DE2843280A1 - Glasueberzug fuer optisches halbleiter- bauelement - Google Patents

Glasueberzug fuer optisches halbleiter- bauelement

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DE2843280A1 DE19782843280 DE2843280A DE2843280A1 DE 2843280 A1 DE2843280 A1 DE 2843280A1 DE 19782843280 DE19782843280 DE 19782843280 DE 2843280 A DE2843280 A DE 2843280A DE 2843280 A1 DE2843280 A1 DE 2843280A1
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Description

BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMER ZWIRNER - HIRSCH · BREHM 28 A328O
PATENTANWÄLTE IN MÖNCHEN UND WIESBADEN
Patentconsult Radedcestraße 43 8000 Mündien 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-2123T3 Telegramme Patentconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult
Western Electric Company, Incorporated Barnes, 1-2-90 222 Broadway,
New York, N.Y. IOO38,
U.S.A.
Glasüberzug für optisches Halbleiter-Bauelement
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft den Schutz von optischen Halbleiter-Bauelementen und die Einstellung des Reflektionsvermögens der Begrenzungsflächen (Facetten).
Die Bezeichnung "optisches Halbleiter-Bauelement" soll nachfolgend zur Bezeichnung irgendwelcher Bauelemente verwendet werden, die einen Körper aus einem Halbleitermaterial aufweisen, der einerseits als Folge der Anlegung von Spannung
München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · P. Hirsch Dipr.-lng. · H. P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P. G. Blumbacfi Dlpl.-Ing".. P. Bergen Dipl.-mg. Dr. fur. · G. Zwirner Dipt.-Ing. Dipl.-W.-Ing.
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Licht emittiert, oder der andererseits als Folge von einfallendem Licht eine Spannung liefert und damit das Licht anzeigt. Beispiele für optische Halbleiter-Bauelemente sind lichtemittierende Dioden, superstrahlende Dioden, Laserdioden, Detektoren, optische Isolatoren und Photοtransistoren, wie sie etwa in dem Beitrag "Light-Emitting Diodes" von A.A. Bergh und P.J. Dean in Clarenden Press, 1976, beschrieben sind.
Die Entwicklung von optischen Halbleiter-Bauelementen hat eine Stufe erreicht, welche die Anwendung in optischen Nachrichtenübertragungssystemen wahrscheinlich macht. Unter diesen optischen Halbleiterbauelementen sind insbesondere Laserdioden besonders gut entwickelt, welche aus einem Galliumarsenid-Substrat bestehen, auf dem in epitaktisch aufgebrachten Schichten aus Germanium oder Tellur, die ihrerseits mit Galliumarsenid und Galliumaluminiumarsenid dotiert sind, lichtemittierende p-n-Übergänge ausgebildet sind. Zur Aufbringung dieser Schichten sind Verfahren wie die Flüssigphasenepitaxie und die Molekularstrahlepitaxie erfolgreich angewandt worden.
Laserdioden werden typischerweise in Form von winzigen Chips hergestellt, die hinsichtlich Größe und Form mit Salzkörnern vergleichbar sind^ an diesen Chips- sind an zwei, zu den Epitaxialflachen parallelen Grenzflächen Elektroden angebracht. Von den vier, zu den Epitaxialschichten senkrechten Grenzflächen sind typischerweise zwei Grenzflächen aufgerauht und zwei Grenzflächen stellen Spaltflächen dar, die als teilweise reflektierende Spiegel dienen, so daß ein Fabry-Perot-Resonator
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erhalten wird. Ein Überblick über den Entwicklungsstand der Laserdiodentechnologie kann dem Beitrag "Heterostructure Injection Lasers" von M.B.Panish in Proceedings of the IEEE, Band 64, Wr. 10, S. 1512-1540 (Oktober 1976) entnommen werden.
