DE10042904A1 - Halbleiterlaserchip und Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlaserchips - Google Patents
Halbleiterlaserchip und Verfahren zum Herstellen eines HalbleiterlaserchipsInfo
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Abstract
Ein Halbleiterlaserchip weist ein Halbleiterlaserelement und einen in den Halbleiterlaserchip integrierten Strahlformer zum Formen eines von dem Halbleiterlaserelement emittierten Laserstrahls auf.
Description
Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaserchip sowie ein
Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlaserchips.
Insbesondere im Bereich der optischen Nachrichtentechnik ist
es erforderlich, einen von einem Halbleiterlaser emittierten
Laserstrahl in eine Glasfaser zu führen und diesen durch die
Glasfaser hindurch von einem Sender, dem Halbleiterlaser, zu
einem Empfänger, beispielsweise einem Telekommunikations-
Vermittlungselement oder auch einem weiteren
Kommunikationselement, allgemein einem optischen Empfänger,
zu übertragen.
Das Einkoppeln der emittierten Lichtleistung eines
kantenemittierenden Halbleiterlasers in eine Glasfaser wird
durch die fehlende Nahfeld-Fleckanpassung zwischen dem
Halbleiterlaser und einer üblichen Glasfaser deutlich
erschwert.
Der Fleckdurchmesser eines üblichen Halbleiterlasers beträgt
für den Grundmodus ungefähr 1 µm bis 2 µm, vorzugsweise
1,5 µm transversal und 2 µm bis 3 µm lateral.
Der Fleckdurchmesser wird bei einer Glasfaser durch ihren
Kerndurchmesser bestimmt und liegt in einem Bereich von 6 µm.
Die oben erläuterte, mangelhafte Nahfeld-Fleckanpassung führt
insbesondere im Bereich des für die optischen
Nachrichtenübertragung wichtigen Wellenlängenbereichs von
1,3 µm bis 1,5 µm ohne zusätzliche Maßnahmen zu
Halbleiterlaserchip-Glasfaser-Koppelwirkungsgraden von unter
10% bis 20%.
Zur Verbesserung des Halbleiterlaserchip-Glasfaser-
Koppelwirkungsgrades ist es bekannt, eine Einkoppeloptik mit
einem Ein-Linsen oder auch Mehr-Linsen-System vorzusehen,
mittels der der von dem kantenemittierenden
Halbleiterlaserchip emittierte Laserstrahl mittels der
Einkoppeloptik als Strahlformer gebündelt und in
entsprechender fleckdurchmesser-angepasster Form in die
Glasfaser eingekoppelt wird.
Die Einkoppeloptik ist üblicherweise zwischen dem
Halbleiterlaserchip und der Glasfaser, die mit dem
Halbleiterlaserchip gekoppelt werden soll, angeordnet.
Gemäß dem Stand der Technik ist jedoch das gesamte System
Halbleiterlaserchip-Einkoppeloptik-Glasfaser als hybride
Anordnung realisiert, weshalb ein erheblicher Nachteil dieses
Systems in der erforderlichen hochpräzisen und damit
aufwendigen Justierung der Einkoppeloptik bzw. der in der
Einkoppeloptik vorhandenen Linsen relativ zu dem
Halbleiterlaserchip zu sehen ist.
Somit liegt der Erfindung das Problem zugrunde, einen
Halbleiterlaserchip sowie ein Verfahren zum Herstellen eines
Halbleiterlaserchips anzugeben, mit denen eine vereinfachte
und somit kostengünstige Einkopplung von Laserlicht in eine
Glasfaser mit gegenüber dem bekannten System vergleichbaren
Koppelwirkungsgraden erreicht wird.
Das Problem wird durch den Halbleiterlaserchip sowie durch
das Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlaserchips mit
den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
Ein Halbleiterlaserchip weist ein Halbleiterlaserelement und
ein in den Halbleiterlaserchip integrierten Strahlformer auf.
