DE102018128983B4

DE102018128983B4 - Verfahren zur Temperaturbestimmung sowie zugehöriges Spektral-Reflexionsmesssystem

Info

Publication number: DE102018128983B4
Application number: DE102018128983.9A
Authority: DE
Inventors: Jörg-Thomas Zettler; Christian Kaspari; Bernd HENNINGER
Original assignee: Laytec AG
Current assignee: Laytec AG
Priority date: 2017-11-30
Filing date: 2018-11-19
Publication date: 2023-11-02
Anticipated expiration: 2038-11-20
Also published as: DE102018128983A1

Abstract

Verfahren zur in-situ Temperaturbestimmung während des Aufbringens einer Schutzbeschichtung auf die Facetten (40, 42) von Laserbarren (20) in MBE-Kammern, umfassend:- Stapeln von Laserbarren (20), wobei zwischen die Laserbarren (20) jeweils ein Abstandsplättchen (30) aus einem dotierten Halbleitermaterial angeordnet wird, wobei der Stapel in eine Halterung (60) geklemmt wird, welche die Facetten (40, 42) der Laserbarren (20) frei lässt, so dass diese Facetten (40, 42) eine Schutzbeschichtung in einer MBE-Kammer erhalten können, wobei die Dotierung des Abstandsplättchens (30) für eine maximale Wärmeleitung im Abstandsplättchen (30) möglichst hoch gewählt ist, jedoch maximal so hoch, dass das Abstandsplättchen (30) energetisch unterhalb der optischen Bandkante (80) im Spektralbereich unmittelbar um die Bandkante (80) herum gerade noch transparent ist,- Befestigen mindestens einer Stapel-Halterung (60) auf einem Metallträger (62),- Positionieren des Metallträgers (62) in einer MBE-Kammer,- Einstrahlen einer Probestrahlung (50) in die Abstandsplättchen (30) zwischen den Laserbarren (20) über die erste Facette (40),- spektral aufgelöste Detektion der an der zweiten Facette (42) reflektierten und über die erste Facette (40) wieder austretenden Probestrahlung (52) zur Aufnahme eines Reflexionsspektrums,- Ermittlung der spektralen Position der Bandkante (80) aus dem aufgenommenen Reflexionsspektrum,- Bestimmung der Temperatur des Abstandsplättchens (30) aus der ermittelten spektralen Position der Bandkante (80) aufgrund von Referenzwerten für die Abstandsplättchen (30).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturbestimmung sowie ein zugehöriges Spektral-Reflexionsmesssystem. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur in-situ Temperaturbestimmung während des Aufbringens einer Schutzbeschichtung auf die Facetten von Laserbarren (kantenemittierende Halbleiterlaser) in MBE-Kammern sowie ein Spektral-Reflexionsmesssystem zur Verwendung in einem solchen Verfahren.
Stand der Technik
Die Herstellung von kantenemittierenden Halbleiterlasern, insbesondere mit hoher Ausgangsleistung, ist ein mehrstufiger Fertigungsprozess, welcher mehrere Epitaxieschritte beinhaltet und im Ergebnis einen 3-dimensionalen Halbleiteremitter ergibt. Die typischen Schritte zur Herstellung solcher kantenemittierenden Halbleiterlaser lassen sich wie folgt zusammenfassen:

a) Als erster Schritt erfolgt üblicherweise eine Epitaxie (vgl. 1 a)) der Halbleiterstruktur des Lasers auf einer geeigneten Halbleiterscheibe als Substrat bzw. Träger (z.B. GaAs-Wafer).
b) Anschließend erfolgt eine strukturelle Ausbildung einzelner Halbleiterlaser in der auf dem Substrat angeordneten Epitaxiestruktur. Die dazu notwendigen Schritte können insbesondere die Anwendung von Verfahren zur Lithographie und zum Ätzen sowie zum Aufbringen einer Metallisierungsstruktur auf die Halbleiterscheibe (z.B. zur Ausbildung von Kontakten und elektrisch leitenden Verbindungen) umfassen. Dadurch kann eine Vielzahl von Laserbarrenstrukturen auf der Halbleiterscheibe bereitgestellt werden (vgl. 1 b) und c)).
c) Als nächster Schritt erfolgt zumeist eine Vereinzelung der auf der Halbleiterscheibe angeordneten Laserbarrenstrukturen in einzelne Laserbarren (i.d.R. einige Hundert pro Halbleiterscheibe). Dieser Schritt kann auch eine zusätzlich erfolgende chemische oder mechanische Behandlung (z.B. Politur) der Oberflächen der Laserbarren umfassen. Typisch für kantenemittierende Emitter ist, dass sich die Längsachse des Laserresonators parallel zur Substratoberfläche erstreckt und somit die beiden Endflächen des Laserresonators, welche als Facetten bzw. als Vorder- und Rückseitenfacette bezeichnet werden, senkrecht dazu ausgebildet sind. Da diese Facetten als Reflektor- und Auskoppelelemente für die vom Halbleiterlaser erzeugte Strahlung dienen, werden hohe Anforderungen an deren optische Eigenschaften, insbesondere an eine möglichst geringe Oberflächenrauigkeit und die Einhaltung bestimmter Reflektivitätswerte, gestellt. Die Facetten kantenemittierender Halbleiterlaser werden daher im Allgemeinen gereinigt, passiviert und zusätzlich beschichtet.
d) Hierfür erfolgt in einem weiteren Schritt das Stapeln der zuvor vereinzelten Laserbarren, wobei zwischen die einzelnen Laserbarren jeweils ein Halbleiter-Abstandsplättchen (sog. Spacer, vgl. auch 2) positioniert wird. Die Abstandsplättchen werden im Allgemeinen aus unstrukturierten und unbeschichteten Wafern analog zu den Laserbarren vereinzelt. Insbesondere weisen die Abstandsplättchen Seitenflächen auf, die den Facetten der Laserbarren entsprechen. Beim Stapeln sollen diese Seitenflächen vergleichbare Eigenschaften mit den Facetten der Laserbarren zeigen, daher werden solche Seitenflächen ebenfalls als Facetten bzw. Facettenflächen bezeichnet. Dadurch können homogene, makroskopische Facettenflächen erzeugt werden, welche eine flächen-homogene Prozessführung bei Reinigung, Passivierung und Beschichtung der Facettenoberflächen ermöglichen. Der erzeugte Stapel wird in eine Halterung geklemmt, welche die Facetten der Laserbarren frei lässt, so dass diese Facetten in einem nächsten Schritt weiter behandelt werden können. Die zwischen den Laserbarren eingebrachten Abstandsplättchen ermöglichen eine einfache Trennung der einzelnen Laserbarren nach der Prozessierung, da die Abstandsplättchen verhindern, dass die Metallisierungen der Laserbarren sich verbinden. Die Detailausführung von Stapel und Halterung stellt sicher, dass die Reinigung und die Beschichtung bzw. Passivierung die Facetten ganzflächig und wirksam schützen. Entsprechende Verfahren und Vorrichtungen zur Passivierung von Laserfacetten können beispielsweise US 2017 / 0 310 077 A1 entnommen werden.
e) Anschließend werden zumeist mehrere dieser Stapel-Halterungen auf einem Metallträger befestigt und in einer Kammer zur Molekularstrahlepitaxie (englisch: Molecular Beam Epitaxy, MBE), vorzugsweise in der Nähe einer Keramikheizung, positioniert. Dort werden bei geeigneter Temperatur (150 °C ... 400 °C) die beidseitigen Facetten der Laserbarren deoxidiert und gereinigt, um sie anschließend, z.B. mit einer epitaktischen, passivierenden Schutzschicht (z.B. ca. 10...20 nm ZnSe), beschichten zu können. Abschließend kann eine Ver- bzw. Entspiegelung der Facetten durch geeignete dielektrische Beschichtung erfolgen.

