DE60225110T2

DE60225110T2 - Doppel-III-V-Nitridlaserstruktur mit reduziertem thermischen Übersprechen

Info

Publication number: DE60225110T2
Application number: DE60225110T
Authority: DE
Inventors: John E. Palo Alto Northup; Michael A. Mountain View Kneissl
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 2001-11-15
Filing date: 2002-11-15
Publication date: 2009-03-05
Anticipated expiration: 2022-11-16
Also published as: BR0204641A; US6618418B2; EP1324444B1; US20030091085A1; EP1324444A2; EP1324444A3; DE60225110D1; JP2003158342A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Doppel-III–V-Nitrid-Laserstruktur mit einem Saphirsubstrat, und insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Doppel-III–V-Nitrid-Laserstruktur mit einem Graben in einer dicken Stromausbreitungsschicht, um die die Doppellaser voneinander zu trennen, um thermisches Übersprechen zu reduzieren.
Festkörperlaser (solid state laser), die auch als Halbleiterlaser oder Laserdioden bezeichnet werden, sind auf dem Gebiet der Technik gut bekannt. Diese Vorrichtungen bestehen im Allgemeinen aus einer planaren Mehrschichthalbleiterstruktur, bei der eine oder mehrere aktive Schichten durch zerklüftete Flächen, die als Spiegel fungieren, an ihren Enden miteinander verbunden sind. Die Halbleiterschichten auf einer Seite der aktiven Schicht in der Struktur werden mit Verunreinigungen so dotiert, dass eine übermäßige Anzahl an mobilen Elektronen vorliegt. Die Halbleiterschichten auf der anderen Seite der aktiven Schicht in der Struktur werden so mit Verunreinigungen dotiert, dass ein Mangel an mobilen Elektronen vorliegt, wodurch eine Überzahl an positiv geladenen Trägern geschaffen wird, die Löcher genannt werden. Schichten mit einer übermäßigen Anzahl an Elektronen werden als n-Typ, das heißt, negativ, bezeichnet, wohingegen Schichten mit einer übermäßigen Anzahl an Löchern als p-Typ, das heißt, positiv, bezeichnet werden.
Über die Elektroden zwischen der p-Seite und der n-Seite der Schichtstruktur wird ein elektrisches Potential angelegt, wodurch sowohl die Löcher als auch die Elektronen in eine Richtung senkrecht zu den planaren Schichten über den p-n-Übergang angetrieben werden, um diese in die aktiven Schichten zu „injizieren", wobei die Elektronen sich mit den Löchern erneut zusammenschließen, wodurch Licht erzeugt wird. Die optische Rückkopplung, die durch die zerklüfteten Spiegel bereitgestellt wird, ermöglicht die Resonanz eines Teils des emittierten Lichtes, um kohärentes „Lasing" über die eine gespiegelte Kante der Halbleiterlaserstruktur zu erzeugen.
Die III–V-Nitride ermöglichen Diodenlaser, die bei Zimmertemperatur arbeiten und bei kontinuierlichem Betrieb bei kürzerer Wellenlänge sichtbares Licht in dem blau-violetten Bereich emittieren. Die III–V-Nitride umfassen Zusammensetzungen, die aus Elementen einer Gruppe III und einer Gruppe V des Periodensystems gebildet sind. Die III–V-Nitride können binäre Zusammensetzungen, wie beispielsweise Galiumnitrid (GaN), Aluminiumnitrid (AlN) oder Indiumnitrid (InN), ebenso wie ternäre Legierungen aus Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) oder Indiumgalliumnitrid (InGaN), sowie quartäre Legierungen, wie beispielsweise Aluminiumgalliumindiumnitrid (AlGalN) umfassen.
Diese Materialien sind für den Einsatz in Kurzwellenlicht emittierenden Vorrichtungen aus mehreren wichtigen Gründen vielversprechend. Genauer gesagt, besitzt das AlGalnN-System eine große Bandlücke, die das gesamte sichtbare Spektrum abdeckt. III–V-Nitride liefern darüber hinaus den wichtigen Vorteil, dass sie eine starke chemische Bindung aufweisen, wodurch diese Materialien hochstabil und widerstandsfähig gegenüber Degradierung bei hohen elektrischen Strom- und intensiven Lichtbeleuchtungsbedingungen, die in den aktiven Bereichen der Vorrichtungen vorhanden sind, sind. Diese Materialien sind darüber hinaus, wenn sie erst einmal aufgewachsen worden sind, widderstandsfähig gegenüber Dislokationsbildung.
Halbleiterlaserstrukturen, die III–V-Nitrid-Halbleiterschichten, die auf einem Saphirsubstrat aufgewachsen sind, umfassen, emittieren Licht nahe dem violetten bis sichtbaren Spektrum innerhalb eines Bereiches von 360 nm bis 650 nm.
Die kürzere Wellenlänge von blauen/violetten Laserdioden stellt eine kleinere Punktgröße und eine bessere Fokustiefe als die längere Wellenlänge von roten und Infrarot-(IR) Lasern für Laserdruckvorgänge und optische Speicherungen einer hohen Dichte bereit. Zusätzlich dazu können blaue Laser potentiell mit existierenden roten und grünen Lasern kombiniert werden, um Projektionsanzeigen und Farbfilmdrucker zu erzeugen.