Der Strahlformer dient zum Formen eines von dem
Halbleiterlaserelement emittierten Laserstrahls und ist in
Austrittsrichtung des von dem Halbleiterlaserelement
emittierten Laserstrahls in dem Halbleiterlaserchip
integriert angeordnet derart, dass der von dem
Halbleiterlaserelement emittierte Laserstrahl durch den
Strahlformer geführt wird, entsprechend der Ausgestaltung des
Strahlformers in seiner Strahlform verändert wird und der
durch den Strahlformer veränderte Laserstrahl beispielsweise
einer Glasfaser zuführbar ist.
Bei einem Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlaserchips
wird ein Halbleiterlaserelement gebildet und in
Austrittsrichtung eines von dem Halbleiterlaserelement
emittierten Laserstrahls wird ein Strahlformer gebildet
derart, dass der emittierte Laserstrahl durch den
Strahlformer geführt wird.
Anschaulich kann die Erfindung darin gesehen werden, dass
sowohl das Halbleiterlaserelement als auch der Strahlformer,
der einer Einkoppeloptik im Wesentlichen entspricht,
gemeinsam in einem Halbleiterlaserchip integriert sind.
Die Erfindung weist gegenüber dem Stand der Technik
wesentliche Vorteile auf.
Insbesondere ist der erfindungsgemäße Halbleiterlaserchip
kompakt, einfach herstellbar und aufgrund der einstückigen
Ausführung sehr störungsunanfällig und robust.
Ferner ist eine aufwendige Justierung der Einkoppeloptik wie
bei der hybriden Anordnung gemäß dem Stand der Technik nicht
mehr erforderlich.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den
abhängigen Ansprüchen.
Der Strahlformer kann monolithisch in den Halbleiterlaserchip
integriert sein.
Ferner kann der Strahlformer aluminium-haltiges Material,
vorzugsweise eine Materialkombination zumindest einer der
folgenden Materialsysteme aufweisen:
- - Indium-Gallium-Aluminium-Antimonid (InGaAlSb),
- - Gallium-Aluminium-Arsenid-Antimonid (GaAlAsSb), oder
- - Indium-Aluminium-Arsenid-Antimonid (InAlAsSb).
Da insbesondere Aluminiumoxid eine niedrigere Brechzahl
aufweist als das für das Halbleiterlaserelement üblicherweise
verwendete Halbleitermaterial, kann durch Oxidation des
aluminium-haltigen Materials mittels selektiver Nassoxidation
oder Trockenoxidation eines Strahlformbereichs, so dass der
Strahlformer gebildet wird, sehr exakt die gewünschte
Strahlformerfunktionalität realisiert werden.
Zwischen dem Halbleiterlaserelement und dem Strahlformer kann
ein Graben bzw. eine Nut vorgesehen sein, die das
Halbleiterlaserelement und den Strahlformer derart
voneinander trennen, dass in Austrittsrichtung des
Halbleiterelements an dessen Laserstrahl-Austrittskante
zwischen der Laserstrahl-Austrittskante und dem laserseitigen
Eintrittsbereich des Strahlformers ein Luftspalt gebildet
wird, der beispielsweise mit einem vorgegebenen Dielektrikum
gefüllt sein kann.
Der Luftspalt bzw. der Graben bilden anschaulich einen
Vorderseitenspiegel, der insbesondere bei Einsatz eines FP-
Lasers (Fabry-Perot-Laser) vorteilhaft einsetzbar ist.
Aber selbst ohne den Luftspalt bildet beispielsweise eine
Ausgestaltung des Halbleiterlaserelements als DFB-Laser
(Distributed Feed Back-Laser) einen sehr effizienten und
störungsunanfälligen Halbleiterlaser.
Die Ausgestaltung des Strahlformers kann derart erfolgen,
dass gemäß den optischen Gesetzen der von dem
Halbleiterlaserelement emittierte Lichtstrahl in eine
gewünschte Form gebracht wird, beispielsweise gebündelt wird.
