DE60210168T2

DE60210168T2 - Integration Amorfes Silizium Sende- und Empfang Strukturen mit GaAs oder InP hergestellte Vorrichtungen

Info

Publication number: DE60210168T2
Application number: DE60210168T
Authority: DE
Inventors: Dean Tran (NMI), Westminster; Eric R. Fremont Anderson; George J. Los Alamitos Vendura
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Systems Corp
Priority date: 2001-06-28
Filing date: 2002-06-24
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2022-06-25
Also published as: US7012943B2; EP1284531B1; EP1284531A3; JP2003133539A; US20030002555A1; DE60210168D1; EP1284531A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Prozess für Halbleiterbauelemente und insbesondere einen Prozess zur Integrierung von Lichtenergiesende- und/oder -empfangsfunktionen mit vorhandenen Halbleiterbauelementen wie GaAs- oder InP-Bauelemente.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Es sind verschiedene Halbleiter bekannt, wie z. B. aktive Bauelemente wie der Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (highelectron mobility transistor (HEMT)) und der Bipolartransistor mit Heteroübergang (heterojunction bipolar transistor (HBT)) sowie lichtemittierende Bauelemente, wie z. B. Laserdioden, bei denen es erforderlich ist, die Leistung des Bauelements während des Betriebs zu überwachen. Bei lichtemittierenden Bauelementen wie Lasern wird die Leistung normalerweise mittels eines Fotodetektors überwacht. Der Fotodetektor dient zur Überwachung der Helligkeit des Lichtanzeigegeräts. Es ist bekannt, dass solche Fotodetektoren getrennt hergestellt und mittels Epoxid direkt auf dem lichtemittierenden Bauelement angebracht werden. Ein derartiger Prozess ist jedoch ziemlich ineffizient, da er eine getrennte Verarbeitung des Fotodetektors und außerdem das Anbringen des Fotodetektors auf dem Halbleiterbauelement erfordert. Ein solcher ineffizienter Prozess erhöht also die Kosten der Bauelemente, für die eine Überwachung erforderlich ist.
Demzufolge sind Prozesse zur Integrierung von Fotodetektoren in ein lichtemittierendes Bauelement wie einen Laser entwickelt worden, die z. B. in den U.S.-Patenten Nr. 5,757,837 und 6,023,485 offenbart sind. Die Integrierung der Fotodetektoren in die lichtemittierenden Bauelemente, wie sie in diesen Patenten offenbart wird, bedingt jedoch relativ komplizierte Prozesse und erbringt nur eine begrenzte Leistung. Das U.S.-Patent Nr. 5,757,837 offenbart z. B. einen flächenemittierenden Vertikalresonator mit einem integral ausgebildeten Fotodetektor. Der Fotodetektor ist als Quantentopf-Fotodetektor in nerhalb des Hohlraums ausgebildet und an der optischen Intensitätsspitze der Fabry-Perot-Wellenlänge angeordnet. Insbesondere ist der Laser auf einem GaN-Substrat ausgebildet und enthält einen n-dotierten Spiegelstapel mit verteiltem Bragg-Reflektor- (distributed Bragg reflector (DBR)). Eine aktive Verstärkungszone ist auf der Oberseite des n-dotierten DBR-Spiegelstapels ausgebildet und enthält eine Rasterweite von einer Wellenlänge und einen Quantentopfstapel. Ein p-dotierter DBR-Spiegelstapel ist auf der Oberseite der aktiven Verstärkungszone ausgebildet. Der Quantentopf-Fotodetektor innerhalb des Hohlraums ist auf der Oberseite des p-dotierten DBR-Spiegelstapels ausgebildet und enthält eine 5 Lambda/4 Rasterweite mit einem Quantentopf aus In0.2 Ga0.8As. Auf der Oberseite des Fotodetektors ist ein weiterer n-dotierter DBR-Spiegelstapel ausgebildet.
Der Laser emittiert Licht von der Unterseite des GaAs-Substrats aus. Das reflektierte Licht wird vom Fotodetektor erfasst, um eine Angabe hinsichtlich der Intensität des Laserlichts zu liefern. Obwohl das im Patent '837 offenbarte System einen integral ausgebildeten Fotodetektor offenbart, sind die Verarbeitungsschritte ziemlich kompliziert und beinhalten die Ausbildung eines zwischen zwei DBR's angeordneten Quantentopfes.
