DE69723923T2

DE69723923T2 - Herstellungsverfahren für einen Oberflächenemittierenden Laser

Info

Publication number: DE69723923T2
Application number: DE69723923T
Authority: DE
Inventors: Antonina Plais; Paul Salet; Joel Jacquet; Francis Poingt; Estelle Derouin
Original assignee: Oclaro North America Inc
Current assignee: Oclaro North America Inc
Priority date: 1996-07-04
Filing date: 1997-06-26
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2017-06-27
Also published as: EP0817337B1; FR2750804A1; EP0817337A1; FR2750804B1; JPH1065268A; US5854088A; JP3225211B2; DE69723923D1

Description

Die Erfindung betrifft die Halbleiterlaser, die als "oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonanzraum" oder "VCSEL" (engl. Vertical Cavity Surface Emitting Laser) bezeichnet werden.
Diese Laser werden aus einem Substrat hergestellt, das aus einer Halbleiterverbindung des Typs III–V, etwa aus Galliumarsenid GaAs oder Indiumphosphid InP, gebildet ist.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Halbleiterlasern erfolgt die Lichtemission senkrecht zur Oberfläche der aktiven Schicht und in der gleichen Richtung wie die Einleitung des elektrischen Stroms zur Aufrechterhaltung des Lasereffekts. Folglich ist im Fall eines InP-Substrats die Komponente im Wesentlichen aus einem Resonanzraum gebildet, der von zwei einander gegenüberliegenden dielektrischen oder halbleitenden Spiegeln begrenzt wird. Der Resonanzraum ist aus einer p-dotierten InP-Schicht, einer undotierten aktiven quartären GaInAsP-Schicht und einer n-dotierten InP-Schicht gebildet. Die Einleitung des elektrischen Stroms erfolgt über zwei Elektroden, die beiderseits des Resonanzraums angeordnet sind. Wenn der Spiegel aus einem dielektrischen Werkstoff gebildet ist, muss zwangsläufig wenigstens eine der Elektroden neben oder, allgemeiner ausgedrückt, rings um diesen Spiegel angeordnet sein.
Sowohl vom optischen als auch vom elektrischen Standpunkt aus betrachtet ist für eine hohe Leistungsfähigkeit einer solchen Struktur ein ausreichender Einschluss der aktiven Schicht unablässig. Dazu kann eine Struktur gewählt werden, bei der die aktive Schicht in einem Bereich vergraben ist, der einen niedrigeren Brechungsindex aufweist. Wenn zudem die aktive Schicht in einem p-dotierten Bereich an der Grenze zu dem n-dotierten Bereich vergraben ist, wird außerdem durch die Schleusenspannung des p-n-Übergangs, der die aktive Schicht umgibt, ein elektrischer Einschluss erhalten.
Für die Verwirklichung von Hochleistungslasern mit kontinuierlicher Emission, die bei Raumtemperatur arbeiten, ist es notwendig, den elektrischen Einschluss zu verstärken, um den Wirkungsgrad zu erhöhen und die Erwärmung der Komponente zu verringern. Eine Lösung dieses Problems ist in dem Artikel "Continuous Wave GaInAsP/InP Surface Emitting Lasers with a Thermally Conductive NgO/Si Mirror", Toshihiko BABA u. a., Japanese Journal of Applied Physics, Bd. 33 (1994), Teil 1, Nr. 4A, April 1994, S. 1905–1909, unterbreitet worden.
In diesem Artikel wird vorgeschlagen, eine Sperrschicht anzuordnen, die rings um die vergrabene aktive Schicht aufliegt. Diese Lösung erlaubt zwar den elektrischen Einschluss zu verbessern, jedoch ist der Wirkungsgrad nicht optimal. Simulationen und Messungen an einer derartigen Struktur zeigen nämlich, dass die Stromdichte durch die aktive Schicht hindurch nicht gleichmäßig ist. Genauer gesagt ist die Stromdichte am Umfang der aktiven Schicht weit höher (in einem Verhältnis in der Größenordnung von vier zu eins) als in ihrer Mitte. Daraus folgt, dass der Lasereffekt nur auf einer ringförmigen Mode erhalten werden kann, denn im mittigen Bereich ist die Trägerdichte geringer als diejenige, die notwendig ist, um die Laserschwelle zu erreichen.
Eine andere Lösung ist in dem Artikel von G. M. Yang u. a.: "Ultralow threshold current vertical-cavity surface-emitting lasers obtained with selective oxidation", ELECTRONICS LETTERS, 25. Mai 1995, Bd. 31, Nr. 11, S. 886–888 beschrieben. Die vorgeschlagene Struktur umfasst eine nicht vergrabene aktive Schicht, unter welcher eine den Strom einschließende Schicht angeordnet ist. Diese Schicht ist als durchgehende Aluminiumarsenid-Schicht verwirklicht, die einer gesteuerten seitlichen Oxydation unterzogen worden ist, derart, dass eine Öffnung für den Strom gelassen worden ist, die sich unterhalb des oberen Spiegels befindet. Diese Lösung gewährleistet eine gute Ebenheit der Fläche, die den Spiegel aufnimmt, erfordert jedoch eine feinfühlige Steuerung des Schrittes der seitlichen Oxidation. Außerdem ist es notwendig, anschließend eine Schutzschicht aus Silicumnitrid abzulagern, um die Oxydation der Aluminiumarsenid-Schicht zu stoppen.
Der Artikel mit dem Titel "High Efficiency Submilliamp Vertical Cavity Laser with Intracavity Contacts", IEEE Photonics Technology Letters, Bd. 6, Ni. 6, Juni 1994, S. 678–680, von J. W. Scott u. a. schlägt ein Verfahren vor, das unabhängig von der Zusammensetzung des Substrats leicht durchzuführen und anzuwenden ist und dabei die Nachteile der vorhergehenden Lösungen vermeidet.
Dieses Dokument beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterlaser-Komponente mit Oberflächenemission, die einen vertikalen Resonanzraum aufweist, der in einem aus Elementen der Gruppe III–V gebildeten Substrat gebildet ist, wobei der Raum eine Schicht für die Einleitung von elektrischem Strom umfasst, die mit einer horizontalen Schicht für den elektrischen Einschluss, die zwischen einer horizontalen aktiven Schicht und einem den Raum begrenzenden Spiegel angeordnet ist, versehen ist. Die Bildung der Stromeinleitungsschicht umfasst die folgenden Schritte:

– Aufwachsenlassen einer Unterätzschicht, die bei der Betriebswellenlänge der Komponente durchlässig ist, über der aktiven Schicht,
– wenigstens ein Aufwachsenlassen einer dotierten Schicht, die aus Elementen der Gruppe III–V besteht, auf der Unterätzschicht,
– Bilden einer Mesa, die in Bezug auf den für den Spiegel vorgesehenen Ort zentriert ist und deren Seitenwände die Unterätzschicht frei lassen, und
– gesteuertes seitliches Ätzen der Unterätzschicht, um die Schicht für den elektrischen Einschluss zu bilden.

Diese Einschlussschicht wird folglich die Form einer Zwischenschicht haben und eine Konzentration der Stromlinien bewirken, die die aktive Schicht in einem begrenzten Gebiet, das sich senkrecht zu dem oberen Spiegel befindet, durchqueren. Das vorgeschlagene Verfahren weist zunächst den Vorteil auf, dass es Probleme hinsichtlich der Ebenheit der Halbleiterschichten, die sich zwischen der Zwischenschicht und dem Spiegel befinden, vermeidet. Außerdem wird dadurch, dass die Schicht für den elektrischen Einschluss durch seitliches Ätzen hergestellt wird, eine einwandfreie elektrische Isolation rings um die Zwischenschicht gewährleistet.
Die Erfindung hat zum Ziel, dieses seitliche Ätzen zu vereinfachen. Um dieses Ziel zu erreichen sieht das Verfahren gemäß der Erfindung außerdem vor, dass die Seitenwände der Mesa aus vier vertikalen Ebenen gebildet sind, die unter etwa 45 Grad zu den Spaltungsebenen des Substrats orientiert sind.
Im Gegensatz zu den übrigen kristallographischen Ebenen der III–V-Verbindungen haben nämlich diejenigen, die unter 45 Grad zu den Spaltebenen orientiert sind, gleiche Ätzeigenschaften. Daraus ergibt sich, dass das Ätzen der Unterätzschicht schneller erfolgt, wobei die Ätztiefe in allen Richtungen gleich ist, was eine größere Präzision hinsichtlich der Form und den Abmessungen der Einschluss-Zwischenschicht ermöglicht.
Gemäß einer besonderen Ausfuhrungsform haben die Seitenwände der Mesa gleiche Abmessungen, wodurch sich die Ätzgenauigkeit verbessert.
Bei oberflächenemittierenden Lasern wird im Allgemeinen eine Kontaktschicht vorgesehen, die sich unter dem Spiegel befindet und als Übergangsfläche zu der Elektrode dient, die diesen Spiegel umgibt. Nun weist aber bei den verwendeten Substrattypen unter Berücksichtigung der optischen und elektrischen Eigenschaften, die erzielt werden sollen. die Struktur dieser Kontaktschicht oftmals Ätzeigenschaften auf, die denjenigen der Unterätzschicht ähnlich sind. Um in diesem Fall zu vermeiden, dass die Kontaktschicht nach der Schicht für den elektrischen Einschluss gebildet werden muss, wird vorteilhaft vorgesehen, dass die Bildung der Mesa folgende Schritte umfasst:

