DE102021130775A1 - OPTOELECTRONIC DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING OPTOELECTRONIC DEVICE - Google Patents
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Abstract
Ein optoelektronisches Bauelement umfasst eine Stapelanordnung, welche einen photonischen Kristall (1) und ein Verstärkungsmedium (2) aufweist. Dabei umfasst das Verstärkungsmedium (2) eine Halbleiterschichtenfolge (20) mit zumindest einer ersten Halbleiterschicht (21), einer aktiven Schicht (22) und einer zweiten Halbleiterschicht (23). Der photonische Kristall (1) ist elektromagnetisch mit dem Verstärkungsmedium (2) gekoppelt. Die Stapelanordnung ist auf einem Substrat (3) angeordnet. Eine Verkapselungsschicht (4) ist zwischen dem Substrat (3) und dem Verstärkungsmedium (2) angeordnet.An optoelectronic component comprises a stack arrangement which has a photonic crystal (1) and an amplification medium (2). The gain medium (2) comprises a semiconductor layer sequence (20) with at least a first semiconductor layer (21), an active layer (22) and a second semiconductor layer (23). The photonic crystal (1) is electromagnetically coupled to the gain medium (2). The stacked arrangement is arranged on a substrate (3). An encapsulation layer (4) is arranged between the substrate (3) and the gain medium (2).
Description
Es werden ein optoelektronisches Bauelement und ein Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Bauelements beschrieben.An optoelectronic component and a method for producing an optoelectronic component are described.
Halbleiterlaser finden aufgrund ihrer geringen Größe und ihrem Leistungsspektrum eine Vielzahl von Anwendungen, beispielsweise in integrierten Sensorlösungen. Halbleiterlaser können generell in zwei Klassen eingeteilt werden: Kantenemittierende Laser (englisch: edge-emitting laser), bei denen sich das Laserlicht parallel zu einer Waferoberfläche des Halbleiterchips ausbreitet und an einer gespaltenen Kante reflektiert oder ausgekoppelt wird, und oberflächenemittierende Laser (englisch: Surface-emitting lasers), bei denen sich das Licht senkrecht zur Halbleiter-Wafer-Oberfläche ausbreitet.Due to their small size and power spectrum, semiconductor lasers are used in a wide range of applications, for example in integrated sensor solutions. Semiconductor lasers can generally be divided into two classes: edge-emitting lasers, in which the laser light propagates parallel to a wafer surface of the semiconductor chip and is reflected or coupled out at a split edge, and surface-emitting lasers emitting lasers) in which the light propagates perpendicularly to the semiconductor wafer surface.
Eine Kategorie von oberflächenemittierenden Lasern, ist so eingerichtet, dass sich Laserlicht im Wesentlichen in einer Kavität entlang der Waferoberfläche ausbreitet (englisch: inplane laser). Eine Realisierung dieses Lasertyps ist der oberflächenemittierende photonische Kristall-Laser (englisch: Photonic Crystal Surface-Emitting Laser, kurz: PCSEL), bei dem ein in einer Ebene liegender Laserresonator mit einer photonischen Kristallstruktur realisiert wird. Die gleiche Struktur reflektiert auch einen Teil des Lichts, um den Ausgangsstrahl zu bilden. Hier kann ein Einzelfrequenzbetrieb erreicht werden, was zum Beispiel für Anwendungen in der 3D-Sensorik und der optischen Datenübertragung vorteilhaft sein kann.One category of surface-emitting lasers is set up so that laser light propagates essentially in a cavity along the wafer surface (English: in-plane laser). A realization of this type of laser is the surface-emitting photonic crystal laser (English: Photonic Crystal Surface-Emitting Laser, abbreviated: PCSEL), in which a laser resonator lying in one plane is realized with a photonic crystal structure. The same structure also reflects part of the light to form the output beam. Single-frequency operation can be achieved here, which can be advantageous for applications in 3D sensor technology and optical data transmission, for example.
Oberflächenemittierende Photonische Kristall-Laser, oder PCSELs, lassen sich beispielsweise durch Stapelanordnungen funktionaler Schichten realisieren. Derzeit werden PCSEL durch Aufwachsen und Ätzen von photonischen Kristallstrukturen zum Beispiel in p-AlGaAs hergestellt. Dies hat mehrere Nachteile, wie etwa eine geringe Mobilität in p-AlGaAs, erforderliche hochreflektierende Reflektoren (DBRs, Distributed Bragg reflectors) auf der n-dotierten Seite und thermische Probleme durch Substrate wie ein GaAs-Substrat.Surface-emitting photonic crystal lasers, or PCSELs, can be realized, for example, by stacking functional layers. Currently, PCSELs are fabricated by growing and etching photonic crystal structures in, for example, p-AlGaAs. This has several disadvantages, such as low mobility in p-AlGaAs, required highly reflective reflectors (DBRs, Distributed Bragg reflectors) on the n-doped side, and thermal problems from substrates such as a GaAs substrate.
Eine Aufgabe ist es, ein optoelektronisches Bauelement und ein Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Bauelements anzugeben, die eine einfachere Herstellung und verbesserte Lasercharakteristik erlauben.One object is to specify an optoelectronic component and a method for producing an optoelectronic component which allow simpler production and improved laser characteristics.
Diese Aufgaben werden durch das optoelektronische Bauelement und dem Laser gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weitere Ausgestaltungen des optoelektronischen Bauelements und des Verfahrens zur Herstellung des optoelektronischen Bauelements sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.These objects are solved by the optoelectronic component and the laser according to the independent claims. Further configurations of the optoelectronic component and of the method for producing the optoelectronic component are the subject matter of the dependent claims.
