DE69811952T2

DE69811952T2 - Halbleiterlaser mit kinkunterdrückungsschicht

Info

Publication number: DE69811952T2
Application number: DE69811952T
Authority: DE
Inventors: P. Bowler
Original assignee: Corning Lasertron Inc
Current assignee: Corning Lasertron Inc
Priority date: 1997-12-31
Filing date: 1998-12-18
Publication date: 2003-08-28
Anticipated expiration: 2018-12-19
Also published as: CN1285969A; AU742001B2; WO1999034488A1; US6366595B1; US6141365A; EP1042848A1; JP2002500447A; AU1933399A; KR20010033814A; CA2316830A1; DE69811952D1; JP2010016406A; EP1042848B1; ATE233966T1

Description

IN BEZUG GENOMMENE ANMELDUNG

Bei dieser Anmeldung handelt es sich um eine Fortsetzung der US-Anmeldung, Serien-Nr. 09/002151, eingereicht am 31. Dezember 1997.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Halbleiterlaservorrichtungen, wie etwa First-Wellenleiterlaser und -Laserverstärker werden in zahlreichen Kommunikationssystemen eingesetzt. Schrittweise Verfeinerungen ihrer Herstellung und Konfektionierung haben zu einer Klasse von Vorrichtungen geführt, die akzeptable Leistungseigenschaften sowie ein gut beherrschbares Langzeitverhalten aufweisen. Die First-Wellenleiterstrukturen sind darüber hinaus in ihrer Herstellung weniger komplex und ergeben hervorragende Ausbeuten im Vergleich zu komplexeren Architekturen auf Grund von beispielsweise vergrabenen Heterostrukturen.
In den meisten Anwendungen stellt das Maximieren der Laserverstärkungsnutzbetriebsleistung ein primäres Konstruktionskriterium dar. Bei Anwendungen einer Kommunikation über weite Entfernungen diktiert die Leistungsabgabe der Vorrichtung die Distanz zu der nächsten Wiederholerstufe und die Anzahl von Stufen in einer gegebenen Verbindung stellt den hauptsächlichen Kostenfaktor bei den Anfangskosten der Verbindung und der nachfolgenden Wartung dar.
Die Betriebsnutzleistung von Laservorrichtungen ist in zahlreichen Anwendungen durch einen "Knick" in der Abhängigkeit der Leistung vom Strom oberhalb der Lasertätigkeitsschwelle begrenzt und schwach geleitete Halbleiterlaservorrichtungen, wie etwa First-Wellenleiterlaser, sind für diese Knicke besonders anfällig. Knickdefinitionen variieren stark, entsprechen jedoch typischerweise Abweichungen von ungefähr 20% von einer linearen Abhängigkeit oberhalb der Schwelle.
Eine Anzahl unterschiedlicher Theorien ist vorgeschlagen worden, um den Knick in der Abhängigkeit der Leistung vom Strom zu erklären. Die Theorien stimmen insofern überein, als eine Verschiebung des Eigenmodus-Raums bei höheren Strömen vorzuliegen scheint, die die gesamte optische Leistungsabgabe und/oder beeinflusst, wie die Leistungsabgabe in ein Faserübertragungsmedium gekoppelt wird.
Ungeachtet der theoretischen Unbestimmtheit haben Experimente gezeigt, dass die Knickleistung für eine gegebenen Laservorrichtung stark von ihren Resonanzhohlraumeigenschaften abhängt, zum Beispiel von den Hohlraumabmessungen und den Brechungsindices sowie ihrem Profil. Beispielsweise im Fall von schwach geführten Galliumarsenid-First-Wellenleitervorrichtungen werden die Eigenschaften des Resonanzhohlraums teilweise durch Mantelschichtparameter diktiert. Diese Mantelschichtparameter und die eingesetzten Herstellungsprozesse, die verwendet werden, um die Parameter zu definieren, sind unglücklicherweise schwer mit der Genauigkeit kontrollierbar, die erforderlich ist, damit eine einzelne Resonatorkonstruktion für sämtliche Wafer und sämtliche Vorrichtungen optimal ist.
Um Parameter zu kompensieren, die nicht mit hoher Genauigkeit gesteuert werden können, muss die Herstellung von First-Wellenleitervorrichtungen für jeden Basiswafer optimiert werden, um ein akzeptables Knickleistungsvermögen zu erzielen. Variationen bzw. Schwankungen der Wafer werden gemessen und die erfasste Information wird genutzt, um die Waferprozessführung zu individualisieren.
Die US 5029175 offenbart einen Halbleiterlaser, der aus AlGaInP hergestellt ist, dessen Lateralmodus gesteuert wird. Dieser Laser umfasst eine aktive Schicht, die zwischen zwei Mantelschichten sandwichartig angeordnet ist. Ein First ist in die obere und die untere Mantelschicht geätzt. Ein amorpher Film bzw. eine amorphe Dünnschicht ist auf der unteren Mantelschicht zu beiden Seiten des Firsts gebildet, um das Licht in der Richtung parallel zur aktiven Schicht einzuschließen.
