EP4721207A1 - Vertikalkavitätsoberflächenemissionslaser und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Vertikalkavitätsoberflächenemissionslaser und verfahren zu dessen herstellung

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EP4721207A1
EP4721207A1 EP24723152.5A EP24723152A EP4721207A1 EP 4721207 A1 EP4721207 A1 EP 4721207A1 EP 24723152 A EP24723152 A EP 24723152A EP 4721207 A1 EP4721207 A1 EP 4721207A1
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EP
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reflector
semiconductor substrate
active region
vertical cavity
cavity surface
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EP24723152.5A
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Roman KOERNER
Daniela Stange
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Trumpf Photonic Components GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Vertikalkavitätsoberflächenemissionslaser (VCSEL) umfassend einen ersten Reflektor, der mit einem ersten Halbleitersubstrat verbunden ist, einen zweiten Reflektor, und einen aktiven Bereich mit einer Quantentopfstruktur zur Emission von Licht, der in Reihe zwischen dem ersten und dem zweiten Reflektor angeordnet ist, wobei der erste Reflektor in Reihe zwischen dem ersten Halbleitersubstrat und dem aktiven Bereich angeordnet ist, wobei die Oberfläche der dem ersten Reflektor abgewandten Außenseite des ersten Halbleitersubstrates eine Ausrichtungsmarkierung aufweist, die derart gestaltet ist, dass sie die Position des Vertikalkavitätsoberflächenemissionslasers in einer Ebene parallel zur Außenseite des ersten Halbleitersubstrates eindeutig festlegt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen VCSELs.

Description

Vertikalkavitätsoberflächenemissionslaser und Verfahren zu dessen Herstellung
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Vertikalkavitätsoberflächenemissionslaser mit einem ersten Reflektor, einem zweiten Reflektor und einem aktiven Bereich mit einer Quantentopfstruktur zur Emission von Licht, der in Reihe zwischen dem ersten und dem zweiten Reflektor angeordnet ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Vertikalkavitätsoberflächenemissionslasers.
Hintergrund der Erfindung
Vertikalkavitätsoberflächenemissionslaser (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers, VCSEL), auch als oberflächenemittierende Halbleiterlaser bezeichnet, sind eine Art von Halbleiterlaserdioden, deren Laserstrahl senkrecht zur Ober- oder Unterseite des Bauelements emittiert wird. Ein VCSEL umfasst in der Regel zwei verteilte Bragg-Reflektoren (Distributed Bragg Reflector, DBR), die parallel zur Waferoberfläche angeordnet sind, und einen zwischen den Bragg-Reflektoren angeordneten aktiven Bereich mit einem oder mehreren Quantentöpfen für die Erzeugung des Laserlichts. Die Bragg-Reflektoren umfassen typischerweise Schichten mit abwechselnd hohen und niedrigen Brechungsindizes.
Zur Herstellung von VCSEL können die Bragg-Reflektoren und der zwischen diesen angeordnete aktive Bereich separat gefertigt und anschließend durch Waferbonding (Fusion Bonding) miteinander verbunden werden. Das Dokument US 6,542,531 B2 beschreibt ein derartiges Verfahren zur Herstellung eines VCSELs, bei dem zunächst in einem ersten Schritt der aktive Bereich mit Quantentöpfen und einem Tunnelübergang auf einem Halbleitersubstrat aufgewachsen und anschließend durch Ätzen strukturiert wird. Separat von dem aktiven Bereich werden zwei Bragg-Reflektoren durch epitaktisches Aufwachsen der unterschiedlichen Schichten auf einem weiteren Halbleitersubstrat hergestellt und durch Waferbonding mit jeweils einer Seite des aktiven Bereichs verbunden. Zuletzt werden durch Ätzen das Substrat des oberen DBR entfernt und elektrische Kontakte auf dem Bauteil angebracht.
Die Herstellung eines modernen VCSELs erfordert komplexe Verfahrensschritte. Die Anpassung verschiedener Materialien für die Reflektoren und den aktiven Bereich beispielsweise erfordert mehrere Strukturierungsschritte vor, während und nach dem Waferbonding. Eine Herausforderung bei der Herstellung von VCSELn besteht darin, dass es für eine spätere korrekte Funktionsweise des VCSELs bei den Herstellschritten wesentlich auf eine präzise Ausrichtung der Schichten und deren Strukturierung ankommt.
