DE102004031711B4

DE102004031711B4 - Oberflächenemittierender Halbleiterlaser und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102004031711B4
Application number: DE200410031711
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Reill
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2008-09-18
Anticipated expiration: 2024-07-01
Also published as: WO2006002609A1; DE102004031711A1

Abstract

Oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit
– einem Halbleiterchip (1), der ein Substrat (2) und eine auf dem Substrat (2) aufgewachsene Halbleiterschichtenfolge (19), die eine strahlungsemittierende aktive Zone (12) umfasst, enthält, und
– einem externen Resonatorspiegel (5),
dadurch gekennzeichnet, dass
– das Substrat (2) eine Ausnehmung (3) aufweist und die emittierte Strahlung (6) durch die Ausnehmung (3) ausgekoppelt wird, und
– zum optischen Pumpen des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers eine außerhalb des Halbleiterchips (1) angeordnete Pumpstrahlungsquelle (8) vorgesehen ist, wobei die von der Pumpstrahlungsquelle (8) emittierte Pumpstrahlung (9) durch die Ausnehmung (3) des Substrats (9) in die aktive Zone (12) eingestrahlt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Oberflächenemittierende Halbleiterlaser, die auch unter den Begriffen VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser) oder Scheibenlaser bekannt sind, zeichnen sich durch eine hohe Strahlqualität bei gleichzeitig hohen Ausgangsleistungen aus. Bei hohen Ausgangsleistungen ist eine gute Abfuhr der anfallenden Verlustwärme notwendig, um eine Beschädigung oder sogar den Ausfall des Bauelements durch eine Überhitzung zu vermeiden.
Um die Wärmeabfuhr zu verbessern, werden oberflächenemittierende Halbleiterlaser beispielsweise auf einer Wärmesenke montiert. Da das für die Herstellung der epitaktischen Halbleiterschichten verwendete Halbleitersubstrat in der Regel eine vergleichsweise geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist, wäre es vorteilhaft, dieses Halbleitersubstrat von den epitaktischen Halbleiterschichten abzulösen. Dabei tritt aber das Problem auf, dass die epitaktischen Schichten ohne das Substrat aufgrund ihrer geringen Dicke nur schwer handhabbar sind. Deshalb wird oftmals die Halbleiterschichtenfolge mit der dem Substrat gegenüberliegenden Seite auf die Wärmesenke montiert und erst anschließend das Substrat mit einem Ätzprozess abgelöst.
Der Prozess des Ablösens des Substrats durch einen Ätzprozess ist jedoch – abhängig vom Zeitpunkt während des Herstellungsprozesses der Halbleiterchips – mit verschiedenen Nachteilen verbunden. In der Regel werden eine Vielzahl von Halbleiterchips in einem sogenannten Waferverbund hergestellt und anschließend in einzelne Halbleiterchips vereinzelt. Das Entfernen des Substrats im Waferverbund hat den Nachteil, dass dabei das Substrat auf einer Fläche von typischerweise mehreren Quadratzentimetern abgeätzt werden muss. Durch eine unterschiedliche Ätzrate auf dieser Fläche kann es vorkommen, dass die epitaktische Schicht stellenweise trotz der Ätzstoppschicht beschädigt wird. Wenn das Entfernen des Substrats dagegen erst nach der Vereinzelung des Halbleiterwafers in einzelne Halbleiterchips erfolgt, besteht die Gefahr, dass die Ätzstoppschicht an den Seitenflanken der Halbleiterchips unterätzt wird, wobei insbesondere Risse in den epitaktischen Schichten und Ausbrüche an den Rändern des Halbleiterchips entstehen können.
In der Druckschrift WO 02/095883 A2 ist ein Lasersystem beschrieben, das einen strahlungserzeugenden aktiven Bereich und einen passiven Bereich aufweist, wobei der passive Bereich im Betrieb keine Strahlung emittiert, zwischen einem externen Spiegel und dem aktiven Bereich angeordnet ist und Luft enthalten kann. Dadurch reduzieren sich Schwankungen in der Wellenlänge der von dem Lasersystem emittierten Strahlung.
