DE60101217T2

DE60101217T2 - Quantumcascade-laser und sein herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE60101217T2
Application number: DE60101217T
Authority: DE
Inventors: Mattias Beck; Jerôme FAIST; Antoine Muller
Original assignee: Alpes Lasers SA
Current assignee: Alpes Lasers SA
Priority date: 2000-03-03
Filing date: 2001-02-26
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2021-02-27
Also published as: EP1130724A1; WO2001065651A1; US20040126912A1; DE60101217D1; US6665325B2; EP1262003B1; EP1262003A1; US20030021315A1; JP2003526214A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Halbleiterlaser mit Quantenkaskade. In der vorliegenden Anmeldung wird unter einem Halbleiterlaser mit Quantenkaskade ein Laser verstanden, bei dem die Verstärkung sich aus Trägern ergibt, die Übergänge zwischen Unterbändern in einer Halbleiterheterostruktur bewirken.
Ein Laser dieser Art ist zum Beispiel in dem Dokument mit dem Titel "Buried heterostructure quantum cascade lasers" beschrieben, das in SPIE Bd. 3284 0277-786X98 veröffentlicht wurde. Seine Struktur und das eingesetzte Herstellungsverfahren werden ausführlich in der folgenden Beschreibung unter Bezug auf 1 beschrieben werden.
Derartige Laser umfassen ein Substrat aus mit Silizium dotiertem Indiumphosphid (InP), auf dem ein Stapel aus sehr dünnen Schichten angeordnet ist, die den Wellenleiter des Lasers bilden. Der Stapel besitzt eine prismatische Struktur von im wesentlichen trapezförmigem Querschnitt, dessen Unterseite, die die große Basis des Trapezes bildet, auf dem Substrat ruht.
Die Unter- und Oberseiten werden jeweils von Schichten aus den Legierungen Indiumgalliumarsenid (InGaAs) und Indiumaluminiumarsenid (AlInAs) bedeckt, die einen Mantel bilden.
Eine Abfolge von Schichten aus Aluminiumindiumarsenid (AlInAs) und Indiumgalliumarsenid (InGaAs) bildet den aktiven Bereich des Lasers, der zwischen den zwei Ummantelungen angeordnet ist.
Um für die Injektion eines elektrischen Stroms in den aktiven Bereich zu sorgen, umfasst der Laser außerdem zwei Elektroden. Die erste Elektrode wird von dem Substrat gebildet. Die zweite wird mittels einer Metallschicht realisiert, die auf dem Substrat und in Kontakt mit zumindest einem Teil der Oberseite des Stapels angeordnet wird. Eine elektrisch isolierende Schicht aus InP trägt die Metallschicht mit Ausnahme des Kontaktbereichs.
Bei der Herstellung eines derartigen Lasers wird ein Substrat aus InP eingesetzt, das dotiert wird, um es leitfähig zu machen und die erste Elektrode zu bilden. Es werden dann aufeinanderfolgende Schichten aufgebracht, die den Stapel bilden. Diese Schichten werden dann auf herkömmliche Weise durch Photolithographie attackiert. Auf diese Weise wird die prismatische Struktur mit trapezförmigem Querschnitt erhalten.
Die so erhaltene Einheit wird durch Molekularstrahlepitaxie mit einer Schicht aus InP bedeckt, die in diesem Stadium der Herstellung die ganze Oberseite der Vorrichtung bedeckt. Ein neuer Photolithographievorgang gestattet es, in dem die Oberseite des Stapels bedeckenden Bereich eine Öffnung auszubilden. Die Kanten der Öffnung, die durch den Abschnitt der elektrisch isolierende Schicht gebildet werden, formen auf diese Weise einen Schacht, an dessen Boden sich die Oberseite des Stapels befindet. Auf die elektrisch isolierende Schicht sowie auf die Oberseite des Stapels wird dann die zum Beispiel aus Chrom bestehende Metallschicht aufgebracht, um die zweite Elektrode zu bilden.
Indem eine elektrische Spannung zwischen der Unterseite und der Oberseite des Stapels angelegt wird, das heißt zwischen den zwei Elektroden, wird dort ein elektrischer Strom inji ziert, der Laserstrahlung hervorbringt.
Diese Laser besitzen den Vorteil, dass sie so gestaltet werden können, dass sie in einem großen Teil des mittleren Infrarotspektrum (mit einer Wellenlänge von etwa 3 bis 20 μm) arbeiten, wobei die gleichen Halbleiterbasismaterialien verwendet werden.
