DE102005007668A1 - Verfahren zur Verarbeitung von Oxid-eingeschränkten VCSEL-Halbleitervorrichtungen - Google Patents

Verfahren zur Verarbeitung von Oxid-eingeschränkten VCSEL-Halbleitervorrichtungen Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines VCSELs auf einem Substrat beschrieben, und zwar durch Ausbildung eines ersten parallelen Stapels von Spiegeln auf dem Substrat; des Formens einer aktiven und Abstandsschicht auf dem ersten parallelen Spiegelstapel und des Formens eines zweiten parallelen Spiegelstapels auf der aktiven und Abstandsschicht. Der zweite parallele Spiegelstapel wird dann geätzt, um eine Struktur zu definieren, und zwar gefolgt von der Oxidation der Umfangsseitenwände der Struktur zur Bildung einer stromeinschränkenden Mittelzone in der Struktur, und wobei schließlich mindestens ein Teil der Außenseitenwände der Struktur geätzt wird, um oxidiertes Material zu entfernen.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf VCSELs (vertical cavity surface emitting lasers = vertikale Hohlraumoberflächenemissionslaser) und insbesondere auf VCSELs, die durch selektive Oxidation von Mesastrukturen gebildet sind.
  • 2. Technischer Hintergrund
  • Eine typische VCSEL-Konfiguration umfasst eine aktive Zone zwischen zwei Spiegeln, und zwar angeordnet eine nach der anderen auf der Oberfläche des Substratwafers. Eine Isolierzone zwingt den Strom durch eine schmale Öffnung zu fließen und die Vorrichtung gibt Laserlicht ab, und zwar senkrecht zu der Waferoberfläche (d.h. dem "vertikalen" Teil des VCSEL). Eine Bauart des VCSEL ist insbesondere der Proton-VCSEL, wo die Isolierzone durch eine Proton-Implantation gebildet ist und zwar die kommerzielle Historie der VCSELs dominierend. In dem Oxid-geführten (oxide guided) VCSEL wird die Isolierzone durch partielle Oxidation einer dünnen, einen hohen Aluminiumgehalt besitzenden Schicht gebildet, und zwar innerhalb der Struktur des Spiegels. Der gleiche Oxidationsprozess kann auf andere Halbleiterstrukturen angewandt werden, um sowohl optoelektronische als auch rein elektronische Vorrichtungen zu erzeugen.
  • VCSELs wurden die Lasertechnologie der Wahl für Transceiver, die in Storage-Area-Network-(SAN)- und Local-Area-Network-(LAN)-Anwendungen verwendet werden. Es gibt zwei hauptsächliche Technologieplattformen oder -bereiche für die Herstellung von VCSELs. Der Unterschied bei diesen Plattformen basiert auf den unterschiedlichen Verfahren der Stromeinschränkung, und zwar entweder durch Ionenimplantation oder Einschränkung durch Oxid schichten. Die zwei Verfahren bilden eine Stromeinschränkstruktur in einem VCSEL, und zwar sind dies die Ionenimplantation und die selektive Oxidation. Beim Ionenimplantationsverfahren werden Ionen in einem Teil der oberen Reflexionsschicht derart implantiert, um so eine Hochwiderstandzone zu bilden, wodurch der Stromfluss auf eine definierte Zone eingeschränkt wird. Beim selektiven Oxidationsverfahren wird die Umfangszone einer Mesastruktur oxidiert, wodurch eine Öffnung (Apertur) umgeben durch eine Hochwiderstandsbereich oder eine Hochwiderstandszone, definiert wird.
  • Insbesondere bei dem selektiven Oxidationsverfahren wird die sich ergebende Struktur geätzt, was individuelle VCSELs auf einem Wafer ergibt und zwar nach dem Abscheiden einer AlGaAs-Schicht auf einem unteren Teil eines oberen Reflektors, der eine Hochwiderstandszone wird. Danach wird der Wafer in eine Oxidationsatmosphäre für eine vorbestimmte Zeitperiode gelassen, um die Diffusion von Dampf in den Umfangsteil der AlAs-Schicht zu gestatten. Infolge dessen wird eine Oxid-Isolierschicht am Umfangsteil als eine Hochwiderstandszone gebildet, welche den Stromfluss begrenzt oder beschränkt, wodurch sich eine Öffnung, umgeben von der Hochwiderstandszone, ergibt. Die oxidative Diffusionsrate bei der Bildung einer Öffnung oder Apertur eines VCSEL ist hochempfindlich gegenüber der Temperatur eines Ofens zur Verwendung bei der oxidativen Diffusion, der Oxidationszeit und der Menge von in den Ofen geliefertem Sauerstoff. Eine Variation der Diffusionsrate ist ein ernstes Problem bei der Massenproduktion, welche eine hohe Wiederholbarkeit erfordert, und zwar bei der Bildung einer bestimmten Größe der Apertur oder Öffnung.
