DE10209063C1

DE10209063C1 - Verfahren zur Herstellung einer monolithischen Laseranordnung

Info

Publication number: DE10209063C1
Application number: DE2002109063
Authority: DE
Inventors: Hans-Ludwig Althaus; Bernd Borchert; Sybille Fidorra; Klemens Janiak
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Quarterhill Inc
Priority date: 2002-02-22
Filing date: 2002-02-28
Publication date: 2003-10-30
Anticipated expiration: 2022-03-01

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer monolithischen Laseranordnung. Vorgestellt wird insbesondere eine monolithische Laseranordnung (23), mit einem Substrat; einer Laserdiode (26) auf dem Substrat zur Erzeugung eines Lichtstrahles; einem Photodetektor (29) auf dem Substrat im Pfad des Lichtstrahles zum Empfang zumindest eines Teiles des Lichtstrahles; und einer Umlenkvorrichtung (31) auf dem Substrat zur Umlenkung des Lichtstrahles im wesentlichen senkrecht zur Substratoberfläche. Die monolithische Laseranordnung kann vorteilhafterweise in einem Koppelmodul mit einem Kunststoff-SMT-Gehäuse einer Standardbauform verwendet werden, wobei der optische Zugang durch eine Öffnung in dem Leadframe des Koppelmoduls herstellbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer monolithischen Laseranordnung mit einer Laserdiode zur Erzeugung eines Lichtstrahles, einem Photodetektor im Pfad des Lichtstrahles zum Empfang zumindest eines Teiles des Lichtstrahles, und einer Umlenkvorrichtung zum Empfang des Lichtstrahles und dessen Umlenkung im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Laseranordnung.

Die monolithische Laseranordnung kann vorteilhafterweise in einem Koppelmodul mit einem Kunststoff-SMT-Gehäuse einer Standardbauform verwendet werden, wobei der optische Zugang durch eine Öffnung in einem Leadframe des Koppelmodules herstellbar ist.

Die Erfindung befasst sich mit den Problemen, die sich aus den Besonderheiten des Aufbaues von Komponenten mit kantenemittierenden Halbleiter-Laserdiodenchips für die optische Informationsübertragung ergeben, insbesondere mit der Herstellung einer geeigneten Fläche innerhalb einer Indiumphospid (InP)-Schicht zur Umlenkung des Lichtstrahles im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Laseranordnung.

Bekannt sind Laserdioden (LD) in Metallgehäusen (z. B. Dual In-Line-(DIL)Laserdioden, TO-Laserdioden, etc.), bei denen das lichtemittierende Fenster des LD-Chips über Luft mit geeigneten optischen Elementen (z. B. Glas- oder Si-Linsen, Fasertaper) an eine Glasfaser (SMF, Single Moder Fiber) angekoppelt ist. Dies erfordert eine Gehäusetechnik mit entsprechend dichter Glasfaserzuführung bis zum LD-Chip, oder aber ein hermetisch mit einem Fenster verschlossenes Gehäuse (TO) und eine entsprechende Optik, die den Ausgang der Laserdiode durch das Fenster auf die Glasfaser abbildet.

Vor diesem Hintergrund gibt es Bestrebungen, den Aufwand durch den Einsatz von LD-Chips in der sogenannten Leadframe- Technik in Kunststoff-SMT-Gehäusen zu reduzieren (SMT = Surface Mount Technology). Bei solchen Lösungen wird der LD- Chip auf dem Leadframe aufgebaut und elektrisch mit den zugehörigen Anschlüssen per "Standard-Wire-Bond" Technik verbunden.

Der optische Anschluss des LD-Chips geschieht über eine Immersionsanpassung an ein optisches Umlenkprisma, welches den Strahl optisch umlenkt und durch den (für Wellenlängen < 1,2 µm) transparenten Silizium-Submount durch den optischen Zugang im Leadframe nach aussen führt. Die optische Ankopplung an eine SMF kann durch eine direkt auf dem Si- Submount aufgesetzte Si-Linse, eine monolithisch integrierte Linse, o. ä. geschehen.

In der, z. B. in einem Kunststoff-SMT-Gehäuse realisierten Lösung erfordert der Aufbau des Laserchips mit Monitordiode (MD) und Umlenkprisma jedoch eine hybride Montage der Einzelkomponenten (Montage der Mikroprismen auf dem Si- Submount und anschliessende Montage der Einzelchips LD und MD) sowie eine entsprechende Kopplung mittels eines Immersionsharzes vor dem Gießen des SMT-Gehäuses.

