DE3919462A1 - Mehrfach-halbleiterlaser und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Mehrfach-Halbleiterlaser, d. h. einen Halbleiterlaser mit mehreren Bereichen mit jeweils einem lichtemittierenden Punkt. Bei derartigen Mehrfach-Halbleiter­ lasern kommt es darauf an, daß benachbarte Bereiche thermisch und elektrisch so gut wie möglich voneinander getrennt sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Lasers.

Ein Mehrfach-Halbleiterlaser mit dem Aufbau gemäß dem Oberbe­ griff von Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 3 zum Herstellen eines solchen Lasers wird nun an­ hand von Fig. 4 beschrieben.

Auf einem Halbleitersubstrat 1 vom P-Typ sind Stromsperrschich­ ten 2 a und 2 b aus N-Typ GaAs aufgebracht. Es folgen erste Ab­ deckschichten 3 a bzw. 3 b aus P-Typ A 10.5Ga0.5As, aktive Schich­ ten 4 a bzw. 4 b aus P-Typ A10.15Ga0.85As und zweite Abdeckschich­ ten 5 a bzw. 5 b aus N-Typ A10.5Ga0.5As sowie Kontaktschichten 6 a bzw. 6 b aus N-Typ GaAs. In den Sperrschichten 2 a und 2 b sind Strominjektionsgräben 7 a bzw. 7 b ausgebildet, an deren Böden sich Lichtemissionspunkte 8 a bzw. 8 b der Laseranordnung befin­ den. Zwischen den beiden Bereichen mit den Lichtemissionspunk­ ten 8 a und 8 b ist ein Trenngraben 9 hergestellt. Die Kontakt­ schichten 6 a und 6 b sind mit n-seitigen Elektroden 10 a bzw. 10 b versehen. Eine gemeinsame p-seitige Elektrode 11 ist auf dem Substrat 1 aus P-Typ GaAs angebracht. Die Laseranordnung ist auf einem elektrisch isolierenden Träger 12 mit Trägerelektro­ den 13 a und 13 b zum Kontaktieren der n-seitigen Elektroden 10 a bzw. 10 b montiert. Die Laseranordnung ist mit der Übergangs­ seite nach unten gebondet, also so, daß die Lichtemissionspunkte dicht bei der Wärmesenke liegen.

Da der Trenngraben 9 bis in das Substrat 1 hineinreicht, sind die Lichtemissionspunkte 8 a und 8 b n-seitig voneinander ge­ trennt. Wenn eine Vorspannung in Vorwärtsrichtung zwischen die n-seitige Elektrode 10 a und die p-seitige Elektrode 11 gelegt wird, tritt Laserschwingung am Lichtemissionspunkt 8 a auf, wäh­ rend Laserschwingung am Lichtemissionspunkt 8 b auftritt, wenn eine entsprechende Spannung zwischen die n-seitige Elektrode 10 b und die p-seitige Elektrode 11 gelegt wird. Die beiden Licht­ emissionspunkte können also unabhängig voneinander über die Trägerelektroden 13 a und 13 b, die voneinander isoliert sind, angesteuert werden.

Da der Wärmeübergangswiderstand zwischen den Gebieten der Licht­ emissionspunkte und der Wärmesenke gering ist und gute Abstrahl­ eigenschaften vorliegen, tritt erheblich geringere Wärmeinter­ ferenz auf, als sie in demjenigen Fall vorliegt, bei dem eine Halbleiteranordnung mit der Übergangsseite abgewandt vom Träger gebondet ist.

Bei der beschriebenen Halbleiteranordnung ist zwar die n-seitige elektrische Trennung optimal, jedoch läßt die p-seitige Tren­ nung, also auf der Seite des Substrates zu wünschen übrig. Damit hängt die Lichtemission von den beiden Lichtemissionspunkten von Ein/Aus-Bedingungen am jeweils anderen Lichtemissionspunkt ab, was für praktische Anwendungen ein großes Hindernis dar­ stellt. Darüber hinaus fließt beim Bonden nach unten Lötmittel aus, wodurch häufig Elektroden kurzgeschlossen werden, was ein großes Problem beim Herstellen eines solchen Lasers darstellt. Es können zwar Gegenmaßnahmen am Träger ergriffen werden, je­ doch nur bei Laseranordnungen bis zu maximal drei lichtemittie­ renden Punkten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mehrfach-Halb­ leiterlaser anzugeben, der so aufgebaut ist, daß lichtemittie­ rende Punkte optimal elektrisch voneinander entkoppelt sind, und zwar auch beim Bonden mit den aktiven Bereichen benachbart zum Träger. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Lasers anzugeben.

