DE10144826A1 - Verfahren zur Behandlung von oberflächenemittierenden Halbleiter-Bauelementen und oberflächenemittierendes Halbleiter-Bauelement - Google Patents

Verfahren zur Behandlung von oberflächenemittierenden Halbleiter-Bauelementen und oberflächenemittierendes Halbleiter-Bauelement

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von oberflächenemittierenden Halbleiter-Bauelementen wie GaAs-basierte Laserdioden, bestehend aus im Wesentlichen einem Substrat, zwei Bragg-Spiegel-Paketen (DBR) um eine Kavität herum, welche die aktive Zone enthält, eine Kontaktschicht auf dem oberen DBR sowie ein solches Halbleiter-Bauelement. DOLLAR A Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren zur Behandlung von oberflächenemittierenden Halbleiter-Bauelementen wie GaAs-basierte Laserdioden, bestehend aus im Wesentlichen einem Substrat, zwei Bragg-Spiegel-Paketen (DBR) um eine Kavität herum, welche die aktive Zone enthält, eine Kontaktschicht auf dem oberen DBR, gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass Indium-Gallium-Phosphid (InGaP) auf die oberste Spiegelschicht eines der Bragg-Spiegel-Pakete (3, 7) als eine Ätzstoppschicht und gleichzeitig als ein Schutz der darunter liegenden hochaluminiumhaltigen Spiegelschichten (3) aufgebracht wird, wobei die darüber liegenden absorbierenden Schichten (1, 9; 8) entweder teilweise heruntergeätzt (Lichtaustrittsöffnung 13) oder strukturiert aufgebracht werden (Kontaktschicht 1).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von oberflächenemittierenden Halbleiter-Bauelementen wie Laserdioden gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein oberflächenemittierendes Halbleiter-Bauelement gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 6, 7.
  • Ein oberflächenemittierender Laser (VCSEL: vertical-cavity surface-emitting laser) besteht im wesentlichen aus zwei Bragg-Spiegel-Paketen (DBR: distributed Bragg reflector) um eine Laserkavität herum, welche die aktive Zone enthält (J. Jewell et al.: "Vertical-cavity surface-emitting iasers: design, growth, fabrication, charactrization, IEEE Journal of Quantum Electronics", Vol. 27, No. 6. June 1991, p. 1332-1346; W. W. Chow et al.: "Design, Fabrication, and Performance of infrared and visible vertical-cavity surface-emitting lasers", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 33, No. 10. October 1997, p. 1810-1823).
  • Für die elektrische Ankontaktierung wird auf das obere DBR- Paket eine Kontaktschicht, üblicherweise hochdotiertes Galliumarsenid (GaAs), epitaktisch abgeschieden.
  • Auf diese Kontaktschicht kann der Metallkontakt aufgebracht und ein guter ohmscher Kontakt hergestellt werden.
  • Typische p++-GaAs Kontaktschichten sind einige 1019 cm-3 dotiert und haben Dicken von 50-300 nm.
  • p++-GaAs ergibt gute Zuleitungswiderstände, hat aber den Nachteil, dass Licht mit EPhoton > EBandlücke (GaAs) = 1,4 eV absorbiert wird.
  • Für den effektiven Laserbetrieb wäre es grundsätzlich erforderlich, die absorbierende Kontaktschicht im Lichtaustrittsfenster bis zum Aluminium-Galliumarsenid/Aluminiumarsenid (AlGaAs/AlAs)-DBR abzuätzen. Damit würde eine aluminium-haltige Oberfläche freiliegen.
  • Es ist bekannt, dass Al-haltige Oberflächen an Luft oxidieren und zwar umso stärker je höher der Al-Anteil in der Schicht ist. Bei sehr hohen Al-Anteilen ist das Oxid instabil und kann sogar abblättern. Außerdem hat AlGaAs an der Grenzfläche zu Luft Oberflächenzustände, die einen Teil des Lichts absorbieren können und so zu Verlusten führen.