So kann der Strahlformer auch als konkave oder konvexe Linse
ausgestaltet sein, um die entsprechende
Strahlenformerfunktion zu realisieren.
Der Graben bzw. der Abstand zwischen der Laserstrahl-
Emissionskante des Halbleiterlaserelements und der
laserstrahlseitigen Oberfläche des Strahlformers liegt
vorzugsweise in einem Bereich von maximal 15 µm.
Der Strahlformer kann beispielsweise gebildet werden, indem
in Austrittsrichtung eines von dem Halbleiterlaserelement
emittierenden Laserstrahls ein Strahlformerbereich gebildet
wird, der Aluminium bzw. aluminium-haltiges Material enthält.
In dem Strahlformerbereich wird ein gewünschtes Aluminium-
Konzentrationsprofil gebildet und anschließend wird eine
selektive Oxidation des Strahlformerbereichs durchgeführt, so
dass abhängig von dem Aluminium-Konzentrationsprofil der
Strahlformer in der gewünschten Form ausgestaltet wird.
Insbesondere diese Vorgehensweise zeichnet sich durch ihre
Einfachheit und die geringe Anzahl erforderlicher
Prozessschritte zur Herstellung des Halbleiterlaserchips
gemeinsam mit der Einkoppeloptik, d. h. dem Strahlformer, aus.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass
ein hoher Halbleiterlaserchip-Glasfaser-Koppelwirkungsgrad
bei Einkopplung des von dem Halbleiterlaserelement
emittierten Laserstrahls, welcher durch den Strahlformer
geführt wird, in eine Glasfaser eingekoppelt wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren
dargestellt und werden im Weiteren näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Halbleiterlaserchip
gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Halbleiterlaserchip
gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der
Erfindung;
Fig. 3 ein Diagramm, in dem der Material-
Zusammensetzungsgradient von Aluminium entlang der
vertikalen Struktur innerhalb des
Strahlformerbereichs dargestellt ist.
Fig. 1 zeigt einen Halbleiterlaserchip 100 gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Der Halbleiterlaserchip 100 weist ein Substrat 101, ein
Halbleiterlaserelement 102 sowie einen Strahlformer 103 auf.
Das Halbleiterlaserelement 102 wird in einem ersten Schritt
auf dem Substrat 101 gebildet mittels eines üblichen
Herstellungsverfahrens zum Herstellen eines
Halbleiterlaserelements.
Das Halbleiterlaserelement 102 gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel ist als DFB-Halbleiterlaserelement
ausgestaltet.
Das Halbleiterlaserelement 102 weist
- - eine untere Mantelschicht 104,
- - eine aktive Schicht 105, in der der Laserstrahl erzeugt wird, sowie
- - eine obere Mantelschicht 112,
auf.
Als Substrat 101 kann Gallium-Arsenid (GaAs) oder Indium-
Phosphid (InP) eingesetzt werden und als
Halbleiterlaserelement ein Halbleiterlaser mit Material aus
dem Materialsystem Indium-Gallium-Aluminium-Arsenid, Indium-
Gallium-Arsenid-Phosphid oder auch Indium-Gallium-Aluminium-
Phosphid (für einen Laserstrahl mit einem Wellenlängenbereich
im roten Farbspektrum).
Wird Indium-Phosphid als Substrat 101 verwendet, so ist eine
metamorphe Übergangsschicht (nicht dargestellt) zur Anpassung
der unterschiedlichen Gitterkonstanten der Materialien des
Halbleiterlaserelements 102 gegenüber der Gitterkonstanten
des Indium-Phosphids vorteilhaft vorzusehen.
Die metamorphe Übergangsschicht weist eine abhängig von der
gewünschten Gitteranpassung gewählte Zusammensetzung des
Materialsystems Aluminium-Gallium-Arsenid-Antimonid
(Al GaAs Sb) auf.
Eine durch einen in Fig. 1 symbolisierten ersten Pfeil 106
dargestellte Höhe der unteren Mantelschicht 104 beträgt gemäß
dem Ausführungsbeispiel 2 µm bis 4 µm.
