DE69325045T2 - Oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit verbesserter optischer Begrenzung - Google Patents

Oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit verbesserter optischer Begrenzung

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Description

    Erfindungsgebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Halbleiterlaser und insbesondere Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers mit Vertikalresonator und mit verbesserter optischer Begrenzung.
    • Stand der Technik
  • Halbleiterlaser sind für eine Vielzahl von Anwendungen einschließlich der Telekommunikation, Rechensystemen, optischen Aufzeichnungssystemen und der optischen Zusammenschaltung integrierter Schaltungen attraktiv. Halbleiterlaser bieten eine kompakte Quelle kohärenten monochromatischen Lichts, das mit hohen Bitraten moduliert werden kann, um große Informationsmengen zu übertragen.
  • Flächenemittierende Laser mit Vertikalresonator (VCSEL - vertical cavity surface emitting laser) sind für Anwendungen, die zweidimensionale Laseranordnungen erfordern, besonders vielversprechend. Im Gegensatz zu kantenemittierenden Lasern, die Licht parallel zu den Wachstumsebenen ihrer Substrate emittieren, emittieren VCSEL Licht normal zu den Substraten. Ein typischer VCSEL umfaßt einen zwischen einem Paar verteilter Bragg-Reflektorstapel angeordneten aktiven Bereich. Bei Einspeisung eines geeigneten Stroms durch den aktiven Bereich wird Laserlicht quer zu den Wachstumsebenen emittiert.
  • Eine Schwierigkeit bei herkömmlichen VCSEL ist das Problem der seitlichen Begrenzung emittierten Lichts im Bereich des Laserresonators. Da die Bauelemente als sich seitlich über den beabsichtigten aktiven Bereich hinaus erstreckende planare Bereiche gezogen werden, weisen die seitlich zu den aktiven Bereichen peripheren Bereiche identische oder beinahe gleiche Brechzahlen wie die Brechzahlen im aktiven Bereich auf. Diese Übereinstimmung erlaubt eine seitliche Wegkopplung aus dem aktiven Bereich. Es besteht daher ein Bedarf an einem VCSEL-Bauelement, das verbesserte optische Begrenzung bietet.
  • In dem Japanese Journal of Applied Physics, International Conference on Solid State Devices and Materials, Yokohama, 27. August 1991, Seiten 326-328, ist ein flächenemittierender DBR-Laser mit vergrabener Heterostruktur offenbart, bei dem ein säulenähnlicher optischer Resonator durch reaktives Ionenstrahlätzen ausgebildet und durch eine PNPN-Stromsperrstruktur unter Verwendung einer Flüssigphasenepitaxie eingebettet wird.
  • In US-A-5034958 ist ein vorderflächenemittierender DBR-Laser mit Vertikalresonator beschrieben, bei dem seitliche Strombegrenzung durch eine erste tiefe Ionenimplantation in einem zu dem aktiven Bereich peripheren und ihm benachbarten Bereich erreicht wird, über dem eine zweite flache Ionenimplantation durchgeführt wird, die die Leitfähigkeit so steigert, daß sie einen seitlichen oberen Kontakt bereitstellt.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die gegenwärtigen Anmelder haben entdeckt, daß ein flächenemittierender Laser mit verbesserter optischer Begrenzung und verbesserten Wärmeableiteigenschaften durch Wegätzen von Teilen der Wachstumsschichten peripher zu dem beabsichtigten Laserresonator und Neuziehen von peripheren Bereichen von Material mit einer niedrigeren Brechzahl als der aktive Bereich hergestellt werden kann. Unter Verwendung von geringe Beschädigung verursachendem Ätzen und entweder Neuziehen vor Ort oder Wasserstoffplasmareinigung gefolgt von Neuziehen kann ein flächenemittierender Laser mit verbesserten optischen Trennungs- und Wärmeableitungseigenschaften hergestellt werden.
  • In EP-A-0113983 ist das Ziehen von Halbleiterbauelementen mit Ätzen eines Teils eines Halbleitersubstrats im Vakuum durch Wasserstoffplasma und Neuziehen einer Halbleiterschicht durch Molekularstrahlepitaxie auf dem geätzten Teil ohne Unterbrechung des Vakuums beschrieben.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • In den Zeichnungen ist:
  • Fig. 1 ein schematischer Querschnitt eines herkömmlichen planaren flächenemittierenden Lasers, der zur Erläuterung des Problems, auf das die vorliegende Erfindung gerichtet ist, nützlich ist;
  • Fig. 2 ein schematischer Querschnitt einer Ausführungsform eines flächenemittierenden Lasers, der nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung gezogen worden ist;
  • Fig. 3 ein Blockdiagramm, das die Schritte des bevorzugten Verfahrens zur Herstellung der Struktur der Fig. 2 veranschaulicht;
  • Fig. 4 bis 6 eine Darstellung des Werkstückes in verschiedenen Stadien im Herstellungsvorgang.
