DE10234976B4

DE10234976B4 - Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10234976B4
Application number: DE10234976A
Authority: DE
Inventors: Dr. Streller Udo; Werner Plass; Dr. Jung Christian; Tony Albrecht
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2002-07-31
Publication date: 2012-05-03
Anticipated expiration: 2022-08-01
Also published as: JP2004072098A; US7521723B2; DE10234976A1; TW200403907A; JP4933718B2; TWI224409B; JP2011066457A; US20050098788A1

Abstract

Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip mit einem Halbleiterkörper (1), der zumindest teilweise eine Kristallstruktur mit Kristallhauptrichtungen (7), eine Strahlungsaustrittsfläche (4) und den Halbleiterkörper (1) lateral begrenzende Seitenflächen (5), die bei der Zerteilung eines Wafers in einzelne Halbleiterchips entstehen, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Seitenfläche (5) schräg zu den parallel zur Strahlungsaustrittsfläche verlaufenden Kristallhauptrichtungen (7) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.
Oberflächenemittierende Halbleiterlaser sind beispielsweise aus DE 100 38 235 A1 bekannt. Charakteristisch für derartige Laser ist eine Emissionsrichtung, die senkrecht zur Chipoberfläche angeordnet ist. Oftmals werden diese Halbleiterlaser auch als VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) bezeichnet. Sie unterscheiden sich darin insbesondere von sogenannten kantenemittierenden Lasern, bei denen die Emission durch eine Seitenfläche des Laserchips erfolgt. In der Druckschrift US 6,154,479 A ist ein VCSEL beschrieben, bei dem zur Steuerung der Polarisationsrichtung ein Querschnitt eines p-leitenden Bragg-Spiegels so eingeschränkt ist, dass nur ein einzelner fundamentaler transversaler Mode im Wellenleiter besteht.
Die Bezeichnungen ”Oberfläche” und ”Seitenfläche” stehen dabei im Zusammenhang mit der Fertigung derartiger Chips im Waferverbund, wobei die ”Oberfläche” der Waferoberfläche entspricht. Die Seitenflächen hingegen entstehen erst bei der Zerteilung der Wafer in einzelne Halbleiterchips.
Bei einem üblichen Herstellungsverfahren für kantenemittierende Laserchips wird ein Wafer üblicherweise zur Zerteilung in einzelne Halbleiterchips gebrochen, wobei die Bruchlinie entlang einer Kristallhauptrichtung des Wafers verläuft. Dabei entstehen als Seitenflächen der Halbleiterkörper glatte Spaltflächen, die zugleich Spiegelfacetten der jeweiligen Laserresonatoren sind.
Bei oberflächenemittierenden Lasern ist die Ausbildung derartiger Spaltflächen als Seitenflächen aufgrund der anderen, senkrechten Orientierung des Resonators bzw. der Emissionsrichtung nicht erforderlich. Zur Herstellung derartiger Laserchips können die entsprechenden Wafer daher statt durch Brechen auch durch Sägen oder Ätzen zerteilt werden.
Bei Leuchtdiodenchips wurde festgestellt, daß ein häufiger Alterungsmechanismus auf der Entstehung von Versetzungslinien im Halbleiterkristall beruht. Diese Versetzungslinien können sich im Betrieb ausbreiten und nichtstrahlende Rekombinationszentren bilden. Solche Kristalldefekte erniedrigen die Effizienz des Bauteils und können schließlich zum Ausfall führen. Im Leuchtbild eines Halbleiterkristalls erkennt man derartige Kristalldefekte als dunkle Linien, die daher auch als DLDs (dark line defects) bezeichnet werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip mit einem verbesserten Alterungsverhalten bzw. einer erhöhten Lebensdauer zu schaffen. Insbesondere soll die Entstehung von nichtstrahlenden Rekombinationszentren bzw. DLDs verringert werden. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Herstellungsverfahren anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip nach Patentanspruch 1 bzw. ein Verfahren nach Patentanspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip mit einem Halbleiterkörper zu bilden, der zumindest teilweise eine Kristallstruktur mit zugeordneten Kristallhauptrichtungen, eine Strahlungsaustrittsfläche und den Halbleiterkörper lateral begrenzende Seitenflächen aufweist, die bei der Zerteilung eines Wafers in einzelne Halbleiterchips entstehen. Zumindest eine Seitenfläche ist schräg, d. h. weder parallel noch senkrecht, zu den parallel zur Strahlungsaustrittsfläche verlaufenden Kristallhauptrichtungen angeordnet. Die Strahlungsemission erfolgt im Betrieb im wesentlichen senkrecht zu der sich in lateraler Richtung erstreckenden Strahlungsaustrittsfläche.
