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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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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.
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2. Technischer
Hintergrund
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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".
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zusammenfassung der Erfindung
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1. Ziel der Erfindung
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Halbleiterstruktur
vorzusehen, und zwar mit geätzten
Oxidseitenwänden.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Vertikalhohlraumoberflächenemittierlaser
(VCSEL) vorzusehen.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung einen verbesserten
Oxid-VCSEL vorzusehen.
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Es
ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine VCSEL-Struktur
vorzusehen, und zwar mit einem Mesa, wobei beanspruchte Schichtteile
entfernt sind.
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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.
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2. Merkmale
der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1a ist
ein Teilquerschnitt mit vergrößertem Maßstab einer
Halbleiterstruktur eines bekannten oxid-eingeschränkten VCSEL;
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1b ist
ein Teilquerschnitt auf vergrößertem Maßstab von
einer Halbleiterstruktur für
einen ionenimplantierten VCSEL, wie aus dem Stand der Technik bekannt
ist;
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2 ist
eine detaillierte Querschnittsteilansicht einer Halbleiterstruktur
für ein
bekanntes oxid-eingeschränktes
VCSEL der 1a;
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3 ist
eine detaillierte Querschnittsteilansicht einer Halbleiterstruktur
nach dem ersten Verfahrensschritt der vorliegenden Erfindung;
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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;
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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.
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Beschreibung
des bevorzugten Ausführungsbeispiels
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.