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Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement
mit einem oberflächenemittierenden
Langwellen-Laser mit vertikalem Hohlraum (VCSEL), der optisch von
einem integrierten Kurzwellenlängen-Laser (VCSEL)
gepumpt wird, insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren
für den
Einsatz bei der Fertigung eines derartigen Halbleiterbauelements.
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Ein oberflächenemittierender Laser mit
vertikalem Hohlraum (VCSEL) ist ein Halbleiterlaser mit einer Halbleiterschicht
aus optisch aktivem Material wie beispielsweise Galliumarsenid oder
Indiumphosphid. Das optisch aktive Material ist eingeschlossen zwischen
Spiegelstapeln, gebildet durch hochreflektierende Schichten eines
metallischen Werkstoffs, eines dielektrischen Werkstoffs oder eines
epitaktisch gewachsenen Halbleitermaterials. Üblicherweise ist einer der
Spiegelstapel teilweise reflektierend, um einen Teil des kohärenten Lichts
durchzulassen, welches sich in einem Resonanz-Hohlraum aufbaut,
der von den die aktive Schicht einschließenden Spiegelstapeln gebildet
wird.
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Laserstrukturen erfordern eine optische
Eingrenzung in dem Resonatorhohlraum sowie eine Trägereingrenzung
in der aktiven Zone, um eine effiziente Umwandlung der Pump-Elektronen
in angeregte Photonen durch Besetzungsumkehr zu erreichen. Die stehende
Welle reflektierter optischer Energie innerhalb des Resonatorhohlraums
besitzt einen charakteristischen Querschnitt, führt zu einem optischen Schwingungstyp
(Moden). Ein angestrebter optischer Modus ist der Einzel-Grund-Transversalmodus,
beispielsweise der HE11-Modus eines zylindrischen Wellenleiters.
Ein Einzelmodus- oder Single-Mo de-Signal von einem VCSEL läßt sich
einfach in eine optische Faser einkoppeln, besitzt geringe Divergenz und
im Betrieb von sich aus einzelfrequent.
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Um den Schwellenwert zum Anschwingen des
Laserbetriebs zu erreichen, muß die
Gesamtverstärkung
eines VCSEL dessen Gesamtverlust gleichkommen. Aufgrund der kompakten
Bauweise von VCSELs ist allerdings das Maß für das Verstärkungsmedium begrenzt. Für effiziente
VCSELs muß mindestens
einer der beiden erforderlichen Spiegel ein Reflexionsvermögen haben,
welches größer als
etwa 99,5% ist. Schwieriger ist es, diese Forderung bei Langwellen-VCSELs anstatt bei
Kurzwellen-VCSELs zu erfüllen,
-weil solche hochreflektierenden Spiegel schwierig in ein und demselben
epitaktischen Wachstumsschritt als aktive Langwellenzone auszubilden
sind. Weil durch epitaktisches Wachstum gebildete Spiegelstapel
häufig
kein hohes Reflexionsvermögen
besitzen, werden einige VCSELs durch Wafer-Schmelzen des oberen
und des unteren Spiegelstapels an die aktive Zone ausgebildet.
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Wafer-Schmelzen (Wafer Fusion) ist
ein Prozeß,
bei dem Werkstoffe verschiedener Gitterkonstanten atomar vereint
werden durch Aufbringen von Druck und Wärme, um eine echte physikalische
Bindung herzustellen. Damit dient das Wafer-Schmelzen eines oder
beider Spiegelstapel an die aktive Zone zur Steigerung des Reflexionsvermögens, erreicht dadurch,
daß einer
oder beide Spiegel das geringe Maß des Verstärkungsmediums kompensieren,
damit der Laserschwellenwert erreicht und gehalten werden kann.
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Ein wichtiges Erfordernis für den Betrieb
eines hocheffizienten VCSELs mit geringem Schwellenwert ist eine
seitliche Brechungsindexschwankung oder ein Index-Führungsmechanismus,
der einen geringen optischen Verlust für den VCSEL herbeiführt. Die
seitliche Oxidation von AlGaAs diente zur Brechungsindexführung, um
hocheffiziente VCSELs herzustellen. Bei einem solchen seitlichen
Oxidationsvorgang wird in die Oberseite des VCSEL-Wafers ein Mesa eingeätzt, und
die freigelegten Seitenwände
der AlGaAs-Schicht werden Wasserdampf ausgesetzt. Dieses Beaufschlagen
mit Wasserdampf bewirkt eine Umwandlung von AlGaAs in AlGaOx ein kleines Stück innen von der Seitenwand in
Richtung auf die zentrale Mittelachse, abhängig von der Dauer des Oxidationsvorgangs.