  • Die implantierten VCSELs haben sich als sehr zuverlässig herausgestellt. Jedoch wird die Betriebsgeschwindigkeit der implantierten VCSELs normalerweise auf Anwendungen beschränkt, die weniger als 2 Gb/sec Betriebsgeschwindigkeit erfordern. Oxid-VCSELs können viele überlegene Eigenschaften der VCSEL-Performance vorsehen, und zwar einschließlich höherer Geschwindigkeit (demonstriert größer als 23 Gb/sec) und höhere Effizienz. Jedoch ist die Zeit auf dem Feld für SAN- und LAN-Anwendungen mit Oxid- VCSELs nicht so lang wie bei implantierten VCSELs. Die Zuverlässigkeit ist noch immer ein Problem bei Oxid-VCSELs. Ferner existieren Schichten aus Oxidmaterialien umgewandelt aus Halbleitern im Oxidationsprozess. Die Gitterkonstante und der thermische Expansionskoeffinzient (CTE = cofficient of thermal expansion) sind unterschiedlich zwischen dem Oxid und benachbarten Halbleiterschichten. Diese Unterschiede können in der Vorrichtungsstruktur eine gewisse mechanische Beanspruchung zur Folge haben. Das Niveau der Beanspruchung ändert sich mit der Temperatur, und zwar wegen der Differenz von CTE. Es wurde demonstriert, dass Defekte auf diese Beanspruchung zurückzuführen sind und ein „Dislokations"-Netzwerk kann sich bilden mit der Beanspruchung von Strom und Temperatur. Es ist außerordentlich essentiell, die Beanspruchung zu entfernen, um eine verbesserte Zuverlässigkeit sicherzustellen.
  • Die Oxidation von mesaartigen Strukturen ist ein integraler und nicht vermeidbarer Prozess bei oxideingeschränkten VCSELs. Wenn die AlGaAs-Schichten in der VCSEL-Struktur oxidiert werden, können mehrere potentielle Probleme auftreten: Beanspruchung wird eingeführt oder induziert, und zwar infolge der Änderung der Gitterkonstante, infolge der Oxidation; der thermische Expansionskoeffizient ändert sich für das oxidierte Material; und die Oberfläche der Mesastruktur wird in Unordnung gebracht (disorder), wobei zahlreiche gebrochene Atombindungen quasistabiler Verbindungen (wie beispielsweise As-Oxide) sich in dem Halbleiter und an freiliegenden Oberflächen bilden.
  • Die oben beschriebenen Effekte führen zu mehrfachen potentiellen Zuverlässigkeitsproblemen, die mit dem starken mechanischen Stress oder der starken mechanischen Beanspruchung in der Vorrichtung in Beziehung stehen. Dieser mechanischen Stress kann Saatversetzung (seed dislocations) induzieren, und zwar mit darauf folgendem thermischen, elektrischen und mechanischen Stress, was bewirken kann, dass sich große Dislokationsnetzwerke durch Wachstum aufbauen, welche die Performance oder Leistungsfähigkeit des Lasers verschlechtern, und zwar kann dies in der Tat zu einem Ausfall der Vorrichtung führen. Von der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) ist es bekannt, dass die „Dislokations-Seeds" an der Kante von oxidierten Mesas ihren Ursprung nehmen und in die aktive Region oder Zone wandern können und bewirken können, dass die VCSELs aufhören, Laserstrahlung auszusenden.
  • Da auch die Fehlanpassung bei den thermischen Expansionskoeffizienten im oben beschriebenen Verfahren durch den thermischen Zyklusbetrieb beschleunigt wird und beim Betrieb bei Temperaturextrema sind auch die losen Oberflächen-Bindungen potentielle „Seed-Dislocations".
  • Ferner verflüchtigen sich während des 85°C 85% relative Luftfeuchtigkeittestens die während der Oxidation gebildeten instabile Verbindungen. Es ist bekannt, dass diese Verbindungen durch die SiN und Polyimid-Überschichten während 85/85 Testens eingefangen werden. Der durch Einfang dieser Verbindungen verursachte Druck induziert signifikanten mechanischen Stress, was den Ausfall der Vorrichtung zur Folge hat.
  • Schließlich gilt Folgendes: die VCSEL-Spiegel besitzen einen niedrigeren Al-Gehalt als die Apertur- oder Öffnungsschicht, wobei sie dann langsamer oxidieren. Es sind jedoch typischerweise 30–35 Spiegelpaare auf der Mesaseitenwand während Oxidation freiliegend, und zwar verglichen mit einer einzigen Apertur- oder Öffnungsschicht. Zudem ist die Aperturschicht dünner als die einen hohen Al-Gehalt besitzenden Schichten der Spiegel. Nimmt man einen 42 Mikrondurchmesser Mesa mit einer 12 Mikronoxidapertur und nimmt man ferner an, dass die Spiegel in 5 Mikron oxidieren, so bedeutet dies, dass annähernd 97% des oxidierten Materials in dem Mesa in den Spiegeln und nicht in der Apertur liegt.
  • Somit können in den VCSEL-Vorrichtungen Defekte erzeugt werden, die innerhalb einer VCSEL-Struktur auftreten und über die Betriebslebensdauer des VCSEL hinweg erscheinen können, was nicht stabile und schlecht arbeitende VCSEL-Vorrichtungen bedeutet, insbesondere gilt dies bei Oxid-VCSELs. Zudem ist das Vorhandensein und die Größe dieser Defekte schwer zu steuern, insbesondere in Oxid-VCSELs, und zwar deshalb, weil diese während des anfänglichen Herstellungsprozesses erschienen sind. Somit können die Performance oder Leistungsfähigkeitscharakteristika des VCSEL von dem Vorhandensein und der Zahl der Defekte abhängen.
