DE69829519T2

DE69829519T2 - Oberflächenemittierende Laservorrichtung und ihr Herstellungsverfahren

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Publication number: DE69829519T2
Application number: DE69829519T
Authority: DE
Inventors: Robert L. Los Altos Thornton
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1997-02-07
Filing date: 1998-02-06
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2018-02-07
Also published as: DE69829519D1; US6208681B1; US5978408A; EP0858137A2; EP0858137B1; JP3162333B2; EP0858137A3; JPH10229248A; US6297068B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft oberflächenemittierende Laservorrichtungen und Verfahren zum Herstellen derartiger Vorrichtungen.
Festzustand-Halbleiterlaser sind wichtige Vorrichtungen in Anwendungen wie etwa optoelektronischen Kommunikationssystemen und Hochgeschwindigkeits-Drucksystemen. Neuerdings besteht ein verstärktes Interesse an Vertikalhohlraum-oberflächenemittierenden Lasern ("VCSEL"s), wobei jedoch in den meisten Anwendungen kantenemittierende Laser verwendet werden. Ein Grund für das Interesse an VCSELs besteht darin, dass die kantenemittierenden Laser einen Strahl mit einer großen Winkeldivergenz erzeugen, was die effiziente Sammlung des emittierten Strahls schwieriger macht. Außerdem können kantenemittierende Laser nicht getestet werden, bevor der Wafer in einzelne Vorrichtungen unterteilt ist, deren Kanten die Spiegelfacetten der einzelnen Vorrichtungen bilden. Dagegen weist der Strahl eines VCSEL eine kleine Winkeldivergenz auf und emittiert das Licht normal zu der Waferfläche. Weil die Spiegel in VCSELs monolithisch enthalten sind, sind hier ein Testen auf dem Wafer und die Herstellung von ein- oder zweidimensionalen Laserarrays möglich.
Eine bekannte Technik zum Herstellen von VCSELs besteht in einem lateralen Oxidationsprozess wie er schematisch in 1 und 2 wiedergegeben ist. Bei diesem Ansatz wird eine Laserstruktur mit einer Vielzahl von Lasern auf einem Substrat 10 ausgebildet. Diese Laser umfassen eine aktive Schicht 12 und eine AlGaAs-Schicht 14 mit einem hohen Aluminiumanteil. Die AlGaAs-Schicht 14 wird entweder über oder unter der aktiven Schicht einer Laserstruktur platziert. Dann wird die Schichtstruktur maskiert und selektiv geätzt, um eine Mesastruktur 22 wie in 2 gezeigt zu bilden. Durch das Ätzen wird die AlGaAs-Schicht 14 mit einem hohen Aluminiumanteil neben der aktiven Schicht 12 an den Kanten der Mesastruktur 22 freigelegt. Um den laseremittierenden Bereich bzw. die Öffnung" zu bilden, wird die AlGaAs-Schicht wie durch die Pfeile A wiedergegeben lateral von den Kanten zum Zentrum der Mesastruktur oxidiert. Die anderen Schichten in der Struktur bleiben im wesentlichen nicht-oxidiert, weil ihr Aluminiumanteil niedriger ist. Folglich sind auch ihre Oxidationsraten wesentlich niedriger. Deshalb werden nur die oxidierten Teile der Schicht mit dem hohen Aluminiumanteil durch den Oxidationsprozess nicht-leitend gemacht. Der restliche nicht-oxidierte und leitende Bereich in der AlGaAs-Schicht bildet die sogenannte Öffnung", d.h. einen Bereich, der den Strompfad in der Laserstruktur und damit den Bereich der Laseremission bestimmt. Ein durch diese Technik ausgebildeter VCSEL wird in "Selectively Oxidized Vertical Cavity Emitting Lasers With 50% Power Conversion Efficiency", Electronic Letters, vol. 31, pp. 208-209 (1995) beschrieben.