Dies führt
zu einer seitlichen Brechungsindexschwankung, die ihrerseits einen
optischen Wellenleiter geringen Verlusts erzeugt, wenn die AlGaOx-Schicht ausreichend dünn ist.
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Ein Langwellen-VCSEL läßt sich
koppeln und optisch pumpen mit bzw. durch einen elektrisch gepumpten
VCSEL kürzerer
Wellenlänge.
Das US-Patent 5 513 204 von Jayaraman mit dem Titel "LONG WAVELENGTH,
VERTICAL CAVITY SURFACE EMITTING LASER WITH VERTICALLY INTEGRATED
OPTICAL PUMP" beschreibt
ein Beispiel für
einen Kurzwellen-VCSEL, der einen Langwellen-VCSEL optisch pumpt.
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Zwei Hauptanforderungen bei der Fertigung eines
Langwellen-VCSEL, der von einem integrierten Kurzwellen-VCSEL gepumpt
wird, sind eine präzise Fluchtung
des optischen Modus der beiden VCSELs im Wafer-Maßstab, kombiniert
mit elektrischem Kontakt mit sowohl einer p-dotierten als auch einer
n-dotierten Schicht des Kurzwellen-VCSEL.
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Erreicht wurde dies in der Vergangenheit durch
Verwendung einer gemusterten Wafer-Schmelzung, um den optischen
Modus des Langwellen-VCSEL zu definieren, während durch Einsatz von Oxidation
der optische Modus des Kurzwellen-Pump-VCSEL definiert wurde. Dies
macht die schwierige Aufgabe einer präzisen, im Submikrometerbereich
stattfindenden Infrarot-Photolithographie über einen vollen Wafer hinweg
erforderlich.
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Die Erfindung schafft ein Verfahren
zur Verwendung bei der Herstellung eines Halbleiterbauelements.
Im Zuge des Verfahrens wird ein oberflächenemittie render Laser mit
vertikalem Hohlraum (VCSEL) für
kurze Wellenlängen
epitaktisch durch Wachstum oben auf einem langwelligen DBR (distributed
Bragg reflector) für
lange Wellen gebildet und mit diesem integriert. Eine aktive Zone
für lange
Wellen wird durch Wafer-Schmelzen unten an dem Langwellen-DBR angebracht.
Der obere Langwellen-DBR wird durch Wafer-Schmelzen an der Langwellen-Aktivzone
angebracht, so daß der
Langwellen-VCSEL sich unterhalb des Kurzwellen-VCSEL befindet. Der Kurzwellen-VCSEL
enthält
eine obere Oxidationsschicht aus AlGaAs. Der Langwellen-VCSEL enthält eine
untere Oxidationsschicht aus AlGaAs. Eine n-dotierte Kontaktschicht
befindet sich zwischen der oberen Oxidationsschicht aus AlGaAs und
der unteren Oxidationsschicht aus AlGaAs. Auf der Oberseite des
Kurzwellen-VCSEL befindet sich ein P-Metall für einen P-Kontakt mit dem Halbleiterbauelement.
In den Kurzwellen-VCSEL ist bis hinunter auf die n-dotierte Kontaktschicht
ein Mesa geätzt,
um um den Mesa herum ein Feld zu bilden. In dem Feld wird ein N-Metall niedergeschlagen,
um einen n-Kontakt mit dem Halbleiterbauelement zu schaffen. Es
werden ein oder mehrere Löcher
oben in dem Mesa ausgebildet, radial außerhalb des niedergeschlagenen p-Metalls
und in dre form eines nicht kontinuierlichen Rings um die Stelle
mit dem p-Metall. Das oder die mit Muster ausgebildeten Löcher werden
von oberhalb des Mesa her nach unten durch sowohl die obere Oxidationsschicht
aus AlGaAs als auch die untere Oxidationsschicht aus AlGaAs hindurchgeätzt, und ein
oder mehrere geätzte
Löcher
werden in einem einzelnen Schritt oxidiert, um dadurch eine obere Oxidöffnung in
dem Kurzwellen-VCSEL und eine untere Oxidöffnung in dem Langwellen-VCSEL
zu erhalten. Die obere Oxidöffnung
und die untere Oxidöffnung
sind entlang der vertikalen Mittelachse des Halbleiterbauelements
collinear.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung enthält
der hergestellte Halbleiter einen oberflächenemittierenden Laser mit
vertikalem Hohlraum (VCSEL) für
kurze Wellen. Der Kurzwellen-VCSEL enthält eine obere Oxidati onsschicht.