  • Beispielsweise ist in der veröffentlichten U.S. Anmeldung 20030219921 ein Verfahren und ein System beschrieben, und zwar zur Identifizierung und/oder Entfernung einer oxid-induzierten Totzone in einer VCSEL-Struktur. Eine thermische Anlassoperation wird an der VCSEL-Struktur durchgeführt, um die oxid-induzierte Totzone zu „entfernen", und um dadurch zu gestatten, dass die VCSEL-Strukturen zuverlässig und in konsistenter Weise hergestellt werden können. Ein Nachteil, der mit dieser Möglichkeit verbunden ist, besteht darin, dass das oxidierte Material weiterhin in der Halbleiterstruktur vorhanden ist, was eine mechanische Beanspruchung zur Folge hat. Vor der vorliegenden Erfindung hat sich keine Lösungsmöglichkeit auf die Entfernung von nicht erwünschtem Oxidwachstum in den Spiegelschichten gerichtet, und zwar wo das Oxid in der Aperturschicht gelassen wird, wo es notwendig ist, um den elektrischen Strom selbst einzuschränken.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • 1. Ziel der Erfindung
  • Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Halbleiterstruktur vorzusehen, und zwar mit geätzten Oxidseitenwänden.
  • Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Vertikalhohlraumoberflächenemittierlaser (VCSEL) vorzusehen.
  • Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Oxid-VCSEL vorzusehen.
  • Es ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine VCSEL-Struktur vorzusehen, und zwar mit einem Mesa, wobei beanspruchte Schichtteile entfernt sind.
  • Es ist ferner ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Ätzprozess vorzusehen, um eine Oxidseitenwandzone einer VCSEL-Struktur zu entfernen und dadurch eine konstante Fabrikation, Testung und Zuverlässigkeit der Oxid-VCSEL-Vorrichtungen zu erhalten.
  • 2. Merkmale der Erfindung
  • Kurz und allgemein gesagt, sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren vor, und zwar zur Herstellung eines Vertikalhohlraumoberflächenemissionslasers auf einem Substrat durch Ausbilden eines ersten parallelen Stapels von Spiegeln auf dem Substrat; Ausbilden einer aktiven und Abstandsschicht auf dem ersten parallelen Spiegelstapel; Ausbilden eines zweiten parallelen Spiegelstapels auf der aktiven und Abstandsschicht; Ätzen von mindestens dem zweiten parallelen Spiegelstapel zur Definition einer Struktur; Oxidieren der Umfangsseitenwände der Struktur zur Bildung einer stromeinschränkenden Mittelregion bzw. Mittelzone in der Struktur; und Ätzen von mindestens einem Teil der äußeren Seitenwände der Struktur, um oxidierte Zonen in den Spiegelschichten zu entfernen.
  • Die vorliegende Erfindung sieht ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Vertikalhohlraumoberflächenemissionslasers vor, und zwar ist dabei Folgendes vorgesehen: Vorsehen eines Substrats, Ausbilden eines ersten parallelen Stapels aus Spiegeln auf dem Substrat; Bilden einer aktiven und Abstandsschicht auf dem ersten Parallelspiegelstapel; Bilden eines zweiten Parallelspiegelstapels auf der aktiven und Abstandsschicht; Ätzen des zweiten Parallelspiegelstapels zur Definition einer mesaförmigen Struktur; Oxidieren der mesaförmigen Struktur zur Bildung einer stromeinschränkenden Mittelzone in dem Mesa; und Ätzen der Außenseitenwände der Mesastruktur zur Entfernung des oxidierten Materials.
  • Die vorliegende Erfindung sieht ferner ein Verfahren zur Herstellung eines VCSELs vor, und zwar durch Bilden oder Formen einer Halbleitervorrichtungsstruktur mit einem ersten Stapel von Spiegeln und einem zweiten Stapel von Spiegeln, und zwar mit einer aktiven Fläche sandwichartig dazwischen angeordnet, wobei der zweite Stapel von Spiegeln eine Mesastruktur ist mit einer oberen Oberfläche (Oberseite) und äußeren Seitenwänden; Formen von mindestens einer Oxidzone, die sich in die Seitenwände der Mesastruktur erstreckt, und wobei eine Beanspruchung in die Zone eingeführt wird; und Ätzen der Seitenwände der Mesastruktur zur Entfernung von mindesten einem Teil der beanspruchungsinduzierten Zone.
