EP1468476A1 - Laserdiode mit vertikalresonator und verfahren zu siener herstellung - Google Patents

Laserdiode mit vertikalresonator und verfahren zu siener herstellung

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EP1468476A1
EP1468476A1 EP02706656A EP02706656A EP1468476A1 EP 1468476 A1 EP1468476 A1 EP 1468476A1 EP 02706656 A EP02706656 A EP 02706656A EP 02706656 A EP02706656 A EP 02706656A EP 1468476 A1 EP1468476 A1 EP 1468476A1
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EP
European Patent Office
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layer
laser diode
antioxidation
diode according
layers
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02706656A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Gunther Steinle
Hans-Dietrich Wolf
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Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies AG filed Critical Infineon Technologies AG
Publication of EP1468476A1 publication Critical patent/EP1468476A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01S5/18313—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement using selective oxidation by oxidizing at least one of the DBR layers
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    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/2054—Methods of obtaining the confinement
    • H01S5/2081—Methods of obtaining the confinement using special etching techniques
    • H01S5/209—Methods of obtaining the confinement using special etching techniques special etch stop layers

Definitions

  • the invention relates to a laser diode according to the preamble of claim 1 and a method for its production according to the preamble of claim 11.
  • VCSEL vertical cavity emitting laser
  • edge-emitting laser light is amplified transversely to a layer structure in a VCSEL, an active layer being arranged between mirror layers arranged vertically one above the other.
  • VCSELs are usually produced by etching a single or a multiple mesa structure with subsequent wet-thermal oxidation. For some layers, selective oxidation takes place in a targeted manner around a defined current path
  • the mirror layers (Bragg reflectors) above and below the active layer sometimes have a high aluminum content in order to achieve good reflection properties.
  • These mirror layers with a high aluminum content are involuntarily oxidized during the production of the necessary oxide layers (eg stropore fabric). This undesirable oxidation is disadvantageous because a conversion of the semiconductor material into an oxide causes local stresses due to the volume changes in the material.
  • the intentionally oxidized layers were previously made very thin (between 15 and 30 nm).
  • the unintentionally oxidized layers cannot be made arbitrarily thin, since a certain thickness (for example ⁇ / 4n) is required for optimal reflection properties.
  • a thickness of approx. 70nm should be available. Since VCSEL structures typically have between 60 and 70 pairs of mirrors, up to 70 layers with a high aluminum content are inadvertently oxidized, which leads to considerable tension in the outer area of the etched mesa.
  • the present invention has for its object to provide a laser diode with a vertical resonator, in which the tensions are reduced by unintentional oxidation.
  • At least one antioxidation layer made of a III-V semiconductor material with a molar aluminum content of less than 0.7 is arranged between mirror layers of a vertical resonator and / or at least one antioxidation layer made of a III-V semiconductor material with a optical thickness of at least two quarter wavelengths is arranged. This creates a layer with a reduced oxidation rate and / or ensures a controlled etching on a layer with a lower oxidation rate.
  • Both the setting of the aluminum content and the choice of the thickness of the antioxidation layer can be used together or individually to bring about a reduced oxidation rate.
  • the low molar aluminum content lowers the tendency to oxidize the antioxidant layer. This minimizes local tension caused by the increase in volume in the material. The reduction in local stresses improves the reliability of the laser diode. Also will improves the defect concentration in the area of the active layer by reducing the oxide-semiconductor interfaces.
  • Another advantage of the antioxidation layer is the improved adhesion of dielectric layers or polymer layers and a simplified further etching after an oxidation, since little or no oxide has to be removed.
  • an antioxidant layer consists of Al x Ga ⁇ - x As or In y Al x Ga ⁇ - x -yAs ⁇ - z P z .
  • the quintary material forms, for example, a chemical etch stop layer.
  • the thickness of the antioxidation layer is advantageously not important in this.
  • At least one antioxidation layer is arranged above an active layer and / or if at least one antioxidation layer is arranged below an active layer. If the antioxidation layer is arranged above the active layer, this is not impaired in an oxidation step. If the antioxidant layer is located below the active layer one, e.g. current aperture produced by selective oxidation, which is arranged above the active layer, lie close to the active layer.
  • an antioxidation layer and an active layer are arranged in a layer structure without the interposition of a further layer.
  • the antioxidation layer advantageously has an optical thickness of at least two quarter wavelengths. It is particularly advantageous if at least one antioxidation layer is designed as an etch stop and / or etch outlet layer.