Bei konventionellen Bauelementen ist es üblich, zwischen die Laserdiode und die Monitordiode ein Spiegelelement einzupassen, das über eine teilreflektierende Spiegelfläche verfügt, durch welche ein Teil des durch die Laserdiode erzeugten Lichtes in Richtung der Optik reflektiert wird, während ein anderer Teil in Richtung zur Monitordiode durchgelassen wird.

Nachteilig daran ist, dass das Spiegelelement als separates Bauteil eingefügt werden muss.

Prinzipiell wäre es denkbar, die Spiegelfläche durch nasschemisches Ätzen direkt in die Indiumphospid (InP)- Schicht zu integrieren. Problembehaftet ist allerdings die Herstellung einer Fläche, die einen 45° Winkel mit der Oberfläche einschließt.

Eine monolithische Laseranordnung mit einer Laserdiode und einem Photodetektor im Pfad des Lichtstrahls ist aus der WO 01/93 385 A2 bekannt. Dort wird weiterhin ein Verfahren beschrieben, wie Indiumphospid (InP) mit HBr geätzt wird. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass das beschriebene Verfahren zu keiner qualitativ hochwertigen 45°-Fläche führt.

Aus der DE 694 15 455 T2 ist es bekannt, Indiumphospid (InP) innerhalb eines nasschemischen Ätzverfahrens mit einer Mischung von HCl und HBr zu ätzen. Es erfolgt jedoch kein Ätzen zur Erzeugung einer Fläche, die einen 45° Winkel mit der Oberfläche einschließt.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, sich dieser Problematik anzunehmen, also ein Ätzverfahren für InP bereitzustellen, dass qualitativ hochwertige Flächen in einem Winkel von 45° mit der Oberfläche erzeugt.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Es wird ein Verfahren bereitgestelt zur Herstellung einer monolithischen Laseranordnung mit einer Laserdiode zur Erzeugung eines Lichtstrahles, einem Photodetektor im Pfad des Lichtstrahles zum Empfang zumindest eines Teiles des Lichtstrahles; und einer Umlenkvorrichtung zum Empfang des Lichtstrahles und dessen Umlenkung im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Laseranordnung. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte: zum einen die Herstellung eines Halbleitersubstrates aus InP und Epitaxieschichten; und zum anderen die Herstellung der Umlenkvorrichtung durch Herstellen einer Grenzfläche durch Ätzen in das Halbleitersubstrat mittels einer HCl-HBr Ätzlösung, wobei die Grenzfläche in einem Winkel von 45° relativ zur Oberfläche der Laseranordnung verläuft.

Somit wird ein Verfahren bereitgestellt, mit dem eine qualitativ hochwertige Grenzfläche, die in einem Winkel von 45° relativ zur Oberfläche der Laseranordnung verläuft, erzeugt werden kann.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung beträgt das Mischungsverhältnis von HCl zu HBr drei zu eins.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das Ätzen bei einer Temperatur von 5° Celsius durchgeführt.

Die Laseranordnung des mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 hergestellten Verfahrens weist folgende bevorzugte Ausgestaltungen auf:
Die Laservorrichtung kann einen monolithischen FP-(Fabry Perot-) oder DFB-(Distributed Feedback-)Laserchip bilden, der seine Lichtleistung senkrecht zur Montagefläche emittiert.

Der Photodetektor der Laseranordnung bildet einen integrierten Monitorchip, der ein Kontrollsignal in Form eines lichtleistungsproportionalen Photostromes erzeugt.

Der Photodetektor ist im vorwärts ausgekoppelten Lichtpfad der Laserdiode angeordnet. Dadurch kann eine Auskopplung über den rückseitigen Spiegel der Laserdiode vollständig vermieden werden. Der rückseitige Spiegel der Laserdiode kann deshalb 100%ig reflektierend sein, so dass die Effizienz der Laserdiode gesteigert ist.

Die Umlenkvorrichtung ist durch eine Grenzfläche auf dem Halbleitersubstrat der Laseranordnung realisiert. Die Grenzfläche ist derart beschaffen, dass der Lichtstrahl durch das Substrat hindurch gelenkt wird. Dadurch kann die monolithische Laseranordnung auf einem Leadframe angeordnet sein, wobei der optische Zugang zum Lichtpfad über eine Öffnung im Leadframe hergestellbar ist.