Ein Langwellen-VCSEL ist monolithisch integriert mit dem Kurzwellen-VCSEL
und wird von diesem optisch gepumpt. Der Langwellen-VCSEL enthält eine
untere Oxidationsschicht. Die obere Oxidöffnung wird definiert durch
die obere Oxidationsschicht, und die untere Oxidöffnung wird definiert durch
die untere Oxidationsschicht. Zwischen der oberen und der unteren Oxidationsschicht
befindet sich eine n-dotierte Kontaktschicht. Das Halbleiterbauelement
bildet eine zentrale vertikale Achse, wobei die obere Oxidöffnung und
die untere Oxidöffnung
um diese zentrale vertikale Achse in den einzelnen Ebenen zentriert sind,
die beide rechtwinklig zu der zentralen vertikalen Achse verlaufen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der
Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung
in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung, die beispielhaft die
Merkmale der Erfindung darstellt.
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Hergestellte Halbleiterbauelemente
und Verfahren zur Herstellung sind in den Ansprüchen 1 bis 28 angegeben.
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In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Draufsicht auf ein Halbleiterbauelement gemäß den Prinzipien der Erfindung;
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2 eine
Querschnittansicht entlang der Linie A-A' in 1 (zur
Verdeutlichung wurde die Schraffierung beseitigt); und
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3 ein
Verfahrensablaufdiagramm zum Erläutern
der Fertigung eines Halbleiterbauelements gemäß den Prinzipien der Erfindung.
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Im Rahmen dieser Beschreibung beziehen sich
die Begriffe "oben" oder "obere" als relative Angaben
auf Zonen des Halbleiterelements, die von dem Substrat abgelegen
sind, während
die Begriffe "unten" und "untere" die Richtung auf
das Substrat bedeuten.
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Wie in den Zeichnungen aus Gründen der Anschaulichkeit
dargestellt ist, ist ein oberflächenemittierender
Laser mit vertikalem Hohlraum für
lange Wellen (VCSEL) optisch gekoppelt mit einem Kurzwellen-VCSEL
und wird von diesem optisch gepumpt, und zwar innerhalb eines monolithischen
integrierten Halbleiterbauelements. Halbleiterbauelemente gemäß den Prinzipien
der Erfindung lassen sich in Gruppen oder Feldern in einem System
für integrierte
Schaltkreise im Wafer-Maßstab
herstellen.
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Die erfolgreiche Fertigung des monolithisch integrierten
Halbleiterbauelements erfordert die Fähigkeit, in präziser Weise
den optischen Modus der beiden VCSELs über eine Wafergröße hinweg
zu fluchten und elektrischen Kontakt mit sowohl der Schicht aus
p-Material als auch der Schicht aus n-Material des Kurzwellen-VCSEL
herzustellen.
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Frühere Versuche, von einer gemusterten Wafer-Schmelze
Gebrauch zu machen, um den optischen Modus des Langwellen-VCSEL
zu definieren, und mittels Oxidation den optischen Modus des Pump-Kurzwellen-VCSEL
zu definieren, erfordern häufig
exakte, im Submikrometerbereich angesiedelte Infrarot-Photolithographie über einen
vollen Wafer, was schwierig ist.
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Eine bessere Methode als den Einsatz
gemusterter Wafer-Schmelze zum Definieren des optischen Schwindungstyps
des Langwellen-VCSEL zusammen mit der Oxidation zum Definieren des
optischen Schwingungstyps des Kurzwellen-Pumplasers ist der Einsatz eines Selbstausrichtverfahrens,
welches keine manuelle Ausrichtung während des Arbeitsvorgangs erfordert.