  • At least one antioxidant layer is at least partially absorption modulation can be minimized.
  • a further reduction in the local tension in the material can be achieved if at least one mirror layer, which is arranged in particular in the vicinity of an active layer, has a molar aluminum content of less than 0.9. This means that this mirror layer is less oxidized.
  • the object is also achieved by a method according to the preamble of claim 11.
  • a low-stress laser diode is obtained if at least one antioxidation layer made of a III-V semiconductor material with a molar aluminum content of less than 0.7 and / or at least one antioxidation layer made of a III-V semiconductor material with a between the mirror layers optical thickness of at least two quarter wavelengths is arranged.
  • an antioxidation layer made of Al x Ga ⁇ _ x As or a chemically selective etching stop layer, in particular InyAlxGai_ x . y As 1 . 2 P 2 installed.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of a laser diode with a vertical resonator according to the prior art.
  • 2 shows a schematic sectional view of a first embodiment of the laser diode according to the invention with a vertical resonator;
  • FIG. 3 shows a schematic sectional view of a second embodiment of the laser diode according to the invention with vertical resonator #
  • FIG. 1 shows a sectional view through a known laser diode with a vertical resonator.
  • the function of such VCSEL is known in principle (e.g. Jewell et al., Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser: Design, Growth, Fabrication, Characterization; IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 27, No. 6, June 1991; pp. 1332ff ; SO Kasap, Optoelectronics and Photonics, Principles and Practices, Pretice-Hall, 2001), so that only the relationships essential to the invention are described in this description.
  • the active layer can be arranged both in the upper, small mesa A (cf. FIG. 2) or in the lower, larger mesa B (cf. FIG. 3); for the sake of simplicity, the active layer is not shown in FIG. 1.
  • the layer stack of the VCSEL has a current aperture 10, which is arranged here in the upper mesa A.
  • the current flow S with the increased current density in the area of the current aperture 10 is indicated by arrows.
  • the current aperture 10 is formed by an intentionally oxidized layer with a high oxidation rate.
  • mirror layers are arranged which have a high molar aluminum content.
  • etched through mirror layers with a high aluminum content are unintentionally oxidized on the side, the oxidized regions 11 in
  • Fig. 1 are shown as an example. Through this inadvertent Oxidations lead to local tension in the outer area of the etched mesa.
  • the VCSEL should be designed as a top emitter, i.e. the laser radiation leaves the layer stack at the upper edge.
  • bottom emitters are also possible.
  • FIG. 2 shows a first embodiment of the laser diode according to the invention, which is intended to avoid these tensions.
  • At least one antioxidation layer 1 is arranged below an active layer 2. In the second embodiment according to FIG. 3, this is exactly the opposite.
  • an intermediate layer (here mirror layer 5) is arranged between antioxidation layer 1 and active layer 2, so that the two layers do not adjoin one another directly.
  • the antioxidation layer 1 is formed here from Al ⁇ Ga! - x s.
  • the molar aluminum fraction is referred to here as x.
  • III-V material systems can be used, in particular binary, ternary or quaternary (eg In-GaAlAs) or quintary (eg In y l ⁇ Ga ⁇ - x - y As ⁇ - z P z ) material systems can be used. In these systems the molar
  • the antioxidation layer 1 has a negligible oxidizability, ie the oxidized layer is only a few nanometers thick, so that the oxide which is nevertheless formed by physical processes (eg sputtering) or chemical processes is removable without affecting the rest of the structure.
  • the antioxidation layer 1 has a molar aluminum content of less than 0.7.
  • the aluminum content can be chosen to be so small that just little or no absorption occurs at the layer.
  • antioxidant layers 1 according to the invention with aluminum fractions of less than 0.3, in particular also with aluminum fractions in the range between 0.2 and 0.10. These examples apply to a wavelength of 850nm.
  • the aim is to choose a small amount of aluminum in order to obtain the best possible antioxidant effect.
  • Al x Ga ⁇ _ x As it is advantageous if the wavelength of the laser diode and the molar aluminum portion of the antioxidant layer are functionally linked by the following general relation:
  • the molar aluminum content in each case the case is functionally linked to the wavelength of the laser diode.
  • the functional relationships are either known or can be determined in a targeted manner.
  • the antioxidation layer 1 has a sufficient optical thickness, this thickness being at least two quarter-wave lengths.