Außerdem kann die monolithische Laseranordnung eine Abdeckung auf der Oberseite des Chips aufweisen. Die Abdeckung schliesst die Laserdiode, den Photodetektor und die Grenzfläche vollständig ein. Der Einbau des Chips in eine Standard-Bauform wird dadurch vereinfacht.

Die Abdeckung kann aus transparentem Kunststoff bestehen und einen optisch transparenten Festkörper bilden. Wesentlich ist jedoch nur, dass die Spiegelgräben der Laserdiode mit einer transparenten Füllmasse ausgefüllt sind. Darüber kann auch ein nicht transparenter Kunststoff zur Bildung eines Festkörpers aufgebracht sein. Dies hat den Vorteil, dass standardmäßige geprüfte Kunststoffe verwendet werden können, die in der Regel nicht transparent sind. Insbesondere kann dadurch ein Kunstsstoff im Hinblick auf seine mechanischen und unabhängig von seinen optischen Eigenschaften ausgewählt werden. So läßt sich ein stabiler Festkörper mit einer monolithischen Laseranordnung auf einfache Weise herstellen.

Insgesamt ermöglicht die Bildung eines Festkörpers aus Kunststoff die Schaffung eines Bauelementes mit einem kantenemittierenden Chip, das in einfacher Weise als ein Kunststoff-SMT-Gehäuse einer Standard-Bauform aufgebaut ist.

Die monolithische Laseranordnung lässt sich in einem Koppelmodul zur Ankopplung einer Laserdiode an einen optischen Leiter wie z. B. eine Glasfaser verwenden. Das Koppelmodul weist einen Leadframe zum Anschluss der Laseranordnung an eine Stromquelle, sowie einen darauf angeordneten Submount aus Silizium auf. Die monolithische Laseranordnung ist auf dem Submount angeordnet.

Der Leadframe kann eine Aussparung aufweisen, durch welche hindurch der Lichtstrahl mittels der Umlenkvorrichtung geführt werden kann.

Somit kann auf einfache Weise ein Bauelement realisiert werden, das senkrecht zur Montageebene mit seinen elektrischen Anschlüssen abstrahlt.

Das Koppelmodul kann weiterhin eine Linse im Lichtpfad des Lichtstrahles im Bereich der Aussparung in dem Leiterelement aufweisen. Mit der Linse kann die Ankopplung der Laserdiode an den Lichtleiter verbessert werden.

Diese Linse kann auch monolithisch in den Silizium-Submount integriert sein, beispielsweise durch Ätzen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnungen und Tabellen erläutert, und es zeigen:

Fig. 1 schematisch einen Querschnitt durch ein konventionelles Bauelement;

Fig. 2 schematisch einen Querschnitt durch ein Koppelelement, hergestellt nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3 schematisch einen Querschnitt durch eine monolithische Laseranordnung, hergestellt nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 4 schematisch einen weiteren Querschnitt mit Strahlführung durch eine monolithische Laseranordnung, hergestellt nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 5 schematisch einen Ausschnitt des Querschnittes aus Fig. 4 im Bereich der Umlenkvorrichtung im Strahlengang;

Fig. 6 schematisch einen Schichtaufbau der monolithischen Laseranordnung;

Fig. 7 die Abhängigkeit des InP-Ätzwinkels von dem HBr/HCl Verhältnis in einem Herstellungsverfahren nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
die Tabellen 1 bis 3 Epitaxiebedingungen bei der Herstellung einer Laseranordnung.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch ein konventionelles Bauelement mit einem Leadframe 1, einem darauf angeordneten Submount 2, und einer in einer Aussparung 3 des Leadframe 1 angeordneten Optik 4 zur Bündelung des Ausgangslichtstrahles. Auf dem Submount 2 ist eine Laserdiode 5 sowie eine Monitordiode 6 mit elektrischen Anschlüssen 7 bzw. 8 angeordnet. Zwischen die Laserdiode 5 und die Monitordiode 6 ist ein Spiegelelement 9 eingepasst, mit einer teilreflektierenden Spiegelfläche 10, durch welche ein Teil des durch die Laserdiode 5 erzeugten Lichtes in Richtung der Optik 4 reflektiert wird, während ein anderer Teil in Richtung zur Monitordiode 6 durchgelassen wird, wie durch Pfeile 11 angedeutet. Die Laserdiode 5, die Monitordiode 6, sowie das Spiegelelement 9 sind durch eine Abdeckung 12 abgedeckt.