Dieser Typ von Laser wird in Kommunikationssystemen, in Laserkopierverfahren und anderen Anwendungen eingesetzt, bei denen die kleine Größe der Vorrichtung, die niedrige Betriebsspannung und andere Eigenschaften nützlich sind. Die Leistung vieler Vorrichtungen, wie beispielsweise die von Laserdruckern und optischen Speichern kann durch das Eingliedern von mehreren Laserstrahlen verbessert werden. So können bei spielsweise Laserdrucker, die eine Vielzahl von Laserstrahlen verwenden, größere Druckgeschwindigkeiten erzielen und/oder eine bessere Punktschärfe als die Drucker erzielen, die lediglich einen einzelnen Laserstrahl verwenden.
Es können zwei Laser oder Doppellaser auf demselben Substrat gefertigt werden, um eng beabstandete, unabhängig adressierbare Laserstrahlen für solche Anwendungen bereitzustellen.
In praktisch sämtlichen Anwendungen dieser Laser ist es erforderlich, den Ausgang des Lasers zu modulieren. In dem Fall, in dem eine Anzahl von Festkörperlasern auf einem einzelnen Substrat integriert wird, ist es nahezu immer erforderlich, den Ausgang eines jeden Lasers unabhängig zu modulieren. In einigen Anwendungen geschieht diese Modulation bei einer sehr hohen Frequenz, in anderen geschieht sie bei einer niedrigen Frequenz, und in anderen Anwendungen variiert die Frequenz. Da das Lasing von einem Strom, der in die aktive Schicht fließt, abhängt, besteht ein offensichtlicher Weg zum Modulieren des Ausgangs eines Lasers darin, den Treiberstrom zu modulieren. Tatsächlich ist das Variieren des Antriebsstroms zum gegenwärtigen Zeitpunkt die am weitesten verbreitete und herkömmliche Methode, mit der ein Ausgang des Lasers moduliert wird. Diese Methode der Modulation weist jedoch eine Anzahl von eindeutigen Nachteilen und Unannehmlichkeiten auf, von denen einer ein vorübergehendes Erwärmen des Chips, auf dem der Laser oder die Laser ausgebildet ist/sind, ist.
Es wird Wärme durch die Spannungsabfälle in der/den Metallelektroden/Halbleiterschnittstellen, die einen endlichen Widerstand besitzen, und durch die Spannungsabfälle in den resistiven Halbleiterschichten erzeugt. Energie wird darüber hinaus auch in den aktiven Bereich des Lasers durch Injizieren von Elektronen in das Leitungsband und/oder in die Löcher in das Valenzband eingeführt. Elektronen schwächen sich bis zu dem niedrigsten Energiezustand des Leitungsbandes ab, und die Löcher schwächen sich bis zu dem niedrigsten Energiezustand des Valenzbandes durch Prozesse, bei denen kein Licht emittiert wird, ab, und setzen ihre Energie in Form von Wärme frei.
Wenn eine Laserdiode aus dem AUS-Zustand in den AN-Zustand umgeschaltet wird, so beispielsweise durch Anwenden einer Vorwarts-Vorspannung auf die Laserdiode bei ei fern Konstantstrom über dem Schwellenwert, wird der Laserbetrieb sehr schnell erzielt (typischerweise ~ ns), während die Temperatur der Vorrichtung weiterhin so lange ansteigt, bis sie ein Gleichgewicht erreicht. Dieses vorübergehende Erwärmen, beziehungsweise das Erwärmen, das sich im Verlauf der Zeit ändert, kann verursachen, dass der Lichtausgang dieser blauen III–V-Nitrid-Laserdiode und jeglicher angrenzender blauer III–V-Nitrid-Laserdioden abfällt, wenn der Schwellenstrom der Laservorrichtung einhergehend mit der Temperaturerhöhung ansteigt.
Die gewünschte Trennung zwischen den angrenzenden Laserdioden in einer Doppellaserstruktur kann 20 Mikrometer betragen. Unter diesen Umständen erhöht die Wärme, die während des Betriebes eines Lasers abgeführt wird, die Temperatur in dem aktiven Bereich des Lasers. Auf dem Gebiet der Technik ist dies als thermisches Übersprechen bekannt. Durch das thermische Übersprechen wird der Leistungsausgang des benachbarten Lasers unvorhersagbar und sprunghaft.
Laserdruckvorrichtungen mit hoher Geschwindigkeit und einer hohen Auflösung erfordern Laservorrichtungen mit wenig oder gar keinen Schwankungen der Ausgangsleistung. So ist beispielsweise die Abweichung des Laserlichtausgangs, die für rote und Infrarot Laser für Druckanwendungen erforderlich ist, kleiner als 4%, und diese Anforderungen wären für blaue III–V-Nitrid-Laserdioden ähnlich.
Eine weitere Folge, die sich aus der vorübergehenden Erwärmung eines Lasers ergibt, ist eine Änderung der Wellenlänge. Im Wesentlichen hängt die Betriebswellenlänge einer Laserdiode von der Temperatur der Laserdiode ab. Wenn sich die Temperatur ändert, wird sich die Wellenlänge des Laserbetriebs ändern. Thermisches Übersprechen von einer Laserdiode ändert die Wellenlänge des Lichtes, das von einer angrenzenden Laserdiode emittiert wird.