Bei einem Selbst ausrichtverfahren wird ein tiefer Mesa an einer
Oxidationsschicht in jedem der beiden VCSELs vorbei geätzt. Dann
werden die beiden Oxidationsschichten gleichzeitig oxidiert. Die
beiden Oxidöffnungen
in den zwei Oxidationsschichten, die sich hieraus ergeben, sind selbsttätig ausgerichtet,
allerdings gibt es keine Möglichkeit
zur Schaffung eines elektrischen Kontakts mit einer Schicht zwischen
den Oxidationsschichten.
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Um die oben angesprochenen sowie
weitere Unzulänglichkeiten
zu überwinden,
schafft die Erfindung ein Verfahren zur Verwendung bei der Fertigung
eines monolithisch integrierten Halbleiterbauelements, welches einen
Langwellen-VCSEL enthält, optisch
gekoppelt mit und optisch gepumpt von einem Kurzwellen-VCSEL. In
dem hergestellten Halbleiterbauelement gibt es zwei vertikal ausgerichtete Oxidöffnungen
in den beiden Oxidationsschichten, und eine elektrische Kontaktgabe
erfolgt mit einer Schicht zwischen den beiden Oxidationsschichten.
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Der in Verbindung mit den 1 und 2 beschriebene Prozeß, bei dem ein Verbundschicht-Halbleiterbauelement
aus einem Wafer hergestellt wurde, der mehrere Schichten enthält, verdeutlicht
gemäß 1 eine Draufsicht auf das
monolithisch integrierte Halbleiterbauelement. Gemäß 1 wurde ein Kontakt 11 aus
einem Metall vom n-Typ auf einer Kontaktschicht des fertigen Halbleiterbauelements
niedergeschlagen. Der Kontakt 10 aus n-Metall umgibt einen
Mesa 12, der einen kleeblattförmigen Querschnitt besitzt.
Ein Kontakt 14 aus einem p-Material wurde auf dem kleeblattförmigen Mesa 12 niedergeschlagen.
Ein Satz 16 aus vier tiefen Oxidationslöchern ist in dem kleeblattförmigen Mesa 12 ausgebildet
und erstreckt sich nach oben und nach unten innerhalb des Mesas 12.
Die vier tiefen Oxidationslöcher 16 umgeben
die vertikal ausgerichtete obere Oxidöffnung 18 und die
(in 1 nicht gezeigte)
untere Oxidöffnung
in der monolithisch integrierten Schaltung.
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2 veranschaulicht
einen Querschnitt entlang der Linie A-A' in 1.
Gemäß 2 umfassen die mehreren
Schichten in dem monolithisch integrierten Halbleiterbauelement
einen unteren Spiegel 22 für 1300 nm, eine oberhalb des
unteren Spiegels 22 für
1300 nm befindliche aktive Zone 24 für 1300 nm, und einen oberen
Spiegel 26 für
1300 nm, der sich oberhalb der aktiven Zone 24 für 1300 nm befindet,
wobei der obere Spiegel 26 eine untere Oxidationsschicht 28 besitzt,
welche die untere Oxidöffnung 30 innerhalb
der unteren Oxidationsschicht 28 bildet. Die untere Oxidationsschicht 28 entspricht
der aktiven Zone 24 für
1300 nm.
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Die mehreren Schichten in dem fertigen Halbleiterbauelement
beinhalten einen n-dotierten unteren Spiegel 34 für 850 nm,
der durch epitaktisches Wachstum auf dem oberen Spiegel 26 für 1300 nm
gebildet ist, integriert mit dem oberen Spiegel 26 für 1300 nm.
Der untere Spiegel 34 für
850 nm enthält
die Kontaktschicht 36 des Halbleiterbauelements. Der n-Metall-Kontakt 10 wird
an der n-dotierten Kontaktschicht 36 angebracht und umgibt
teilweise den kleeblattförmigen
Mesa 12. Die obere Oxidationsschicht 38 definiert
die obere Oxidöffnung 18 und
befindet sich oberhalb der Kontaktschicht 36. Das fertige
mehrschichtige Halbleiterbauelement enthält eine (in 2 nicht mit einer Ziffer versehene) aktive
Zone für
850 nm oberhalb des unteren Spiegels 34 für 850 nm,
und einen p-dotierten oberen Spiegel 42 für 850 nm
oberhalb der aktiven Zone für die
850 nm.
