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Diese
Erfindung bezieht sich auf eine Mehrwellenlängen-Laserstruktur und insbesondere
auf eine Mehrwellenlängen-Laserarraystruktur,
die durch Laserstrukturen auf zwei unterschiedlichen Substraten
hergestellt ist.
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Adressierbare,
monolithische Mehrwellenlängen-Lichtquellen,
speziell Arrays, die gleichzeitig Lichtstrahlen unterschiedlicher
Wellenlängen
von unterschiedlichen Laserelementen in der monolithischen Struktur
abgeben können,
sind in einer Vielzahl Anwendungen nützlich, beispielsweise bei
Farbdruckern, digitaler Vollfarben-Filmaufzeichnung, Farbdisplays
und anderen optischen Aufzeichnungs- und Speichersystemanwendungen.
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Die
Leistung vieler Vorrichtungen, beispielsweise Laserdruckern und
optischer Speicher, kann durch die Einbeziehung von mehreren Laserstrahlen verbessert
werden. Beispielsweise können
Laserdrucker, die mehrere Strahlen verwenden, größere Druckgeschwindigkeiten
und/oder eine bessere Punktschärfe
haben, als Drucker, die nur einen einzigen Strahl verwenden.
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In
diesen und vielen Anwendungen sind eng benachbarte Laserstrahlen
unterschiedlicher Wellenlängen
erwünscht.
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Ein
Weg, eng beabstandete Laserstrahlen zu erhalten, besteht darin,
mehrere Laseremissionsorte oder Laserstreifen auf einem gemeinsamen
Substrat auszubilden. Während
dieses sehr eng beabstandete Strahlen ermöglicht, geben bekannte monolithische
Laserarrays typischerweise Laserstrahlen mit nur einer Wellenlänge ab.
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Im
Stand der Technik sind zahlreiche Lösungen bekannt, Laserstrahlen
unterschiedlicher Wellenlängen
mit einem monolithischen Laserarray zu erzeugen. Beispielsweise
ist es gut bekannt, dass eine kleine Wellenlängendifferenz erzielt werden kann,
indem man die Treiberzustände
in jedem Anregungsbereich variiert. Dieses ist zwar leicht erreichbar,
jedoch ist für
die meisten Anwendungsfälle
der kleine Wellenlängenunterschied
unzureichend.
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Für die meisten
gewünschten
Anwendungsfälle
sollten idealerweise die Laserelemente Licht unterschiedlicher,
weit beabstandeter Wellenlängen
abgeben. In einem bevorzugten monolithischen Aufbau würden die
Laserelemente Licht über
ein breit verteiltes Spektrum von infrarot über rot bis blau abgeben. Ein
Problem besteht darin, dass Laserquellen unterschiedlicher Wellenlängen unterschiedliche
aktive Lichtemissionsschichten benötigen, nämlich Nitridhalb leiterschichten,
wie InGaAlN für
blaue Laser, Arsenidhalbleiterschichten, wie AlInGaAs für infrarote und
Phosphidhalbleiterschichten, wie GaInP für rote Laser.
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Ein
Verfahren zum Erzielen dieser größeren Wellenlängendifferenzen
ist es, einen ersten Satz aktiver Schichten auf einem Substrat wachsen
zu lassen, um ein erstes laserndes Element zu bilden, das Licht
bei einer Wellenlänge
abgibt, und dann zu ätzen und
einen zweiten Satz aktiver Schichten nahe der ersten wieder wachsen
zu lassen, um ein zweites laserndes Element einer zweiten Wellenlänge zu bilden.
Dieses Verfahren erfordert jedoch gesonderte Kristallwachstumsvorgänge für jedes
lasernde Element, was nicht einfach ausgeführt werden kann. Weiterhin
verwenden die Arsenid- und Phosphid-Halbleiterstrukturen von Infrarot-
und Rot-Lasern ein Substrat, das sich von dem der Nitridhalbleiterstrukturen
blauer Laser unterscheidet und damit nicht kompatibel ist. Eine
Gitterfehlanpassung zwischen Halbleiterschichten führt zu einer
schwachen oder nicht vorhandenen Leistung einer oder mehrerer der
Laserstrukturen.
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Eine
weitere Technik zur Erzielung von Laserstrahlen unterschiedlicher
Wellenlängen
mit einem monolithischen Laserarray besteht darin, gestapelte aktive
Bereiche zu verwenden. Ein monolithisches Array mit gestapeltem
aktivem Bereich ist ein solches, bei dem mehrere aktive Bereiche
sandwichartig zwischen gemeinsamen Deckschichten angeordnet sind.
Jeder aktive Bereich besteht aus einem dünnen Volumen, das innerhalb
eines Laserstreifens enthalten ist. Die Laserstreifenenthalten unterschiedliche
Anzahlen aktiver Bereiche, die Laserstahlen unterschiedlicher Wellenlängen abgeben.
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In
einem monolithischen Laserarray mit gestapelten aktiven Bereichen
fließt
Strom nacheinander durch die gestapelten aktiven Bereiche. Der aktive
Bereich mit der niedrigsten Energielücke lasert, wodurch er die
Wellenlängen
des Laserstrahls bestimmt, der von diesem Teil des Arrays abgegeben wird.
Um die Abgabe einer weiteren Wellenlänge zu erzielen, wird der aktive
Bereich der zuvor niedrigsten Energielücke vom Teil des Array entfernt,
und Strom wird durch die verbliebenen gestapelten Bereiche gesandt.