    • Ausführliche Beschreibung
  • Bezugnehmend auf die Zeichnung ist die Fig. 1 ein schematischer Querschnitt eines herkömmlichen flächenemittierenden Lasers 9 mit im wesentlichen einem aktiven Bereich 10, der zwischen einem Paar verteilter Bragg-Reflektorstapel 11 und 12 angeordnet ist. Die Struktur wird typischerweise auf einem Halbleitersubstrat 13 wie beispielsweise n-Galliumarsenid hergestellt. Der innere Reflektorstapel 11 umfaßt periodische Schichten wie beispielsweise Schichten aus Aluminiumgalliumarsenid und Aluminiumarsenid. Vorteilhafterweise sind die Schichten des inneren Stapels 11 mit derselben Störstellenart wie das Substrat dotiert. Der aktive Bereich 10 umfaßt typischerweise abwechselnde Sperrschichten und Quantenmuldenschichten wie beispielsweise abwechselnde Schichten aus Aluminiumgalliumarsenid und Galliumarsenid. Als Alternative kann der aktive Bereich eine GaAs-Heterostruktur sein. Der äußere Reflektorstapel 12 besteht aus periodischen Schichten wie beispielsweise p-Aluminiumgalliumarsenid und Aluminiumarsenid. Bereiche 14 der zum aktiven Bereich 10 peripheren Muldenschichten werden durch Protonenimplantation hochohmisch gemacht, und die ohmischen Kontakte 15 und 16 werden zum Substrat 13 bzw. zum Außenstapel 12 hergestellt, um Strom für den aktiven Bereich bereitzustellen.
  • Im Betrieb des herkömmlichen Bauelements erzeugt an Kontakten 15 und 16 angelegte Spannung einen Strom zwischen diesen, der durch Implantationsbereiche 14 durch den aktiven Bereich 10 hindurch geleitet wird. Im aktiven Bereich erzeugtes Licht wird zwischen Stapeln 11 und 12 reflektiert, wobei ein Teil typischerweise durch den Außenstapel 12 hindurch emittiert wird. Da die Richtung der Lichtabstrahlung normal zu den Wachstumsebenen liegt, wird die Struktur als flächenemittierender Laser mit Vertikalresonator bezeichnet.
  • Bei dieser herkömmlichen Struktur besteht ein Problem darin, daß die zum aktiven Bereich 10 peripheren Bereiche 14 aus denselben Arten von Material wie der aktive Bereich hergestellt sind, mit dem Ergebnis, daß die peripheren Bereiche Brechzahlen aufweisen, die dem aktiven Bereich identisch entsprechen. Die Folge ist, daß ein wesentlicher Teil des im aktiven Bereich 10 emittierten Laserlichts in der seitlichen Dimension vom aktiven Bereich hinweggekoppelt wird. Dieses Problem läßt sich nicht leicht durch einfaches Wegätzen der peripheren Bereiche lösen, da es schwierig sein würde, den aktiven Bereich elektrisch zu kontaktieren, und die freigelegten Wände würden ernsthafte Verschmutzungsprobleme darstellen. Zusätzlich würden die freigelegten Wände den optischen Verlust aufgrund strahlungsloser Rekombination sehr steigern.
  • Fig. 2 ist ein Querschnitt eines auf einem Substrat 23 ausgebildeten flächenemittierender Lasers 19. Diese Struktur umfaßt einen zwischen einem Paar reflektiver Stapel 21 und 22 angeordneten aktiven Bereich 20A. In der Struktur der Fig. 2 sind jedoch die zum aktiven Bereich 20A peripheren Teile weggeätzt worden, was die Wände 20B übrigläßt. Schichten 24A und 24B aus Material mit einer niedrigeren Brechzahl als der des aktiven Bereichs 20A sind neugezogen worden. Vorteilhafterweise werden Teile des Außenstapels 22, die zum aktiven Bereich peripher sind, zur gleichen Zeit weggeätzt, und die neugezogene Schicht 24A erstreckt sich zur Oberseite des Stapels 22, um eine ebene Außenfläche bereitzustellen. An der Außenfläche des Stapels 22, die über dem aktiven Bereich 20A liegt, ist vorzugsweise ein SiO&sub2;-Fenster 50 angeordnet.