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Im Zuge der Herstellung des Halbleiterbauelements
gemäß den Prinzipien
der Erfindung wird ein flacher Mesa 12 in dem Halbleiterwafer
zu der Kontaktschicht 36 des n-dotierten unteren Spiegels 34 für 850 nm,
der elektrisch zu kontaktieren ist, hinuntergeätzt. Der freiliegende Bereich
der Kontaktschicht 36 bildet ein Feld, welches den geätzten Mesa 12 teilweise
umgibt. Die Kontaktschicht 36 befindet sich zwischen der
oberen Oxidationsschicht 38 und der unteren Oxidationsschicht 28.
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Die tiefen Oxidationslöcher 16 (1) werden von der Oberseite
des Mesas 12 nach unten durch den Mesa 12 hindurch
unter sowohl die obere Oxidationsschicht 38, die sich innerhalb
des Kurzwellen-VCSEL 44 befindet, als auch die untere Oxidationsschicht 28,
die sich innerhalb des Langwellen-VCSEL 46 befindet, geätzt. Vier
tiefe Oxidationslöcher 16 sind
in der Ansicht von oben in 1 dargestellt.
In der Schnittansicht der 2 sind
zwei der vier tiefen Oxidationslöcher
gezeigt.
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Der p-Metallkontakt 14 wird
oben an den p-dotierten oberen Spiegel 42 für 850 nm
des kurzwelligen VCSEL 44 angebracht. Der n-Metallkontakt 10 wird
an dem Feld der Kontaktschicht 36 angebracht.
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Nach 2 kann
Strom in die fertige monolithisch integrierte Schaltung im Verlauf
eines Pfades von dem n-Metallkontakt 10 zu der Kontaktierungszone
in der kleeblattförmigen
Mesastruktur 12 zwischen den tiefen Oxidationslöchern durch
die obere Oxidationsöffnung 18 zu
dem p-Metallkontakt 14 fließen.
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Das gleichzeitige Oxidieren der oberen
Oxidöffnung 18 und
der unteren Oxidöffnung 30 während der
Fertigung des monolithischen Halbleiterbauelements nach den Prinzipien
der Erfindung führt
zu einer Ausrichtung des optischen Modus des Langwellen-VCSEL 46 mit
demjenigen des Kurzwellen-VCSEL 44 innerhalb
des monolithischen Halbleiterbauelements.
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Die untere Oxidöffnung 30 definiert
den optischen Modus des Langwellen-VCSEL 46. Die obere Oxidöffnung 18 definiert
den optischen Modus des Kurzwellen-VCSEL 44 und definiert
zumindest teilweise den elektrischen Strompfad innerhalb des Kurzwellen-VCSEL 44.
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Nach der hier vermittelten Lehre
können mehrere
vertikal ausgerichtete Oxidöftnungen
entsprechend mehreren aktiven Zonen in epitaktisch gewach senen Strukturen
gebildet werden. Nach 2 befindet
sich jede Oxidöffnung 18, 30 in
der Ebene ihrer zugehörigen
Oxidationsschicht 38 bzw. 28. Jede Mittellinie,
die normal auf der Ebene steht, in der jede Oxidöffnung gelegen ist und die
durch die Mitte jeder Oxidöffnung
verläuft,
ist im wesentlichen collinear bezüglich der anderen Mittellinie
oder den anderen Mittellinien gemäß der Erfindung. Wichtig ist,
daß die Mittellinie
jeder Oxidöffnung
collinear mit der Mittellinie oder den Mittellinien der anderen
Oxidöffnung bzw.
Oxidöffnungen
entlang einer gemeinsamen mittleren vertikalen Achse 48 des
Halbleiterbauelements ist.
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Beim Verfahren zum Fertigen des Halbleiterbauelements
wird jede vertikal ausgerichtete Oxidöffnung gebildet durch Umwandeln
einer Halbleiterschicht in eine isolierende Oxidschicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante,
was durch einen Naßoxidationsprozeß geschieht.
Die resultierenden Oxidöffnungen
werden ausgerichtet durch Ätzen
eines oder mehrere Löcher
durch sämtliche
Oxidschichten hindurch sowie durch Definieren der Ätzmaske
für dieses
Loch bzw. diese Löcher
innerhalb eines einzigen Ausrichtungsschritts (der typischerweise
ein photolithographischer Schritt ist). An das Ätzen schließt sich ein einzelner Oxidationsschritt
an, der sämtliche Schichten
gleichzeitig oxidiert.