Der gegenwärtige Ansatz der lateralen Oxidation weist mehrere Nachteile wie etwa eine große Mesa, einen großen Oxidationsbereich und eine schlechte Kontrolle der Öffnungsgröße auf. Ein wesentlicher Nachteil dieses Ansatzes besteht darin, dass sich der Umfang der Oxidation schwierig kontrollierten lässt. Allgemein liegt die gewünschte Öffnung im Bereich von einem bis zu zehn Mikrometer (μm), was bedeutet, dass einige zehn Mikrometer der lateralen Oxidation für die Herstellung der Vorrichtung erforderlich sind, wenn von den Seiten der viel größeren Mesa mit einer Größe von gewöhnlich 50 bis 100 Mikrometer nach innen oxidiert wird. Weil die Größe der resultierenden Öffnung in Relation zu der Größe der lateralen Oxidationsbereiche klein ist, weisen die ausgebildeten Vorrichtungen allgemein starke Abweichungen der Öffnungsgröße auf, die auf die ungleichmäßigen Oxidationsraten bei verschiedenen Wafern und innerhalb eines bestimmten Wafers zurückzuführen sind. Die Oxidationsrate von AlGaAs hängt stark von der Aluminiumzusammensetzung ab. Jede Ungleichmäßigkeit der Zusammensetzung äußert sich in Änderungen der Oxidationsrate, wodurch wiederum der Umfang der Oxidation beeinflusst wird. Der Prozess ist also relativ temperaturempfindlich. Wenn die Oxidationsrate variiert, lässt sich der Umfang der Oxidation einer Laserstruktur schwierig kontrollieren, wodurch die Reproduzierbarkeit der Geräteleistung beeinträchtigt wird. Kurz gesagt, führt ein derartiger Prozess zu verschiedenen Problemen bei der Herstellung und der Ausbeute.
Ein weiterer Nachteil eines durch den herkömmlichen Ansatz der lateralen Oxidation hergestellten VCSEL liegt in der Schwierigkeit, die sich für die Herstellung von Laserarrays mit hoher Dichte ergeben. Um eine vergrabene Schicht mit einem hohen Aluminiumanteil zu oxidieren, wird ein Ätzprozess durchgeführt, der eine Mesa hinterlässt. Nach dem Ätzen dieser Mesa wird eine laterale Oxidation derart durchgeführt, dass die oxidierten Bereiche eine Laseröffnung mit einer bestimmten Größe definieren. Die Verwendung einer Mesastruktur reduziert den Mindestabstand zwischen zwei Lasern in einer Array. Die Stufenhöhe der Mesa beträgt gewöhnlich mehrere Mikrometer, weil durch einen dicken oberen DBR-Spiegel geätzt werden muss. Außerdem muss die Oberfläche der Mesa relativ groß sein, damit ein Metallkontakt auf derselben ausgebildet werden kann, ohne die Laseröffnung zu verdecken. Gewöhnlich beträgt die Mindestgröße eines elektrischen Kontakts ungefähr 50 × 50 μm². Die Stufenhöhe der Meas und die Platzierung des elektrischen Kontakts auf der Oberfläche erschweren also die Ausbildung von sehr kompakten Laserarrays mit einer hohen Dichte.
Eine Lösung für einige der mit einer gewöhnlichen Mesastruktur assoziierten Probleme besteht in der Verwendung einer flachen Mesa. Um die flache Mesa zu verwenden, wird der obere Spiegel nicht durch einen epitaxialen Prozess ausgebildet. Statt dessen wird der obere Spiegel durch ein aufgebrachtes dielektrisches Mehrschichtmaterial gebildet, das Licht reflektiert. Der elektrische Kontakt wird direkt auf dem oberen Teil des aktiven Bereichs ausgebildet. Unter Verwendung dieses Ansatzes ausgebildete Vorrichtungen wurden auf Mesas mit Breiten von ungefähr zwölf Mikrometer hergestellt. Die zusätzliche Komplexität für die Aufbringung eines dielektrischen Materials und die Verwendung eines Abhebungsprozesses für die Ausbildung des Kontakts erschweren jedoch eine Optimierung der Vorrichtungen für einen niedrigen Schwellenstrom und eine hohe Effizienz.
Schließlich leidet ein durch den herkömmlichen Ansatz der lateralen Oxidation hergestellter VCSEL häufig unter einer schlechten mechanischen oder strukturellen Integrität. Es ist wohlbekannt, dass der nach oben gerichtete Druck während eines Packprozesses eine Delamination der gesamten Mesa verursachen kann, weil das Bonding der Oxidschicht an dem nicht-oxidierten GaAs oder AlGaAs allgemein schwach ist.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist nach Anspruch 1 ein Verfahren zum Herstellen einer oberflächenemittierenden Laservorrichtung angegeben, das folgende Schritte umfasst: (A) Ausbilden einer Reihe von Schichten auf einem Substrat, wobei die Reihe eine aktive Schicht und eine Stromsteuerschicht zum Steuern des Stromflusses in der aktiven Schicht umfasst, wobei die aktive Schicht und die Stromsteuerschicht jeweils ein Halbleitermaterial umfassen; dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (A) folgende Teilschritte umfasst: (A1) Ausbilden von Sätzen von Hohlräumen, die sich wenigstens in der Stromsteuerschicht erstrecken; (A2) Ausbilden eines nicht-leitenden Bereichs um jeden Hohlraum herum in der Stromsteuerschicht; wobei der nicht-leitende Bereich jedes Satzes von Hohlräumen im wesentlichen an einen leitenden Öffnungsbereich in der Stromsteuerschicht grenzt, wobei der Öffnungsbereich dazu dient, den durch einen aktiven Bereich in der aktiven Schicht fließenden Strom zu steuern.