Dem Folgenden wird zugrunde gelegt, dass jedes in Bezug auf eine beliebige Ausführungsform beschriebene Merkmal allein oder in Kombination mit anderen im Weiteren beschriebenen Merkmalen verwendet werden kann und auch in Kombination mit einem oder mehreren Merkmalen einer beliebigen anderen Ausführungsform oder einer beliebigen Kombination einer anderen Ausführungsform verwendet werden kann, sofern dies nicht als Alternative beschrieben ist. Darüber hinaus können auch Äquivalente und Modifikationen, die nachstehend nicht beschrieben sind, verwendet werden, ohne vom Anwendungsbereich des vorgeschlagenen optoelektronischen Bauelements und dem Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Bauelements abzuweichen, die in den begleitenden Ansprüchen definiert sind.In the following, it is assumed that each feature described in relation to any embodiment can be used alone or in combination with other features described below and also used in combination with one or more features of any other embodiment or any combination of another embodiment unless this is described as an alternative. Furthermore, equivalents and modifications not described below can also be used without departing from the scope of the proposed optoelectronic device and the method for manufacturing an optoelectronic device defined in the accompanying claims.
Im Folgenden wird ein verbessertes Konzept auf dem Gebiet optischer Bauelemente, insbesondere von Halbleiterlasern vorgestellt.An improved concept in the field of optical components, in particular semiconductor lasers, is presented below.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein optoelektronisches Bauelement eine Stapelanordnung. Die Stapelanordnung weist einen photonischen Kristall und ein Verstärkungsmedium auf. Dabei umfasst das Verstärkungsmedium eine Halbleiterschichtenfolge mit zumindest einer ersten Halbleiterschicht, einer aktiven Schicht und einer zweiten Halbleiterschicht. Der photonische Kristall ist elektromagnetisch mit dem Verstärkungsmedium gekoppelt. Die Stapelanordnung ist auf einem Substrat angeordnet. Dabei ist eine Verkapselungsschicht zwischen dem Substrat und der Stapelanordnung angeordnet.According to one embodiment, an optoelectronic component includes a stacked arrangement. The stacked assembly includes a photonic crystal and a gain medium. In this case, the gain medium comprises a semiconductor layer sequence having at least a first semiconductor layer, an active layer and a second semiconductor layer. The photonic crystal is electromagnetically coupled to the gain medium. The stacked arrangement is arranged on a substrate. In this case, an encapsulation layer is arranged between the substrate and the stack arrangement.
Die Verkapselungsschicht ist beispielsweise eine Dünnschicht oder ein Dünnschichtfilm, die durch eine Dünnschichttechnik (englisch: thin film) auf dem Verstärkungsmedium und/oder dem Substrat strukturiert wurde. Die Verkapselungsschicht ist gewissermaßen eine Prozessschicht, die aus der Herstellung des optoelektronischen Bauelements resultiert. Durch ihren Einsatz wird eine vorteilhafte Schichtenfolge in der Halbleiterschichtenfolge ermöglicht, mit der eine verbesserte Lasercharakteristik möglich wird. Die Verkapselungsschicht trennt während der Herstellung die Halbleiterschichtenfolge und/oder das Substrat von der Umgebung und schütz diese vor Umwelteinflüssen.The encapsulation layer is, for example, a thin layer or a thin film which has been structured on the gain medium and/or the substrate by a thin film technique. To a certain extent, the encapsulation layer is a process layer that results from the production of the optoelectronic component. Their use enables an advantageous layer sequence in the semiconductor layer sequence, with which an improved laser characteristic becomes possible. During production, the encapsulation layer separates the semiconductor layer sequence and/or the substrate from the environment and protects it from environmental influences.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die erste Halbleiterschicht zumindest eine p-dotierte Halbleiterschicht. Die zweite Halbleiterschicht umfasst zumindest eine n-dotierte Halbleiterschicht.In accordance with at least one embodiment, the first semiconductor layer comprises at least one p-doped semiconductor layer. The second semiconductor layer includes at least one n-doped semiconductor layer.