Die Erfindung ist für den Laser durch die Merkmale von Anspruch 1 und für das Herstellverfahren durch die Merkmale von Anspruch 3 gegeben.

Der erfindungsgemäße Laser zeichnet sich dadurch aus, daß die einzelnen Bereiche mit den lichtemittierenden Punkten nicht nur durch jeweils einen Graben, sondern auch noch durch einen elek­ trisch isolierenden Bereich voneinander getrennt sind, bis in den hinein ein jeweiliger Graben reicht. Der isolierende Strei­ fen reicht bis zu derjenigen Fläche, die der Fläche gegenüber­ liegt, von der die Gräben aus eingesenkt sind. Dies führt zu einer optimalen Isolierung benachbarter Bereiche voneinander.

Darüber hinaus besteht der Vorteil, daß nicht nur die Oberflä­ che, von der aus die Gräben eingesenkt sind, in Bereiche unter­ teilt ist, sondern daß dies auch für die Gegenseite gilt. Es ist nun nicht mehr erforderlich, die Einzelkontaktierung von der Bondierungsseite her vorzunehmen, sondern die Einzelkontak­ tierung kann auf der nach oben liegenden Seite vorgenommen wer­ den. Es werden alle zum Träger zeigenden Bereiche gemeinsam kon­ taktiert. Daher ist nicht mehr darauf zu achten, daß beim Bon­ den Kurzschlüsse durch austretendes Lötmittel vermieden werden; hier ist eine durchgehende Kontaktierung gerade das Erwünschte. Damit ist das größte Problem bei der Herstellung herkömmlicher Mehrfach-Halbleiterlaser beseitigt.

Erfindungsgemäße Halbleiterlaser werden gemäß Anspruch 3 dadurch hergestellt, daß zunächst auf dem üblicherweise verwendeten Sub­ strat Stege aus isolierendem oder halbisolierendem Halbleiter­ material, entsprechend dem Material des Substrates, ausgebil­ det werden. Wird abschließend das Substrat abgetragen, wie üb­ lich, bleiben die Stege noch stehen. Die Trenngräben werden so tief eingeformt, daß sie bis in die Stege reichen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Fig. 1-3 näher veranschaulicht. Fig. 4 zum Stand der Technik wurde bereits erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Mehrfach-Halb­ leiterlasers mit getrennten Einzelbereichen, vor dem Bonden;

Fig. 2a-2e perspektivische Darstellungen von verschiedenen Zwischenprodukten beim Herstellen des Lasers gem. Fig. 1;

Fig. 3 perspektivische Darstellung eines Mehrfach-Halblei­ terlasers mit fünf lichtemittierenden Punkten, in gebondetem Zustand; und

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines Mehrfach-Halb­ leiterlasers gemäß dem Stand der Technik, in gebon­ detem Zustand.

Der Mehrfach-Halbleiterlaser gemäß Fig. 1 weist zwei P-Typ Halb­ leitersubstratbereiche 1 a′ und 1 b′ auf, die durch einen strei­ fenförmigen halbisolierenden GaAs-Bereich 20 und einen Trenn­ graben 9 elektrisch voneinander getrennt sind. Auf den Substrat­ bereiche 1 a′ und 1 b′ sind Schichten in der folgenden Reihen­ folge aufgebracht: Stromsperrschichten 2 a bzw. 2 b aus N-Typ GaAs, Deckschichten 3 a bzw. 3 b aus P-Typ Al0.5Ga0.5As, aktive Schichten 4 a bzw. 4 b aus P-Typ Al0.15Ga0.85As, zweite Deck­ schichten 5 a bzw. 5 b vom N-Typ, Kontaktschichten 6 a bzw. 6 b aus N-Typ GaAs und n-seitige Elektroden 10 a bzw. 10 b. P-seitige Elektroden 11 a und 11 b sind auf den Substraten 1 a bzw. 1 b an­ geordnet. Strominjektionsgräben 7 a bzw. 7 b sind in den Sperr­ schichten 2 a bzw. 2 b angeordnet, um lichtemittierende Punkte 8 a bzw. 8 b zu erzeugen.