Die Erfindung nimmt also auf Probleme einschließlich der weiter oben beschriebenen Probleme Bezug, die bei der Herstellung von VCSELs auftreten. Insbesondere nimmt die Erfindung auf Probleme mit Mesastrukturen einschließlich von Problemen Bezug, die aus einer lateralen Oxidation entstehen.
Die Erfindung gibt Techniken an, die auf VCSELs des Typs angewendet werden können, der eine Reihe von auf einem Substrat erzeugten Schichten einschließlich einer aktiven Schicht und einer Stromsteuerschicht umfasst, die jeweils Halbleitermaterial enthalten. Die Techniken sehen Quellen in der Stromsteuerschicht vor, wobei jede Quelle durch einen nichtleitenden Bereich umgeben ist. Gemeinsam grenzen die nicht-leitenden Bereiche eines Satzes von Quellen (im wesentlichen) an einen leitenden Öffnungsbereich, der den Stromfluss durch einen aktiven Bereich in der aktiven Schicht steuert.
Die Quellen können zum Beispiel Hohlräume sein, von denen sich die Oxidation zur Ausbildung eines nichtleitenden Bereichs ausbreitet.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist nach Anspruch 4 eine oberflächenemittierende Laservorrichtung angegeben, die umfasst: eine Reihe von Schichten, die auf dem Substrat ausgebildet sind, einschließlich einer aktiven Schicht und einer Stromsteuerschicht zum Steuern des Stromflusses in der aktiven Schicht, wobei die aktive Schicht und die Stromsteuerschicht jeweils Halbleitermaterial enthalten, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Sätze von Hohlräumen umfasst, die sich wenigstens in der Stromsteuerschicht erstrecken und dass jeder der Sätze von Hohlräumen durch einen nicht-leitenden Bereich in der Stromsteuerschicht umgeben ist, wobei der nicht-leitende Bereich jedes Satzes von Hohlräumen im wesentlichen an einen leitenden Öffnungsbereich in der Stromsteuerschicht grenzt, wobei der Öffnungsbereich den durch einen aktiven Bereich in der aktiven Schicht fließenden Strom steuert.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Array von oberflächenemittierenden Lasern vorgesehen, wobei jeder Laser wie oben beschrieben beschaffen ist.
Die Erfindung kann in einer sehr kompakten VCSEL-Struktur mit wohldefinierten und wohlkontrollierten oxidierten Bereichen implementiert werden, die zur Definition der Laseröffnung einer Laserstruktur verwendet werden können. Diese oxidierten Bereiche können durch eine Vielzahl von Hohlräumen gebildet werden, die in einem vorbestimmten Muster in der Laserstruktur angeordnet sind. Die Laseröffnung kann ein nicht-oxidierter Bereich sein, der durch die oxidierten Bereiche um die Hohlräume herum begrenzt wird. Während des Oxidationsprozesses kann eine in der Halbleiterstruktur eingebettete AlGaAs-Schicht mit hohem Aluminiumanteil von diesen Hohlräumen radial nach außen oxidiert werden, bis die oxidierten Bereiche zwischen zwei benachbarten Hohlräumen überlappen. Die AlGaAs-Schicht mit dem hohen Aluminiumanteil zum Bilden der oxidierten Bereiche und Öffnung werden häufig als „Oxidationsschicht" bezeichnet.
Ein Vorteil der oben beschriebenen Techniken besteht darin, dass die Dimension der oxidierten Bereiche, die die Laseröffnung definieren, mit der Dimension der Laseröffnung selbst vergleichbar ist. Allgemein hängen die Oxidationsraten von AlGaAs von der Materialzusammensetzung und den Prozessparametern ab, die eine wesentliche Ungleichmäßigkeit aufweisen. Diese Ungleichmäßigkeiten üben einen verminderten Einfluss aus, wenn das Verhältnis zwischen der Größe der oxidierten Bereiche zu der Größe der endgültigen Laseröffnung reduziert wird. Weil mit anderen Worten der Umfang der Oxidation zum Ausbilden der Laseröffnung dramatisch reduziert wird, ist die Öffnungsgröße weniger empfindlich für Material- oder Prozessvariationen. Dadurch können wohldefinierte und wohlkontrollierte Öffnungen erhalten werden.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Techniken keine Ausbildung von einer relativ großen und tiefen Mesastruktur erfordern, sodass der Abstand zwischen zwei Lasern in einer Array stark reduziert ist. Die Techniken sind also besonders gut geeignet für die Herstellung von stark kompakten Lasern oder Laseranordnungen mit hoher Dichte.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Techniken sehr planare Laserstrukturen erzeugen, wodurch Mesastrukturen mit einer steilen Stufenhöhe vermieden werden. Eine derartige planare Technologie verbessert die strukturelle und mechanische Stabilität der Vorrichtungen und vereinfacht die Ausbildung von elektrischen Kontakten an den Vorrichtungen.
