Spannungskompensierende AlGaAsP-Schichten in GaAs-basierten Kantenemittern

Kantenemittierende Halbleiter-Laserdioden für hohe optische Ausgangsleistungen werden vorzugsweise im Materialsystem GaAs/AlGaAs realisiert. Eine Verbreiterung der vertikalen Intensitätsverteilung im Laserresonator verringert dabei die Leistungsdichte an den Facetten und ermöglicht höhere Ausgangsleistungen. Dafür werden Schichtpakete mit Dicken bis über 6 µm benötigt. Auch bipolare Kaskadenlaser ("Nanostacks") eignen sich für sehr hohe Ausgangsleistungen. Hier werden mehrere Laserstufen, jeweils bestehend aus aktiver Zone mit Wellenleiter und Mantelschichten, monolithisch, d.h. beim epitaktischen Wachstum, übereinander "gestapelt". Zwischen den Stufen sorgt eine Tunneldiode für eine elektrisch leitende Verbindung. Auch hier werden Gesamtdicken von über 6 µm erreicht.

Bei Gesamtdicken von > 6 µm kann jedoch eine ausgeprägte konvexe Waferkrümmung mit Krümmungsradien < 6 m auftreten – obwohl die Gitterfehlanpassung von AlAs zu GaAs bei Raumtemperatur mit ~0,14% verhältnismäßig klein ist. Dies kann zu Beeinträchtigungen bei der Waferprozessierung und vorzeitigem Ausfall solcher Laserdioden führen. Daher sollen die Waferkrümmung und Kompensation der Gesamtverspannung in solchen, überwiegend aus Al_xGa_1‑xAs-Wellenleiter- und Mantelschichten bestehenden Halbleiter-Laserdioden, minimiert werden.

Dazu werden in den Al_xGa_1‑xAs-Mantelschichten ein Teil der Arsenatome durch kleinere Phosphoratome ersetzt. Dies führt zu einer kleineren Gitterkonstanten und reduziert die kompressive Verspannung. Bei einer Al_xGa_1‑xAs-Schicht ist die kompressive Verspannung bei üblichen Wachstumstemperaturen von 700-800°C mit ~0,02% deutlich kleiner als bei Raumtemperatur. Eine Zugabe von typischerweise 1-4% Phosphor führt bei Wachstumstemperatur daher zu einer tensilen Verspannung. Um eine Versetzungs- oder sogar Rissbildung beim Wachstum zu vermeiden, darf die verspannungsabhängige kritische Schichtdicke daher nicht überschritten werden.

Idealerweise lässt sich ein solcher Wachstumsprozess mithilfe einer in-situ Krümmungsmessung verfolgen und kontrollieren. Abb. 1a zeigt Krümmungstransienten während des Wachstums von Al_xGa_1‑xAs_yP_1‑y-Schichten in der metallorganischen Gasphasenepitaxie. Mit einer 500 nm dicken Al_0.85Ga_0.15As_0.96P_0.04-Schicht wird die kompressive Verspannung einer 150 nm dicken Al_0.85Ga_0.15As-Schicht bei Raumtemperatur bereits etwas überkompensiert, allerdings weist die zugehörige HRXRD-Messung in Abb. 1b bereits auf eine verschlechterte Kristallqualität hin. Eine 300 nm dicke Al_0.85Ga_0.15As_0.96P_0.04-Schicht (3) führt zu einer nur geringen kompressiven Restspannung bei guter Kristallqualität.

Es ist daher ratsam, anstatt einer sehr dicken Al_xGa_1‑xAs_yP_1‑y-Schicht mehrere dünnere, über die Vertikalstruktur verteilte Al_xGa_1‑xAs_yP_1‑y-Schichten zu verwenden. Ein solches verteiltes Schema zur Spannungskompensation zeigt Abb. 2 am Beispiel eines 2-stufigen Nanostacks. Hier wurden die vier bis zu 350 nm dicken Al_0.85GaAs-Mantelschichten teilweise durch Al_0.85GaAs_0.96P ersetzt. Dadurch konnte die Krümmung um 38 km^-1 reduziert werden.

Mit der in-situ-Messung der Krümmung kann daher die Gesamtverspannung und ihre Verteilung über komplexe Schichtstrukturen optimiert werden.

Publikation:

A. Maaßdorf, U. Zeimer, M. Weyers, "MOVPE-grown Al_xGa_1-xAs_yP_1-y strain compensating layers on GaAs", J. Cryst. Growth 370, pp. 150-153 (2013).

FBH-Forschung: 21.05.2013