Insbesondere ist die n-dotierte Halbleiterschicht dem photonischen Kristall zugewandt oder umfasst diesen. Beispielsweise weisen der photonische Kristall und die zweite Halbleiterschicht dasselbe Halbleitermaterial auf. Dies hat unter anderem den Vorteil höherer Mobilität als im Vergleich zur p-dotierte Halbleiterschicht. Die vorgestellte Abfolge von n-dotierter Halbleiterschicht und p-dotierter Halbleiterschicht wird durch die Verkapselungsschicht möglich.In particular, the n-doped semiconductor layer faces or encompasses the photonic crystal. For example, the photonic crystal and the second semiconductor layer have the same semiconductor material. Among other things, this has the advantage of higher mobility compared to the p-doped semiconductor layer. The presented sequence of n-doped semiconductor layer and p-doped semiconductor layer is made possible by the encapsulation layer.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die aktive Schicht eine Mehrfachquantentopfstruktur. Diese Quantentöpfe sind ein aktives Medium und dazu eingerichtet, bei geeigneter Anregung, elektromagnetische Wellen durch stimulierte Emission zu emittieren.According to at least one embodiment, the active layer comprises a multiple quantum well structure. These quantum wells are an active medium and are designed to emit electromagnetic waves through stimulated emission when suitably excited.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Verkapselungsschicht eingerichtet, die Stapelanordnung elektrisch leitend mit dem Substrat zu verbinden. Neben der Verkapselung von Halbleiterschichtenfolge und/oder Substrat ermöglicht die Verkapselung durch geeignete Strukturierung eine Kontaktierung über das Substrat.In accordance with at least one embodiment, the encapsulation layer is set up to electrically conductively connect the stacked arrangement to the substrate. In addition to the encapsulation of the semiconductor layer sequence and/or substrate, the encapsulation enables contacting via the substrate by means of suitable structuring.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist wenigstens eine Metallschicht in die Verkapselungsschicht strukturiert. Die Metallschicht vermittelt den elektrischen Kontakt über das Substrat.In accordance with at least one embodiment, at least one metal layer is structured into the encapsulation layer. The metal layer mediates the electrical contact via the substrate.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist ein Übergitter, welches eine Schichtenfolge von dünnen Schichten umfasst, die sich periodisch wiederholen, auf der photonischen Kristallstruktur angeordnet. Das Übergitter stellt eine planare Oberfläche bereit und reduziert den Einfluss möglicher Störstellen auf den Betrieb des optoelektronischen Bauelements, insbesondere als Laser.According to at least one embodiment, a superlattice, which comprises a layer sequence of thin layers that repeat periodically, is arranged on the photonic crystal structure. The superlattice provides a planar surface and reduces the influence of possible defects on the operation of the optoelectronic component, in particular as a laser.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Element eine erste teilweise Verkapselungsschicht mit einer ersten Metallschicht auf der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge. Zudem umfasst die Verkapselungsschicht eine zweite teilweise Verkapselungsschicht mit einer zweiten Metallschicht auf dem Substrat. Dabei ist das Verstärkungsmedium so auf dem Substrat montiert, dass die teilweisen Verkapselungsschichten die Verkapselungsschicht formen und die Metallschichten aufeinander zu liegen kommen und so die Metallschicht formen.In accordance with at least one embodiment, the optoelectronic element comprises a first partial encapsulation layer with a first metal layer on the epitaxial semiconductor layer sequence. In addition, the encapsulation layer comprises a second partial encapsulation layer with a second metal layer on the substrate. The gain medium is mounted on the substrate in such a way that the partial encapsulation layers form the encapsulation layer and the metal layers come to lie on top of one another and thus form the metal layer.
Die teilweisen Verkapselungsschichten können weilweise nur auf dem Substrat oder nur auf der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge abgeschieden werden. Mit Vorteil können teilweise Verkapselungsschichten sowohl auf dem Substrat und auf der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge abgeschieden werden. Durch Montage der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge auf dem Substrat wird schließlich die Verkapselungsschicht geformt.The partial encapsulation layers can sometimes be deposited only on the substrate or only on the epitaxial semiconductor layer sequence. Partial encapsulation layers can advantageously be deposited both on the substrate and on the epitaxial semiconductor layer sequence. Finally, the encapsulation layer is formed by mounting the epitaxial semiconductor layer sequence on the substrate.
Es wird weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Bauelements angegeben. Sämtliche für das optoelektronische Bauelement offenbarten Merkmale sind auch für das Verfahren offenbart, und umgekehrt.A method for producing an optoelectronic component is also specified. All features disclosed for the optoelectronic component are also disclosed for the method, and vice versa.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Bauelements die folgenden Schritte. Zunächst wird ein Verstärkungsmedium mit einer epitaktischen Halbleiterschichtenfolge mit zumindest einer ersten Halbleiterschicht, einer aktiven Schicht und einer zweiten Halbleiterschicht auf einem Hilfsträger bereitgestellt. In der Folge wird eine Verkapselungsschicht auf dem Substrat und/oder auf der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge abgeschieden. Das Verstärkungsmedium wird auf dem Substrat montiert, sodass die Verkapselungsschicht zwischen dem Substrat und der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge angeordnet ist. Schließlich wird der Hilfsträger entfernt.In accordance with at least one embodiment, a method for producing an optoelectronic component includes the following steps. First, an amplification medium with an epitaxial semiconductor layer sequence with at least a first semiconductor layer, an active layer and a second semiconductor layer is provided on an auxiliary carrier. As a result, an encapsulation layer is deposited on the substrate and/or on the epitaxial semiconductor layer sequence. The gain medium is mounted on the substrate such that the encapsulation layer is arranged between the substrate and the epitaxial semiconductor layer sequence. Finally, the auxiliary carrier is removed.