  • Die vorliegende Erfindung sieht ferner einen Oberflächen emittierenden Laser vor, und zwar mit einem Substrat mit oberen und unteren Oberflächen; ein ersten Stapel von Spiegelschichten von abwechselnden Brechungsindices ist auf der Oberfläche des Substrats angeordnet; eine aktive Schicht, angeordnet auf dem ersten Stapel, besitzt einen Mesa, der sich über den benachbarten Basisteil der aktiven Schicht erstreckt; ein zweiter Stapel von Spiegelschichten ist auf der Oberseite der Oberfläche des Mesa angeordnet, wobei der zweite Stapel von Spiegelschichten alternierende Brechungsindices besitzt; und wobei ferner eine geätzte Oxidschicht umfangsmäßig um die Mesastruktur herum angeordnet ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung, wie sie hier beschrieben wurden, können zusammen mit VCSEL-Vorrichtungen und/oder anderen Halbleitervorrichtungsstrukturen verwendet werden, und zwar zur Verbesserung der Zuverlässigkeit, zur Steuerung und zur Stabilität derselben. Die vorliegende Erfindung ist somit bei irgendeiner Halbleitervorrichtung anwendbar, die auf die Oxidation vertraut, und zwar beispielsweise von Aluminium enthaltenden III–V Halbleitern.
  • Die neuen Merkmale, die als für die Erfindung charakteristisch angesehen werden, sind in den beigefügten Ansprüchen enthalten. Die Erfindung selbst, wie auch deren Aufbau und deren Betriebsmethode werden zusammen mit zusätzlichen Zielen und Vorteilen am Besten aus der folgenden Beschreibung spezieller Ausführungsbeispiele verstanden, und zwar gelesen im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1a ist ein Teilquerschnitt mit vergrößertem Maßstab einer Halbleiterstruktur eines bekannten oxid-eingeschränkten VCSEL;
  • 1b ist ein Teilquerschnitt auf vergrößertem Maßstab von einer Halbleiterstruktur für einen ionenimplantierten VCSEL, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist;
  • 2 ist eine detaillierte Querschnittsteilansicht einer Halbleiterstruktur für ein bekanntes oxid-eingeschränktes VCSEL der 1a;
  • 3 ist eine detaillierte Querschnittsteilansicht einer Halbleiterstruktur nach dem ersten Verfahrensschritt der vorliegenden Erfindung;
  • 4 ist eine detaillierte Querschnittsteilansicht einer Halbleiterstruktur nach dem Oxidieren der Umfangsseitenwände der Struktur, um eine Strom einschränkende Zentralregion in der Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung zu bilden;
  • 5 ist eine detaillierte Querschnittsteilansicht, welche die Halbleiterstruktur nach dem Ätzen von mindestem einen Teil der äußeren Seitenwände der Struktur zeigt, um oxidiertes Material gemäß der Erfindung zu entfernen.
  • Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
  • Details der folgenden Erfindung werden nunmehr beschrieben, und zwar einschließlich beispielhafter Aspekte, sowie Ausführungsbeispiele davon. Es sei nunmehr auf die Zeichnungen und die folgende Beschreibung verwiesen, wobei bemerkt sei, dass die gleichen Bezugszeichen verwendet werden, um funktionsmäßig gleiche Elemente zu identifizieren, wobei es ferner beabsichtigt ist, die Hauptmerkmale der Ausführungsbeispiele in einer stark vereinfach ten diagrammatischen Art und Weise darzustellen. Darüber hinaus sind die Zeichnungen nicht vorgesehen, um jedes Merkmal aktueller Ausführungsbeispiele zu bezeichnen, noch die relativen Dimensionen der dargestellten Elemente, wobei diese auch nicht maßstabsgemäß gezeichnet sind.
  • 1 zeigt einen Teilquerschnitt einer Halbleiterstruktur eines oxideingeschränkten VCSELs, wie dies in dem Stand der Technik bekannt ist. Insbesondere weist der VCSEL 100 eine Laserhohlraumzone 105 auf, die zwischen einer ersten Halbleiterzone 102 und einer zweiten Halbleiterzone 103 gebildet ist, wobei die erste Zone 102 einen ersten Spiegelstapel bildet, während die zweite Halbleiterzone 103 einen zweiten Spiegelstapel bildet. Die Halbleiterregionen oder Zonen 102 und 103 sind auf einem Substrat 104 angebracht, welches ein typisches p-Typ Galliumarsenid sein kann. Die Hohlraumzone 105 umfasst eine oder mehrere aktive Schichten (z.B. eine Quantumquelle oder eine oder mehrere Quantumpunkte). Die aktiven Schichten können aus Folgendem gebildet sein: AlInGaAs (d.h. AlInGaAs, GaAs, Al-GaAs und InGaAs) InGaAsP (d.h. InGaAsP, GaAs, InGaAs, GaAsP und GaP), GaAsSb (d.h. GaAsSb, GaAs, und GaSb), InGaAsN (d.h. InGaAsN, GaAs, InGaAs, GaAsN und GaN), oder AlInGaAsP (d.h. AlInGaAsP, AlInGaAs, AlGaAs, InGaAs, InGaAsP, GaAs, InGaAs, GaAsP und GaP). Andere Quantumquellenschichtkompositionen oder -zusammensetzungen können auch verwendet werden. Die aktiven Schichten können sandwichartig angeordnet sein zwischen einem Paar von Beabstandungsschichten 106, 107, wie dies in 2 gezeigt ist. Die ersten und zweiten Beabstandungsschichten 106, 107 können aus Aluminium, Gallium und Arsenid aufgebaut sein und werden abhängig von der Materialzusammensetzung der aktiven Schichten ausgewählt. Nicht gezeigte elektrische Kontakte sind für die Struktur vorgesehen, um zu ermöglichen, eine geeignete Treiberschaltung an dem VCSEL 100 anzubringen.