Die Laservorrichtung kann auch zwei Reflektoren umfassen, nämlich jeweils einen auf jeder Seite der aktiven Schicht, wobei einer der Reflektoren eine Teilübertragung der Lichtenergie zulässt. Die Vorrichtung umfasst auch Elektroden, die auf gegenüberliegenden Seiten der Vorrichtung angeordnet sind, um eine Vorspannung des aktiven Bereichs zu ermöglichen. Eine Elektrode kann auf der emittierenden Oberfläche vorgesehen sein und den Öffnungsbereich überlagern. Diese Elektrode kann nicht-transparent ausgebildet sein und eine Öffnung aufweisen, durch die Lichtenergie aus der Vorrichtung übertragen werden kann; sie kann aber auch transparent sein und eine Teilübertragung der Lichtenergie gestatten.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1 und 2 zeigen einen Ansatz aus dem Stand der Technik für die Ausbildung einer Laseröffnung in einer VCSEL-Struktur.
3 ist eine seitliche Schnittansicht einer Halbleiterstruktur.
4 ist eine Draufsicht auf einen Teil einer Maske, die auf die Halbleiterstruktur von 3 angewendet werden kann.
5 ist eine seitliche Teilschnittansicht der Halbleiterstruktur von 3 mit einem darin geätzten Hohlraum.
6 ist eine vereinfachte Draufsicht auf einen Teil einer Oxidationsschicht, wobei die darüber liegenden Schichten entfernt wurden.
7 ist eine Querschnittansicht im wesentlichen entlang der Linie 7-7 von 6 und 9.
8 ist eine Querschnittansicht im wesentlichen entlang der Linie 8-8 in 6 und 9.
9 ist eine Draufsicht auf zwei benachbarte VCSEL-Strukturen mit einem nicht-transparenten oberen Kontakt.
10 ist eine Draufsicht auf zwei benachbarte VCSEL-Strukturen mit einem transparenten oberen Kontakt.
11 zeigt eine Laserstruktur, deren Öffnung durch ein dreieckiges Begrenzungsmusters aus Hohlräumen definiert ist.
12 zeigt eine Array aus Lasern, die durch eine Wiederholung des dreieckigen Begrenzungsmusters von 11 gebildet wird.
13 zeigt eine Laserstruktur, deren Öffnung durch ein Begrenzungsmuster aus vier in einem quadratischen Begrenzungsmuster angeordneten Hohlräumen gebildet wird.
14 zeigt eine Anordnung von Lasern, die durch eine Wiederholung des quadratischen Begrenzungsmusters von 13 gebildet wird.
15 zeigt eine andere Anordnung von Lasern, die durch eine Wiederholung des quadratischen Begrenzungsmusters von 13 gebildet wird.
16 zeigt eine Laserstruktur, deren Öffnung durch ein Begrenzungsmuster aus sechs in einem hexagonalen Muster angeordneten Hohlräumen gebildet wird.
17 zeigt eine Anordnung von Lasern, die durch eine Wiederholung der hexagonalen Begrenzungsmuster von 16 gebildet wird.
18 zeigt eine andere Anordnung von Lasern, die durch eine alternative Wiederholung der hexagonalen Muster von 16 gebildet wird.
3 zeigt eine Halbleiterstruktur mit einer Anzahl von Halbleiterschichten, die verwendet werden können, um einen Vertikalhohlraum-oberflächenemittierenden Laser zu bilden. Es ist zu beachten, dass die Schichten nur schematisch wiedergegeben sind und die relative Dicke derselben nicht korrekt wiedergegeben ist. Wie in 3 gezeigt, ist eine n-Typ-GaAs-Pufferschicht 102 mit einer Dicke von ungefähr 200 nm auf einem n-Typ-GaAs-Substrat 100 unter Verwendung eines epitaxialen Aufbringungsprozesses aufgebracht, der als metall- organischer chemischer Aufdampfungsprozess („MOCVD") bezeichnet wird. Der Dotierungspegel des n-Typ-GaAs-Substrats und des GaAs-Puffers liegt gewöhnlich im Bereich von 3 × 10¹⁸ cm^–3 bis 7 × 10¹⁸ cm^–3, sodass ein ausreichend niedriger Widerstand in diesen Schichten erhalten werden kann. Die Halbleiterschichten können auch mittels einer Flüssigphasen-Epitaxie („LPE"), einer Molekularstrahl-Epitaxie („MBE") oder eines anderen bekannten Prozesses für das Kristallwachstum aufgebracht werden.