Die Verkapselungsschicht ist beispielsweise eine Dünnschicht oder ein Dünnschichtfilm, die durch eine Dünnschichttechnik (englisch: thin film) auf dem Verstärkungsmedium und/oder dem Substrat strukturiert wurde. Die Verkapselungsschicht ermöglicht eine vorteilhafte Schichtenfolge in der Halbleiterschichtenfolge, mit der eine verbesserte Lasercharakteristik möglich wird. Die Verkapselungsschicht trennt während der Herstellung die Halbleiterschichtenfolge und/oder das Substrat von der Umgebung und schütz diese vor Umwelteinflüssen.The encapsulation layer is, for example, a thin layer or a thin film which has been structured on the gain medium and/or the substrate by a thin film technique. The encapsulation layer enables an advantageous layer sequence in the semiconductor layer sequence, with which an improved laser characteristic becomes possible. During production, the encapsulation layer separates the semiconductor layer sequence and/or the substrate from the environment and protects it from environmental influences.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird eine Metallschicht in die Verkapselungsschicht strukturiert. Die Metallschicht ermöglicht eine elektrische Verbindung zwischen Substrat und Halbleiterschichtenfolge.According to at least one embodiment, a metal layer is patterned into the encapsulation layer. The metal layer enables an electrical connection between the substrate and the semiconductor layer sequence.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird eine erste teilweise Verkapselungsschicht mit einer ersten Metallschicht auf der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge abgeschieden. Eine zweite teilweise Verkapselungsschicht mit einer zweiten Metallschicht wird auf dem Substrat abgeschieden. Das Verstärkungsmedium wird so auf dem Substrat montiert, dass die teilweisen Verkapselungsschichten die Verkapselungsschicht formen und die Metallschichten aufeinander zu liegen kommen und so die Metallschicht formen.In accordance with at least one embodiment, a first partial encapsulation layer having a first metal layer is deposited on the epitaxial semiconductor layer sequence. A second partial encapsulation layer with a second metal layer is deposited on the substrate. The gain medium is mounted on the substrate such that the partial encapsulation layers form the encapsulation layer and the metal layers overlie one another to form the metal layer.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird auf der ersten und/oder der zweiten Metallschicht eine Sperrschicht abgeschieden.According to at least one embodiment, a barrier layer is deposited on the first and/or the second metal layer.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die teilweisen Verkapselungsschichten unterschiedliche Höhenprofile auf. Durch die unterschiedlichen Höhenprofile kann die Montage der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge auf dem Substrat geführt werden. Beispielsweise können die Verkapselungsschichten mit zueinander inversen Höhenprofilen strukturiert werden, so dass sie die Montage gewissermaßen selbstzentrieren.According to at least one embodiment, the partial encapsulation layers have different height profiles. The mounting of the epitaxial semiconductor layer sequence on the substrate can be guided by the different height profiles. For example, the encapsulation layers can be structured with height profiles that are inverse to one another, so that they self-center the assembly to a certain extent.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird ein photonischer Kristall in die epitaktische Halbleiterschichtenfolge nachgewachsen nachdem die Verkapselungsschicht zwischen dem Substrat und der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge angeordnet wurde. Die auf dem Substrat montierte epitaktische Halbleiterschichtenfolge kann in der Folge weiter prozessiert werden. Insbesondere wird dazu der Hilfsträger entfernt. Dies eröffnet die zweite Halbleiterschicht für weitere Prozessschritte, was in bisherigen Verfahren nicht möglich war. So kann beispielsweise der photonische Kristall in die zweite Halbleiterschicht strukturiert, insbesondere nachgewachsen werden.In accordance with at least one embodiment, a photonic crystal is regrown into the epitaxial semiconductor layer sequence after the encapsulation layer has been arranged between the substrate and the epitaxial semiconductor layer sequence. The epitaxial semiconductor layer sequence mounted on the substrate can subsequently be further processed. In particular, the auxiliary carrier is removed for this purpose. This opens up the second semiconductor layer for further process steps, which was not possible with previous methods. For example, the photonic crystal can be structured into the second semiconductor layer, in particular regrown.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die Verfahrensschritte auf Waferebene durchgeführt und so parallel eine Vielzahl von optoelektronischen Bauelementen mit der Verkapselungsschicht versehen. Schließlich wird der Wafer in einzelne optoelektronische Bauelemente vereinzelt. Alternativ können die Verfahrensschritte mit wenigstens einem vereinzelten optoelektronischen Bauelement durchgeführt werden.In accordance with at least one embodiment, the method steps are carried out at the wafer level and a multiplicity of optoelectronic components are thus provided with the encapsulation layer in parallel. Finally, the wafer is separated into individual optoelectronic components. Alternatively, the method steps can be carried out with at least one isolated optoelectronic component.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird ein Übergitter, welches eine Schichtenfolge von dünnen Schichten umfasst, die sich periodisch wiederholen, auf der photonischen Kristallstruktur angeordnet.According to at least one embodiment, a superlattice, which comprises a layer sequence of thin layers that repeat periodically, is arranged on the photonic crystal structure.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des optoelektronischen Bauelements sowie des Verfahrens zum Herstellen des optoelektronischen Bauelements ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.Further advantageous embodiments and developments of the optoelectronic component and the method for producing the optoelectronic component result from the exemplary embodiments described below in connection with the figures.
Es zeigen:
-
1 eine beispielhafte Ausführungsform eines optoelektronischen Bauelements, -
2 eine beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen eines optoelektronischen Bauelements, -
3A ,3B jeweils beispielhafte Ausführungsformen des zweiten Verfahrensabschnitts, -
4 eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines optoelektronischen Bauelements, und -
5 eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines optoelektronischen Bauelements.
-
1 an exemplary embodiment of an optoelectronic component, -
2 an exemplary embodiment of a method for producing an optoelectronic component, -
3A ,3B respective exemplary embodiments of the second method section, -
4 a further exemplary embodiment of an optoelectronic component, and -
5 a further exemplary embodiment of an optoelectronic component.