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Die präzise Ausrichtung der optischen
Modi des elektrisch gepumpten Kurzwellen-VCSEL und des von dem Kurzwellen-VCSEL
optisch gepumpten Langwellen-VCSEL ist ein wichtiger Aspekt der
Herstellung optisch gepumpter Langwellen-Strukturen. Nach der früheren Praxis
wurde zum Ausrichten der optischen Modi des elektrisch gepumpten
VCSEL und des optisch gepumpten längerwelligen VCSEL von einer
gemusterten Waferschmelze Gebrauch gemacht, um die langwellige Öffnung zu
definieren, und mittels lateraler oder seitlicher Oxidation wurde
die kurzwellige Öffnung
definiert. Anschließend
wurde eine derartige Oxidöffnung
sowie eine solche gemusterte Schmelzöffnung von Hand mit Hilfe von
Infrarot-Photolithographie ausgerichtet. Dabei handelt es sich um
einen diffizilen und zeitraubenden Vorgang, wobei die Ausrichtung
nicht immer zufriedenstellend ist.
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Ein besserer Weg zum Ausrichten der Öffnungen
der beiden VCSELs besteht in dem gleichzeitigen Oxidieren einer
Oxidationsschicht in jedem VCSEL, um in jeder Oxidationsschicht
eine Öffnung
zu bilden. Die nach der selektiven Oxidation gebildeten Öffnungen
sind dann automatisch miteinander ausgerichtet, wenn ein geätztes Loch
oder mehrere geätzte
Löcher
die Oxidationsschichten für
den kurzwelligen Pump-VCSEL für
850 nm und den Langwellen-VCSEL für 1300 nm durchsetzt bzw. durchsetzen.
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Weil die geätzte Struktur (das ist die
Menge der tiefen Oxidationslöcher)
nicht über
den gesamten Umfang der Öffnung
kontinuierlich ist, gibt es einen Strompfad von dem p-Metall radial
zum Inneren der geätzten
Löcher
oben auf der Struktur hin zu dem n-Metall radial aus den geätzten Löchern in
eine n-Schicht (das
ist die Kontaktschicht) zwischen den beiden Oxidationsschichten.
Unter Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann man mit Wiederholbarkeit vertikal fluchtende Öffnungen
in dem kurzwelligen Pump-VCSEL für
850 nm und dem Langwellen-VCSEL für 1300 nm erzeugen und dennoch
sowohl die p-Material- als auch die n-Material-Schicht des kurzwelligen
Pump-VCSEL für 850 nm
elektrisch kontaktieren.
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Der Prozeß des Ätzens des tiefen Lochs oder
der tiefen Löcher
kann nach den Prinzipien der Erfindung derart gesteuert werden,
daß es
zu einer Differenz zwischen der Größe der oberen Oxidöffnung und
derjenigen der unteren Oxidöffnung kommt.
Beispielsweise kann man mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gezielt eine
Verjüngung der
Seitenwand bewirken, die es ermöglicht,
daß die Oberseite
des Lochs bzw. der Löcher
breiter ist als der Boden des Lochs bzw. der Löcher. Wird eine derartige Verjüngung ausgebildet,
und sind die obere und die untere Oxidöffnung entlang der mittleren
vertikalen Achse des monolithisch integrierten Halbleiterbauelements
collinear, und sind außerdem
die obere und die untere Oxidöffnung
in Ebenen gelegen, die rechtwinklig zu der mittleren vertikalen
Achse verlaufen, so ist der Radius oder die Größe der unteren Oxidöffnung,
gemessen von der mittleren vertikalen Achse aus, größer als
der Radius bzw. die Größe der oberen
Oxidöffnung,
ebenfalls gemessen von der mittleren vertikalen Achse aus. In diesem
Fall macht die selektive Oxidation identischer Oxidationsschichten
die untere Öffnung
größer als
die obere.
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Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann
man außerdem
die Oxidationsschichten und die innerhalb der Oxidationsschichten
definierten Öffnungen
durch Steuern der Aluminiumzusammensetzung des AlGaAs, der Dicke
der Schichten aus AlGaAs, der Grunddicke, der Dotierstoffkonzentration der
Oxidationsschichten oder Kombinationen derartiger Herstellungsparameter
oder anderer einschlägiger
Parameter gestalten. Die resultierenden Öffnungen sind immer noch ausgerichtet,
ihre Größen sind allerdings
nicht mehr die gleichen.