Die US 5523256 beschreibt einen Halbleiterlaser mit einer Mehrschichtstruktur, die auf einem Halbleitersubstrat vorgesehen ist. Die Mehrschichtstruktur umfasst eine aktive Schicht, ein Paar von Mantelschichten, die die aktive Schicht sandwichartig aufnehmen, und Stromeinschließungsabschnitte zum Injizieren eines Stroms in einen streifenförmigen vorbestimmten Bereich der aktiven Schicht. Die Stromeinschließungsschichten sind entlang optischen Achsen angeordnet und relativ zu den Mantelschichten ausgerichtet. Die Funktion dieser Stromeinschließungsschichten besteht darin, den Lateralmodus des Halbleiterlasers zu steuern sowie einen Strom zu steuern, der in einen vorbestimmten Bereich der aktiven Schicht injiziert werden soll.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die waferweise Herstellungsoptimierung ist kostenaufwendig und die Ausbeuten sind verringert, weil häufig Abschnitte des Wafers für Testzwecke geopfert werden. Bei der Herstellung erforderliche Toleranzen liegen außerdem üblicherweise über der Leistungsfähigkeit von Standardprozessen. Selbst dann, wenn die Optimierung in geeigneter Weise durchgeführt wird, ist deshalb die Knickleistungn weiterhin nicht akzeptabel und streut für zahlreiche Wafervorrichtungen stark, wodurch die Ausbeuten noch weiter verringert werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die herkömmliche Architektur des First-Wellenleiterhalbleiters zu modifizieren, um die Abhängigkeit der Firstleistung von den Resönanzhohlraumeigenschaften allgemein und insbesondere von der Firstgeometrie zu verringern.
Die Aufgabe wird durch eine Halbleiterlaservorrichtung in Übereinstimmung mit Anspruch 1 bzw. 8 und durch ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleiterlaservorrichtung in Übereinstimmung mit Anspruch 9 bzw. 13 gelöst.
Die Lösung besteht im Hinzufügen einer optischen Materialschicht, benachbart zu oder in der Nähe des Firsts, die dazu dient, Knicke in der Abhängigkeit der Leis tung vom Strom zu unterdrücken. Insbesondere hat der Einschluss dieser optischen Schicht gezeigt, dass die mittlere Knickleistung um 80 mW steigt, dass die Knickleistungsschwankung um 50% abnimmt und dass der laterale Fernfelddivergenzwinkel um 40% verringert ist.
Die optische Knickunterdrückungsschicht steuert die Laserbetätigungsmodi und optimiert die jeweilige Knickleistung durch eine Kombination aus Absorption und Modifikation des effektiven (Brechungs-) Index, der durch den unerwünschten Grundmodus und die unerwünschten Lateralresonatormodi höherer Ordnung zum Ausdruck kommt. Während die relative Wichtigkeit dieser mitwirkenden Faktoren schwer qualifizierbar ist, wird davon ausgegangen, dass die Absorption dominiert. Änderungen bezüglich der Spannung, der Wärmeleitfähigkeit und der Wellenleitergeometrie können außerdem zu Gunsten der Leistungsfähigkeit der vorliegenden Erfindung beitragen.
Einige Forscher haben theoretisch ausgeführt, dass Knicke in schwach geleiteten First-Laservorrichtungen ein Ergebnis der Phasenverrieglung des Grundmodus und eines Modus höherer Ordnung sind. Die Phasenverriegelung findet statt, wenn die Ausbreitungskonstanten für die beiden Modi degeneriert werden auf Grund thermischer oder anderer Störungen, die mit dem Treiberstrom korrelieren. Die vorliegende Erfindung unterbindet diese Phasenverriegelung durch Modifizieren der Ausbreitungskonstanten des Grundmodus und der Modi höherer Ordnung. Eine signifikante Absorption ist deshalb in der optischen Schicht nicht erforderlich, um die beobachteten Resultate in bestimmten Fällen zu erzielen.
In Übereinstimmung mit einem Aspekt stellt die Erfindung eine Halbleiterlaservorrichtung bereit. Sie umfasst ein Halbleitersubstrat, das Schichten, bevorzugt Epitaxialschichten aufweist, die eine aktive Schicht umfassen, die durch obere und untere Mantelschichten sandwichartig eingeschlossen sind. Facetten sind an gegenüberliegenden Enden der Vorrichtung entlang einer optischen Achse angeordnet und ein First ist in der oberen Mantelschicht in einer Richtung der optischen Achse gebildet. Die Knickunterdrückungsschicht ist entlang der optischen Achse angeordnet und relativ zu den Mantelschichten ausgerichtet, um die Knickleistungsabhängigkeit von Resonanzhohlraumeigenschaften zu verringern.
In speziellen Ausführungsformen ist die Knickunterdrückungsschicht entlang dem Rand eines Bereichs eines optischen Modus seitlich abgeschnitten und umfasst bevorzugt zwei Abschnitte, die sich auf jeder Seite des Firstes erstrecken.
Kandidaten für Materialien der Knickunterdrückungsschicht werden auf der Grundlage von 1) dem komplexen Brechungsindex bei der Laserbetätigungswellenlänge, 2) der Wahrscheinlichkeit einer Beeinträchtigung der Zuverlässigkeit, und 3) der problemlosen Abschaltbarkeit evaluiert. Die Knickunterdrückungsschicht umfasst Silizium. Silizium weist einen Brechungsindex von 3,65 und einen Absorptionskoeffizienten von 100 cm&supmin;¹ auf. Dies ist zu vergleichen mit Brechungsindices der Siliziumnitrit-Passivierungsschicht, der oberen Mantelschicht und dem Transversalmodus-, die zwei 2,0, 3,38 und 3,39 betragen. Silizium zeigt deshalb eine angemessene Indexübereinstimmung für die bevorzugte Struktur und die erwünschte Absorption. Außerdem ist es als N-Dotiermittel und als Facettenbeschichtungsmaterial für eine Vielzahl von Lasern verwendet worden. Bedenken bezüglich der Zuverlässigkeit sind deshalb minimiert. Titan stellt einen weiteren exzellenten Kandidaten auf Grund seines Brechungsindex von 3,35, seines Verlusts von 500.000 cm&supmin;¹ und seiner allgegenwärtigen Verwendung als Haftschicht für Metalldünnschichten bzw. -filme dar, die verwendet werden, um Kontakte und stark reflektierende Facettenbeschichtungen zu bilden.
