BE1007779A3

BE1007779A3 - Opto-electronische halfgeleiderinrichting met een straling-emitterende halfgeleiderdiode en werkwijze van een dergelijke inrichting.

Info

Publication number: BE1007779A3
Application number: BE9301296A
Authority: BE
Inventors: Poorter Johannes A De
Original assignee: Philips Electronics Nv
Priority date: 1993-11-25
Filing date: 1993-11-25
Publication date: 1995-10-17
Also published as: DE69408518D1; EP0655813B1; JPH07193341A; US5578863A; EP0655813A1; DE69408518T2

Abstract

Een opto-electronische halfgeleiderinrichting (10) met een straling-emitterende halfgeleiderdiode (3), bij voorkeur een diodelaser (3), is bijzonder geschikt voor toepassing als stralingsbron in optische lees en schrijf systemen zoals streepjescode lezers, laserprinters een optische schijf systemen. De diode (3) heeft een of twee uittreevlakken voor straling (R) die voorzien zijn van een deklaag (4). In zo'n inrichting (10) blijkt een koolstofrijke depositie op de deklaag (4) van de laser (3) te ontstaan waardoor de output van de diode (3) fluctueert. De depositie kan vermeden worden door organische verontreiniging te vermijden of daarop te selecteren. Dit is omslachtig en duur. Een inrichting (10) volgens de uitvinding heeft het kenmerk dat de diode (3) zich binnen een hermetisch van de buitenwereld (40) afgesloten omhulling (20) bevindt en zich binnen de omhulling (20) een gasvormige oxyderende verbinding (30) bevindt. Verrassenderwijs is gebleken dat een gasvormige oxyderende verbinding (30), bij voorkeur zuurstof, een koolstofrijke depositie op de deklaag (4) tegengaat of teniet doet. Omdat de inrichting (10) hermetisch van de buitenwereld (40) ...

Description

Opto-electronische halfgeleiderinrichting met een straling-emitterende halfgeleiderdiode en werkwijze van een dergelijke inrichting.

De uitvinding heeft betrekking op een opto-electronische halfgeleiderinrichting omvattende een straling-emitterende halfgeleiderdiode waarvan een uittreevlak voor de opgewekte straling voorzien is van een deklaag.

Een dergelijke inrichting is bijzonder geschikt voor toepassingen als stralingsbron in bijvoorbeeld een optische glasvezel systeem, een optische schijf systeem en een streepjes code lezer. In de eerste toepassing ligt de emissie golflengte veelal
EMI1.1
tussen 1 en 1, 5 in de overige toepassingen ligt die veelal tussen 0, en 0, De daarmee corresponderende halfgeleidermateriaal systemen zijn respectievelijk InGaAsP/InP en (Al) GaAs/AlGaAs of InGaP/InAlGaP.

Een dergelijke inrichting met als straling-emitterende diode een (AlGa) As diodelaser is bekend uit het artikel "Analysis of Rapid Degradation in High-Power (AlGa) As Laser Diodes van W. J. Fritz, dat gepubliceerd is in IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 26, no. 1, January 1990, pp. 68-74. De daar beschreven inrichting betreft een in een droge stikstof atmosfeer of in vacuüm geteste diodelaser waarbij de spiegelvlakken die als uittreevlak voor de door de diodelaser opgewekte straling fungeren voorzien zijn van een aluminiumoxyde of een aluminiumoxyde-silicium deklaag. Er is gebleken dat zich op deze deklaag tijdens bedrijf van de diodelaser een koolstofrijke laag afzet die afkomstig is van organische verontreinigingen van de bij het solderen van de diodelaser gebruikte flux en flux reinigingsvloeistof.

In dat geval is de diodelaser niet stabiel, dat wil zeggen dat het uitgangsvermogen in de tijd sterk afneemt (of fluctueert), bijvoorbeeld tengevolge van verandering van de (effectieve) reflectie van de straling aan het van de deklaag voorziene spiegelvlak. Door meer stringente reinigingsvoorschriften en selectie op grond van het gehalte aan koolwaterstoffen werden sterk verbeterde karakteristieken verkregen.

Een nadeel van de bekende inrichting is dat deze vanwege de stringente eisen met betrekking tot reiniging relatief moeilijk te vervaardigen is en daardoor

relatief duur is. De prijs van de bekende inrichting wordt ook ongunstig beïnvloed door de uitval bij het selectie proces.