Der photonische Kristall 1 umfasst beispielsweise eine dünne Schicht aus Halbleitermaterial, zum Beispiel Galliumarsenid, GaAs, Galliumnitrid, GaN, oder Indiumphosphid, InP, welches für eine zu emittierende elektromagnetische Welle transparent, d.h. nicht oder nur wenig absorbierend ist. Die zu emittierende elektromagnetische Welle liegt beispielsweise im Infrarot, IR, Ultravioletten, UV, oder im Sichtbaren, VIS, Teil des elektromagnetischen Spektrums. Der photonische Kristall umfasst eine photonische Struktur 11, die eine periodische Struktur des Brechungsindex darstellt und es ermöglicht, elektromagnetische Wellen durch optische Prozesse, wie Beugung und Interferenz zu führen, zu filtern und/oder wellenlängenselektiv zu reflektieren. Die periodische photonische Struktur bestimmt bzw. definiert beispielsweise Emissionsrichtung, Wellenlänge und Divergenz der mit dem optoelektronischen Bauelement emittierbaren elektromagnetischen Welle.The photonic crystal 1 comprises, for example, a thin layer of semiconductor material, for example gallium arsenide, GaAs, gallium nitride, GaN, or indium phosphide, InP, which is transparent to an electromagnetic wave to be emitted, i.e. is not or only slightly absorbing. The electromagnetic wave to be emitted is, for example, in the infrared, IR, ultraviolet, UV, or visible, VIS, part of the electromagnetic spectrum. The photonic crystal comprises a photonic structure 11, which represents a periodic structure of the refractive index and makes it possible to guide, filter and/or reflect wavelength-selectively electromagnetic waves through optical processes such as diffraction and interference. The periodic photonic structure determines or defines, for example, the emission direction, wavelength and divergence of the electromagnetic wave that can be emitted with the optoelectronic component.
Die photonische Struktur 11 umfasst ein- oder zweidimensional angeordnete Strukturelemente 12 (englisch: voids), die so in einem Muster (z. B. ein quadratisches oder dreieckiges Muster) angeordnet sind, dass sie die photonische Struktur bilden, die sich über eine bestimmte Richtung oder Fläche erstreckt. Die Strukturelemente können Luftlöcher oder dielektrisches Material aufweisen. Als zweidimensionale photonische Struktur, fungiert diese gewissermaßen als lateraler Hohlraum. Beispielsweise ist die photonische Struktur durch Abstand (englisch: pitch) der Strukturelemente untereinander bzw. deren Füllfaktoren, und anderen Parametern charakterisiert. In der Zeichnung ist die Ausdehnung des photonischen Kristalls in einer Ebene nicht dargestellt. Es ergibt sich beispielsweise eine zweidimensionale Verteilung der periodischen photonischen Struktur. Grundsätzlich kann sich der photonische Kristall 1 aber auch entlang einer Richtung erstrecken, so dass sich eine eindimensionale Verteilung der periodischen photonische Struktur ergibt.The photonic structure 11 comprises one- or two-dimensionally arranged structure elements 12 (voids), which are arranged in a pattern (eg a square or triangular pattern) in such a way that they form the photonic structure, which extends over a certain direction or area extends. The structural elements may include air holes or dielectric material. As a two-dimensional photonic structure, it functions as a kind of lateral cavity. For example, the photonic structure is characterized by the distance (pitch) between the structural elements and their filling factors, and other parameters. In the drawing, the expansion of the photonic crystal in one plane is not shown. A two-dimensional distribution of the periodic photonic structure results, for example. In principle, however, the photonic crystal 1 can also extend in one direction, resulting in a one-dimensional distribution of the periodic photonic structure.
Das Verstärkungsmedium 2 umfasst eine epitaktische Halbleiterschichtenfolge 20 mit einer ersten Halbleiterschicht 21, einer aktiven Schicht 22 und einer zweiten Halbleiterschicht 23. Dabei weist die erste Halbleiterschicht eine p-dotierte Halbleiterschicht und die zweite Halbleiterschicht eine n-dotierte Halbleiterschicht auf. Beispielsweise umfassen die p-dotierte Halbleiterschicht P-AlGaAs und die n-dotierte Halbleiterschicht N-AlGaAs. Die aktive Schicht umfasst eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (englisch: quantum wells). Diese Quantentöpfe sind ein aktives Medium und dazu eingerichtet, bei geeigneter Anregung, elektromagnetische Wellen durch stimulierte Emission zu emittieren. Die aktive Schicht ist in der Halbleiterschichtenfolge zwischen der ersten und zweiten Halbleiterschicht angeordnet.The
In der ersten Halbleiterschicht 21 ist zudem ein Bragg-Spiegel 24 (abgekürzt DBR von englisch distributed Bragg reflector) strukturiert. Der Bragg-Spiegel umfasst eine Schichtenfolge aus alternierenden, dünnen Schichten unterschiedlicher Brechungsindizes, beispielsweise Schichten aus Dielektrika.In addition, a Bragg mirror 24 (abbreviated to DBR for distributed Bragg reflector) is structured in the
Die Halbleiterschichtenfolge 20 des Verstärkungsmediums 2 bildet einen gemeinsamen Wellenleiter, der gewissermaßen durch zwei Begrenzungsschichten begrenzt ist. Das Verstärkungsmedium 2 wird zum einen durch den photonischen Kristall 1 begrenzt. Zum anderen ist das Verstärkungsmedium durch die Verkapselungsschicht 4 zwischen dem Substrat 3 und der Halbleiterschichtenfolge begrenzt.The semiconductor layer sequence 20 of the
Das Substrat 3 umfasst beispielsweise Galliumarsenid GaAs, Silizium, Germanium oder Saphir oder besteht aus Galliumarsenid, Silizium, Germanium oder Saphir. Insbesondere ist das Substrat transparent für solche elektromagnetische Strahlung, die durch stimulierte Emission mittels der aktiven Schicht 22 der Halbleiterschichtenfolge 20 generiert wird. Transparent bedeutet hier und im Folgenden, dass zumindest 80%, bevorzugt zumindest 90%, der in das Substrat einkoppelten elektromagnetischen Strahlung durch das Substrat transmittiert wird.The