Weitere mögliche Metalle umfassen, ohne hierauf beschränkt zu sein, Gallium und Germanium.
In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleiterlaservorrichtung bereit. Das Verfahren umfasst das Bilden einer Reihe von typischerweise epitaxialen Schichten, aufweisend eine untere Mantelschicht, eine aktive Schicht und eine obere Mantelschicht. Ein First wird daraufhin in der oberen Mantelschicht gebildet. Die Knickunterdrückungs- Schicht wird daraufhin relativ zu der Mantelschicht und den aktiven Schichten ausgerichtet, um die Knickleistungsabhängigkeit von den Firstabmessungen oder allgemein den Resonanzhohlraumeigenschaften zu verringern.
In der bevorzugten Ausführungsform wird der First durch Ätzen der oberen Mantelschicht auf jeder Seite eines Fotolackstreifens gebildet, der sich in einer Richtung der optischen Achse erstreckt. Dieser Streifen wird daraufhin als Schutzschicht während der Abschaltung der Knickunterdrückungsschicht genutzt.
Ein wesentlicher Vorteil des bevorzugten Prozesses besteht darin, dass die Knickunterdrückungsschicht unter Verwendung einfacher standardmäßiger Dünnschichtabscheidungstechniken abgeschieden wird, wie etwa Elektronenstrahlverdampfungs- und Sprühabscheidungsprozessen. Kompliziertere Strukturen sind hergestellt worden unter Verwendung von Wiederaufwuchstechniken, wie etwa MBE, MOCVD und LPE, nachdem der Wafer selektiv geätzt worden ist, um die Moduseigenschaften zu steuern. Ein derartiges Überwachsen ist auf AlGaAs- Strukturen besonders dann schwierig, wenn der Aluminiumanteil in den epitaxialen Schichten 10% übersteigen kann, wie in der bevorzugten Ausführungsform.
Der bevorzugte Prozess erlaubt darüber hinaus die Verwendung einer einfachen, temperaturabhängigen (d. h., weniger als 150ºC) Fotolackmaske und er erfordert keine erhöhten Temperaturen von typischerweise höher als 300ºC, die bei Wiederaufwuchsprozessen angetroffen werden. Es handelt sich darüber hinaus um einen sich selbst ausrichtenden Kontaktprozess in der bevorzugten Ausführungsform, weil das Maskierungsfotolack für die Knickunterdrückungsschicht derselbe Fotolack ist, der während der Firstätzung verwendet wurde.
Die vorstehend genannten sowie weitere Merkmale der Erfindung, einschließlich verschiedenen neuen Konstruktionseinzelheiten und Kombinationen von Teilen sowie weitere Vorteile werden nunmehr unter Bezug auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert und sind in den Ansprüchen festgelegt. Es wird bemerkt, dass das spezielle Verfahren und die spezielle Vorrichtung, die die Erfindung ver körpern, beispielhaft gezeigt sind und für die Erfindung nicht beschränkend sind. Die Prinzipien und Merkmale dieser Erfindung können in verschiedenen und zahlreichen Ausführungsformen verwendet werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In den Zeichnungen bezeichnen in den verschiedenen Ansichten die gleichen Bezugsziffern dieselben Teile. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabgerecht; vielmehr ist der Schwerpunkt auf die Verdeutlichung der Prinzipien der Erfindung gelegt.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Halbleiterlaservorrichtung;
Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht der Halbleiterlaservorrichtung unter Darstellung von Modusintensitätsverteilungen;
Fig. 3-6 zeigen die Prozessschritte zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Halbleiterlaservorrichtung;
Fig. 7 zeigt eine Querschnittsansicht des Firsts in der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 8 zeigt ein Diagramm von Vorrichtungsausbeuten als Funktion der Knickleistung für herkömmliche Vorrichtungen (durchbrochene Linie) und Vorrichtungen mit der erfindungsgemäßen Knickunterdrückungsschicht (durchgezogene Linie);
Fig. 9 zeigt ein Diagramm der kumulativen lateralen Fernfeldverteilung unter Darstellung des Prozentsatzes von Vorrichtungen mit besseren als vorgegebenen lateralen Fernfelddivergenzwinkeln für versenkt angebrachte Vorrichtungen; und
Fig. 10 und 11 zeigen die Prozessschritte zum Herstellen der erfindungsgemäßen Halbleiterlaservorrichtung in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer 980 nm-Halbleiterlaservorrichtung 10, die in Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