De onderhavige uitvinding beoogt onder meer een opto-electronische halfgeleiderinrichting met een straling-emitterende diode waarvan een uittreevlak voor straling voorzien is van een deklaag te verkrijgen die de genoemde bezwaren niet of althans in veel mindere mate heeft en die gemakkelijk en goedkoop te vervaardigen is en die zeer stabiel is en derhalve een grote levensduur bezit.

Een opto-electronische inrichting van de in de aanhef genoemde soort heeft daartoe volgens de uitvinding het kenmerk dat de straling-emitterende halfgeleiderdiode zich binnen een hermetisch van de buitenwereld afgesloten omhulling bevindt en zich binnen de omhulling een gasvormige oxyderende verbinding bevindt. Het is verrassenderwijs gebleken dat de aanwezigheid van een gasvormige oxyderende verbinding binnen de omhulling de depositie van een koolstofnjke laag op de deklaag van laser spiegels tegengaat. Bij onderzoek in het laboratorium van aanvraagster is namelijk gevonden dat een deel van op dezelfde wijze vervaardigde bekende inrichtingen aanzienlijk minder fluctuaties van de output van de diodelaser vertoonde dan een ander deel. Nader onderzoek toonde aan dat die inrichtingen waarvan de diodelasers de minste fluctuatie vertoonde, lek waren.

Dankzij de daarin binnengedrongen zuurstof trad de depositie van de koolstofrijke laag op de deklaag van de laserspiegel niet op.

Kennelijk bezit een gasvormige oxyderende verbinding in combinatie met de tijdens bedrijf van de diodelaser opgewekte warmte en straling het vermogen de depositie van zo'n koolstofrijke (vloeibare of vaste) laag vanuit de atmosfeer binnen de inrichting op de deklaag van de diodelaser te verhinderen of ongedaan te maken. Mogelijk worden hierbij koolstof of gasvormige koolstof houdende verbindingen omgezet in bijvoorbeeld kooldioxyde dat gasvormig is of in andere gasvormige verbindingen, bijvoorbeeld in verbindingen die niet of minder gemakkelijk polymeriseren, waardoor een neerslag op de deklaag achterwege blijft of ongedaan wordt gemaakt. Dankzij het gebruik van een hermetisch van de buitenwereld afgesloten omhulling wordt bereikt dat geen waterdamp of andere ongewenste (want mogelijk agressieve) gassen in de inrichting binnendringen.

Daarmee wordt dan voorkomen dat degradatie van de diodelaser, bijvoorbeeld door middel van corrosie, optreedt. Door deze combinatie van maatregelen bezitten inrichtin-

gen volgens de uitvinding bijzonder stabiele eigenschappen en een zeer hoge levensduur.

Als gasvormige oxyderende verbinding kunnen diverse verbindingen gekozen worden zoals ozon of koolmonoxyde. Bij voorkeur wordt als gasvormige oxyderende verbinding zuurstof gebruikt. Hiermee zijn zeer goede resultaten verkregen en bovendien is zuurstof bij normale temperatuur en druk een gas waardoor het eenvoudig in de inrichting gebracht kan worden voor dat deze hermetisch afgesloten wordt van de omgeving. Dit op verschillende manieren gebeuren. Bij voorkeur is de inrichting gevuld met een droog en schoon inert gas, zoals droge en schone stikstof of argon bevindt, waaraan een bepaald gehalte aan zuurstof is toegevoegd. Reeds zeer lage concentraties van zuurstof zijn geschikt gebleken om de genoemde problemen te vermijden, bijvoorbeeld een gehalte van ongeveer 0. 2 vol. %.

Het gewenste zuurstof gehalte wordt mede bepaald door de hoeveelheid organisch materiaal (organische verontreiniging) die zich binnen de inrichting bevindt op het moment dat deze hermetisch van de buitenwereld wordt afgesloten. In die gevallen waarin sprake is van een relatief grote koolstof houdende verontreiniging worden goede resultaten verkregen met een zuurstof gehalte van ongeveer 10 vol. %. Een gehalte van ongeveer 20 vol. % zuurstof heeft het bijkomende voordeel dat gebruik gemaakt kan worden van gedroogde en van andere verontreinigingen ontdane lucht.

Er is gebleken dat de genoemde koolstofrijke depositie vooral plaats vindt bij gebruik van inrichtingen die een diodelaser bevatten die emitteert bij een straling die kleiner is dan ongeveer 1 jum. Bij emissie golflengten groter dan ongeveer 1 cm is er slechts in geringe mate sprake van beinvloeding van chemische reacties van organische verbindingen in de gasfase. Zo'n beinvloeding vindt dan plaats door middel van het opwekken van vibraties in de organische verbindingen. Bij een golflengte die kleiner is dan ongeveer 1 jum neemt de mate van electronische excitatie toe. Deze excitatie is voor organische verbindingen veelal maximaal in het UV (=Ultra Violet) deel van het spectrum. Echter ook bij zichtbare straling spelen deze excitaties een rol bij photochemische reacties.

