Bezugszeichen 210 bezeichnet eine auf der Kontaktschicht 208 ausgebildete Elektrode, und das Bezugszeichen 211 bezeichnet eine auf einer unteren Elektrode des Substrates 201 ausgebildete kreisförmige Elektrode, durch dessen zentrale Öffnung das Oszillationslicht herausgeführt wird.
  • Da der Resonator in einer derartigen Struktur kurz ist, kann durch Optimieren der Struktur ein sehr geringer Schwellenwert erhalten werden. Wenn im Stand der Technik ein derartiger Oberflächenemittierender Laser mit Vertikalresonator in einem 1,3 μm-Band oszillieren soll, sind seine Oszillationseigenschaften bei hohen Temperaturen äußerst schlecht und die Vorrichtung ist unpraktisch, weil die Temperaturcharakteristik eines Kristalls der InGaAs/InP-Reihe schwach ist.
  • Erfindungsgemäß kann ein Oberflächen emittierender Laser mit Vertikalresonator in einem zur Kommunikation geeigneten Wellenlängenbereich in die Praxis umgesetzt werden.
  • Im Falle eines Oberflächenemittierenden Lasers mit Vertikalresonator kann zudem die Erfindung auf einem dessen Resonator bildenden Reflektorspiegel angewendet werden. Ein Mehrfachspiegel kann beispielsweise durch abwechselndes Schichten von AlAs und GaInAsN erhalten werden, das durch die Substitution mit Stickstoff ausgebildet wird. Dessen thermische Charakteristik kann durch Anwenden einer derartigen Struktur stark verbessert werden.
  • Bei dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel wird InGaAsN durch Nitrifizieren von InGaAs hergestellt, da eine Vorrichtung im 1,3 μm-Band vorgegeben ist. Es können jedoch andere III–V-Halbleiter verwendet werden. Dabei kann In, Ga und Al als Element der Gruppe III verwendet werden, Sb, As und P können als Element der Gruppe V verwendet werden, und das Element der Gruppe V wird durch den Nitrifikationsvorgang teilweise durch Stickstoff substituiert. Somit kann eine Halbleiterschicht ausgebildet werden, deren Energiebandlücke in einem breiten Bereich variiert. Dadurch kann bei verschiedenen Wellenlängenbereichen ein ähnliches Herstellungsverfahren verwendet werden.
  • Drittes Ausführungsbeispiel
  • Das dritte Ausführungsbeispiel betrifft ein erfindungsgemäßes Halbleiterherstellungsverfahren, bei dem die einfache Herstellung eines Nitrithalbleiters verwendet wird, und die Bänderstruktur eines Quantentopfs flexibel eingestellt werden kann, ähnlich wie bei dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel. Ein Beispiel der Bänderstruktur der Schichten um eine aktive Schicht ist in 3 dargestellt.
  • Die Laserstruktur unterscheidet sich von dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel lediglich in der Struktur der aktiven Schicht. D. h., nachdem eine InGaAs-Topfschicht mit einer Dicke von 7 nm aufgewachsen ist, wird ein Nitrifikationsvorgang ähnlich zu dem gemäß dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel zur Verringerung des Leitungsbandniveaus durchgeführt. Die InGaAs-Topfschicht wird jedoch nur bis zu einer Tiefe von 5 nm von ihrer Oberfläche zur Ausbildung von InGaAsN 304 nitrifiziert, und das verbleibende InGaAs 303 mit einer Dicke von 2 nm bleibt unverändert. Nach einem derartigen Vorgang werden das Wachstum von InGaAs 305 mit einer Dicke von 2 nm, einer GaAs-Barrierenschicht 306 mit einer Dicke von 5 nm und einer InGaAs-Topfschicht mit einer Dicke von 7 nm sowie der Nitrifizierungsvorgang bis zu einer Tiefe von 5 nm zur Ausbildung einer aktiven Fünftopfschicht mit einer gestuften Topfstruktur gemäß der Darstellung aus 3 wiederholt. In 3 bezeichnet das Bezugszeichen 301 eine Mantelschicht, und das Bezugszeichen 302 bezeichnet eine SCH-Schicht.
  • Bei einer derartigen Struktur kann eine Verbesserung ihrer Quanteneinschlusswahrscheinlichkeit von Ladungsträgern in einer Topfstruktur erwartet werden, bei der eine Hochenergieseite ihres Leitungsbandes relativ breit und eine Niedrigenergieseite ihres Leitungsbandes schmal ist. Somit kann ein Halbleiterlaser, der zur Durchführung einer Hochgeschwindigkeitsmodulation befähigt ist, und ein ausgezeichnetes hohes Ansprechverhalten zeigt, bereitgestellt werden.