Um dies sicherzustellen, werden häufig während des Herstellprozesses Markierungen angebracht, anhand derer sich die korrekte Ausrichtung überprüfen lässt. Es haben sich verschiedene Techniken der Markierung und Kontrolle der Ausrichtung im Stand der Technik etabliert. In einer Variante, bei der der aktive Bereich mit Quantentöpfen und Tunnelübergangsschicht und die beiden Bragg-Reflektoren separat gefertigt und durch Waferbonding verbunden werden, wird die Markierung durch Strukturierung der Tunnelübergangsschicht angebracht. Damit die Markierung im zusammengesetzten VCSEL noch erkennbar bleibt, muss bei dieser Variante einer der Bragg-Spiegel im Bereich der Markierung entfernt werden, was einen zusätzlichen Arbeitsschritt erfordert.
In einer alternativen Variante, bei der sich die Markierung ebenfalls in der Tunnelübergangsschicht befindet, wird die Markierung mittels Infrarotstrahlung durch das Bauteil ermittelt. Bei dieser Variante muss zwar kein Material entfernt werden, um die Markierung erkennen zu können. Allerdings ist aufgrund der Wellenlänge der Infrarotstrahlung die Genauigkeit der Erkennung der Markierung begrenzt, sodass diese Variante für etliche Anwendungen aufgrund der zu geringen Auflösung nicht in Frage kommt.
In weiteren Varianten werden die Markierungen ausgehend von einer ersten Markierung nach der Herstellung von einigen Schichten in eine der neuen Schichten übertragen. Auch bei dieser Variante kann auf den zusätzlichen Verfahrensschritt des nachträglichen Materialabtrags verzichtet werden. Jedoch erfordert die Übertragung der Markierungen einen Mehraufwand. Ein weiterer Nachteil dieser Varianten ist darin zu sehen, dass es bei jeder Übertragung einer Markierung zu Ungenauigkeiten kommen kann, die sich gegebenenfalls bei einer mehrfachen Übertragung potenzieren. Auch diese Varianten kommen daher aufgrund zu geringer Genauigkeit der Ausrichtung für etliche Anwendungen nicht in Betracht.
Der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bekannte Herstellverfahren für VCSEL dahingehend zu verbessern, dass auf einfache Weise eine präzise Ausrichtung des entstehenden Bauteils bei der Durchführung der einzelnen Verfahrensschritte gewährleistet ist.
Erfindungsgemäße Lösung
Im Nachfolgenden ist, im Falle des Fehlens gegenteiliger Hinweise, jede Bezugnahme auf ein (auch durch unbestimmte und bestimmte Artikel), zwei oder eine andere Zahl von Gegenständen in der Weise zu verstehen, dass das Vorhandensein weiterer solcher Gegenstände nicht ausgeschlossen ist. Die Bezugszeichen in sämtlichen Ansprüchen haben keine einschränkende Wirkung, sondern sollen lediglich deren Lesbarkeit verbessern.
Die im Folgenden verwendeten Begriffe „vor“, „nach“, „zwischen" und „auf" können sich auf eine relative Position einer Schicht in Bezug auf andere Schichten beziehen. Eine Schicht, die „auf" einer anderen Schicht liegt oder „mit" einer anderen Schicht verbunden ist, kann direkt mit der anderen Schicht in Kontakt sein oder eine oder mehrere dazwischenliegende Schichten haben. Eine Schicht „zwischen" Schichten kann in direktem Kontakt mit den Schichten stehen oder eine oder mehrere dazwischenliegende Schichten haben.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch einen Vertikalkavitätsoberflächenemissionslaser mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Der erfindungsgemäße Vertikalkavitätsoberflächenemissionslaser umfasst einen ersten Reflektor, der mit einem ersten Halbleitersubstrat verbunden ist, einen zweiten Reflektor, und einen aktiven Bereich mit einer Quantentopfstruktur zur Emission von Licht, der in Reihe zwischen dem ersten Reflektor und dem zweiten Reflektor angeordnet ist, wobei der erste Reflektor in Reihe zwischen dem ersten Halbleitersubstrat und dem aktiven Bereich angeordnet ist, wobei die Oberfläche der dem ersten Reflektor abgewandten Außenseite des ersten Halbleitersubstrates eine Ausrichtungsmarkierung aufweist, die derart gestaltet ist, dass sie die Position des Vertikalkavitätsoberflächenemissionslasers in einer Ebene parallel zur Außenseite des ersten Halbleitersubstrates eindeutig festlegt.