  • Das Substrat 104 kann aus GaAs, InP, Saphir (Al.sub.20.sub.3) (Al2O3) oder InGaAs gebildet sein und kann nichtdotiert sein, n-Typ (z.B. mit Si) dotiert sein oder p-Typ (z.B. mit Zn) dotiert sein. Eine Pufferschicht kann auf dem Substrat 104 vor der Ausbildung des VCSEL 100 aufgewachsen sein. In der Darstellung gemäß 1 sind erste und zweite Spiegelstapel 102, 103 derart ausgelegt, dass das Laserlicht von deren oberen Oberfläche (Oberseite) des VCSEL 100 emittiert wird. Bei anderen Ausführungsbeispielen können die Spiegelstapel derart konstruiert sein, dass das Laserlicht von der Bodenoberfläche (Unterseite) des Substrats 104 emittiert wird.
  • Im Betrieb würde eine Betriebsspannung an die elektrischen Kontakte angelegt werden, um einen Stromfluss in der Halbleiterstruktur zu erzeugen. Der Strom wird durch einen Mittelbereich oder eine Mittelzone der Halbleiterstruktur fließen, was zur Laserstrahlung (lasing) in einem Mittelteil der Hohlraumzone 105 führt. Eine Einschränkungs- oder Confinementzone wird durch eine umgebende Oxidzone 101 oder eine ionenimplantierte Zone oder beides gebildet, und sieht eine laterale oder seitliche Einschränkung der Träger und Photonen vor. Der relativ hohe elektrische Widerstandswert der eingeschränkten Zone bewirkt, dass der elektrische Strom zu einer mittig angeordneten Zone der Halbleiterstruktur hingeleitet wird und durch diese fließt. Insbesondere ergibt sich bei dem Oxid-VCSEL die optische Einschränkung der Photonen aus einer beträchtlichen Reduktion des Brechungsindexes in der Einschränkungs- oder Confinementzone. Ein seitliches oder laterales Brechungsindexprofil wird erzeugt, welches die Photonen leitet, die in der Hohlraumzone 105 erzeugt werden. Die Träger und optische seitliche oder laterale Einschränkung erhöht die Dichte der Träger und Photonen innerhalb der aktiven Zone und erhöht die Effizienz, mit der Licht innerhalb der aktiven Zone erzeugt wird.
  • Bei einigen Ausführungsbeispielen umschreibt die Einschränkungszone 101 eine Mittelzone des VCSEL 100, die eine Öffnung oder Apertur definiert, durch die der VCSEL-Strom vorzugsweise fließt. Bei anderen Ausführungsbeispielen können Oxidschichten als ein Teil der verteilten Bragg-Reflektoren in der VCSEL-Struktur verwendet werden.
  • Die ersten und zweiten Spiegelstapel 102 bzw. 103 weisen jeweils ein System von abwechselnden Schichten aus unterschiedlichen Brechungsindexmaterialien auf, die einen verteilten Bragg-Reflektor (DBR = distributed Bragg reflector) bilden. Die gewählten Materialien werden abhängig von der gewünschten Betriebslaserwellenlänge gewählt (beispielsweise eine Wellenlänge im Bereich von 650 nm bis 1650 nm). Beispielsweise können die ersten und zweiten Spiegelstapel 102, 103 aus abwechselnden Schichten mit hohem Aluminium-Gehalt AlGaAs und niedrigem Aluminium-Gehalt AlGaAs gebildet sein. Die Schichten der ersten und zweiten Spiegelstapel 102, 103 besitzen vorzugsweise eine effektive optische Dicke (d.h. die Schichtdicke multipliziert mit dem Brechungsindex der Schicht), die ungefähr ein Viertel der Laserbetriebswellenlänge ist.
  • Der ersten Spiegelstapel 102 kann als eine Mesastruktur gebildet sein, und zwar durch einen konventionellen Epitaxie-Wachstumsprozess, wie beispielsweise metallorganische chemische Dampfabscheidung (MOCVD = metalorganic chemical vapor deposition) oder Molekularstrahlepitaxie (MBE = molecular beam epitaxie), und zwar gefolgt von einer Ätzung.