Aus den Druckschriften WO 01/59895 A1 und DE 10 2004 024 611 A1 ist bekannt, eine oberflächenemittierende Halbleitervorrichtung, u. a. einen Halbleiterlaser (VECSEL), mittels einer extern angeordneten Pumpstrahlungsquelle, u. a. eines Diodenlasers, optisch zu pumpen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser anzugeben, bei dem die zuvor genannten Nachteile nicht auftreten. Ferner soll ein vorteilhaftes Verfahren zu dessen Herstellung angegeben werden.
Diese Aufgabe wird durch einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren nach Patentanspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser enthält gemäß der Erfindung einen Halbleiterchip, der ein Substrat und eine auf dem Substrat aufgewachsene Halbleiterschichtenfolge, die eine strahlungsemittierende aktive Zone enthält, und einen externen Resonatorspiegel, wobei das Substrat eine Ausnehmung aufweist und die emittierte Strahlung durch die Ausnehmung ausgekoppelt wird. Ferner ist eine außerhalb des Halbleiterchips angeordnete Pumpstrahlungsquelle vorgesehen, wobei die von der Pumpstrahlungsquelle emittierte Pumpstrahlung durch die Ausnehmung des Substrats in die aktive Zone des Halbleiterchips eingestrahlt wird.
Ein derartiger Halbleiterlaser hat den Vorteil, dass durch die Ausnehmung Strahlung auf der Substratseite aus dem Halbleiterchip ausgekoppelt oder in den Halbleiterchip eingekoppelt werden kann, wobei gleichzeitig aber die noch vorhanden Bereiche des Substrats den Halbleiterschichten ausreichend Stabilität verleihen, dass der Halbleiterchip mit herkömmlicher Chiptechnologie handhabbar ist.
Die Ausnehmung in dem Substrat ist bei dem Halbleiterlaser beispielsweise mit einem Ätzprozess hergestellt. Dazu ist die dem Substrat zugewandte Seite der Halbleiterschichtenfolge vorteilhaft mit einer Ätzstoppschicht versehen. Diese Ätzstoppschicht verhindert bei der Herstellung der Ausnehmung des Substrats, dass die epitaktischen Halbleiterschichten von den Ätzmittel angegriffen werden.
Beispielsweise kann es sich bei dem Halbleiterlaser um einen optisch gepumpten Halbleiterlaser handeln, bei dem eine außerhalb des Halbleiterchips angeordnete Pumpstrahlungsquelle vorgesehen ist, wobei die von der Pumpstrahlungsquelle emittierte Pumpstrahlung durch die Ausnehmung des Substrats in die aktive Zone des Halbleiterchips eingestrahlt wird.
Bei einem optisch gepumpten oberflächenemittierenden Halbleiterlaser ist es besonders vorteilhaft, wenn die Ausnehmung schräge Seitenflanken aufweist. Vorzugsweise verjüngt sich der Querschnitt der Ausnehmung von einer der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite des Substrats zu einer der Halbleiterschichtenfolge zugewandten Seite des Substrats hin. Insbesondere kann die Ausnehmung einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Abschattung einzelner Teilbereiche der aktiven Zone durch die Seitenflanken der Ausnehmungen bei der Einstrahlung der Pumpstrahlung vermindert oder sogar ganz vermieden wird. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Pumpstrahlung schräg zur Emissionsrichtung des Halbleiterlasers angestrahlt wird.
