DE10261425A1

DE10261425A1 - Halbleiterlaserdiode

Info

Publication number: DE10261425A1
Application number: DE10261425A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dr. Strauss; Georg Dr. Brüderl; Alfred Lell
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2002-12-30
Filing date: 2002-12-30
Publication date: 2004-07-22
Also published as: US20040188702A1; JP2004214666A

Abstract

Bei einer Halbleiterlaserdiode mit einem Halbleiterkörper (12) mit einer Photonen emittierenden, aktiven Schicht (16) auf Basis eines Nitrid-Verbindungshalbleiters, einem auf dem Halbleiterkörper (12) angeordneten Resonatorkontakt (24) und einer mit dem Resonatorkontakt (24) elektrisch verbundenen Anschlußkontaktfläche (22) ist erfindungsgemäß an der Oberfläche des Halbleiterkörpers (12) angrenzend an den Resonatorkontakt (24) ein unbedeckter Freibereich (26) vorgesehen, an dem Wasserstoff (30) aus dem Halbleiterkörper (12) entweichen kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterlaserdiode mit einem Halbleiterkörper mit einer Photonen emittierenden, aktiven Schicht auf Basis eines Nitrid-Verbindungshalbleiters, einem auf dem Halbleiterkörper angeordneten Resonatorkontakt (insbesondere einer Resonatormetallisierung) und einer mit dem Resonatorkontakt elektrisch verbundenen Anschlußkontaktfläche.
Bei Lumineszenz- oder Laserdioden auf Basis eines Nitrid-Verbindungshalbleiters, etwa auf Basis von Al_xIn_yGa_1-x-yN, wobei 0 ≤ x ≤ 1,0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1, besteht das Problem, daß die p-Leitfähigkeit einer p-dotierten Al_xIn_yGa_1-x-yN-Schicht durch den Einbau von Wasserstoff vermindert oder gar vollständig verhindert werden kann.
Gegenwärtig wird versucht, das Problem dadurch zu umgehen, daß der Wasserstoff während des Herstellungsprozesses durch geeignete Maßnahmen möglichst vollständig ausgetrieben wird. Dies gelingt jedoch meist im Allgemeinen nicht vollständig. Darüber hinaus treten beim Herstellungsprozeß im Ablauf Prozesse, wie etwa Passivierungsbeschichtungen auf, bei denen erneut unerwünschter Wasserstoff in die p-Schichten eingebracht werden kann.
Im vollständig prozessierten Halbleiterbauteil kann der in den p-Schichten enthaltene Wasserstoff dann beispielsweise während des Betriebes durch Temperatureinfluß an die Grenzfläche p-Halbleiter/p-Metall und p-Halbleiter/Passivierungsschicht diffundieren. Die Anreicherung des Wasserstoffs am p-Metall bewirkt eine Erhöhung des p-Kontaktwiderstands und damit auch eine unerwünschte Erhöhung der Vorwärtsspannung.
Zur Abhilfe werden die p-Schichten herkömmlich vor der Prozessierung möglichst gut aktiviert und kritische Technologieschritte so weit als möglich reduziert. Dies ist jedoch in der Regel mit einem erheblichen Eingriff in den Technologieablauf und damit mit erhöhtem Fertigungsaufwand verbunden.

Für Lumineszenzdioden ist in der deutschen Offenlegungsschrift DE 101 07 472 A1 der Einsatz strukturierter Metallisierungen vorgeschlagen worden. Dabei wird in einer auf der p-dotierten Halbleiterschicht aufgebrachten Kontaktschicht eine Vielzahl von Öffnungen ausgebildet, die in erster Linie die Lichtauskopplung der Kontaktschicht verbessern, über die aber auch Wasserstoff der p-Schicht entweichen kann.

Die Ausnehmungen sind dabei kreisförmig, sechseckig oder in Form von langgestreckten Schlitzen ausgebildet und weisen Querschnittsabmessungen auf, die kleiner sind als das Doppelte der lateralen Stromaufweitung in der p-dotierten Schicht, welche einige Zehntel μm bis zu wenigen μm beträgt. Andererseits liegen Querschnittsabmessungen oberhalb einem Viertel der Wellenlänge des erzeugten Lichts, also oberhalb von etwa 50 nm.

Diese Lösung kann jedoch nicht in einfacher Weise auf die Prozessierung von Laserdioden übertragen werden, da ein Löcherkontakt die Kontaktfläche vermindert, was etwa bei AlInGaN-Laserdioden mit relativ großen p-Kontaktwiderständen und ohnehin im Vergleich zu Lumineszenzdioden nur kleinen Kontaktflächen zu einer nicht mehr hinnehmbaren Zunahme der Vorwärtsspannungen führen würde.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Halbleiterlaserdiode mit verbesserten Alterungseigenschaften, insbesondere mit stabiler Vorwärtsspannung anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch eine Halbleiterlaserdiode mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und bevorzugte Weiterbildungen der Halbleiterlaserdiode gemäß der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen 2 bis 11 hervor.