Die Laserdiode 5, die Monitordiode 6, sowie das Spiegelelement 9 sind separate Bauteile.

Fig. 2 zeigt schematisch einen Querschnitt durch ein Koppelmodul 20. Das Koppelmodul 20 weist einen Leadframe 21, einen Submount 22, sowie eine darauf angeordnete monolithische Laseranordnung 23 auf, die nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung hergestellt ist. In dem Leadframe 21 ist eine Öffnung 24 vorgesehen, durch welche der optische Ausgangspfad der Laseranordnung 23 zugänglich ist. In der Öffnung 24 im optischen Ausgangspfad ist eine Linse 25 vorgesehen, die den durch die Laseranordnung 23 erzeugten Lichtstrahl beispielsweise bündelt. Weiterhin ist auf der Oberseite der Laseranordnung 23 eine Abdeckung 13 in Form einer Kunststoffschicht aufgebracht.

Die Laseranordnung ist monolithisch hergestellt und umfasst eine Laserdiode 26 mit einem elektrischen Kontakt 27 und einer elektrischen Zuleitung 28, eine Monitordiode 29 mit einer elektrischen Zuleitung 30, sowie eine im optischen Pfad des erzeugten Lichtstrahles nachgeordnete Spiegelfläche 31, welche den Lichtstrahl im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Laseranordnung 23 durch den Submount 22 und die Linse 25 hindurch umlenkt.

Das Koppelmodul 20 bildet somit eine vollständige Laserdioden-Sendermodulkomponente mit Koppeloptik zur Ankopplung an eine SMF, andere Wellenleiter oder weitere Optiken, oder den freien Raum.

Fig. 3 zeigt schematisch einen Querschnitt durch die Laseranordnung 23, hergestellt nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Laseranordnung 23 ist monolithisch hergestellt und umfasst die bereits in Fig. 2 gezeigten Laserdiode 26 und Monitordiode 29. Die Laserdiode 26 ist durch eine vordere Spiegelgrube 35 sowie eine hintere Spiegelgrube 36 eingegrenzt. Die Spiegelgruben 35 und 36 bilden eine vordere Spiegelfläche 37 bzw. eine rückseitige Spiegelfläche 38 der Laserdiode 26.

Die Monitordiode 29 ist im vorderseitigen Lichtpfad der Laserdiode 26 angeordnet. Dadurch kann die rückseitige Spiegelfläche vollständig reflektierend ausgestaltet sein, da kein Licht der Laserdiode 26 auf eine im rückseitigen Lichtpfad gelegene Monitordiode geworfen werden muss. Dies erhöht die Effizienz der Laserdiode 26.

Die vorderseitige Spiegelfläche 37 lässt einen Teil des erzeugten Lichtes hindurchtreten, welches wie durch die Pfeile angedeutet auf die Spiegelfläche 31 trifft.

Beispielsweise werden ca. 30-40% des erzeugten Lichtes durch die Spiegelfläche in die Laserdiode 26 zurückreflektiert, während 60-70% auf die Spiegelfläche 31 treffen. Diese Werte können je nach Verspiegelung variieren.

Die Spiegelfläche 31 hat einen Winkel von 45° gegenüber der Oberfläche der Laseranordnung 23. Von der Spiegelfläche 31 wird der erzeugte Lichtstrahl nach unten, d. h. senkrecht zur Oberfläche der Laseranordnung 23 durch das Halbleitermaterial umgelenkt, wie auch in Fig. 2 dargestellt.

Die Monitordiode 29 ist bzgl. des Lichtpfades zwischen der Laserdiode 26 und der Spiegelfläche 31 angeordnet. Die Monitordiode 29 ist gegenüber der Mittelachse des Lichtstrahles versetzt (in der in Fig. 3 gezeigten Orientierung nach oben versetzt). Die Anordnung der Monitordiode ist derart, dass ein Teil des Lichtstrahles seitlich ausgekoppelt wird und auf die Monitordiode 29 fällt (ca. 10% in einer Ausgestaltung). Das Ausgangssignal der Monitordiode kann dementsprechend zur Regelung der Ausgangsleistung der Laserdiode 26 verwendet werden.