  • the thickness of the antioxidation layer is adapted to the properties of the etching process used, in particular the uniformity of the process, so that the etching can be stopped safely in the area of the antioxidation layer 1 or the etching can run out in the antioxidation layer 1.
  • the thickness of the antioxidation layer 1 also ensures a distance between strained oxidized layers and the active layer 2.
  • an antioxidation layer 1 prevents the formation of larger interface areas between the oxide material and the semiconductor material above and / or below the active layer 2. Defects of the interface areas could be induced in the active area during operation of the laser diode.
  • mirror layers 5 with a reduced oxidation rate are arranged in the vicinity of the active layer 2 (Al x Ga ⁇ _ x As, with x ⁇ 0.9) in order to reduce the local stresses.
  • the reduced aluminum content results in less oxide volume, which leads to a reduction in tension.
  • the antioxidation layer 1 is modulation-doped, ie the areas in which the standing wave intensity in the vertical resonator is maximum, have a lower doping. The doping in areas of minimal standing wave intensity is increased.
  • a p-contact 4 is arranged on the top of the small mesa A, laser light being able to emerge in an uncovered area (top emitter).
  • the second embodiment which is shown in FIG. 3, differs primarily in that the antioxidation layer 1 is arranged above the active layer 2. As in the first embodiment, an intermediate layer (here mirror layer 5) is provided between the antioxidation layer 1 and the active layer 2. Alternatively, no or more intermediate layers can also be provided.
  • the second embodiment also has mirror layers 5 (Al x Ga ⁇ - x As, with x ⁇ 0.9) with a reduced oxidation rate in the vicinity of the active layer 2 in order to reduce the local stresses.
  • the antioxidation layer can also be modulation-doped here.
  • the oxidation is carried out immediately after the first mesa etching in order to avoid oxidation below the layers to be oxidized intentionally (e.g. current aperture).
  • an antioxidation layer 1 is shown in each of the two embodiments. In principle, several such layers can also be used in a layer structure. In principle, an antioxidation layer 1 can also be arranged above a current aperture layer 10, wherein after the etching, the exposed layers and etching flanks can be protected against oxidation by means of a suitable covering layer by subsequent process steps.
  • a preferred material for the cover layer is, for example, CVD-SiN x .
  • the embodiment of the invention is not limited to the preferred exemplary embodiments specified above. Rather, a number of variants are conceivable which make use of the laser diode according to the invention and the method for its production, even in the case of fundamentally different types.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laserdiode mit einem Vertikalresonator und ein Verfahren zu deren Herstellung, bei dem zwischen Spiegelschichten mindestens eine aktive Schicht (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Spiegelschichten (3) mindestens eine Antioxidationsschicht (1) aus einem III-V-Halbleitermaterial mit einem molaren Aluminium-Anteil von weniger als 0,7 und/oder mindestens eine Antioxidationschict (1) aus einem III-V-Halbleitermaterial mit einer optischen Dicke von mindestens zwei Viertelwellenlängen angeordnet ist, wodurch Verspannungen durch unbeabsichtigte Osication vermieden werden.

Description

Beschreibung
Laserdiode mit Vertikalresonator und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft eine Laserdiode nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu deren Herstellung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
Laserdioden mit einem Vertikalresonator sind als VCSEL (Ver- tical cavity emitting laser) bekannt. Im Gegensatz zu einem kantenemittierenden Laser wird bei einem VCSEL Licht quer zur einer Schichtenstruktur verstärkt, wobei eine aktive Schicht zwischen vertikal übereinander angeordneten Spiegelschichten angeordnet ist .
VCSEL werden meist durch Ätzung einer einfachen oder einer mehrfachen Mesastruktur mit anschließender feucht-thermischer Oxidation hergestellt. Eine selektive Oxidation erfolgt für einige Schichten gezielt, um einen definierten Strompfad
(Stromapertur) und eine bestimmte Indexführung zu erzeugen. Beispielsweise ist es aus der US-A 5,262,360 bekannt, AlxGaι-xAs Schichten (mit x>0,7) gezielt zu oxidieren, wobei der Aluminium-Anteil der Schichten sehr hoch ist .