Das U.S.-Patent Nr. 6,023,485 offenbart ebenfalls eine flächenemittierende Laserdiode mit Vertikalresonator mit einer integrierten PIN-Fotodiode. Bei dieser Ausführungsform ist die PIN-Diode auf der Oberseite eines flächenemittierenden Lasers mit Vertikalresonator ausgebildet. Die PIN-Diode ist als ein unterer Stapel n-dotierter DBR's ausgebildet, die mit dem Laser gemeinsam genutzt werden. Eine eigenleitende Zone und ein p-dotierter oberer Stapel DBR's sind auf der Oberseite der PIN-Diode ausgebildet. Eine Ionenimplantation dient zur Zerstörung eines Abschnitts des oberen DBR-Stapels, um beschädigte Bereiche mit hohem spezifischen Widerstand zu definieren, damit die Lichtwege in der Zone des oberen DBR-Stapels gehalten werden. In dieser Form ist das Bauelement relativ kompliziert herzustellen.
Die DE 198 07 783 offenbart einen Halbleiter mit einer auf einem Substrat ausgebildeten Laserdiode, bei dem eine funktionale Schicht auf der Oberseite der Laserdiode und eine Fotodiode auf der Oberseite der funktionalen Schicht ausgebildet sind. Der Artikel "Analysis of VCLAD: Vertical-Cavity Laser Amplifier Detector" von A. Karlsson und Magnus Höijer, IEEE Photonics Technology Letters, IEEE Inc., New York, USA, Jhrgg. 7, Nr. 11, 1. November 1995, offenbart die Verwendung eines InP-Substrats.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Es besteht demnach ein Bedarf für ein Überwachungs-Bauelement, das mit verschiedenen aktiven Bauelementen integriert werden kann und verhältnismäßig einfacher herzustellen ist als bekannte Bauelemente.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Kurz gesagt betrifft die vorliegende Erfindung einen Prozess zur Integrierung von Lichtenergiesende- und/oder -empfangsfunktionen mit aktiven Bauelementen wie GaAs-, GaN- oder InP- und verwandte Bauelemente oder lichtemittierenden Bauelementen wie Laser. Der Prozess enthält zusammengefasst dargestellt das Ausbilden eines Überwachungs-Bauelements wie eine Passivierungsschicht auf der Oberseite des aktiven oder lichtemittierenden Bauelements und das Ausbilden eines Silizium- (kristallin oder amorph) Fotodetektors oder einer Fotodiode auf der Oberseite der Passivierungsschicht. Der Fotodetektor/die Fotodiode kann unter Anwendung eines Standard-Solarzellenaufwachsprozesses und als Mesa auf der Oberseite des aktiven oder lichtemittierenden Bauelements ausgebildet werden, so dass ein verhältnismäßig unkomplizierterer integrierter Fotodetektor/eine Fotodiode hergestellt werden kann als bekannte Bauelemente.
Insbesondere offenbart die vorliegende Erfindung einen Halbleiter gemäß Anspruch 1 mit integrierter Überwachung, der ein erstes lichtemittierendes Halbleiterbauelement aufweist, das auf einem vorgegebenen Substrat ausgeformt ist; eine Passivierungsschicht, die auf einem Abschnitt auf der Oberseite des ersten lichtemittierenden Halbleiterbauelements ausgebildet ist, wobei der übrige Abschnitt des ersten lichtemittierenden Halbleiterbauelements, der nicht von der Passierungsschicht bedeckt ist, ein Fenster bildet; und das auf der Oberseite des Fensters Lichtüberwachungselement so ausgebildet ist, dass es Licht vom ersten lichtemittierenden Halbleiterbauelement durch das Fenster empfängt.
Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen definiert.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Schnittansicht im Aufriss einer beispielhaften flächenemittierenden Laserdiode mit Vertikalresonator.
2 zeigt die Ausbildung der Passivierungsschicht auf der Oberseite des in 1 dargestellten Bauelements.
3 ist eine Schnittansicht im Aufriss eines beispielhaften Silizium-Fotodetektors auf der Oberseite der in 2 dargestellten Passivierungsschicht.
4 ist eine Schnittansicht im Aufriss einer flächenemittierenden Laserdiode mit Vertikalresonator mit einem integral ausgebildeten Fotodetektor gemäß der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine Draufsicht des in 4 dargestellten Bauelements.