  • Die Grenzfläche zwischen 20A und Schicht 24B an der Wand 20B verhält sich wie eine Reflexionsfläche. So verbessert die Grenzfläche bei 20B die optische Begrenzung des aktiven Bereichs.
  • Strombegrenzung auf den aktiven Bereich 20A kann dadurch erreicht werden, daß die Schicht 24B nichtleitend und die Schicht 24A leitend gemacht wird. So wird Strom durch die Schicht 24A durch den aktiven Bereich hindurchgeleitet. Vorzugsweise werden Schichten 24A und 24B als Einzelschicht gezogen, und der Innenteil der Schicht wird durch tiefe Ionenimplantation nichtleitend gemacht, um zur Schicht 24B zu werden. Die Schicht 24A wird vorzugsweise als dotierte Schicht mit genügend Leitfähigkeit gezogen, um ohmischen Kontakt zu erlauben und um einen Stromweg zum aktiven Bereich 20A bereitzustellen. Die ohmischen Metallkontakte 25 und 26 sind auf Bereich 24A bzw. Substrat 23 angeordnet, um den so kanalgebundenen Strom bereitzustellen.
  • Das bevorzugte Verfahren zur Herstellung der Struktur der Fig. 2 wird durch Bezugnahme auf Fig. 3 verständlich, die ein Blockdiagramm ist, das die Schritte des bevorzugten Verfahrens zeigt. Fig. 4 bis 6 zeigen ein Werkstück in verschiedenen Stadien des Vorgangs.
  • Nach der Darstellung in Fig. 3A gehört zum Anfangsschritt die Bereitstellung eines Halbleitersubstrats 23 und das epitaxiale Ziehen auf dem Substrat der Reihe von Schichten, die den inneren Reflektorstapel 21, die Schichten 20 des aktiven Bereichs und den äußeren Reflektorstapel 22 bilden. Diese Schichten lassen sich unter Verwendung von Molekularstrahlepitaxie (MBE - molecular beam epitaxy) nach im Stand der Technik wohlbekannten Verfahren ausbilden. Das Substrat ist vorzugsweise n-dotiertes Galliumarsenid. Der untere Reflektorstapel 21 kann als tropfenförmig verteilter Bragg-Reflektor mit 30 Perioden von Schichten gezogen werden, wobei jede Periode aus 515 Å von Al0,16Ga0,84As, 99 Å von Al0,58Ga0,42As, 604 Å von AlAs und 99 Å von Al0,58Ga0,42As besteht. Die AlGaAs-Schichten werden mit n-Störstellen wie Silicium auf eine Konzentration von 3 · 10¹&sup8; cm³ dotiert.
  • Der aktive Bereich 20 kann als innere Begrenzungsschicht 42 von auf Stapel 21 gezogenem eigenleitendem Al0,16Ga0,84As gezogen werden. Die Stärke der Schicht 42 ist vorzugsweise so gewählt, daß der mittlere Wellenbauch von Stehwellen die Quantenmulden überlappt. Im vorliegenden Beispiel beträgt die Stärke ca. 890 Å. Der auf der Begrenzungsschicht gezogene Quantenmuldenbereich 41 kann fünf (nicht gezeigte) Quantenmulden umfassen, die aus 70-Å-Muldenschichten von GaAs und 70-Å-Sperrschichten von Al0,16Ga0,84As bestehen. Die obere Begrenzungsschicht 40 kann eine zweite, mit p-Störstellen wie beispielsweise Be auf eine Konzentration von 1 · 10¹&sup7; cm³ dotierte 890-Å- Al0,16Ga0,84As-Schicht sein.
  • Der äußere Reflektorstapel 22 kann auf der Schicht 40 gezogen werden. Der äußere Stapel 22 ähnelt dem inneren Stapel, nur ist der Stapel 22 mit Be auf eine Konzentration von 3 · 10¹&sup8; cm³ p-dotiert und umfaßt weniger Perioden, z. B. 20, so daß Licht emittiert wird.