Die schräge Anordnung der Seitenflächen zu den Kristallhauptrichtungen hat den Vorteil, daß weniger Keime für Versetzungslinien im Kristallgefüge entstehen und damit die Zahl der Versetzungslinien sinkt. Dies verlangsamt die Alterung des Halbleiterchips.
Vorzugsweise weist der Halbleiterkörper einen zur Strahlungsaustrittsfläche parallelen rechteckförmigen oder quadratischen Querschnitt auf. Diese Form kann leicht durch Zersägen eines Wafers entlang sich orthogonal kreuzender Sägelinien aus einem Wafer gefertigt werden, wobei vorteilhafterweise alle Seitenflächen schräg zu den Kristallhauptrichtungen angeordnet sein können.
Die Erfindung eignet sich insbesondere für Halbleitermaterialien mit kubischer Kristallstruktur, wobei beispielsweise ohne Beschränkung der Allgemeinheit die Kristallrichtungen [100] und [010] parallel zur Strahlungsaustrittsfläche bzw. zur Waferoberfläche liegen. Dabei ist es vorteilhaft, die Seitenflächen so anzuordnen, daß sie einen Winkel zwischen 40° und 50°, bevorzugt 45° mit den Kristallhauptrichtungen [100] und [010] einschließen.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Halbleiterkörper ein Substrat in Form eines Halbleiterkristalls auf, durch das die Kristallrichtungen, beispielsweise [100] und [010] festgelegt werden. Die Laserstruktur ist dabei als Halbleiterschichtenfolge auf diesem Substrat aufgebracht. Eine solche Schichtenfolge kann beispielsweise mittels eines Epitaxie-Verfahrens aufgewachsen werden.
Bevorzugt basiert der Halbleiterkörper auf dem GaAs/AlGaAs-Materialsystem. Neben diesen GaAs und AlGaAs kann der Halbleiterkörper selbstverständlich auch andere Verbindungen wie beispielsweise AlGaInAs oder InGaAs enthalten. Auch andere III–V-Halbleiter oder Nitrid-Verbindungshalbleiter, beispielsweise die Verbindungen GaP, InGaP, InAsP, GaAlP, InGaAlP, GaAsP, InGaAsP und InGaNAs, sind bei der Erfindung geeignet.
Bei einem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren ist vorgesehen, zunächst mittels eines herkömmlichen Fertigungsverfahrens einen Wafer mit einer Mehrzahl von oberflächenemittierenden Halbleiterlaserstrukturen herzustellen, wobei der Wafer eine Kristallstruktur mit Kristallhauptrichtungen aufweist. Nachfolgend wird der Wafer in eine Mehrzahl von Halbleiterlaserchips entlang vorgegebener Trennlinien zerteilt. Diese Trennlinien sind so angeordnet, daß sie schräg, also weder parallel noch senkrecht, zu den parallel zur Waferoberfläche verlaufenden Kristallhauptrichtungen verlaufen. Vorzugsweise wird der Wafer zersägt oder mittels eines Ätzverfahrens zerteilt.
Durch die schräge Anordnung der Trennlinien zu den Kristallhauptrichtungen wird die Bildung von Keimen für Versetzungslinien und in der Folge die Entstehung von alterungsbeschleunigenden Versetzungslinie bzw. DLDs vorteilhaft verringert.
Weitere Merkmale, Vorzüge und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von zwei Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den 1 bis 3.
Es zeigen:
1 eine schematische perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips,
2 eine schematische Schnittansicht des ersten Ausführungsbeispiels und
3 eine schematische Aufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips.
