DE69909343T2

DE69909343T2 - Halbleiterlaser mit Schutz gegen elektrostatische Entladungen

Info

Publication number: DE69909343T2
Application number: DE69909343T
Authority: DE
Inventors: Wenbin Phoenix Jiang; Gilbert Claisse Paul R.; Philip A. Gilbert Kiely
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1998-01-30
Filing date: 1999-01-18
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2019-01-19
Also published as: DE69909343D1; EP0933842A2; EP0933842B1; EP0933842A3; US6185240B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Laser und genauer auf oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator.
Hintergrund der Erfindung
In letzter Zeit gab es ein wachsendes Interesse an einer neuen Art von Laservorrichtung, die oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator (vertical cavity surface emitting Laser (VCSEL)) genannt wird. Mehrere Vorteile von VCSEL-Vorrichtungen sind offensichtlich, wie zum Beispiel das Aufweisen eines kreisförmigen Strahles, die zweidimensionale Matrixfähigkeit und die Möglichkeit einer Waferskalenprüfung. Diese Vorteile resultieren teilweise aus den Fortschritten in der metallorganischen Gasphasenepitaxie (metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE)) und in der, Molekularstrahlepitaxie (molecular beam epitaxy (MBE)), die das monolithische Wachstum beugender Braggreflektoren (diffractive Bragg reflectors (DBRs)) für VSCELs ermöglichen.
Trotz dieser Vorteile sind VCSEL-Vorrichtungen wegen des kleineren aktiven Volumens jedoch empfindlicher gegen elektrostatische Entladungs-(elctro-static discharge (ESD))-Ereignisse. Elektrostatische Entladungsereignisse sind Ereignisse, bei denen eine hohe statische Ladung aufgebaut und anschließend entladen wird. Wenn sich die hohe statische Ladung durch einen VCSEL entlädt, wird er katastrophal beschädigt. Deshalb sind herkömmliche VCSEL auf Anwendungen beschränkt, die nicht empfindlich gegen ESD-Ereignisse sind, was die Anzahl möglicher Anwendungen für VCSELs reduziert.
Die JP 9 027 657 A offenbart eine PN-Junctiondiode entgegengesetzter Richtung, die parallel zu einem Halbleiterlaser auf demselben Substrat gebildet wird.
Somit ist es hocherwünscht und ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Schutzschaltung bereitzustellen, um den VCSEL-ESD-Schadensschwellenwert zu erhöhen.
Ein anderer Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren bereitzustellen, um die Schutzdiode mit den VCSELs zu integrieren.
Zusammenfassung der Erfindung
In einem Halbleiterlaser mit elektrostatischem Entladungs-(ESD)-Schutz werden die oben genannten und andere Probleme zumindest teilweise gelöst und die oben genannten Ziele werden realisiert. Um den ESD-Schutz bereitzustellen, wird ein oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL) hergestellt und es wird eine Diode hergestellt und in entgegengesetzt beziehungsweise rückwärtsgerichteter paralleler Ausrichtung mit dem VCSEL verbunden. Wenn ein Rückwärtsvorspannungs-ESD-Ereignis auf den VCSEL angewendet wird, wird die parallel angeschlossene Diode einen weg mit sehr geringem Widerstand bereitstellen, um die Ladung schnell abfließen zu lassen, bevor sie den VCSEL schädigen kann. Weil der Rückwärtsvorspannungs-ESD-Schaden-Schwellwert typischerweise kleiner als der Vorwärtsvorspannungs-ESD-Schaden-Schwellwert ist, wird die vorgeschlagene Lösung das VCSEL-ESD-Toleranzniveau auf das Vorwärtsvorspannung-ESD-Schaden-Schwellwert-Niveau anheben. Die parallel angeschlossene Diode wird benachbart und in denselben Herstellungsschritten hergestellt, in denen der VCSEL gebildet wird. Somit wird sehr wenig zusätzliche Chipfläche benötigt und es werden keine zusätzlichen Herstellungsschritte benötigt, um den Schutz bereitzustellen. Ein VCSEL und ein Verfahren zur Herstellung des VCSELs sind in den Ansprüchen 1 und 2 definiert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine vergrößerte isometrische Darstellung eines Halbleitersubstrates mit einem VCSEL und einer daran gekoppelten Diode, wobei der VCSEL und die Diode auch im Schnitt gezeigt sind;