Erfindungsgemäß ist bei einer Halbleiterlaserdiode der eingangs genannten Art vorgesehen, daß an der Oberfläche des Halbleiterkörpers angrenzend an den Resonatorkontakt ein unbedeckter Freibereich vorgesehen ist, an dem Wasserstoff aus dem Halbleiterkörper entweichen kann.

Insbesondere ist in dem Freibereich mit Vorteil eine isolierende oder hochohmige Schicht an der Oberfläche des Halbleiterkörpers ausgebildet. Eine derartige Schicht verhindert wirkungsvoll Fehlströme, so daß auf eine diese Funktion erfüllende Wasserstoff zurückhaltende Passivierungsschicht im Freibereich verzichtet werden kann. Darüber hinaus kann die Verbindung zwischen der Anschlußkontaktfläche und dem Resonatorkontakt kleinflächig gehalten werden.

Zur Herstellung einer isolierenden oder hochohmigen Schicht an der Oberfläche des Halbleiterkörpers können der Halbleiter unter der Anschlußkontaktfläche sowie unter der elektrischen Verbindung zum Resonatorkontakt, oder auch nur unter der elektrischen Verbindung zum Resonatorkontakt beispielsweise durch Damageätzen derart behandelt sein, dass sich eine isolierende oder hochohmige Schicht ausbildet, die Fehlströme weitestgehend verhindert.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Resonatorkontakt in Form eines Kontaktstreifens ausgebildet und der Freibereich erstreckt sich beiderseits entlang des Kontaktstreifens.

Die Anschlußkontaktfläche ist zweckmäßig an einer oder mehreren Anschlußzone(n) (zum Beispiel Anschlußstege) mit dem Resonatorkontakt elektrisch verbunden. An der oder den Anschlußzone(n) überquert die Anschlußkontaktfläche dabei den Freibereich.

Bei dieser Ausgestaltung ist die Anschlußkontaktfläche mit Vorteil in dem an die Kontaktzone(n) angrenzenden Bereich von dem Halbleiterkörper durch eine Passivierungsschicht isoliert.

Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung bildet der an den Resonatorkontakt angrenzende Freibereich einen Teil einer lateralen Wellenführungsstruktur der Laserdiode. Bei manchen Laserstrukturen, wie etwa den so genannten Ridgewave-guide Lasern, ist die laterale Wellenführung durch die Differenz der Brechungsindizes von Halbleiter und angrenzendem Passivierungsmaterial bestimmt. Da im Freibereich die Umgebungsluft insofern die Rolle der Passivierung übernimmt und Luft einen geringeren Brechungsindex aufweist, als jedes andere übliche Passivierungsmaterial, wird die laterale Wellenführung gegenüber herkömmlichen Gestaltungen verbessert.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Halbleiterlaserdiode umfaßt der Halbleiterkörper eine Schichtenfolge aus einem n-leitenden Nitrid-Verbindungshalbleiter, einer aktiven Schicht und einem p-leitenden Nitrid-Verbindungshalbleiter. Der Resonatorkontakt ist dabei auf dem p-leitenden Nitrid-Verbindungshalbleiter angeordnet. Die aktive Schicht kann eine Multi-Quantentopf-Struktur oder eine andere geeignete Struktur für eine Laserdiode aufweisen. Solche Strukturen sind beispielsweise in S. Nakamura, G. Fasol, The Blue Laser Diode, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1997, S. 223 ff, beschrieben.

Der Halbleiterkörper kann in zweckmäßigen Ausgestaltungen auf Basis von GaN, AlN, InN, AlGaN, InGaN, AlInN oder AlGaInN ge bildet sein. Der Begriff Nitrid-Verbindungshalbleiter bezeichnet somit Nitridverbindungen von Elementen der dritten Hauptgruppe des Periodensystems der chemischen Elemente wie GaN, AlN oder InN und die auf diesen Verbindungen basierenden ternären und quaternären Mischkristalle, wie AlGaN, InGaN, AlInN oder AlGaInN.

Besonders bevorzugt ist der Halbleiterkörper auf Basis von In_xAl_yGa_1-x-yN, mit 0 ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 ausgebildet.

Die erfindungsgemäße Lösung läßt sich insbesondere in den Fällen mit Vorteil einsetzen, in denen der p-leitende Nitrid-Verbindungshalbleiter mit Magnesium dotiert ist.