Weiterhin gelingt die Lösung der gestellten Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Vertikalkavitätsoberflächenemissionslasers mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Vertikalkavitätsoberflächenemissionslasers mit einem ersten Halbleitersubstrat, einem ersten Reflektor, einem zweiten Reflektor und einem aktiven Bereich mit einer Quantentopfstruktur zur Erzeugung von Licht, der in Reihe zwischen dem ersten Reflektor und dem zweiten Reflektor angeordnet ist, umfasst die Schritte: a) Bereitstellen des ersten Halbleitersubstrates, auf dem der erste Reflektor hergestellt ist; b) Bereitstellen eines zweiten Halbleitersubstrates, auf dem der zweite Reflektor hergestellt ist; c) Bereitstellen eines dritten Halbleitersubstrates und epitaktisches Aufwachsen des aktiven Bereichs mit der Quantentopfstruktur auf das dritte Halbleitersubstrat; d) Verbinden des ersten Reflektors mit dem aktiven Bereich; e) Entfernen des dritten Halbleitersubstrates; f) Verbinden des zweiten Reflektors mit dem aktiven Bereich; und g) Entfernen des zweiten Halbleitersubstrates; wobei vor der Durchführung von Schritt f) auf der Oberfläche der dem ersten Reflektor abgewandten Außenseite des ersten Halbleitersubstrates eine Ausrichtungsmarkierung hergestellt wird, die derart gestaltet ist, dass sie die Position des Vertikalkavitätsoberflächenemissionslasers in einer Ebene parallel zur Außenseite des ersten Halbleitersubstrates eindeutig festlegt.
Der erfindungsgemäße VCSEL und das erfindungsgemäße Verfahren zu seiner Herstellung haben den Vorteil, dass aufgrund der Ausrichtungsmarkierung an der Außenseite des Halbleitersubstrates, das während der Herstellprozedur nicht verändert wird, eine präzise Ausrichtung sämtlicher Schritte des Herstellverfahrens möglich wird. Ein weiterer Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, bei dem Markierungen im aktiven Bereich angebracht sind, ist darin zu sehen, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der aktive Bereich nicht verändert werden muss. Dadurch wird eine deutlich flexiblere Gestaltung des aktiven Bereichs und eine einfachere Herstellung desselben im Vergleich zum Stand der Technik ermöglicht. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung
Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und der nachfolgenden Beschreibung.
Der erfindungsgemäße VCSEL umfasst zwei Reflektoren. Der erste Reflektor und der zweite Reflektor sind Teil eines optischen Resonators, mittels dessen das in der Quantentopfstruktur erzeugte Licht verstärkt wird, bevor es den VCSEL verlässt. Vorzugsweise sind der erste Reflektor und der zweite Reflektor Mehrschichtenreflektoren, die jeweils aus mehreren Schichten unterschiedlicher Materialien aufgebaut sind. Besonders bevorzugt sind der erste Reflektor und der zweite Reflektor als Bragg-Reflektoren (Distributed Bragg Reflector, DBR), auch als Bragg-Spiegel bezeichnet, ausgeführt. Bragg-Reflektoren werden in der Regel aus mehreren Schichtenpaaren gebildet, die aus einem Mate rial system bestehen, das im Allgemeinen aus zwei Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes besteht und leicht an die anderen Teile des VCSEL angepasst werden kann. Bevorzugte Materialsysteme für DBRs sind undotierte Schichten aus Aluminium-Arsenid (AlAs) und Gallium-Arsenid (GaAs), aus Aluminium-Gallium-Arsenid (AIGaAs) und AlAs, oder aus AIGaAs und GaAs. Die unterschiedlichen Brechungsindizes der einzelnen Schichten eines Paares können durch Änderung des Aluminiumgehalts in den Schichten erreicht werden.
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen VCSEL können die Verfahrensschritte a) und b) sowohl die Bereitstellung bereits auf Halbleitersubstraten vorgefertigter Reflektoren umfassen als auch die Herstellung von Reflektoren auf Halbleitersubstraten. Die Reflektoren können auf unterschiedliche Arten hergestellt sein. Entsprechende Verfahren sind im Stand der Technik bekannt. Vorzugsweise werden die Reflektoren auf einem Halbleitersubstrat hergestellt, insbesondere einem Wafer, mit dem sie fest verbunden sind. Bevorzugt ist das erste Halbleitersubstrat und/oder das zweite Halbleitersubstrat ein GaAs-Wafer.