  • Der nächste, in der Fig. 3B gezeigte Schritt besteht darin, die Außenfläche des Werkstückes mit einer Ätzmaske 50 zu versehen, die gezielt über dem Bereich liegt, wo der aktive Bereich 20A des Lasers auszubilden ist. Die resultierende Struktur ist in Fig. 5 dargestellt. Die Maske 50 kann ein Punkt von 3000-6000 Å starkem Siliciumdioxid mit einem Durchmesser von 10-20 Mikrometer sein, der durch plasmaverstärkte chemische Aufdampfung gebildet und nach in der Technik wohlbekannten photolithographischen Verfahren strukturiert ist. Eine Siliciumdioxidmaske ermöglicht nicht nur die Definition des aktiven Bereichs des Lasers während der Herstellung sondern bietet auch transparenten Schutz über der Laserendfläche nach der Herstellung. Ihre Stärke wird vorzugsweise so gewählt, daß sie als Halbwellenplatte für die Laserwellenlänge wirkt.
  • Der dritte, in der Fig. 3C dargestellte Schritt besteht aus dem Wegätzen der Bereiche des äußeren Stapels 22 und der aktiven Schichten 20, die zum aktiven Bereich 20A peripher sind. Vorteilhafterweise werden die oberen peripheren Bereiche des inneren Stapels 21 im selben Schritt weggeätzt. Das Ätzen kann auf eine von einer Vielzahl von Weisen einschließlich des reaktiven Ionenätzens, durch ionenstrahlunterstütztes Ätzen oder chemisch unterstütztes Ionenstrahlätzen durchgeführt werden. Vorzugsweise wird das Ätzen durch Trockenätzen unter Bedingungen, die eine nichtselektive, beschädigungsarme, anisotrope Ätzung wie beispielsweise durch Elektronen-cyclotronresonanz (ECR-)Ätzung herbeiführen, bewirkt. Während des Ätzschrittes sollte die Tiefe genau überwacht werden. Genaue Tiefenüberwachung während des Ätzens kann durch Laserreflexionsmessung erreicht werden. Die geätzte Struktur ist in Fig. 6 dargestellt.
  • Der nächste, in Fig. 3D gezeigte Schritt besteht aus dem epitaxialen Neuziehen einer Schicht von Material 24 wie beispielsweise AlGaAs, um die weggeätzten Schichten aufzufüllen. Die Zusammensetzung des Materials wird so gewählt, daß es eine niedrigere Brechzahl als die Durchschnittsbrechzahl des aktiven Bereichs 20A aufweist, um eine reflektierende Grenzfläche zu erzeugen. Vorteilhafterweise liegt die Differenz der Brechzahlen in der Größenordnung von 0,1 oder mehr. Vorzugsweise ist das neugezogene Material Al0,40Ga0,60As. Neuziehen kann unter Verwendung eines beliebigen einer Vielzahl von Verfahren einschließlich MBE, chemischer Strahlepitaxie, MOCVD oder Gasquellen- MBE durchgeführt werden. Dieses Neuziehen kann auf eine von zwei Weisen erreicht werden: entweder vor Ort ohne Unterbrechen des Vakuums nach dem Ätzen oder im Zusammenhang mit Wasserstoffplasmareinigung vor dem Neuziehen, wenn nach dem Ätzen eine atmosphärische Freisetzung stattgefunden hat.
  • Für das Neuziehen vor Ort werden nach dem Ätzen die Werkstücke im Vakuum aus der ECR-Kammer in eine Wärmekammer überführt und 20 Minuten lang in einem Vakuum von 2 · 10&supmin;¹¹ Torr auf annähernd 250-500ºC erwärmt, um Reaktionsprodukte und physikalisch absorbiertes Gas auf den Oberflächen zu desorbieren. Die Werkstücke werden dann im Vakuum in eine Wachstumskammer wie beispielsweise eine MBE-Kammer überführt.
  • In der Wachstumskammer werden die Werkstücke 10 Minuten lang in einem As-Überdruck auf annähernd 640ºC erwärmt. Die Werkstücktemperatur wird dann auf 580º- 700º eingestellt und das Wachstum von AlGaAs eingeleitet. Die neugezogene Schicht 24 kann p- dotiertes Aluminiumgalliumarsenid sein.