6 ist ähnlich wie 4 und veranschaulicht die Funktionsweise des Fotodetektors gemäß der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen relativ unkomplizierten Prozess zur Ausbildung eines oder mehrerer Überwachungs-Bauelemente wie amorphe Silizium-Sende- und Empfangsstrukturen auf der Oberseite aktiver Bauelemente wie GaAs-, GaN- und InP- oder verwandter Bauelemente sowie lichtemittierender Bauelemente wie Laser. Ein wichtiger Aspekt der Erfindung ist, dass die Lichtsende- und Empfangsfunktionen durch einen relativ einfachen Abscheidungsprozess eines amorphen Siliziumgemischs bei niedriger Temperatur implementiert werden können.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können die Lichtenergiesende- und Empfangsfunktionen auf der Oberseite aktiver Bauelemente wie GaAs-, GaN- und InP-Bauelemente integriert werden, wie sie z. B. in den U.S.-Patenten Nr. 5,838,031; 5,710,523; 5,550,520; 5,398,004; 5,389,896 und 5,355,096 desselben Patentinhabers offenbart werden. Insbesondere kann die Lichtenergie-Sendefunktion in ein aktives GaAs-, GaN- oder InP-Bauelement wie einen Verstärker integriert werden, was die Sichtkontrolle der Operation des Verstärkers, der mit der lichtemittierenden Diode verbunden ist, gestatten würde. Andererseits kann die Lichtenergie-Empfangsfunktion zum Detektieren von Licht, beispielsweise von lichtemittierenden Bauelementen wie Laser und Laserdioden eingesetzt werden, wie sie z. B. im U.S.-Patent Nr. 5,038,356 desselben Patentinhabers offenbart werden, um die Lichtintensität des lichtemittierenden Bauelements zu überwachen, um eine Angabe hinsichtlich der Leistung des lichtemittierenden Bauelements bereitzustellen.
Die vorliegende Erfindung ist in der Weise dargestellt und veranschaulicht, dass sie auf der Oberseite einer Halbleiter-Laserdiode und insbesondere einer flächenemittierenden Laserdiode mit Vertikalresonator (vertical cavity surface emitting diode laser (VCSEL)) integriert ist, wie ausführlich im U.S.-Patent Nr. 5,038,356 desselben Patentinhabers beschrieben ist, das hiermit einbezogen wird. Es versteht sich jedoch, dass der Integrierungsprozess gemäß der vorliegenden Erfindung bei praktisch jedem aktiven GaAs- oder InP-Bauelement sowie verschiedenen Typen lichtemittierender Bauelemente angewendet werden kann, um zusätzliche Funktionalität auf einem einzigen GaAs- oder InP-Substrat bereitzustellen.
Nunmehr sei auf 1 verwiesen, in der der Siliziumprozess zur Ausbildung eines Licht sendenden oder Licht empfangenden Bauelements auf der Oberseite einer flächenemittierenden Laserdiode mit Vertikalresonator dargestellt ist, was ausführlich im U.S.-Patent Nr. 5,038,356 desselben Patentinhabers beschrieben ist, das hiermit einbezogen wird. Kurz gesagt kann der VCSEL, der allgemein mit dem Bezugszeichen 20 gekennzeichnet ist, in einem zwei Schritte umfassenden metallorganischen chemischen Kristallaufwachs-Abscheidungsprozess aus der Dampfphase (metal-organic chemical vapour deposition (MOCVD)) oder durch Molekularstrahlepitaxie (molecular beam epitaxy (MBE)) ausgebildet werden. Wie ersichtlich ist, enthält der VCSEL ein Substrat 22, z. B. ein p-dotiertes InP-, GaAs- oder ein anderes Substrat. Ein p-dotierter Halbleiterreflektor oder ein verteilter Bragg-Reflektor (DBR) 24 wird auf der Oberseite des Substrats 22 ausgebildet. Eine p-Plattierungsschicht 26 wird danach auf der Oberseite der Halbleiter-Reflektorschicht 24 ausgebildet. Die p-Plattierungsschicht kann aus Al_xAs_1-x gebildet werden. Eine aktive Schicht, die z. B. aus mehreren Quantentöpfen gebildet ist, kann zwischen der p-Plattierungsschicht 26 und einer n-Plattierungsschicht 30 angeordnet werden. Ein Rückreflektor 32 kann auf der Oberseite der n-Plattierungsschicht 30 ausgebildet werden.
Der Frontreflektor 24 kann ein verteilter Bragg-Reflektor sein, der z. B. aus 5 bis 10 High/Low-Indexpaaren oder einer bestimmten Anzahl Paaren je nach der Wellenlänge des Lichts gebildet ist. Der Rückreflektor 32 kann z. B. aus 70 bis 100 High/Low-Indexpaaren oder einer bestimmten Anzahl Paaren je nach der Wellenlänge des Lichtes gebildet sein.