Met name zijn de hierboven genoemde problemen en de doeltreffendheid van een inrichting volgens de uitvinding waargenomen bij inrichtingen die diodelaser bevatten van (Al) GaAs/AlGaAs of InGaP/InAlGaP. Deze diodelasers emitteren straling met een golflengte tussen ongeveer 0, 6 en ongeveer 0, 9 J. Lm.

Bijzonder goede resultaten zijn verkregen met zogenaamde hoog vermogen diodelasers. Dit zijn diodelasers waarvan het maximaal geëmitteerd optisch vermogen

tenminste ongeveer 10 mW, bij voorkeur tenminste ongeveer 20 mW, bedraagt.

Dergelijke hoge vermogens zijn voor veel toepassingen zoals het beschrijven van optische schijven zeer gewenst. Bij dergelijke dioden treedt het door de uitvinding bestreden probleem het sterkst op. Dat komt vermoedelijk enerzijds door de relatief hoge temperatuur die de deklaag aanneemt bij dergelijke vermogens anderzijds door de hoge optische flux.
EMI4.1

Een werkwijze voor het vervaardigen van inrichtingen volgens de i uitvinding heeft het kenmerk dat de straling-emitterende halfgeleiderdiode, bij voorkeur een diodelaser, in een omhulling wordt geplaatst waarin een gasvormige oxyderende verbinding wordt gebracht waarna de omhulling hermetisch van de buitenwereld wordt afgesloten. In een voorkeursuitvoering van een werkwijze volgens de uitvinding wordt de op een voet bevestigde diode in een las of soldeer inrichting gebracht waarbij de op de voet bevestigde diode omgeven wordt door een inert gas waaraan zuurstof is toegevoegd en waarna door het lassen of solderen van een van een venster voorziene kap op de voet, de diode omhult en hermetisch van de buitenwereld afgesloten wordt.

Van de uitvinding zal thans een nadere toelichting volgen aan de hand van twee uitvoeringsvoorbeelden en de daarbij behorende tekening, waarin figuur 1 schematisch en in een dwarsdoorsnede een uitvoering van een opto-electronische halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding toont ; figuren 2 de inrichting van figuur 1 in een stadium van de vervaardiging met behulp van een werkwijze volgens de uitvinding toont.

De figuren zijn schematisch en niet op schaal getekend, waarbij in het bijzonder de afmetingen van de straling-emitterende halfgeleiderdiode ter wille van de duidelijkheid zijn overdreven. Overeenkomstige delen zijn als regel in de verschillende figuren met hetzelfde verwijzingscijfer aangeduid.

Figuur 1 toont schematisch en in een dwarsdoorsnede een uitvoering van een opto-electronische halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding. De inrichting 10 omvat een omhulling 20 die opgebouwd is uit een metalen montageblok 1, een voet 8 met een metalen wand 9 en een metalen kap 11. Het montageblok 1 bevat een sector-

vormig dragergedeelte 2 waarvan een zijvlak 2A de hartlijn van de inrichting 10 omvat en waarop een straling-emitterende halfgeleiderdiode, hier een laserdiode 3 bevestigd is.

De laserdiode 3 is in dit voorbeeld een (Al)GaAs/AlGaAs halfgeleiderdio- de van het zogenaamde "ridge waveguide" type die straling R emitteert bij een golflengte van ongeveer 780 nm. Een uittreevlak voor de opgewekte straling R van de diodelaser 3, hier beide uittreevlakken, is voorzien van een deklaag 4 die hier aluminiumoxyde bevat. Dankzij deze deklaag 4 zijn de spiegelvlakken van de diodelaser 3 gepassiveerd en is de diodelaser 3 beschermt tegen degradatie tengevolge van (chemische) reacties aan het spiegelvlak.

De dikten van de deklagen 4 zijn hier zo gekozen dat de door de diodelaser 3 opgewekte straling R voor een klein deel in de richting van de wand 9 van de voet 8 valt (dikte van de betreffende deklaag 4 ongeveer 1/2 X) waar zich een-niet in de tekening weergegeven-photodiode bevindt en voor het grootste deel uit de inrichting 10 treedt via een glazen venster 13 dat tegen een opening 12 in de kap 11 is bevestigd (dikte van de betreffende deklaag 4 ongeveer 1/4 X). De diodelaser 3 is aldus bijzonder geschikt voor zogenaamde hoog vermogen toepassingen, zoals het beschrijven van een optische registratie schijf.