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Ein
Hauptproblem monolithischer Laserarrays mit gestapelten aktiven
Bereichen besteht darin, dass sie schwierig herzustellen sind, selbst
sogar mit Arsenid- und Phosphidhalbleiterschichten. Die Hinzufügung von
Nitridhalbleiterschichten macht eine optische Leistung nahezu unmöglich und
in wirklichen Anwendungsfällen
unpraktikabel.
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Seite
an Seite befindliche Laserarrays können nicht nur eng beabstandete
Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen abgeben, die abgegebenen
Laserstrahlen sind vorteilhafterweise auch ausgerichtet.
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Die
Erfindung ist den Ansprüchen
1 und 6 angegeben. Zahlreiche Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einer
besonderen Ausführungsform dieser
Erfindung ist eine Seite an Seite ausgebildete Rot/Infrarot-Laserstruktur
auf einer Blau-Laserstruktur befestigt, um eine hybride, integrierte
Rot/Blau/Infrarot-Laserstruktur zu bilden. Laserarraystrukturen mit
Elementen unterschiedlicher Wellenlängen können durch das Verfahren von
Anspruch 6 in Halbleitermaterialsystemen hergestellt werden, die
für Ätz- und
Wiederwachstumsherstellungstechniken inkompatibel sind. Spezielle
Ausführungsformen
von Laserstrukturen gemäß dieser
Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen
beschrieben.
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1 ist eine Querschnittsseitenansicht
der Halbleiterschichten der Rot/Infrarot-Nebeneinander-Laserstruktur
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist eine geschnittene
Seitenansicht der Halbleiterschichten der Rot/Infrarot-Nebeneinander-Rippenwillenleiter-Laserstruktur
der vorliegenden Erfindung;
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3 ist eine geschnittene
Seitenansicht der Halbleiterschichten der Blau-Laserstruktur der vorliegenden
Erfindung;
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4 ist eine geschnittene
Seitenansicht der Halbleiterschichten der Blau-Rippenwellenleiter-Laserstruktur der
vorliegenden Erfindung;
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5 ist eine geschnittene
Seitenansicht der Lötperlen
auf den Kontaktflecken der Rot/Infrarot-Laserstruktur und der Blau-Laserstruktur
für das Flip-Chip-Bonden
der vorliegenden Erfindung;
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6 ist eine geschnittene
Seitenansicht der Halbleiterschichten der Rot/Infrarot-Nebeneinander-Laserstruktur
und der Blau-Laserstruktur vor dem Flip-Chip-Bonden der vorliegenden
Erfindung, und
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7 ist eine geschnittene
Seitenansicht der Halbleiterschichten der gestapelten Rot/Blau/Infrarot-Laserstruktur,
die durch Flip-Chip-Bonden der vorliegenden Erfindung hergestellt
ist.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst die Herstellung einer Rot/Infrarot-Nebeneinander-Laserstruktur,
die Herstellung einer Blau-Laserstruktur, das Umklappen der gestapelten
Rot/Infrarot- Laserstruktur
zum Flip-Chip-Bonden der Rot/Infrarot-Nebeneinander-Laserstruktur
auf die Blau-Laserstruktur
und das Bilden der resultierenden, integrierten Rot/Blau/Infrarot-Laserstruktur.
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Es
wird nun auf 1 Bezug
genommen, die eine Rot/Infrarot-Nebeneinander-Laserstruktur 100 gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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Wie
in 1 gezeigt, wird eine
untere Deckschicht 104 Al0,5In0,5P vom n-Typ auf einem GaAs-Substrat 102 vom
n-Typ aufwachsen gelassen unter Verwendung eines allgemein bekannten,
epitaxialen Abscheideprozesses, der üblicherweise als metallorganische
chemische Dampfabscheidung ("MOCVD") bezeichnet wird.
Andere Abscheideprozesse, wie Flüssigphaseepitaxie
("LPE"), Molekularstrahlepitaxie
("MBE") oder andere bekannte
Kristallwachsprozesse können
ebenfalls verwendet werden. Die Aluminiummolfraktion und der Dotierpegel
der unteren Deckschicht 104 liegen im Bereich von 50% bzw.
1 bis 5 × 1018 cmcm –3.
Die Dicke der AlInP-Deckschicht 104 beträgt etwa
1 μm. Der
Dotierpegel des GaAs-Substrats 102 vom n-Typ ist etwa 5 × 1018 cm-3 oder höher.
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Eine
untere Sperrschicht 106 aus undotiertem Al0,4Ga0,6As wird auf der Deckschicht 104 abgeschieden.
Die untere Sperrschicht 106 hat einen Aluminiumgehalt von
etwa 40% und eine Dicke von etwa 120 nm. Nachdem diese untere Sperrschicht 106 abgeschieden
worden ist, wird eine aktive Schicht 108 aus In0,15Al0,15Ga0,7As abgeschieden. Die aktive Schicht 108 sollte
Licht bei etwa 835 nm abgeben. Die aktive Schicht 108 kann
eine Einzelquantenquelle, eine Vielfachquantenquelle oder eine Schicht
mit einer Dicke sein, die größer als
die einer Quantenquelle ist. Die Dicke einer Quantenquelle liegt
typischerweise im Bereich zwischen 5 und 20 nm und ist in diesem
Beispiel 8 nm. Auf die aktive Schicht 108 wird eine obere
Sperrschicht 110 aus undotiertem Al0,4Ga0,6As abgeschieden. Der Aluminiumgehalt dieser
Sperrschicht 110 ist typischerweise 40%, ihre Dicke beträgt etwa
120 nm. Die unteren und oberen Sperrschichten 106 und 110 bilden
zusammen mit der aktiven Schicht 108 den aktiven Bereich 112 für eine Laserstruktur
mit einem niedrigeren Schwellenstrom und einer kleineren optischen
Streuung.