2 ist eine Draufsicht der Struktur von 1;
3 ist ein äquivalenter Schaltkreis eines an eine Diode gekoppelten VCSELs.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine vergrößerte isometrische Darstellung eines Halbleitersubstrates 101 mit einer Oberfläche 107, das einen VCSEL 103 und eine daran gekoppelte Diode 105 aufweist, wobei der VCSEL 103 und die Diode 105 auch im Schnitt gezeigt sind. Der VCSEL 103 und die Diode 105 werden unter Einbeziehung mehrerer Merkmale oder Elemente hergestellt, wie zum Beispiel aus einem Substrat 101, einem Stapel 109 verteilter Braggreflektoren (DBRs), einem aktiven Bereich 111 mit einem Verkleidungsbereich 113, einem aktivem Bereich 115, einem Verkleidungsbereich 117, einem Stapel 119 verteilter Braggreflektoren (DBRs) mit einer Oberfläche 120, einer dielektrischen Schicht 121 und leitenden Schichten 123 und 125.
Es sollte klar sein, dass 1 eine Schnittansicht des VCSEL 103 und der Diode 105 darstellt, wobei Teile davon weggebrochen sind und es sich um einen Schnitt handelt, um den inneren Aufbau zu veranschaulichen. Auch 2 ist eine Draufsicht, die den Gesamtzusammenhang zwischen den verschiedenen Komponenten darstellt. Der VCSEL 103 und die Diode 105 können einen aus einer Mehrzahl von VCSELs, die eine Anordnung beziehungsweise eine Matrix bilden, darstellen. Zusätzlich sollte klar sein, dass 1 vereinfacht wurde, indem absichtlich einige technische Details weggelassen wurden, um dadurch die vorliegende Erfindung deutlicher darzustellen.
Zum Zwecke der Orientierung für den Leser wird hier nachfolgend eine kurze Beschreibung der Materialien und der Verfahren bereitgestellt. Der VCSEL 103 und die Diode 105 werden auf einem beliebigem geeigneten Substrat, das eine Oberfläche 107 aufweist, hergestellt, wie zum Beispiel Galliumarsenid, Silizium, Indiumgalliumphosphid oder dergleichen. Im Allgemeinen wird die Oberfläche 107 des Substrates 101 bearbeitet, um mehrere epitaxische Schichten zu bilden, die den Stapel 109, den aktiven Bereich 111 einschließlich des Verkleidungsbereiches 113, den aktiver Bereich 115 und den Verkleidungsbereich 117 und den Stapel 119 umfassen. Der Stapel 109, der aktive Bereich 111 und der Stapel 119 werden durch irgendwelche geeigneten epitaxische Verfahren, wie zum Beispiel MBE, MOVBE oder dergleichen hergestellt.
Wenn der Stapel 109, der aktive Bereich 111 und der Stapel 119 gebildet wurden, werden Gräben 131, 133, 135 und 137 durch irgendeinen geeigneten Prozess oder eine Kombination von Prozesses gebildet, wie zum Beispiel Photolitographie, Ätzung oder dergleichen. Der Graben 131 definiert den VCSEL 103 und isoliert einen Abschnitt des Stapels 119, um einen Stromweg durch den Stapel 109, den aktiven Bereich 111 und den Stapel 119 zu begrenzen. Der Graben 131 erstreckt sich von der Oberfläche 120 des Stapels 119 gerade bis über den aktiven, Bereich 111. Somit wird wenn Strom fließt, der aktive Bereich 115 aktiviert, wodurch Licht erzeugt wird, welches von den Stapeln 109 und 119 für den Laserprozess reflektiert, und schließlich durch eine Öffnung 122 emittiert wird.