Der Halbleiterchip kann beispielsweise derart auf eine Wärmesenke montiert sein, dass die Wärmesenke von der aktiven Zone aus gesehen dem Substrat gegenüberliegt. Die Wärmesenke ist bei dem Halbleiterlaser nicht notwendigerweise als Träger für die Halbleiterschichten erforderlich, da auch der noch vorhandene Teil des Substrats die Funktion des Trägers erfüllt. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, vor der Montage des Halbleiterchips auf eine Wärmesenke Prozessschritte mit herkömmlicher Chiptechnologie durchzuführen, die nach der Montage auf eine Wärmesenke nicht nur mit erheblichem Aufwand möglich wären. Beispielsweise können, wie im folgenden beschrieben wird, weitere funktionelle Schichten auf den Halbleiterchip aufgebracht werden.
Auf der von dem Substrat abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge sind vorteilhaft eine oder mehrere metallische Schichten aufgebracht, die beispielsweise eines der Metalle Ti, Pt oder Al oder eine Verbindung dieser Materialien enthalten. Um insbesondere die Stabilität der epitaktischen Schichten im Bereich der Ausnehmung des Substrats zu erhöhen, kann auch eine metallische Schicht aufgebracht sein, die beispielsweise Gold oder Silber enthält und insbesondere galvanisch aufgebracht werden kann.
In dem Bereich der Ausnehmung des Substrats, das beispielsweise ein GaAs-Substrat sein kann, ist vorzugsweise eine reflexionsmindernde Schicht auf den Halbleiterchip aufgebracht, um Reflektionsverluste an der Grenzfläche zwischen dem Halbleiterchip und dem Umgebungsmedium zu vermindern.
Bei einem Verfahren zur Herstellung eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Substrat für eine Mehrzahl von Halbleiterchips bereitgestellt wird. Auf das Substrat wird eine Halbleiterschichtenfolge, die insbesondere die aktive Zone des Halbleiterlasers enthält, aufgebracht. Weiterhin kann die Halbleiterschichtenfolge auch einen der Resonatorspiegel des Halbleiterlasers, beispielsweise einen Bragg-Spiegel enthalten.
Das Substrat ist vorzugsweise ein Halbleiterwafer, insbesondere ein GaAs-Wafer.
In dem Substrat wird eine Mehrzahl von Ausnehmungen hergestellt, wobei jede Ausnehmung als Strahlungsauskopplungsfläche eines einzelnen oberflächenemittierenden Halbleiterlasers vorgesehen ist.
Auch nach der Herstellung der Ausnehmungen in dem Substrat ist der Wafer weiterhin mit herkömmlicher Chiptechnologie handhabbar. Beispielsweise können nach der Herstellung der Ausnehmungen weitere Beschichtungsprozesse durchgeführt werden. Insbesondere kann in dem Bereich der Ausnehmung eine reflexionsmindernde Schicht aufgebracht werden, durch die Reflektionsverluste bei der Auskopplung der Laserstrahlung aus dem Halbleiterchip verringert werden. Weiterhin können Metallschichten, mit denen beispielsweise ein Lötkontakt zu einer Wärmesenke hergestellt werden kann, vorgesehen sein.
Nachfolgend wird der Wafer in eine Mehrzahl einzelner Halbleiterchips zerteilt. Beispielsweise wird der Wafer in rechteckige oder quadratische einzelne Halbleiterchips zersägt, wobei jeder einzelne Halbleiterchip mindestens eine der vorher hergestellten Ausnehmungen umfasst.
Die Halbleiterchips werden bevorzugt auf eine Wärmesenke montiert, beispielsweise gelötet. Die Montage auf die Wärmesenke kann sowohl vor als auch nach dem Zerteilen des Wafers in einzelne Halbleiterchips erfolgen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Figur näher erläutert.
Die Figur zeigt einen schematisch dargestellten Querschnitt durch einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Der oberflächenemittierende Halbleiterlaser enthält einen Halbleiterchip 1, der ein Substrat 2 und eine Halbleiterschichtenfolge 19 aufweist. Die Halbleiterschichtenfolge 19 umfasst eine strahlungsemittierende aktive Zone 12, die insbesondere als Quantenstruktur gebildet sein kann. Als Quantenstrukturen sind im Rahmen der Erfindung insbesondere Quantentröge, Quantendrähte oder Quantenpunkte zu verstehen. Die aktive Zone 12 ist vorzugsweise von Mantelschichten 11, 13 umgeben.