Blaue III–V-Nitridlaser sind infolge der schlechten Wärmeleitfähigkeit des Saphirsubstrates und des relativ hohen Stromverbrauchs der III-Nitrid-Basisiaservorrichtung ganz besonders für thermisches Übersprechen empfänglich. So weisen beispielsweise AlGalnN-Laservorrichtungen Schwellenströme in der Größenordnung von 50 mA und Betriebsspannungen von 5 V auf (verglichen mit ungefähr 15 mA und 2,5 V für rote Laser).
Ein Verfahren zum Reduzieren des thermischen Übersprechens besteht darin, die Doppellaser in der Halbleiterstruktur durch einen Graben voneinander zu trennen, der sich zwischen den zwei Lasern in das Substrat hinein erstreckt, wie dies in dem US-Patent 5.805.630 von Valster et al. gelehrt wird. Die zwei roten/Infrarot-Laser sind aus Galliumarsenid-Halbleiterschichten gebildet, und das Substrat, in das sich der Graben hinein erstreckt, ist ebenfalls aus Galliumarsenid.
Ungünstigerweise schwächt das Entfernen eines signifikanten Teils des Substrates, wie dies in diesem Patent gelehrt wird, die strukturelle Integrität der gesamten Halbleiterstruktur und macht diese empfänglicher für Brüche.
Darüber hinaus besitzt eine blaue III–V-Nitridlaserstruktur typischerweise ein Saphirsubstrat, bei dem es ganz besonders schwierig ist, einen Graben hineinzuätzen, wodurch auch möglicherweise jegliche III–V-Nitridhalbleiterschichten, die bereits auf dem Substrat aufgewachsen sind, geschädigt werden, oder wodurch die freigelegte Oberfläche des Substrates für jegliches darauffolgendes Abscheiden von III–V-Halbleiterschichten beschädigt wird. Jeglicher Graben, der mit Erfolg in einem Saphirsubstrat ausgebildet wird, schwächt das Substrat im Hinblick auf wahrscheinliches Brechen oder Zersplittern.
Das Dokument US 5.812.576 beschreibt eine Laserstruktur, die die Leistungsmerkmale des Oberbegriffes von Anspruch 1 enthält.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine III–V-Doppellaserstruktur mit einem reduzierten thermischen Übersprechen bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch Bereitstellen einer Doppel-Halbleiterlaserstruktur in Übereinstimmung mit Anspruch 1 erfüllt. Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein vollständigeres Verständnis der Erfindung und der vielen dazugehörigen Vorteile davon wird auf leichte Weise durch Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung und die begleitenden Zeichnungen gewonnen, in denen gleiche Referenznummern gleiche Elemente durch die verschiedenen Zeichnungen hinweg bezeichnen. Die Zeichnungen, die im Folgenden kurz beschrieben werden, sind nicht maßstabsgetreu.
1 ist eine Querschnittsdarstellung von der Seite der Doppel-III–V-Nitrid-Laserstruktur der vorliegenden Erfindung nach dem Aufwachsen der III–V-Nitrid-Halbleiterschicht.
2 ist eine Querschnittsdarstellung von der Seite der Doppel-III–V-Nitrid-Laserstruktur, bei der die zwei Laser zur Reduzierung von thermischem Übersprechen durch einen eingeätzten Graben getrennt sind.
3 ist ein Graph, der thermisches Übersprechen im Vergleich zu der Dicke der Stromausbreitungsschicht für eine Doppellaserstruktur darstellt.
4 ist ein Graph, der thermisches Übersprechen im Vergleich zu der Dicke der Stromausbreitungsschicht für eine Doppellaserstruktur zeigt, bei der sich ein eingeätzter Graben in eine dicke Stromausbreitungsschicht erstreckt.
5 ist ein Graph, der thermisches Übersprechen im Vergleich zu der Dicke der Stromausbreitungsschicht für eine Doppellaserstruktur zeigt, bei der sich ein eingeätzter Graben in eine dünne Stromausbreitungsschicht erstreckt.
6 ist eine Querschnittsdarstellung von der Seite einer Doppel-III–V-Nitrid-Laserstruktur ohne ein Saphirsubstrat, bei der die zwei Laser zur Reduzierung von thermischem Übersprechen durch einen eingeätzten Graben getrennt sind.
7 ist ein Graph, der thermisches Übersprechen im Vergleich zu der Dicke der Stromausbreitungsschicht für eine einer Doppel-III–V-Nitrid-Laserstruktur ohne ein Saphirsubstrat zeigt.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In der folgenden ausführlichen Beschreibung werden numerische Bereiche für verschiedene Aspekte der beschriebenen Ausführungsformen bereitgestellt. Die erwähnten Bereiche sind lediglich als Beispiele zu behandeln, und es ist nicht beabsichtigt, dass sie den Umfang der Ansprüche davon einschränken. Zusätzlich dazu wird eine Anzahl von Materialien als für verschiedene Aspekte der Ausführungsformen geeignet identifiziert. Diese erwähnten Materialien sind lediglich als Beispiele zu behandeln, und es ist nicht beabsichtigt, dass sie den Umfang der Ansprüche davon einschränken.
Im Folgenden wird Bezug auf 1 genommen, in der die Doppel-III–V-Nitrid-Laserstruktur 100 der vorliegenden Erfindung beschrieben wird. Die Halbleiterlaserstruktur 100 besitzt ein zu einer C-Fläche (0001) oder zu einer A-Fläche (1120) ausgerichtetes Saphir-(Al₂O₃) Substrat 102, auf das eine Aufeinanderfolge von Halbleiterschichten epitaktisch aufgewachsen wird. Das Saphirsubstrat 103 weist typischerweise eine Dicke von 200 Mikrometer bis 1000 Mikrometer auf. Das Saphirsubstrat ist ein illustratives Beispiel, und andere mögliche Substrate für die Doppellaserstruktur 100 der vorliegenden Erfindung umfassen Siliziumkarbid (SiC), Spinell (MgAl₂O₄), Aluminiumnitrid (AlN) oder Galliumnitrid (GaN).