Die Vorrichtung 10 ist auf einem Substrat 100 aufgebaut. In der bevorzugten Ausführungsform handelt es sich dabei um Galliumarsenid (GaAs). Das Substrat weist obere und untere Epitaxialmantelschichten 105, 110 auf, ebenfalls bevorzugt aus GaAs, jedoch mit variierenden Mengen von Aluminium unter Bildung von Al- GaAs. Diese Schichten bilden eingeebnete P-Typ- (105) und N-(110)Bereiche, die eine aktive Schicht 115 umgeben, bei der es sich bevorzugt um einen undotierten einzigen Quantenquellenbereich (SQW-Bereich) aus Indiumgalliumarsenid (In- GaAs) handelt.
In anderen Ausführungsformen werden andere Materialkombinationen verwendet. Beispielsweise stellt ein InP-Substrat mit AlGaInAs-Epitaxialschichten eine alternative Implementierung dar.
In jedem Fall schließt die resultierende Schichtstruktur Licht ein, das in der aktiven Schicht 115 primär innerhalb eines Resonanzhohlraums erzeugt wird, der die aktiven und Mantelschichten umfasst. Eine reflexionsverhindernde vordere Facettenbeschichtung 122 und eine hochgradig reflektierende hintere Facettenbeschichtung 124 legen die Erstreckung des Laserresonanzhohlraums entlang der optischen Achse 120 fest. Wiederum können verschiedene Beschichtungskombinationen verwendet werden, einschließlich einer Vergrößerung des Reflexionsvermögens der vorderen Facette.
In der bevorzugten Ausführungsform besitzt die Halbleiterlaservorrichtung eine First-Wellenleiterstruktur. Ein First 125 ist beispielsweise in der oberen Mantelschicht 105 in Richtung der optischen Achse 120 gebildet, zum Beispiel geätzt.
Die den First umgebenden Schichten sind mit einer Passivierungsschicht 316 mit Ausnahme der Firstoberseite abdeckt. Leitende Schichten 130 umfassen eine GaAs-Kontaktschicht und eine Metallelektrode zur Bildung eines guten Ohmschen Kontakts mit der Firstoberseite.
Beiderseits des First 125 angeordnet befinden sich zwei relativ große Metall-P- Bereiche 140, die die elektrischen Leitungen aufnehmen und elektrischen Strom entlang der Achse der Vorrichtung leiten und daraufhin hinunter durch das Zentrum des Firsts über die leitenden Schichten 130. Dies stellt sicher, dass Strom durch den First 135 in die aktive Schicht 115 injiziert wird. Die Gesamtabmessungen der Vorrichtung in einer Implementation sehe eine Breite von 300 um, eine Höhe von 150 um und eine Länge von 750 um vor.
In Übereinstimmung mit der Erfindung befindet sich eine Knickunterdrückungsschicht auf der geätzten Oberseite der oberen Mantelschicht 105 und damit unter der Passivierungsschicht 316. Bevorzugt handelt es sich bei dieser Knickunterdrückungsschicht um eine amorphe Siliziumschicht, die in zwei Abschnitten oder Flügeln 135A, 135B beiderseits der optischen Achse 120, unter der Oberseite des Firsts 125 und über der aktiven Schicht 115 gebildet ist. Jeder dieser Abschnitte 135A, 135B erstreckt sich in Längsrichtung entlang der optischen Achse 120, bevorzugt über die gesamte Länge des Resonanzhohlraums. Diese Abschnitte sind in seitlicher Richtung beiderseits einer Ebene abgeschnitten, die senkrecht zur aktiven Schicht 115 verläuft und die optische Achse 120 enthält. Die Abschnitte enden an einem Rand eines optischen Modusbereichs 155, in dem über 95% der fundamentalen optischen Leistung sich ausbreitet.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt des Firsts 125 und der Mantelschichten 105, 110 senkrecht zur optischen Achse 120 gesehen. Wie durch die Kurven auf der linken Seite von Fig. 2 gezeigt, existiert ausschließlich in einem kleinen, die aktive Schicht 115 umgebenden Band ein linear abgestuftes, Index-getrenntes Einschließungs-Heterostruktur-Einzelquantumquellen- (GRIN-SCH-SQW) Indexprofil 170. Das fundamentale Transversalmodusintensitätsprofil 175 ist jedoch ü ber ein viel breiteres Band verteilt, das sich im Wesentlichen in den First 125 hinein erstreckt.
Eine Kurve 180 der lateralen fundamentalen Modusintensität ist auf der Fig. 2 überlagert dargestellt. Die Kurve zeigt, dass der größte Teil der Modusenergie zentriert um die optische Achse 120 vorliegt. Im Gegensatz hierzu weist die Lateralmodusintensität höherer Ordnung, die mit der Bezugsziffer 185 bezeichnet ist, im Bereich der optischen Achse 120 einen Nulldurchgang auf, erreicht jedoch Maxima in der Nähe der Knickunterdrückungsschicht 135A, 135B. Nachfolgende Lateralmodi höherer Ordnung sind zunehmend breiter und überlappen die Knickunterdrückungsschicht 135A, 135B in zunehmendem Maße, wodurch zunehmend höhere optische Effekte auftreten.
Es wird theoretisch angenommen, dass die Knickunterdrückungsschicht Knickleistung beeinflusst durch Hinzufügen optischer Verluste zu den Lateralmodi bzw. zu den nicht hermetischen Gauss-Modi höherer Ordnung, wodurch diese daran gehindert werden, sich auszubilden und in Resonanz zu gelangen. Dies erweitert den Eigenmodusraum zu gleichmäßig höheren Eingangsströmen.