Der aktive Bereich, der im fertiggestellten Zustand des VCSELs zwischen den beiden Reflektoren angeordnet ist, umfasst mindestens eine Quantentopfstruktur zur Emission von Licht. Entsprechende Strukturen sind im Stand der Technik bekannt, beispielsweise als sogenannte Heterostrukturen. Erfindungsgemäß wird der aktive Bereich durch epitaktisches Aufwachsen auf ein drittes Halbleitersubstrat hergestellt. Bevorzugt ist das Material des dritten Halbleitersubstrat Indiumphosphid (InP). Vorzugsweise ist das dritte Halbleitersubstrat ein Wafer, insbesondere ein InP-Wafer. Auf den InP-Wafer können vorteilhaft weitere Schichten mit der Gitterkonstanten von InP aufgewachsen werden, beispielsweise eine InP- Pufferschicht, InGaAsP-Bondschichten, InAIAs-Zwischenlagen oder InAIGaAs/lnP- Quantentöpfe.
In einer Ausführungsform umfasst der Vertikalkavitätsoberflächenemissionslaser weiterhin einen Tunnelübergangsbereich, der in Reihe zwischen dem ersten Reflektor und dem zweiten Reflektor angeordnet ist. Der Tunnelübergangsbereich wird auch als „Tunnelkontakt“ bezeichnet.
Vorzugsweise umfasst der Tunnelübergangsbereich zwei hoch dotierte Halbleiterschichten unterschiedlicher Leitfähigkeit (z.B. n++-dotiert und p++-dotiert). Bevorzugt umfasst der Tunnelübergangsbereich n++-dotiertes Indium-Gallium-Aluminium-Arsenid (InGaAIAs) und p++-dotiertes InGaAIAs.
In einer Ausführungsform ist zwischen der Quantentopfstruktur und dem Tunnelübergangsbereich ein Pufferbereich angeordnet, der ebenfalls epitaktisch aufgewachsen werden kann. Vorzugsweise ist der Pufferbereich aus einem undotierten Halbleitermaterial gebildet, insbesondere aus undotiertem InP.
Zur Herstellung dieser Ausführungsform wird vorzugsweise in Schritt c) weiterhin ein Tunnelübergangsbereich in Reihe vor oder nach der Quantentopfstruktur in dem aktiven Bereich durch epitaktisches Aufwachsen hergestellt. Sofern ein Pufferbereich vorgesehen ist, wird auch dieser vorzugsweise in Schritt c) durch epitaktisches Aufwachsen hergestellt.
Der erfindungsgemäße VCSEL kann auch mehrere Schichten von Quantentöpfen, mehrere Schichten von Tunnelübergangsbereichen und/oder mehrere Schichten von Pufferbereichen umfassen. Zur Herstellung derartiger Bauformen werden vorzugsweise in Schritt c) des Herstellverfahrens mehrere Quantentopfstrukturen zur Erzeugung von Licht, mehrere Tunnelübergangsbereiche und/oder mehrere Pufferbereiche in Reihe epitaktisch aufgewachsen.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der aktive Bereich mehrere Quantentopfstrukturen zur Erzeugung von Licht und mehrere Tunnelübergangsbereiche, die abwechselnd in Reihe zwischen dem ersten Reflektor und dem zweiten Reflektor angeordnet sind. Eine derartige Anordnung hat den Vorteil, dass trotz kompakter Bauweise eine deutlich größere Lichtleistung des Lasers erreicht werden kann.
Zur Herstellung dieser Ausführungsform werden vorzugsweise in Schritt c) des Herstellverfahrens mehrere Quantentopfstrukturen zur Erzeugung von Licht und mehrere Tunnelübergangsbereiche abwechselnd in Reihe epitaktisch aufgewachsen. Dies hat den Vorteil, dass der aktive Bereich auf einfache Weise rationell gefertigt werden kann. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass dadurch, dass alle Schichten nacheinander auf dem Substrat aufwachsen, an den Übergängen von einer Schicht zur anderen Ungenauigkeiten hinsichtlich der Übereinstimmung von Strukturen vermieden werden, die bei manchen bekannten Herstellverfahren auftreten können.
Ermöglicht wird diese Bauform dadurch, dass das Ausrichtungsmerkmal auf der Außenseite des ersten Halbleitersubstrates angebracht ist. Bei Bauteilen gemäß Stand der Technik, bei denen die Marker im aktiven Bereich durch Strukturierung einer Schicht hergestellt sind, ist eine Anordnung von mehreren aktiven Zentren nicht mit hinreichender Genauigkeit möglich. Die Gründe hierfür sind, dass (i) Strukturierungsschritte, die eine Topografie innerhalb des VCSEL-Bereichs hervorrufen, es bedingen, dass die Quantentopfstruktur auf der Topografie aufwachsen muss, was deren Qualität drastisch verschlechtern würde, und (ii) Strukturierungsschritte, bei denen die Leitfähigkeit lokal verändert wird, aufgrund erforderlicher hoher Temperaturen beim nachfolgenden Überwachstum das strukturierte Profil beeinträchtigt würde, was zu großen Fehlern in der Genauigkeit der Ausrichtung führen würde.