  • Des weiteren bilden diese Oberflächenzustände nichtstrahlende Rekombinationszentren. Der durch nichtstrahlende Rekombination verursachte Ladungsträgerverlust muss durch einen größeren Gesamtstrom ausgeglichen werden, was wiederum eine Erwärmung des Bauelementes zur Folge hat.
  • Die freiliegende Al(Ga)As-Oberfläche führt somit zu Verlusten, die zur Erwärmung des VCSELs beitragen und die Effizienz verringern. Die Instabilität des Oxids begrenzt die Lebensdauer der VCSEL.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren und ein oberflächenemittierendes Halbleiter-Bauelement wie eine GaAs-basierte Laserdiode zu entwickeln, deren Effizienz und Lebensdauer erhöht sind und dessen aluminiumhaltige Spiegelschicht in der Lichtaustrittsöffnung nicht durch Lufteinwirkung oxidieren kann.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Verfahrens gemäß Anspruch 1 und durch die Merkmale des Halbleiter- Bauelementes nach den Ansprüchen 6, 7 gelöst.
  • Das Verfahren nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine gegen Lufteinflüsse stabile Schicht wie Indium-Gallium-Phosphid (InGaP) auf die mit der Umgebungsluft in Kontakt kommende oberste Spiegelschicht eines der Bragg-Pakete als eine Ätzstoppschicht und gleichzeitig als ein Schutz der hochaluminiumhaltigen Spiegelschichten aufgebracht wird, wobei die darüberliegenden absorbierenden Schichten entweder teilweise in bekannter Weise heruntergeätzt werden (Lichtaustrittsöffnung) oder strukturiert aufgebracht werden (Kontaktschicht).
  • Das Halbleiter-Bauelement nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine gegen Lufteinflüsse stabile Schicht wie Indium-Gallium-Phosphid (InGaP) auf der obersten Spiegelschicht eines der Bragg-Spiegel-Pakete als eine Ätzstoppschicht und gleichzeitig als ein Schutz der darunterliegenden hochaluminiumhaltigen Spiegelschichten vorgesehen ist, wobei die darüberliegenden absorbierenden Schichten teilweise heruntergeätzt (Lichtaustrittsöffnung) sind, oder dass eine gegen Lufteinflüsse stabile Schicht wie Indium-Gallium-Phosphid (InGaP) als Abschluß des Bragg- Spiegel-Paketes, durch welches das Licht ausgekoppelt wird, aufgebracht ist, wobei die darüberliegenden absorbierenden Schichten strukturiert aufgebracht sind.
  • Zur Verringerung von Absorption und zur Vermeidung von Wärmequellen wird die über der InGaP-Ätzstoppschicht liegende Schichtung in bekannter Weise in der Lichtaustrittsöffnung geöffnet.
  • Die Einführung einer Ätzstopp-Schicht aus InGaP in VCSEL- Strukturen mit Emissionswellenlängen unter 900 nm, die nicht absorbiert, an Luft stabil ist und somit die AlGaAs- Oberfläche passiviert, hat folgende Vorteile:
    • - EBandlücke (InGaP) > EPhoton für EPh < 1,9 eV → keine Absorption
    • - Wenige Oberflächenrekombinationszustände → keine Absorption
    • - Brechungsindex von InGaP etwa gleich dem von Al0,5Ga0,5As → InGaP kann als letzte Spiegelschicht eingesetzt werden, so dass die Resonatorbedingungen erfüllt sind. Alternativ ist es möglich, nur einen Teil der letzten Spiegelschicht durch InGaP zu ersetzen. Typische Dicken des InGaP 10-40 nm
    • - InGaP lässt sich bis zu 1019 cm-3 dotieren → kein zusätzlicher elektrischer Widerstand durch das Einfügen der Ätzstopschicht
    • - Gitterangepasste Abscheidung → keine Kristalldefekte
    • - Keine Oxidation an Luft → stabile Oberfläche
    • - Keine Oxidation beim Prozessschritt der feuchten Oxidation zur Strukturierung von VCSELs mit Oxidblende.