  • Viertes Ausführungsbeispiel
  • Das vierte Ausführungsbeispiel richtet sich auf ein weiteres Beispiel einer Bänderstruktur, die durch ein zu dem vorstehend beschriebenen Verfahren ähnliches Herstellungsverfahren hergestellt ist.
  • Nachdem eine dicke InGaAs-Topfschicht mit einer Dicke von 10 nm aufgewachsen ist, und ein Nitrifikationsvorgang dieser Schicht durchgeführt ist, werden eine InGaAs-Schicht 403 mit einer Dicke von 5 nm und eine InGaAsN-Schicht 404 mit einer Dicke von 5 nm erhalten. Dann wird eine dünne GaAs-Barrierenschicht 405 mit einer Dicke von 3 nm ausgebildet, und daher wird eine Struktur gemäß der Darstellung aus 4 erhalten. In 4 bezeichnet das Bezugszeichen 401 eine Mantelschicht, und das Bezugszeichen 402 bezeichnet eine SCH-Schicht.
  • Da bei einer derartigen Struktur die Barrierenschicht 405 so dünn ist, kann die Vorrichtung als eine optische hochschnelle Vorrichtung arbeiten, die den Tunneleffekt von Elektronen verwendet. Die Vorrichtung kann beispielsweise als superhochschneller Photodetektor arbeiten, indem ein elektrisches Sperrfeld daran angelegt wird. Wenn zudem hochschnelle Modulationsladungsträger in die Vorrichtung injiziert werden, an die ein elektrisches Sperrfeld angelegt ist, wird eine Populationsinversion zwischen dem Grundniveau und den ersten Quantentopfniveaus in ihrem Quantentopf aufgrund des Tunnelphänomens von Elektronen erzeugt. Daher kann eine superhochschnelle Modulation eines Halbleiterlasers unter Verwendung des Intersubbandübergangs von Elektronen durchgeführt werden.
  • Somit kann eine Struktur mit einem ähnlichen stufenartigen Bänderdiagramm durch Steuern der Bedingungen des Nitrifikationsvorgangs, der Zusammensetzung des Verbindungshalbleiters, seiner Dicke usw. leicht hergestellt werden.
  • Fünftes Ausführungsbeispiel
  • Das fünfte Ausführungsbeispiel richtet sich auf ein Herstellungsverfahren zur Herstellung von InGaAsN in der Form einer Quantendrahtstruktur durch Ausbilden einer unebenen Fläche auf einem GaAs-Substrat und Aufwachsen eines Quantentopfs, der diese Unebenheit gemäß der Darstellung aus 5 reflektiert.
  • 5 zeigt eine Schnittansicht eines Rippenabschnitts entlang einer Resonatorrichtung. Ein Gitter 502 mit einer Tiefe von 100 nm und einem Maß von 200 nm wird auf einem GaAs-Substrat 501 ausgebildet, und eine InGaP-Mantelschicht 503, eine GaAs-SCH-Schicht 504 und eine InGaAs-Topfschicht werden ähnlich zu dem ersten Ausführungsbeispiel aufgewachsen. Bei der Topfschicht gibt es eine unebene Form, obwohl die Tiefe des Beugungsgitters leicht reduziert ist. Wenn ein Nitrifikationsvorgang durchgeführt wird, schreitet daher die Nitrifikation um einen Vertiefungsabschnitt voran, da das Verbindungspotenzial im Vertiefungsabschnitt gering ist. Folglich können eine große Anzahl von InGaAsN-Quantendrähten 505 mit einer Breite von etwa 10 nm und einem niedrigen Quantenniveau entlang des Vertiefungsabschnitts ausgebildet werden. Eine aktive Mehrfachquantendrahtschicht 506 kann durch Ablagern einer Vielzahl von Schichten aus diesen Quantendrähten 505 hergestellt werden, wie es bei dem ersten Ausführungsbeispiel durchgeführt wird. In 5 bezeichnet das Bezugszeichen 507 eine GaAs-SCH-Schicht, das Bezugszeichen 508 bezeichnet eine InGaP-Mantelschicht, das Bezugszeichen 509 bezeichnet eine Kontaktschicht, und die Bezugszeichen 510 und 511 bezeichnen jeweils Elektroden. Bei einer derartigen Vorrichtung kann die Oszillation in einer einzelnen Längsmode ähnlich zum Betrieb eines gewöhnlichen DFB-Lasers bewirkt werden.
  • Die Laserstruktur kann eine Oberflächenemittierende Bauart mit Vertikalresonator sein, wie sie beim zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben ist. Dabei führt die unebene Form keinen verteilten Rückkopplungsbetrieb von Licht durch.
  • Somit kann ein zum hochschnellen Betrieb befähigter Laser mit geringem Schwellenwert und dergleichen durch Verwenden dieser Quantendrahtstruktur erzielt werden.