  • Sobald der erste Spiegelstapel 102, die aktive Schicht 105 und der zweite Spiegelstapel 103 vollständig sind, wird die Struktur gemustert, um einen oder mehrere individuelle VCSELs zu bilden. Die obere Oberfläche (Oberseite) des zweiten Spiegelstapels 103 ist mit einer Schicht aus Photoresistmaterial gemäß irgendeinem bekannten Verfahren des Standes der Technik versehen. Die Photoresistschicht ist freiliegend und Material wird entfernt, um die Position und Größe entweder einer Mesastruktur oder eines Grabens zu definieren. Die Mesa oder der Graben wird sodann durch Ätzen des Spiegelstapels 103 gebildet, und zwar durch irgendwelche bekannten Mittel, wie beispielsweise einen Trocken- oder Nassätzprozess. Typische Trockenätzprozesse verwenden Chlor-, Stickstoff- und Heliumionen und Nassätzprozesse verwenden Schwefel- oder Phosphorsäureätzmittel. Bei dem Mesa-Ausführungsbeispiel kann die Mesastruktur in dem Bereich von 25 bis 50 Mikron liegen, oder vorzugsweise ungefähr 40 Mikron Durchmesser besitzen und ungefähr drei bis fünf Mikron Höhe oberhalb der Oberfläche des Substrats aufweisen. Bei dem Grabenausführungsbeispiel würde sich der Graben vollständig herumerstrecken und definiert ein im Allgemeinen mesaförmiges Gebiet. Bei beiden Ausführungsbeispielen besitzt die Mesastruktur einen im Allgemeinen kreisförmigen Querschnitt.
  • Am Ende der Verarbeitungssequenz wird eine Schicht aus dielektrischem Material, wie beispielsweise Siliziumnitrid (SiNx), über der gesamten Oberfläche des VCSEL 100 abgeschieden und eine Öffnung wird durch die obere Oberfläche der mesaförmigen Struktur 108 geätzt, um im Allgemeinen mit einem Lichtemissionsgebiet 109 zusammenzufallen, und dieses zu definieren. Eine transparente Metallkontaktschicht wird in dem Emissionsgebiet abgeschieden und über die mesaförmige Struktur 108 fortgesetzt, um ein elektrisches Kontaktfenster zu definieren und um hinreichend Oberfläche für einen externen elektrischen Kontakt vorzusehen. Im Allgemeinen ist das verwendete transparente Metall eines der Folgenden: Indiumzinnoxid (ITO), Cadmiumzinnoxid oder dergleichen. Zusätzliches konventionelles Metall kann, wenn gewünscht, auf der Schicht abgeschieden werden. Es sei bemerkt, dass das elektrische Kontaktfenster grundsätzlich die Stromverteilung innerhalb des oberen parallelen Spiegelstapels steuert.
  • 1b veranschaulicht eine perspektivische Ansicht eines weiteren VCSEL 100 des Standes der Technik, wie dies in der veröffentlichten U.S. Patentanmeldung 2003/0219921 gezeigt ist, wobei hier eine Isolationszone vorgesehen ist, die durch partielle Oxidation einer dünnen, einen hohen Aluminiumgehalt besitzenden Schicht innerhalb der Struktur eines zugehörigen VCSEL-Spiegels gebildet ist. 1b repräsentiert einen schematischen Querschnitt eines oxid-isolierten VCSEL 100, umgeben von einem Graben 110, im Gegensatz zur Mesastruktur 108, gemäß 1a. Wie in 1b gezeigt, weist der VCSEL 100 im Allgemeinen eine Emissionsapertur oder Emissionsöffnung 107 auf, ferner eine Oxideinschränkungszone 101, die eine Apertur bildet, und eine aktive Zone 106.
  • 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht von VCSEL-Stromeinschränkungsstrukturen 200, wie dies im Stand der Technik bekannt ist, und zwar entweder für VCSEL-Strukturen der Mesa- oder Grabenbauart. 2 veranschaulicht im Allgemeinen einen vergrößerten Teil der 1b, wobei schematisch die Lage einer Oxidschicht in der Struktur 200 dargestellt ist. Die Struktur 200 repräsentiert eine typische VCSEL-Einschränkungsstruktur für einen Oxid-VCSEL. Die rechte Kante 204 der Struktur 200 repräsentiert die Mittellinie eines VCSEL-optischen Hohlraums. Es sei bemerkt, dass ein VCSEL-Hohlraum im Allgemeinen eine Radialsymmetrie besitzt.
  • Die Hohlraumzone oder Quantumquellenzonen (quantum well regions) 105 enthalten einen P-N-Übergang. Die Quantumwellzone 105 ist zwischen Bändern 106 und 107 des VCSEL 100 angeordnet, die jeweils p-Typ und n-Typ Abstandsschichten repräsentieren, welche die Hohlraumlänge des VCSEL einstellen. Ein Teil des p-Typ Bragg-Spiegels kann am oberen Ende 222 oder oben auf der Struktur angeordnet sein und ein Teil des n-Typ Bragg-Spiegels kann auch am Boden des VCSEL 100 angeordnet sein.
  • Bei Oxid-VCSEL-Strukturen bildet der thermische Nassoxidationsprozess einen ringförmigen Ring aus Aluminiumoxid, und zwar repräsentiert durch die Schicht 232 in der Struktur 200. Der Oxidationsprozess entfernt auch die Akzeptorkonzentration aus den umgebenden Schichten.