  • Die VCSEL ohne Kontaktschicht haben mit einer InGaP- Ätzstoppschicht nach der Erfindung ein stabiles Lichtaustrittsfenster und höhere Ausgangsleistungen.
  • Die Ausgangsleistung von zum Beispiel 650 nm-VCSEL- Strukturen ohne eine Kontaktschicht ist mehr als 2,5mal so hoch wie mit einer Kontaktschicht bei der gleichen Stromdichte.
  • Es wird somit eine Verbesserung der Effizienz und eine Energieeinsparung erreicht. Außerdem ist die Erwärmung geringer, es muss weniger Wärme abgeführt werden, es wird eine kleinere Kühlleistung benötigt bzw. es kann auf eine zusätzliche Temperaturstabilisierung verzichtet werden.
  • Die Lösung nach der Erfindung ist vorteilhaft anwendbar für alle Emitter mit EPhoton > EBandlücke (GaAs) und für VCSEL- Strukturen mit Spiegelschicht-Paketen (DBR), die nur aus AlxGa1-xAs mit x > 0.3 bestehen, wegen dessen Oxidation an Luft, zum Beispiel: Emissionswellenlänge λ = 650 nm: DBR: Al0,5Ga0,5As-AlAs.
  • Die InGaP-Ätzstoppschicht kann in allen Oberflächenemittern, in Top- und in Bottom-Emittern (Substratstrahler), eingefügt werden.
  • Die Ausführung als Bottom-Emitter hat den Vorteil, dass der Abstand der Wärmequelle (aktive Zone + DBRs) zur Unterlage, die als Wärmesenke dient, kleiner ist.
  • Neben der Anwendung in VCSEL-Strukturen kann die Erfindung auch in anderen oberflächenemittierenden Bauelementen wie Resonant-Cavity-Leuchtdioden (RCLEDs) eingesetzt werden. Letztere haben im Vergleich zu den VCSEL-Strukturen im wesentlichen nur eine geringere DBR-Spiegelzahl, z. B. 5 Paare p-DBR und 15 Paare n-DBR.
  • Zweckmäßige Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Die Erfindung wird in fünf Ausführungsbeispielen von oberflächenemittierenden GaAs-basierten Laserdioden näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
  • Fig. 1 die schematische Darstellung des typischen Schichtaufbaus eines Mesa- Top-Emitters,
  • Fig. 2 die schematische Darstellung des typischen Schichtaufbaus eines Top- Emitters mit Oxidblende,
  • Fig. 3 die schematische Darstellung des typischen Schichtaufbaus eines Top-Emitters mit Implantat,
  • Fig. 4 die schematische Darstellung des typischen Schichtaufbaus eines Top- Emitters mit Zwei-Schritt-Epitaxie- Gebiet und
  • Fig. 5 die schematische Darstellung des Schichtaufbaus eines Bottom-Emitters nach der Erfindung.
  • Entsprechend der Darstellung in den Fig. 1 bis 4 besteht ein Top-Emitter nach der Erfindung aus einem GaAs-Substrat 8, aus mehreren Spiegelschichten in zwei Paketen 3, 7 (Distributed Bragg Reflektor) zum Beispiel aus AlGaAs- AlGaAs, aus einer Laseraktivität mit zwei Zwischenschichten 4,6 und einer aktiven Zone (QWs) 5, aus einer InGaP-Ätzstopp-Schicht 2, die gleichzeitig als Schutzschicht wirkt, einer Kontaktschicht 1, aus Metallkontakten 9.
  • In der Fig. 1 ist als ein erstes Ausführungsbeispiel die Schichtfolge für einen Mesa-Top-Emitter mit typischen Materialien und Dicken dargestellt.