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Auf
die obere Sperrschicht 110 der InfraRot-Laserstruktur 120 wird
eine obere Deckschicht 114 aus Al0,5In0,5P von etwa 1 μm Dicke abgeschieden. Typischerweise
hat diese obere Deckschicht 114 einen Aluminiumgehalt von
50% und einen Magnesium-Dotierpegel von 5 × 1018 cm–3.
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Auf
die obere Deckschicht 114 aus Al0,5In0,5P vom p-Typ wird eine Sperrreduktionsschicht 116 aus Ga0,5In0,5P abgeschieden,
die typischerweise eine Dicke von 50 nm und einen Magnesium-Dotierpegel von etwa
5 × 1018 cm–3 hat. Auf diese Sperrreduktionsschicht 116 aus
GaInP wird eine p+-GaAs-Abdeckschicht 118 abgeschieden,
die typischerweise 100 nm dick ist und eine Magnesiumdotierung von
1 × 1019 cm–3 hat.
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Diese
Halbleiterschichten 102 bis 118 bilden die Infrarot-Laserstruktur 120.
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Die
Laserstruktur 100 von 1 mit
der epitaxial abgeschiedenen Infrarot-Laserstruktur 120 wird
dann mit einer Schicht (nicht gezeigt) aus einem Siliziumnitrid
(SiNx) oder Siliziumoxid (SiOx)
bedeckt. Streifenfenster werden dann in der Siliziumnitrid- oder
-oxidschicht durch Photolithographie und Plasmaätzung geöffnet. Die Streifenfenster
(nicht gezeigt) sind 300 μm
breit mit einem Abstand von 500 μm.
Chemische Nassätzung
mit Zitronensäure (C6H8O7:H2O):Wasserstoffperoxid (H2O2) und Bromsäure (HBr) wird dann eingesetzt,
um die Schichten der Infrarot-Laserstruktur 120 von der
Abdeckschicht 118, der Sperrreduktionsschicht 116,
der oberen Deckschicht 114, der oberen Sperrschicht 110,
der aktiven Schicht 108, der unteren Sperrschicht 106 und
der unteren Deckschicht 104 im Fensterbereich bis hinab
zum n-GaAs-Substrat 102 wegzuätzen. Die Rot-Laserstruktur
wird dann im Fensterbereich auf dem Substrat aufgewachsen. Sobald
die Rot-Laserstruktur abgeschieden worden ist, werden die Siliziumnitrid- oder -oxidschicht
auf der verbliebenen Infrarot-Laserstruktur 120 durch Plasmaätzung entfernt.
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Auf
dem GaAs-Substrat 102 vom n-Typ wird eine untere Deckschicht 124 aus
Al0,5In0,5P vom n-Typ abgeschieden.
Die Aluminiummolfraktion und der Dotierpegel der unteren Deckschicht 124 liegen im
Bereich von 50% bzw. 1 bis 5 × 1018 cm–3. Die Dicke der AlInP-Deckschicht 124 beträgt etwa
1 μm.
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Eine
untere Sperrschicht 126 aus undotiertem In0,5(Al0,6Ga0,4)0,5P wird auf die untere Deckschicht 124 abgeschieden.
Die untere Sperrschicht 126 hat einen Aluminiumgehalt von
etwa 30% und eine Dicke von etwa 120 nm. Nachdem diese untere Sperrschicht 126 abgeschieden
worden ist, wird eine aktive Schicht 128 aus In0,6Ga0,4P abgeschieden.
Die aktive Schicht 128 gibt Licht mit etwa 670 nm ab. Die aktive
Schicht 128 kann eine Einzelquantenquelle, eine Mehrfachquantenquelle
oder eine Schicht mit einer Dicke sein, die größer als die einer Quantenquelle
ist. Die Dicke einer Quantenquelle liegt typischerweise im Bereich
von 5 und 20 nm und beträgt
in diesem Falle 8 nm. Auf die aktive Schicht 128 wird eine obere
Sperrschicht 130 aus undotiertem In0,5(Al0,6Ga0,4)0,5P abgeschieden. Der Aluminiumgehalt dieser
Sperrschicht 130 ist typischerweise 30% und ihre Dicke
beträgt
etwa 120 nm. Die unteren und oberen Sperrschichten 126 und 130 bilden
zusammen mit der aktiven Schicht 128 einen aktiven Bereich 132 für eine Laserstruktur
mit einem niedrigeren Schwellenstrom und einer kleineren optischen
Divergenz.
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Auf
der oberen Sperrschichtschicht 130 in der roten Laserstruktur 140 ist
eine obere Al0,5In0,5P-Deckschicht 134 von
etwa 1 μm
Dicke abgeschieden. Typischerweise hat diese obere Deckschicht 134 einen
Aluminiumgehalt von 50% und einen Magnesiumdotierpegel von 5 × 1018 cm –3.
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Auf
der oberen Al0,5In0,5P-Deckschicht 134 vom
p-Typ ist eine Sperrreduktionsschicht 136 aus Ga0,5In0,5P abgeschieden,
die typischerweise eine Dicke von 15 nm und einen Magnesiumdotierpegel
von etwa 5 × 1018 cm–3 hat. Auf diese GaInP-Sperrreduktionsschicht 136 ist
eine p+-GaAs-Abdeckschicht 138 abgeschieden,
die typischerweise nm dick ist und eine Magnesiumdotierung von 1 × 1019 cm–3 hat.