Wenn die Geometrie der Knickunterdrückungsschicht gewählt wird, sollten die durch den erwünschten fundamentalen Modus bzw. Grundmodus hervorgerufenen Verluste minimiert werden, während die Verluste maximiert werden, die durch Modi höherer Ordnung, insbesondere durch den Modus nächst höherer Ordnung hervorgerufen sind. Akzeptable Verluste des fundamentalen Modus bzw. Grundmodus liegen im Bereich des 0,01- bis 1-fachen des Verlustes, der bei Nichtvorliegen der Knickunterdrückungsschicht hervorgerufen wird, wobei ein Wert von ungefähr dem 0,1-fachen des Nominalverlusts bevorzugt ist.
In einer Ausführungsform werden der laterale Abschnitt und die Dicke der Knickunterdrückungsschicht derart gesteuert, dass 1,5% der fundamentalen Transversalmodusenergie, 5,7% der fundamentalen Lateralmodusenergie und 30,6% des Lateralmodus nächst höherer Ordnung die Unterdrückungsschichten 135A, 135B überlappen. Der durch die Schicht induzierte Verlust beträgt dadurch ungefähr 1/cm im Vergleich zu 20/cm Verlust, der für die Resonatorkonstruktion bei Nichtvorliegen der Knickunterdrückungsschicht typisch ist. Vom nächst höheren Lateralmodus wird erwartet, dass er einen zusätzlichen Verlust von 6/cm auf Grund der Schicht erfährt. Diese Werte wurden bei der Konstruktion der vorliegenden Implementierung genutzt, unterliegen jedoch einigen Unbestimmtheiten.
Fig. 3-6 zeigen einen Prozess zum Ausbilden einer Halbleiterlaservorrichtung in Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht der teilweise fertig gestellten Laservorrichtung. Die linear abgestuften Indexmantelschichten 105, 110, die auf dem Substrat 100 gebildet sind, schließen die SWQ-Aktivschicht 115 sandwichartig ein. In der bevorzugten Ausführungsform werden die Schichten 105, 110 aufeinanderfolgend gebildet unter Verwendung von Metallstrahlepitaxy (MBE), obwohl andere Prozesse, wie etwa MOCVD und CBE eingesetzt werden können.
Ein Fotolackstreifen 310 wird daraufhin auf der oberen Mantelschicht 105 über demjenigen Bereich abgeschieden, in dem der First gebildet werden soll. Verfahren zum Ausbilden dieser Fotolackschicht 310 sind an sich bekannt. Typischerweise umfasst ein solches Verfahren das Abscheiden einer vollständigen Fotolackschicht über der gesamten Oberseite der Mantelschicht, gefolgt von Belichtung und Entwicklung.
Fig. 4 zeigt die Ergebnisse einer Ätzung der oberen Mantelschicht 105 unter Verwendung der Fototackschicht 310 als Ätzschutzschicht. Dieser Prozess bildet den First 125 aus. Die bevorzugte Ausführungsform verwendet chemisches Nassätzen. Die Ätzlösungschemie und die Untertauchzeiten werden genutzt, um die Firstform und -größe zu steuern. In den nachfolgend erläuterten Testergebnissen besaß der Wafer eine nominale Restmantelschichtdicke von 420,0 nm (4.200 Å) und eine Firsthöhe von 2.000,0 nm (20.000 Å). Die nominale Firstbreite betrug 5 um.
Wie in Fig. 5 gezeigt, werden im nächsten Schritt die rechten und Unken Abschnitte der Knickunterdrückungsschicht 135A, 135B auf jeder Seite des Firsts 125 abgeschieden. Bevorzugt ist das verwendete Abscheidungsverfahren hochgradig direktionell, so dass die Bereiche 312, 314, die durch den Fotolack 310 überhangen werden, keinerlei Knickunterdrückungsschicht 135 aufnehmen. Insbesondere handelt es sich bei der Knickunterdrückungsschicht 135A, 135B um eine amorphe Siliziumschicht, die unter Verwendung von Elektronenstrahlverdampfung bei normalem Einfall auf dem Wafer gebildet wird.
Die Dicke der Silizium-Knickunterdrückungsschicht 135A, 135B stellt einen Faktor bezüglich des Leistungsvermögens dar. In der bevorzugten Ausführungsform beträgt die Siliziumschichtdicke 50,0-100,0 nm (500-1.000 Å). Insbesondere beträgt sie beim getesteten und nachfolgend erläuterten Wafer 843 Å. Experimente haben gezeigt, dass Siliziumschichtdicken von bis hin zu 150,0 nm (1.500 Å) erzielt werden können, jenseits von denen ein Ablösen des Fotolacks unter Spannung auftritt, die durch die Siliziumschicht induziert wird. Andere Materialien und/oder Maskierungstechniken können diese Grenze hinausschieben.
Bemerkenswert ist die Verwendung einer selbst ausgerichteten Maske 310. Die relative Ausrichtung der Knickunterdrückungsschicht gegenüber dem optischen Modusbereich ist üblicherweise kritisch und muss mit einem Wert besser 1 um zur Flucht gebracht bzw. ausgerichtet werden.