  • Der Mesa-Top-Emitter besteht danach aus einer Kontaktschicht 1 aus 80 nm GaAs (p: 2.1019 cm-3), einer Ätzstopschicht 2 aus 10 nm InGaP (p: 7.1018 cm-3), aus einem Paket p-DBR 3 aus λ/4 Al0,5Ga0,5As-Al0,95Ga0,05As, 3.1018 cm-3, aus einer p-Zwischenschicht 4 aus 80 nm AlGaInP, aus einer aktiven Zone 5 aus 3 QWs InGaP mit AlGaInP-Barrieren, Gesamtdicke: ca. 50 nm, aus einer n-Zwischenschicht 6 aus 80 nm AlGaInP, aus einem Paket n-DBR 7 aus λ/4 Al0,5Ga0,5As- AlAs, 1.1018 cm-3, aus einem Substrat 8 aus n-GaAs und aus Metallkontakten 9.
  • Die zwischen die GaAs-Kontaktschicht 1 und die Spiegelschichten 3 eingefügte InGaP-Ätzstoppschicht 2 ist gegenüber dem Einfluß von Luft stabil und verhindert eine Oxidation der hochaluminiumhaltigen Spiegelschichten 3.
  • In der Fig. 2 ist die Schichtfolge eines Top-Emitters mit einer Oxidblende mit typischen Materialien und Dicken dargestellt.
  • Dabei bedeuten:
    1 Kontaktschicht: 80 nm GaAs, p: 2.1019 cm-3
    2 Ätzstoppschicht: 10 nm InGaP, p: 7.1018 cm-3
    3 p-DBR: λ/4 Al0,5Ga0,5As - Al0,95Ga0,05As, 3.1018 cm-3
    4 p-Zwischenschicht: 80 nm AlGaInP
    5 aktive Zone: 3 QWs InGaP mit AlGaInP-Barrieren, Gesamtdicke: ca. 50 nm
    6 n-Zwischenschicht: 80 nm AlGaInP
    7 n-DBR: λ/4 Al0,5Ga0,5As - AlAs, 1.1018 cm-3
    8 Substrat: n-GaAs
    9 Metallkontakte
    10 Oxidblende, hergestellt mittels feuchter Oxidation

  • In der Fig. 3 ist ein Top-Emitter mit einer implantierten VCSEL dargestellt.
  • Dabei bedeuten:
    1 Kontaktschicht: 80 nm GaAs, p: 2.1019 cm-3
    2 Ätzstoppschicht: 10 nm InGaP, p: 7.1018 cm-3
    3 p-DBR: λ/4 Al0,5Ga0,5As - Al0,95Ga0,05As, 3.1018 cm-3
    4 p-Zwischenschicht: 80 nm AlGaInP
    5 aktive Zone: 3 QWs InGaP mit AlGaInP-Barrieren, Gesamtdicke: ca. 50 nm
    6 n-Zwischenschicht: 80 nm AlGaInP
    7 n-DBR: λ/4 Al0,5Ga0,5As - AlAs, 1.1018 cm-3
    8 Substrat: n-GaAs
    9 Metallkontakte
    11 Isolationsimplantation

  • In einem vierten Ausführungsbeispiel ist in der Fig. 4 ein Top-Emitter nach der Zwei-Schritt-Epitaxie dargestellt.
  • Dabei zeigen:
    1 Kontaktschicht: 80 nm GaAs, p: 2.1019 cm-3
    2 Ätzstoppschicht: 10 nm InGaP, p: 7.1018 cm-3
    3 p-DBR: λ/4 Al0,5Ga0,5As - Al0,95Ga0,05As, 3.1018 cm-3
    4 p-Zwischenschicht: 80 nm AlGaInP
    5 aktive Zone: 3 QWs InGaP mit AlGaInP-Barrieren, Gesamtdicke: ca. 50 nm
    6 n-Zwischenschicht: 80 nm AlGaInP
    7 n-DBR: λ/4 Al0,5Ga0,5As - AlAs, 1.1018 cm-3
    8 Substrat: n-GaAs
    9 Metallkontakte
    12 in 2. Epitaxieschritt aufgefülltes Gebiet

  • Alle Bauformen der Top-Emitter nach den Fig. 1 bis 4 lassen sich mit dieser Erfindung auch als Bottom-Emitter realisieren, indem die Ätzstoppschicht 2 zwischen den n-DBR 7 und das Substrat 8 eingefügt wird und das absorbierende Substrat 8 abgeätzt wird. Entweder werden Löcher, Lichtaustrittsöffnung 13, in das Substrat 8 geätzt, durch die das Licht austritt oder es wird das ganze Substrat 8 abgeätzt, wenn die Epitaxieseite mit einem anderen Träger stabilisiert wurde.