Gemäß Fig. 2a wird auf einem Substrat 20′ aus halbisolierendem GaAs ein Steg durch Ätzen ausgebildet, z. B. durch RIE (Reactive Ion Etching) oder durch RIBE (Reactive Ion Beam Etching). Dieser hochstehende Streifen wird in einem nächsten Schritt, wie in Fig. 2b dargestellt, durch Aufbringen einer GaAs-Schicht 2′ vom P-Typ eingebettet. Die Schicht wird durch Flüssigphasenepitaxie hergestellt und sie wird eingeebnet, z. B. durch Polieren. An­ schließend wird eine N-Typ Stromsperrschicht aufgebracht, in die Strominjektionsgräben 7 a und 7 b eingezogen werden (Fig. 2b). Auf diesen Wafer werden eine erste Deckschicht 3, eine aktive Schicht 4, eine zweite Deckschicht 5 und eine Kontaktschicht 6 durch jeweils geeignete Aufwachstechniken abgeschieden. Eine Anordnung mit der genannten Schichtfolge ist in Fig. 2c darge­ stellt, die auch n-seitige Elektroden 10 a und 10 b zeigt, die in Ohmschem Kontakt mit der Kontaktschicht 7 aufgebracht sind. Danach wird, wie in Fig. 2d dargestellt, der Trenngraben 9 ein­ geformt, und zwar so weit, daß er von der Kontaktschicht 6 aus bis in den erhöhten Bereich des Substrates 20′ reicht. Der Graben wird z. B. durch Ätzen eingeformt. Anschließend wird das Substrat 20′ mit Ausnahme des in der Trägerschicht 1′ einge­ betteten Steges durch Polieren oder Ätzen entfernt; woraufhin die P-Typ GaAs-Schichten 1 a′ und 1 b′ freiliegen, auf denen p-seitige Elektroden 11 a und 11 b mit Ohmschem Kontakt ausgebil­ det werden. Am Ende wird das in Fig. 2e dargestellte Bauteil erhalten, das mit demjenigen von Fig. 1 übereinstimmt.

Beim Halbleiterlaser gemäß Fig. 1 sind die Bereiche mit den lichtemittierenden Punkten 8 a und 8 b durch den Trenngraben 9 und den isolierenden Steg 20 elektrisch voneinander getrennt, wodurch elektrische Interferenz, hervorgerufen durch unter­ schiedliches Betreiben der verschiedenen lichtemittierenden Punkte, auf einen vernachlässigbaren Wert verringert ist. Da­ rüber hinaus besteht der große Vorteil, daß das Bauteil problem­ los mit der aktiven Seite nach unten auf einen Träger gebondet werden kann, ohne daß Gegenmaßnahmen gegen das Auslaufen des Lötmittels unternommen werden müssen. Dadurch wird der Wirkungs­ grad in der Herstellung außergewöhnlich stark erhöht.

Beim beschriebenen Herstellverfahren ist die vergrabene P-Typ GaAs-Halbleiterschicht flach, was es ermöglicht, verschiedene Herstellmethoden für die Struktur einzusetzen, was wiederum eine große Einsatzbreite solcher Bauteile zur Folge hat.

Anhand der Fig. 1 und 2 wurde ein Mehrfach-Halbleiterlaser mit zwei Lichtemissionspunkten beschrieben. Mit dem angegebenen Aufbau ist es aber auch auf einfache Art und Weise möglich, Mehrfach-Halbleiterlaser mit mehr als drei lichtemittierenden Punkten herzustellen, was bisher nur schwer erreichbar war.