Die Laserstruktur 100 enthält eine n-Typ-Pufferschicht oder eine Keimbildungsschicht 104, die auf dem Saphirsubstrat 102 ausgebildet ist. Typischerweise ist die Pufferschicht 104 aus einem binären oder ternären III–V-Nitridmaterial, wie beispielsweise GaN, AlN, InGaN oder AlGaN. Die Pufferschicht 104 in diesem illustrativen Beispiel ist ein nicht dotiertes GaN und weist typischerweise eine Dicke in dem Bereich zwischen 10 nm und 30 nm auf.
Eine zweite III–V-Nitridschicht 106 ist auf der Pufferschicht 104 ausgebildet. Die zweite III–V-Nitridschicht 106 ist eine n-Typ-GaN- oder AlGaN-Schicht. Die zweite III–V-Nitridschicht 106 fungiert als eine seitliche n-Kontakt- und Stromausbreitungsschicht. Die zweite III–V-Nitridschicht 106 weist typischerweise eine Dicke von ungefähr 1 μm bis ungefähr 20 μm auf. Die zweite III–V-Nitridschicht 106 ist typischerweise GaN:Si des n-Typs.
Eine dritte III–V-Nitridschicht 108 ist über der zweiten III–V-Nitridschicht 106 ausgebildet. Die dritte III–V-Nitridschicht 108 ist eine n-Typ-Mantelschicht. Die dritte III–V-Nitridschicht 108 weist typischerweise eine Dicke von ungefähr 0,2 μm bis ungefähr 2 μm auf. Die dritte III–V-Nitridschicht 108 ist typischerweise AlGaN:Si des n-Typs, die einen Aluminium-(Al) Anteil aufweist, der höher als der in der zweiten III–V-Nitridschicht 106 ist.
Auf der dritten III–V-Nitridschicht 108 wird eine Wellenleiterschicht 109, gefolgt von dem aktiven Bereich des InGaN-Quantentopfes 110 ausgebildet. Die Wellenleiterschicht 109 weist typischerweise eine Dicke von ungefähr 50 nm bis ungefähr 200 nm auf. Die Wellenleiterschicht 109 ist typischerweise GaN:Si, GaN:un, InGaN:un oder InGaN:Si des n-Typs mit einem Anteil an Indium, der kleiner ist als der des InGaN-Quantentopfes in dem aktiven Bereich. Der aktive Bereich des InGaN-Quantentopfes 110 ist aus wenigstens einem InGaN-Quantentopf gebildet. Für aktive Bereiche mit mehreren Quantentöpfen weisen die einzelnen Quantentöpfe typischerweise eine Dicke von ungefähr 10 Å bis ungefähr 100 Å auf, und sie sind durch InGaN- oder GaN-Grenzschichten voneinander getrennt, die typischerweise eine Dicke von ungefähr 10 Å bis ungefähr 200 Å aufweisen. Die InGaN-Quantentöpfe und die InGaN- oder GaN-Grenzschichten sind typischerweise nicht dotiert, oder sie sind möglicherweise Si-dotiert.
Eine vierte III–V-Nitridschicht 112 ist über dem aktiven Bereich des InGaN-Quantentopfes 110 ausgebildet. Die vierte III–V-Nitridschicht 112 dient als eine p-Typ-Mantelschicht und eine Strombegrenzungsschicht. Die vierte III–V-Nitridschicht 112 weist typischerweise eine Dicke von ungefähr 0,2 μm bis ungefähr 1 μm auf. Die vierte III–V-Nitridschicht 112 ist typischerweise AlGaN:Mg.
Eine fünfte III–V-Nitridschicht 114 ist über der vierten III–V-Nitridschicht 112 ausgebildet. Die fünfte III–V-Nitridschicht 114 bildet eine p-Kontaktschicht für die Metallelektrode des minimalen Widerstandes, um einen Kontakt mit der p-Seite der Laserheterostruktur 100 einzugehen. Die fünfte III–V-Nitridschicht 114 ist typischerweise GaN:Mg und weist eine Dicke von ungefähr 10 nm bis 200 nm auf.
Die Laserstruktur 100 kann mittels eines Verfahrens wie beispielsweise der metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOCVD, metalorganic chemical vapor deposition) oder der Molekularstrahlepitaxie hergestellt werden, wie dies auf dem Gebiet der Technik gut bekannt ist.
Die III–V-Nitridschichten können mittels herkömmlicher Prozesse mit einem p-Typ oder einem n-Typ dotiert werden. Beispiele von Dotierungsstoffen des p-Typs umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, Mg, Ca, C und Be. Beispiele von Dotierungsstoffen des n-Typs umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, Si, O, Se und Te.
Wie dies in 2 dargestellt ist, wird ein Graben 116 durch die III–V-Nitrid-Doppellaserstruktur 100 in die GaN-Stromausbreitungsschicht 106 geätzt. Es wird Trockenätzen mit chemisch unterstütztem Ionenstrahlätzen (CAIBE, chemical assisted ion beam etching) oder reaktives Ionenstrahlätzen (RIE, reactive ion beam etching) in einer Gasmischung aus Ar/Cl₂/BCl₃ verwendet, um den Graben 116 zu ätzen. Der Graben 116 ist 10 Mikrometer breit.