Alternativ zu der in Fig. 3 dargestellten Ausgestaltung kann die Monitordiode 29 auch als Fortführung der Laserschicht ausgeführt sein. Dies hat den Vorteil, dass Epitaxieschichten und damit Kosten bei der Herstellung eingespart werden können.

Der nicht seitlich ausgekoppelte Teil des Lichtstrahles fällt auf die Spiegelfläche 31.

Fig. 4 zeigt schematisch einen weiteren Querschnitt durch die monolithische Laseranordnung 23, hergestellt nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Laseranordnung 23 ist durch eine aktive Zone 40 auf einem Halbleitersubstrat 41 gebildet. Auf der Laserdiode 26, der Monitordiode 29, der Spiegelfläche 31, sowie in den Gräben 35 und 36 ist eine transparente Abdeckschicht 42 ("Cladding") aufgebracht. Insbesondere muss die Abdeckschicht 42 jedoch nur innerhalb der Spiegelgräben 35 und 36 transparent sein.

Fig. 5 zeigt einen Ausschnitt des Querschnittes durch die monolithische Laseranordnung aus Fig. 4 im Bereich der monolithischen Strahlumlenkung durch die Spiegelfläche 31. Wie bereits erwähnt trifft ein Teil des erzeugten Lichtstrahles auf die im vorwärtsseitigen Strahlengang der Laserdiode 26 liegende Monitordiode 29.

Fig. 6 zeigt schematisch den Schichtaufbau der monolithischen Laseranordnung 23, wobei zusätzlich Cladding- Schichten 45, ein Kontakt 46 der Laserdiode 26 (LD-Kontakt), sowie ein Kontakt 47 der Monitordiode 29 (PD-Kontakt) illustriert sind.

Fig. 7 zeigt ein Schaudiagramm, in dem die Abhängigkeit des InP-Ätzwinkels von dem HBr/HCl-Verhältnis bei Raumtemperatur (RT) und 5°C ("kalt") bei der Herstellung der in Fig. 4 dargestellten Umlenkfläche 43 illustriert ist.

Die Tabelle 1 stellt die Verfahrensparameter bei der Herstellung der monolithischen Laseranordnung bei der Grundepitaxie dar. Tabelle 2 stellt die Verfahrensparameter bei der p-n Blocking Epitaxie dar, bei der in der Grenzschicht einer p-leitenden und einer n-leitenden Grenzschicht die Elektronen des n-leitenden Materials von den Löchern in der p-Schicht abgezogen werden und somit eine Isolation bilden. Tabellen 3 stellt die Verfahrensparameter bei der Cladding Epitaxie dar, bei der eine Abdeckschicht 42 ("Cladding") aufgebracht wird. Im Anschluss an die Epitaxien erfolgt die Strukturierung der Absorbierbereiche der Montiordiode (Schicht Nr. 5 und Nr. 6). Im Falle der p-n Blocking Epitaxie erfolgt danach eine selektive Diffusion in die dann obenliegenden p-Kontaktschicht. Der n-Kontakt der Monitordiode liegt bei dieser Struktur oben.

Tabelle 1

GRUNDEPITAXIE

Tabelle 2

p-n BLOCKING EPITAXIE

Tabelle 3

CLADDING EPITAXIE

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer monolithischen Laseranordnung (23), mit einer Laserdiode (26) zur Erzeugung eines Lichtstrahles, einem Photodetektor (29) im Pfad des Lichtstrahles zum Empfang zumindest eines Teiles des Lichtstrahles; und einer Umlenkvorrichtung (31) zum Empfang des Lichtstrahles und dessen Umlenkung im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Laseranordnung (23), mit folgenden Schritten:
Herstellen eines Halbleitersubstrates (41) aus InP und Epitaxieschichten; und
Herstellen der Umlenkvorrichtung (31) durch Herstellen einer Grenzfläche durch Ätzen in das Halbleitersubstrat (41) mittels einer HCl-HBr Ätzlösung, wobei die Grenzfläche in einem Winkel von 45° relativ zur Oberfläche der Laseranordnung verläuft.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Mischungsverhältnis von HCl zu HBr drei zu eins beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Ätzen bei einer Temperatur von 5° Celsius durchgeführt wird.