Die Spiegelschichten (Bragg-Reflektoren) oberhalb und unterhalb der aktiven Schicht weisen teilweise einen hohen Aluminium-Anteil auf, um gute Reflexionseigenschaften zu erzielen. Bei der Herstellung der notwendigen Oxidschichten (z.B. Stro- mapertur) werden diese Spiegelschichten mit hohen Aluminiumgehalt unfreiwillig oxidiert . Diese unerwünschte Oxidation ist nachteilig, da eine Umwandlung des Halbleitermaterials in ein Oxid aufgrund der Volumenänderungen im Material lokale Verspannungen hervorruft . Zur Vermeidung dieser Probleme wur- den die absichtlich oxidierten Schichten bisher sehr dünn (zwischen 15 und 30nm) ausgeführt. Die unabsichtlich oxidierten Schichten können jedoch nicht beliebig dünn gemacht werden, da eine bestimmte Dicke (z.B. λ / 4n) für optimale Reflexionseigenschaften erforderlich ist. Bei einer Emissionswellenlänge von λ=850nm und einem Brechungsindex von ca. n=3, sollte eine Dicke von ca. 70nm vorliegen. Da VCSEL-Strukturen typischerweise zwischen 60 und 70 Spiegelpaare aufweisen, werden bis zu 70 Schichten mit hohem Aluminium-Anteilen unabsichtlich oxidiert, was zu erheblichen Verspannungen im Außenbereich der geätzten Mesa führt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laserdiode mit einem Vertikalresonator zu schaffen, bei der die Verspannungen durch unbeabsichtigte Oxidation verringert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Laserdiode mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelost .
Dadurch, dass zwischen Spiegelschichten eines Vertikalresona- tors mindestens eine Antioxidationsschicht aus einem III-V- Halbleitermaterial mit einem molaren Aluminium-Anteil von weniger als 0,7 angeordnet ist und / oder mindestens eine Anti- oxidationschicht aus einem III-V-Halbleitermaterial mit einer optischen Dicke von mindestens zwei Viertelwellenlängen ange- ordnet ist. Damit wird eine Schicht mit einer verringerten Oxidationsrate geschaffen und / oder eine kontrollierte Ätzung auf eine Schicht mit einer geringeren Oxidationsrate gesichert. Sowohl die Einstellung des Aluminium-Gehaltes als auch die Wahl der Dicke der Antioxidationsschicht können zu- sammen oder einzelnen dazu dienen, eine verringerte Oxidationsrate zu bewirken.
Der geringe molare Aluminium-Anteil senkt die Oxidationsnei- gung der Antioxidationsschicht. Dadurch werden lokale Ver- Spannungen durch die Zunahme des Volumens im Material minimiert. Die Verringerung der lokalen Verspannungen bewirkt eine Verbesserung der Zuverlässigkeit der Laserdiode. Auch wird die Defektkonzentration im Bereich der aktiven Schicht durch die Verringerung der Oxid-Halbleitergrenzflächen verbessert .
Ein weiterer Vorteil der Antioxidationsschicht ist die ver- besserte Haftung von dielektrischen Schichten oder Polymer- Schichten und eine vereinfachte Weiterätzung nach einer Oxidation, da nur wenig oder gar kein Oxid entfernt werden muss.
Vorteilhaft ist es, wenn eine Antioxidationsschicht aus AlxGaι-xAs oder Iny AIxGaι-x-yAsι-zPz besteht . Das quintäre Material bildet z.B. eine chemische Ätzstoppschicht. Vorteilhafterweise kommt es in diesem auf die Dicke der Antioxidationsschicht nicht an.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn mindestens eine Antioxidationsschicht oberhalb einer aktiven Schicht und / oder wenn mindestens eine Antioxidationsschicht unterhalb einer aktiven Schicht angeordnet ist . Wird die Antioxidationsschicht oberhalb der aktiven Schicht angeordnet, so wird diese bei einem Oxidationsschritt nicht beeinträchtigt. Wenn die Antioxidationsschicht unterhalb der aktiven Schicht angeordnet ist kann eine, z.B. durch selektive Oxidation hergestellte, Stromapertur, die oberhalb der aktiven Schicht angeordnet ist, dicht an der aktiven Schicht liegen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungs- gemäßen Laserdiode sind eine Antioxidationsschicht und eine aktive Schicht ohne Zwischenschaltung einer weiteren Schicht in einer Schichtenstruktur angeordnet.
Mit Vorteil weist die Antioxidationsschicht eine optische Dicke von mindestens zwei Viertelwellenlängen auf. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn mindestens eine Antioxidationsschicht als Ätzstopp- und / oder Ätzauslaufschicht ausge- bildet ist.
Wenn mindestens eine Antioxidationsschicht mindestens teil- weise modulationsdotiert ist, können Absorptionsverluste minimiert werden.