  • Die 3 bis 5 veranschaulichen eine Sequenz von Querschnittsansichten einer Halbleiterstruktur, und zwar werden die Prozessschritte veranschaulicht, bei denen die Umfangsseitenwände der Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung geätzt werden. Insbesondere zeigt 3 die Halbleiterstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung, und zwar nach der Ausbildung eines ersten parallelen Stapels 102 von Spiegeln auf dem Substrat; eine aktive Schicht 101 und Abstandsschichten 106, 107 auf dem ersten parallelen Spiegelstapel; einen zweiten parallelen Spiegelstapel 103 auf der aktiven und Abstandsschicht. Die Figur veranschaulicht die Struktur nach dem Herabätzen von mindestens zwei Schichten des zweiten parallelen Spiegelstapels 103 auf die Schicht 108 zur Definition der sich ergebenden mesaförmigen Halbleiterstruktur 200.
  • 4 veranschaulicht die Halbleiterstruktur 200 nach dem Oxidieren der Umfangsseitenwände 201 der Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung zur Bildung einer Stromeinschränkungs- oder Confinementmittelzone 222 in der Struktur. Der Schritt des Ausbildens des zweiten Spiegelstapels weist Folgendes auf: Abscheiden von abwechselnden Schichten von hohen und niedrigem Aluminiumgehalt AlGaAs in mindestens einem Teil des Spiegelstapels, und der Schritt des Oxidierens der Mesastruktur weist das Oxidieren von mindestens der einen hohen Aluminiumgehalt besitzenden AlGaAs-Schichten auf. Insbesondere ist Folgendes gezeigt: die Isolieroxidschicht 202 mit einem hohen (97%–98%) Al-Gehalt und der gestrichelte oder abgeschattete Teil, der den oxidierten Teil einer solchen Schicht zeigt. Die umgebenden, einen hohen Aluminiumgehalt besitzenden Schichten 203 in dem ersten Spiegelstapel besitzen nur eine 85% Al-Zusammensetzung, was diese veranlasst, langsamer zu oxidieren als die Schicht 202. Somit erstreckt sich der gestrichelte oxidierte Teil solcher Schichten 203 über einen kleineren Abstand oder eine kleiner Strecke weg von der Seitenwand 201 als dies für die Schicht 202 gilt. Der Schritt des Oxidierens der einen hohen Aluminiumgehalt besitzenden AlGaAs-Schichten umfasst Folgendes: Strömen von Stickstoffgas mit zugegebener Wasserfeuchtigkeit über die Außenseitenwände bei einer Temperatur von annähernd 400°C. Der Schritt des Ätzens ausgewählter Schichten des zweiten Spiegelstapels benachbart zu den äußeren Seitenwänden reduziert die elektrische Leitfähigkeit eines Teils des zweiten Spiegelstapels.
  • 5 zeigt die Halbleiterstruktur nach dem Ätzen von mindestens einem Teil der Außenseitenwände 201 der Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung, um die Teile der Schichten 203 zu entfernen, die oxidiertes Material enthalten. Der Schritt des Ätzens der Seitenwände entfernt mindestens ein Mikron der Seitenwandtiefe und entfernt Material aus der Seitenwand, sodass die Seitenwand im Wesentlichen vertikal durch den ersten parallelen Spiegelstapel verläuft. Der Schritt des Ätzens der Seitenwände wird durch Nassätzen aus geführt, beispielsweise durch Ätzen mit verdünnter HF mit deionisiertem Wasser.
  • Man erkannt, dass jedes der Elemente und Verfahrensschritte, die oben beschrieben sind, oder zwei oder mehr zusammen, eine brauchbare Anwendung finden können bei anderen Arten von Konstruktionen, die sich von den oben beschriebenen Bauarten unterscheiden.
  • Obwohl die Erfindung als in einer Halbleiterstruktur für VCSEL-Vorrichtungen illustriert und beschrieben wurde, ist der Prozess zur Herstellung einer solchen Struktur nicht auf die gezeigten Einzelheiten beschränkt, da verschiedene Modifikationen und strukturelle Änderungen ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, vorgenommen werden können.
  • Ohne weitere Analyse offenbart die vorstehende Beschreibung das Ziel der Erfindung, so dass andere unter Verwendung derzeitigen Wissens ohne Weiteres eine Anpassung für verschiedene Anwendungen vornehmen können, ohne Merkmale wegzulassen, die vom Standpunkt des Standes der Technik aus in fairer Weise wesentliche Charakteristika von allgemeinen oder speziellen Aspekten dieser Erfindung bilden, daher sollten derartige Adaptionen im Rahmen und im Äquivalnezbereich der folgenden Ansprüche verstanden werden.