Die Laserdiode weist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung eine kleine Resonatorbreite von 20 μm oder weniger, insbesondere von etwa 10 μm oder weniger auf. In solchen Gestaltungen erfolgt die Kontaktierung (beispielsweise Bonden) über eine großflächige Anschlußkontaktfläche, die mit dem eigentlichen Kontaktmetall zum Halbleiter (Resonator), dem Resonatorkontakt, elektrisch verbunden ist. Die Anschlußfläche selbst und die Verbindung zum Resonator müssen elektrisch vom Halbleiter getrennt sein, da sonst Fehlströme entstehen können.

Die beschriebene Gestaltung der Halbleiterlaserdiode ermöglicht, daß zumindest ein erheblicher Teil des in dem Halbleiterkörper enthaltenen Restwasserstoffs während des Betriebs der Laserdiode entweichen kann, ohne daß ein wesentlich erhöhter Kontaktwiderstand in Kauf genommen werden muß. Dadurch erweitert sich die Anzahl der bei der Herstellung einsetzbaren Technologieprozesse, da auch wasserstoffkritische Prozesse nicht mehr zu einer nachfolgenden Vergrößerung der Vorwärtsspannung beim Betrieb der Laserdiode führen.

Neben den geschilderten Vorteilen ergeben sich mit der erfindungsgemäßen Lösung insbesondere folgende Vorteile:

– es kann Restwasserstoff, der während des Betriebs an die Halbleiteroberfläche diffundiert, aus dem Halbleiter entweichen und bewirkt somit keine Kontaktverschlechterung, und
– es kann auf einen die Kontaktfläche vermindernden Löcherkontakt verzichtet werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Zeichnungen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert. Es sind jeweils nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt. Dabei zeigt

1 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausschnitts einer Halbleiterlaserdiode nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung (Schnitt entlang der Linie I-I von 2);

2 eine Aufsicht auf eine Laserdiode mit einer Kontaktstruktur gemäß 1;

3 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausschnitts einer Halbleiterlaserdiode nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung (Schnitt entlang der Linie I-I von 4); und

4 eine Aufsicht auf die Laserdiode mit einer Kontaktstruktur gemäß 3.

In den Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Bestandteile der verschiedenen Ausführungsbeispiele jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.

Bei dem Ausführungsbeispiel eines Vorwärtsspannungs (Uf)-stabilen (Al, In)GaN-Oxidstreifenlasers 10 gemäß den 1 und 2 weist der Oxidstreifenlaser 10 einen auf einem selbst nicht dargestellten Substrat angeordneten Halbleiterkörper 12 auf, der eine n-dotierte (Al, In)GaN-Schicht 14, eine aktive, Photonen emittierende Struktur 16 (aktive Schicht) und eine p-dotierte (Al, In)GaN-Schicht 18 enthält.

Die n-Dotierung erfolgt beispielsweise mit Silizium, die p-Dotierung mit Magnesium. Die aktive Schicht kann durch einen Quantentopf oder einen Mehrfachquantentopf, beispielsweise eine auf In_xAl_yGa_1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 basierende Multi-Quantentopfstruktur, gebildet sein.

Auf der p-Halbleiterschicht 18 ist ein Resonatormetallisierung 24 (Resonatorkontakt) in Form eines langgestreckten, schmalen Kontaktstreifens aufgebracht. Ein Freibereich 26, in dem auf der Halbleiterschicht keine Resonatormetallisierung aufgebracht ist, ist beiderseits der Resonatormetallisierung 24 angeordnet, und erstreckt sich, wie am besten in 2 zu erkennen, entlang der axialen Ausdehnung der streifenartig ausgebildeten Resonatormetallisierung 24.

Außerhalb des Freibereichs 26 ist über einer Passivierungsschicht 20 eine großflächige Anschlußkontaktfläche 22 angeordnet, die der Stromzuführung zur Laserdiode 10 dient. Die Anschlußkontaktfläche 22 ist mittels zweier Verbindungsbrükken 28, die mit einem Abstand voneinander von der Anschlußkontaktfläche 22 zur Resonatormetallisierung 24 führen, mit der Resonatormetallisierung 24 elektrisch verbunden.

Im Bereich der Verbindungsbrücken 28 ist die Passivierungsschicht 20 mit dem aufliegenden Kontaktmetall bis an die Resonatormetallisierung 24 herangeführt. In den übrigen Bereichen ist der Freibereich 26 weder von einer Passivierungsschicht noch einer anderen Schutzschicht bedeckt. Somit kann Restwasserstoff aus dem Inneren des p-Halbleiters 18 zu dem Freibereich 26 diffundieren und dort aus dem Halbleiterkörper 12 entweichen, wie durch die Pfeile 30 in 1 angedeutet.