Während der Prozessierung in der MBE-Kammer (oder ggf. in mehreren MBE-Kammern) muss die Temperatur der Laserbarren, insbesondere die Temperatur an den Facettenoberflächen, sehr genau eingestellt werden. Dies ist erforderlich, da auch geringe Abweichungen vom jeweiligen Solltemperaturbereich eines bestimmten MBE-Prozesses sich negativ auf das Prozessierungsergebnis auswirken können. Die Temperatur des Laserbarrenstapels in Schritt e) ist bisher nur indirekt über die Temperatur der Heizung kontrollierbar, da der Laserbarren-stapel sich während des Prozessierens in der MBE-Anlage im Vakuum befindet. Die Temperatur kann daher bisher nur abgeschätzt werden, eine genaue lokale Bestimmung der Oberflächentemperatur der Facetten ist nach dem Stand der Technik nicht möglich. Dies führt zu einer geringeren Prozessausbeute, da die Temperatur der Facettenflächen sehr empfindlich Einfluss auf die Prozessqualität nimmt, insbesondere auf die Qualität der Facettenreinigung und -passivierung.
Für eine lokale Bestimmung der Temperatur von 3-dimensionalen Halbleiterblöcken, wie sich solche Laserbarrenstapel darstellen, werden typischerweise Pyrometer eingesetzt. Im für die genannte MBE-Prozessierung von Stapeln aus GaAs-Laserbarren erforderlichen Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur (ca. 20 °C) und 400°C sind jedoch keine geeigneten Pyrometer verfügbar. Deshalb wird im Stand der Technik die Temperatur bisher indirekt über ein im Heizer befindliches Thermoelement bestimmt - obwohl bekannt ist, dass es große Differenzen zwischen der Temperatur des Heizers und der Temperatur des Stapels geben kann.
Eine Alternative zur Pyrometrie ist eine Temperaturbestimmung mittels der Bandkantenthermometrie (eng. band-edge thermometry, BET), welche auch als Bandkanten-Absorptions-Spektroskopie (eng. absorption band-edge spectroscopy, ABES) bezeichnet wird. Ein entsprechendes optisches Verfahren und eine optische Vorrichtung zum Messen der Temperatur von Halbleitersubstraten in Echtzeit während des Dünnfilmwachstums und der Waferbearbeitung ist aus US 2010 / 0 274 523 A1 bekannt. Hierbei wird die Oberfläche eine Wafers mit einer Probestrahlung bestrahlt und für die daran gestreute Strahlung die spektrale Position der Absorptions- bzw. Bandkante bestimmt. Die spektrale Position der Bandkante ist ein Maß für die lokale Temperatur der Bestrahlungsstelle an der Oberfläche des Wafers.
US 2004 / 0 061 057 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur eines Wafers mittels der beobachteten Bandkantencharakteristik bei der Reflexionsspektroskopie.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur in-situ Temperaturbestimmung der Laserbarrenstapel bei der oben genannten MBE-Prozessierung bereitzustellen. Insbesondere sollen somit ein Verfahren und eine Vorrichtung zur in-situ Temperaturbestimmung während des Aufbringens einer Schutzbeschichtung auf die Facetten von Laserbarren in MBE-Kammern, vor allem während der Deoxidation/Reinigung und während einer ZnSe-Epitaxie/Passivierung, bereitgestellt werden.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 10 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur in-situ Temperaturbestimmung während des Aufbringens einer Schutzbeschichtung auf die Facetten von Laserbarren in MBE-Kammern, insbesondere geeignet zur Messung der Temperatur zwischen einzelnen Laserbarren eines Laserbarrenstapels, umfasst die Schritte:

- Stapeln von Laserbarren, wobei zwischen die Laserbarren jeweils ein Abstandsplättchen aus einem dotierten Halbleitermaterial angeordnet wird, wobei der Stapel in eine Halterung geklemmt wird, welche die Facetten der Laserbarren (und der Abstandsplättchen) frei lässt, so dass diese Facetten eine Schutzbeschichtung in einer MBE-Kammer erhalten können, wobei die Dotierung des Abstandsplättchens für eine maximale Wärmeleitung im Abstandsplättchen möglichst hoch gewählt ist, jedoch maximal so hoch, dass das Abstandsplättchen energetisch unterhalb der optischen Bandkante im Spektralbereich unmittelbar um die Bandkante herum (d.h. in der Nähe der Bandkante) gerade noch transparent ist,
- Befestigen mindestens einer Stapel-Halterung auf einem Metallträger,
- Positionieren des Metallträgers in einer MBE-Kammer, vorzugsweise in der Nähe einer Heizung,
- Einstrahlen einer Probestrahlung in die Abstandsplättchen zwischen den Laserbarren über die erste Facette (der Abstandsplättchen),
- spektral aufgelöste Detektion der an der zweiten Facette (der Abstandsplättchen) reflektierten und (nach Wellenleitung durch die Abstandsplättchen) über die erste Facette (der Abstandsplättchen) wieder austretenden Probestrahlung zur Aufnahme eines Reflexionsspektrums,
- Ermittlung der spektralen Position der Bandkante aus dem aufgenommenen Reflexionsspektrum,
- Bestimmung der Temperatur des Abstandsplättchens aus der ermittelten spektralen Position der Bandkante aufgrund von Referenzwerten für die Abstandsplättchen.

Vorzugsweise handelt es sich bei den Laserbarren um GaAs-Laserbarren (d.h. GaAs-basierte Laserbarren). Vorzugsweise besteht das Abstandsplättchen aus einem dotierten GaAs-Halbleitermaterial. Vorzugsweise ist die Dotierung des GaAs-Abstandsplättchens maximal so hoch gewählt ist, dass das Abstandsplättchen energetisch unterhalb der GaAs-Bandkante im Spektralbereich von etwa 900 nm bis etwa 1100 nm (bevorzugter bis etwa 1200 nm) gerade noch transparent ist. Bevorzugt entspricht das dotierte Halbleitermaterial der Abstandsplättchen dem Halbleitermaterial der Laserbarren.
Die Ausprägung der Wellenleitung in den Abstandsplättchen wird wesentlich durch die Oberflächenstruktur der Laserbarren beeinflusst. Diese bestimmt die Stärke der Ausprägung der messbaren Bandkantensignatur im Spektrum der an den Facetten der Laserstapel gemessenen Wellenleiter-Reflexion der in den Stapel integrierten Abstandsplättchen. Bei der Bandkantensignatur handelt es sich um einen sprunghaften Anstieg in der beobachteten Reflektivität bei der spektralen Position der Bandkante („Bandkantensprung“). Die Referenzwerte für den Zusammenhang zwischen der spektralen Position der Bandkantensignatur und der Temperatur der Abstandsplättchen werden zuvor einmalig in einer separaten, materialspezifischen Kalibriermessung außerhalb der MBE-Kammer bestimmt.