In weiteren Ausführungsformen wird die Knickunterdrückungsschicht entlang den unteren Seitenwänden 315A, 315B des Firsts 125 abgeschieden, um Energieabsorption zu erhöhen. Die Wirkung wird durch eine Anzahl von Techniken erzielt, beispielsweise 1) Hin- und Herbewegen des Substrats 100 während des Siliziumabscheidungsprozesses; 2) Drehen des Substrats 100 um seine Normalachse und Abscheiden der Siliziumschicht unter einem schrägen Winkel relativ zur Drehachse, oder 3) Einsetzen eines nicht direktionellen Abscheidungsprozesses, wie etwa Sprühen. In noch weiteren Ausführungsformen werden einige dieser Techniken eingesetzt, um die Siliziumschicht 135A, 135B asymmetrisch um die optische Achse 120 abzuscheiden.
In noch weiteren Ausführungsformen wird die Knickunterdrückungsschicht aus Titan, Gallium, Germanium oder einer anderen Materialschicht gebildet, die geringes Diffusionsvermögen und hohe Absorption bei der Betriebswellenlänge der Vorrichtung bereit stellt. Die Schicht kann alternativ unter Verwendung von Ionenimplantierung gebildet werden.
Nachdem die Siliziumschicht abgeschieden bzw. ausgelegt wurde, wird in der bevorzugten Ausführungsform eine Siliziumnitrid-Passivierungsschicht 316 auf dem First 125 über dem Fotolack 310 und der Siliziumschicht 135 unter Verwendung einer nicht direktionellen Abscheidungstechnik abgeschieden. Die Siliziumnitridschicht weist eine Dicke von 220,0 nm (2.200 Å) in den nachfolgend erläuterten Waferergebnisse auf. Alternativ kann eine Luftspaltpassivierungsschicht für Anwendungen höherer Frequenz ersatzweise vorgesehen sein.
In einem alternativen Prozess wird eine nicht direktionelle plasmaverstärkte chemische Dampfabscheidung (PECVD) genutzt, um die Siliziumknickunterdrückungsschicht 135A, 135B abzuscheiden, gefolgt von der Abscheidung der Siliziumnitrid-Passivierungsschicht unter Verwendung von PECVD mit einigen geringfügigen Prozessänderungen. Die Vorteile dieses Prozesses bestehen darin, dass 1) Silizium und Siliziumnitrid unter Verwendung einer Anlageneinheit und Prozesssequenz abgeschieden werden können, wodurch die Herstellbarkeit des Produkts verbessert ist, und 2) dass Silizium sich bis zur Seite des Firsts hinauf erstreckt.
Schließlich wird im letzten Schritt in Fig. 6 der Fotolack 310 entfernt und eine Ti/Pt/Au-Metallisierungsschicht 318 wird abgeschieden. In dem nachfolgend erläuterten Ergebnis besitzen Ti/Pt/Au-Metallisierungsüberzüge Dicken von 20,0 nm/150,0 nm/200,0 nm (200 Å/1.500 Å/2.000 Å). Zusätzliches Gold 140 wird plat tiert, um einen Firstschutz und Draht-Verbindungsbereiche bzw. -Bondierungsbereiche bereit zu stellen.
Fig. 7 zeigt das tatsächliche Firstprofil und Schichtdicken in einer aus dem Wafer hergestellten Vorrichtung und die Ergebnisse sind nachfolgend erläutert.
Auf diesem Gebiet der Technik ist es bekannt, dass mehrere zehn von Firsten 125 typischerweise nebeneinander und parallel zueinander entlang einem einzigen Substrat/Wafer 100 gebildet werden. Nachdem die Herstellungsschritte beendet worden sind, wird der Wafer typischerweise entlang Ebenen angerissen und getrennt, die senkrecht zu den Firsten entlang der Länge des Wafers verlaufen. Dies führt zu so genannten "Stangen". Jede dieser Stangen wird daraufhin angerissen und getrennt zwischen aufeinander folgenden Firsten, um einzelne Halbleiterlaservorrichtungen zu bilden, wie in Fig. 1 gezeigt. Als Ergebnis können zahlreiche derartige Vorrichtungen aus jeder Stange gebildet werden und in einem einzigen Wafer liegen zahlreiche Stangen vor.
In Prozessführungstechniken gemäß dem Stand der Technik wird jede Firstätzung, die vorliegend in Fig. 4 gezeigt ist, sorgfältig gesteuert, um zu versuchen, die besten Resonanzhohlraumeigenschaften zu erzielen, um die Knickleistungen der resultierenden Vorrichtungen zu maximieren. Dies musste bezüglich jedes Wafers durchgeführt werden, weil es nicht möglich ist, Mantelschichtparameter mit dem erforderlichen Präzisionspegel auf Grund von Prozessbegrenzungen zu steuern. Wenn die Firstätztiefe nicht gesteuert wird, müssen einige andere Parameter, die die Resonanzhohlraumeigenschaften beeinflussen, auf präzise Toleranzen gesteuert werden, wie etwa die Firstbreite, die Hohlraumlänge, das Firstprofil oder die Brechungsindices beispielsweise. Im Gegensatz hierzu und wie durch die nachfolgenden Ergebnisse dargelegt, wird eine Entkopplung zwischen den Resonanzhohlraumeigenschaften, beispielsweise der Firstätztiefe, in Übereinstimmung mit der Erfindung erzielt.
Fig. 8 zeigt die Vorteile der vorliegenden Erfindung, ausgehend vom Standpunkt der Ausbeuten. Über 95% der hergestellten Vorrichtungen weisen Knickleistungen größer als 190 Milliwatt (mW) auf; 50% der Vorrichtungen weisen Knickleistungen größer als 225 mW auf. Dieses Ergebnis steht im Vergleich zu weniger als 50% der herkömmlich hergestellten Vorrichtungen, d. h., ohne die Knickunterdrückungsschicht, die Knickleistungen größer als 135 mW aufweisen. Durch die Implementierung der vorliegenden Erfindung sind folglich die Knickleistungen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen gleichmäßig höher als für die Vorrichtungen ohne die Schicht.