Eine weitere Absenkung der lokalen Verspannungen im Material lässt sich erreichen, wenn mindestens eine Spiegelschicht, die insbesondere in der Nähe einer aktiven Schicht angeordnet ist, einen molaren Aluminium-Anteil von weniger als 0,9 aufweist. Damit wird diese Spiegelschicht geringer oxidiert .
Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11 gelöst.
Eine verspannungsarme Laserdiode wird dadurch erhalten, wenn zwischen den Spiegelschichten mindestens eine Antioxidations- schicht aus einem III-V-Halbleitermaterial mit einem molaren Aluminium- nteil von weniger als 0,7 und / oder mindestens eine Antioxidationschicht aus einem III-V-Halbleitermaterial mit einer optischen Dicke von mindestens zwei Viertelwellenlängen angeordnet wird.
Bei Verwendung einer Schicht der angegebenen optischen Dicke ist es vorteilhaft, dass nach der Durchätzung der Spiegel- schichten an der Antioxidationsschicht eine deutliche Änderung im Brechungsindex eintritt, die im Prozess gut zu erken- nen ist, so dass der Prozess besser steuerbar ist.
Bei einem vorteilhaften Verfahren wird eine Antioxidationsschicht aus AlxGaι_xAs oder einer chemisch selektiven Ätzstoppschicht, insbesondere InyAlxGai_x.yAs1.2P2 eingebaut .
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer Laserdiode mit Vertikalresonator nach dem Stand der Technik; Fig. 2 eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserdiode mit Vertikalresonator;
Fig. 3 eine schematische Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserdiode mit Vertikalresonator#
In Fig. 1 ist eine Schnittansicht durch eine an sich bekannte Laserdiode mit Vertikalresonator dargestellt. Die Funktion solcher VCSEL ist grundsätzlich bekannt (z.B. Jewell et al . , Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser: Design, Growth, Fabrication, Characterisation; IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 27, No. 6, June 1991; S. 1332ff; S.O. Kasap, Op- toelectronics and Photonics, Principles and Practices, Pren- tice-Hall, 2001), so dass in dieser Beschreibung nur die für die Erfindung wesentlichen Zusammenhänge beschrieben werden.
Bei einem VCSEL kann die aktive Schicht sowohl in der oberen, kleinen Mesa A (vgl. Fig. 2) oder der unteren, größeren Mesa B (vgl. Fig. 3) angeordnet sein; aus Gründen der Einfachheit ist die aktive Schicht in Fig. 1 nicht dargestellt.
Der Schichtenstapel des VCSEL weist eine Stromapertur 10 auf, die hier in der oberen Mesa A angeordnet ist. Der Stromfluss S mit der erhöhten Stromdichte im Bereich der Stromapertur 10 ist durch Pfeile angedeutet. Die Stromapertur 10 wird durch eine absichtlich oxidierte Schicht mit hoher Oxidationsrate gebildet .
Oberhalb und unterhalb der Schicht mit der Stromapertur 10 sind Spiegelschichten angeordnet, die einen hohen molaren A- luminium-Anteil aufweisen. Dabei werden durchgeätzte Spiegel- schichten mit einem hohen Aluminium-Anteil seitlich, unab- sichtlich anoxidiert, wobei die anoxidierten Bereiche 11 in
Fig. 1 beispielhaft dargestellt sind. Durch diese unbeabsich- tigten Oxidationen kommt es zu lokalen Verspannungen im Außenbereich der geätzten Mesa.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Struktur soll der VCSEL als Top-Emitter ausgebildet sein, d.h. die Laserstrahlung ver- lässt den Schichtenstapel am oberen Rand. Alternativ sind auch Bottom-Emitter möglich.
In Fig. 2 wird eine erste Ausführungsform der erfindungsgemä- ßen Laserdiode dargestellt, die diese Verspannungen vermeiden soll .
Dabei wird mindestens eine Antioxidationsschicht 1 unterhalb einer aktiven Schicht 2 angeordnet . In der zweiten Ausfüh- rungsform nach Fig. 3 ist dies genau umgekehrt.
Im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist zwischen Antioxidationsschicht 1 und aktiver Schicht 2 eine Zwischenschicht (hier Spiegelschicht 5) angeordnet, so dass die bei- den Schichten nicht unmittelbar aneinandergrenzen. Alternativ ist es aber auch möglich zwischen der Antioxidationsschicht 1 und der aktiven Schicht 2 keine oder mehrere andere Schichten (z.B. Spiegelschichten) anzuordnen.