Der erste Schritt des Stapelns von (GaAs-)Laserbarren entspricht im Wesentlichen dem üblichen Vorgehen im Stand der Technik. Die zwischen den Laserbarren angeordneten Abstandsplättchen aus einem (GaAs-) Halbleitermaterial entsprechen dabei üblicherweise in Form und Größe den jeweiligen Laserbarren. Die Höhe der Abstandsplättchen, welche den Abstand zwischen benachbarten Laserbarren bestimmt, kann jedoch durchaus von der Höhe der Laserbarren abweichen. Der fertige Stapel hat dann typischerweise die Form eines Quaders, bei dem alle Facetten der darin angeordneten Laserbarren und der dazwischen angeordneten Abstandsplättchen an zwei sich einander gegenüberliegende Seiten freigestellt und einer weiteren Prozessierung zugänglich sind. Der Stapel wird in eine Halterung geklemmt, welche die Facetten der Laserbarren (und der Abstandsplättchen) frei lässt, so dass diese Facetten eine Schutzbeschichtung in einer MBE-Kammer erhalten können.
Als Bandkante wird bei spektroskopischen Reflexions- oder Transmissionsmessungen der Übergang vom absorbierenden in den optisch transparenten Bereich bezeichnet. Die Spektralposition der gemessenen Bandkantensignatur hängt mit der energetischen Bandlücke (Einheit: eV) im Halbleitermaterial zusammen. Oberhalb einer bestimmten Wellenlänge (in nm), d.h. unterhalb einer entsprechenden Photonenenergie (in eV), können keine Elektronen vom Valenzband ins Leitungsband des Halbleitermaterials angeregt werden, so dass das Material optisch transparent wird. Die spektrale Position der Bandkante kann dem Spektrum typischerweise aus einer spektral über mehrere 10 Nanometer ausgedehnten Bandkantensignatur, an der sich das Reflexions- oder Transmissionsverhalten stark ändert, entnommen werden. Daher stellt sich die Bandkantensignatur im entsprechenden Spektrum als sprunghafte Veränderung im gemessenen Signal dar („Bandkantensprung“). Die spektroskopische Vermessung der Bandkantensignatur kann alternativ also auch in Transmission erfolgen, das spektrale Transmissionsverhalten ergibt sich dann entsprechend.
Die Abstandsplättchen aus einem (GaAs-)Halbleitermaterial sind erfindungsgemäß in einem geeigneten Maße dotiert. Durch die Höhe der Dotierung der Abstandsplättchen lässt sich deren Wärmeleitfähigkeit einstellen, da sich durch die Dotierung die Dichte der Ladungsträger erhöht. Dabei gilt allgemein, dass die Wärmeleitfähigkeit mit der Höhe der Dotierung ansteigt. Eine möglichst hohe Dotierung führt demnach dazu, dass die Abstandsplättchen die Wärme im Stapel sehr gut leiten und sich somit eine möglichst homogene Temperaturverteilung sowohl im Abstandsplättchen als auch im Laserbarren-Stapel als Ganzes einstellen kann. Dies erleichtert die Prozessführung erheblich, da Abweichungen in der Temperatur innerhalb des Stapels deutlich geringer ausfallen und somit nicht oder nur in geringem Maße berücksichtigt werden müssen. Durch die Dotierung der Abstandsplättchen verschiebt sich auch geringfügig die spektrale Lage ihrer optischen Bandkante.
Weiterhin kann sich auch das Licht-Absorptionsverhalten der Abstandsplättchen durch die Erzeugung freier Ladungsträger wesentlich verändern. Dies kann bei sehr hohen Dotierungen dazu führen, dass das Abstandsplättchen auch im Energiebereich unterhalb seiner optischen Bandkante (dem eigentlich transparenten Bereich) durch eine hohe Dichte freier Ladungsträger intransparent für Licht entsprechender Wellenlängen wird und somit die Bandkante nicht mehr spektroskopiert werden kann. Bei GaAs-Abstandsplättchen kann sich durch hohe Dotierung das Licht-Absorptionsverhalten im infraroten Spektralbereich ganz wesentlich verändern.
Da sich durch eine Dotierung von Halbleitermaterialien nicht nur deren Bandlücke geringfügig verschiebt, sondern insbesondere bei sehr hoher Dotierung auch Absorptionseffekte im eigentlich transparenten Spektralbereich entstehen, wird erfindungsgemäß die Höhe der Dotierung der Abstandsplättchen maximal derart hoch eingestellt, dass die Abstandsplättchen energetisch unterhalb einer optischen Bandkante (d.h. für Licht im Wellenlängenbereich unmittelbar oberhalb der spektralen Position der Bandkante) gerade noch transparent sind. Als unmittelbar um die Bandkante herum liegender Spektralbereich wird dabei der spektrale Nahbereich in der Nähe zur Bandkante bezeichnet. Dieser Nahbereich kann beispielsweise der Breite der Bandkantensignatur im Spektrum entsprechen. Als optische Bandkante wird eine Bandkante bezeichnet, die im Spektralbereich zwischen 100 nm und 300 µm, im Fall von Halbleiterlasern bevorzugter zwischen 400 nm und 2 µm, noch bevorzugter zwischen 620 nm und 1200 nm liegt. Eine solche Bandkante kann mit optischen Methoden untersucht werden.
Die Höhe der Dotierung von GaAs-Abstandsplättchen wird maximal derart hoch eingestellt, dass die Abstandsplättchen energetisch unterhalb der GaAs-Bandkante im Spektralbereich von etwa 900 nm bis etwa 1100 nm (bevorzugter bis etwa 1200 nm) gerade noch transparent sind. Dies bedeutet, der erfindungsgemäß für GaAs-Abstandsplättchen vorgesehene Dotierungsbereich erstreckt sich bis auf einen maximalen Dotierungswert, bei dem die Abstandsplättchen für Licht im Wellenlängenbereich unmittelbar oberhalb der Position der spektralen Bandkante (im eigentlichen transparenten Bereich) trotz ihrer hohen Dotierung gerade noch transparent sind, wobei sich der genannte Wellenlängenbereich im Spektralbereich von etwa 900 nm bis etwa 1100 nm (bevorzugter bis etwa 1200 nm) befindet.
Mit anderen Worten, das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass für (GaAs-)Abstandsplättchen die Dotierung zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit zwar möglichst hoch gewählt bzw. eingestellt wird, die maximal mögliche Dotierungshöhe sich jedoch dadurch ergibt, dass die Abstandsplättchen trotz ihrer hohen Dotierung in der Nähe zur Bandkante im eigentlich transparenten Bereich gerade noch transparent sind. Das Kriterium einer gerade noch ausreichenden Transparenz ist vorzugsweise als erfüllt anzusehen bei einer maximalen Dämpfung von -150 dB/cm für alle Spektralanteile im Spektralbereich von etwa 900 nm bis etwa 1100 nm (bevorzugter bis etwa 1200 nm).
