CH635466A5 - Optisches halbleiter-bauelement mit einem dielektrischen schutzueberzug. - Google Patents

Optisches halbleiter-bauelement mit einem dielektrischen schutzueberzug. Download PDF

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Description

Die Erfindung betrifft ein optisches 111-V-Halbleiter-Bau- Aspects and Facet Damage in High Power Emission From (A1G-element gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. a)As CW Laser Diodes at Room Temperature» von H. Kressel
Die Bezeichnung «optisches Halbleiter-Bauelement» soll undl. Ladany in RCA Rev., Band 36, S. 231-239 (Juni 1975) ist nachfolgend zur Bezeichnung irgendwelcher Bauelemente ver- 40 über andere Aspekte der Langzeitzuverlässigkeit von Laserdio-wendet werden, die einen Körper aus einem Halbleitermaterial den berichtet worden.
aufweisen, der einerseits als Folge der Anlegung von Spannung Trotz dieser älteren Untersuchungen und Vorschläge besteht Licht emittiert, oder der andererseits als Folge von einfallendem weiterhin ein Bedarf nach einem Überzug für optische Halblei-Licht eine Spannung liefert und damit das Licht anzeigt. Bei- ter-Bauelemente, welcher gegenüber dem Halbleiter ein gerin-spiele für optische Halbleiter-Bauelemente sind lichtemittie- 45 ges Reflektionsvermögen aufweist und welcher die Erosion des rende Dioden, superstrahlende Dioden, Laserdioden, Detekto- Halbleiters verhindert. Die vorliegende Erfindung ist auf die ren, optische Isolatoren und Phototransistoren, wie sie etwa in Lösung dieses Problèmes gerichtet.
dem Beitrag « Light-Emitting Diodes» von A. A. Bergh und P. J. Im einzelnen ist die erfindungsgemässe Lösung dieses Pro-Dean in Clarenden Press, 1976, beschrieben sind. blems ein optisches III-V-Halbleiter-Bauelement mit den im
Die Entwicklung von optischen Halbleiter-Bauelementen 50 Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Wei-hat eine Stufe erreicht, welche die Anwendung in optischen terbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Nachrichtenübertragungssystemen wahrscheinlich macht. Patentansprüchen.
Unter diesen optischen Halbleiter-Bauelementen sind insbeson- Im Rahmen der Erfindung ist festgestellt worden, dass Blei-dere Laserdioden besonders gut entwickelt, welche aus einem silikatglas besonders als Überzugsmaterial zum Schutz von Galliumarsenid-Substrat bestehen, auf dem in epitaktisch auf- 55 optischen Halbleiter-Bauelementen und zur Einstellung des gebrachten Schichten aus Germanium oderTellur, die ihrerseits Oberflächenreflektionsvermögens geeignet ist. Der Überzug mit Galliumarsenid und Galliumaluminiumarsenid dotiert sind, kann auf dem Halbleitermaterial leicht durch Zerstäuben eines lichtemittierende p-n-Übergänge ausgebildet sind. Zur Aufbrin- vorgefertigten Glaskörpers aufgebracht werden ; die Zusam-gung dieser Schichten sind Verfahren wie die Flüssigphasenepi- mensetzung des vorgefertigten Glaskörpers ist dahingehend taxie und die Molekularstrahlepitaxie erfolgreich angewandt so ausgewählt, dass geeignete thermische und optische Eigenschaf-worden. ten gewährleistet sind.