Der Laser gemäß Fig. 3 verfügt über fünf Lichtemissionspunkte 8 a-8 e, der mit der aktiven Seite nach unten auf einen Träger 21 mit einer einzelnen Trägerelektrode 22 gebondet ist. Die in Fig. 3 verwendeten Bezugszeichen entsprechen denen von Fig. 1, wobei allerdings nicht nur zwischen mit a und b indizierten Teilschichten, sondern zwischen mit a-e indizierten Teil­ schichten zu unterscheiden ist. Obwohl beim Laser gemäß Fig. 3 fünf lichtemittierende Punkte vorliegen, ist das Kontaktieren einfach, da an die oben liegenden getrennten p-seitigen Elektro­ den 11 a-11 e Drähte gebondet werden können. Den verschiedenen lichtemittierenden Punkten ist nur die einzige Trägerelektrode 22 gemeinsam. Daher sind elektrische Interferenzen im Betrieb der einzelnen Laser sehr stark verringert.

Beim Ausführungsbeispiel besteht die Trägerschicht 1′′ aus N-Typ GaAs. Sie kann jedoch auch aus einem anderen Material, auch einem solchen vom P-Typ gebildet sein. Wichtig ist, daß sie durch einen isolierenden oder halbisolierenden Halbleiterbe­ reich in einzelne Bereiche aufgeteilt ist, in denen monolithisch ausgebildete Halbleiterlaser vorhanden sind, die unabhängig von­ einander angesteuert werden können. Die Unabhängigkeit ist da­ durch gewährleistet, daß eine Bereichseinteilung nicht nur mit den isolierenden oder halbisolierenden Bereichen erfolgt, son­ dern auch mit Gräben, die bis in diese Bereiche von der anderen Bauteilseite her hineinragen. Elektrische Interferenzen im Be­ trieb der einzelnen Lichtemissionspunkte werden daher auf einen für die Praxis vernachlässigbaren Wert verringert. Die träger­ seitige Elektrode kann als gemeinsame Elektrode verwendet wer­ den, was es erübrigt, Gegenmaßnahmen gegen Kurzschlüsse durch ausfließendes Lötmittel zu ergreifen. Dadurch wird der Wirkungs­ grad bei der Herstellung außerordentlich erhöht. Mehrfach-Halb­ leiterlaser mit mehr als drei lichtemittierenden Punkten können einfach hergestellt werden.

Claims (7)

1. Mehrfach-Halbleiterlaser mit

• - einer Trägerschicht (1′′; 1 a′, 1 b′; 1 a-1 e) aus einem Halbleiter vom P-Typ oder N-Typ,
• - mindestens zwei monolithischen Halbleiterbereichen mit je­ weils einem Lichtemissionspunkt (8 a-8 e), die unabhängig voneinander ansteuerbar sind, und
• - jeweils einem Trenngrapen (9) zwischen zwei Bereichen,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - ein elektrisch isolierender oder halbisolierender Halblei­ terbereich (20) in die Trägerschicht (1′′; 1 a′, 1 b′; 1 a-1 e) dringt, und zwar zwischen zwei Bereichen mit jeweils einem Lichtemissionspunkt (8 a-8 e), und
• - jeder Trenngraben (9) bis in den elektrisch isolierenden oder halbisolierenden Halbleiterbereich (20) dringt.

2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Trägerschicht (1′′; 1 a′, 1 b′; 1 a-1 e) GaAs enthält.

3. Verfahren zum Herstellen eines Mehrfach-Halbleiterlasers, mit folgenden Schritten:

• - Herstellen einer Trägerschicht auf einem Substrat,
• - Herstellen einer Halbleiter-Laserstruktur mit mehreren Lichtemissionspunkten,
• - teilweises Entfernen des Substrates, so daß die Träger­ schicht zum Polieren, Ätzen und Kontaktieren frei liegt, und
• - Herstellen eines Grabens zwischen Bereichen mit jeweils einem Lichtemissionspunkt,

gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• - Herstellen mindestens eines Streifens auf dem elektrisch isolierenden oder halbisolierenden Halbleitersubstrat vor dem Aufbringen der Trägerschicht,
• - Abtragen des Substrates nur so weit, daß der streifenför­ mige Bereich zumindest teilweise stehenbleibt, und
• - Einbringen des Grabens mit solcher Tiefe, daß er bis in den streifenförmigen Bereich reicht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Trägerschicht vor dem Herstellen der Halb­ leiter-Laserstruktur eingeebnet wird, z. B. durch Polieren.

5. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauteil mit derjenigen Seite, von der aus die Gräben (9) eingeformt sind, auf einen Träger (21) mit einer einzigen Elektrode (22) gebondet ist.