Die Verkapselungsschicht 4 ist eine Dünnschicht oder ein Dünnschichtfilm, die durch eine Dünnschichttechnik (englisch: thin film) auf dem Verstärkungsmedium 2 und/oder dem Substrat 3 strukturiert wurde. Die Verkapselungsschicht ist gewissermaßen eine Prozessschicht, die aus dem hier vorgeschlagenen Herstellungsverfahren resultiert. Des Weiteren ist eine Metallschicht 41 in die Verkapselungsschicht strukturiert. Die Verkapselungsschicht umfasst beispielsweise dielektrisches Material wie SiOx, AlOx, SiNx oder gesputtertes Silizium. Die Metallschicht ist eingerichtet, das Verstärkungsmedium mit dem Substrat elektronisch leitend zu verbinden, beispielweise, wenn das optoelektronische Bauelement von der Substratseite aus kontaktiert werden soll. Dazu kann auf dem Substrat eine erste Elektrode ausgebildet sein, zum Beispiel ein p-Kontakt (in der Abbildung nicht gezeigt).The
Auf dem photonischen Kristall 1 ist ferner eine zweite Elektrode 13 angeordnet, zum Beispiel ein n-Kontakt. Die Elektrode umfasst beispielsweise ein für die zu emittierende elektromagnetische Welle reflektives Material (zum Beispiel Au oder Al). Optional kann die Elektrode wie hier dargestellt von einem Isolator umfasst sein, der in Form einer Apertur 14 ausgestaltet ist, um eine Stromöffnung bereitzustellen.A
Der photonische Kristall 1 ist elektromagnetisch mit dem Verstärkungsmedium 2 gekoppelt. Der Begriff „elektromagnetisch gekoppelt“ bezeichnet eine räumliche Nähe, die im Betrieb des optoelektronischen Bauelements (beispielsweise als Laser) dazu führt, dass sich zwischen photonischem Kristall und der aktiven Schicht 22 (zum Beispiel Mehrfach-Quantentopfstruktur) ein evaneszentes Feld ausbildet.The photonic crystal 1 is electromagnetically coupled to the
Mittels der beiden Elektroden kann das optoelektronische Bauelement zu stimulierter Emission und zur Emission elektromagnetischer Welle als Laserstrahlung angeregt werden. Die Laserverstärkung durch stimulierte Emission kann so durch Kopplung der photonischen Struktur 11 mit der aktiven Schicht 22 (Mehrfach-Quantentopfstruktur) unterhalb der photonischen Schicht innerhalb der evaneszenten Felder erreicht werden. Der Bragg-Spiegel 24 unterstützt dabei durch Reflektion der Laserstrahlung die Emission auf der Seite des photonischen Kristalls und durch die Apertur 14. Dies ist in der Abbildung mit einem Pfeil angedeutet.The optoelectronic component can be excited to stimulated emission and to emit electromagnetic waves as laser radiation by means of the two electrodes. Laser amplification by stimulated emission can thus be achieved by coupling the photonic structure 11 to the active layer 22 (multiple quantum well structure) below the photonic layer within the evanescent fields. The
In einem ersten Verfahrensabschnitt wird auf einem Hilfsträger 5 das Verstärkungsmedium 2 aufgewachsen. Dies erfolgt durch epitaktisches Aufwachsen der Halbleiterschichtenfolge 20. Dazu wird zunächst die zweite Halbleiterschicht 23, insbesondere als n-dotierte Halbleiterschicht aufgewachsen. In der Folge wird die aktive Schicht 22 und schließlich die erste Halbleiterschicht 21, insbesondere als p-dotierte Halbleiterschicht, aufgewachsen. In dieser beispielhaften Ausführungsform wird zudem der Bragg-Spiegel 24 in die erste Halbleiterschicht 21 strukturiert.In a first step of the method, the
In einem zweiten Verfahrensabschnitt wird die Verkapselungsschicht 2 durch eine Dünnschichttechnik aufgebracht. Die Verkapselungsschicht kann auf dem Verstärkungsmedium 2 (der ersten Halbleiterschicht bzw. dem Bragg-Spiegel) und/oder dem Substrat 3 strukturiert werden. Beispielsweise wird eine erste teilweise Verkapselungsschicht 42 auf dem Verstärkungsmedium und eine zweite teilweise Verkapselungsschicht 43 auf dem Substrat strukturiert. In der Folge wird das Substrat auf dem Verstärkungsmedium montiert (auf der Seite der ersten Halbleiterschicht bzw. dem Bragg-Spiegel). Weitere Details sind der folgenden Beschreibung der
Im zweiten Verfahrensschritt wird zudem der Hilfsträger 5 entfernt und somit die zweite Halbleiterschicht 23, beispielsweise n-dotierte Halbleiterschicht, als äußere Schicht der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 20 freigelegt. Das Verstärkungsmedium mit der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge ist nunmehr auf dem Substrat angeordnet. Der Hilfsträger kann mechanisch entfernt werden, beispielsweise mittels Grinding und Polishing (z.B. CMP) oder Trockenätzen mittels Plasmaprozessen bis zu einer Zieltiefe.In the second method step, the
In einem dritten Verfahrensabschnitt wird das Verstärkungsmedium 2 strukturiert. Dazu werden in die zweite, gewissermaßen freiliegende, Halbleiterschicht 23, beispielsweise die n-dotierte Halbleiterschicht, Strukturelemente 12 geätzt (englisch: etching). Die Strukturelemente werden beispielsweise ein- oder zweidimensional angeordnet und formen so die photonische Struktur 11.In a third method step, the
In einem vierten Verfahrensabschnitt wird die photonische Struktur 11 mit dem Material der zweiten Halbleiterschicht nachgewachsen (englisch: lateral overgrowth / regrowth). Auf diese Weise wird schließlich der photonische Kristall geformt. Wie in der folgenden Beschreibung der
In einem fünften Verfahrensabschnitt wird eine Elektrode 13 auf dem photonische Kristall 1 angeordnet. Die Elektrode ist zum Beispiel ein n-Kontakt. Die Elektrode umfasst beispielsweise ein für die zu emittierende elektromagnetische Welle reflektives Material (zum Beispiel Au oder Al). Optional kann die Elektrode wie hier dargestellt von einem Isolator umfasst sein, der in Form einer Apertur 14 ausgestaltet ist, um eine Stromöffnung bereitzustellen. Für die Apertur kann schon im dritten Verfahrensabschnitt die zweite Halbleiterschicht durch Ätzen strukturiert werden oder, alternativ, in diesem fünften Verfahrensabschnitt.An
Optional kann eine Antireflexionsschicht, beispielsweise auf dem Substrat, angeordnet werden (nicht gezeigt).Optionally, an antireflection layer can be arranged, for example on the substrate (not shown).