Laserdioden werden typischerweise in Form von winzigen Nachfolgend wird die Erfindung mit Bezugnahme auf die
Chips hergestellt, die hinsichtlich Grösse und Form mit Salzkör- Fig. 1 bis 3 im einzelnen erläutert; es zeigen: Fig. 1 in schemati-nern vergleichbar sind ; an diesen Chips sind an zwei, zu den scher und stark vergrösserter Darstellung eine Laserdiode mit ei-Epitaxialflächen parallelen Grenzflächen Elektroden ange- 65 nem Bleisilikat-Schutzüberzug;
bracht. Von den vier, zu den Epitaxialschichten senkrechten Fig. 2 in graphischer Darstellung den Brechungsindex und
Grenzflächen sind typischerweise zwei Grenzflächen aufge- den linearen Ausdehnungskoeffizienten von Bleisilikatglas als rauht und zwei Grenzflächen stellen Spaltflächen dar, die als Funktion der Glaszusammensetzung; und teilweise reflektierende Spiegel dienen, so dass ein Fabry-Perot- Fig. 3 in graphischer Darstellung die Lichtabgabe einer
3
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GaAs-Laserdiode vor und nach dem Aufbringen eines Überzugs ner stärkeren linearen Funktion vom Diodenstrom führt. Dieser aus Bleisilikatglas auf einer lichtemittierenden Begrenzungsflä- Vorteil beruht auf dem verringerten che. Begrenzungsflächen-Refiektionsvermögen bei Anwesenheit des
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, gehören zu der Laserdiode ein Überzugs und kann nicht nur bei Laserdioden realisiert werden, GaAs-Substrat 1, eine elektrisch aktive Schicht 2, ein Wellenlei- 5 sondern auch bei anderen lichtemittierenden optischen Halbleiterstreifen 3, Bleisilikatglas-Überzüge 4, ein elektrischer Kon- ter-Bauelementen. Im Falle von Photodioden besteht der ent-taktfleck 5 und ein elektrischer Anschlussdraht 6. Die Überzü- sprechende Vorteil in einer gesteigerten Empfindlichkeit der ge 4 werden zweckmässigerweise durch Zerstäubung eines vor- überzogenen Diode ; darüber hinaus sind in allen Fällen die geformten Glaskörpers aufgebracht, welcher die angestrebte überzogenen optischen Halbleiter-Bauelemente wirksam vor Zusammensetzung aufweist. Die fertigen Überzüge haben ein- io den schädlichen Einflüssen der umgebenden Atmosphäre heitliche Zusammensetzung, haften gut und sind frei von Nadel- geschützt.
löchern. Üblicherweise stören Überzüge, deren Dicke der 'A-Wellen-
Die Darstellung nach Fig. 2 beruht auf den Beiträgen von länge des durch die Oberfläche hindurchtretenden Lichtes ent-«Properties of Glass», von G. W. Morey, S. 375 (2. Auflage, spricht, das Reflektionsvermögen der überzogenen Oberfläche erschienen bei Reinhold Press, 1954); und «The Constitution of is nicht nennenswert. Solche Überzüge können zum Schutz der Lead Oxide Silica Glasses : II, the Corrélation of Physical Pro- Oberfläche eingesetzt werden ; die Zusammensetzung dieser perties with Atomic Arrangement» von G. J. Bair in Journal of Überzüge kann hauptsächlich im Hinblick auf die thermische the American Ceramic Society, Band 19, S. 347-358 ( 1936) und Verträglichkeit mit dem Halbleitermaterial ausgewählt werden, kann hilfreich zur Auswahl von Glaszusammensetzungen im Überzüge mit der optischen Dicke von 1A der Wellenlänge sind Hinblick auf den Brechungsindex oder den linearen Ausdeh- 20 besonders als Antireflektionsbelag geeignet. Sofern solche nungskoeffizienten sein. Beispielsweise ist ersichtlich, dass ein Beläge oder Überzüge aus einem Glas bestehen, dessen Bre-Molverhältnis von angenähert 34:66 für die Glasbestandteile chungsindex angenähert gleich der Quadratwurzel des Bre-PbO und SÌO2 ein Glas ergibt, dessen linearer Ausdehnungsko- chungsindexes des Halbleitermateriales ist, können diese Übereffizient eng demjenigen von GaAs entspricht. Alternativ führt züge dazu dienen, das Oberflächenreflektionsvermögen auf ein Molverhältnis von angenähert 49,5:50,5 zu einem Glas, des- 25 einen Wert von im wesentlichen Null herabzusetzen. Darüber sen Brechungsindex m = 1,9 besonders zweckmässig für einen hinaus kann das Oberflächenreflektionsvermögen auf jeden Antireflektionsbelag auf GaAs mit einem Brechnungsindex von beliebigen Wert zwischen Null und dem Reflektionsvermögen ni = 3,61 ist. der nicht überzogenen Oberfläche eingestellt werden, indem der
Bleisilikatglas kann auch günstig auf anderen Halbleiterma- Überzug eine Dicke im Bereich von '/4 bis '/2 der Wellenlänge terialien wie etwa GaAlAs, GaP, GaAsP, GalnAsP und GaAsSb 30 erhält und indem die Zusammensetzung des Glases dahinge-aufgebracht werden. Noch allgemeiner ausgedrückt, kann auf hend ausgewählt wird, dass der Brechungsindex des Glases Halbleitermaterialien, deren linearer Ausdehnungskoeffizient angenähert der Quadratwurzel des Brechnungsindexes des vorzugsweise im Bereich von 4 x 10"6/°C bis 14 x 10"6/°C Halbleitermaterials entspricht.