In einer Ausführungsform umfasst der Vertikalkavitätsoberflächenemissionslaser weiterhin eine erste Stromverteilerschicht und einen ersten Kontakt sowie eine zweite Stromverteilerschicht und einen zweiten Kontakt zur Anregung des VCSELs mit elektrischem Strom. Die Arten, Formen und Positionen der Stromverteilerschichten und Kontakte können den jeweiligen Anforderungen an den VCSEL, beispielsweise hinsichtlich seines Einsatzzweckes, gewählt werden.
In einer Ausführungsform umfasst der Vertikalkavitätsoberflächenemissionslaser eine erste Stromverteilerschicht und einen ersten Kontakt, wobei der erste Kontakt in elektrischer Verbindung mit der ersten Stromverteilerschicht steht und die erste Stromverteilerschicht zwischen dem ersten Reflektor und dem aktiven Bereich angeordnet ist, und eine zweite Stromverteilerschicht und einen zweiten Kontakt, wobei der zweite Kontakt in elektrischer Verbindung mit der zweiten Stromverteilerschicht steht und die zweite Stromverteilerschicht zwischen dem zweiten Reflektor und dem aktiven Bereich angeordnet ist.
Bevorzugt sind bei dieser Ausführungsform die erste Stromverteilerschicht und die zweite Stromverteilerschicht Ätzstoppschichten. Ätzstoppschichten werden üblicherweise bei der schichtweisen Herstellung eines VCSEL an bestimmten Stellen angebracht, um im weiteren Herstellprozess, bei dem eine Strukturierung durch Ätzen erfolgt, die Wirkung des Ätzens auf bestimmte Schichten zu begrenzen. Die Verwendung von Ätzstoppschichten als Stromverteilerschichten hat den Vorteil, dass kein Mehraufwand für das Herstellen der Stromverteilung anfällt.
Zur Herstellung einer Ausführungsform mit Stromverteilerschichten wird vorzugsweise in Schritt c) an der entsprechenden Stelle die erste Stromverteilerschicht und die zweite Stromverteilerschicht epitaktisch aufgewachsen. Bevorzugt wird in Schritt c) vor dem Aufwachsen einer Quantentopfstruktur und/oder eines Tunnelübergangsbereiches und nach dem Aufwachsen aller Quantentopfstrukturen und/oder Tunnelübergangsbereiche jeweils eine Stromverteilerschicht epitaktisch aufgewachsen.
Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen VCSELs werden drei separate Bauteil miteinander verbunden: der erste Reflektor mit dem aktiven Bereich und der zweite Reflektor mit dem aktiven Bereich. Die jeweiligen Verbindungen gemäß den Schritten d) und f) des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgen vorzugsweise durch Waferbonding (Fusion Bonding).
Die zu verbindenden Oberflächen können nach Bedarf vor der Verbindung vorbehandelt werden. In einer Ausführungsform wird eine zu verbindende Oberfläche oder beide zu verbindenden Oberflächen gereinigt. In einer weiteren Ausführungsform wird vor Schritt d) die Oberfläche des ersten Reflektors strukturiert, insbesondere durch Nanoimprint, Lithographie, Ätzung, lokale Eindiffusion und/oder lokale Defekterzeugung.
Da der aktive Bereich auf dem dritten Halbleitersubstrat aufgewachsen wurde, ist es erforderlich, dass das Substrat entfernt wird, bevor der aktive Bereich mit dem zweiten Reflektor verbunden werden kann. Das Entfernen erfolgt vorzugsweise durch Ätzen. Dazu ist vorteilhaft zwischen dem dritten Halbleitersubstrat und dem aktiven Bereich als erste Schicht eine Ätzstoppschicht aufgebracht.
Nach der Verbindung des zweiten Reflektors mit dem aktiven Bereich wird in Schritt g) des erfindungsgemäßen Verfahrens das zweite Halbleitersubstrat entfernt. Das Entfernen erfolgt vorzugsweise durch Ätzen. In einer Variante ist dazu zwischen dem zweiten Halbleitersubstrat und dem zweiten Reflektor eine Ätzstoppschicht aufgebracht. In einer anderen Variante ist das Material des zweiten Halbleitersubstrats selektiv entfernbar, sodass es keiner Ätzstoppschicht bedarf.