Die Standardabweichung der Knickleistungen der Vorrichtungen von einem gegebenen Wafer stellt ein weiteres Maß zur Beurteilung der Vorteile der vorliegenden Erfindung dar. Die Standardabweichung der Knickleistungen in den Vorrichtungen von einem Teil des ohne die vorliegende Erfindung hergestellten Wafers wurde mit 55,2 berechnet. Vorrichtungen von dem Teil des Wafers, hergesteift unter Verwendung der Siliziumknickunterdrückungsschicht, führten zu einer Standardabweichung von 20,8 bezüglich der Vorrichtungsknickleistungen. Obwohl Vorrichtungen aus dem ersten und dem zweiten Wafer im Wesentlichen dieselbe Variabilität bezüglich der Resonanzhohlraumeigenschaften von Vorrichtung zu Vorrichtung aufweisen, zeigten in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellte Vorrichtungen eine stark verbesserte Knickleistungsverteilung.
Zusätzlich zu den verbesserten Knickleistungen und Knickleistungsverteilungen weisen die die Erfindung enthaltenden Vorrichtungen bessere Lateralmoduseigenschaften auf, wie durch Fig. 9 gezeigt. Die vorliegende Erfindung ergibt eine 40%ige Verringerung des lateralen Fernfelddivergenzwinkels von eingebetteten Vorrichtungen. Variationen bzw. Schwankungen der Lateralmodusgröße sind um mehr als einen Faktor von zwei reduziert und weisen einen Mittelwert auf, der zur Kopplung mit optischen Fasern optimal ist, die für Telekommunikationen verwendet werden.
Ein potentieller Nachteil, der mit der Einführung der Siliziumknickunterdrückungsschicht verbunden ist, betrifft eine zu erwartende Erhöhung des Schwellenstroms. In den getesteten Vorrichtungen nehmen Schwellenströme um 4 mA zu. Eine Verringerung um 0,75% ist bezüglich des Steilheitswirkungsgrads beobachtet worden.
Fig. 10 und 11 zeigen die Anwendung der vorliegenden Erfindung auf eine andere Firstarchitektur, die üblicherweise in 1,3- und 1,5-Mikrometer-Vorrichtungen zum Einsatz kommt.
Wie in Fig. 10 gezeigt, werden ausgehend von einem InP-Substrat eine untere Mantelschicht 110, eine obere Mantelschicht 105 und eine aktive Schicht 120 unter Verwendung von AlGaInAs als variierende Elementarzusammensetzungen epitaxial aufgewachsen. Fotolithografische Prozesse werden verwendet, um zwei Kanäle 212, 214 in der oberen Mantelschicht 105 und einer Oxidschicht 210 auf eine GaInAsP-Ätzstoppschicht (nicht gezeigt) zu ätzen.
Daraufhin wird die optische Knickunterdrückungsschicht 216 unter Verwendung eines hochgradig direktionellen Prozesses derart abgeschieden, dass wenig von dem Material auf den Seitenwänden 220 und 222 der Quellen bzw. Gräben 212 und 214 vorliegen. Eine isolierende Oxidpassivierungsschicht 218 wird daraufhin über dem gesamten Substrat abgeschieden.
Für 1,3 um- und 1,5 um-Wellenlängenvorrichtungen bildet ein geeignetes optisches Material für die Knickunterdrückungsschicht 216 bevorzugt ein solches, das bei diesen Wellenlängen absorbiert, wie etwa Ti.
Altnativ kann die Knickunterdrückungsschicht 216 unter Verwendung eines weniger direktionellen Prozesses abgeschieden werden, so dass das Material 216 auf den Seitenwänden 220 und 222 der Gräben bzw. Quellen 212 und 214 aufscheint.
Bemerkenswert ist die Tatsache, dass, wie bei der vorausgehenden Ausführungsform, die optische Schicht 216 zwischen der epitaxialen oberen Mantel- Schicht 105 und einer Passivierungsschicht abgeschieden wird, was problemlos durchführbar ist unter Umgehung von einigen der Nachteile, die mit dem implizit zusätzlichen Prozessschritt verbunden sind.
Fig. 11 zeigt die nächsten Schritte in dem Prozess, demnach ein Fotolack 224 über dem Substrat abgeschieden, belichtet und daraufhin teilweise im Bereich des Firsts 125 entwickelt wird. Die teilweise Entwicklung lässt eine Schicht aus Fotolack in den Gräben bzw. Quellen 212 und 214 zurück, legt jedoch die Abschnitte der Siliziumoxidschicht 218, der Siliziumschicht 216 und der Siliziumoxidschicht 210 auf dem First 125 derart frei, dass sie in einem Ätzprozess entfernt werden. Hierdurch wird der First 125 für die nachfolgenden elektrischen Kontaktschichten freigelegt.
In Übereinstimmung mit der Erfindung verbleibt die Siliziumknickunterdrückungsschicht 216A, 216B im Boden der Gräben bzw. Quellen 212 und 214, wo sie das Knickleistungsvermögen der resultierenden Vorrichtung verbessert.
Während diese Erfindung unter Bezug auf ihre bevorzugten Ausführungsformen speziell gezeigt und erläutert wurde, wird bemerkt, dass sich dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik zahlreiche Abwandlungen bezüglich Form und Einzelheit erschließen, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, der durch die anliegenden Ansprüche festgelegt ist.

