CH635466A5 - OPTICAL SEMICONDUCTOR COMPONENT WITH A DIELECTRIC PROTECTIVE COVER. - Google Patents
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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 The invention relates to an optical 111 V semiconductor construction Aspects and Facet Damage in High Power Emission From (A1G element according to the preamble of claim 1. a) As CW Laser Diodes at Room Temperature "by 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. The term “optical semiconductor component” is intended to Ladany in RCA Rev., Vol. 36, pp. 231-239 (June 1975) is hereinafter used to refer to any device 40 about other aspects of the long-term reliability of laser diodes that have been reported to be a body made of a semiconductor material.
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. which, on the one hand, as a result of the application of voltage, despite the fact that these older studies and proposals exist, light emits, or, on the other hand, as a result of incident light, there is still a need for a coating for optical semiconductor light, which thus indicates the light. The second component, which is less than the semiconductor for optical semiconductor components, has light-emitting reflectivity and which prevents the erosion of the diodes, super-radiating diodes, laser diodes and detector semiconductors. The present invention is directed to the ren, optical isolators and phototransistors, such as those in solution to this problem.
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 the article “Light-Emitting Diodes” by A. A. Bergh and P. J. The solution according to the invention of this Pro-Dean is described in Clarenden Press, 1976. blems an optical III-V semiconductor component with the 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. The development of optical semiconductor components 50 claim 1 specified features. Advantageous Wei has reached a level which makes the application in optical developments of the invention likely to result from the dependent communication systems. Claims.
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. Among these optical semiconductor components, in particular, it has been found within the scope of the invention that lead laser diodes are particularly well developed, which consist of a silicate glass, in particular as a coating material for protecting gallium arsenide substrate, on which optical semiconductors are epitaxially formed Components and for adjusting the applied layers of germanium or tellurium, which in turn is suitable for surface reflectivity. The coating doped with gallium arsenide and gallium aluminum arsenide can be easily formed on the semiconductor material by sputtering a light-emitting p-n junctions. To be applied prefabricated vitreous body; the combination of these layers are methods such as the liquid phase episodes of the prefabricated vitreous body, and the molecular beam epitaxy has been successfully applied in such a way that suitable thermal and optical properties have been selected. ten are guaranteed.
Laserdioden werden typischerweise in Form von winzigen Nachfolgend wird die Erfindung mit Bezugnahme auf die Laser diodes are typically in the form of tiny. The invention is described with reference to the
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; Chips produced, the size and shape with Salzkör- Fig. 1 to 3 explained in detail; They show: FIG. 1 are comparable in schematic form; on these chips are electrodes with a lead silicate protective coating on two, to the shear and greatly enlarged representation a laser diode with interfaces parallel to egg-epitaxial surfaces;
bracht. Von den vier, zu den Epitaxialschichten senkrechten Fig. 2 in graphischer Darstellung den Brechungsindex und brings. Of the four, perpendicular to the epitaxial layers in FIG. 2, the refractive index and
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 Interfaces are typically two interfaces on the linear expansion coefficients of lead silicate glass as roughened and two interfaces represent gap surfaces which are a function of the glass composition; and partially reflecting mirrors are used, so that a Fabry-Perot Fig. 3 in a graphical representation of the light emission of a
3 3rd
635 466 635 466
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 GaAs laser diode leads before and after the application of a coating ner stronger linear function of the diode current. This lead silicate glass on a light-emitting boundary surface advantage is based on the reduced che. Boundary surface reflectivity in the presence of the
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. As can be seen from FIG. 1, the laser diode has a coating and can not only be implemented with laser diodes, GaAs substrate 1, an electrically active layer 2, a waveguide 5, but also with other light-emitting optical semiconductor strips 3, lead silicate glass coatings 4 , an electrical counter component. In the case of photodiodes, there is the de-clocking spot 5 and an electrical connecting wire 6. The advantages which can be surpassed in an increased sensitivity of the ge 4 are expediently by atomizing a pre-coated diode; In addition, the shaped glass body is applied in all cases, which has the desired coated optical semiconductor components effectively before composition. The finished coverings have a uniform composition due to the harmful influences of the surrounding atmosphere, adhere well and are free from needle protection.