Der Graben 133 definiert die Diode 105 und isoliert die Diode 105 von dem VCSEL 103 und dem Rest des Substrates 101. Der Graben 133 erstreckt sich von der Oberfläche 120 durch die verschiedenen Schichten und in das Substrat 101. Die Diode 105 wird weiter bearbeitet, um einen Abschnitt 145 des Stapels 109 durch irgendein geeignetes Verfahren oder eine Kombination von Verfahren, wie zum Beispiel Pho tolitographie, Ätzung oder dergleichen, freizulegen, wodurch der Abschnitt 145 freigelegt wird, um als elektrischer Kontakt verwendet zu werden.
Dem Fachmann sollte bekannt sein, dass die Herstellung der Gräben 131, 133, 135 und 137 im Allgemeinen nicht als ein einzelner Schritt ausgeführt wird, sondern vielmehr unter Verwendung einer Vielzahl von Schritten erreicht wird. Zusätzlich ist dem Fachmann bekannt, dass die Dimensionierung der Breiten und Tiefen der Gräben 131, 133, 135 und 137 anwendungsspezifisch ist und gemäß spezifischer Konstruktionsanforderungen stark variieren kann, die ohne darauf beschränkt zu sein die verwendeten Materialien, die Betriebs-Spannungen und -Frequenzen und so weiter umfassen.
Nur um ein Beispiel zu geben wird Bezug auf den Graben 133 genommen, wobei der Graben 131 eine Breite 150, die im Bereich von 0,1 μm bis zu 100 μm liegt, und eine Tiefe 151 hat, die im Bereich von 0,1 μm bis gerade oberhalb der Verkleidungsregion 117 liegt. Der Graben 133 hat eine Breite 153, die im Bereich von 0,1 μm bis ungefähr 100 μm liegt, und eine Tiefe, die sich von der Oberfläche 120 in das Substrat 101 erstreckt. Der Graben 135 hat eine Breite, die ausreicht, um eine brauchbare Kontaktoberfläche des Stapels 109 freizulegen, und eine Tiefe, die sich von der Oberfläche 120 in den Stapel 109 erstreckt. Der Graben 137 hat eine Breite 155, die im Bereich von 0,1 μm bis ungefähr 100 μm liegt, und eine Tiefe, die sich von der Oberfläche 120 bis gerade unterhalb des wirksamen Bereiches 111 oder in das Substrat 101 erstreckt.
Wenn die Gräben 131, 133, 135 und 137 gebildet wurden, wird die dielektrische Schicht 121 auf der freigelegten Oberfläche der Struktur vorgesehen. Die dielektrische Schicht 121 umfasst irgendein geeignetes dielektrisches Material, wie zum Beispiel Nitrid, Oxinitrid, Oxid oder dergleichen. Dem Fachmann ist bekannt, dass das Vorsehen der dielektrischen Schicht 121 erreicht werden kann, indem entweder ein additives Verfahren, das heißt Verwenden einer Kombination von Techniken wie zum Beispiel Photolitographie und Ablagerung, oder ein subtraktives Verfahren angewendet wird, das heißt Verwenden einer Kombination von Techniken wie zum Beispiel Ablagerungen, Photolitographie und Ätzung, wodurch Abschnitte der dielektrischen Schicht 121 gemustert und in ihren korrekten Positionen positioniert werden.
Wenn zum Beispiel die dielektrische Schicht 121 aus Nitrid hergestellt und nach der Herstellung der Gräben 131, 133, 135 und 137 über der Oberfläche 120 vorgesehen beziehungsweise abgeschieden wurde, wird die dielektrische Schicht 121 mit einem Maskiermaterial gemustert. Das Maskiermaterial legt bestimmte Bereiche oder Abschnitte der dielektrischen Schicht frei. In diesem speziellen Fall werden die Bereich 145, 157, 159, 161, 163 und 171 der dielektrischen Schicht 121 freigelegt. Wenn die Bereiche 145, 157, 159, 161, 163 und 171 freigelegt sind, wird ein Ätzprozess durchgeführt, um die freigelegten Bereiche 145, 157, 159, 161, 163 und 171 der dielektrischen Schicht 121 zu entfernen, wodurch Abschnitte der Stapel 109 und 119 freigelegt werden.