Bevorzugt lässt sich die maximale Höhe der Dotierung der Halbleiterplättchen über die messtechnisch maximal akzeptierbare Dämpfung der Amplitude der Bandkantensignatur festlegen. Im Vergleich zu einer spektroskopischen Messung an einem undotierten Abstandsplättchen nimmt durch eine zunehmende Dotierung die Amplitude der Bandkantensignatur („Sprunghöhe des Bandkantensprungs“) ab und der gemessene Intensitätskontrast bei Übergang vom intransparenten zum transparenten Bereich verringert sich. Die Dämpfung der Amplitude der Bandkantensignatur (im Vergleich zum undotierten Halbleitermaterial) liegt vorzugsweise maximal bei 50%. Bevorzugte Dämpfungswerte für die Amplitude der Bandkantensignatur erfindungsgemäßer GaAs-Abstandsplättchen liegen im Bereich von 1% bis 5%. Geeignete Dotierungen für die GaAs-Abstandsplättchen des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen vorzugsweise im Bereich zwischen 1·10¹⁶ cm^-3 und 1·10¹⁸ cm^-3, bevorzugter zwischen 1·10¹⁶ cm^-3 und 5·10¹⁷ cm^-3, bevorzugter zwischen 1·10¹⁶ cm^-3 und 1·10¹⁷ cm^-3 und noch bevorzugter zwischen 1·10¹⁶ cm^-3 und 5·10¹⁶ cm^-3. Für andere Halbleitermaterialien der Abstandsplättchen (z.B. Silizium, InP, ...) und spezielle Dotierstoffe müssen ähnliche Auswahlkriterien erneut angewandt werden.
Mindestens eine Stapel-Halterung wird auf einem Metallträger befestigt. Der Metallträger dient zur positionsgenauen Halterung der einzelnen Stapel-Halterungen innerhalb einer MBE-Kammer. Anschließend wird der Metallträger in einer MBE-Kammer, vorzugsweise in der Nähe einer Heizung, positioniert. Der Abstand ist von der Größe der MBE-Kammer abhängig und kann typischerweise zwischen 1 cm und 15 cm betragen. Die Nähe zur Heizung hat den Vorteil, dass die Temperatur der Heizung und die Temperatur an den Laserbarren möglichst gleich sind. Je weiter die Laserbarren von einer Heizung entfernen angeordnet werden, desto stärker werden sich die jeweiligen Temperaturen aufgrund der abnehmenden Strahlungsintensität voneinander unterscheiden. Dieser Unterschied muss dann aufwendig in der Temperaturregelung während der Prozessteuerung mit berücksichtigt werden.
Zur Bestimmung der Temperatur der (GaAs-)Abstandsplättchen bzw. des Laserbarrenstapels mit den (GaAs-)Abstandsplättchen erfolgt über die erste (vorderseitige) Facette der Abstandsplättchen ein Einstrahlen einer Probestrahlung in die Abstandsplättchen. Besonderes bevorzugt ist die Probestrahlung aus einem Spektralbereichsfenster zwischen 620 nm und 1100 nm, bevorzugter zwischen 620 nm und 1200 nm, bevorzugter zwischen 620 nm und 1150 nm, bevorzugter zwischen 780 mm und 1100 nm, und noch bevorzugter zwischen 880 nm und 1100 nm gewählt. Das in die erfindungsgemäßen Abstandsplättchen eingestrahlte Licht breitet sich per Wellenleitung im Inneren eines Abstandsplättchens aus, wird an der zweiten (rückseitigen) Facette des Abstandsplättchens reflektiert und tritt dann als Zusatzreflex an der Eintrittsfacette (ersten Facette des Abstandsplättchens) wieder aus. Da die Ein- und Auskopplung der Probestrahlung über eine Facette erfolgt, entspricht im erfindungsgemäßen Laserbarrenstapel die Ausbreitungsrichtung des Lichtes innerhalb der Abstandsplättchen der Resonatorachse in den jeweiligen Laserbarren des Stapels. Diese sind somit innerhalb des Stapels vorzugsweise parallel zueinander ausgerichtet.
Die Probestrahlung kann monochromatisch über ein Wellenlängenbereich innerhalb des Spektralbereichsfensters durchgestimmt und zeitlich nacheinander in die Abstandsplättchen eingestrahlt werden. Vorzugsweise ist die Probestrahlung jedoch spektral breit, d.h. nicht monochromatisch und einen ausgedehnten Wellenlängenbereich innerhalb eines der oben genannten Spektralbereichsfenster umfassend. In diesem Fall kann eine gleichzeitige Einstrahlung im gesamten ausgedehnten Wellenlängenbereich erfolgen. Dadurch kann die Messdauer einer Temperaturbestimmung gegenüber einer zeitlich versetzten Einstrahlung jeweils monochromatischer Probestrahlung reduziert werden.
Für eine Temperaturbestimmung in einem zu messenden Temperaturbereich muss die den verwendeten Abstandsplättchen zugeordnete spektrale Position der Bandkante innerhalb des für die Probestrahlung verwendeten Spektralbereichsfensters liegen. Vorzugsweise deckt die Probestrahlung mindestens den Spektralbereich um die (GaAs-)Bandkante herum ab. Bevorzugt ist eine Abdeckung des Bereichs von 10% bis 90% des Bandkantensprungs. Bevorzugt deckt der Spektralbereich der Probestrahlung mindestens jeweils 100 nm unterhalb und oberhalb der (GaAs-)Bandkantensignatur bzw. der spektralen Position der Bandkante ab. Besonders bevorzugt ist eine Abdeckung von mindestens jeweils 200 nm. Bevorzugter deckt die Probestrahlung für alle Temperaturen den Spektralbereich um die (GaAs-)Bandkante herum großzügig, d.h. deutlich über die spektrale Breite der Bandkantensignatur hinausgehend, ab. Vorzugsweise beträgt die Abdeckung mindestens 150% des Spektralbereichs der temperaturabhängigen spektralen Position der Bandkante im gemessenen Temperaturbereich (spektrale Breite der temperaturbedingten Verschiebung), bevorzugter mindestens jeweils 250 nm unterhalb und oberhalb der spektralen Position der Bandkante, so dass für alle Temperaturen die Bandkantensignatur (d.h. der „Bandkantensprung“) vollständig erfasst werden kann.
Die an der zweiten Facette (des Abstandsplättchens) reflektierte und über die erste Facette wieder austretende Probestrahlung wird anschließend zur Aufnahme eines Reflexionsspektrums spektral aufgelöst detektiert. Ein Reflexionsspektrum gibt das spektrale Verhalten der Reflexion eines Objektes wieder, insbesondere stellt dieses im Allgemeinen einen Zusammenhang zwischen der Intensität einer reflektierten Strahlung in Abhängigkeit von der Wellenlänge der Strahlung (bzw. der jeweiligen Photonenenergie) dar. Eine spektral aufgelöste Detektion erfordert daher die Nutzung eines Spektrometers oder einer anderen zur wellenlängenabhängigen Intensitätsmessung geeigneten Vorrichtung. Im Falle einer durchstimmbaren monochromatischen Probestrahlung kann eine spektral aufgelöste Detektion auch in zeitlicher Korrelation mit den bekannten spektralen Eigenschaften der Probestrahlung erfolgen.
Im Anschluss erfolgt die Ermittlung der spektralen Position der Bandkante innerhalb des zuvor gemessenen Reflexionsspektrums der Abstandsplättchen. Die Position der Bandkante kann dem spektralen Verlauf der von den Abstandsplättchen reflektierten Probestrahlung mit Hilfe einer deutlich erkennbaren sprunghaften Veränderung im Reflexionssignal entnommen werden (Bandkantensignatur). Im Allgemeinen erfolgt hierzu eine geeignete vollautomatische numerische Analyse des Spektrums.