Die aktive Schicht 105 weist eine Dicke von 0,1 µm bis 0,2 µm
auf, symbolisiert durch einen zweiten Pfeil 107.
Ferner weist die obere Mantelschicht 112 eine Dicke von 2 µm
bis 4 µm auf, symbolisiert durch einen dritten Pfeil 108.
In einem weiteren Schritt wird ein Strahlformerbereich 103
als aluminium-haltiges Schichtenpaket gebildet.
Das aluminium-haltige Schichtenpaket weist Materialien auf
aus zumindest einem der folgenden drei Materialsysteme:
- - Indium-Gallium-Aluminium-Arsenid-System (InGaAlAs) (insbesondere geeignet für ein Substrat 101 aus Indium- Phosphid und Gallium-Arsenid),
- - Gallium-Aluminium-Arsenid-Antimonid-System (GaAlAsSb) (insbesondere geeignet für ein Substrat 101 aus Indium- Phosphid), oder
- - Indium-Aluminiun-Arsenid-Antimonid-System (InAlAsSb) (insbesondere geeignet für ein Substrat 101 aus Indium- Phosphid).
Eine im Wesentlichen vertikal verlaufende Austrittskante 109
des Strahlformers 103 wird unter Einsatz eines
Trockenätzverfahrens gebildet.
In einem weiteren Schritt wird in dem Strahlformerbereich ein
im Prinzip dem in Fig. 3 dargestellten Verlauf entsprechender
Material-Zusammensetzungsgradient 300 gebildet, wobei
anzumerken ist, dass der entsprechende Material-
Zusammensetzungsgradient 300 schon während der Herstellung
des aluminium-haltigen Schichtenpakets gebildet werden kann
durch entsprechende Zusammensetzungen des für die Abscheidung
verwendeten Gases.
Wie in Fig. 3 dargestellt ist, ist der Verlauf 301 des
Material-Zusammensetzungsgradienten von Aluminium innerhalb
des aluminium-haltigen Schichtenpakets des Strahlformers 103
derart gebildet, dass gemäß diesem Ausführungsbeispiel an der
unteren Oberfläche 110 des aluminium-haltigen
Schichtenpakets, welches auf der Oberfläche 111 des Substrats
101 aufgewachsen ist, der jeweils maximale Aluminiumanteil
enthalten ist.
Der Material-Zusammensetzungsgradient 301 verläuft im
Wesentlichen parabelförmig entlang der unteren Mantelschicht
104, dem aktiven Bereich 105 und der oberen Mantelschicht
112, so dass der Verlauf in einem ersten Bereich 302 im
Höhenbereich der unteren Mantelschicht, d. h. in den ersten
2 µm bis 4 µm des aluminium-haltigen Schichtpakets von dem
maximalen Aluminiumgehalt eine stetige Reduktion des
Aluminiumgehalts entlang der vertikalen Aufwachsrichtung
gebildet wird.
In einem zweiten Bereich 303, der im Wesentlichen dem
Höhenbereich der aktiven Schicht 105 entspricht, wird der
Aluminiumgehalt bis auf maximal 90% des maximalen
Aluminiumgehalts, vorzugsweise auf maximal 95% des maximalen
Aluminiumgehalts, reduziert und dann wieder erhöht entlang
des parabelförmigen Verlaufs 301, der in einem der oberen
Mantelschicht 112 entsprechenden dritten Bereich 304
weitergeführt wird, so dass an einer oberen Oberfläche 113
des Strahlformers 103 wiederum der maximale Aluminiumgehalt
gebildet wird.
In einem weiteren Schritt wird eine selektive Nassoxidation
auf das aluminium-haltige Schichtenpaket ausgeführt, so dass
das alumium-haltige Material entsprechend der
Aluminiumkonzentration in dem jeweiligen Material zu
Aluminiumoxid (Al2O3) oxidiert wird, wobei sich der
Brechungsindex von üblicherweise 2,9 bis 3,5 in dem
aluminium-haltigen Schichtenpaket auf ungefähr 1,6 bis 1,8
für den Bereich 114, der Dialuminiumtrioxid enthält,
erniedrigt.