  • Sechstes Ausführungsbeispiel
  • Das sechste Ausführungsbeispiel ist nachstehend unter Bezugnahme auf die 6, 7 und 8 beschrieben. Das sechste Ausführungsbeispiel richtet sich auf ein optisches Lokalbereichsnetzwerksystem (LAN) unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung. 6 stellt eine optoelektrische Wandlereinheit (Knoten) dar, die mit einem Endgerät in dem in den 7 oder 8 gezeigten optischen LAN-System verbunden ist.
  • Bei dem in 7 gezeigten Netzwerk in Bus-Bauart sind eine Anzahl von Endgeräten 811, 812, ..., und 815 jeweils mit einer optischen Faser 800 durch Knoten 801, 802, ..., und 805 entlang einer Richtung A–B verbunden. An einigen Stellen auf der optischen Faser 800 sind (nicht gezeigte) optische Verstärker zur Kompensation der Dämpfung von übertragenem Signallicht in Reihe geschaltet.
  • Gemäß 6 wird ein Lichtsignal in einen Knoten 701 durch eine optische Faser 700 eingeführt, und ein Abschnitt des Signals wird in eine optische Empfangseinrichtung 703 durch eine Aufteileinrichtung oder eine Verzweigungsvorrichtung 702 eingegeben. Die optische Empfangseinrichtung 703 beinhaltet ein abstimmbares optisches Filter und einen Photodetektor, und nur Signallicht mit einer gewünschten Wellenlänge wird aus dem einfallenden Signallicht ausgewählt, und das Signal wird erfasst. Das somit erfasste Signal wird durch eine Steuerschaltung zur Zufuhr an das Endgerät verarbeitet. Die Vorrichtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel kann als der Photodetektor in der Empfangseinrichtung 703 verwendet werden.
  • Wenn andererseits ein Lichtsignal von dem Knoten 701 übertragen wird, wird ein Halbleiterlaser 704 gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel durch eine Steuerschaltung gemäß dem zu übertragenen Signal geeignet angesteuert. Somit wird das Ausgabelicht eines amplitudenmodulierten Signals in die Lichtübertragungsleitung 700 durch einen Kombinationsabschnitt 706 eingegeben.
  • Eine Vielzahl von abstimmbaren optischen Filtern und Halbleiterlasern kann in einem Knoten zur Aufweitung des Wellenlängenveränderlichen Bereichs angeordnet sein. Zudem können zwei Knoten mit jedem Endgerät verbunden sein, und zwei optische Fasern können zum Erreichen einer bidirektionalen Übertragung eines DQDB-Systems bereitgestellt werden.
  • Als Netzwerk kann eine Schleifenbauart (vergleiche 8), die durch Verbinden der Punkte A und B aus 7 aufgebaut werden kann, eine Sternbauart oder eine Verbindungskonfiguration daraus verwendet werden. In 8 bezeichnet das Bezugszeichen 900 eine Lichtübertragungsleitung, die Bezugszeichen 901 bis 906 bezeichnen jeweils optische Knoten, und die Bezugszeichen 911 bis 916 bezeichnen jeweils Endgeräte. Gemäß vorstehender Beschreibung können erfindungsgemäß die nachstehend aufgeführten technischen Vorteile erhalten werden.
  • Es ist nicht nötig, den Fluss von Stickstoff während des Wachstumsvorgangs eines Kristalls genau zu steuern. Ferner kann ein Verfahren zur Herstellung einer Heteroepitaxieschicht aus einer Stickstoff enthaltenden III–V-Halbleiterschicht, einer optischen Halbleitervorrichtung wie etwa einem Halbleiterlaser, der eine Stickstoff enthaltende III–V-Halbleiterschicht als aktive Schicht verwendet und eine ausgezeichnete Wärmecharakteristik aufweist, sowie einer optischen Halbleitervorrichtung wie etwa einem Halbleiterlaser bereitgestellt werden, der eine Stickstoff enthaltende III–V-Halbleiterschicht als aktive Schicht verwendet, und ausgezeichnetes hochschnelles Ansprechen aufweist.
  • Wenn die Substitution durch Stickstoff selektiv ausgeführt wird, und eine Stickstoff enthaltende Halbleiterschicht sowie eine Schicht ohne Stickstoff in einem verteilten Muster ausgebildet werden, kann zudem eine feine Struktur wie etwa ein Quantendraht leicht hergestellt werden. Zudem kann eine optische Halbleitervorrichtung wie etwa ein Halbleiterlaser, der einen Quantendraht aus einem Stickstoff enthaltenden III– V-Halbleiter als eine aktive Schicht verwendet, und eine ausgezeichnete Effizienz aufweist, sowie ein Halbleiterlaser in einem 1,3 μm bis 1,55 μm-Band zur Kommunikation bereitgestellt werden, der eine ausgezeichnete Wärmecharakteristik aufweist.