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Diese
Halbleiterschichten 102 und 124 bis 138 bilden
die rote Laserstruktur 140.
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Die
Infrarot-Laserstruktur 120 und die Rot-Laserstruktur 140 haben
das gleiche Substrat 102. Die oberen und unteren Deckschichten
und die Sperrreduktions- und Abdeckschichten für die Infrarot-Laserstruktur 120 und
die Rot-Laserstruktur 140 sind die gleichen Halbleitermaterialien
mit gleichen Dicken und gleicher Dotierung oder Nicht-Dotierung. Da
die oberen und unteren Sperrschichten die aktiven Schichten der
Infrarot-Laserstruktur 120 und der Rot-Laserstruktur 140 gleiche
Dicke haben (obgleich aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien),
haben die aktiven Bereiche für
die Lichtabgabe der zwei Laserstrukturen 120 und 140 innerhalb
der Laserstruktur 100 die gleiche Höhe und liegen sie parallel.
In gleicher Weise sind die Elektrodenkontakte für die Infrarot-Laserstruktur 120 und
der Rot-Laserstruktur 140 auf den Deckschichten 118 und 138 gleich
hoch und parallel.
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Die
Infrarot-Laserstruktur 120 und die Rot-Laserstruktur 140 der
Nebeneinander-Laserstruktur 100 können genaue seitliche Abstände von 50 μm oder weniger
haben, mit einem vertikalen Null- oder Minimalabstand zwischen den
Nebeneinander-Laserstrukturen.
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Rippenwellenleiter
können
für die
Infrarot/Rot-Nebeneinander-Laserstruktur 100 in 2 hergestellt werden.
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Nachdem
alle Halbleiterschichten der in 1 gezeigten
Halbleiterstruktur 100 abgeschieden worden sind, wird eine
Schicht aus Siliziumnitrid (SiNx) oder Siliziumoxid
(SiO2) auf der Oberfläche der Abdeckschicht 118 der
Infrarot-Laserstruktur 120 und auf der Oberseite der Abdeckschicht 138 der
Rot-Laserstruktur 140 von 2 abgeschieden.
Doppelstreifen von 50 μm
Abstand werden auf die Abdeckschichten 118 und 138 aufgebracht,
wobei offene Fenster zwischen den Streifen verbleiben.
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Eine
gemischte Brom-Methanol-Lösung (Br:CH3OH) ätzt
durch die unmaskierten Abschnitte der Deckschicht 118 und
der Sperrreduktionsschicht 116 der Infrarot-Laserstruktur 120 und
hinterlässt eine
kleine Hochebene 150 der maskierten und daher ungeätzten Deckschicht 118 und
Sperrreduktionsschicht 116 zwischen den offenen Fensterrillen.
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Die
gemischte Brom-Methanol-Lösung (Br:CH3OH) ätzt
auch durch die unmaskierten Abschnitte der Deckschicht 138 und
der Sperrreduktionsschicht 136 der Rot-Laserstruktur 140 und
hinterlässt
eine kleine Hochebene 152 der maskierten und daher ungeätzten Deckschicht 138 und
Sperrreduktionsschicht 136 zwischen den offenen Fensterrillen.
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Phosphorsäure (H3PO4) ätzt dann
die unmaskierten Abschnitte der oberen, 1 μm dicken Al0,5In0,5P-Deckschicht 114 vom p-Typ zu
beiden Seiten der Hochebene 150 hinab zu einer 0,35 μm dicken
oberen Deckschicht 114 aus Al0,5In0,5P vom p-Typ über dem aktiven Bereich 112 der
Schichten 110, 108 und 106 unter Verwendung
einer zeit-abgestimmten Ätztechnik.
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Die
Phosphorsäure
(H3PO4) ätzt auch
die unmaskierten Abschnitte der oberen, 1 μm dicken Al0,5In0,5P-Deckschicht 134 vom p-Typ zu
beiden Seiten der Hochebene 152 hinab zu einer 0,35 μm dicken,
oberen Al0,5In0,5P-Deckschicht 134 vom
P-Typ über
dem aktiven Bereich 132 der Schichten 130, 128 und 126 unter
Verwendung einer zeit-abgestimmten Ätztechnik.
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Reaktives
Ionenätzen
kann anstelle einer chemischen Nassätzung verwendet werden.
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Nach
Abschluss des Ätzvorgangs,
wie in 2 gezeigt, werden
die Siliziumnitridstreifen entfernt.
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Die
verbleibende obere Al0,5In0,5P-Deckschicht 154 unter
der Hochebene 150 bildet den Rippenwellenleiter 156 für den optischen
Einschluss des vom aktiven Bereich der Infrarot-Laserstruktur 120 abgegebenen
Lichts.
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Die
verbliebene obere Al0,5In0,5P-Deckschicht 158 unter
der Hochebene 152 bildet den Rippenwellenleiter 160 für den optischen
Einschluss des vom aktiven Bereich der Rot-Laserstruktur 140 abgegebenen
Lichts.
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Eine
Isolationsrille 162 wird zwischen die Infrarot-Laserstruktur 120 und
die Rot-Laserstruktur 140 hinab zum Substrat 102 geätzt, um
eine elektrische und thermische Isolierung zwischen den zwei Laserstrukturen
zu schaffen, um ein Übersprechen zwischen
den zwei Laserstrukturen zu vermindern.