– einen ersten Ätzschritt, der die Unterätzschicht nicht angreift, jedoch die Kontaktschicht freilegt,
– eine Ablagerung einer Schutzschicht, die andere Ätzeigenschaften als die Unterätzschicht besitzt, auf der Kontaktschicht und
– wenigstens einen zweiten Ätzschritt, der die Unterätzschicht freilegt.

Gemäß einem zusätzlichen Aspekt der Erfindung geht der Ablagerung der Schutzschicht eine geringfügige seitliche Ätzung der Kontaktschicht voraus. Dieses Vorgehen ermöglicht, die Haftung der Schutzschicht auf den vertikalen Seitenwänden der Mesa zu verbessern.
Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden im Verlauf der Beschreibung deutlich, die sich auf die Figuren bezieht, wobei
die 1 bis 9 die Hauptschritte zur Herstellung des Lasers gemäß der Erfindung zeigen;
10 eine Schnittansicht des Lasers ist, der mit dem Verfahren gemäß der Erfindung erhalten wird;
11 eine Draufsicht ist, die die Form der Einschlussschicht zeigt.
Die Herstellungsschritte, die nun beschrieben werden, beziehen sich auf den besonderen Fall eines InP-Substrats. Das Verfahren könnte jedoch auf jedes andere Substrat, das aus Elementen der Gruppe III–V gebildet ist, wie etwa Galliumarsenid GaAs, angewendet werden.
Wie in 1 gezeigt ist, sind auf einem Substrat 1 aus n-dotiertem Indiumphosphid eine Ätzsperrschicht b, eine Schicht 2 mit der gleichen Zusammensetzung wie das Substrat, eine aktive Schicht CA, die aus einer undotierten quartären Verbindung InGaAsP gebildet ist. deren Zusammensetzung die charakteristische Wellenlänge der aktiven Schicht definiert, eine Schicht 3 aus p-dotiertem Indiumphosphid, eine Unterätzschicht a, eine Schicht 4 aus p-dotiertem Indiumphosphid, eine Kontaktschicht c, die aus einer ternären Verbindung InGaAs oder aus einer quartären Verbindung InGaAsP mit starker p-Dotierung gebildet ist, und schließlich eine Metallschicht k, die beispielsweise aus einer Gold- oder einer Platinlegierung gebildet ist, abgelagert.
Die Gesamtheit der Schichten 3, a, 4, c bildet eine Stromeinleitungsschicht IC, die dazu bestimmt ist, den elektrischen Strom, der von der oberen Elektrode, die einen entsprechenden Spiegel umgibt, zu leiten.
Die Unterätzschicht a ist aus einer quartären Verbindung InGaAsP gebildet, deren Zusammensetzung eine charakteristische Wellenlänge sicherstellt, die kleiner als diejenige der aktiven Schicht CA ist. Die Zusammensetzung wird außerdem so gewählt, dass dieser Schicht Ätzeigenschaften verliehen werden, die von denjenigen der angrenzenden Schichten 3 und 4 verschieden sind.
Wie 2 zeigt, erfolgt anschließend ein Ätzen der Metallschicht k, um eine Öffnung 6 auszubilden, die den Ort und die Form des oberen Spiegels definiert. Dann wird die gesamte Komponente mit einer Schutzschicht 5 überzogen. Die Schicht 5 ist beispielsweise aus Siliciumdioxid SiO₂ oder aus Siliciumnitrid Si₃N₄ gebildet.
In Übereinstimmung mit der 3 wird ein Ätzen der Schicht 5, beispielsweise mittels reaktiver Ionen (RIE), durch eine Harzmaske hindurch so ausgeführt, dass die Bildung einer Mesa m begonnen wird, Ein Ionensputtern der Metallschicht k ermöglicht, die Mesa soweit zu erhöhen, dass sie die Kontaktschicht c erreicht. Das erzielte Ergebnis ist in 4 ersichtlich.
Nachdem die Harzmaske entfernt worden ist, wird mittels reaktiver Ionen (RIE) die Kontaktschicht c und ein Teil der Schicht 4 derart geätzt, dass die Schicht c seitlich freigelegt wird. Danach wird ein geringfügiges Unterätzen der Kontaktschicht c mittels eines Nassätzverfahrens ausgeführt, um einen Verankerungsbereich 7 auszubilden (siehe 5).