Der Graben 116 übt drei Funktionen aus. Erstens trennt er die Doppellaserstruktur 100 in eine ersten Laser 200 und einen zweiten Laser 300. Zweitens isoliert der Graben 116 den ersten Laser 200 elektrisch von dem zweiten Laser 300. Drittens isoliert der Graben 116 den ersten Laser 200 thermisch von dem zweiten Laser 300 und reduziert thermisches Übersprechen zwischen dem Doppellaser der III–V-Nitrid-Doppellaserstruktur 100.
Nach dem Ätzen des thermischen Isoliergrabens 116 wird die Fertigung der III–V-Nitrid-Doppellaserstruktur 100 fortgesetzt.
Der Graben 116 trennt die Doppellaserstruktur 100 in einen ersten Laser 200 und einen zweiten Laser 300.
Der erste Laser 200 besitzt eine n-Stromausbreitungsschicht 202, eine n-Mantelschicht 204, eine n-Wellenleiterschicht 205, eine aktive Schicht 206, eine p-Mantelschicht 208 und eine p-Kontaktschicht 210. Der zweite Laser 300 besitzt eine n-Stromausbreitungsschicht 302, eine n-Mantelschicht 304, eine n-Wellenleiterschicht 305, eine aktive Schicht 306, eine p-Mantelschicht 308 und eine p-Kontaktschicht 310.
Die n-Stromausbreitungsschicht 202 des ersten Lasers ist von der n-Stromausbreitungsschicht 302 des zweiten Lasers 302 getrennt und unterscheidet sich von derselben, jedoch werden beide aus der n-Stromausbreitungsschicht 106 gebildet, bevor der Graben 116 geätzt wird.
Die n-Mantelschicht 204 des ersten Lasers ist von der n-Mantelschicht 304 des zweiten Lasers getrennt und unterscheidet sich von derselben, jedoch werden beide aus der n-Mantelschicht 108 gebildet, bevor der Graben geätzt wird.
Die aktive Schicht 206 des ersten Lasers ist von der aktiven Schicht 306 des zweiten Lasers getrennt und unterscheidet sich von derselben, jedoch werden beide aus der aktiven Schicht 110 gebildet, bevor der Graben geätzt wird.
Die p-Mantelschicht 208 des ersten Lasers ist von der p-Mantelschicht 308 des zweiten Lasers getrennt und unterscheidet sich von derselben, jedoch werden beide aus der p-Mantelschicht 112 gebildet, bevor der Graben geätzt wird.
Die p-Kontaktschicht 210 des ersten Lasers ist von der p-Kontaktschicht 310 des zweiten Lasers getrennt und unterscheidet sich von derselben, jedoch werden beide aus der p-Kontaktschicht 114 gebildet, bevor der Graben geätzt wird.
Die teilweise geätzte Stromausbreitungsschicht 106, die Keimbildungsschicht 104 und das Saphirsubstrat 102 sind dem ersten Laser 200 und dem zweiten Laser 300 gemein.
Zum Ätzen des ersten Lasers 200 hinunter bis zu der GaN:Si-Stromausbreitungsschicht 202 und zum Ätzen des zweiten Lasers 300 hinunter bis zu der GaN:Si-Stromausbreitungsschicht 302 wird Trockenätzen mit chemisch unterstütztem Ionenstrahlätzen (CAIBE, chemical assisted ion beam etching) oder ein reaktives Ionenstrahlätzen (RIE, reactive ion beam etching) in einer Gasmischung aus Ar/Cl₂/BCl₃ zur Bildung des n-Kontaktes verwendet.
Das Ätzen der n-Stromausbreitungsschicht für die zwei Laser 200 und 300 kann gleichzeitig mit dem Ätzen des Grabens 116 oder in voneinander getrennten Ätzschritten durchgeführt werden.
Eine n-Elektrode 212 wird auf der geätzten, freigelegten n-Stromausbreitungsschicht 202 des ersten Lasers 200 ausgebildet, die als eine seitliche Kontaktschicht fungiert. Ein n-Kontakt 312 wird auf der geätzten, freigelegten n-Stromausbreitungsschicht 302 des zweiten Lasers 300 ausgebildet, die als eine seitliche Kontaktschicht fungiert. Das Metall der n-Elektrode kann durch thermisches Verdampfen (thermal evaporation), Elektronenstrahlverdampfen oder Kathodenzerstäubung (Sputtering) abgeschieden werden. Typischerweise werden Ti/Al, Ti/Au oder Ti/Al/Au als n-Metallelektroden verwendet. Das Ätzen des Graben 116 und der n-Stromausbreitungsschichten 202 und 302 erzeugt einen Mesa-Laser 200 mit einer Breite von 60 Mikrometern und einen Mesa-Laser 300 ebenfalls mit einer Breite von 60 Mikrometern.