Die Bestimmung der Bandkantenposition bei einer spektroskopischen Untersuchung von Materialien ist im Übrigen ein gängiges optisches Verfahren, daher wird für nähere Einzelheiten, insbesondere zur Auswertung einer solchen Untersuchung, auf die einschlägige Literatur hierzu verwiesen. Vorzugsweise kann zur Bestimmung der Bandkante ein empirisches oder analytisches Bandkantenmodel genutzt werden. Ebenfalls bekannt ist auch, dass die spektrale Position der Bandkante von der Temperatur des Materials abhängig ist, insbesondere dass sich diese spektrale Position mit zunehmender Temperatur in Richtung längerer Wellenlängen (bzw. energetisch zu niedrigeren Energien) verschiebt.
Für ein bestimmtes kristallines Halbleitermaterial ist der Zusammenhang zwischen der Temperatur des Materials und der spektralen Position der Bandkante eindeutig, langzeitstabil und charakteristisch. Daher kann bei Kenntnis dieses Zusammenhangs auf der Basis von entsprechenden, einmalig zu bestimmenden Referenzwerten (d.h. entsprechenden Wertepaaren bzw. der funktionalen Abhängigkeit des besagten Zusammenhangs) für die Abstandsplättchen aus der spektralen Position der Bandkante die Temperatur der Abstandsplättchen bestimmt werden. Die Bestimmung kann dabei auch anhand einer auf den Referenzwerten basierenden Anpassungsfunktion erfolgen. Dabei ist zu beachten, dass für dotierte Abstandsplättchen eines Halbleitermaterials der Zusammenhang zwischen der spektralen Position der Bandkante und der Temperatur mit der Dotierung variieren kann und sich die Referenzwerte daher vorzugsweise auf Abstandsplättchen mit einer identischen oder zumindest näherungsweise vergleichbaren Dotierung beziehen.
Rotieren mehrere Laserstapel auf dem Metallträger in der MBE, so muss eine geeignete Triggerung und Synchronisation der spektralen Reflexionsmessung erfolgen, so dass jedem Laserstapel seine spezifische spektrale Position der Bandkante bzw. der Bandkantensignatur und damit seine spezifische Temperatur jederzeit zugeordnet werden kann. Erfolgt eine erfindungsgemäße Temperaturmessung der Laserstapel während oder nach einer Beschichtung der Facetten, so muss eine geeignete Korrektur der resultierenden Temperatur vorgenommen werden, da insbesondere eine Passivierungsschicht das zur Temperaturmessung genutzte Reflexionsspektrum beeinflussen kann.
Vorteile der Erfindung
Kern der Erfindung ist die Verwendung verfahrensüblicher (GaAs-)Abstandsplättchen in einem Fertigungsprozess für (GaAs-)Laser zur lokalen optischen Temperaturbestimmung innerhalb eines Laserstapels. Im Stand der Technik sind die Abstandsplättchen in der Regel hoch dotiert und dienen lediglich als Prozessierungshilfe während des Beschichtens in einer MBE-Anlage und für die nachfolgende schadensfreie Vereinzelung der Laserbarren, wenn der Laserstapel wieder aufgelöst wird. Für eine Temperaturmessung während der Prozessierung sind diese Abstandsplättchen bislang ohne Funktion.
Durch eine erfindungsgemäße wohldosierte Dotierung der (GaAs-)Abstandsplättchen bleibt die Wärmeleitung in den Plättchen erhöht, wodurch es weiterhin zu einer homogeneren Temperaturverteilung im Stapel kommt. Die Höhe der Dotierung ist jedoch nach oben beschränkt. GaAs-Abstandsplättchen sollen energetisch unterhalb der GaAs-Bandkante im Spektralbereich von etwa 900 nm bis etwa 1100 nm (bevorzugter bis 1200 nm) gerade noch transparent sein. Dieser Bereich ist für die spektroskopische Temperaturmessung anhand der optischen GaAs-Bandkantensignatur in MBE-Kammern sowie bei den für die Laserprozessierung relevanten Temperaturbereichen besonderes geeignet.
Weiterhin sind die verwendeten Abstandsplättchen zur Bestimmung der Referenzwerte hinsichtlich der spektralen Position ihrer Bandkante einer möglichst präzisen Kalibrierung (zur Bestimmung der Referenzwerte) zu unterziehen. Diese Kalibrierung erlaubt es, über das erfindungsgemäße Verfahren die Temperatur der Abstandsplättchen (und damit des Stapels) aus einer einfachen Reflexionsmessung zu bestimmen. Im Gegensatz zu den sonst üblichen indirekten Verfahren zur Bestimmung der Temperatur in MBE-Kammern für die Bearbeitung von Laserfacetten (Messung der Temperatur des Heizers über ein Thermoelement oder Messung der Temperatur des Trägers über ein Pyrometer) erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine sehr genaue direkte, einfache und zuverlässige optische Messung der unmittelbaren Temperatur der Laserstapel. Besonderes die lokale Bestimmung direkt im Laserbarren-Stapel (nahe der ersten Facette) ist dabei ein besonderer Vorteil des Verfahrens.
Insbesondere werden die bisher nur als passive Hilfskomponente benutzten Abstandsplättchen in ihren optischen und elektronischen Eigenschaften erfindungsgemäß derart ausgewählt, dass sie neben ihren üblichen Aufgaben, insbesondere Trennung der Laserbarren voneinander und Sicherstellen einer einheitlichen MBE-Prozessierung, zusätzlich die Funktion eines lokalen Temperatursensors übernehmen können, wobei gleichzeitig zur Prozessoptimierung die Wärmeleitfähigkeit der Abstandsplättchen auf einen möglichst hohen Wert eingestellt wird.
Vorzugsweise wird der Einfallswinkel für das Einstrahlen der Probestrahlung an der ersten Facette der Abstandsplättchen zwischen 0 Grad und 10 Grad gewählt. Dadurch kann verhindert werden, dass die einfallende Strahlung an der ersten Facette entlang der Einstrahlrichtung zurück reflektiert wird. Vorzugsweise wird der Einfallswinkel derart gewählt, dass die Reflexion (d.h. das direkte Reflexionssignal) an der ersten Facette minimiert wird. Vorzugsweise wird der Detektionswinkel derart gewählt, dass das direkte Reflexionssignal an der ersten Facette minimiert wird. Der Detektionswinkel kann sich vom Einfallswinkel unterscheiden. Vorzugsweise werden Einfallswinkel und Detektionswinkel so gewählt, dass das Wellenleitungs-Bandkantensignal relativ zur reinen Oberflächenreflexion der ersten Facette maximal wird.