Claims (15)

  1. Ein Verfahren zur Herstellung eines VCSELasers, wobei Folgendes vorgesehen ist: Vorsehen eines Substrats; Bilden eines ersten parallelen Spiegelstapels auf dem Substrat; Bilden einer aktiven und Abstandsschicht auf dem ersten parallelen Spiegelstapel; Bilden eines zweiten parallelen Spiegelstapels auf der aktiven und Abstandsschicht; Ätzen des zweiten parallelen Spiegelstapels zur Definition einer mesaförmigen Struktur; Oxidieren der mesaförmigen Struktur zur Bildung einer Stromeinschränkungsmittelzone in der Mesastruktur; und Ätzen der äußeren Seitenwände der Mesastruktur zur Entfernung oxidierten Materials.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Ätzens des zweiten parallelen Spiegelstapels ferner Folgendes aufweist: Ätzen von mindestens einem Teil des ersten parallelen Spiegelstapels.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Ätzens der Seitenwände mindestens ein Mikron der Seitenwandtiefe entfernt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Ätzens der Seitenwände Material von der Seitenwand derart entfernt, dass die Seitenwand im Wesentlichen vertikal über den ersten parallelen Spiegelstapel hinweg ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Ausbildens des zweiten Spiegelstapels Folgendes aufweist: Abscheiden von alternativen Schichten aus einem hohen und einem niedrigen Alumini umgehalt besitzenden AlGaAs in mindestens einem Teil des zweiten Spiegelstapels und wobei der Schritt des Oxidierens der Mesastruktur Folgendes aufweist: Oxidieren von mindestens der einen hohen Aluminiumgehalt besitzenden AlGaAs-Schichten.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt des Oxidierens der einen hohen Aluminiumgehalt besitzenden AlGaAs-Schichten Folgendes aufweist: Strömen von Stickstoffgas mit zugefügter Wasserfeuchtigkeit über die Außenseitenwände bei einer Temperatur von annähernd 400°C.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Ätzens ausgewählter Schichten des zweiten Spiegelstapels benachbart zu dem Außenseitenwänden die elektrische Leitfähigkeit eines Teils des zweiten Spiegelstapels reduziert.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Ätzens der Seitenwände das Ätzen der oxidierten Seitenwände von mindestens den einen hohen Aluminiumgehalt AlGaAs-Schichten umfasst.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Ätzens der Seitenwände durch Nassätzen ausgeführt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt des Nassätzens das Ätzen mit verdünnter HF mit deionisiertem Wasser umfasst.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Ätzens der Seitenwände durch Trockenätzen durchgeführt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ferner Folgendes vorgesehen ist: Abscheiden einer Schicht aus dielektrischem Material auf der mesaförmigen Struktur, um den Strom, der in der mesaförmigen Fläche oder dem mesaförmigen Gebiet fließt, einzuschränken; Ätzen einer Öffnung durch die dielektrische Schicht in der mesaförmigen Struktur; und Abscheiden von Material auf der mesaförmigen Struktur, einschließlich optisch transparenten elektrisch leitenden Materials, und zwar ein elektrisches Kontaktfenster bildend, um die Stromverteilung innerhalb des Lasers auf die gewünschte Stromkonfiguration zu steuern, wobei das dielektrische Material und das optisch transparente, elektrisch leitenden Material auf eine optische Dicke abgeschieden werden, die das gewünschte Reflexivitätsprofil für die mesaförmige Struktur vorsieht.
  13. Ein Verfahren zur Herstellung eines VCSEL, wobei Folgendes vorgesehen ist: Ausbilden einer Halbleitervorrichtungsstruktur mit einem ersten Stapel von Spiegeln und einem zweiten Stapel von Spiegeln mit einer aktiven Fläche sandwichartig angeordnet dazwischen, wobei der zweite Stapel der Spiegel eine Mesastruktur ist, und zwar mit einer oberen Oberfläche und äußeren Seitenwänden (Außenseitenwänden); Ausbilden mindestens einer Oxidzone, die sich in die Seitenwände der Mesastruktur erstreckt, einschließlich einer beanspruchungsinduzierten Zone; und Ätzen der Seitenwände der Mesastruktur zur Entfernung von mindestens einem Teil der beanspruchungsinduzierten Zone.
  14. Oberflächenemissionslaser der Folgendes aufweist: ein Substrat mit oberen und unteren Oberflächen; einen ersten Stapel von Spiegelschichten, angeordnet auf der erwähnten oberen Oberfläche des Substrats, wobei die ersten Stapelschichten abwechselnde Brechungsindices besitzen; eine aktive Schicht, angeordnet auf dem erwähnten ersten Stapel, wobei die aktive Schicht eine Mesastruktur besitzt, die sich oberhalb eines benachbarten Basisschichtteils der aktiven Schicht erstreckt; einen zweiten Stapel von Spiegelschichten, angeordnet auf der oberen Oberfläche der Mesastruktur, wobei der zweite Stapel von Schichten abwechselnde Brechungsindizes besitzt; und eine geätzte Oxidschicht, angeordnet umfangsmäßig um die erwähnte Mesastruktur herum und auf dem erwähnten benachbarten Basisschichtteil zwischen der Mesastruktur.
  15. Ein Verfahren zur Herstellung eines VCSELs, wobei Folgendes vorgesehen ist: Vorsehen eines Substrats; Ausbilden eines ersten parallelen Stapels von Spiegeln auf dem Substrat; Ausbilden einer aktiven und Abstandsschicht auf dem ersten parallelen Spiegelstapel; Ausbilden eines zweiten parallelen Spiegelstapels auf der aktiven und Abstandsschicht; Ätzen von mindestens dem zweiten parallelen Spiegelstapel zur Definition einer Struktur; Oxidieren der Umfangsseitenwände der Struktur zur Bildung einer stromeinschränkenden Mittelzone in der Struktur; und Ätzen von mindestens einem Teil der Außenseitenwände der Struktur zum Entfernen von oxidiertem Material.
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