In einem separaten Ätzschritt werden Kamm-Wellenleiter durch Ätzen in der p-AlGaN-Mantelschicht 208 und der p-AlGaN-Mantelschicht 308 mittels chemisch unterstütztem Ionenstrahlätzen (CAIBE, chemical assisted ion beam etching) oder reaktivem Ionenstrahlätzen (RIE, reactive ion beam etching) in einer Gasmischung aus Ar/Cl₂/BCl₃ ausgebildet. Der Kamm-Wellenleiter und demzufolge der elektrisch gepumpte Anteil des aktiven Bereiches 216 der ersten aktiven Schicht 206 des ersten Lasers 200 ist 2 Mikrometer breit und ist annähernd 1 Mikrometer dick. Der Kamm-Wellenleiter und demzufolge der elektrisch gepumpte Anteil des aktiven Bereiches 316 in der zweiten aktiven Schicht 306 des zweiten Lasers 300 ist 2 Mikrometer breit und 1 Mikrometer dick. Der erste aktive Bereich 216 ist von dem zweiten aktiven Bereich 316 durch 20 Mikrometer getrennt. Eine p-Elektrode 214 wird auf der p-Kontaktschicht 210 des ersten Lasers 200 ausgebildet. Eine p-Elektrode 314 wird auf der p-Kontaktschicht 310 des zweiten Lasers 300 ausgebildet. Als p-Konkakt-Metall können Ni/Au, NiO/Au, Pd/Au, Pd/Au/Ti/Au, Pd/Ti/Au, Pd/Ni/Au, Pt/Au oder Pd/Pt/Au mittels thermischen Verdampfens, Elektronenstrahlverdampfen oder Kathodenzerstäubung (Sputtering) abgeschieden werden.
Die zwei p-Elektroden 214 und 314 sind voneinander getrennt und unterscheiden sich voneinander. Dadurch kann der erste Laser 200 unabhängig von dem zweiten Laser 300 adressiert werden. Um beide Laser 200 und 300 weiter voneinander elektrisch zu isolieren, können auch die n-Elektroden 212 und 312 voneinander getrennt und unterschiedlich sein.
Eine Indium-Bondingschicht 118 mit einer Dicke von 20 Mikrometern und ein Kühlkörper 120 sind auf der dem ersten Laser 200 und dem zweiten Laser 300 gegenüberliegenden Seite 122 auf dem Saphirsubstrat 102 angebracht. Anstelle von Indium können auch andere Materialien, so beispielsweise Ti/In, Ti/Au/In, AuSn, Ti/AuSn, Ti/Au/AuSn als die Bondingschicht verwendet werden. Die Materialien für die Bondingschicht können durch thermisches Verdampfen, Elektronenstrahlverdampfen oder Kathodenzerstäubung (Sputtering) abgeschieden werden. Der Kühlkörper 120 weist eine ausreichend große thermische Masse auf, so dass seine Temperatur unabhängig von der durch die Laser freigegebenen Energie bleibt.
Die Laserfacetten (in dieser Figur nicht dargestellt) können entweder durch Abspalten oder Trockenätzen (beispielsweise CAIBE) ausgebildet werden. Eine hochreflektierende Beschichtung aus SiO₂/TiO₂, SiO₂/Ta₂O₅ oder SiO₂/HfO₂ kann auf der Rückseite der Facetten der ersten und zweiten Laserdiode durch Verwendung von Elektronenstrahlverdampfen abgeschieden werden, um das Spiegel-Reflexionsvermögen zu verbessern. Eine anti-reflektierende Beschichtung aus SiO oder SiO₂ kann auf der Vorderseite der Facetten der ersten und zweiten Laserdiode durch Verwendung Elektronenstrahlverdampfen abgeschieden werden.
Auf den ersten Laser 200 wird eine Vorwärts-Vorspannung durch einen Eingangsstrom angewandt, der durch die p-Elektrode 214 und die n-Elektrode 212 angelegt wird. Der Strom wird die Elektronen dazu veranlassen, von den n-dotierten Schichten der n-Stromausbreitungsschicht 202 und der unteren Mantelschicht 204 in die erste aktive Schicht 206 zu strömen. Der Strom veranlasst darüber hinaus auch die Löcher, von den p-dotierten Schichten der Kontaktschicht 210 und der oberen Mantelschicht 208 in die erste aktive Schicht 206 zu strömen. Ein erneutes Kombinieren der Elektronen und Löcher in dem ersten aktiven Bereich 216 bei einem ausreichenden Strom verursacht eine stimulierte Lichtemission.
Unabhängig davon wird auf den zweiten Laser 300 eine Vorwärts-Vorspannung durch einen Eingangsstrom angewandt, der durch die p-Elektrode 314 und die n-Elektrode 312 angelegt wird. Der Strom wird die Elektronen dazu veranlassen, von den n-dotierten Schichten der n-Stromausbreitungsschicht 302 und der unteren Mantelschicht 304 in die zweite aktive Schicht 306 zu strömen. Der Strom veranlasst darüber hinaus auch die Löcher, von den p-dotierten Schichten der Kontaktschicht 310 und der oberen Mantelschicht 308 in die zweite aktive Schicht 236 zu strömen. Ein erneutes Kombinieren der Elektronen und Löcher in dem zweiten aktiven Bereich 316 bei einem ausreichenden Strom verursacht eine stimulierte Lichtemission.
Die Tiefe des Grabens 116 und die Dicke der Stromausbreitungsschicht 106 sind für die effektive Reduzierung des thermischen Übersprechend der III–V-Nitrid-Halbleiterschichten, die auf dem Saphirsubstrat der Laserstruktur 100 abgeschieden sind, von entscheidender Wichtigkeit.