Vorzugsweise werden zur Berücksichtigung einer auftretenden (leichten) Veränderung der Bandkantensignatur während einer Facettenbeschichtung (bereits bekannte) dünnschicht-optische Korrekturformeln bei der Bestimmung der Temperatur der Abstandsplättchen genutzt. Durch eine Beschichtung der Facetten (z.B. mit ZnSe in der MBE) ändern sich die Reflexionseigenschaften an der Facette der Abstandsplättchen, was sich insbesondere durch geringfügige Änderungen im Spektrum, insbesondere in den spektral aufgelösten Intensitätsverhältnissen, niederschlägt. Durch kann es auch zu spektralen Verschiebungen bzw. Veränderungen der Bandkantensignatur kommen. Da die bei einer Beschichtung auftretende Veränderung der Reflexionseigenschaften an der Oberfläche jedoch sehr genau bekannt sind, können diese bei der Temperaturbestimmung stets mit berücksichtigt werden. Erfindungsgemäß kann die exakte Schichtdicke auch durch eine zweite Reflexionsmessung im kurzwelligen Spektralbereich unabhängig bestimmt und danach zur Korrektur der Temperaturmessung eingesetzt werden. Bei der Ermittlung der spektralen Position der Bandkante aus einem zuvor aufgenommenen Reflexionsspektrum können daher dünnschicht-optische Korrekturformeln mit schichtdicken-abhängigen Korrekturparametern eingesetzt werden. Findet eine Bestimmung der Bandkante beispielsweise durch Auswertung mit Hilfe eines numerischen oder analytischen Bandkantenmodells statt, so können dünnschicht-optische Korrekturformeln entsprechend im Modell enthalten sein
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Spektral-Reflexionsmesssystem für die Verwendung in einem Verfahren zur in-situ Temperaturbestimmung nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Es umfasst ein optisches System zur spektralen Detektion einer vom Abstandsplättchen ein- und ausgekoppelten Probestrahlung, wobei das optische System zur spektralen Detektion sowie zur entsprechenden Ein- und Auskopplung von Probestrahlung ausgebildet ist. Das erfindungsgemäße Spektral-Reflexionsmesssystem detektiert die zusätzliche, durch Wellenleitung im Abstandsplättchen zurückgeleitete Reflexion an den zweiten Facetten der Abstandsplättchen. Dieser zusätzliche Reflexionsbeitrag kann sich nur energetisch unterhalb der jeweiligen Bandkante des Halbleitermaterials der Abstandsplättchen ausbreiten. Die resultierende Bandkantensignatur verschiebt sich mit der Temperatur und kann somit für eine in-situ Temperaturmessung der Temperatur des Laserstapels eingesetzt werden.
Ein erfindungsgemäßes Spektral-Reflexionsmesssystem umfasst weiterhin eine Lichtquelle zur Emission von Probestrahlung aus einem Spektralbereichsfenster zwischen 620 nm und 1200 nm, bevorzugter zwischen 620 nm und 1300 nm, bevorzugter zwischen 780 nm und 1200 nm, bevorzugter zwischen 780 mm und 1100 nm, und noch bevorzugter zwischen 800 nm und 1100 nm. Besonders bevorzugt umfasst ein erfindungsgemäßes Spektral-Reflexionsmesssystem weiterhin eine Lichtquelle zur Emission von Probestrahlung aus einem Spektralbereichsfenster zwischen 620 nm und 1100 nm, bevorzugter zwischen 620 nm und 1100 nm, bevorzugter zwischen 780 mm und 1100 nm, und noch bevorzugter zwischen 880 nm und 1000 nm.
Während des Aufbringens der Schutzbeschichtung auf die Facetten von Laserbarren wird die exakte Schichtdicke durch eine zweite Reflexionsmessung im kurzwelligen Teil des Spektralbereichsfensters bestimmt und zur Berücksichtigung einer Verschiebung der Bandkantenstruktur werden während einer Facettenbeschichtung dünnschicht-optische Korrekturformeln mit schichtdicken-abhängigen Korrekturparametern bei der Bestimmung der Temperatur des Abstandsplättchens genutzt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 schematische Darstellungen zur Schichtstruktur von GaAs-basierten Halbleiterlasern (Stand der Technik),
2 eine schematische Darstellung zum erfindungsgemäßen Stapeln von GaAs-Laserbarren,
3 eine schematische Darstellung des optischen Strahlengangs in erfindungsgemäßen GaAs-Abstandsplättchen,
4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Spektral-Reflexionsmesssystems,
5 exemplarische Reflexionsspektren an GaAs-Laserstapeln mit erfindungsgemäßen Abstandsplättchen,
6 eine exemplarische Kalibrierkurve für den Zusammenhang zwischen der spektralen Position der Bandkante und der Temperatur eines erfindungsgemäßen GaAs-Abstandsplättchens, und
7 einen exemplarischen Vergleich gemessener Temperaturverläufe an GaAs-basierten Laserbarren mit erfindungsgemäßen GaAs-Abstandsplättchen in einer MBE-Kammer.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt schematische Darstellungen zur Schichtstruktur von GaAs-basierten Halbleiterlasern (Stand der Technik). Dabei zeigt 1 a) den typischen epitaktischen Schichtaufbau der Halbleiterstruktur eines solchen GaAs-Halbleiterlasers. Der strukturelle Aufbau umfasst ein Substrat 10 als Träger (z.B. n-GaAs-Substrat) und darauf jeweils aufeinander angeordnet eine n-Mantelschicht 11, eine n-Wellenleiterschicht 12, eine aktive Schicht 13 (z.B. Quantengraben), eine p-Wellenleiterschicht 14 und eine p-Mantelschicht 15, wobei sämtliche Schichten als ternäre oder quaternäre Schichten (z.B. Ga, Al, In, As und/oder P geeignet enthaltend) ausgebildet sein können.
In 1 b) zeigt das Schichtsystem nach einer strukturellen Ausbildung einzelner Halbleiterlaser in der auf dem Substrat 10 angeordneten Epitaxiestruktur. Zur Ausbildung können insbesondere Verfahren zur Lithographie und zum Ätzen sowie zum Aufbringen einer Metallisierung auf der Halbleiterscheibe 10 (z.B. zur Ausbildung von Kontakten und elektrisch leitenden Verbindungen) genutzt werden. Dadurch können eine Vielzahl von Laserbarrenstrukturen 20 auf der Halbleiterscheibe 10 bereitgestellt werden. Dargestellt ist in 1 b) eine Ansicht auf die erste Facette 40 der jeweiligen Halbleiterlaser 20 (z.B. Vorderseitenfacette), wobei der Austrittsbereich 22 für die im Betrieb emittierte Laserstrahlung schraffiert eingezeichnet ist. Zwischen den einzelnen Halbleiterlasern 20 sind Trennungsbereiche 17 (z.B. Sägelinien) für eine spätere Vereinzelung zu Laserbarren 20 vorgesehen.
Die in 1 c) gezeigte Darstellung illustriert eine typische Verteilung von Halbleiterlasern 20 auf einem Substrat 10 vor der Vereinzelung.
2 zeigt eine schematische Darstellung zum erfindungsgemäßen Stapeln von vereinzelten GaAs-Laserbarren 20. Nach dem Vereinzeln der Halbleiterlaser 20 werden diese zum Aufbringen einer Schutzbeschichtung auf die Facetten 40, 42 in einer MBE-Kammer weiter prozessiert. Zwischen die Laserbarren 20 wird jeweils ein Abstandsplättchen 30 aus einem dotierten GaAs-Halbleitermaterial angeordnet, so dass sich eine einander abwechselnde Stapelung aus Laserbarren 20 und Abstandsplättchen 30 ergibt. Der Stapel wird in eine Halterung 60 geklemmt, welche die Facetten 40, 42 der Laserbarren 20 (und der Abstandsplättchen 30) frei lässt, so dass diese Facetten 40, 42 eine Schutzbeschichtung in einer MBE-Kammer erhalten können. Die Halterung ist in 2 nur schemenhaft in beispielhafter Form angedeutet.