Die praktische Anwendung von optischen Halbleiter-Bauelementen in Nachrichtenübertragungssystemen hängt von einer Anzahl von Bauelement-Eigenschaften ab; einige dieser Eigenschaften hängen wieder in charakteristischer Form von den Grenzflächenqualitäten ab; hierzu gehören die Beständigkeit gegen die Einwirkung der umgebenden Atmosphäre und das Ausmaß des ReflektionsVermögens der Grenzfläche. Beispielsweise wird für lichtemittierende Dioden ein geringes Grenzflächen-Reflektionsv.ermögen gefordert, um eine max. Lichtabgabe zu erzielen. In gleicher Weise ist für Photodiodendetektoren ein geringes Grenzflächenreflektionsvermögen wünschenswert, um eine max. Empfindlichkeit der Diode zu erzielen. Im Falle von Laserdioden ist erkannt worden, daß selbst bei relativ mäßigen Energiewerten eine Erosion der Spiegel-Grenzfläche die Lebensdauer der Diode verkürzen kann. Um diese Probleme auszuschalten ist die Anwendung von dielektrischen Schutzüberzügen auf den lichtemittierenden Grenzflächen bzw. Facetten von Laserdioden vorgeschlagen worden.
Mit den Beiträgen
"Control of Facet Damage in GaAs Laser Diodes" von M.Ettenberg, H.S. Sommers, H.Kressel und
H.F.Lockwood in Applied Physics Letters, Band 18, 909815/0954
Nr. 12, S.571-573 (Juni 1971); sowie " Al2O7, Halfwave Films for Long-Life CW Lasers" von I.Lädany, M. Ettenberg, H.F. Lockwood und H.Kressel in Applied Physics Letters, Band 30, Nr. 2, S. 87-88 (15.Januar 1977)
sind für diesen Zweck insbesondere Überzüge aus Siliciumdioxid (SiCU) und Aluminiumoxid (Al2O,) vorgeschlagen worden.
Mit den Beiträgen
"Influence of Device Fabrication Parameters on Gradual Degradation of (AlGa)As CW Laser Diodes" von I. Ladany und H.Kressel in Applied Physics Letters, Band 25, Hr.e12, S. 708-710 (15.Dez.1974); und
"Reliability Aspects and Facet Damage in High Power Emission From (AlGa)As CW Laser Diodes at Room Temperature" von H. Kressel und I. Ladany in RCA Rev., Band 36, S.231-239 (Juni 1975)
ist über andere Aspekte der Langzeitzuverlässigkeit von Laserdioden berichtet worden.
Trotz dieser älteren Untersuchungen und Vorschläge besteht weiterhin ein Bedarf nach einem Überzug für optische Halbleiter-Bauelemente, welchergegenüber dem Halbleiter ein geringes Reflexionsvermögen aufweist und welcher die Erosion des Halbleiters verhindert. Die vorliegende Erfindung ist auf die Lösung dieses Problemes gerichtet.
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Im einzelnen ist die erfindungsgemäße Lösung dieses Problems ein optisches III-V Halbleiter-Bauelement mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Im Rahmen der Erfindung ist festgestellt worden, daß Bleisilikatglas besonders als Überzugsmaterial zum Schutz von optischen Halbleiter-Bauelementen und zur Einstellung des Oberflächenreflektionsvermögens geeignet ist. Der überzug kann auf dem Halbleitermaterial leicht durch Zerstäuben eines vorgefertigten Glaskörpers aufgebracht werden; die Zusammensetzung des vorgefertigten Glaskörpers ist dahingehend ausgewählt, daß geeignete thermische und optische Eigenschaften gewährleistet sind.