Es kann jeder geeignete Ätzprozess oder jede geeignete Kombination von Ätzprozessen verwendet werden, um die Bereiche 145, 157, 159, 161, 163 und 171 der dielektrischen Schicht 121 zu entfernen. Wenn zum Beispiel die elektrische Schicht 121 aus Nitrid besteht, kann eine Trockenätzung verwendet werden, das heißt eine Plasmachemie auf Fluorba sis. Zusätzlich könnte auch eine Nassätzung, das heißt eine HF-Lösung, verwendet werden. Dem Fachmann ist bekannt, dass die Ätzchemie und -techniken in Abhängigkeit von den beteiligten Materialien variieren können.
Wenn die Bereiche 145, 157, 159, 161, 163 und 171 der Stapel 109 und 119 freigelegt sind, werden die leitenden Schichten 123 und 125 auf dem Substrat 101 vorgesehen. Die leitenden Schichten 123 und 125 werden aus irgendeinem geeignetem Material gebildet, zum Beispiel aus einem Metall, wie Aluminium, Gold, Silber oder dergleichen, oder aus einer Legierung, zum Beispiel Aluminium/Kupfer, Gold/Zink, Gold/Germanium, Titanium/Wolfram oder dergleichen, oder aus dotiertem Material, zum Beispiel dotiertem Poly-Silizium. Weiterhin können die leitenden Schichten 123 und 125 durch jedes geeignete Verfahren wie zum Beispiel Sputtern, Verdampfung, Gasphasenabscheidung oder dergleichen auf dem Substrat 101 vorgesehen werden.
Wenn die leitenden Schichten 123 und 125 auf dem Substrat 101 angeordnet sind, werden die leitenden Schichten 123 und 125 durch irgendein geeignetes Verfahren gemustert, wie dies vorstehend bezüglich der dielektrischen Schicht 121 beschrieben wurde. Ein Muster wird aus einem Maskiermaterial hergestellt, welches Abschnitte der leitenden Schicht 123 und 125 bedeckt und andere Abschnitte der leitenden Schichten 123 und 125 freilegt. Wenn die leitenden Schichten 123 und 125 mit dem Maskiermaterial gemustert sind, werden die freigelegten Abschnitte der leitenden Schichten 123 und 125 geätzt, wodurch die freigelegten Abschnitte der leitenden Schichten 123 und 125 entfernt und Abschnitte der dielektrischen Schicht 121 freigelegt werden.
Wie in 1 gezeigt, umfasst der leitende Abschnitt 164 einen leitenden Anschlussfleck ("bonding pad") 166, eine leitende Leitung 167 und einen oberen Anschluss für den VCSEL 103. Im Allgemeinen dient der leitende Anschlussfleck 166 als eine elektrische Verbindung, um eine externe Spannung an den oberen Anschluss des VCSEL 103 und einen gegenüberliegenden Anschluss der Diode 105 anzulegen. Von dem elektrischen Anschlussfleck 166 verbindet die leitende Leitung 167 den Stapel 119 des VCSEL 103 elektrisch mit dem Kontakt 145 des Stapels 109.