3 zeigt eine schematische Darstellung des optischen Strahlengangs in den erfindungsgemäßen GaAs-Abstandsplättchen 30. Insbesondere zeigt die Darstellung die Lichtausbreitung in den Abstandsplättchen 30 eines Stapels nach 2 entlang der Längsachse, wobei die Längsachse der Resonatorachse der Laserbarren 20 im Stapel entspricht. Über die erste Facette 40 des Abstandsplättchens 30 wird ein einfallender Probestrahl 50 in das Abstandsplättchen 30 eingekoppelt und bei der Ausbreitung im Inneren des Abstandsplättchens 30 mehrfach reflektiert (Wellenleitung). Die Reflexion kann jeweils durch Brechungsindexsprünge an den Oberflächen und Grenzflächen erfolgen. Insbesondere kann sie dadurch erfolgen, dass die Metallisierung der angrenzenden Laserbarren 20, welche seitlich an das Abstandsplättchen 30 angrenzen, als Reflektor dient. Aufgrund des hohen Brechungsindexes von GaAs (bzw. Halbleitern im Allgemeinen) kommt es an der zweiten Facette 42 ebenfalls zu einer Reflexion, so dass ein Großteil der eingekoppelten einfallenden Probestrahlung 50 als reflektierte Probestrahlung 52 über die erste Facette 40 wieder austritt.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Spektral-Reflexionsmesssystems. Insbesondere zeigt die Darstellung die gegenseitige Anordnung einzelner Komponenten im Inneren einer MBE-Kammer. Über einen ersten Fensterflansch 66 zur Einkopplung einer Lichtquelle wird die einfallende Probestrahlung 50 gerichtet auf einen Metallträger 62 in die MBE-Kammer eingeleitet. Auf dem Metallträger 62 sind ein oder mehrere Stapel-Halterungen 60 zur Prozessierung derart angeordnet, dass ein Einstrahlen der Probestrahlung in die Abstandsplättchen 30 zwischen den Laserbarren 20 über die erste Facette 40 der Abstandsplättchen 30 erfolgen kann. Die von dieser Strahlung an der zweiten Facette 42 reflektierte und über die erste Facette 40 wieder austretende reflektierte Probestrahlung 52 wird zur Aufnahme eines Reflexionsspektrums durch einen zweiten Fensterflansch 68 für eine spektral aufgelöste Detektion abgeleitet. Vorzugsweise können sowohl der erste als auch der zweite Fensterflansch 66, 68 durch individuell steuerbare Shutter 64 gegenüber der MBE-Kammer verschlossen werden. Alternativ können Einstrahl- und Reflexionswinkel auch identisch sein, so dass nur ein Fensterflansch benötigt wird.
5 zeigt exemplarische Reflexionsspektren an GaAs-Laserstapeln 20 mit erfindungsgemäßen GaAs-Abstandsplättchen 30. Die Spektren wurden im Wellenlängenbereich zwischen etwa 620 nm und 1100 nm aufgenommen und geben das Temperaturverhalten für zwei verschiedene Arten von Abstandsplättchen 30 wieder. Die jeweiligen Kurvenverläufe sind in der Figur mit a) und b) bezeichnet. Der durchgezogene Linienverlauf gibt dabei jeweils das Reflexionsspektrum bei Raumtemperatur (ca. 20 °C) an, während der jeweils zugehörige und gestrichelt eingetragene Linienverlauf das Reflexionsspektrum bei einer erhöhten Temperatur (ca. 45 °C) angibt.
Diese Messungen erfolgten im Labor, wobei eine Ein- und Auskopplung der Probestrahlung erfindungsgemäß über die erste Facette 40 eines erfindungsgemäßen Laserbarren-Stapels 20 mit hinreichend IR-transparenten GaAs-Abstandsplättchen 30 erfolgte. Die Bandkante 80 liegt in allen Fällen bei etwa 900 nm. Rechtsseitig davon zu den längeren Wellenlängen hin schließt sich die Bandkantensignatur 82 mit ihrem sprunghaften Signalanstieg bis zu einem Maximalwert der Reflektivität an. Wie bereits ausführlich im Abschnitt zum Stand der Technik beschrieben, ist GaAs für Strahlung bei Wellenlängen unterhalb der Bandkanten-Wellenlänge intransparent (Bereich I) und für Strahlung bei Wellenlängen oberhalb der Bandkanten-Wellenlänge (Bereich II) transparent. Erkennbar ist daher im Bereich I ausschließlich die Reflektivität der ersten Facette 40, während im Bereich II für die Strahlenverläufe an der Bandkante 80 eine erhöhte Reflektivität beobachtet wird. Die erhöhte Gesamtreflexion in diesem Bereich ist dadurch begründet, dass das Abstandsplättchen 30 im Bereich II transparent ist und somit via Wellenleitung in den Abstandsplättchen 30 zusätzlich auch die Reflektivität der zweiten Facette 42 zur Reflexionsintensität beiträgt. Der entsprechende Verlauf der Reflektivität in diesem Spektralbereich ohne eine zusätzliche Reflexion an der Rückseite (zum Beispiel im Falle von zu hoch dotierten Abstandsplättchen) ist durch die gestrichelte Linie angedeutet.
Wie den Kurvenverläufen zu entnehmen ist, führt eine Erhöhung der Temperatur zu einer deutlichen Verschiebung der Bandkantensignatur 82 (und damit der spektralen Bandkantenposition 80) hin zu längeren Wellenlängen und ist daher ein Maß für die Temperatur im Abstandsplättchen 30. Dieses Verhalten ist bekannt und wurde bereits umfassend untersucht. Kern der Erfindung ist daher die Anwendung und Ausnutzung dieses Effektes in einem Verfahren zur in-situ Temperaturbestimmung während des Aufbringens einer Schutzbeschichtung auf die Facetten 40, 42 von Laserbarren 20 in MBE-Kammern. Das Verfahren kann neben der Verwendung bei GaAs-Laserstapeln auch einfach auf andere Halbleitermaterialien übertragen werden.
Die beiden zusätzlich eingezeichneten senkrechten Linien um die Bandkantenposition 80 herum sollen den für eine Temperaturbestimmung besonders relevanten Wellenlängenbereich der Bandkantensignatur 82 markieren. Dieser liegt im dargestellten Fall zwischen etwa 880 nm und 940 nm, wobei durch eine veränderte Dotierung der Abstandsplättchen 30 und/oder einen anderen Temperaturbereich deutliche Abweichungen hiervon möglich sind. Innerhalb des markierten Bereichs sind anhand der Bandkantensignatur 82 alle für eine Temperaturbestimmung relevanten Kurveneigenschaften ablesbar. Der für die Temperaturbestimmung relevante Wellenlängenbereich ergibt sich für alle Materialien aus der Breite der Bandkantensignatur 82, aus dem zu überwachenden Temperaturbereich und aus der materialspezifischen Temperaturverschiebung der spektralen Position der Bandkante 82.
6 zeigt eine exemplarische Kalibrierkurve für den Zusammenhang zwischen der spektralen Position der Bandkante 80 und der Temperatur eines erfindungsgemäßen GaAs-Abstandsplättchens 30. Zur Kalibrierung wurde die temperaturabhängige spektrale Bandkantenposition (BK) 80 eines GaAs-Materials für die erfindungsgemäßen Abstandsplättchen im Labor (Heiztisch + Thermoelement) und in einem MOCVD-Reaktor (mit Pyrometer-Referenz) exakt bestimmt. Nach einer solchen Kalibrierung kann für das untersuchte GaAs-Material in einer MBE-Kammer aus der spektralen Bandkantenposition 80 eines entsprechenden Abstandsplättchen 30 die aktuelle Temperatur der Laserbarren 20 des Stapels in-situ mit einer Genauigkeit von bis zu ±0,5 K bestimmt werden. Der für das Aufbringen einer Schutzbeschichtung auf die Facetten 40, 42 von GaAs-Laserbarren 20 in MBE-Kammern besonders relevante Bereich ist eingerahmt.