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Nach
der Entfernung der Siliziumnitridstreifen kann ein p-Kontakt 164 aus
Ti-Au auf der Oberseite der Abdeckschicht 118, der Kontaktschicht 116 und
der oberen Deckschicht 114 für die Infraot-Laserstruktur 120 abgeschieden
werden. Der Rippenwellenleiter 156 wird durch den metallischen
p-Kontakt 164 begrenzt. Ein p-Kontakt 166 aus
Ti-Au kann auf der Oberseite der Abdeckschicht 138, der
Kontaktschicht 136 und der oberen Deckschicht 134 für die Rot-Laserstruktur 140 abgeschieden
werden. Der Rippenwellenleiter 160 ist durch den metallischen p-Kontakt 166 begrenzt.
Ein n-Kontakt 168 aus Au:Ge kann auf der Unterseite des
Substrats 120 abgeschieden werden, das der Infrarot-Laserstruktur 120 und
der Rot-Laserstruktur 140 gemeinsam ist.
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Die
Infrarot-Laserstruktur 120 mit ihrem metallbegrenzten Rippenwellenleiter 156 und
die Rot-Laserstruktur 140 mit
ihrem metallbegrenzten Rippenwellenleiter 160 geben jeweils
eine einzelne Transversalmodus-Lichtemission ab.
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Die
Infrarot- und Rot-Laserstrukturen sind, obgleich eng nebeneinander
liegend, mit einer schnellen Umschaltung von weniger als 3 ns unabhängig voneinander
adressierbar.
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Die
Infrarot-Rot-Nebeneinander-Laserstruktur 100 von 2 ist ein Randemissionsarray.
Konventionelle Facetten (nicht dargestellt) sind am Rand der Laserstruktur 100 vorgesehen.
Die Infrarot-Laserstruktur 120 gibt Licht bei infraroter
Wellenlänge aus
dem aktiven Bereich 112 mit der aktiven Laserschicht 108 durch
den Rand der Laserstruktur ab. Die Rot-Laserstruktur 140 gibt
Licht mit roter Wellenlänge aus
dem aktiven Bereich 132 mit der aktiven Schicht 128 durch
den Rand der Laserstruktur ab.
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Es
wird nun auf 3 Bezug
genommen, die eine Blau-Laserstruktur 200 gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt.
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Die
Blau-Laserstruktur 200 hat ein Saphir-Substrat (Al2O3) 202.
Auf dem Substrat 102 ist eine undotierte GaN-Pufferschicht 204 abgeschieden,
die eine Dicke von 30 nm hat. Auf der undotierten Pufferschicht 204 ist
eine n-Gan-Pufferschicht 206 abgeschieden. Die n-Pufferschicht
ist mit 1 × 1018 cm–3 silizium-dotiert und
hat eine Dicke von 4 μm. Eine
n-In0,5GA0,95N-Belastungsreduktionsschicht 208 ist
auf der n-GaAs-Pufferschicht abgeschieden. Die InGaN-Belastungsreduktionsschicht 208 hat
eine Dicke von 0,1 μm
und einen Siliziumdotierungspegel von 1 × 1018 cm–3.
Auf der InGaN-Belastungsreduktionsschicht 208 ist eine
untere n-Al0,08Ga0,92N-Deckschicht 210 abgeschieden.
Die n-Abdeckschicht 210 ist mit 1 × 1018 cm–3 silizium-dotiert
und hat eine Dicke von 0,5 μm.
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Eine
n-GaN-Wellenleiterschicht 212 ist auf der unteren n-AlGaN-Abdeckschicht 210 abgeschieden.
Die GaN-Wellenleiterschicht 212 ist 0,1 μm dick und
ist mit 1 × 1018 cm–3 silizium-dotiert.
Eine aktive Mehrfachquantenquellenschicht 214 aus In0,15Ga0,85N/In0,02Ga0,98N ist auf
der Wellenleiterschicht 212 abgeschieden. Die aktive Mehrfachquantenquellenschicht 214 aus
In0,15Ga0,85N/In0,02Ga0,98N hat 3
bis 20 Quantenquellen und ist etwa 50 nm dick und gibt Licht bei
410 bis 430 nm ab. Eine p-Al0,2Ga0,8N-Trägersperrschicht 216 ist
auf der aktiven Schicht 214 abgeschieden. Die p-AlGaN-Trägersperrschicht 216 ist
mit 5 × 1019 cm–3 magnesium-dotiert
und hat eine Dicke von 0,02 μm.
Eine p-AlGaN-Wellenleiterschicht 218 ist auf der p-Al-GaN-Trägersperrschicht 216 abgeschieden.
Die GaN-Wellenleiterschicht 218 ist 0,1 μm dick und
ist mit 5 × 1019 cm–3 magnesium-dotiert.
Die Wellenleiterschichten 212 und 218 bilden zusammen
mit der Sperrschicht 216 und der aktiven Schicht 214 den
aktiven Bereich 219 der Laserstruktur.
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Eine
obere p-Al0,08Ga0,92N-Deckschicht 220 ist
auf der Wellenleiterschicht 218 abgeschieden. Die p-Deckschicht 220 ist
bis 5 × 1019 cm–3 magnesium-dotiert
und hat eine Dicke von 0,5 μm.
Eine p-GaN-Kontaktschicht 222 ist auf der p-Sperrschicht 220 abgeschieden.
Die Kontaktschicht 222 ist bis 5 × 1019 cm–3 magnesium-dotiert
und hat eine Dicke von 0,5 μm.
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Rippenwellenleiter
können
für die
Blau-Laserstruktur 200 von 4 hergestellt
werden.