Nachfolgend wird die Erfindung mit Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 im einzelnen erläutert; es zeigt:
Fig. 1 in schematischer und stark vergrößerter
Darstellung eine Laserdiode mit einem Bleisilikat-Schutzüberzug ;
Fig. 2 in graphischer Darstellung den Brechungsindex und den linearen Ausdehnungskoeffizienten von Bleisilikatglas als Funktion der Glaszusammensetzung; und
Fig. 3 in graphischer Darstellung die Lichtabgabe
einer" GaAs-Laserdiode vor und nach dem Auf-9 09815/09S4
bringen eines Überzugs aus Bleisilikatglas auf einer lichtemittierenden Begrenzungsfläche.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, gehören zu der Laserdiode ein GaAs-Substrat 1, eine elektrisch aktive Schicht 2, ein Wellenleiterstreifen 3, Bleisilikatglas-Überzüge 4, ein elektrischer Kontaktfleck 5 und ein elektrischer Anschlußdraht 6. Die Überzüge 4 werden'zweckmäßigerweise durch Zerstäubung eines vorgeformten Glaskörpers auf-gebracht, welcher die angestrebte Zusammensetzung aufweist. Die fertigen überzüge haben einheitliche Zusammensetzung, haften gut und sind frei von Nadellöchern.
Die Darstellung nach Fig. 2 beruht auf den Beiträgen von "Properties of Glass", von G.W.Morey, S.375 (2.Auflage, erschienen bei Reinhold Press, 1954); und
"The Constitution of Lead Oxide Silica Glasses:II, the Correlation of Physical Properties with Atomic Arrangement" von G.J. Bair in Journal of the American Ceramic Society, Band 19, S.347-358 (1936)
und kann hilfreich zur Auswahl von Glaszusammensetzungen im Hinblick auf den Brechungsindex oder den linearen Ausdehnungskoeffizienten sein. Beispielsweise ist ersichtlich, daß ein Molverhältnis von angenähert 34:66 für die Glasbestandteile PbO und S1O2 ein Glas ergibt, dessen linearer Ausdehungs-
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koeffizient eng demjenigen von GaAs entspricht. Alternativ führt ein Molverhältnis von angenähert 49,5^50,5 zu einem Glas, dessen Brechungsindex n2=1,9 besonders zweckmäßig für einen Antireflektionsbelag auf GaAs mit einem Brechungsindex von n^=5,6i ist.
Bleisilikatglas kann auch günstig auf anderen Halbleitermaterialien wie etwa GaAlAs, GaP, GaAsP, GaInAsP und GaAsSb aufgebracht werden. Noch allgemeiner ausgedrückt, kann auf Halb-" 1eitermaterialien, deren linearer Ausdehungskoeffizient vorzugsweise im Bereich von 4x10"" /0C bis 14x10" /0C liegt, ein Überzug aus thermisch verträglichem Bleisilikatglas aufgebracht werden. Die Zusammensetzung des Bleisilikatglases soll vorzugsweise in einem Bereich von im wesentlichen 20 Mol-% PbO und 80 Mol-% SiO2 bis im wesentlichen 70 Mol-% PbO und 30 Mol-%
2 liegen. Ein Anteil von wenigstens 20, und vorzugsweise 30 Mol-% PbO wird angestrebt, um ein ausreichendes Schmelzen des Bleisilikatglases bei relativ niedrigen Temperaturen zu gewährleisten. Anteile von wenigstens 30 und vorzugsweise 40 Mol-% SiO2 werden angestrebt, um eine Glasbildung zu gewährleisten. Es ist bekannt, daß die Anwesenheit von Kupfer-, Natrium- oder Kaliumionen die Lebensdauer von optischen Dioden verkürzen kann; der Anteil an solchen Ionen in dem Glasüberzug soll deshalb möglichst klein sein. Solche transparenten Oxide wie etwa Boroxid (B2O,), Aluminiumoxid (Al2O,) und Zirkonoxid (ZrOp) können in einem zusammengenommenen Anteil von bis zu 10 Gew.-% toleriert werden; diese Oxide sind nützlich, um den
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Überzug in einem glasartigen Zustand zu halten, z.B.,wo hohe Temperaturen auftreten. Derartige Gläser sind in dem Beitrag "Solder Glass Sealing" von Robert H.Dalton in Journal of the American Ceramic Society, Band 39» S.109-112, vorgeschlagen worden.