Da die Oxidationsrate im Rahmen der selektiven Nassoxidation
stark von der Aluminiumkonzentration abhängt, kann somit
anschaulich durch die selektive Nassoxidation von aluminium
haltigen Halbleiterschichten, d. h. dem aluminium-haltigen
Schichtenpaket, mit einem grundsätzlich beliebig vorgebbaren,
vertikalen Aluminium-Konzentrationsprofil 301 eine beliebige
Oxidationsfront realisiert werden, beispielsweise auch eine
Form einer Linse oder eine Strahlformerfunktion.
Durch den Einsatz einer gekrümmten Maske für das Ätzen der
vertikalen Emissionskante 109 des Strahlformers 103 kann
gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sogar ein
zweidimensionaler Strahlformer bzw. eine zweidimensionale
Linse monolithisch realisiert werden.
Ein von dem Halbleiterlaserelement 102 emittierter
Laserstrahl, in Fig. 1 symbolisiert durch einen vierten Pfeil
115, wird somit aus der aktiven Schicht 105 heraus
unmittelbar durch den Strahlformer 103 hindurch und
vorzugsweise in einen Kern 116 einer Glasfaser 117 geführt.
Fig. 2 zeigt einen Halbleiterlaserchip 200 gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Der Halbleiterlaserchip 200 weist ein Substrat 201, ein
Halbleiterlaserelement 202 sowie einen Strahlformer 203 auf.
Die einzelnen Elemente 202, 203 sind wie bei dem
Halbleiterlaserchip 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
ausgestaltet mit dem Unterschied, dass das
Halbleiterlaserelement 202 gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel als FP-Laser ausgestaltet ist.
Hinsichtlich der Ausgestaltung und der Herstellung der
weiteren Elemente des Halbleiterlaserchips 200 gemäß dem
zweiten Ausführungsbeispiel wird auf die Ausführungen
hinsichtlich der Ausgestaltung und der Herstellung des
Halbleiterlaserchips 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
verwiesen, da die einzelnen Herstellungsprozesse dem
Herstellungsverfahren des ersten Ausführungsbeispiels
identisch sind.
In einem abschließenden Schritt wird jedoch gemäß diesem
zweiten Ausführungsbeispiel zwischen das
Halbleiterlaserelement 202 und den Strahlformer 203 ein
Graben 204 geätzt, der einen Luftspalt, anschaulich
funktional beschrieben einen geätzten Spiegel bildet, der
einen für einen FP-Laser üblicherweise verwendeten
Vorderseitenspiegel bildet.
Der Luftspalt 204 weist eine Breite von maximal 10 µm auf,
wie durch einen Doppelpfeil 205 in Fig. 2 symbolisiert ist.
Der Graben 204 wird mittels eines Trockenätzverfahrens in die
durch das Halbleiterlaserelement 202 und dem Strahlformer 203
gebildete Struktur geätzt.
Ein von dem Halbleiterlaserelement 202 in dessen aktiver
Schicht erzeugter und emittierter Laserstrahl 206 wird durch
den Graben 204 und anschließend durch das aluminium-haltige
Schichtenpaket, d. h. den Strahlformer 203 geführt und als
geformter Laserstrahl 207 einer Glasfaser 208, insbesondere
dessen Kern 209, zugeführt.
Claims (12)
1. Halbleiterlaserchip mit
einem Halbleiterlaserelement und
einem in den Halbleiterlaserchip integrierten Strahlformer zum Formen eines von dem Halbleiterlaserelement emittierten Laserstrahls,
wobei der Strahlformer in Austrittsrichtung eines von dem Halbleiterlaserelement emittierten Laserstrahls dem Halbleiterlaserelement angeordnet ist, so dass der emittierte Laserstrahl durch den Strahlformer geführt wird.
einem Halbleiterlaserelement und
einem in den Halbleiterlaserchip integrierten Strahlformer zum Formen eines von dem Halbleiterlaserelement emittierten Laserstrahls,
wobei der Strahlformer in Austrittsrichtung eines von dem Halbleiterlaserelement emittierten Laserstrahls dem Halbleiterlaserelement angeordnet ist, so dass der emittierte Laserstrahl durch den Strahlformer geführt wird.