Laser, die ähnliche Strukturen aufweisen und auf die die Erfindung Anwendung finden kann, wurden insbesondere in den Patentanmeldungen WO 99/00572 und FR 99 03845 beschrieben.
Die Funktion dieser Laser hängt erheblich von der Temperatur der Schichten bei der Emission ab. Nun wird aber, wenn der Laser aktiv ist, ein beträchtlicher Teil der Energie in Wärme umgewandelt. Diese wird im Wesentlichen durch Diffusion im Substrat dissipiert. Die Dissipation ist vergleichsweise langsam, wodurch die Nutzungsbdingungen doch beträchtlich eingeschränkt werden.
Bei der oben beschriebenen Vorrichtung, ist es von Vorteil, dass die elektrisch isolierende Schicht so dick wie möglich ist, denn InP ist ein guter Wärmeleiter. Dies gestattet es, eine übermäßige Erhöhung der Temperatur zu vermeiden. Je dicker die Schicht ist, desto schwieriger ist es jedoch leider, das Attackieren zur Ausbildung des Einschnitts zu beherrschen, der den Kontakt zwischen der Elektrode und der Oberseite des Stapels gestatten soll.
Die Aufbringung des InP durch Molekularstrahlepitaxie erfordert zudem einen Reinigungsvorgang unter Ultrahochvakuum, der delikat und kostspielig ist.
Überdies beruht die Isolierfunktion auf der Qualität einer Schottky-Barriere, die ebenfalls schwer zu beherrschen ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die reproduzierbare und kostengünstige Herstellung von Lasern zu gestatten, bei denen die elektrisch isolierende Schicht für eine optimale Dissipation der Temperatur sorgt.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die elektrisch isolierende Schicht die Seitenflächen vollständig bedeckt, ohne auf die Oberseite überzustehen, und dass ihre Dicke zumindest gleich einem Drittel der Dicke des Stapels ist. Eine derartige Dicke genügt, um eine gute thermische Diffusion zu gestatten.
Obwohl der Stapel von geringer Dicke ist, bildet er einen Vorsprung, der bewirkt, dass das Ganze eine nicht plane Struktur aufweist. Daher kann der Laser nur über sein Substrat an einem Träger befestigt werden. Eine von der einen oder anderen Seite unabhängige Montage des Lasers vereinfacht aber die Montagevorgänge. In den Fällen, in denen die Wärmedissipation eine grosse Rolle spielt, ist es vorteilhaft, über einen stark wärmeleitenden Träger zu verfügen, der direkten Kontakt mit der elektrisch isolierenden Schicht hat. Deshalb bedeckt die elektrisch isolierende Schicht bei einer besonderen Ausführungsform das Substrat zumindest in dem vom Stapel eingenommenen Bereich und weist eine Dicke auf, die zumindest gleich derjenigen des Stapels ist.
Die Dicke der elektrisch isolierendem Schicht ist vorteilhafterweise gleich derjenigen des Stapels. Es kommt jedoch für bestimmte Anwendungen in Betracht, eine elektrisch isolierende Schicht herzustellen, deren Dicke größer als die des Stapels ist. Auch in diesem Fall ist die thermische Diffusion verbessert und die Ebenheit der zweiten Seite sichergestellt.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform, ist das Substrat aus einem Halbleitermaterial, das dotiert ist, um es elektrisch leitend zu machen.
Unter den verschiedenen Arten von Halbleiterlasern mit Quantenkaskade, haben diejenigen, die die folgenden Merkmale aufweisen besonders gute Ergebnisse geliefert:

– das Substrat besteht aus einer Platte aus mit Silizium dotiertem Indiumphosphid (InP),
– die Ummantelungen werden jeweils von Schichten aus einer Legierung aus Indiumgalliumarsenid (InGaAs) und einer Legierung aus Indiumaluminiumarsenid gebildet,
– der aktive Bereich wird von einer Abfolge von Schichten aus Aluminiumindiumarsenid (AlInAs) und Aluminiumgaliumarsenid (AlGaAs) gebildet, und
– die elektrisch isolierende Schicht besteht aus Indiumphosphid.

Bei einer ersten Variante ist das Indiumphosphid, das die elektrisch isolierende Schicht bildet, durch Dotierung mit Eisen von halbisolierender Art.
Bei einer anderen Variante ist das Indiumphosphid, das die elektrisch isolierende Schicht bildet, nicht dotiert.