  • In der Fig. 5 ist ein Bottom-Emitter mit einem Loch (Lichtaustrittsöffnung 13) im Substrat 8 am Beispiel des VCSEL mit Oxidblende nach Fig. 2 mit typischen Materialien und Dicken dargestellt.
  • Es zeigen: 1 Kontaktschicht: 80 nm GaAs, p: 2.1019 cm-3
    2 Ätzstoppschicht: 10 nm InGaP, p: 7.1018 cm-3
    3 p-DBR: λ/4 Al0,5Ga0,5As - Al0,95Ga0,05As, 3.1018 cm-3
    4 p-Zwischenschicht: 80 nm AlGaInP
    5 aktive Zone: 3 QWs InGaP mit AlGaInP-Barrieren, Gesamtdicke: ca. 50 nm
    6 n-Zwischenschicht: 80 nm AlGaInP
    7 n-DBR: λ/4 Al0,5Ga0,5As - AlAs, 1.1018 cm-3
    8 Substrat: n-GaAs
    9 Metallkontakte
    10 Oxidblende
    13 Lichtaustrittsöffnung

  • Oberflächenemittierende Laserdioden mit Emissionswellenlängen unter 850 nm können als Bottom-Emitter nur dann ausgeführt werden, wenn das absorbierende Substrat entfernt wird. Soll das Substrat weiterhin als Trägerkristall verwendet werden, dann werden Löcher (Lichtaustrittsöffnungen 13) bis zu den Spiegelschichten in das Substrat geätzt. InGaP wird wie beim Top-Emitter als Ätzstoppschicht und als Schutzschicht für die hochaluminiumhaltigen Spiegelschichten verwendet.
  • Alternativ kann das Substrat ganz abgetrennt werden, wenn die Epitaxieseite mit einem anderen Träger stabilisiert wurde. Danach dient die InGaP-Schicht wiederum als Passivierungsschicht für die ansonsten freiliegenden Spiegelschichten.
  • Die Verwendung von InGaP-Schichten als Ätzstoppschicht ist aus der DE 695 05 900 T2 als solche bekannt. Dort wird der Aufbau eines Halbleiterlasers mit Heterostruktur beschrieben, bei der die Mantelschichten aus AlGaAs und InGaP gebildet sind. Auf der passiven Wellenleiterschicht wird eine dünne InGaP-Schicht als Ätzstoppschicht abgelagert.
  • Diese Ätzstoppschicht hat jedoch eine andere Funktion und dient nicht gleichzeitig auch dem Schutz der darunter liegenden Schicht vor Lufteinflüssen.