Anders als bei der im U.S.-Patent Nr. 5,038,356 desselben Patentinhabers offenbarten VCSEL ist der Rückreflektor 32 nicht als Mesa ausgebildet. Statt dessen kann sich die Rückreflektorschicht 32 über die Oberfläche des gesamten Bauelements erstrecken, wie allgemein in 1 dargestellt ist. Die übrigen Einzelheiten zur Ausbildung des flächenemittierenden Diodenlasers mit Vertikalresonator sind im Allgemeinen im U.S.-Patent Nr. 5,038,356 desselben Patentinhabers offenbart.
Gemäß einem wichtigen Aspekt der Erfindung wird die Passivierungsschicht 34 aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid bei einer relativ niedrigen Temperatur, d. h. 250°C bis 550°C, auf der Oberseite des VCSEL 20 durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase bei niedrigem Druck (low pressure chemical vapour deposition (LPCVD)) ausgebildet. Ein Fenster 36 (2) wird durch die Passivierungsschicht 34 freigeätzt, damit der Fotodetektor das reflektierte Licht detektieren kann, wie nachstehend ausführlicher erläutert wird. Das Fenster 36 kann durch Maskieren des Fensters 36 durch fotolithografische Standardtechniken und Trockenätzen zum Entfernen des Abschnitts der Passivierungsschicht zum Bilden des Fensters 36 ausgeformt werden. Dem Trockenätzen kann sich ein Nassätzprozess anschließen, um das restliche Passivierungsmaterial von der oberen Reflektorschicht 32 zu entfernen.
Nachdem das Fenster 36 in der Passivierungsschicht 34 ausgeformt worden ist, wird der Fotodetektor darauf ausgebildet. Der Fotodetektor kann in einem Standard-Solarzellenaufwachsprozess implementiert werden. Insbesondere wird wie aus 3 ersichtlich ein leitfähiges transparentes Oxid (conductive transparency oxide (CTO)) 38 des p-Typs aus z. B. ZnO mit einer Dicke von beispielsweise 150 nm auf der Oberseite der Passivierungsschicht 34 und des Fensters 36 ausgebildet. Eine weitere Siliziumdioxidschicht 40 kann auf der Oberseite der CTO-Schicht 38 ausgebildet werden. Die Siliziumdioxidschicht 40 kann mit einer Dicke von 1000 Å ausgebildet werden. Eine zweite fluor-dotierte CTO-Schicht aus Zinnoxid (SnO) 42 wird auf der Oberseite der Siliziumdioxidschicht 40 aus ZnO mit einer Dicke von 150 nm ausgebildet.
Eine Schicht 44 aus einem p-dotierten amorphen Siliziumgemisch wird auf der Oberseite der zweiten CTO-Schicht 42 ausgebildet. Die p-dotierte Schicht aus amorphem Siliziumgemisch kann mit einer Dicke von 10 bis 20 nm ausgebildet werden. Eine undotierte amorphe Siliziumabsorbensschicht 46 ist zwischen der p-dotierten Schicht 44 aus amorphem Siliziumgemisch und einer n-dotierten Schicht 48 aus amorphem Siliziumgemisch angeordnet. Die undotierte amorphe Siliziumabsorbensschicht 46 kann mit einer Dicke zwischen 200 nm und 300 nm ausgebildet werden. Die n-dotierte Schicht 48 aus amorphem Siliziumgemisch kann mit einer Dicke von 100 nm bis 150 nm ausgebildet werden. Schließlich kann eine dritte CTO-Schicht 50 auf der Oberseite der n-dotierten Schicht 48 aus amorphem Siliziumgemisch gebildet werden. Die dritte CTO-Schicht 50 wird aus ZnO mit einer Dicke von z. B. 150 nm gebildet.
Nunmehr sei auf 4 verwiesen, wonach die nächste Prozessstufe das Aufbringen eines n-Kontaktmetalls 52 für den Fotodetektorkontakt auf der Oberseite der dritten CTO-Schicht 50 betrifft. Das n-Kontaktmetall 52 wird durch Standardtechniken der Fotolithografie und Metallabscheidung aufgebracht und abgehoben, um einen n-Kontakt für den Fotodetektor zu bilden. Nachdem der n-Kontakt 52 ausgebildet worden ist, wird der Fotodetektor als Mesa z. B. mittels Standard-Halbleiterverarbeitungstechniken und durch Ätzen durch die Schicht 42 bis zur Schicht 40 gebildet. Nachdem die Mesa 45 ausgebildet worden ist, wird ein Fotodetektorkontakt 58 des p-Typs durch herkömmliche Halbleiterverarbeitungstechniken zur Ausbildung des Metallisierungsmusters 58 ausgeformt. Anschließend wird ein p-Metall aufgebracht und abgehoben, um das Metallisierungsmuster 60 für den p-Kontakt des Fotodetektors zu bilden. Danach wird ein n-VCSEL-Metallisierungsmuster 62 gebildet. Das Metallisierungsmuster 62 wird durch Ätzen durch die Schicht 34 und Aufbringen sowie Abheben eine Metalls des n-Typs TiPtAu durch herkömmliche Techniken gebildet, so dass ein integriertes Bauelement entsteht.