Die Antioxidationsschicht 1 ist hier aus AlχGa!-x s gebildet. Der molare Aluminium-Anteil wird hier mit x bezeichnet. Alternativ können andere III-V-Materialsysteme verwendet werden, insbesondere binäre, ternäre oder quaternäre (z.B. In- GaAlAs) oder quintäre (z.B. Iny lχGaι-x-yAsι-zPz ) Materialsys- teme verwendet werden. Bei diesen Systemem wird der molare
Aluminium-Gehalt in analoger Weise zu dem obigen ternären System angegeben.
Die Antioxidationsschicht 1 weist eine vernachlässigbare Oxi- dierbarkeit auf, d.h. die oxidierte Schicht ist nur wenige Nanometer dick, so dass das dennoch entstandene Oxid durch physikalische Prozesse (z.B. Sputtern) oder chemische Prozes- se entfernbar ist, ohne die restliche Struktur zu beeinträchtigen. Dabei weist die Antioxidationsschicht 1 erfindungsgemäß einen molaren Aluminium-Anteil von weniger als 0,7 auf. Der Aluminium-Anteil kann dabei so klein gewählt werden, dass gerade keine oder nur geringe Absorption an der Schicht eintritt.
Dieser Effekt wurde auch bei erfindungsgemäßen Antioxidati- onsschichten 1 mit Aluminium-Anteilen von weniger als 0,3, insbesondere auch bei Aluminium-Anteilen im Bereich zwischen 0,2 und 0,10 gefunden. Diese Beispiele gelten für eine Wellenlänge von 850nm.
Grundsätzlich ist man bestrebt den Aluminium-Anteil klein zu wählen, um eine möglichst gute Antioxidationswirkung zu erhalten. Vorteilhaft ist es bei AlxGaι_xAs, wenn die Wellenlänge der Laserdiode und der molare Aluminium-Anteil der Antioxidationsschicht durch folgende allgemeine Relation funktio- nell verknüpft sind:
0 < x <= 0,45: λ(μm) > 1,24 /(1,424 + 1,247 x)
0,45 < x < 0,7: λ(μm) > 1,24/ (1,9 + 0,125 x + 0,143 x2)
Diese Relationen sind problemlos in eine funktionelle Abhän- gigkeit des Anteils x von der Wellenlänge λ umrechenbar, da in der Regel die Wellenlänge vorgegeben ist. Allerdings muss für die praktische Anwendung dieser Relation noch ein Zuschlag zu dem Aluminium-Anteil gemacht werden. Für AlxGaι-xAs gelangt man dann in den oben genannten Bereich des Aluminium- Anteils von 0,2 bis 0,1.
Auch wenn die Oxidationsneigung mit fallendem Aluminiumgehalt sinkt, so ist gerade der letzte Bereich vorteilhaft, da dies aufgrund der Wellenlängentransparenz eine untere Grenze für eine Funktion darstellt.
Der Fachmann erkennt, dass der molare Aluminium-Anteil in je- dem Fall mit der Wellenlänge der Laserdiode funktioneil verknüpft ist. Die funktioneilen Zusammenhänge sind entweder bekannt oder lassen sich gezielt ermitteln.
Die Antioxidationsschicht 1 weist dabei eine hinreichende optische Dicke auf, wobei diese Dicke mindestens zwei Viertel- wellenängen betragen kann. Die Dicke der Antioxidationsschicht ist den Eigenschaften des verwendeten Ätzverfahrens, insbesondere der Gleichmäßigkeit des Verfahrens angepasst, so dass die Ätzung sicher im Bereich der Antioxidationsschicht 1 gestoppt werden kann oder die Ätzung in der Antioxidationsschicht 1 auslaufen kann. Auch sorgt die Dicke der Antioxidationsschicht 1 für einen Abstand zwischen verspannten oxi- dierten Schichten und der aktiven Schicht 2.
Auch wenn im vorliegenden Fall die Stoffeigenschaften der Antioxidationsschicht 1 mit einem Kriterium für die Dicke verknüpft sind, so lassen sich beide Kriterien auch alleine einsetzen, um die Aufgabe zu lösen.
Durch die Verwendung einer Antioxidationsschicht 1 wird die Bildung größerer Grenzflächenbereiche zwischen Oxid-Material und Halbleitermaterial oberhalb und / oder unterhalb der aktiven Schicht 2 verhindert. Von den Grenzflächenbereichen könnten im Betrieb der Laserdiode Defekte in den aktiven Bereich induziert werden.