Eine Doppellaser-Halbleiterstruktur sollte ein thermisches Übersprechen von weniger als 10 Kelvin/Watt aufweisen. Eine III–V-Doppellaser-Halbleiterstruktur mit einem Isoliergraben, der sich durch die p-Kontaktschicht, die p-Mantelschicht, die aktive Schicht, die n-Mantelschicht und nur bis zu der Schnittstelle der n-Mantelschicht und der n-Stromausbreitungsschicht hin erstreckt, erfüllt diese Anforderung nicht.
Wie dies in dem Graph von 3 dargestellt ist, sind das thermische Übersprechen (C) und die Regeldifferenz des Leistungsausgangs (D) eine Funktion der Dicke der GaN-Stromausbreitungsschicht. Das thermische Übersprechen und die Regeldifferenz sinken schnell, wenn sich die Dicke der Stromausbreitungsschicht von 5 Mikrometer auf ungefähr 40 Mikrometer erhöht. Diese Reduzierung des thermischen Übersprechens geschieht infolge der seitlichen Ausbreitung von Wärme, die in der GaN-Stromausbreitungsschicht stattfindet. Das thermische Übersprechen und die Regeldifferenz werden jedoch schließlich anfangen zu steigen, wenn sich die Dicke der GaN-Stromausbreitungsschicht auf über 80 Mikrometer erhöht. Diese Erhöhung des thermischen Übersprechens geschieht infolge des vertikalen Transportes von Wärme in der Stromausbreitungsschicht von dem einen Laser zu dem anderen Laser. Der Vorteil für das Reduzieren von thermischem Übersprechen besteht in einer Stromausbreitungsschicht mit einer Dicke von mehr als 15 Mikrometern aber weniger als 40 Mikrometern.
Dadurch, dass sich der Isoliergraben jedoch lediglich nach unten hin zu der Schnittstelle der Stromausbreitungsschicht erstreckt, erreicht das thermische Übersprechen jedoch keinen Wert unterhalb des Schwellenwertes von weniger als 10 Kelvin/Watt.
Unter erneuter Bezugnahme auf die III–V-Nitrid-Doppellaserstruktur 100, die in 2 dargestellt ist, wird der Graben 116 durch die p-Kontaktschicht 114, die p-Mantelschicht 112, die aktive Schicht 110, die n-Mantelschicht 108 und zu 90% in die n-Stromausbreitungsschicht 106 hinein geätzt. Die Stromausbreitungsschicht 106 in diesem illustrativen Beispiel ist 20 Mikrometer dick, so dass sich der Isoliergraben 116 18 Mikrometer in die Stromausbreitungsschicht hinein erstreckt.
Wie dies in dem Graph in 4 dargestellt ist, ist für eine Stromausbreitungsschicht mit einer Dicke von 20 Mikrometern das thermische Übersprechen geringer als 10 Kelvin/Watt, wenn die Grabentiefe in der Stromausbreitungsschicht größer als 10 Mikrometer ist. Die Regeldifferenz wird sich leicht erhöhen, wenn die Tiefe des Grabens zunimmt, jedoch geschieht dies innerhalb von Toleranzgrenzen. Der zu 90 Prozent hinein geätzte Graben ist lediglich ein illustratives Beispiel, die Ätztiefe kann zwischen 50% und 100% der Dicke der Stromausbreitungsschicht liegen.
Wie dies in dem Graph in 5 dargestellt ist, bleibt für eine Stromausbreitungsschicht mit einer Dicke von 5 Mikrometern, selbst wenn der Graben vollständig durch die Stromausbreitungsschicht geätzt wird, das thermische Übersprechen über dem Schwellenwert von 10 Kelvin/Watt. Dies illustriert die Bedeutung einer ausreichend dicken GaN-Stromausbreitungsschicht für die III–V-Nitrid-Doppellaserstruktur, um auf effiziente Weise das thermische Übersprechen zwischen den Doppellasern zu reduzieren. Eine zu dünne Stromausbreitungsschicht wird selbst mit einem Graben das thermische Übersprechen nicht auf akzeptable Levels reduzieren.
Die hohe Wärmeleitfähigkeit der GaN-Stromausbreitungsschicht relativ zu dem angrenzenden Saphirsubstrat macht das Verwenden einer dicken GaN-Stromausbreitungsschicht, um die Wärme seitlich vor dem vertikalen Transport der Wärme durch das Saphirsubstrat zu dem Kühlkörper auszubreiten, nützlich.
Die verbleibenden ungeätzten 10 Prozent der Stromausbreitungsschicht 106 der Laserstruktur 100 sehen darüber hinaus eine minimale Dicke zum Reduzieren der elektrischen Leitfähigkeit zwischen den zwei Lasern vor, während eine unabhängige Adressierbarkeit beibehalten wird.
In der Zusammenfassung wird die III–V-Nitrid-Doppellaserstruktur auf einem Substrat aufgewachsen. Die Laserstruktur wird auf einer dicken (5 bis 40 Mikrometer) GaN-Stromausbreitungsschicht gefertigt. Die ideale Dicke zum Reduzieren des thermischen Übersprechens ist größer als 15 Mikrometer, was eine effizientere seitliche Ausbreitung der Wärme ermöglicht. Die Doppellaser sind durch 20 bis 50 Mikrometer in seitlicher Richtung voneinander getrennt. Ein Graben mit einer Breite von 10 Mikrometern trennt die Doppellaser durch die Laserhalbleiterstruktur voneinander und erstreckt sich zu wenigstens 50 bis 100 Prozent der Entfernung durch die GaN-Stromausbreitungsschicht, erstreckt sich jedoch nicht in das Substrat hinein.