Die Darstellung nach Fig. 3 zeigt die günstigen Auswirkungen, die durch die Aufbringung eines Bleisilikatglas-Überzugs auf einer GaAs-Laserdiode erzielt werden. Die mit A und B bezeichneten voll ausgezogenen Kurven entsprechen der Lichtabgabe von zwei lichtemittierenden Begrenzungsflächen einer nicht-überzogenen GaAs-Laserdiode. Die mit A1 und B1 bezeichneten, gestrichelt ausgezogenen Kurven entsprechen der Lichtabgabe einer Laserdiode, bei der eine lichtemittierende Begrenzungsfläche mit einer Schicht aus Bleisilikatglas überzogen ist. Im einzelnen entspricht die Kurve A1 der Lichtabgabe aus der nicht-überzogenen Begrenzungsfläche und die Kurve B1 der Lichtabgabe aus der überzogenenBqgrenzungsflache der Laserdiode. Es ist ersichtlich, daß die Anwesenheit des Überzugs zu einer größeren Intensität des emittierten Laserlichtes und zu einer stärk-eren linearen Punktion vom Diodenstrom führt. Dieser Vorteil beruht auf dem verringerten Begrenzungsflächen-Reflektionsvermögen bei Anwesenheit des Überzugs und kann nicht nur bei Laserdioden realisiert wa?den, sondern auch bei anderen lichtemittierenden optischen Halbleiter-Bauelementen. Im Falle von Photodioden besteht der entsprechende Vorteil in einer gesteigerten Empfindlichkeit der überzogenen Diode;
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daruberhinaus sind in allen Fällen die überzogenen optischen Halbleiter-Bauelemente wirksam vor den schädlichen Einflüssen der umgebenden Atmosphäre geschützt.
Üblicherweise stören Überzüge, deren Dicke der il/2 Wellenlänge des durch die Oberfläche hindurchtretenden Lichtes entspricht, das Reflektxonsvermogen der überzogenen Oberfläche nicht nennenswert. Solche Überzüge können zum Schutz der Oberfläche eingesetzt werden; die Zusammensetzung dieser Überzüge kann hauptsächlich im Hinblick auf die thermische Verträglichkeit mit den Halbleitermaterial ausgewählt werden. Überzüge mit der optischen Dicke von 1/4- der Wellenlänge sind besonders als Antireflektionsbelag geeignet. Sofern solche Beläge oder Überzüge aus einem Glas bestehen, dessen Brechungsindex angenähert gleich der Quadratwurzel des Brechungsindex des Halbleitermateriales ist, können diese Überzüge dazu dienen, das Oberflächenreflektionsvermögen auf einen Wert von im wesentlichen Null herabzusetzen. Daruberhinaus kann das Oberflächenreflektionsvermögen auf jeden beliebigen Wert zwischen Null und dem Reflexionsvermögen der nicht-überzogenen Oberfläche eingestellt werden, indem der Überzug eine Dicke im Bereich von 1/4 bis 1/2 der Wellenlänge erhält und indem die Zusammensetzung des Glases dahingehend ausgewählt wird, daß der Brechungsindex des Glases angenähert der Quadratwurzel des Brechungsindex des Halbleitermaterials entspricht.
Obwohl ein Mo!verhältnis der Glasbestandteile PbO:SiO2 von
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49,5:50,5 für einen Antireflektionsbelag auf GaAs optimal ist, können Gläser im Zusammensetzungsbereich von 30:70 bis 60:40 Mol-%, sofern sie in einer optischen Schichtdicke von 1/4 der Wellenlänge aufgebracht werden, das Oberflächenreflektionsvermögen einer überzogenen GaAs-Oberfläche auf einen Wert vonWQiiger als angenähert 1% verringern. Um übermäßige Spannungen zwischen dem Überzug und dem GaAs-Substrat zu vermeiden, soll der PbO-Anteil vorzugsweise im Bereich von 30 bis 40 Mol-% liegen. Sofern eine Zunahme des Oberflächenreflektionsvermögens angestrebt wird, kann eine zusätzliche Schicht aus einem stark reflektierenden Material, wie etwa Gold auf der Glasschicht aufgebracht werden, beispielsweise mittels üblicher Aufdampfverfahren.