Claims

1. Halbleiterlaservorrichtung (10) umfassend:

eine aktive Schicht (115),

obere und untere Mantelschichten (105, 110), die zwischen sich die aktive Schicht (115) einschließen;

einen First (125), der auf der oberen Mantelschicht (105) ausgebildet ist und sich in Richtung der optischen Achse (120) erstreckt;

Facettflächen (122, 124), die an gegenüberliegenden Enden der Vorrichtung entlang einer optischen Achse angeordnet sind und einen Resonanzraum begrenzen;

eine amorphe Knickunterdrückungsschicht (135A, 135B), umfassend Silizium, Titan, Gallium oder Germanium, die entlang der optischen Achse (120) angeordnet und bezüglich der Mantelschichten (105) ausgerichtet ist, um die Knickleistungsabhängigkeit aufgrund der Resonanzraumeigenschaften zu vermindern, wobei die Knickunterdrückungsschicht (135A, 135B) auf einen geätzten Abschnitt der Epitaxialmantelschicht (105) ausgebildet ist.

2. Halbleiterlaservorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Knickunterdrückungsschicht (135A, 135B) entlang eines Randes eines Bereiches einer fundamentalen optischen Mode seitlich abgeschnitten ist.

3. Halbleiterlaservorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Knickunterdrückungsschicht (135A, 135B) zwei Abschnitte umfasst, die sich entlang der optischen Achse (120) auf jeder Seite des Firstes (125) erstrecken.

4. Halbleiterlaservorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-3, wobei die Knickunterdrückungsschicht (135A, 135B) zwischen dem Scheitel des Firsts (125) und der aktiven Schicht angeordnet ist.

5. Halbleiterlaservorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-4, wobei die Knickunterdrückungsschicht (135A, 135B) bei einer Betriebswellenlänge der Vorrichtung absorbierend ist und/oder einen durch hohe oder seitliche Moden ausgeübten effektiven Brechungsindex beeinflusst.

6. Halbleiterlaservorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-5, wobei die Knickunterdrückungsschicht (135A, 135B) auf der oberen Mantelschicht (105) aufgetragen ist.

7. Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, wobei die Laservorrichtung (10) ein Laserverstärker ist.

8. Halbleiterlaservorrichtung umfassend:

eine aktive Schicht (115);

eine obere und untere Epitaxialmantelschicht (105, 110), die die aktive Schicht (115) einschließen;

Facettflächen (112, 124), die an gegenüberliegenden Enden der Vorrichtung entlang einer optischen Achse (120) angeordnet sind;

einen First (125), der in die obere Mantelschicht (105) geätzt ist, und der sich in Richtung der optischen Achse (120) erstreckt;

eine Passivierungsschicht (316), die über den First (125) aufgebracht ist; und

eine amorphe Knickunterdrückungsschicht (135A, 135B), umfassend Silizium, Titan, Gallium oder Germanium, und die auf jeder Seite des Firstes (125) zwischen der Passivierungsschicht (316) und der geätzten oberen Mantelschicht (105) angeordnet ist.

9. Verfahren zum Herstellen einer Halbleiterlaservorrichtung aus einer unteren Mantelschicht (110), einer oberen Mantelschicht (105) und einer aktiven Schicht (115) zwischen der oberen und unteren Mantelschicht, wobei das Verfahren umfasst:

Ausbilden eines Firstes (125) auf der oberen Mantelschicht (105); und

Ausbilden einer amorphen Silizium-, Titan-, Gallium- oder Germanium- Knickunterdrückungsschicht (135A, 135B), die bezüglich der Mantelschichten und der aktiven Schicht zur Verringerung der Knickleistungsabhängigkeit auf Firstdimensionen ausgerichtet ist, wobei der First (125) durch Ätzen der oberen Epitaxialmantelschicht (105) ausgebildet ist, und die Knickunterdrückungsschicht (135A, 135B) auf den geätzten Abschnitt der oberen Mantelschicht aufgebracht wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend die Ausbildung der Knickunterdrückungsschicht (135A, 135B) in zwei Abschnitten auf jeder Seite eines Bereiches einer optischen Mode.

11. Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei die Knickunterdrückungsschicht (135A, 135B) mittels herkömmlicher Verdampfungs-/Sputtertechnologie aufgebracht wird.

12. Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei die Knickunterdrückungsschicht (135A, 135B) bei Temperaturen unter 150ºC aufgebracht wird.

13. Verfahren zum Herstellen einer Halbleiterlaservorrichtung aus einer unteren Mantelschicht (110), einer oberen Mantelschicht (105) und einer aktiven Schicht (115) zwischen der oberen und unteren Mantelschicht, wobei das Verfahren umfasst:

Ätzen eines Firstes (125) in die obere Mantelschicht (105), wobei der First (125) sich in Richtung einer optischen Achse (120) der Laservorrichtung (10) erstreckt;

Aufbringen einer Passivierungsschicht; und

Aufbringen einer amorphen Silizium-, Titan-, Gallium- oder Germanium- Knickunterdrückungsschicht (135A, 135B) zwischen der oberen Mantelschicht der Passivierungsschicht auf jeder Seite des Firstes.

14. Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei der Schritt des Ätzens des Firstes umfasst:

Aufbringen eines sich in Richtung der optischen Achse (120) erstreckenden Photolackstreifens (310); und

Ätzen der oberen Mantelschicht (105) auf jeder Seite des Photolackstreifens.

15. Verfahren nach Anspruch 14, ferner umfassend das Aufbringen der Knickunterdrückungsschicht (135A, 135B) auf die geätzte obere Mantelschicht vor dem Entfernen des Photolackstreifens (310).

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Schritt des Aufbringens der Passivierungsschicht (316) das Aufbringen einer Nitridschicht über der Knickunterdrückungsschicht (135A, 135B) umfasst.