  • Darüber hinaus kann eine optische Übertragungseinrichtung und eine optische Sende-/Empfangseinrichtung, die jeweils eine erfindungsgemäße Vorrichtung verwenden und stabil bei hoher Geschwindigkeit arbeiten, sowie ein optisches Kommunikationssystem und ein Kommunikationsverfahren bereitgestellt werden, die jeweils eine erfindungsgemäße Vorrichtung verwenden, und optische Kommunikation bei hoher Geschwindigkeit stabil durchführen.
  • Soweit es vorliegend nicht anders offenbart ist, sind die verschiedenen umriss- oder blockartig in einer der 1–8 gezeigten Bestandteile auf dem Gebiet optischer Halbleitervorrichtungen, deren Herstellungsverfahren und der optischen Kommunikation individuell gut bekannt, und ihr interner Aufbau und Betriebsweise sind vorliegend nicht beschrieben.
  • Während die Erfindung vorliegend bezüglich dessen beschrieben ist, was derzeit als bevorzugte Ausführungsbeispiele betrachtet werden, ist ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Die Erfindung soll vielmehr die verschiedenen innerhalb des Bereiches der beigefügten Patentansprüche enthaltenen Abwandlungen und Äquivalentenanordnungen abdecken.

Claims (12)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung mit einem Verbindungshalbleiterkristall mit: einem Schritt zum Bestrahlen eines Abschnitts des Verbindungshalbleiterkristalls, der zumindest ein Abschnitt einer Schicht der Vorrichtung wird, mit einem Material, das zumindest Stickstoff beinhaltet, damit ein Element der Gruppe V des bestrahlten Abschnitts durch Stickstoff substituiert wird, gekennzeichnet durch einen Schritt zum derartigen Ausbilden eines zweiten Abschnitts, der ein anderes Element der Gruppe V enthält, welches mehr Energie für eine Substitution durch Stickstoff erfordert als das Element der Gruppe V, das durch Stickstoff zu substituieren ist, als eine Schicht unter dem Abschnitt, dessen Element der Gruppe V durch Stickstoff zu substituieren ist, dass die Substitution durch Stickstoff in dem zweiten Abschnitt während des Bestrahlungsschrittes verhindert wird.
  2. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei die Substitution durch Stickstoff durch Substituieren eines Anteils des Elementes der Gruppe V durch Stickstoff durchgeführt wird.
  3. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Substitution durch Stickstoff durch Substituieren von nicht mehr als etwa 20% des Elementes der Gruppe V durch Stickstoff durchgeführt wird.
  4. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Substitution durch Stickstoff derart durchgeführt wird, dass ein Verspannungsausmaß des Abschnitts, dessen Element der Gruppe V durch Stickstoff substituiert wird, nicht über etwa einigen % liegt.
  5. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Substitution durch Stickstoff bis zu einer vorbestimmten Tiefe des Abschnitts durchgeführt wird.
  6. Herstellungsverfahren nach Anspruch 5, wobei die Substitution durch Stickstoff bis zu einer vorbestimmten Tiefe des Abschnitts durchgeführt wird, wobei die Tiefe eine kritische Schichtdicke des Abschnitts nicht überschreitet, dessen Element der Gruppe V durch Stickstoff substituiert wird.
  7. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Bestrahlung mit dem zumindest Stickstoff beinhaltenden Material eine Bestrahlung mit Stickstoffplasma oder Ammoniakgas ist.
  8. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Bestrahlung mit dem zumindest Stickstoff beinhaltenden Material eine Bestrahlung mit einem Material ist, das Stickstoff und eine geringe Menge des Elementes der Gruppe V beinhaltet, das in dem bestrahlten Abschnitt enthalten ist.
  9. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner mit einem Schritt zum Wachsen eines Kristalls aus einem III–V-Verbindungshalbleiter nach dem Schritt zum Bestrahlen mit dem zumindest Stickstoff beinhaltenden Material.
  10. Herstellungsverfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt zum Bestrahlen mit dem zumindest Stickstoff beinhaltenden Material und der Schritt zum Wachsen des Kristalls aus einem III–V-Verbindungshalbleiter abwechselnd wiederholt werden.
  11. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei eine Quantentopfstruktur mit einer Topfschicht mit einem gestuften Bänderdiagramm durch die Substitution durch Stickstoff ausgebildet wird.
  12. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei eine unebene Oberfläche auf dem mit dem zumindest Stickstoff beinhaltenden Material zu bestrahlenden Abschnitt ausgebildet wird, und ein Abschnitt, dessen Stickstoffgehalt hoch ist, an einem vertieften Abschnitt der unebenen Oberfläche durch das Bestrahlen mit dem zumindest Stickstoff beinhaltenden Material ausgebildet wird.
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