Beispiel:
Bleisilikatglas mit einem Gehalt von 54 Mol-% PbO und 46 Mol-% SiO2 wurde zu einer Scheibe mit einem Durchmesser von 15 cm gegossen. Diese Scheibe wurde in einer mit einer öldiffusionspumpe ausgestatteten Hochfrequenz-Zerstäubungsapparatur befestigt. Im Verlauf der Zerstäubung wurde innerhalb der Zerstäubungsapparatur eine Atmosphäre aus 80% Argon und 20% Sauerstoff bei
—2
einem Gesamtdruck von 10 Torr eingehalten. Der Kathode wurde ein Hochfrequenz-Energiebetrag von 100 V zugeführt, was einer mittleren Energiedichte von 0,56 V/cm entspricht. Auf GaAs-AlGaAs-Laserdioden mit doppelter HeteroStruktur wurden Bleisilikatglasschichten mit einer Schichtdicke im Bereich von 40 bis 25O nm aufgebracht. Der Abstand zwischen dem Target
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und dem Substrat betrug 38 mm; es wurde eine Abscheidungsgeschwindigkeit von 2 nm/min erhalten. Im Ergebnis wurden einheitliche, fest anhaftende Schichten erhalten, die frei von Nadellöchern waren. Die an einer Laserdiode mit einem 113 n®- dicken Glasüberzug durchgeführten Messungen sind mit Fig. 3 dargestellt. Diese Überzugsdicke entspricht einer optischen Dicke von 0,27 Wellenlängen.
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e e 416 ·♦
r s e 11

Claims (8)

  1. BLUMBACH · WEISER . BERGEN · KRAMER ZWIRNER . HIRSCH · BREHM
    PATENTANWÄLTE IN MÖNCHEN UND WIESBADEN 2843280
    Patentconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon {06121) 5629437561995 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult
    Western Electric Company, Incorporated 222 Broadway,
    New York, N.Y. IOO38,
    U.S.A.
    Glasüberzug für optisches Halbleiter-Bauelement
    Patentansprüche:
    Ein optisches III-V Halbleiter-Bauelement mit einem Körper aus wenigstens einem Halbleitermaterial, wobei wenigstens ein Teil des Körpers mit wenigstens einer ersten Schicht aus dielektrischem Material bedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß
    das dielektrische Material im wesentlichen aus Glas besteht; das Glas seinerseits zu wenigstens 90 Gew.-% aus Bleioxid (PbO) und Siliciumdioxid (SiO2) besteht; wobei das Molverhältnis zwischen PbO und SiO2 im Bereich
    München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · P. Hirsch Dipl.-Ing. · H.P. Brehm Dipl.-Chem. Or. phil. nat. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.-lncJ. · P. Bergen Dipl.-Ing. Dr.jur. ■ G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.
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    von 20 *: 80 bis 70 : 30 liegt.
  2. 2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Molverhältnis im Bereich von 30 : 70 bis 60 : 40 liegt.
  3. 3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
    das Halbleitermaterial einen linearen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 4 χ 10~6/°C bis 14 χ 1O~6/°C aufweist.
  4. 4. Bauelement nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial ein Material der nachfolgenden Gruppe, nämlich GaAs, GaAlAs, GaP, GaAsP, GaInAsP und GaAsSb ist.
  5. 5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial GaAs ist; und das Molverhältnis im Bereich von 30 : 70 bis 40 : 60 liegt.
  6. 6. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement eine Laserdiode mit einem Licht-emittierenden p-n-Übergang ist, das optische Reflektoren und elektrische Anschlüsse aufweist.
  7. 7. Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekemizeichnet, daß die optischen Reflektoren Spiegel sind, nämlich durch Spaltung gebildete, parallele Begrenzungsflächen des Körpers.
  8. 8. Bauelement nach Anspruch 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet t daß" die Ebene des p-n-Überganges senkrecht zur Ebene des Spiegels ausgerichtet ist.
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DE19782843280 1977-10-11 1978-10-04 Glasueberzug fuer optisches halbleiter- bauelement Withdrawn DE2843280A1 (de)

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