Gleiche oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt schematisch einen Halbleiterlaserchip eines VCSELs. Der Chip umfaßt ein Substrat 2, auf das ein Stapel von Halbleiterschichten 3 aufgebracht ist. Die Halbleiterschichten bilden dabei die strahlungserzeugende Laserstruktur des Bauelementes. Diese Struktur wird nachfolgend im Zusammenhang mit 2 genauer erläutert.
Der die Halbleiterschichten 3 umfassende Halbleiterkörper 1 weist eine Strahlungsaustrittsfläche 4 auf und wird lateral durch eine Mehrzahl von Seitenflächen 5 begrenzt. Im Betrieb wird die Laserstrahlung 6 im wesentlichen in senkrechter Richtung zur Strahlungsaustrittsfläche 4 emittiert.
Das Substrat 2 und die darauf aufgebrachten Halbleiterschichten 3 weisen zumindest teilweise eine Kristallstruktur auf. Das Kristallgitter in lateraler Richtung ist durch die gestrichelten Linien 16, die zugehörigen Kristallhauptrichtungen 7 durch Pfeile veranschaulicht.
Bei epitaktisch aufgewachsenen Schichten wird in der Regel diese Struktur durch das Substrat vorgegeben. Damit werden auch die Kristallhauptrichtungen 7 der Halbleiterschichten in lateraler Richtung festgelegt. Wesentlich ist bei der Erfindung, daß die Seitenflächen 5 so angeordnet sind, daß sie schräg zu den Kristallhauptrichtungen 7, also weder parallel noch senkrecht zu diesen Richtungen verlaufen.
Im Rahmen der Fertigung von LEDs wurde festgestellt, daß eine derartige Anordnung der Seitenflächen 5 zu den Kristallhauptrichtungen 7 im Gegensatz zu einer parallelen bzw. senkrechten Anordnung die Bildung von Keimen für Versetzungslinien und eine damit einhergehende beschleunigte Alterung des Bauelementes vorteilhaft verringert. Obwohl bei oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips der strahlungsemittierende Bereich wesentlich weiter von der Sägespur entfernt ist als bei LEDs, hat sich bei der Erfindung gezeigt, daß auch hier die Alterung des Bauelements durch die erfindungsgemäße Anordnung der Seitenflächen zu den Kristallhauptrichtungen vorteilhaft verringert werden kann.
In 2 ist eine Schnittansicht längs der Linie A-A durch das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel dargestellt. Auf dem Substrat 2, beispielsweise einem GaAs-Substrat ist eine Mehrzahl von Halbleiterschichten 3 angeordnet. Dieser Schichtstapel 3 umfaßt Spiegelschichten 8, 11, die den Laserresonator bilden und beispielsweise als Bragg-Spiegel ausgeführt sein können. Derartige Braggspiegel können zum Beispiel jeweils als Schichtenfolge mit abwechselnden Schichten aus Al_0.2Ga_0.6As und Al_0.9Ga_0.1As realisiert sein.
Zwischen diesen Spiegelschichten 8, 11 ist eine aktive Schicht 9 angeordnet. Vorzugsweise ist diese aktive Schicht 9 als Quantentopfstruktur, beispielsweise in Form einer SQW-Struktur (Single Quantum Well) oder einer MQW-Struktur (Multiple Quantum Well) ausgebildet. Als MQW-Struktur eignet sich zum Beispiel ein Struktur mit 3 GaAs-Quantentöpfen mit einer Emissionswellenlängen von etwa 850 nm.
Die Schicht 10 ist als sogenannte Stromeinschnürungsschicht geformt, die im Betrieb den Pumpstrom, beispielhaft dargestellt anhand der Strompfade 15, zum Zentrum der aktiven Schicht 9 hinführt und so die Pumpdichte des Lasers erhöht. Die Stromeinschnürungsschicht kann als AlAs-Schicht gebildet sein, die teilweise lateral oxidiert ist.