liegt, ein Überzug aus thermisch verträglichem Bleisilikatglas Obwohl ein Molverhältnis der Glasbestandteile PbO :Si02
aufgebracht werden. Die Zusammensetzung des Bleisilikatgla- 35 von 49,5:50,5 für einen Antireflektionsbelag auf GaAs optimal ses soll in einem Bereich von im wesentlichen 20 Mol-% PbO und ist, können Gläser im Zusammensetzungsbereich von 30:70 bis 80 Mol-%Si02 bis im wesentlichen 70 Mol-% PbO und 30 Mol-% 60:40 Mol-%, sofern sie in einer optischen Schichtdicke von 'A SÌO2 liegen. Ein Anteil von wenigstens 20, und vorzugsweise 30 der Wellenlänge aufgebracht werden, das Oberflächenreflekti-Mol-% PbO wird angestrebt, um ein ausreichendes Schmelzen onsvermögen einer überzogenen GaAs-Oberfläche auf einen des Bleisilikatglases bei relativ niedrigen Temperaturen zu 40 Wert von weniger als angenähert 1 % verringern. Um übermäs-gewährleisten. Anteile von wenigstens 30 und vorzugsweise 40 sige Spannungen zwischen dem Überzug und dem GaAs-Sub-Mol-% SÌO2 werden angestrebt, um eine Glasbildung zu gewähr- strat zu vermeiden, soll der PbO-Anteil vorzugsweise im Bereich leisten. Es ist bekannt, dass die Anwesenheit von Kupfer-, von 30 bis 40 Mol-% liegen. Sofern eine Zunahme des Oberflä-
Natrium- oder Kaliumionen die Lebensdauer von optischen chenreflektionsvermögens angestrebt wird, kann eine zusätzli-Dioden verkürzen kann; der Anteil an solchen Ionen in dem 45 che Schicht aus einem stark reflektierenden Material, wie etwa Glasüberzug soll deshalb möglichst klein sein. Transparente Gold auf der Glasschicht aufgebracht werden, beispielsweise Oxide, wie etwa Boroxid (B2O3), Aluminiumoxid (AI2O3) und mittels üblicher Aufdampfungsverfahren.
Zirkonoxid (ZrOî) können in einem zusammengenommenen Anteil von bis zu 10 Gew.-% toleriert werden ; diese Oxide sind Beispiel nützlich, um den Überzug in einem glasartigen Zustand zu hai- 50 Bleisilikatglas mit einem Gehalt von 54 Mol-% PbO und 46 ten, z.B. wo hohe Temperaturen auftreten. Derartige Gläser sind Mol-% SÌO2 wurde zu einer Scheibe mit einem Durchmesser von in dem Beitrag «Solder Glass Sealing» von Robert H. Dalton in 15 cm gegossen. Diese Scheibe wurde in einer mit einer Öldiffu-Journal of the American Ceramic Society, Band 39, S. 109-112, sionspumpe ausgestatteten Hochfrequenz-Zerstäubungsappa-vorgeschlagen worden. ratur befestigt. Im Verlauf der Zerstäubung wurde innerhalb der
Die Darstellung nach Fig. 3 zeigt die günstigen Auswirkun- 55 Zerstäubungsapparatur eine Atmosphäre aus 80% Argon und gen, die durch die Aufbringung eines Bleisilikatglasüberzugs 20% Sauerstoff bei einem Gesamtdruck von 10-2 Torr eingehal-auf einer GaAs-Laserdiode erzielt werden. Die mit A und B ten. Der Kathode wurde ein Hochfrequenz-Energiebetrag von bezeichenten voll ausgezogenen Kurven entsprechen der Licht- 100 W zugeführt, was einer mittleren Energiedichte von abgabe von zwei lichtemittierenden Begrenzungsflächen einer 0,56 W/cm2 entspricht. Auf GaAs-AlGaAs-Laserdioden mit nicht überzogenen GaAs-Laserdiode. Die mit A' und B' bezeich- 60 doppelter Heterostruktur wurden Bleisilikatglasschichten mit neten, gestrichelt ausgezogenen Kurven entsprechen der Licht- einer Schichtdicke im Bereich von 40 bis 250 nm aufgebracht, abgabe einer Laserdiode, bei der eine lichtemittierende Begren- Der Abstand zwischen dem Target und dem Substrat betrug zungsfläche mit einer Schicht aus Bleisilikatglas überzogen ist. 38 mm ; es wurde eine Abscheidungsgeschwindigkeit von 2 nm/ Im einzelnen entspricht die Kurve A' der Lichtabgabe aus der min erhalten. Im Ergebnis wurden einheitliche, fest anhaftende nicht überzogenen Begrenzungsfläche und die Kurve B' der 65 Schichten erhalten, die frei von Nadellöchern waren. Die an Lichtabgabe aus der überzogenen Begrenzungsfläche der Laser- einer Laserdiode mit einem 113 nm dicken Glasüberzug durch-diode. Es ist ersichtlich, dass die Anwesenheit des Überzugs zu geführten Messungen sind mit Fig. 3 dargestellt. Diese Übereiner grösseren Intensität des emittierten Laserlichtes und zu ei- zugsdicke entspricht einer optischen Dicke von 0,27 Wellenlängen.