Die vorliegende Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zur Herstellung eines Lasers, wie er oben beschrieben wurde. Besonders interessante Resultate werden erhalten, wenn ein Verfahren angewandt wird, das die folgenden Vorgänge umfasst

– Aufbringen von Schichten, die dazu bestimmt sind, den Stapel zu bilden,
– Aufbringen einer Maskierungsschicht,
– Attackieren der Maskierungsschicht außerhalb des Bereichs, der den Stapel bilden soll,
– Attackieren der Schichten, die den Stapel bilden sollen, außerhalb des maskierten Bereichs,
– Aufbringen einer elektrisch isolierenden Schicht auf die nicht maskierten Abschnitte in der Gasphase durch ein chemisches Verfahren auf Basis einer metallorganischen Verbindung (MOCVD) bis eine Dicke erreicht ist, die zumindest ein Drittel der Dicke des Stapels ist,
– Beseitigung der Maskierungsschicht, und
– Aufbringen eine Leitungsschicht, die insbesondere den Stapel auf seiner oberen Fläche bedeckt.

Da nur die Oberseite des Prismas maskiert ist, folgt, dass die Seitenflächen ganz durch die elektrisch isolierende Schicht bedeckt sind, während die Oberseite ganz ausgespart ist.
Der Vorgang des Aufbringens der elektrisch isolierenden Schicht erfolgt vorteilhafterweise, bis eine Dicke erreicht ist, die im Wesentlichen gleich der Dicke des Stapels ist.
Um zu vermeiden, dass die Schicht aus Isoliermaterial auf der Maskierungsschicht abgeschieden wird, ist es vorteilhaft, dass diese aus Siliziumdioxid (SiO₂) hergestellt wird.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung hervorgehen, die Bezug auf die folgenden Zeichnungen nimmt:
1 gibt skizzenhaft einen Laser, der dem Stand der Technik entspricht, während verschiedenen Stufen seiner Herstellung wieder; und
2 zeigt entsprechend der gleichen skizzenhaften Annäherung einen erfindungsgemäßen Laser in verschiedenen Stadien seiner Herstellung.
Um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, wird nun ein Laser bekannter Art, der Gegenstand des weiter oben genannten, in der SPIE-Umschau erschienen Artikels ist, unter Bezug auf 1 kurz beschrieben. In dieser Figur, sind die Abmessungen der verschiedenen, den Laser bildenden Teile so gewählt, dass sie das Studium der Zeichnung erleichtern. Sie sind nicht charakteristisch für die tatsächlichen Abmessungen.
1a zeigt eine ein Substrat 10 bildende Basisscheibe, die mit einem Schichtstapel 12 bedeckt ist, der nach verschiedenen Vorgängen den Wellenleiter des Lasers bilden wird, der aus einem aktiven Bereich und zwei Ummantelungen besteht, die diesen letzteren zwischen sich einschließen.
Der Stapel 12 trägt eine Maskierungsschicht 14, die ihn lokal in dem Bereich bedeckt, der ausgespart werden soll.
Das Substrat 10 wird auf herkömmliche Weise mittels einer Scheibe aus einem Einkristall aus mit Silizium dotierter Indiumphosphid (InP) hergestellt. Der Stapel 12 wird von einem Wechsel von Schichten aus Aluminiumindiumarsenid (AlInAs) und Indiumgalliumarsenid (InGaAs) gebildet, die zwei Ummantelungen und einen aktiven Bereich bilden.
Die Maskierungsschicht 14 besteht aus Siliziumdioxid (SiO₂), das zunächst auf der ganzen Oberfläche aufgebracht wird, wobei die Teile, die entfernt werden müssen, durch Photolithographie entfernt werden. Als Alternative ist es auch möglich, die Maskierungsschicht direkt mittels des Kunstharzes herzustellen, das in dem Photolithographieverfahren verwendet wird.
Die so erhaltene Einheit wird dann einer chemischen Attacke unterworfen, die die den Stapel bildenden Schichten, mit Ausnahme des maskierten Bereichs, entfernt. Wie 1b zeigt, nimmt der Stapel 12 dann die Form eines Prismas mit im Wesentlichen trapezförmigem Querschnitt an, dessen große Basis Kontakt mit dem Substrat 10 hat und dessen kleine Basis durch die Maskierungsschicht 14 bedeckt ist. Diese letztere wird dann entfernt, um die in 1c dargestellte Struktur zu erhalten. Die Form des Querschnitts des Prismas ist durch die Mittel definiert, die bei dem Attackieren der den Stapel bildenden Schichten in den nicht maskierten Bereichen eingesetzt werden. Sie beeinflusst die Funktion des Lasers nicht.