Der leitende Abschnitt 169 stellt einen externen Anschlussfleck für elektrische Verbindungen zum oberen Anschluss der Diode 105 (Abschnitt 171) bereit und verbindet den unteren Anschluss des VCSEL 103 (Abschnitte 161 und 163 und Stapel 109) elektrisch mit dem oberen Anschluss der Diode 105. Durch das elektrische Verbinden des leitenden Abschnittes 164 mit dem VCSEL 103 und mit dem Abschnitt 145 und durch das elektrische Verbinden des leitenden Abschnittes 169 mit den Abschnitten 159, 161, 163 und 171, wird die Diode 105 elektrisch entgegengesetzt parallel zu dem VCSEL 103 geschaltet. Dadurch, dass die Diode 105 entgegengesetzt parallel zu dem VCSEL 103 angeordnet wird, wird ein Rückwärtsvorspannungs-ESD-Schutz erreicht. Bei einem ESD-Ereignis wird bei einer Rückwärtsvorspannungs-Diode 105, die parallel zu dem VCSEL 103 geschaltet ist, die Ladung durch die Diode 105 in das Substrat 101 abgeleitet.
3 ist eine schematische Darstellung des VCSEL 103, der mit der Diode 105 verbunden ist. Der VCSEL 103 umfasst elektrische Anschlüsse 203 und 205 und die Diode 105 umfasst elektrische Anschlüsse 207 und 209. Es ist klar, dass die Diode 105 in einer Vielzahl von Ausführungsformen hergestellt werden kann, aber in der bevorzugten Ausführungsform ist die Diode 105 eine p-i-n-Diode. Weiterhin kann die Durchbruchspannung der Diode 105, in Abhängigkeit von den Materialien etc., relativ stark variieren, sollte aber mindestens ausreichen, um jedem erwarteten ESD-Ereignis standzuhalten und dieses zu entladen. Im Allgemeinen kann die Spanne der Durchbruchspannungen von zehntel Volt bis zu mehreren 100 Volt reichen. Der VCSEL 103 und die Diode 105 werden an den Kontakten 210 und 211 elektrisch verbunden. Durch das elektrische Verbinden des VCSEL 103 mit der Diode 105 wird der Rückwärtsvorspannungs-ESD-Schaden-Schwellwert des VCSEL 103 auf mindestens das Niveau des Vorwärtsvorspannung-ESD-Schaden-Schwellwertes angehoben, der typischerweise mindestens 100 bis 200 Volt höher liegt. Somit wird, aufgrund der sinkenden Wahrscheinlichkeit für katastrophale Störungen des VCSEL 103 durch ein ESD-Ereignis, die Zuverlässigkeit des VCSEL 103 erhöht.
Inzwischen sollte deutlich geworden sein, dass ein neuer Gegenstand und ein neues Herstellungsverfahren angegeben wurden. Es wurde ein oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator beschrieben, der eine höhere Zuverlässigkeit aufweist, und der eine verbesserte Leistung hat. Diese und andere Vorteile resultieren aus dem elektrischen Verbinden einer Diode mit einem oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Resonator. Weiterhin werden der VCSEL und die Schutzdiode während demselben Prozess gebildet, so dass keine zusätzlichen Schritte oder zusätzlicher Aufwand notwendig sind, und die Diode verwendet sehr wenig zusätzliche Chipfläche, so dass sie sehr preiswert mit dem VCSEL zu integrieren ist.
Während wir spezielle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben haben, sind für den Fachmann weitere Abwandlungen und Verbesserungen naheliegend. Deshalb wünschen wir, dass klar ist, dass diese Erfindung nicht auf die gezeigten besonderen Formen beschränkt ist, und wir beabsichtigen in den beigefügten Ansprüchen, alle Abwandlungen abzudecken, die nicht von dem Schutzumfang der Erfindung abweichen.