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Außerdem lassen sich die Anzahl,
die Form und die Lage der Löcher
im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens
so steuern, daß eine
spezifische Öffnungsform
gebildet wird.
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Eine spezielle Anwendung der Erfindung
ist die Fertigung von optisch gepumpten Langwellen-VCSELs. Die optisch
gepumpte Struktur beinhaltet zwei monolithisch integrierte VCSELs.
Der obere VCSEL der beiden wird elektrisch gepumpt, damit er Laserlicht
bei einer kürzeren
Wellenlänge
emittiert. Das Laserlicht kürzerer
Wellenlänge,
welches von dem oberen VCSEL abgestrahlt wird, regt den unteren
VCSEL dazu an, Laserlicht mit einer längeren Wellenlänge zu emittieren.
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3 ist
ein Prozeß-Flußdiagramm
zum Erläutern
der Fertigung eines Halbleiterbauelements gemäß den Prinzipien der Erfindung.
Um ein Verbundschicht-Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung herzustellen,
wird durch epitaktisches Wachstum eine Struktur gebildet, die zwei
oder mehr Oxidationsschichten entsprechend den zwei oder mehr aktiven
Zonen enthält.
Nach 3 kann ein spezifisches
Beispiel für
diese Struktur dadurch erhalten werden, daß man einen 850-nm-Pumplaser
durch Wachstum zusammen mit einem integrierten oberen 1300-nm-DBR
(distributed Bragg reflector) bildet, Schritt 50. Durch
Wafer-Schmelzen wird auf einen unteren 1300-nm-DBR im Schritt 52 eine 1300-nm-Aktivzone
gebildet. Der obere 1300-nm-DBR wird durch Wafer-Schmelzen auf die äktive 1300-nm-Zone
aufgebracht, um eine Struktur zu bilden, die sich für den Aufbau
eines optisch gepumpten VCSEL eignet, Schritt 54.
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Der 850-nm-Pump-VCSEL und der integrierte
obere 1300-nm-DBR besitzen jeweils eine hochprozentige AlGaAs-Schicht,
die sich selektiv gegenüber
den umgebenden epitaktischen Schichten oxidieren läßt. Die
n-dotierte Kontaktschicht aus n-Material des 850-nm-Pump-VCSEL liegt
zwischen den zwei hochprozentigen AlGaAs-Schichten. In diesem Stadium
des Fertigungsprozesses im Wafer-Maßstab enthält das integrierte Halbleiterbauelement
einen 850-nm-VCSEL, der optisch mit einem integrierten 1300-nm-VCSEL
unter dem 850-nm-VCSEL gekoppelt ist.
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Nach dem epitaktischen Wachstum des
Wafers und Durchführen
der notwendigen Schritte der Wafer-Fusion oder -Schmelze, die zu
dem optisch mit dem integrierten 1300-nm-VCSEL gekoppelten 850-nm-VCSEL
führen,
wird auf dre Oberseite des 850-nm-Pump-VCSEL in dem Wafer p-Metall
niedergeschlagen, was schließlich
zu dem oberen p-Typ-Kontakt des integrierten Halbleiterbauelements
wird, Schritt 56.
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Anschließend wird ein Mesa, der den
p-Metall-Niederschlag auf seiner Oberseite enthält, in den Wafer hinuntergeätzt, bis
zu der n-dotierten Kontaktschicht des 850-nm-VCSEL, Schritt 58.
Dies bildet ein Feld, welches zumindest teilweise den geätzten Mesa
umgibt. Das Ätzen
kann beispielsweise ein Ätzen
auf Trockenplasmabasis oder ein chemisches Naßätzen sein. Nach Abschluß des Ätzens des
Mesas wird ein n-Kontakt-Metall auf dem geätzten Feld niedergeschlagen,
Schritt 60.
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Sowohl der p-Metallkontakt als auch
der n-Metallkontakt werden dann im Schritt 62 durch ein Schnell-Warmbehandlungsverfahren
legiert. Sie sind dann fertige elektrische Kontaktierungsschichten zum
elektrischen Pumpen des 850-nm-Pump-VCSEL
der monolithisch integrierten Schaltung.