Bei dem nachfolgenden, in 1d dargestellten Vorgang wird die ganze Oberfläche durch Molekularstrahlepitaxie mit einer elektrisch isolierenden Schicht 16 aus InP bedeckt. Diese Schicht kann aus so rein wie möglichem, das heißt nicht dotiertem, InP hergestellt werden. Es ist auch möglich, mit Eisen dotiertes InP zu verwenden, um eine Materialschicht zu erhalten, die üblicherweise als halbisolierend bezeichnet wird, wie in der weiter oben beschriebenen Publikation beschrieben ist.
Die Schicht 16 wird dann lokal durch Photolithographie attackiert, um eine Öffnung 18 in dem die Oberseite des Stapels bedeckenden Teil auszubilden. Das Ganze wird dann durch eine Schicht aus einem leitfähigen Material, zum Beispiel Chrom, bedeckt, die eine Elektrode 20 bildet, wie in 1e dargestellt ist.
Bei der wie oben beschriebenen Vorrichtung ist es vorteilhaft, wenn die elektrisch isolierende Schicht so dick wie möglich ist, denn InP ist ein guter Wärmeleiter. Dies gestattet es, eine übermäßige Erhöhung der Temperatur zu vermeiden. Je dicker die Schicht ist, desto schwieriger ist es jedoch leider, das Attackieren zur Ausbildung des Einschnitts zu beherrschen, der den Kontakt zwischen der Elektrode und der Oberseite des Stapels gestatten soll.
Die Aufbringung des InP durch Molekularstrahlepitaxie erfordert einen Reinigungsvorgang unter Ultrahochvakuum, der delikat und kostspielig ist.
Zudem beruht die Isolierfunktion auf der Qualität einer Schottky-Barriere, die ebenfalls schwer zu beherrschen ist.
Obwohl der Stapel von geringer Dicke ist, bildet er jedoch einen Vorsprung, der bewirkt, das das Ganze eine nicht plane Struktur aufweist. Daher kann das Substrat an einem Träger nur auf seiner Seite befestigt werden, die derjenigen gegenüberliegt, die den Stapel trägt.
Wenn man 2 betrachtet, erkennt man, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, die in den 1a und 1b dargestellten Vorgänge identisch zu denen in den 2a und 2b sind, mit einem Substrat 10, einem Stapel 12 und einer Maskierungsschicht 14.
Der in 2c dargestellte, nachfolgende Vorgang besteht darin, die elektrisch isolierende Schicht 22 aufzubringen, während die Maskierungsschicht 14 bewahrt wird. Dieser Vorgang erfolgt durch chemische Dampfabscheidung von InP auf Basis einer metallorganischen Verbindung, die dem Fachmann unter der Abkürzung MOCVD für die englische Bezeichnung "metal organic chemical vapor deposition" bekannt ist. Ein derartiges Verfahren ist vollständig in der Arbeit mit dem Titel "Materials Aspects of GaAs and InP Based Structures" von V. Swaminathan und A. T. Macrander, Prentice Hall Advanced Reference Series, ISBN 0-13-346826-7, beschrieben.
Dieses Verfahren gestattet die Aufbringung von vergleichsweise dicken Schichten, die die Seitenflächen des Prismas bis zum Kontakt mit der Maskierungsschicht 14 vollständig bedecken. Die elektrisch isolierende Schicht kann daher nicht auf die Oberseite des Prismas überstehen. Die Aufbringung der Schicht wird vorteilhafterweise in dem Moment unterbrochen, in dem die Dicke der Schicht 22 aus InP gleich derjenigen des Stapels 12 ist.
Wie man in 2d sehen kann, wird die Maskierungsschicht 14 dann entfernt und eine leitfähige Schicht 24, zum Beispiel aus Chrom, aufgebracht, die eine obere Kontaktelektrode bildet.
Das Substrat aus dotiertem InP erfüllt die Funktion der unteren Elektrode. Indem eine Spannung zwischen den zwei Elektroden angelegt wird, ist es ebenfalls möglich, einen Strom in den Stapel zu injizieren, um die Emission von kohärentem Licht hervorzurufen.
Es ist auch möglich, eine elektrisch isolierende Schicht 22 herzustellen, die wesentlich dicker ist als der Stapel 12. In diesem Fall befindet sich die Oberseite des Prismas am Boden eines Einschnitts. Eine derartige Struktur gestattet es auch, eine gute thermische Diffusion zu gewährleisten. Da die Oberfläche der Oberseite des Prismas im Vergleich zur Gesamtfläche des Substrats gering ist, besitzt die so erhaltene Einheit die Form einer Scheibe, deren zwei Seiten eben und parallel sind, wobei eine dieser letzteren am Ort des Stapels einen Einschnitt trägt.