Claims

Oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator, der aufweist: ein Substrat (101); einen auf dem Substrat angeordneten ersten verteilten Bragg-Reflektor (109), wobei der erste verteilte Bragg-Reflektor eine Mehrzahl wechselnder Schichten umfasst; einen aktiven Bereich (111), der über dem ersten verteilten Bragg-Reflektor liegt; einen zweiten verteilten Bragg-Reflektor (119) mit einer Oberfläche, die über dem aktiven Bereich liegt, wobei der zweite verteilte Bragg-Reflektor eine Mehrzahl wechselnder Schichten umfasst; einen ersten Graben (131) mit einer ersten Breite und einer ersten Tiefe, wobei sich die erste Tiefe des ersten Grabens in einen Abschnitt des zweiten verteilten Bragg-Reflektors erstreckt und einen oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Resonator definiert; einen zweiten Graben (133) mit einer zweiten Breite und einer zweiten Tiefe, wobei sich die zweite Tiefe des zweiten Grabens in einen Abschnitt des Substrates erstreckt, und wobei der zweite Graben eine Diode (105) definiert und isoliert, die eine Diodenstruktur aufweist; und einen dritten Graben (135) mit einer dritten Breite und einer dritten Tiefe, die kleiner als die zweite Tiefe ist, wobei der dritte Graben innerhalb des zweiten Grabens angeordnet ist und sich bis zum Kontakt mit dem ersten verteilten Bragg-Reflektors derart erstreckt, dass ein waagerechter Abschnitt (145) des ersten verteilten Bragg-Reflektors benachbart zu dem aktiven Bereich in der Diodenstruktur freigelegt wird; einen vierten Graben (137) mit einer vierten Breite und einer vierten Tiefe, wobei sich die vierte Tiefe bis zum Kontakt mit dem ersten verteilten Bragg-Reflektor der Diodenstruktur derart erstreckt, dass ein Abschnitt (163) des ersten verteilten Bragg-Reflektors (109) freigelegt wird; eine dielektrische Schicht (121), welche die Oberfläche des zweiten Stapels der verteilten Bragg-Reflektoren abdeckt, wobei die dielektrische Schicht eine zu dem Bereich des ersten Grabens (131) benachbarte Öffnung (122) definiert, einen Abschnitt des zweiten verteilten Bragg-Reflektors (119) freilegt, den waagerechten Abschnitt (145) des ersten verteilten Bragg-Reflektors (109) der Diode in dem dritten Graben (135) benachbart zu dem aktiven Bereich (111) freilegt, und eine Öffnung (171) definiert, die einen Kontakt durch den zweiten verteilten Bragg-Reflektor (119) der Diode freilegt; und eine erste Metallschicht (123), die den freigelegten zu dem ersten Graben (131) benachbarten Abschnitt (157) des zweiten verteilten Bragg-Reflektors mit dem waagerechten Abschnitt (145) des ersten verteilten Bragg-Reflektors in dem dritten Graben elektrisch verbindet, und eine zweite Metallschicht (169), die die den freigelegten Abschnitt (163) des ersten Bragg-Reflektors in dem vierten Graben (137) mit dem freigelegten Teil des zweiten verteilten Bragg-Reflektors der Diode elektrisch verbindet.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers mit vertikalem Resonator mit Schutz vor elektrostatischer Entladung nach Anspruch 1, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Substrates (101); Aufbringen eines ersten verteilten Bragg-Reflektors (109) auf das Substrat, eines aktiven Bereichs (115) auf den ersten verteilten Bragg-Reflektor und eines zweiten verteilten Bragg-Reflektors (119) auf den aktiven Bereich; Ätzen von Gräben (131, 133) in den ersten verteilten Bragg-Reflektor, den aktiven Bereich, und den zweiten verteilten Bragg-Reflektor, um einen oberflächenemittierenden Laser (103) mit vertikalem Resonator und eine Diode (105) zu definieren, die von dem oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Resonator isoliert ist; Abdecken von freigelegten Oberflächen der Gräben und des zweiten verteilten Bragg-Reflektors mit einer dielektrischen Schicht (121); Definieren von Öffnungen in der dielektrischen Schicht, die in Verbindung mit gegenüberliegenden Anschlüssen des oberflächenemittierenden Lasers mit vertikalem Resonator und der Diode stehen; und Aufbringen einer Metallschicht (123) auf die dielektrische Schicht und in den Öffnungen, um die Diode entgegengesetzt parallel mit der oberflächenemittierenden Laserdiode mit vertikalem Resonator zu verbinden.