  • Die Ätzstoppschicht in der DE 695 05 900 T2 ist parallel zur Lichtausbreitungsrichtung angeordnet und wird im Gegensatz zu den hier realisierten Bauelementen nicht von der Laseremission passiert. Somit müssen keine so hohen Anforderungen an geringe Absorption und Brechungsindex- Anpassung zu den umliegenden Schichten gestellt werden wie in oberflächenemittierenden Bauelementen. Die Ätzstoppschicht liegt nur in passiven Bereichen an Luft, im Gegensatz zu den hier realisierten Bauelementen, bei denen die Ätzstoppschicht in der Lichtasutrittsöffnung an Luft liegt. Die Stabilität an Luft der Ätzstopschicht ist zwingend erforderlich. Eventuell vorhandene Oberflächenrekombinationszustände können zu erheblichen Verlusten oder sogar zu Spontanausfällen der Bauelemente führen. Bezugszeichenliste 1 GaAs-Kontaktschicht
    2 InGaP-Ätzstoppschicht
    3 Spiegelschichten (p-DBR)
    4 p-Zwischenschicht
    5 Aktive Zone
    6 n-Zwischenschicht
    7 Spiegelschichten (n-DBR)
    8 Substrat
    9 Metallkontakte
    10 Oxidblende
    11 Isolationsimplantation
    12 Epitaxiegebiet
    13 Lichtaustrittsöffnung

Claims (7)

1. Verfahren zur Behandlung von oberflächenemittierenden Halbleiter-Bauelementen wie GaAs-basierte Laserdioden, bestehend aus im wesentlichen einem Substrat, zwei Bragg-Spiegel-Paketen (DBR) um eine Kavität herum, welche die aktive Zone enthält, eine Kontaktschicht auf dem oberen DBR, dadurch gekennzeichnet, dass eine gegen Lufteinflüsse stabile Schicht (2) wie Indium-Gallium-Phosphid (InGaP) auf die oberste Spiegelschicht eines der Bragg-Spiegel-Pakete (3, 7) als eine Ätzstoppschicht und gleichzeitig als ein Schutz der darunterliegenden hochaluminiumhaltigen Spiegelschichten (3) aufgebracht wird, wobei die darüberliegenden absorbierenden Schichten (1, 9; 8) entweder teilweise heruntergeätzt (Lichtaustrittsöffnung 13) oder strukturiert aufgebracht werden (Kontaktschicht 1).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gegen Lufteinflüsse stabile Schicht (2) wie Indium-Gallium-Phosphid (InGaP) zwischen der oberen Spiegelschicht des n-DBR (7) und das Substrat (8) als eine Ätzstoppschicht und gleichzeitig als ein Schutz der hochaluminiumhaltigen Spiegelschichten (7) eingefügt wird, und das Substrat (8) zumindestens teilweise in bekannter Weise heruntergeätzt wird (Lichtaustrittsöffnung 13).
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in das Substrat (8) mindestens eine Lichtaustrittsöffnung (13) bis in die erste Spiegelschicht (7) geätzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ätzstoppschicht (2) die erste Spiegelschicht vor der Lichtaustrittsöffnung (13) bildet.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Teil der letzten Spiegelschicht durch die Ätzstoppschicht (2) gebildet wird.
6. Oberflächenemittierendes Halbleiter-Bauelement wie GaAs-basierte Laserdiode, bestehend aus im wesentlichen einem Substrat, zwei Bragg-Spiegel-Paketen (DBR) um eine Kavität herum, welche die aktive Zone enthält, eine Kontaktschicht auf dem oberen DBR, dadurch gekennzeichnet, dass eine gegen Lufteinflüsse stabile Schicht (2) wie Indium-Gallium-Phosphid (InGaP) auf der obersten Spiegelschicht eines der Bragg-Spiegel-Pakete (3, 7) als eine Ätzstoppschicht und gleichzeitig als ein Schutz der darunterliegenden hochaluminiumhaltigen Spiegelschichten (3) vorgesehen ist, wobei die darüberliegenden absorbierenden Schichten (1, 9; 8) teilweise heruntergeätzt (Lichtaustrittsöffnung 13) sind.
7. Oberflächenemittierendes Halbleiter-Bauelement wie GaAs-basierte Laserdiode, bestehend aus im wesentlichen einem Substrat, zwei Bragg-Spiegel-Paketen (DBR) um eine Kavität herum, welche die aktive Zone enthält, eine Kontaktschicht auf dem oberen DBR, dadurch gekennzeichnet, dass eine gegen Lufteinflüsse stabile Schicht (2) wie Indium-Gallium-Phosphid (InGaP) als Abschluß des Bragg-Spiegel-Paketes (3, 7), durch welches das Licht ausgekoppelt wird, aufgebracht ist, wobei die darüberliegenden absorbierenden Schichten (1, 9) strukturiert aufgebracht sind.
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