Mit einem Si-basierten Detektor kann das Verfahren für GaAs-Abstandsplättchen 30 bis zu einer maximalen Temperatur von ca. 400 °C angewendet werden. Bei Temperaturen oberhalb von 400 °C müssen hingegen teurere InGaAs-Detektoren verwendet werden.
7 zeigt einen exemplarischen Vergleich des gemessenen Temperaturverlaufs an GaAs-basierten Laserbarren 20 mit erfindungsgemäßen GaAs-Abstandsplättchen 30 in einer MBE-Kammer. Die Kurve a) gibt dabei den zeitlichen Verlauf der Temperatur der Heizung 70 wieder. Aus diesem Temperaturverlauf wird im Stand der Technik der Temperaturverlauf an den Laserbarren 20 abgeschätzt. Die Kurve b) gibt den gleichzeitig dazu aufgenommenen und erfindungsgemäß ermittelten Temperaturverlauf unmittelbar an den GaAs-Laserbarren 20 wieder. Es sind deutliche Unterschiede sowohl im Anstiegsverhalten als auch bei der erreichten Maximaltemperatur zu erkennen.
Bezugszeichenliste

10: Substrat (z.B. n-GaAs-Substrat)
11: n-Mantelschicht
12: n-Wellenleiterschicht
13: aktive Schicht (z.B. Quantengraben)
14: p-Wellenleiterschicht
15: p-Mantelschicht
16: Metallisierung
17: Trennungsbereich (z.B. Sägelinien)
20: GaAs-Halbleiterlaser bzw. GaAs-Laserbarren
22: Austrittsbereich
30: GaAs-Abstandsplättchen
40: erste Facette (GaAs-Halbleiterlaser bzw. GaAs-Abstandsplättchen)
42: zweite Facette (GaAs-Halbleiterlaser bzw. GaAs-Abstandsplättchen)
50: einfallender Probestrahl (Einfall über erste Facette)
52: reflektierter Probestrahl (Reflexion an zweiter Facette)
60: (Stapel-)Halterung
62: Metallträger
64: Shutter
66: Einkoppelflansch
68: Auskoppelflansch
70: Heizung (MBE-Anlage)
80: Bandkantenposition
82: Bandkantensignatur

Claims

Verfahren zur in-situ Temperaturbestimmung während des Aufbringens einer Schutzbeschichtung auf die Facetten (40, 42) von Laserbarren (20) in MBE-Kammern, umfassend: - Stapeln von Laserbarren (20), wobei zwischen die Laserbarren (20) jeweils ein Abstandsplättchen (30) aus einem dotierten Halbleitermaterial angeordnet wird, wobei der Stapel in eine Halterung (60) geklemmt wird, welche die Facetten (40, 42) der Laserbarren (20) frei lässt, so dass diese Facetten (40, 42) eine Schutzbeschichtung in einer MBE-Kammer erhalten können, wobei die Dotierung des Abstandsplättchens (30) für eine maximale Wärmeleitung im Abstandsplättchen (30) möglichst hoch gewählt ist, jedoch maximal so hoch, dass das Abstandsplättchen (30) energetisch unterhalb der optischen Bandkante (80) im Spektralbereich unmittelbar um die Bandkante (80) herum gerade noch transparent ist, - Befestigen mindestens einer Stapel-Halterung (60) auf einem Metallträger (62), - Positionieren des Metallträgers (62) in einer MBE-Kammer, - Einstrahlen einer Probestrahlung (50) in die Abstandsplättchen (30) zwischen den Laserbarren (20) über die erste Facette (40), - spektral aufgelöste Detektion der an der zweiten Facette (42) reflektierten und über die erste Facette (40) wieder austretenden Probestrahlung (52) zur Aufnahme eines Reflexionsspektrums, - Ermittlung der spektralen Position der Bandkante (80) aus dem aufgenommenen Reflexionsspektrum, - Bestimmung der Temperatur des Abstandsplättchens (30) aus der ermittelten spektralen Position der Bandkante (80) aufgrund von Referenzwerten für die Abstandsplättchen (30).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei den Laserbarren um GaAs-Laserbarren handelt, das Abstandsplättchen (30) aus einem dotierten GaAs-Halbleitermaterial besteht und wobei die Dotierung des Abstandsplättchens (30) maximal so hoch gewählt ist, dass das Abstandsplättchen (30) energetisch unterhalb der GaAs-Bandkante (80) im Spektralbereich von etwa 900 nm bis etwa 1200 nm gerade noch transparent ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Probestrahlung aus einem Spektralbereichsfenster zwischen 620 nm und 1200 nm ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei während des Aufbringens einer Schutzbeschichtung die exakte Schichtdicke durch eine zweite Reflexionsmessung im kurzwelligen Teil des Spektralbereichsfensters bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Probestrahlung mindestens den Spektralbereich um die Bandkante (80) abdeckt, vorzugsweise den Bereich von 10% bis 90% des Bandkantensprungs (82).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Einfallswinkel für das Einstrahlen der Probestrahlung (50) an der ersten Facette (40) zwischen 0 Grad und 10 Grad gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Einfallswinkel für das Einstrahlen der Probestrahlung (50) an der ersten Facette (40) derart gewählt wird, dass die Reflektion an der ersten Facette (40) minimiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Einfallswinkel und der Detektionswinkel derart gewählt werden, dass die Signatur der Bandkante (80) im aufgenommenen Reflexionsspektrum relativ zur reinen Oberflächenreflexion der ersten Facette (40) maximal wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Berücksichtigung einer Verschiebung der Bandkantenstruktur während einer Facettenbeschichtung dünnschicht-optische Korrekturformeln mit schichtdicken-abhängigen Korrekturparametern bei der Bestimmung der Temperatur des Abstandsplättchens (30) genutzt werden.
Spektral-Reflexionsmesssystem für die Verwendung in einem Verfahren zur in-situ Temperaturbestimmung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend: - ein optisches System zur spektralen Detektion einer vom Abstandsplättchen (30) ein- und ausgekoppelten Probestrahlung (50, 52), wobei das optische System zur spektralen Detektion sowie zur entsprechenden Ein- und Auskopplung von Probestrahlung ausgebildet ist; und - eine Lichtquelle zur Emission von Probestrahlung aus einem Spektralbereichsfenster zwischen 620 nm und 1200 nm; wobei das Spektral-Reflexionsmesssystem dazu eingerichtet ist, während des Aufbringens der Schutzbeschichtung die exakte Schichtdicke durch eine zweite Reflexionsmessung im kurzwelligen Teil des Spektralbereichsfensters bestimmt wird und zur Berücksichtigung einer Verschiebung der Bandkantenstruktur während einer Facettenbeschichtung dünnschicht-optische Korrekturformeln mit schichtdicken-abhängigen Korrekturparametern bei der Bestimmung der Temperatur des Abstandsplättchens (30) genutzt werden.