Es versteht sich, dass es möglich ist, mehrere Laser auf ein und demselben Substrat herzustellen. Dieses letztere kann dann in Plättchen zerschnitten werden, die jeweils einen oder mehrere Laser umfassen. Diese Plättchen sind auf einem Träger angeordnet, der ebenso elektronische Schaltungen trägt, die zur Versorgung des Lasers bestimmt sind.
Es ist offensichtlich, dass zahlreiche Varianten in Betracht kommen, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen. So ist es ebenso möglich, ein Substrat aus Isolationsmaterial zu verwenden, das mit einer leitfähigen Schicht bedeckt ist, die die Elektrodenfunktion wahrnimmt.
Der Aufbau der Schichten kann natürlich auch zahlreiche Konfigurationsvarianten umfassen, zum Beispiel die in den Pa tentanmeldungen WO 99/00572 und FR 99 03845 beschriebenen.

Claims

Halbleiterlaser mit Quantenkaskade mit – einem Substrat (10), – einem Stapel (12) aus Schichten von prismatischer Form mit einem im Wesentlichen trapezförmigen Querschnitt, einer unteren Fläche die auf dem Substrat (10) angeordnet ist, einer oberen Fläche und Seitenflächen, wobei der Stapel einen Verstärkungsbereich bildet und zwei Ummantelungen, zwischen denen der Verstärkungsbereich eingeschoben ist, – zwei Elektroden (10, 24), die auf beiden Seiten des Stapels (12) angeordnet sind, von denen eine (24) von einer Schicht aus elektrisch leitendem Material gebildet wird, die zumindest teilweise die Fläche des Stapels bedeckt, die dem Substrat gegenüberliegt, und – einer elektrisch isolierenden Schicht (22), die zwischen die zwei Elektroden eingeschoben ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Schicht (22) die Seitenflächen gänzlich bedeckt, ohne über die obere Fläche hinauszuragen, und dass ihre Dicke zumindest gleich einem Drittel der Dicke des Stapels (12) ist.
Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Schicht (22) das Substrat (10) zumindest in dem an den Stapel (12) angrenzenden Bereich bedeckt und eine Dicke aufweist, die zumindest gleich dieses letzteren ist.
Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der elektrisch isolierenden Schicht (22) im Wesentlichen gleich der Dicke des Stapels (12) ist.
Laser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (10) aus einem Halbleitermaterial ist, das dotiert ist, um es leitend zu machen.
Laser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass: – das Substrat (10) von einer Platte aus mit Silizium dotierten Indiumphosphid (InP) besteht, – die Ummantelungen jeweils von Schichten gebildet werden, die aus einer Legierung aus Indiumgalliumarsenid (InGaAs) und einer Legierung aus Indiumaluminiumarsenid gebildet sind, – der aktive Bereich von einer Abfolge von Schichten aus Aluminiumindiumarsenid (AlInAs) und Aluminiumgaliumarsenid (Al-GaAs) gebidet wird, und dass – die elektrisch isolierende Schicht (22) aus Indiumphosphid besteht.
Laser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Indiumphosphid, das die elektrisch isolierende Schicht (22) bildet, durch Dotierung mit Eisen von halbisolierender Art ist.
Laser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Indiumphosphid, das die elektrisch isolierende Schicht (22) bildet, nicht dotiert ist.
Verfahren zur Herstellung eines Lasers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Vorgänge umfasst: – Aufbringen von Schichten, die dazu bestimmt sind, den Stapel (12) zu bilden, – Aufbringen einer Maskierungschicht (14), – Attackieren der Maskierungschicht (14) ausserhalb des Bereichs, der den Stapel bilden soll, – Attackieren der Schichten, die den Stapel (12) bilden sollen, ausserhalb des maskierten Bereichs, – Aufbringen einer elektrisch isolierenden Schicht (22) auf die nicht maskierten Abschnitte in der Gasphase durch ein chemisches Verfahren auf Basis einer metallorganischen Verbindung (MOCVD) bis eine Dicke erreicht ist, die im Wesentlichen gleich der Dicke des Stapels (12) ist, – Beseitigung der Maskierungschicht (14) und – Aufbringen eine Leitungsschicht (24), die insbesondere den Stapel (12) auf seiner oberen Fläche bedeckt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorgang des Aufbringens der elektrisch isolierenden Schicht (22) erfolgt, bis eine Dicke erreicht ist, die im Wesentlichen gleich der Dicke des Stapels (12) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Maskierungschicht (14) aus SiO₂ hergestellt wird.