De voet 8 bevat binnen de wand 9 een glasachtig lichaam 14 waarin zich een drietal geleiders 15 bevinden die in de doorsnede van de tekening achter elkaar liggen. Een van deze geleiders 15 is electrisch verbonden met de wand 9 van de voet 8 en zo via het montageblok 1, 2 met laserdiode 3 en de photodiode. De overige geleiders 15 zijn middels-niet in de tekening weergegeven-draadverbindingen met de laserdiode 3 en - indien aanwezig - de photodiode verbonden.

Volgens de uitvinding bevindt de straling-emitterende halfgeleiderdiode, hier de laserdiode 3, zieh binnen een hermetisch van de buitenwereld 40 afgesloten omhulling 20 en bevindt zich binnen de omhulling een gasvormige oxyderende verbinding 30, hier zuurstof omvattend. Dankzij de binnen de omhulling 20 aanwezige zuurstof 30 wordt-al dan niet gedurende het bedrijf van de inrichting 20 - de ontleding of polymerisatie van binnen de omhulling 20 - aanwezige gasvormige organische stoffen 60 tot koolstofrijke, niet vluchtige verbindingen tegengegaan of ongedaan gemaakt.

Hierdoor blijft een koolstofrijke depositie op de deklagen 4 van de diodelaser 3 achterwege waardoor deze een stabiele optische output bezit. De omhulling 20 bevat een droog en schoon inert gas, hier stikstof, met een zuurstof gehalte van tenminste ongeveer 0. 2 vol %, hier 10 vol. %, zuurstof. Dankzij het feit dat volgens de uitvinding

de omhulling 20 de diodelaser 3 hermetisch van de buitenwereld 40 is afgesloten, wordt vermeden dat de diodelaser 3 degradeert tengevolge van waterdamp of andere (mogelijk agressieve) gasvormige verontreinigingen van de buitenwereld 40. Aldus bezit de inrichting 10 volgens de uitvinding een bijzonder grote levensduur en is relatief eenvoudig en dus goedkoop te vervaardigen.

In dit voorbeeld is de omhulling 20 hermetisch van de buitenwereld 40 afgesloten middels lasringen 16, 17 waarmee het montageblok 1 met de voet 8 en de kap 11 verbonden is. De kap 11 is van een venster 13 voorzien waardoor een deel van de opgewekte straling R uit de inrichting 10 treedt. Tussen het venster 13 en de kap 11 bevindt zich een-niet in de tekening weergegevenring van indium die zorgt voor een hermetische afdichting tussen de kap 11 en het venster 13.

Ook zijn zeer gunstige resultaten verkregen met de hierboven beschreven inrichting 20 volgens de uitvinding met een diodelaser 3 van het InGaP/InAlGaP materiaalsysteem die emitteert bij een golflengte van ongeveer 650 nm. Uit hetgeen in de inleiding van de beschrijving is opgemerkt met betrekking tot de geschiktheid van straling van een gegeven golflengte om chemische reacties te beïnvloeden, volgt dat op een dergelijke, relatief kortgolvige diodelaser 3 relatief gemakkelijk een koolstofrijk neerslag zal ontstaan en dat de daarmee samenhangende fluctuaties relatief sterk zullen zijn. Dienovereenkomstig zal ook de verbetering van de stabiliteit bij een dergelijke diodelaser 3 in een inrichting 20 volgens de uitvinding relatief groot zijn.

Figuur 2 toont de inrichting van figuur 1 in een stadium van de vervaardiging met behulp van een werkwijze volgens de uitvinding. Nadat een voet 8 en een montageblok 1 aan elkaar gelast zijn ter vorming van een omhulling 20 wordt op het montageblok 1 een van deklagen 4 voorziene diodelaser 3 door middel van solderen bevestigd en door middel van een-niet in de tekening weergegeven-draadverbinding
EMI6.1
met de voet 8 verbonden. Vervolgens worden de omhulling 20 en een van een venster t > 13 voorziene kap 11 in een afgesloten ruimte 50, hier een zogenaamde handschoenen kast, gebracht waarbinnen zich een - niet in de tekening weergegeven-lasapparaat bevindt. In de ruimte 50 wordt vanuit een cilinder 18 een bepaald stikstof debiet geleid via filters 20,21 waarmee de stikstof van waterdamp en andere verontreinigingen ontdaan wordt.