Die Tiefe des Grabens 116 und die Dicke der Stromausbreitungsschicht 106 sind von entscheidender Wichtigkeit für das effektive Reduzieren des thermischen Übersprechens von den zwei Lasern der III–V-Nitrid-Halbleiterschichten, die auf dem Saphirsubstrat der Doppellaserstruktur 100 abgeschieden sind. Das Reduzieren des thermischen Übersprechens ermöglicht es den Lasern, in einem engeren Temperaturbereich und demzufolge mit einer größeren Stabilität in der Ausgangsintensität und der Wellenlängenfrequenz zu arbeiten.
Wie dies in der alternativen Ausführungsform von 6 dargestellt ist, können das Saphirsubstrat 102 der Doppellaserstruktur 100 durch eine Vorgehensweise des lasergestützten Abhebens entfernt werden, wie dies auf dem Gebiet der Technik bekannt ist. Die GaN-Keimbildungsschicht 104 wird anschließend durch die Indium-Bondingschicht 118 mit dem Kühlkörper 120 verbunden. Thermisches Übersprechen ist ohne den Graben 116 geringer als 3 Kelvin/Watt, wie dies in dem Graph in 7 dargestellt ist. Wenn ein Graben in die Stromausbreitungsschicht hinein geätzt wird, beträgt das thermische Übersprechen weniger als 1 Kelvin/Watt.
Die Laserdiodenstruktur in Übereinstimmung mit der Erfindung, die voranstehend beschrieben worden ist, kann auf eine beliebige Vorrichtung angewendet werden, die kompakte Laserstrukturen erfordert, einschließlich Laserdruckvorrichtungen mit hoher Auflösung, Digitaldruckern, Anzeigevorrichtungen, Projektionsanzeigen, optischen Speichervorrichtungen mit hoher Dichte, einschließlich magneto-optischen Speichervorrichtungen, einschließlich CD-ROM und DVD, bei denen Daten auf einer magneto-optischen Platte gespeichert werden, faseroptischen Kommunikationsvorrichtungen, einschließlich faseroptischen Sender- und Verstärkervorrichtungen sowie Unterwasserkommunikationsvorrichtungen (Meereswasser ist in dem blau-grünen Spektrum höchst transparent). Die Laserdiodenstruktur in Übereinstimmung mit der Erfindung kann darüber hinaus auch auf eine beliebige Vorrichtung angewendet werden, die kompakte Laserdiodenstrukturen erfordert, einschließlich Beleuchtungsvorrichtungen und Vollfarb-Anzeigen, einschließlich monolithisch integrierter Pixel für Vollfarb-Anzeigen.

Claims

Eine Doppel-Halbleiterlaserstruktur (100), umfassend: eine III–V Nitrid-Halbleiter-Stromausbreitungsschicht (106); eine Vielzahl von III–V Nitrid-Halbleiterschichten (108, 109, 110, 112, 114), die auf der genannten Stromausbreitungsschicht (106) derart ausgebildet sind, dass mindestens eine aus der genannten Vielzahl von III–V Nitrid-Halbleiterschichten eine aktive Schicht (110) ausbildet; einen Graben (116), der sich durch die Vielzahl der III–V Nitrid-Halbleiterschichten (108, 109, 110, 112, 114) erstreckt und sich teilweise durch die Stromausbreitungsschicht (106) erstreckt, wobei der Graben (116) einen ersten Laser (200) und einen zweiten Laser (300) aus der Vielzahl von III–V Nitrid-Halbleiterschichten ausbildet; wobei eine ausreichende Vorwärts-Vorspannung auf dem genannten ersten Laser (200) derart angewandt werden kann, dass das Auftreten von stimulierter Emission in dem selben bewirkt wird, wobei eine ausreichende Vorwärts-Vorspannung auf den genannten zweiten Laser (300) derart angewandt werden kann, dass das Auftreten von stimulierter Emission in dem selben bewirkt wird; und wobei sich der genannte Graben um mehr als 50 Prozent in die Stromausbreitungsschicht (106) erstreckt; dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Stromausbreitungsschicht (106) eine Dicke zwischen 15 μm und 40 μm aufweist, wodurch thermisches Übersprechen zwischen dem genannten ersten Laser (200) und dem genannten zweiten Laser (300) verringert wird.
Die Doppel-Halbleiterlaserstruktur gemäß Anspruch 1, wobei der genannte Graben (116) sich ungefähr 90 Prozent in die genannte Stromausbreitungsschicht (106) erstreckt.
Die Doppel-Halbleiterlaserstruktur gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die genannte Stromausbreitungsschicht (106) eine Dicke von 20 μm aufweist.
Die Doppel-Halbleiterlaserstruktur gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend ein Substrat (102) und wobei die genannte III–V Nitrid-Halbleiter-Stromausbreitungsschicht (106) auf dem genannten Substrat (102) ausgebildet ist.
Die Doppel-Halbleiterlaserstruktur gemäß Anspruch 4, wobei das genannte Substrat (102) Saphir ist.
Die Doppel-Halbleiterlaserstruktur gemäß Anspruch 4, wobei das genannte Substrat (102) Siliziumkarbid ist.
Die Doppel-Halbleiterlaserstruktur gemäß Anspruch 4, wobei das genannte Substrat (102) Galliumnitrid ist.