Somit entsteht im Wesentlichen weitestgehend keine mit Wasserstoff angereicherte Grenzschicht zwischen dem p-Halbleiter 18 und der p-Metallisierung 24, die bei herkömmlichen Gestaltungen zu einer Verschlechterung der Vorwärtsspannung Uf im Betrieb der Laserdiode führen kann.

Der Ridgelaser 10 der 3 und 4 ist, wie das oben beschriebene Ausführungsbeispiel, ebenfalls auf Basis von (Al,In)GaN gebildet. Im Unterschied zu dem Oxidstreifenlaser der 1 und 2 ist unter der Resonatormetallisierung 24 eine laterale Wellenleiterstruktur 32 ausgebildet. Der Freibereich 26 grenzt unmittelbar an die Wellenleiterstruktur 32 an und erstreckt sich wie im ersten Ausführungsbeispiel entlang der axialen Ausdehnung der streifenartigen Resonatormetallisierung 24.

Die Gestaltung der 3 und 4 bietet zwei Vorteile. Zum einen kann, wie oben beschrieben, Restwasserstoff aus dem p-Halbleiter 18 in dem Freibereich 26 aus dem Halbleiterkörper 12 austreten (Pfeile 30), zum anderen grenzt die Wellenleiterstruktur 32 direkt an die Umgebungsluft an. Da die laterale Wellenführung durch die Differenz der Brechungsindizes von Halbleitermaterial und dem angrenzenden Medium, im Ausführungsbeispiel also Luft bestimmt ist, ergibt sich wegen des geringen Brechungsindex von Luft verglichen mit anderen herkömmlichen Medien (Passivierungsmaterialien) eine verbesserte laterale Wellenführung.

Es versteht sich, daß die in der Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung sowohl einzeln als auch in jeder möglichen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein können.

Claims

Halbleiterlaserdiode mit – einem Halbleiterkörper (12) mit einer Photonen emittierenden, aktiven Schicht (16) auf Basis eines Nitrid-Verbindungshalbleiters, – einem auf dem Halbleiterkörper (12) angeordneten Resonatorkontakt (24), und – einer mit dem Resonatorkontakt (24) elektrisch verbundenen Anschlußkontaktfläche (22), dadurch gekennzeichnet, daß an der Oberfläche des Halbleiterkörpers (12) angrenzend an den Resonatorkontakt (24) ein unbedeckter Freibereich (26) vorgesehen ist, an dem Wasserstoff (30) aus dem Halbleiterkörper (12) entweichen kann.
Halbleiterlaserdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Freibereich (26) eine isolierende oder hochohmige Schicht an der Oberfläche des Halbleiterkörpers (12) ausgebildet ist.
Halbleiterlaserdiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonatorkontakt in Form eines Kontaktstreifens (24) ausgebildet ist und sich der Freibereich (26) beiderseits entlang des Kontaktstreifens (24) erstreckt.
Halbleiterlaserdiode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß – die Anschlußkontaktfläche (22) an einer oder mehreren Kontaktzone(n) (28) mit dem Resonatorkontakt (24) elektrisch verbunden ist, und daß – die Anschlußkontaktfläche (22) an dieser (diesen) Kontaktzone(n) den Freibereich (26) zum Resonatorkontakt hin überquert.
Halbleiterlaserdiode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußkontaktfläche (22) und die Kontaktzone(n) (28) von dem Halbleiterkörper (12) durch eine Passivierungsschicht (20) elektrisch isoliert sind.
Halbleiterlaserdiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der an den Resonatorkontakt (24) angrenzende Freibereich (26) einen Teil einer lateralen Wellenführungsstruktur (32) der Laserdiode bildet.
Halbleiterlaserdiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (12) eine Schichtenfolge aus einem n-leitenden Nitrid-Verbindungshalbleiter (14), einer aktiven Schicht (16) und einem p-leitenden Nitrid-Verbindungshalbleiter (18) umfaßt und der Resonatorkontakt (24) auf dem p-leitenden Nitrid-Verbindungshalbleiter (18) angeordnet ist.
Halbleiterlaserdiode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (12) auf Basis von GaN, AlN, InN, AlGaN, oder InGaN gebildet ist.
Halbleiterlaserdiode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (12) auf Basis von In_xAl_yGa_1-x-yN, mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 ausgebildet ist.
Halbleiterlaserdiode nach einem der Ansprüche 7 bis 9, v, daß der p-leitende Nitrid-Verbindungshalbleiter (18) mit Mg dotiert ist.
Halbleiterlaserdiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Laserdiode eine kleine Resonatorbreite von 20 μm oder weniger, insbesondere von etwa 10 μm oder weniger aufweist.