Vanuit een andere cilinder 19 wordt op soortgelijke wijze een circa tien maal lagere zuurstof 30 debiet in de ruimte 50 geleid. De ruimte 50 is voorzien van een overdruk ventiel 32. Vervolgens wordt binnen de ruimte 50, de kap 11 op de omhulling

20 gelast waardoor een inrichting 20 volgens de uitvinding resulteert waarbinnen zich de van deklagen 4 voorziene laserdiode 3 bevindt in een atmosfeer van schone en droge stikstof die ongeveer 10 vol. % zuurstof 30 bevat en die hermetisch van de buitenwereld is afgesloten. Aldus worden op eenvoudige wijze de zeer aantrekkelijke inrichting 20 volgens de uitvinding verkregen.

De uitvinding is niet beperkt tot het gegeven uitvoeringsvoorbeeld, daar voor de vakman binnen het kader van de uitvinding vele modificaties en variaties mogelijk zijn. Zo kan de deklaag een ander materiaal dan dat van het voorbeeld bevatten. Ook kunnen de (laser) dioden een andere structuur bezitten dan de hier gekozen"ridge-waveguide"structuur, zoals een "buried-hetero", "oxide-stripe", etc structuur.

Opgemerkt wordt verder dat als laserdiode ook een laser versterker diode gebruikt kan worden. Verder behoeft de omhulling-anders dan in het gegeven voorbeeld - geen uittreevenster voor de opgewekte straling te bevatten. Immers, ook wanneer de diode (laser) uitsluitend naar andere opto-electronische componenten binnen de omhulling straling zendt of daarmee uitwisselt, kan de uitvinding met voordeel worden toegepast.

Claims

Conclusies : EMI8.1 1. Opto-electronische halfgeleiderinrichting (10) omvattende een stralingemitterende halfgeleiderdiode (3) waarvan een uittreevlak voor de opgewekte straling (R) voorzien is van een deklaag (4), met het kenmerk, dat de straling-emitterende halfgeleiderdiode (3) zich binnen een hermetisch van de buitenwereld (40) afgesloten omhulling (20) bevindt en zich binnen de omhulling (20) een gasvormige oxyderende verbinding (30) bevindt.
2. Opto-electronische halfgeleiderinrichting (10) volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de gasvormige oxyderende verbinding (30) zuurstof (30) omvat.
3. Opto-electronische halfgeleiderinrichting (10) volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat zich binnen de omhulling (20) een droog en schoon inert gas, bij voorkeur stikstof, bevindt waaraan zuurstof (30) is toegevoegd en het zuurstof gehalte van de atmosfeer binnen de omhulling (20) tenminste ongeveer 0. %, bij voorkeur ongeveer 10 vol. %, bedraagt.
4. Opto-electronische halfgeleiderinrichting (10) volgens een der voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de emissie-golflengte van de straling-emitterende halfgeleiderdiode (3) kleiner is dan ongeveer 1 gm.
5. Opto-electronische halfgeleiderinrichting (10) volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de emissie-golflengte van de straling-emitterende halfgeleiderdiode (3) ligt tussen ongeveer 0, en ongeveer 0,
6. Opto-electronische halfgeleiderinrichting (10) volgens een der voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de straling-emitterende halfgeleiderdiode (3) een diodelaser (3) omvat.
7. Opto-electronische halfgeleiderinrichting volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat het maximaal door de diodelaser (3) geëmitteerd vermogen tenminste ongeveer 10, bij voorkeur tenminste ongeveer 20 mW bedraagt.
8. Werkwijze voor het vervaardigen van een opto-electronische inrichting (10) met een straling-emitterende halfgeleiderdiode (3) waarbij het uittreevlak van een straling-emitterende halfgeleiderdiode (3) voorzien wordt van een deklaag (4), met het kenmerk, dat de van de deklaag (4) voorziene halfgeleiderdiode (3) in een omhulling 0 (20) wordt waarin een gasvormige oxyderende verbinding (30) wordt gebracht waarna de omhulling (20) hermetisch van de buitenwereld (40) wordt afgesloten. <Desc/Clms Page number 9>
9. Werkwijze volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat de op een voet (8) bevestigde straling emitterende halfgeleiderdiode (3) in een las of soldeer inrichting wordt gebracht waarbij de op de voet (8) bevestigde diode (3) omgeven wordt door een droog en schoon inert gas waaraan zuurstof (30) is toegevoegd waarna door het lassen of solderen van een van een venster (13) voorziene kap (11) op de voet (8) de diode (3) omhult en hermetisch van de buitenwereld (40) afgesloten wordt.