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Nachdem
alle Halbleiterschichten der in 3 gezeigten
Halbleiterstruktur 200 abgeschieden worden sind, wird eine
Photoresistmaske auf der Oberseite der Kontaktschicht 222 der
Blau-Laserstruktur 200 abgeschieden.
Auf das Photoresist wird ein Streifenmuster aufgebracht, das einen
offenen Abschnitt 250 der Kontaktschicht 222 belässt. Chemisch
unterstütztes
Ionenstrahlätzen
("CAIBE") ätzt dann
den unmaskierten Abschnitt 250 der Kontaktschicht 222 durch
die Kontaktschicht 222, die obere p-Abdeckschicht 222,
die p-Wellenleiterschicht 218, p-Trägersperrschicht 216,
die aktive Mehrfachquantenquellenschicht 214, die n-Wellenleiterschicht 212, die
untere n-Deckschicht 210, die n-Belastungsreduktionsschicht 208 bis
zur Oberfläche 252 der n-GaAs-Pufferschicht 206.
Die Photoresistmaske wird dann entfernt.
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Dann
wird eine weitere Photoresistmaske auf der Oberseite der Kontaktschicht 222 und
der Oberseite 252 der freiliegenden n-Pufferschicht 206 der
Blau-Laserstruktur 200 abgeschieden. Doppelstreifen mit
50 μm Abstand
werden dann auf die Kontaktschicht 222 aufgebracht, wobei
offene Fenster zwischen den Streifen verbleiben.
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Chemisch
unterstütztes
Ionenstrahlätzen ätzt dann
durch die unmaskierten Abschnitte der Kontaktschicht 222 und
hinterlässt
eine kleine Hochebene 254 der maskierten und daher ungeätzten Kontaktschicht 222 zwischen
den offenen Fensterrillen.
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Chemisch
unterstütztes
Ionenstrahlätzen ätzt dann
weiter die unmaskierten Abschnitte der 0,5 μm dicken oberen Al0,08Ga0,92N-Sperrschicht 220 vom p-Typ
zu beiden Seiten der Hochebene 254 hinab zu einer 0,35 μm dicken
oberen Al0,08G0,92N-Deckschicht 220 vom
p-Typ über
dem aktiven Bereich 219 der Schichten 212, 214, 216 und 218 unter
Verwendung einer zeitabgestimmten Ätztechnik.
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Nach
Abschluss des Ätzvorgangs
wird die Photoresistmaske entfernt.
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Die
verbliebene obere Al0,08Ga0,92N-Deckschicht 220 vom
p-Typ unter der Hochebene 254 bildet den Rippenwellenleiter 256 für die optische
Begrenzung des Lichts, das von dem aktiven Bereich der Blau-Laserstruktur 200 abgegeben
wird.
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Nach
der Entfernung der Siliziumnitridstreifen kann ein Ti-Au-p-Kontakt 258 auf
der Oberseite der oberen Sperrschicht 220, dem Rippenwellenleiter 256 und
der Hochebene 254 der Kontaktschicht 222 für die Blau-Laserstruktur 200 abgeschieden
werden. Der Rippenwellenleiter 256 wird durch den metallischen
p-Kontakt 258 begrenzt. Ein Ti-Au-n-Kontakt 260 kann
auf der Oberseite 252 der n-GaAs-Pufferschicht 206 abgeschieden
werden.
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Die
Blau-Laserstruktur 200 mit ihrem metallbegrenzten Rippenwellenleiter 256 gibt
Licht in einem einzelnen Transversalmodus ab.
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Die
Blau-Laserstruktur 200 von 4 ist
ein am Rand emittierendes Array. Konventionelle Facetten (nicht
gezeigt) sind am Rand der Laserstruktur 200 vorgesehen.
Die Blau-Laserstruktur 200 gibt Licht mit blauer Wellenlänge aus
dem aktiven Bereich 219 mit der aktiven Schicht 214 durch
den Rand der Laserstruktur ab.
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Die
Infrarot/Rot-Nebeneinander-Rippenwellenleiterlaserstruktur 100 vom 2 wird in Flip-chip-Technik auf die Blau-Rippenwellenleiterlaserstruktur 200 von 4 gebondet, um eine integrierte
IR/Rot/Blau-Laserstruktur zu bilden.
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Das
Flip-Chip-Bonden umfasst das Zusammenlöten zweier Halbleiterstrukturen
Seite auf Seite zur Bildung einer einzigen Halbleiterstruktur. Typischerweise
werden Lötanschlüsse auf
Kontaktflächen
auf den Oberflächen
jeder Halbleiterstruktur ausgebildet. Eine Struktur oder "chip" wird "umgeklappt", um der anderen
Struktur oder "chip" gegenüber zu liegen.
Die Lötanschlüsse an beiden
Halbleiterstrukturen werden ausgerichtet und dann zusammengedrückt, während die
Strukturen erwärmt
werden. Die zwei Lötanschlüsse schmelzen
zu einem Lötanschluss
zusammen und verbinden die beiden Haltleiterstrukturen zu einer
integrierten Halbleiterstruktur. Die Oberflächenspannung des flüssigen Lötmetalls
zieht die zwei Laserstrukturen in eine sehr genaue Ausrichtung zusammen.