In Übereinstimmung mit der 6 wird der Wafer mit einer neuen Schutzschicht 8 überzogen, die durch isotrope Ablagerung eines schutzenden Materials wie etwa Siliciumdioxid erzeugt wird. Diese Ablagerung kann mit dem PECVD-Verfahren (Verfahren der plasma-unterstützten chemischen Dampfabscheidung) erfolgen.
Danach wird, wie 7 zeigt, ein anisotropes Ätzen des Schutzmaterials derart ausgeführt, dass die Schicht 8 der horizontalen Oberflächen des Wafers beseitigt wird, ohne sie jedoch von den vertikalen Wänden 9 der Mesa m zu entfernen. Es wird beispielsweise ein Reaktiv-Ionen-Ätzen (RIE) verwendet.
Ein nicht selektives Reaktiv-Ionen-Ätzen des Wafers, wobei als Maske das Siliciumdioxid benutzt wird, das die Mesa m bedeckt, ermöglicht dann, die seitlichen Ende der Unterätzschicht a senkrecht zu den vertikalen Wänden 9 freizulegen. Der Verankerungsbereich 7 bewirkt eine Verstärkung der Haftung der die Wand 9 bedeckenden Siliciumdioxidschicht 8. Danach wird ein gesteuertes selektives Ätzen der Unterätzschicht derart ausgeführt, dass die den Strom einschließende Schicht, die aus einer Zwischenschicht a3 und ihrem geätzten Umkreis a1 besteht, gebildet wird, wie in 8 gezeigt ist. Dieses gesteuerte Ätzen kann als Nassätzen mit einer 3H₂SO₄/H₂O₂/H₂O-Lösung verwirklicht werden.
Anschließend wird das auf der Mesa noch vorhandene Siliciumdioxid entfernt (9).
Die endgültige Form der Komponente erscheint im Schnitt in 10. Sie wird nach einer Ablagerung eine Passivierungsschicht 10 erhalten, die beispielsweise aus Siliciumnitrid gebildet wird, das die Rolle des elektrisch isolierenden Materials spielt. Danach wird der obere Spiegel MS abgelagert und die Gesamtheit wird mit einem leitenden Überzug 11 bedeckt, der beispielsweise aus einer feinen Goldschicht (0,2 μm) gebildet ist, worauf eine Lot-Diffusionsbarriere abgelagert wird, die beispielsweise aus einer Mischung aus Titan, Wolfram und Gold zusammengesetzt ist. Um die Herstellung abzuschließen, wird danach ein Ätzen des unteren Teils des Substrats bis zu der Ätzsperrschicht b durchgeführt, der untere Spiegel MI ausgebildet und die untere Elektrode k' platziert.
Wie bereits zuvor erwähnt worden ist, ist die Wahl der Orientierungsebenen der vertikalen Wände der Mesa m für den Vorgang des gesteuerten Ätzens der Unterätzschicht a von Bedeutung. 11 zeigt eine Draufsicht aus die Einschlussschicht mit Bezug aus die kristallographischen Ebenen des Substrats. Entsprechend einer üblichen Konvention ist die horizontale Substratebene in der kristallographischen (001)-Ebene orientiert. Durch eine Orientierung der vertikalen Wände der Mesa in der (100)-Richtung und in der (010)-Richtung werden folglich Ebenen gebildet, die unter etwa 45 Grad zu den Spaltungsebenen des Substrats orientiert sind, wobei diese Ebenen gleiche Ätzeigenschaften aufweisen.
Die dargestellte Einschlussschicht ist aus einer quadratischen Zwischenschicht a2 gebildet. die von dem unterätzten Abschnitt a1 umgeben ist, der ebenfalls durch ein Quadrat begrenzt wird. Um diese Struktur zu erhalten genügt es, dass die Harzmaske, welche die Mesa definiert (3), ebenfalls quadratisch ist. Dies impliziert, dass die vertikalen Wände der Mesa völlig gleich sind.
Schließlich werden zur Veranschaulichung einige Abmessungen angegeben:

– Dicke der aktiven Schicht CA: 0,7 μm
– Dicke der Unterätzschicht a: 0,1 μm
– Dicke der Ätzsperrschicht b: 0,1 μm
– Dicke der Kontaktschicht c: 0,2 μm
– Dicke der Stromeinleitungsschicht CI: 3 μm
– Dicke der Metallschicht k: 0,2 μm
– Breite der Mesa m: 12 bis 20 μm
– Breite des Bereichs der Öffnung 6: 6 bis 10 μm
– charakteristische Wellenlänge der aktiven Schicht: 1,3 oder 1,5 um
– charakteristische Wellenlänge der Unterätzschicht a: 1,18 μm

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die einzige Ausführungsform, die beschrieben worden ist, beschränkt. Insbesondere kann die Ablagerung der Metallschicht k gegen Ende des Verfahrens unter Anwendung einer sogenannten "Lift"-Technik erfolgen, um den Bereich des Spiegels von der Zwischenschicht freizulegen.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterlaser-Komponente mit Oberflächenemission, die einen vertikalen Resonanzraum aufweist, der in einem aus Elementen der Gruppe III– V gebildeten Substrat ausgebildet ist, wobei der Raum eine Schicht (IC) für die Einleitung von elektrischem Strom umfasst, die mit einer horizontalen Schicht (a1, a2) für den elektrischen Einschluss, die zwischen einer horizontalen aktiven Schicht (CA) und einem den Raum begrenzenden Spiegel (MS) angeordnet ist, versehen ist, wobei die Bildung der Stromeinleitungsschicht (IC) die folgenden Schritte umfasst: – Aufwachsenlassen einer Unterätzschicht (a), die bei der Betriebswellenlänge der Komponente durchlässig ist, auf der aktiven Schicht (CA), – wenigstens ein Aufwachsenlassen einer dotierten Schicht, die aus Elementen der Gruppe III–V besteht, auf der Unterätzungsschicht (a), – Bilden eines Mesa (m), das in Bezug auf den für den Spiegel (MS) vorgesehenen Ort zentriert ist und dessen Seitenwände (9) die Unterätzschicht (a) frei lassen, und – gesteuertes seitliches Ätzen der Unterätzschicht (a), um die Schicht (a1, a2) für den elektrischen Einschluss zu bilden, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass die Seitenwände (9) des Mesa (m) aus vier vertikalen Ebenen gebildet sind, die unter etwa 45 Grad zu den Spaltungsebenen des Substrats orientiert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände gleiche Abmessungen haben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildung des Mesa (m) dann, wenn die Stromeinleitungsschicht (IC) eine Kontaktschicht (c), die Ätzeigenschaften besitzt, die zu jenen der Unterätzschicht (a) ähnlich sind, aufweist und über jener angeordnet ist, umfasst: – einen ersten Ätzschritt, der die Unterätzschicht (a) nicht angreift, jedoch die Kontaktschicht (c) freilegt, – eine Ablagerung einer Schutzschicht (8), die andere Ätzeigenschaften als die Unterätzschicht (a) besitzt, auf der Kontaktschicht (c) und – wenigstens einen zweiten Ätzschritt, der die Unterätzschicht (a) freilegt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ablagerung der Schutzschicht (8) eine geringfügige seitliche Ätzung (7) der Kontaktschicht (c) vorhergeht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablagerung der Schutzschicht (8) aus einer isotropen Ablagerung einer Schicht aus Schutzwerkstoffen auf der gesamten Oberfläche der Komponente, gefolgt von einer anisotropen Ätzung zur Beseitigung der Schicht aus Schutzwerkstoffen von den horizontalen Flächen der Komponente, besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (8) aus Siliciumdioxid gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterätzschicht (a) dann, wenn das Substrat aus Indiumphosphid gebildet ist, aus einer Quartärverbindung aus Phosphor, Indium, Gallium und Arsen gebildet ist.