3 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

  1. 635 466
    2
    PATENTANSPRÜCHE Resonator erhalten wird. Ein Uberblick über den Entwicklungs-
    1. Optisches IIl-V-Halbleiter-Bauelement mit einem Körper stand der Laserdiodentechnologie kann dem Beitrag «Hetero-aus wenigstens einem Halbleitermaterial, wobei wenigstens ein structure Injection Lasers» von M. B. Panish in Preceedings of Teil des Körpers mit wenigstens einer ersten Schicht aus dielek- the IEEE, Band 64, Nr. 10, S. 1512-1540 (Oktober 1976) ent-trischem Material bedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das 5 nommen werden.
    dielektrische Material im wesentlichen aus Glas besteht; das Die praktische Anwendung von optischen Halbleiter-Bau-
    Glas seinerseits zu wenigstens 90 Gew.-% aus Bleioxid PbO und dementen in Nachrichtenübertragungssystemen hängt von Siliciumdioxid SiOa besteht ; wobei das Mol verhältnis zwischen einer Anzahl von Bauelement-Eigenschaften ab ; einige dieser PbO und SÌO2 im Bereich von 20:80 bis 70:30 liegt. Eigenschaften hängen wieder in charakteristischer Form von
  2. 2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,' "> den Grenzflächenqualitäten ab; hierzu gehören die Beständig-dass das Molverhältnis im Bereich von 30:70 bis 60:40 liegt. keit gegen die Einwirkung der umgebenden Atmosphäre und
  3. 3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- das Ausmass des Reflektionsvermögens der Grenzfläche. Beizeichnet, dass das Halbleitermaterial einen linearen Ausdeh- spielsweise wird für lichtemittierende Dioden ein geringes nungskoeffizienten im Bereich von 4 x 10_6/°C bis Grenzflächen-Reflektionsvermögen gefordert, um eine maxi-
    14 x 10~6/°C aufweist. 15 male Lichtabgabe zu erzielen. In gleicher Weise ist für Photodio-
  4. 4. Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dendetektoren ein geringes Grenzflächenreflektionsvermögen dass das Halbleitermaterial ein Material der Gruppe GaAs, wünschenswert, um eine maximale Empfindlichkeit der Diode GaAlAs, GaP, GaAsP, GalnAsP und GaAsSb ist. zu erzielen. Im Falle von Laserdioden ist erkannt worden, dass
  5. 5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch selbst bei relativ mässigen Energiewerten eine Erosion der Spiegekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial GaAs ist; und das 20 gelgrenzfläche die Lebensdauer der Diode verkürzen kann. Um Molverhältnis im Bereich von 30:70 bis 40:60 liegt. diese Probeleme auszuschalten ist die Anwendung von dielektri-
  6. 6. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, sehen Schutzüberzügen auf den lichtemittierenden Grenzflä-dass das Bauelement eine Laserdiode mit einem Licht-emittie- chen bzw. Facetten von Laserdioden vorgeschlagen worden, renden p-n-Übergang ist, das optische Reflektoren und elektri- Mit den Beiträgen «Control of Facet Damage in GaAs Laser sehe Anschlüsse aufweist. 25 Diodes» von M. Ettenberg, H. S. Sommers, H. Kressel und
  7. 7. Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, H. F. Lockwood in Applied Physics Letters, Band 18, Nr. 12, S. dass die optischen Reflektoren Spiegel sind, die aus durch Spai- 571-573 (Juni 1971); sowie «AI2O3 Halfwave Films for Lang-tungerhaltenen,parallelen Begrenzungsflächendes Körpers(l) LifeCWLasers» von I. Ladany,M. Ettenberg, H. F.Lockwood gebildet sind. und H. Kressel in Applied Physics Letters, Band 30, Nr. 2, S.
  8. 8. Bauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, 30 87-88 (15. Januar 1977) sind für diesen Zweck insbesondere dass die Ebene des p-n-Überganges senkrecht zur Ebene der Überzüge aus Siliciumdioxid (SÌO2) und Aluminiumoxid Spiegel ausgerichtet ist. (AI2O3) vorgeschlagen worden.
    Mit den Beiträgen «Influence of Device Fabrication Para-
    meters on Graduai Degradation of (AlGa)As CW Laser Diodes»
    35 von I. Ladany und H. Kressel in Applied Physics Letters,
    Band 25, Nr. 12, S. 708-710 (15. Dez. 1974); und «Reliability
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