Erfindungsgemäß weist die Oberfläche der dem ersten Reflektor abgewandten Außenseite des ersten Halbleitersubstrates eine Ausrichtungsmarkierung auf. Die Ausrichtungsmarkierung wird vor der Durchführung von Schritt f) hergestellt. Die Ausrichtungsmarkierung kann jede Gestalt aufweisen, die geeignet ist, die Position des Vertikalkavitätsoberflächenemissionslasers in einer Ebene parallel zur Außenseite des ersten Halbleitersubstrates eindeutig festzulegen. Eine eindeutige Festlegung in einer Ebene ist beispielsweise dann gegeben, wenn zwei identifizierbare Teile der Markierung unterschiedliche Raumkoordinaten in der Ebene aufweisen.
Die Ausrichtungsmarkierung kann eine einzige Markierung mit mindestens zwei identifizierbaren Teilen sein oder aus mehreren Bestandteilen bestehen. In einer Ausführungsform umfasst die Ausrichtungsmarkierung zwei separate Teilmarkierungen, die an unterschiedlichen Stellen auf der Oberfläche der dem ersten Reflektor abgewandten Außenseite des ersten Halbleitersubstrates angebracht sind. Besonders bevorzugt sind die beiden Teilmarkierungen an möglichst weit voneinander entfernten Stellen auf der Oberfläche angebracht, insbesondere auf gegenüberliegenden Seiten der Oberfläche. Bei einem kreisrunden Querschnitt der Oberfläche sind die beiden Teilmarkierungen vorzugsweise an den äußeren Punkten einer Linie durch den Mittelpunkt des Kreises angebracht.
Die Ausrichtungsmarkierung kann auch mehr als zwei identifizierbare Teile, insbesondere Teilmarkierungen, enthalten, beispielsweise drei, vier oder fünf.
Die Größe der Ausrichtungsmarkierung bzw. ihrer Teile wird vorzugsweise so gewählt, dass sie mit den zur Verfügung stehenden Apparaten und Techniken zur Erkennung mit ausreichender Präzision erkannt werden können. Die Ausrichtungsmarkierung können beispielsweise durch Ätzen oder Lasergravur präzise hergestellt werden.
Die Ausrichtungsmarkierung kann zu jedem Zeitpunkt im Herstellprozess hergestellt werden, solange die Markierung nicht für einen nachfolgenden Verfahrensschritt benötigt wird.
Beispielsweise kann die Ausrichtungsmarkierung schon bei der Bereitstellung gemäß Schritt a) auf dem ersten Halbleitersubstrat, auf dem der erste Reflektor hergestellt ist, vorhanden sein. Vorzugsweise wird die Ausrichtungsmarkierung bereits nach Schritt a) hergestellt, indem sie in das bereitgestellte erste Halbleitersubstrat eingebracht wird.
Die Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens müssen nicht zwingend in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, sofern sich aus der Logik nicht eine zwingende Reihenfolge ergibt. Beispielsweise können die Schritte a) bis c) des Herstellverfahrens in beliebiger Reihenfolge oder auch simultan durchgeführt werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand mehrerer in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen, auf welche die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, näher beschrieben.
Es zeigt schematisch:
Figur 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen VCSELs;
Figur 2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen VCSELs.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungen der Erfindung
Bei der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten. Bei mehreren gleichen Komponenten ist in der Regel nur eine mit einem Bezugszeichen versehen. Fig. 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen VCSELs. Zur Herstellung des in Fig. 1 dargestellten VCSELs kann nach dem nachfolgend dargestellten Verfahren vorgegangen werden.
Auf einen GaAs-Wafer als erstes Halbleitersubstrat 1 wird ein DBR als erster Reflektor 2 mit abwechselnden Schichten aus GaAs und AIGaAs epitaktisch aufgewachsen. Die dem DBR abgewandte Oberfläche des ersten Halbleitersubstrates 1 wird mit einer Ausrichtungsmarkierung 9 versehen, die zwei Teilmarkierungen umfasst, die auf gegenüberliegenden Seiten der Oberfläche angebracht sind (angedeutet durch die beiden Pfeile in Fig. 1). Die Herstellung der Ausrichtungsmarkierung 9 kann beispielsweise durch Ätzen oder Lasergravur erfolgen. Die Ausrichtungsmarkierung 9 ermöglicht eine präzise Ausrichtung für alle folgenden Prozessschritte.