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Wie
in dem illustrativen Beispiel der 5 gezeigt,
sind zwei Kontaktflecken 300 und 302 für die Lötanschlüsse auf
der Oberfläche
der Al0,5In0,5P-Deckschichten 114 bzw. 134 vom
p-Typ der Rot/Infrarot-Laserstruktur 100 ausgebildet. Der Kontaktfleck 300 überlappt
den Rippenwellenleiter 156 und die obere Deckschicht 114 der
Infrarot-Laserstruktur 120. Der Kontaktfleck 302 überlappt
den Rippenwellenleiter 160 und die obere Deckeschicht 134 der
Rot-Laserstruktur 140.
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Die
Kontaktflecken werden durch Metallverdampfung aufeinanderfolgender
Metallschichten ausgebildet: eine 30 nm dicke Schicht aus Ti, eine
50 nm dicke Schicht aus Au, eine 30 nm dicke Schicht aus Ti und
eine 20 nm dicke Schicht aus Ni. Der Kontaktfleck 300 ist
physikalisch und elektrisch sowohl vom Rippenwellenleiter 150 als
auch vom p-Kontakt 164 der Infrarot-Laserstruktur 120 getrennt
und isoliert, die auch auf der Oberfläche der oberen Al0,5In0,5P-Deckschicht 114 vom p-Typ sind.
Der Kontaktfleck 302 ist physikalisch und elektrisch sowohl vom
Rippenwellenleiter 160 als auch vom p-Kontakt 166 der
Rot-Laserstruktur 140 getrennt und isoliert, die auch auf
der Oberfläche
der oberen Al0,5In0,5P-Deckschicht 134 vom
p-Typ sind.
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Eine
dielektrische SiON-Schicht 304 wird durch plasma-unterstützte chemische
Dampfabscheidung ("PECVD") oder durch Elektronenstrahlverdampfung
bei 275°C über den
Großteil
beider Kontaktflecken 300 und 302 abgeschieden.
Die dielektrische SiON-Schicht 304 soll als Lötstopp dienen und
außerdem
Kontaktflecken 300 und 302 von den p-Kontakten 164 und 166 elektrisch
isolieren. Die Ti/Au-Schichten der Kontaktflecken nächst der
oberen Deckschicht sind die ohm'schen
Standard-Laserkontaktmetalle. Die überlagernden Ti/Nl-Schichten der
Kontaktflecken erfüllen
die etwa widerstreitenden Forderungen, als geringe Kontaktwiderstandsgrenzfläche zwischen
der oberen Dünnfilmmetallisierungsdeckschicht
und 10 bis 20 μm
Pb/Sn-Lösanschlüssen zu
wirken und als eine Schicht gegen das Weglaufen von Lot zu dienen.
Weiterhin bildet Ni ein Oberflächenoxid,
das stabil genug ist, um eine gute SiON-Haftung sicherzustellen.
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Der
dielektrische Film 304 wird dann unter Verwendung gewöhnlicher
photolithographischer Prozeduren mit einem Muster versehen. Eine
Photoresistmaske (nicht gezeigt) wird auf die Rippenwellenleiter 156 und 160 und
die darunter liegenden Laserstreifen ausgerichtet und auf der Oberfläche der dielektrischen
SiON-Schicht 304 ausgebildet. Die unmaskierten Abschnitte
der dielektrischen SiON-Schicht 304 werden plasma-geätzt, um
Kontaktlöcher 306 und 308 von
50 bis 90 μm
Durchmesser zu bilden. Das Kontaktloch 306 wird durch den
dielektrischen Film 304 bis zum Kontaktfleck 300 hinab geätzt. Das
Kontaktloch 308 wird durch den dielektrischen Film 304 hindurch
bis zum Kontaktfleck 302 hinab geätzt. Dieser Ätzschritt
bestimmt die endgültige Ausrichtung
zwischen den zwei Laserhalbleiterstrukturen und bestimmt auch die
benetzbare Kontaktfleckfläche.
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Eine
20 nm dicke Sn-Schicht 310 wird durch das Kontaktloch 306 hindurch
auf dem Kontaktfleck 300 abgeschieden. Eine 20 nm dicke
Sn-Schicht 302 wird durch das Kontaktloch 308 auf
dem Kontaktfleck 302 abgeschieden.
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Eine
10 μm dicke
Photoresistschicht 314 wird dann auf der Oberfläche in einem
dreilagigen Muster abgeschieden, mit einem rückläufigen Profilloch 316,
das mit dem Kontaktloch 306 entwickelt und ausgerichtet
wird, und einem rückläufigen Profilloch 318,
das mit dem Kontaktloch 308 entwickelt und ausgerichtet
wird.
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Ein
PbSn-Lot wird in einem Elektronenstrahlverdampfer verdampft, und
das anschließende
Abheben führt
zu einer PbSn-Scheibe 320, die auf der Sn-Schicht 310 auf
dem Kontaktfleck 300 abgeschieden ist, und zu einer PbSn-Scheibe 322,
die auf der Sn-Schicht 312 auf dem Kontaktfleck 302 abgeschiedne
ist. Die 10 μm
dicken PbSn-Scheiben sind im Durchmesser leicht größer als
die benetzbaren Kontaktflecken 300 und 302. Das
Photoresist 314 wird dann entfernt.
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Die
Lotscheiben 320 und 322 werden unter Verwendung
von Flussmittel und Erwärmung
auf eine Temperatur auf 220°C
wieder verflüssigt,
um sie auf die benetzbaren Kontaktfleckenbereiche 300 bzw. 302 zurückzuziehen
und Lötanschlüsse 322 und 326 halbkugeliger
Gestalt zu bilden. Der Lötanschluss 322 ist
auf der Sn-Schicht 310 auf dem Kontaktfleck 300,
und der Lötfleck 326 ist
auf der Sn-Schicht 312 auf dem Kontaktfleck 302.