Das Bauelement kann dann auf dem Kopf stehend auf einem Träger 64 installiert werden, z. B. wie im U.S.-Patent Nr. 5,038,356 offenbart ist. Anschließend kann die Substratschicht 22 auf die gewünschte Dicke, z. B. 75 bis 100 μm, geläppt und poliert werden. Ein Fenster 66 kann durch Standard-Techniken der Fotolithografie und des Ätzens im Boden des Substrats 22 ausgeformt werden. Nachdem das Fenster 66 gebildet worden ist, kann ein VCSEL-Kontakt des p-Typs (nicht dargestellt) durch Standard-Lithografietechniken im Fenster zur Kontaktierung der Schicht 24 ausgebildet werden.
Ein beispielhaftes integriertes Bauelement ist in 6 dargestellt und mit dem Bezugszeichen 70 gekennzeichnet. Wie im U.S.-Patent Nr. 5,038,356 angegeben emittiert der Laser Licht aus dem Fenster 66 in einer Richtung allgemein senkrecht zu den ebenen Schichten des Bauelements, wie allgemein durch den Pfeil 72 angedeutet ist. Der Fotodetektor, der allgemein mit dem Bezugszeichen 74 gekennzeichnet ist, empfängt Streulicht zurück durch den oberen reflektierenden Stapel 32 und das Fenster 36, das wiederum im Detektor 74 absorbiert wird, um eine Angabe hinsichtlich der Funktion des integral damit ausgebildeten VCSEL zu liefern.
Angesichts der obigen Lehren sind offensichtlich zahlreiche Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung möglich. So können beispielsweise verschiedene bekannte Fotodetektoren und Fotodioden auf der Oberseite des aktiven oder lichtemittierenden Bauelements ausgebildet werden, um ein integriertes Bauelement mit zusätzlicher Funktionalität gemäß der vorliegenden Erfindung bereitzustellen. Es versteht sich also, dass die Erfindung innerhalb des Gültigkeitsbereichs der beigefügten Ansprüche auf andere Weise verwirklicht werden kann als oben spezifisch beschrieben worden ist.

Claims

Halbleiter mit integrierter Überwachung, aufweisend: ein erstes lichtemittierendes Halbleiterelement (20), das auf einem vorgegebenen Substrat (22) ausgeformt ist; eine Passivierungsschicht (34); und ein Lichtüberwachungselement (74); dadurch gekennzeichnet, dass die Passivierungsschicht (34) auf einem Abschnitt auf der Oberseite des ersten lichtemittierenden Halbleiterelements (20) ausgebildet ist, wobei der übrige Abschnitt des ersten lichtemittierenden Halbleiterelements (20), der nicht von der Passierungsschicht (34) bedeckt ist, ein Fenster (36) bildet; und das auf der Oberseite des Fensters (36) ausgebildete erste Lichtüberwachungselement (74), das Licht vom ersten lichtemittierenden Halbleiterelements (20) durch das Fenster (36) empfängt.
Halbleiter nach Anspruch 1, bei dem das erste Halbleiterelement (20) ein aktives Element ist.
Halbleiter nach Anspruch 1, bei dem das vorgegebene Substrat (22) GaAs ist.
Halbleiter nach Anspruch 1, bei dem das vorgegebene Substrat (22) InP ist.
Halbleiter nach Anspruch 2, bei dem das aktive Element (20) ein Verstärker ist.
Halbleiter nach Anspruch 5, bei dem das erste lichtemittierende Halbleiterelement (20) ein Laser ist.
Halbleiter nach Anspruch 6, bei dem der Laser eine flächenemittierende Laserdiode mit Vertikalresonator (vertical cavity surface emitting laser – VCSEL) ist.
Halbleiter nach Anspruch 1, bei dem das Überwachungselement (74) ein Licht sendendes Element ist.
Halbleiter nach Anspruch 1, bei dem das Überwachungselement (74) ein Licht empfangendes Element ist.
Halbleiter nach Anspruch 8, bei dem das Licht sendende Element (74) eine Fotodiode ist.
Halbleiter nach Anspruch 9, bei dem das Licht empfangende Element (74) ein Fotodetektor ist.