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Die Begriffe "p" und "n", die hier zum Bezeichnen des Metall-Typs
und des Dotierungstyps verwendet werden, lassen sich im Schutzumfang
der Erfindung vertauschen.
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Im Schritt 64 wird das Bauelement
dann mit SiNx überzogen,
wodurch sowohl die p- als auch die n-Metallkontakte während eines
nachfolgenden Oxidationsschritts geschützt werden, und was außerdem die
Ausbildung einer reproduzierbaren vertikalen Seitenwand während des
anschließenden Lochätzens nach
unten durch den Mesa hindurch unterstützt.
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Nach dem Niederschlagen des SiNx
können oben
auf dem Mesa ein oder mehrere Löcher
durch Ätzen
in einem Muster ausgebildet werden, Schritt 66. Die gemusterten
Löcher
befinden sich radial außerhalb
des p-Metall-Niederschlags, gemessen von der mittleren vertikalen
Achse aus. Diese Löcher
werden von der Oberseite des Mesas nach unten durch das SiNx hindurch
in den Wafer geätzt,
vorbei an der oberen AlGaAs-Oxidationsschicht und der unteren AlGaAs-Oxidationsschicht,
Schritt 68. Die geätzten Löcher bilden
einen nicht durchgängigen
Ring um den p-Metall-Niederschlag.
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Nachdem die Löcher geätzt sind, wird im Schritt 70 ein
einzelner Oxidationsschritt ausgeführt, der bei dieser speziellen
Ausführungsform
zwei vertikal miteinander ausgerichtete Oxidöffnungen bildet. Die untere
Oxidöftnung
beschränkt
den optischen Modus des 1300-nm-VCSEL radial nach innen zu der mittleren
vertikalen Achse hin und entlang der mittleren vertikalen Achse.
Das Ätzen
vorbei an sowohl der oberen als auch der unteren Oxidationsschicht
im Rahmen ein und desselben Ausrichtungsschritts nach der hier vermittelten
Lehre garantiert, daß die Zentren
der beiden Öffnungen
nach der Ausbildung durch selektive Oxidation miteinander fluchten.
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Im Anschluß an den einzelnen Oxidationsschritt
wird der SiNx-Überzug
durch Ätzen
im Schritt 72 entfernt. Ein dünner SiNx-Überzug, der als Antireflexionsüberzug bezüglich 1300
nm dient, wird im Schritt 74 über das Bauelement gezogen.
Der Antireflexionsüberzug
wird so gemustert und geätzt,
daß ein
Zugang zu dem 850-nm-Kontakt sowohl des p- als auch des n-Typs geöffnet wird,
Schritt 76. Der Antireflexionsüberzug wird über der Öffnung des
optisch gepumpten Bauelements beibehalten. Jetzt ist das Bauelement
fertig.
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Jedes monolithisch integrierte, mehrschichtige
Halbleiterbauelement, welches nach dem obigen Verfahren hergestellt
wird, enthält
einen Langwellen-VCSEL, der optisch gekoppelt ist mit und optisch gepumpt
wird durch einen Kurzwellen-VCSEL, der in der bevorzugten Ausführungsform
sich oberhalb des Langwellen-VCSEL befindet. Man kann Felder aus Halbleiterbauelementen
im Wafer-Maßstab
unter Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens
produzieren.
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Die Schichten des fertigen Halbleiterbauelements
enthalten eine erste Oxidationsschicht, die Teil des Kurzwellen-VCSELs
ist, und eine zweite Oxidations schicht, die Teil des Langwellen-VCSELs
ist. Eine erste Oxidöffnung
wird durch die erste Oxidationsschicht definiert, eine zweite Oxidöffnung wird
durch die zweite Oxidationsschicht definiert. Die erste und die
zweite Oxidöffnung
sind vertikal ausgerichtet in Bezug auf eine mittlere vertikale
Achse. Auf eine Kontaktschicht innerhalb des Halbleiterbauelements, die
sich zwischen der ersten und der zweiten Oxidationsschicht befindet,
wird ein Kontakt eines n-Metalls aufgebracht.
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Während
mehrere spezielle Formen der Erfindung hier dargestellt und beschrieben
sind, ist auch ersichtlich, daß verschiedene
Modifikationen möglich
sind, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.