Im Zentrum der aktiven Schicht 9 entsteht dabei eine aktive strahlungsemittierende Zone 14, wobei beim überschreiten der Pumpschwelle bzw. des Schwellstromes der Laser anschwingt und Laserstrahlung 6 in senkrechter Richtung zur Strahlungsaustrittsfläche 4 emittiert. Zur Zufuhr des Pumpstroms sind auf der Strahlungsaustrittsfläche 4 und der gegenüberliegenden Oberfläche des Substrates 2 Kontaktmetallisierungen 12, 13 vorgesehen. Die Kontaktmetallisierung 12 ist beispielsweise als Ringkontakt ausgeführt. Bevorzugt ist die Kontaktmetallisierung 12 als p-Kontakt, zum Beispiel als TiPtAu-Kontakt, und die Kontaktmetallisierung 13 als n-Kontakt, zum Beispiel als AuGe-Kontakt, ausgeführt.
Der Übersichtlichkeit halber sind diese Kontaktmetallisierungen in 1 nicht dargestellt.
In 3 ist eine schematische Aufsicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung gezeigt. Der Halbleiterkörper 1 entspricht im Wesentlichen dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel. Als Halbleitermaterial wird ein Material auf GaAs-Basis verwendet. Die Kristallhauptrichtungen [100] und [010] sind ohne Beschränkung der Allgemeinheit parallel zur Strahlungsaustrittsfläche 4 angeordnet. Der Halbleiterkörper 1 weist parallel zur Strahlungsaustrittsfläche 4 einen quadratischen Querschnitt auf, wie die Aufsicht zeigt, und wird von Seitenflächen 5 lateral begrenzt. Die Seitenflächen 5 schließen mit den Kristallhauptrichtungen [100] und [010] jeweils einen Winkel von 45° ein.
Es hat sich gezeigt, daß mittels einer derartigen Anordnung das Alterungsverhalten eines entsprechenden Bauelementes, wie beispielsweise eines VCSELs, deutlich verbessert werden kann.

Claims

Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip mit einem Halbleiterkörper (1), der zumindest teilweise eine Kristallstruktur mit Kristallhauptrichtungen (7), eine Strahlungsaustrittsfläche (4) und den Halbleiterkörper (1) lateral begrenzende Seitenflächen (5), die bei der Zerteilung eines Wafers in einzelne Halbleiterchips entstehen, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Seitenfläche (5) schräg zu den parallel zur Strahlungsaustrittsfläche verlaufenden Kristallhauptrichtungen (7) angeordnet ist.
Halbleiterlaserchip nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) einen zur Strahlungsaustrittsfläche (4) parallelen quadratischen oder rechteckförmigen Querschnitt aufweist.
Halbleiterlaserchip nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Kristallhauptrichtungen (7), die parallel zur Strahlungsaustrittsfläche (4) verläuft, und zumindest eine der Seitenflächen (5) einen Winkel zwischen 40° und 50°, vorzugsweise einen Winkel von 45° mit dieser Kristallhauptrichtung einschließt.
Halbleiterlaserchip nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Kristallhauptrichtungen (7), die parallel zur Strahlungsaustrittsfläche (4) verläuft, die [100]-Richtung ist.
Halbleiterlaserchip nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterlaserchip ein Substrat (2) umfaßt, das zumindest teilweise eine Kristallstruktur aufweist.
Halbleiterlaserchip nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper einen III–V-Verbindungshalbleiter, insbesondere GaAs oder AlGaAs, und/oder einen Nitrid-Verbindungshalbleiter enthält.
Halbleiterlaserchip nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterlaserchip ein VCSEL ist.
Verfahren zur Herstellung eines oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips, bei dem ein Halbleiterwafer mit einer Mehrzahl von oberflächenemittierenden Halbleiterstrukturen hergestellt wird, wobei der Halbleiterwafer Kristallhauptrichtungen aufweist und der Halbleiterwafer entlang von Trennlinien in eine Mehrzahl von Halbleiterlaserchips zerteilt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennlinien schräg zu den parallel zu einer Waferoberfläche des Halbleiterwafers verlaufenden Kristallhauptrichtungen angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterwafer bei der Zerteilung entlang der Trennlinien gesägt oder geätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennlinien mit den Kristallhauptrichtungen einen Winkel zwischen 40° und 50°, vorzugsweise einen Winkel von 45° einschließen.