Die
Die in den oben erwähnten Teilschritten mit teilweisen Verkapselungschichten 42, 43 versehen Komponenten, also Substrat 3 und Verstärkungsmedium 2, werden in einem weiteren Teilschritt miteinander verbunden. Dabei kommen die beiden teilweisen Metallschichten aufeinander zu liegen und werden verbunden. Dadurch entsteht schließlich die Verkapselungschicht. Zudem wird ein Bereich hergestellt, der die beiden teilweisen Metallschichten 44, 45 zu einer Metallschicht 41 verbindet. Diese Metallschicht ist elektrisch leitend und verbindet so das Verstärkungsmedium bzw. die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 20 mit dem Substrat.The components provided with partial encapsulation layers 42, 43 in the sub-steps mentioned above,
Die teilweisen Verkapselungschichten 42, 43 verkapseln während des Prozessablaufes das Substrat 3 und das Verstärkungsmedium 2 vor Umwelteinflüssen. Dadurch ist es möglich, die beiden Komponenten in einem Reaktor oder Wafer-Prozess zu prozessieren ohne Verunreinigungen oder Störstellen zu erlauben. Die Verkapselungschicht umfasst beispielsweise dielektrische Material, wie etwa SiOx, AlOx, SiNx, AlNx, (gesputtertes) Si oder hochschmelzendes Punktmetall (englisch: point metal) wie Md oder Wolfram. Die Metallschicht umfasst beispielsweise Au, Al oder InX. Die Metallschicht kann beispielsweise mit der Dünnschichttechnik so in der Verkapselungschicht strukturiert werden, dass sie im Wesentlichen eine laterale Ausdehnung entsprechend der Apertur 14 aufweist. Die laterale Ausdehnung der Metallschicht kann alterativ der Ausdehnung des Substrats oder Wafers entsprechen. In solchen Fällen kann die Metallschicht auch ohne weitere dielektrische Verkapselungsmaterialen abgeschieden werden und bildet so die Verkapselungschicht.The partial encapsulation layers 42, 43 encapsulate the
Zudem können die teilweisen Verkapselungschichten 42, 43 mit unterschiedlichem Höhenprofil abgeschieden werden. In der Abbildung sind beispielsweise zwei Höhenprofile dargestellt, die zudem im Wesentlichen invers zueinander sind. Zudem können die Größen, beispielsweise die jeweilige laterale Ausdehnung der teilweisen Metallschichten 44, 45 unterschiedlich sein. Auf diese Weise kann bei der Verbindung der teilweisen Verkapselungschichten 42, 43 zur Verkapselungschicht 4 gewissermaßen eine Selbstzentrierung genutzt werden. So können aufwendige Justageschritte vermieden oder reduziert werden.In addition, the partial encapsulation layers 42, 43 can be deposited with different height profiles. The figure shows two height profiles, for example, which are also essentially inverse to one another. In addition, the sizes, for example the respective lateral extension of the
Das hier vorgestellte Verfahren kann auf Waferebene durchgeführt werden und so parallel eine Vielzahl von optoelektronischen Bauelementen mit der Verkapselungssschicht versehen. Im Anschluss kann der Wafer in einzelne optoelektronische Bauelemente vereinzelt werden. Alternativ kann das Verfahren mit schon vereinzelten optoelektronischen Bauelementen durchgeführt werden.The method presented here can be carried out at the wafer level and thus provide a large number of optoelectronic components with the encapsulation layer in parallel. The wafer can then be separated into individual optoelectronic components. Alternatively, the method can be carried out with optoelectronic components that have already been separated.