  • Der alternative Neuziehungsvorgang erfordert nicht die Unterhaltung eines hohen Vakuums, sondern benutzt stattdessen Wasserstoffplasmareinigung vor dem Neuziehen. Unter Annahme einer atmosphärischen Freisetzung nach dem Ätzschritt werden Werkstücke in die ECR-Kammer für Wasserstoffplasmaverarbeitung eingeführt und auf einen Einfallwinkel zur ECR-Quelle von annähernd 80º von der Normalen ausgerichtet. Das Substrat wird auf annähernd 300ºC erwärmt, Wasserstoffgas wird mit einer Flußgeschwindigkeit von 10-20 SCCM eingeführt, um einen Arbeitsdruck von 1- 2 · 10&supmin;&sup4; Torr zu erzeugen, und die Mikrowellenleistung wird 30-60 Minuten lang zwischen 100 und 200 Watt verändert. Nach der Plasmaverarbeitung werden die Werkstücke im Vakuum in eine andere Kammer überführt, wo sie 20 Minuten lang auf ca. 250-500ºC erwärmt werden, um alle physikalisch absorbierten Gasreste oder Reaktionsprodukte zu beseitigen und die Oberfläche zu härten. Die Proben werden dann zum Neuziehen wie oben beschrieben im Vakuum in die MBE-Kammer verlagert.
  • Der fünfte, in Fig. 3E dargestellte Schritt begrenzt den leitfähigen Weg auf den aktiven Bereich 20A, indem er die Schicht 24B nichtleitend macht. Insbesondere kann dies durch tiefe Ionenimplantation wie beispielsweise durch Implantation von H&spplus;-Ionen bei ca. 280 KeV erreicht werden.
  • Als (nicht gezeigte) Endschritte werden die ohmischen Kontakte 25 und 26 durch herkömmliche Ablagerungs- und Photolithographieverfahren am Bereich 24 und an der Rückseite des Substrats angebracht. Die einzelnen Laser können dann durch tiefe Gräben voneinander getrennt werden.
  • Während der Laser im Zusammenhang mit einem bevorzugten Galliumarsenidsystem beschrieben worden ist, können auch Systeme aus Halbleitermaterial anderer Zusammensetzungen wie beispielsweise Indiumphosphid und Galliumantimonid benutzt werden.

Claims (2)

1. Verfahren zur. Herstellung eines flächenemittierenden Halbleiterlasers mit einem peripher umgebenen aktiven Bereich mit verbesserter optischer Begrenzung, mit folgenden Schritten:
Bereitstellen eines Halbleiter-Werkstücks;
Ziehen auf dem besagten Werkstück eines ersten Reflexionsstapels, einer Aktivschicht zum Ausbilden des besagten aktiven Bereichs und eines zweiten Reflexionsstapels;
Wegätzen von Teilen des besagten zweiten Reflexionsstapels und der besagten Aktivschicht, die den besagten aktiven Bereich peripher umgibt, in einer Umgebung mit verringertem Druck;
ohne das geätzte Werkstück der Atmosphäre auszusetzen, Neuziehen von Material in dem weggeätzten Bereich, der den besagten aktiven Bereich peripher umgibt; wobei
das besagte neugezogene Material ein leitfähiges Material mit einer niedrigeren Brechzahl als das Material des besagten aktiven Bereichs ist, und
der Teil des besagten neugezogenen Materials neben dem besagten aktiven Bereich gezielt durch Ionenbeschuß nichtleitend gemacht wird, wodurch Licht und elektrischer Strom peripher im besagten aktiven Bereich eingegrenzt sind.
2. Verfahren zur Herstellung eines flächenemittierenden Halbleiterlasers mit einem peripher umgebenen aktiven Bereich mit verbesserter optischer Begrenzung mit folgenden Schritten:
Bereitstellen eines Halbleiter-Werkstücks;
Ziehen auf dem besagten Werkstück eines ersten Reflexionsstapels, einer Aktivschicht zum Ausbilden des besagten aktiven Bereichs und eines zweiten Reflexionsstapels;
Wegätzen von Teilen des besagten zweiten Reflexionsstapels und der besagten Aktivschicht, die den besagten aktiven Bereich peripher umgibt;
Aussetzen des geätzten Werkstücks einem Wasserstoff umfassenden Gasplasma in einer Umgebung mit verringertem Druck;
ohne das mit Plasma bearbeitete Werkstück der Atmosphäre auszusetzen, Neuziehen von Material in dem weggeätzten Bereich, der den besagten aktiven Bereich peripher umgibt; wobei
das besagte neugezogene Material ein leitfähiges Material mit einer niedrigeren Brechzahl als das Material des besagten aktiven Bereichs ist; und
der Teil des besagten neugezogenen Materials neben dem besagten aktiven Bereich gezielt durch Ionenbeschuß nichtleitend gemacht wird, wodurch Licht und Strom peripher im besagten aktiven Bereich eingegrenzt sind.
DE69325045T 1992-03-25 1993-03-18 Oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit verbesserter optischer Begrenzung Expired - Lifetime DE69325045T2 (de)

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