Weiterhin enthält die Halbleiterschichtenfolge 19 einen Reflektor 14, der einen Resonatorspiegel des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers darstellt. Der Reflektor 14 kann eine metallische oder dielektrische Schicht oder Schichtenfolge sein. Bevorzugt ist der Reflektor 14 ein Bragg-Reflektor. Zusammen mit einem externen Resonatorspiegel 5 bildet der Reflektor 14 den Laserresonator des Halbleiterlasers aus.
Zum Pumpen des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers ist eine externe Pumpstrahlungsquelle 8, zum Beispiel eine vorzugsweise kantenemittierende Laserdiode, vorgesehen. Mittels der von der Pumpstrahlungsquelle 8 erzeugten Pumpstrahlung 9 wird die strahlungsemittierende aktive Zone 12 beziehungsweise die hierin ausgebildete Quantenstruktur optisch gepumpt.
Die in der aktiven Zone 12 erzeugte Strahlung 6 wird durch eine Ausnehmung 3 in dem Substrat 2 aus dem Halbleiterchip 1 ausgekoppelt. Die Ausnehmung 3 in dem Substrat 2 ist beispielsweise durch einen Ätzprozess hergestellt.
Vorteilhaft enthält die Halbleiterschichtenfolge 19 eine an das Substrat 2 angrenzende Ätzstoppschicht 10, die bei dem Ätzprozess eine Beschädigung der Halbleiterschichten durch das Ätzmittel verhindert. Die Teilbereiche des Substrats 2, die durch den Ätzprozess nicht entfernt werden, verhindern einerseits in vorteilhafter Weise, dass das bei dem Ätzprozess verwendete Ätzmittel an die Seitenflanken des Halbleiterchips 1 vordringt und dort die Halbleiterschichten beschädigt. Weiterhin werden die Halbleiterschichten 19 durch die verbleibenden Bereiche 2 des Substrats ausreichend stabilisiert, dass der Halbleiterchip 1 auch nach der Herstellung der Ausnehmungen mit herkömmlicher Chiptechnologie handhabbar ist.
Die der Ausnehmung 3 zugewandten Seitenflanken 4 des Substrats verlaufen vorzugsweise schräg zur Abstrahlrichtung 6 der von dem Halbleiterlaser emittierten Strahlung. Dies ist insbesondere vorteilhaft für oberflächenemittierende Halbleiterlaser, die von einer Pumpstrahlungsquelle 8 optisch gepumpt werden, die außerhalb des Halbleiterchips 1 angeordnet ist. Die Ausnehmung 3 kann beispielsweise einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen, der sich von einer der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite des Substrats zu einer der Halbleiterschichtenfolge zugewandten Seite des Substrats hin verjüngt. Dadurch wird vermieden, dass ein Teil der eingestrahlten Pumpstrahlung 9 durch die Seitenflanken 4 des Substrats 2 abgeschattet wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die schrägen Seitenflanken 4 einen größeren Winkel mit der Emissionsrichtung 6 der Laserstrahlung einschließen als die Einstrahlrichtung der Pumpstrahlung 9.
Auf der von der aktiven Zone abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge 19 enthält der Halbleiterchip 1 vorzugsweise eine Schicht oder Schichtenfolge 15, die eines oder mehrere Metalle enthält. Die Schicht oder Schichtenfolge 15 kann insbesondere die Metalle Ti, Pt oder Au enthalten. Die Schicht beziehungsweise Schichtenfolge ist bevorzugt als Barrierenschicht, Benetzungsschicht und/oder Haftvermittlerschicht für eine nachfolgende Lotschicht ausgeführt. Ferner kann auch eine Verstärkungsschicht 16 vorgesehen sein, die beispielsweise Ag oder Au enthält und insbesondere dazu dient, die Halbleiterschichtenfolge 19 nach der Herstellung der Ausnehmung 3 mechanisch zu stabilisieren. Diese Verstärkungsschicht 16 kann beispielsweise galvanisch hergestellt werden.