2. Halbleiterlaserchip nach Anspruch 1,
bei dem der Stahlformer monolithisch in dem
Halbleiterlaserchip integriert ist.
3. Halbleiterlaserchip nach Anspruch 1 oder 2,
bei dem der Strahlformer aluminium-haltiges Material
aufweist.
4. Halbleiterlaserchip nach Anspruch 3,
bei dem der Strahlformer zumindest eine Materialkombination
zumindest einer der folgenden Materialsysteme aufweist:
- - Indium-Gallium-Aluminium-Antimonid,
- - Gallium-Aluminium-Arsenid-Antimonid, oder
- - Indium-Aluminium-Arsen-Antimonid.
5. Halbleiterlaserchip nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
bei dem zwischen dem Halbleiterlaserelement und dem
Strahlformer ein Graben eingebracht ist.
6. Halbleiterlaserchip nach Anspruch 5,
bei dem der Graben eine Breite zwischen der Kante des
Halbleiterlaserelements, aus der der Laserstrahl emittiert
wird, und der strahleingangsseitigen Oberfläche des
Strahlformers von maximal 15 µm aufweist.
7. Halbleiterlaserchip nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
bei dem das Halbleiterlaserelement als DFB-
Halbleiterlaserelement ausgestaltet ist.
8. Halbleiterlaserchip nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
bei dem das Halbleiterlaserelement als FP-
Halbleiterlaserelement ausgestaltet ist.
9. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlaserchips,
bei dem ein Halbleiterlaserelement gebildet wird,
bei dem in Austrittsrichtung eines von dem Halbleiterlaserelement emittierten Laserstrahls ein Strahlformer gebildet wird, so dass der emittierte Laserstrahl durch den Strahlformer geführt wird.
bei dem ein Halbleiterlaserelement gebildet wird,
bei dem in Austrittsrichtung eines von dem Halbleiterlaserelement emittierten Laserstrahls ein Strahlformer gebildet wird, so dass der emittierte Laserstrahl durch den Strahlformer geführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
bei dem zum Bilden des Strahlformers
in Austrittsrichtung eines von dem Halbleiterlaserelement emittierten Laserstrahls ein Strahlformerbereich gebildet wird, wobei der Strahlformerbereich Aluminium enthält,
in dem Strahlformerbereich ein gewünschtes Aluminium- Konzentrationsprofil gebildet wird,
eine selektive Oxidation des Strahlformerbereichs durchgeführt wird, so dass abhängig von dem Aluminium- Konzentrationsprofil der Strahlformer gebildet wird.
in Austrittsrichtung eines von dem Halbleiterlaserelement emittierten Laserstrahls ein Strahlformerbereich gebildet wird, wobei der Strahlformerbereich Aluminium enthält,
in dem Strahlformerbereich ein gewünschtes Aluminium- Konzentrationsprofil gebildet wird,
eine selektive Oxidation des Strahlformerbereichs durchgeführt wird, so dass abhängig von dem Aluminium- Konzentrationsprofil der Strahlformer gebildet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10,
bei dem für den Strahlformerbereich zumindest eine
Materialkombination zumindest einer der folgenden
Materialsysteme verwendet wird:
- - Indium-Gallium-Aluminium-Antimonid,
- - Gallium-Aluminium-Arsenid-Antimonid, oder
- - Indium-Aluminium-Arsen-Antimonid.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
bei dem zwischen das Halbleiterlaserelement und den
Strahlformerbereich oder den Strahlformer ein Graben
eingebracht wird.
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