Der Rand 31 des Wafers kann mit einer weiteren Verkapselungsschicht versehen werden, um den Wafer oder die optoelektronischen Bauelemente zu verkapseln. Diese seitliche Verkapselungsschicht 47 kann mehrere Teilschichten aufweisen, die beispielsweise durch Atomlagenabscheidung (englisch atomic layer deposition, ALD) von einer Rückseite des Substrats oder vom Hilfsträger aus erfolgen. Auf diese Weise wird auch der Rand verkapselt. Durch Entfernen des Hilfsträgers 5 verbleibt dann beispielsweise lediglich die seitliche Verkapselungsschicht.The edge 31 of the wafer can be provided with a further encapsulation layer in order to encapsulate the wafer or the optoelectronic components. This
Das gezeigte optoelektronischen Bauelement umfasst ein Übergitter 15 (engl. superlattice) welches eine Schichtenfolge von dünnen Schichten umfasst, die sich periodisch wiederholen, und auf der photonischen Kristallstruktur angeordnet ist. Die Herstellung des Übergitters kann beispielsweise im Anschluss an das Nachwachsen durch Molekularstrahlepitaxie, chemische Gasphasenabscheidung (englisch chemical vapour deposition, CVD), oder metallorganische Gasphasenepitaxie (engl. metal organic chemical vapor phase epitaxy, MOVPE) erfolgen. Alternativ, oder ergänzend, kann die photonische Kristallstruktur und/oder das Übergitter durch Chemischmechanisches Polieren, (CMP, engl: chemical mechanical polishing) planarisiert werden. Eventuell auftretende Störstellen werden so den Betrieb des optoelektronischen Bauelements, insbesondere als Laser, nicht oder zumindest reduziert beeinflussen.The optoelectronic component shown comprises a superlattice 15 (superlattice) which comprises a layer sequence of thin layers which repeat periodically and is arranged on the photonic crystal structure. The superlattice can be produced, for example, after regrowth by molecular beam epitaxy, chemical vapor deposition (CVD), or metal organic chemical vapor phase epitaxy (MOVPE). Alternatively, or additionally, the photonic crystal structure and/or the superlattice can be planarized by chemical mechanical polishing (CMP). Any imperfections that may occur will thus not affect the operation of the optoelectronic component, in particular as a laser, or will at least have a reduced effect.
Die vorstehende Beschreibung erläutert einige Merkmale in konkreten Einzelheiten. Diese sollen nicht als Beschränkungen des Umfangs des verbesserten Konzepts oder dessen, was beansprucht werden kann, ausgelegt werden, sondern vielmehr als beispielhafte Beschreibungen von Merkmalen, die lediglich für bestimmte Ausführungsformen des verbesserten Konzepts spezifisch sind. Bestimmte Merkmale, die in dieser Beschreibung im Zusammenhang mit einzelnen Ausführungsformen beschrieben werden, können auch in Kombination in einer einzigen Ausführungsform realisiert werden. Umgekehrt können verschiedene Merkmale, die im Zusammenhang mit einer einzelnen Ausführungsform beschrieben sind, auch in mehreren Ausführungsformen separat oder in jeder geeigneten Unterkombination implementiert werden. Darüber hinaus können, obwohl Merkmale oben als in bestimmten Kombinationen als zusammen wirkend beschrieben und sogar ursprünglich als solche beansprucht werden, ein oder mehrere Merkmale aus einer beanspruchten Kombination in einigen Fällen aus der Kombination herausgenommen werden, und die beanspruchte Kombination kann auf eine Unterkombination oder Variation einer Unterkombination gerichtet sein.The above description explains some features in concrete detail. These are not to be construed as limitations on the scope of the improved concept or what can be claimed, but rather as example descriptions of features that are only specific to certain embodiments of the improved concept. Certain features that are described in this description in connection with individual embodiments can also be implemented in combination in a single embodiment. Conversely, various features that are described in the context of a single embodiment may also be implemented in multiple embodiments separately or in any suitable sub-combination. In addition, although features are described above as working together in certain combinations and even originally claimed as such, one or more features from a claimed combination are in some cases taken out of the combination, and the claimed combination may be directed to a sub-combination or variation of a sub-combination.
Auch wenn in den Zeichnungen Vorgänge in einer bestimmten Reihenfolge dargestellt sind, ist dies nicht so zu verstehen, dass diese Vorgänge in der gezeigten Reihenfolge oder in sequenzieller Reihenfolge ausgeführt werden müssen, oder dass alle dargestellten Vorgänge ausgeführt werden müssen, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Unter bestimmten Umständen können abweichende Reihenfolgen oder eine Parallelverarbeitung vorteilhaft sein.Although the drawings show acts in a particular order, it is not to be understood that those acts must be performed in the order shown or in the sequential order, or that all acts shown must be performed in order to obtain desired results . Under certain circumstances, different orders or parallel processing can be advantageous.
Es wurde eine Reihe von Implementierungen beschrieben. Nichtsdestotrotz können verschiedene Modifikationen vorgenommen werden, ohne von Geist und Umfang des verbesserten Konzepts abzuweichen. Dementsprechend fallen auch andere Implementierungen in den Anwendungsbereich der Ansprüche.A number of implementations have been described. Nevertheless, various modifications can be made without departing from the spirit and scope of the improved concept. Accordingly, other implementations also fall within the scope of the claims.
Bezugszeichenlistereference list
- 11
- photonischer Kristallphotonic crystal
- 22
- Verstärkungsmediumgain medium
- 33
- Substratsubstrate
- 44
- Verkapselungsschichtencapsulation layer
- 55
- Hilfsträgerauxiliary carrier
- 1111
- photonische Strukturphotonic structure
- 1212
- Strukturelementestructural elements
- 1313
- Elektrodeelectrode
- 1414
- Aperturaperture
- 1515
- Übergittersuperlattice
- 2020
- epitaktische Halbleiterschichtenfolgeepitaxial semiconductor layer sequence
- 2121
- erste Halbleiterschichtfirst semiconductor layer
- 2222
- aktive Schichtactive layer
- 2323
- zweite Halbleiterschichtsecond semiconductor layer
- 2424
- Bragg SpiegelBragg mirror
- 3131
- Rand (des Wafers)edge (of the wafer)
- 4141
- Metallschichtmetal layer
- 4242
- teilweise Verkapselungsschichtpartial encapsulation layer
- 4343
- teilweise Verkapselungsschichtpartial encapsulation layer
- 4444
- Metallschichtmetal layer
- 4545
- Metallschichtmetal layer
- 4646
- Sperrschichtbarrier layer
- 4747
- seitliche Verkapselungsschichtlateral encapsulation layer
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