Auf einen weiteren GaAs-Wafer als zweites Halbleitersubstrat wird zunächst eine Ätzstoppschicht 7 aus AIGaAs und anschließend ein DBR als zweiter Reflektor 3 mit abwechselnden Schichten aus GaAs und AIGaAs epitaktisch aufgewachsen. Alternativ zu GaAs als Material für das zweite Halbleitersubstrat kann beispielsweise Ge verwendet werden. Da sich Ge im späteren Verfahrensverlauf selektiv entfernen lässt, ist bei Verwendung von Ge als Substratmaterial keine Ätzstoppschicht zwischen dem DBR und dem Substrat erforderlich. Die Verwendung von Ge hat den weiteren Vorteil, dass ein defektfreies Spiegelwachstum möglich ist, was eine Qualitätssteigerung beim Bonden zur Folge hat.
Auf einen InP-Wafer als drittes Halbleitersubstrat werden die folgenden Schichten in der angegebenen Reihenfolge epitaktisch aufgewachsen: eine Ätzstoppschicht 7 aus InGaAsP, eine InP-Schicht als Pufferschicht 8, ein aktiver Bereich 4 mit Quantentöpfen 5, eine weitere InP-Schicht als Pufferschicht 8, eine Tunnelübergangsschicht (6), eine weitere InP-Schicht als Pufferschicht 8 sowie eine weitere Ätzstoppschicht 7.
Das dritte Halbleitersubstrat mitsamt der darauf aufgewachsenen Schichten wird auf den DBR des ersten Halbleitersubstrats aufgesetzt und durch Waferbonding mit diesem verbunden. Das verbundene Bauteil weist auf einer Seite die GaAs-Schicht des ersten Halbleitersubstrats 1 und auf der anderen Seite die InP-Schicht des dritten Halbleitersubstrats auf. Letztere wird anschließend durch Ätzen bis zur Ätzstoppschicht 7 entfernt. Die durch das Ätzen freigelegte Oberfläche wird gereinigt und anschließend strukturiert, beispielsweise durch Fotolithografie und anschließendem Ätzen. Im Falle der Herstellung mehrerer Quantenfilme bietet es sich an, anstelle des Ätzens ein anderes Material zu implantieren oder einzudiffundieren, um die Tunnelübergangsbereiche elektrisch zu definieren.
Nach Abschluss der Strukturierung wird die Oberfläche erneut gereinigt. Anschließend wird der auf das zweite Halbleitersubstrat aufgebrachte DBR mit seiner Oberfläche auf die gereinigte strukturierte Oberfläche aufgesetzt und durch Waferbonding verbunden. Im letzten Schritt wird das zweite Halbleitersubstrat entfernt. Aufgrund der Ausrichtungsmarkierung 9 auf der Unterseite des VCSELs kann dieser in weiteren Verfahrensschritten präzise positioniert werden.
Fig. 2 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen VCSELs. Diese unterscheidet sich von der oben in Bezug auf Fig. 1 beschriebene erste Ausführungsform lediglich darin, dass der aktive Bereich 4 mehrere sequenziell aufeinander folgende Quantentopfstrukturen 5 und Tunnelübergangsbereiche 6 aufweist. Zur Herstellung des in Fig. 2 dargestellten VCSELs kann nach demselben Verfahren vorgegangen werden wie in Bezug auf die erste Ausführungsform oben beschrieben. Bei der Herstellung des aktiven Bereichs 4 werden die mehreren Quantentopfstrukturen 5 zur Erzeugung von Licht und die mehreren Tunnelübergangsbereiche 6 abwechselnd in Reihe epitaktisch aufgewachsen.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.
Bezuqszeichenliste
1 erstes Halbleitersubstrat
2 erster Reflektor
3 zweiter Reflektor
4 aktiver Bereich
5 Quantentopfstruktur
6 Tunnelübergangsbereich
7 Ätzstoppschicht
8 Pufferschicht
9 Ausrichtungsmarkierung

Claims

Ansprüche
1. Vertikalkavitätsoberflächenemissionslaser (VCSEL) umfassend: einen ersten Reflektor (2), der mit einem ersten Halbleitersubstrat (1) verbunden ist, einen zweiten Reflektor (3), und einen aktiven Bereich (4) mit einer Quantentopfstruktur (5) zur Emission von Licht, der in Reihe zwischen dem ersten Reflektor (2) und dem zweiten Reflektor (3) angeordnet ist, wobei der erste Reflektor (2) in Reihe zwischen dem ersten Halbleitersubstrat (1) und dem aktiven Bereich (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der dem ersten Reflektor (2) abgewandten Außenseite des ersten Halbleitersubstrates (1) eine Ausrichtungsmarkierung (9) aufweist, die derart gestaltet ist, dass sie die Position des Vertikalkavitätsoberflächenemissionslasers in einer Ebene parallel zur Außenseite des ersten Halbleitersubstrates (1) eindeutig festlegt.
2. Vertikalkavitätsoberflächenemissionslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vertikalkavitätsoberflächenemissionslaser weiterhin einen Tunnelübergangsbereich (6) umfasst, der in Reihe zwischen dem ersten Reflektor (2) und dem zweiten Reflektor (3) angeordnet ist.
3. Vertikalkavitätsoberflächenemissionslaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Bereich (4) mehrere Quantentopfstrukturen (5) zur Erzeugung von Licht und mehrere Tunnelübergangsbereiche (6) umfasst, die abwechselnd in Reihe zwischen dem ersten Reflektor (2) und dem zweiten Reflektor (3) angeordnet sind.
4. Vertikalkavitätsoberflächenemissionslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vertikalkavitätsoberflächenemissionslaser weiterhin umfasst: eine erste Stromverteilerschicht und einen ersten Kontakt, wobei der erste Kontakt in elektrischer Verbindung mit der ersten Stromverteilerschicht steht und die erste Stromverteilerschicht zwischen dem ersten Reflektor (2) und dem aktiven Bereich (4) angeordnet ist, und eine zweite Stromverteilerschicht und einen zweiten Kontakt, wobei der zweite Kontakt in elektrischer Verbindung mit der zweiten Stromverteilerschicht steht und die zweite Stromverteilerschicht zwischen dem zweiten Reflektor (3) und dem aktiven Bereich (4) angeordnet ist.
5. Vertikalkavitätsoberflächenemissionslaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stromverteilerschicht und die zweite Stromverteilerschicht Ätzstoppschichten (7) sind.
6. Verfahren zur Herstellung eines Vertikalkavitätsoberflächenemissionslasers mit einem ersten Halbleitersubstrat (1), einem ersten Reflektor (2), einem zweiten Reflektor (3) und einem aktiven Bereich (4) mit einer Quantentopfstruktur (5) zur Erzeugung von Licht, der in Reihe zwischen dem ersten Reflektor (2) und dem zweiten Reflektor (3) angeordnet ist, das Verfahren umfassend die Schritte: a) Bereitstellen des ersten Halbleitersubstrates (1), auf dem der erste Reflektor (2) hergestellt ist; b) Bereitstellen eines zweiten Halbleitersubstrates, auf dem der zweite Reflektor (3) hergestellt ist; c) Bereitstellen eines dritten Halbleitersubstrates und epitaktisches Aufwachsen des aktiven Bereichs (4) mit der Quantentopfstruktur (5) auf das dritte Halbleitersubstrat; d) Verbinden des ersten Reflektors (2) mit dem aktiven Bereich (4); e) Entfernen des dritten Halbleitersubstrates; f) Verbinden des zweiten Reflektors (3) mit dem aktiven Bereich (4); und g) Entfernen des zweiten Halbleitersubstrates; dadurch gekennzeichnet, dass vor der Durchführung von Schritt f) auf der Oberfläche der dem ersten Reflektor (2) abgewandten Außenseite des ersten Halbleitersubstrates (1) eine Ausrichtungsmarkierung (9) hergestellt wird, die derart gestaltet ist, dass sie die Position des Vertikalkavitätsoberflächenemissionslasers in einer Ebene parallel zur Außenseite des ersten Halbleitersubstrates (1) eindeutig festlegt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) weiterhin ein Tunnelübergangsbereich (6) in Reihe vor oder nach der Quantentopfstruktur (5) in dem aktiven Bereich (4) durch epitaktisches Aufwachsen hergestellt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) mehrere Quantentopfstrukturen (5) zur Erzeugung von Licht und mehrere Tunnelübergangsbereiche (6) abwechselnd in Reihe epitaktisch aufgewachsen werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) vor dem Aufwachsen einer Quantentopfstruktur (5) und/oder eines Tunnelübergangsbereiches (6) und nach dem Aufwachsen aller Quantentopfstrukturen (5) und/oder Tunnelübergangsbereiche (6) jeweils eine Stromverteilerschicht epitaktisch aufgewachsen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromverteilerschichten als Ätzstoppschichten (7) ausgeführt sind.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass vor Schritt d) die Oberfläche des ersten Reflektors (2) strukturiert wird, insbesondere durch Nanoimprint, Lithographie, Ätzung, lokale Eindiffusion und/oder lokale Defekterzeugung.
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