Neben der Verwendung einer Antioxidationsschicht 1 werden in der ersten Ausführungsform noch Spiegelschichten 5 mit abge- senkter Oxidationsrate in der Nähe der aktiven Schicht 2 angeordnet (AlxGaι_xAs, mit x < 0,9), um die lokalen Verspannungen zu senken. Durch den abgesenkten Aluminium-Gehalt bildet sich weniger Oxid-Volumen, was zur Verminderung der Verspannungen führt .
Zur Verringerung der Absorptionsverluste ist die Antioxidationsschicht 1 modulationsdotiert, d.h. die Bereiche in denen die Stehwellenintensität im Vertikalresonator maximal ist, weisen eine geringere Dotierung auf. Die Dotierung in Bereichen minimaler Stehwellenintensität wird dagegen erhöht.
An der Oberseite der kleinen Mesa A ist ein p-Kontakt 4 angeordnet, wobei in einem freigelassenen Bereich Laserlicht austreten kann (top emitter) .
Die zweite Ausführungsform, die in Fig. 3 dargestellt ist, unterscheidet sich primär dadurch, dass die Antioxidationsschicht 1 oberhalb der aktiven Schicht 2 angeordnet ist . Wie bei der ersten Ausführungsform ist zwischen der Antioxidationsschicht 1 und der aktiven Schicht 2 eine Zwischenschicht (hier Spiegelschicht 5) vorgesehen. Alternativ können auch keine oder mehrere Zwischenschichten vorgesehen sein.
Analog zu der ersten Ausführungsform weist auch die zweite Ausführungsform Spiegelschichten 5 (AlxGaι-xAs, mit x < 0,9) mit abgesenkter Oxidationsrate in der Nähe der aktiven Schicht 2 auf, um die lokalen Verspannungen zu senken. Auch kann hier analog die Antioxidationsschicht modulationsdotiert sein.
Da die Herstellung von VCSEL grundsätzlich bekannt ist, soll hier nur auf einige für die erfindungsgemäße Ausgestaltung wichtige Punkte eingegangen werden.
In beiden Ausführungsformen wird die Oxidation unmittelbar nach der ersten Mesaätzung vorgenommen, um eine Oxidation un- terhalb der absichtlich zu oxidierenden Schichten (z.B. Stromapertur) zu vermeiden.
Auch ist in beiden Ausführungsformen jeweils nur eine Antioxidationsschicht 1 dargestellt. Grundsätzlich können auch mehrere solche Schichten in einer SchichtStruktur verwendet werden. Grundsätzlich kann auch eine Antioxidationsschicht 1 auch oberhalb einer Stromaperturschicht 10 angeordnet werden, wobei nach der Ätzung die freigelegten Schichten und Atzflanken mittels einer geeigneten Abdeckungsschicht vor einer Oxidati- on durch nachfolgende Prozessschitte geschützt werden können. Ein bevorzugtes Material für die Abdeckschicht ist z.B. CVD- SiNx .
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausfuhrungsbeispiele . Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, die von der erfindungsgemäßen Laserdiode und dem Verfahren zu deren Herstellung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen.
Bezugszeichenliste
1 Anti-Oxidationsschicht
2 aktive Schicht 3 Spiegelschicht
4 p-Kontakt
5 Spiegelschicht mit abgesenkter Oxidationsrate
10 Stromaperturschicht 11 unabsichtlich oxidierte Bereiche
A oberen Mesa
B untere Mesa
S Stromfluss durch Stromapertur

Claims

Patentansprüche
1. Laserdiode mit einem Vertikalresonator, bei dem zwischen Spiegelschichten mindestens eine aktive Schicht angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Spiegel- schichten (3) mindestens eine Antioxidationsschicht (1) aus einem III-V-Halbleitermaterial mit einem molaren Aluminium- Anteil von weniger als 0,7 und / oder mindestens eine Antioxidationschicht (1) aus einem III-V-Halbleitermaterial mit einer optischen Dicke von mindestens zwei Viertelwellenlängen angeordnet ist.
2. Laserdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Antioxidationsschicht (1) aus AlxGa_xAs oder einer chemisch selektiven Ätzstoppschicht, insbesondere InyAlxGax-.x-yASi-zPu besteht .
3. Laserdiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Antioxidationsschicht (1) oberhalb einer aktiven Schicht (2) angeordnet ist.
4. Laserdiode nach mindestens einem der vorhergehenden An- Sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Antioxidationsschicht (1) unterhalb einer aktiven Schicht (2) angeordnet ist.
5. Laserdiode nach mindestens einem der vorhergehenden An- Sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antioxidationsschicht (1) und eine aktiven Schicht (2) ohne Zwischenschaltung einer weiteren Schicht in einer Schichtenstruktur angeordnet sind.
6. Laserdiode nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Antioxidationsschicht als Ätzstopp- und / oder Ätzaus- laufSchicht ausgebildet ist.
7. Laserdiode nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Antioxidationsschicht (1) mindestens teilweise modulationsdotiert ist.
8. Laserdiode nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Spiegelschicht (5) , insbesondere in der Nähe einer aktiven Schicht (2) einen molaren Aluminium-Anteil von kleiner als 0,9 aufweist.
9. Laserdiode nach mindestens einem der vorhergehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Spiegelschichten (3) und oberhalb mindestens einer Stromaperturschicht (10) mindestens eine Antioxidationsschicht (1) angeordnet, die als Ätzstopp- und / oder ÄtzauslaufSchicht ausgebildet ist
10. Laserdiode nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Antioxidationsschicht 1 oberhalb einer Stromaperturschicht 10 angeordnet ist, wobei nach einer Ätzung die freigelegten Schich- ten mittels einer geeigneten Abdeckungsschicht, insbesonere aus CVD-SiNχ vor einer Oxidation durch nachfolgende Prozessschitte geschützt werden.
11. Verfahren zur Herstellung einer Laserdiode mit einem Ver- tikalresonator, der zwischen Spiegelschichten mindestens eine aktive Schicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Spiegelschichten (3) mindestens eine Antioxidationsschicht (1) aus einem III-V-Halbleitermaterial mit einem molaren Aluminium-Anteil von weniger als 0,7 und / oder mindestens eine Antioxidationschicht (1) aus einem III-V- Halbleitermaterial mit einer optischen Dicke von mindestens zwei Viertelwellenlängen angeordnet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , dass eine Antioxidationsschicht (1) aus AlxGaι_xAs oder einer chemisch selektiven Ätzstoppschicht, insbesondere InyAlxGaι-x-yAsι-zPz eingebaut wird.
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005340567A (ja) * 2004-05-28 2005-12-08 Fuji Xerox Co Ltd 表面発光型半導体レーザ素子およびその製造方法
EP2200799A4 (de) 2007-10-22 2012-08-29 Mold Masters 2007 Ltd Spritzgiessmaschine
WO2011071568A2 (en) * 2009-08-19 2011-06-16 The Regents Of The University Of California STRUCTURE AND METHOD FOR ACHIEVING SELECTIVE ETCHING IN (Ga,A1,In,B)N LASER DIODES
JP2012089611A (ja) * 2010-10-18 2012-05-10 Sumitomo Electric Ind Ltd 面発光型半導体素子の製造方法
JP2019040953A (ja) * 2017-08-23 2019-03-14 住友電気工業株式会社 垂直共振型面発光レーザ、垂直共振型面発光レーザを作製する方法
US20240364080A1 (en) * 2023-04-27 2024-10-31 Mellanox Technologies, Ltd. Multi-layer oxide aperture for a high-bandwidth laser

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2757633B2 (ja) * 1990-12-28 1998-05-25 日本電気株式会社 面発光半導体レーザ
US5262360A (en) 1990-12-31 1993-11-16 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois AlGaAs native oxide
US5557626A (en) * 1994-06-15 1996-09-17 Motorola Patterned mirror VCSEL with adjustable selective etch region
US5881085A (en) * 1996-07-25 1999-03-09 Picolight, Incorporated Lens comprising at least one oxidized layer and method for forming same
US5719891A (en) * 1995-12-18 1998-02-17 Picolight Incorporated Conductive element with lateral oxidation barrier
JPH10200210A (ja) * 1997-01-10 1998-07-31 Nec Corp 面発光レーザの製造方法
US6549553B1 (en) * 1998-02-25 2003-04-15 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Vertical-cavity surface-emitting semiconductor laser
JP2002164621A (ja) * 2000-11-28 2002-06-07 Furukawa Electric Co Ltd:The 面発光半導体レーザ素子

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO03063310A1 *

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US7075961B2 (en) 2006-07-11

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