Die Sn-Schicht wird mit dem PbSn-Lot legiert, um eine gute elektrische
und mechanische Verbindung herzustellen.
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Die
Kontaktflecken und die Lötanschlüsse auf
der Blau-Laserstruktur 200 werden mit demselben Prozess
hergestellt. Eine dielektrische SiON-Schicht 354 bedeckt
den Großteil
beider Ti/Au/Ti/Ni-Kontaktflecken 350 und 352 auf
der Oberseite der oberen Sperrschicht 220 für die Blaustruktur 200.
Der Lötanschluss 358 ist
auf der Sn-Schicht 356 auf dem Kontaktfleck 350,
und der Lötanschluss 362 ist
auf der Sn-Schicht 360 auf dem Kontaktfleck 352.
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Die
Figuren und der Text zeigen eine Reihe Lötanschlüsse. Über die gesamte Fläche der
Laserstrukturen sind Reihen und Reihen aus Lötanschlüssen zur Bildung einer guten
mechanischen und elektrischen Verbindung zwischen den zwei Laserstrukturen.
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Die
Rot/Infrarot-Laserstruktur 100 mit ihren Lötanschlüssen 324 und 326 auf
Kontaktflecken 300 und 302 und die Blau-Laserstruktur 200 mit
ihrem Lötanschlüssen 358 und 362 auf
Kontaktflecken 350 und 352 werden mit Standardeinrichtungen
getrennt angerissen und gereinigt. Ein klebriges Flussmittel wird
auf die Oberfläche
der Lötanschlüsse auf
beiden Laserstrukturen aufgebracht.
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Wie
in 6 gezeigt, wird die
GaAs-Rot/Infrarot-Struktur 100 auf die Oberseite der InGaN/Saphir/Blau-Laserstruktur 200 mit
einer Positionierungsgenauigkeit von +/– 10 μm unter Verwendung eines Flip-Chip-Ausrichtungsbonders
umgeklappt. Die Lötanschlüsse 326 und 324 der
Rot/Infrarot-Laserstruktur 100 werden an den Lötanschlüssen 358 und 352 der
Blau-Laserstruktur 200 angebracht und vom Flussmittel am
Platz gehalten.
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Die
integrierte, hybride Rot/Blau/Infrarot-Laserstruktur 400 wird
wieder auf eine Temperatur von 220°C erwärmt. Während einer zweiten Wiederverflüssigung
werden die zwei Lötanschlüsse 326 und 358 zu
einem Lötanschluss 402,
und die zwei Lötanschlüsse 324 und 352 werden
zu einem Lötanschluss 404,
die die zwei getrennten Laserstrukturen 100 und 200 zu
einer integrierten Laserstruktur 400 in Flip-Chip-Technik
miteinander verbinden, wie in 7 gezeigt.
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Während dieses
Verbindungsprozesses werden die Rot/Infrarot-Laserstruktur und die
Blau-Laserstruktur in eine sehr genaue Ausrichtung durch die selbstausrichtende
Oberflächenspannung
zwischen den Pb/Sn-Lötanschlüssen zusammengezogen.
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Die
Blau-Laserrippe 256 wird in der Mitte zwischen der Rot-Laserrippe 160 und
der Infrarot-Laserrippe 156 angeordnet, um einen engen
Abstand in Querrichtung zu erzielen. Dieser Abstand in der vertikalen
Richtung hängt
von der Anschlussgröße ab; für Lotanschlusshalbkügelchen
mit exakt 50, 70 und 90 μm
Durchmesser sind die Chipabstände
30, 40 bzw. 50 μm.
Dadurch, dass hybride Verbindungsschema nur geringes thermisches Übersprechen zwischen
den blauen und den Rot/Infrarot-Lasern vorhanden ist, ist der Querabstand
im Wesentlichen durch den Abstand zwischen dem Rot-Laser und dem
Infrarot-Laser begrenzt. Wenn der Abstand zwischen dem Rot-Laser
und dem Infrarot-Laser 20 μm ist,
dann ist der Abstand zwischen dem Blau-Laser und dem Rot-Laser (oder
dem Infrarot-Laser) nur 10 μm.
Der Abstand in der vertikalen Richtung hängt von dem Anschlussdurchmesser
ab. In manchen Anwendungen, wie beispielsweise ei nem Druckkopf,
kann der Vertikalabstand praktisch null sein wegen einer elektronisch
einstellbaren Verzögerung
in den Rot/Infrarot-Lasern. Der enge Abstand ist für Hochgeschwindigkeits- und hoch auflösende Drucker
vorteilhaft.
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Das
Flip-Chip-Bonden bildet eine angepasst, gitterfreie Heterostruktur,
die hybride, integrierte Laserstruktur 400 in dieser Ausführungform.
Diese Integration der Rot/Blau/Infrarot-Laserstruktur 400 bildet eine
eng beabstandete, präzis
beabstandete Struktur der drei unterschiedlichen Laserquellen weit
beabstandeter Wellenlängen,
die für
optische Präzisionssysteme
notwendig ist.
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Zusammenfassend
pflastert die Verwendung der Flip-Chip-Bondtechniken den Weg für Mehrfachwellenlängen-Halbleiterlaser,
die in Materialsystemen hergestellt werden, die für Ätz- und
Wiederaufwachstechniken unverträglich
sind. Solche Mehrfachwellenlängenvorrichtungen
haben interessante Anwendungsmöglichkeiten
beim hochschnellen und hochauflösenden
Abdrucken oder Abtasten.