löchern. Üblicherweise stören Überzüge, deren Dicke der 'A-Wellen- holes. Coatings whose thickness is the 'A wave
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 The representation according to FIG. 2 is based on the contributions of the length of the light passing through the surface - “Properties of Glass”, speaks by GW Morey, p. 375 (2nd edition, the reflectivity of the coated surface appeared by Reinhold Press, 1954); and «The Constitution of is not worth mentioning. Such coatings can be used to protect the Lead Oxide Silica Glasses: II, the Corrélation of Physical Pro surface; the composition of this perties with atomic arrangement ”by GJ Bair in Journal of Coatings can be selected mainly in view of the thermal the American Ceramic Society, volume 19, pp. 347-358 (1936) and compatibility with the semiconductor material, can be helpful for selection of glass compositions in the coating with the optical thickness of 1A of the wavelength are particularly suitable as an anti-reflection coating with regard to the refractive index or the linear expansion. If such are coefficients of application. For example, it can be seen that a covering or coating consists of a glass whose Bre molar ratio of approximately 34:66 for the glass constituent index, approximately equal to the square root of the Bre-PbO and SÌO2, results in a glass whose linear expansion boiling index is the semiconductor material, these overefficiencies can closely match that of GaAs. Alternatively, trains serve to reduce the surface reflectivity to a molar ratio of approximately 49.5: 50.5 to a glass, hence a value of essentially zero. In addition, the refractive index m = 1.9 is particularly useful for one, the surface reflectivity on any anti-reflective coating on GaAs with a refractive index of any value between zero and the reflectivity ni = 3.61. of the uncoated surface can be adjusted by the
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. Lead silicate glass can also be inexpensively obtained on other semiconductor materials with a thickness in the range from '/ 4 to' / 2 of the wavelength materials such as GaAlAs, GaP, GaAsP, GalnAsP and GaAsSb 30 and by applying the composition of the glass. In more general terms, it can be selected that the refractive index of the glass corresponds to semiconductor materials whose coefficient of linear expansion approximates the square root of the refractive index of the semiconductor material, preferably in the range from 4 x 10 "6 / ° C to 14 x 10" 6 / ° C.
liegt, ein Überzug aus thermisch verträglichem Bleisilikatglas Obwohl ein Molverhältnis der Glasbestandteile PbO :Si02 lies, a coating of thermally compatible lead silicate glass Although a molar ratio of the glass components 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- be applied. The composition of the lead silicate glass of 49.5: 50.5 for an anti-reflective coating on GaAs is optimal and should be in a range of essentially 20 mol% PbO and glasses in the composition range from 30:70 to 80 mol% SiO 2 to essentially 70 mol% PbO and 30 mol% 60:40 mol%, provided that they are in an optical layer thickness of 'A S AO2. A proportion of at least 20, and preferably 30, of the wavelength is applied, the surface reflective mole% PbO is sought in order to ensure sufficient melting ability of a coated GaAs surface on one of the lead silicate glass at relatively low temperatures to a value of less than approximately 1 % reduce. To ensure oversize. Shares of at least 30 and preferably 40 s tensions between the coating and the GaAs sub-mol% SÌO2 are aimed at, in order to avoid glass formation, the PbO part should preferably perform in the range. The presence of copper is known to be from 30 to 40 mole%. If an increase in the surface
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. Sodium or potassium ions aiming for the lifetime of optical reflectivity can shorten an additional diode; the proportion of such ions in the 45 che layer of a highly reflective material, such as glass coating should therefore be as small as possible. Transparent gold can be applied to the glass layer, for example oxides such as boron oxide (B2O3), aluminum oxide (AI2O3) and by means of conventional vapor deposition processes.
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 Zirconium oxide (ZrOî) can be tolerated in a combined proportion of up to 10% by weight; these oxides are useful, for example, to keep the coating in a vitreous state. 50 lead silicate glass containing 54 mol% PbO and 46th e.g. where high temperatures occur. Such glasses are mol% SÌO2 was cast into a disc with a diameter of 15 cm in the article “Solder Glass Sealing” by Robert H. Dalton. This disc has been proposed in a high frequency sputtering apparatus equipped with an oil diffusion journal of the American Ceramic Society, vol. 39, pp. 109-112. ratur attached. In the course of the atomization was within the
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. The illustration according to FIG. 3 shows the favorable effects of atomization apparatus, an atmosphere of 80% argon and genes, which can be achieved by applying a lead silicate glass coating with 20% oxygen at a total pressure of 10-2 Torr on a GaAs laser diode. Those with A and B. The cathode was supplied with a high-frequency energy amount of marked, fully drawn curves corresponding to the light 100 W, which corresponds to an average energy density of two light-emitting boundary surfaces of 0.56 W / cm 2. On GaAs-AlGaAs laser diodes with uncoated GaAs laser diodes. The double heterostructure designated with A 'and B' were lead silicate glass layers with neat, dashed lines corresponding to the light - a layer thickness in the range from 40 to 250 nm was applied, giving off a laser diode in which a light-emitting limit - the distance between the target and the substrate surface was coated with a layer of lead silicate glass. 38 mm; a deposition rate of 2 nm was obtained. Specifically, curve A 'corresponds to the light output obtained from the min. As a result, uniform, firmly adhering, uncoated boundary surface and curve B 'of the 65 layers which were free of pinholes were obtained. The through-diode emits light from the coated boundary surface of the laser- a laser diode with a 113 nm thick glass coating. It can be seen that the presence of the coating for measurements taken is shown with FIG. 3. This greater than the intensity of the emitted laser light and too thick corresponds to an optical thickness of 0.27 wavelengths.
3 2 Blatt Zeichnungen 3 2 sheet drawings
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