Der Halbleiterchip 1 ist bevorzugt auf eine Wärmesenke 18 montiert. Beispielsweise kann er mittels einer Lotschicht 17 auf die Wärmesenke 18 gelötet sein. Die Wärmesenke 18 kann zum Beispiel Kupfer enthalten.
Optional ist in dem Laserresonator ein nicht-linearer optischer Kristall 7 zur Frequenzkonversion der emittierten Strahlung 6, insbesondere zu einer Frequenzvervielfachung wie beispielsweise einer Frequenzverdopplung, vorgesehen.

Claims

Oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit – einem Halbleiterchip (1), der ein Substrat (2) und eine auf dem Substrat (2) aufgewachsene Halbleiterschichtenfolge (19), die eine strahlungsemittierende aktive Zone (12) umfasst, enthält, und – einem externen Resonatorspiegel (5), dadurch gekennzeichnet, dass – das Substrat (2) eine Ausnehmung (3) aufweist und die emittierte Strahlung (6) durch die Ausnehmung (3) ausgekoppelt wird, und – zum optischen Pumpen des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers eine außerhalb des Halbleiterchips (1) angeordnete Pumpstrahlungsquelle (8) vorgesehen ist, wobei die von der Pumpstrahlungsquelle (8) emittierte Pumpstrahlung (9) durch die Ausnehmung (3) des Substrats (9) in die aktive Zone (12) eingestrahlt wird.
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 1, bei dem der Halbleiterchip (1) auf eine Wärmesenke (18) montiert ist, wobei die Wärmesenke (18) von der aktiven Zone (12) aus gesehen dem Substrat (2) gegenüberliegt.
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Ausnehmung (3) schräge Seitenflanken (4) aufweist.
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 3, bei der sich der Querschnitt der Ausnehmung (3) von einer der Halbleiterschichtenfolge (19) abgewandten Seite des Substrats (2) zu einer der Halbleiterschichtenfolge zugewandten Seite des Substrats (2) hin verjüngt.
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 4, bei dem die Ausnehmung (3) einen trapezförmigen Querschnitt aufweist.
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die dem Substrat (2) zugewandte Seite der Halbleiterschichtenfolge (19) mit einer Ätzstoppschicht (10) versehen ist.
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem auf die von dem Substrat (2) abgewandte Seite der Halbleiterschichtenfolge (19) eine metallische Schicht oder Schichtenfolge (15) aufgebracht ist.
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Substrat (2) ein GaAs-Substrat ist.
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in dem Bereich der Ausnehmung (3) eine reflexionsmindernde Schicht (20) auf den Halbleiterchip aufgebracht ist.
Verfahren zur Herstellung eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend die Verfahrensschritte: a) Bereitstellen eines Substrats (2) für eine Mehrzahl von Halbleiterchips, b) Aufbringen einer Halbleiterschichtenfolge (19), die die aktive Zone (12) enthält, auf das Substrat (2), c) Herstellung einer Mehrzahl von Ausnehmungen (3) in dem Substrat (2), d) Zerteilen des Substrats (2) in eine Mehrzahl einzelner Halbleiterchips (1) derart, dass jeder Halbleiterchip (1) eine Ausnehmung (3) enthält.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Substrat (2) ein Halbleiterwafer, insbesondere ein GaAs-Wafer, ist.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem nach dem Herstellen der Ausnehmungen (3) in dem Substrat (2) und vor dem Zerteilen des Substrats (2) eine reflexionsmindernde Schicht (20) in dem Bereich der Ausnehmungen auf die Halbleiterschichtenfolge (19) aufgebracht wird.