Über der GaAs-Pufferschicht 102 liegt eine Supergitterstruktur zum Ausbilden eines unteren verteilten Bragg-Reflektors („DBR") 104, der einen Teil der internen Reflexion in einer VCSEL-Struktur vorsieht. Der untere DBR 104 wird gewöhnlich durch mehrere Paaren aus einer AlGaAs-Schicht mit einem hohen Aluminiumanteil und einer anderen AlGaAs-Schicht mit einem niedrigen Aluminiumanteil gebildet. Nach dem Wachsen einer Anzahl von Schichtpaaren wird eine abschließende AlGaAs-Schicht mit einem hohen Aluminiumanteil aufgebracht, bevor die erste Mantelschicht 106 des optischen Hohlraums wachsen gelassen wird. Die typische Dicke jedes Schichtpaars liegt bei ungefähr 120 nm für einen Laser, der mit 820 nm emittiert. Die Gesamtdicke jedes Schichtpaars wird gleich der Hälfte der optischen Wellenlänge bei der gewünschten Wellenlänge des Laserbetriebs vorgesehen. Die Dicke der abschließenden Schicht mit hohem Aluminiumanteil ist gleich einem Viertel der optischen Wellenlänge bei der gewünschten Wellenlänge des Laserbetriebs vorgesehen. Die AlGaAs-Schicht mit einem hohen Aluminiumanteil enthält ungefähr 86% Aluminium. Der Aluminiumanteil der AlGaAs-Schicht mit einem hohen Aluminiumanteil sollte ausreichend hoch sein, dass ein niedriger Brechungsindex vorgesehen wird, aber nicht so hoch, dass eine einfache Oxidation auftritt. Die AlGaAs-Schicht mit einem niedrigen Aluminiumanteil weist einen Aluminiumanteil von ungefähr 16% auf. Die Zusammensetzung der AlGaAs-Schicht mit einem niedrigen Aluminiumanteil sollte einen ausreichenden Aluminiumanteil aufweisen, sodass sie bei der Laserwellenlänge nicht absorptiv ist.
Weil bei dieser Ausführungsform Licht durch die Oberfläche der Halbleiterprobe ausgekoppelt wird, sollte der Reflexionsgrad des unteren DBR 104 so nahe wie möglich bei 100% liegen, um eine hohe interne Reflexion zu erhalten. Eine hohe interne Reflexion reduziert gewöhnlich den Schwellenstrom eines Lasers. Es ist wohlbekannt, dass die Reflexion des unteren DBR 104 gewöhnlich von der Differenz zwischen den Brechungsindizes der zwei AlGaAs-Schichten des Supergitters und von der Anzahl der Schichtpaare in der Struktur abhängig ist. Je größer die Differenz zwischen den Brechungsindizes, desto kleiner ist die Anzahl der Paare, die zum Erhalten eines bestimmten Reflexionsgrads erforderlich sind. Gewöhnlich werden 30 bis 40 Paare von AlGaAs-Schichten verwendet, um die untere DBR-Struktur 104 zu bilden.
Nachdem die untere DBR-Struktur 104 epitaxial aufgebracht wurde, wird eine AlGaAs-Mantelschicht 106 aufgebracht. Die untere AlGaAs-Mantelschicht 106 weist einen Aluminiumanteil von ungefähr 58% auf und ist vom n-Typ mit einem Dotierungspegel von 1 × 10¹⁸ cm^–3 bis 5 × 10¹⁸ cm^–3. Ihre Dicke beträgt ungefähr 100 nm. Über dieser AlGaAs-Mantelschicht 106 befindet sich die aktive Schicht 108 der Laserstruktur, die vier Quantenquellen mit einer Dicke von fünf bis zehn nm umfasst, die durch drei Begrenzungen mit einer Dicke von zwei bis acht nm voneinander getrennt sind. Je nach der gewünschten Ausgangswellenlänge der Laserstruktur kann reines GaAs oder AlGaAs mit einem niedrigen Aluminiumanteil verwendet werden, um die Quantenquellstrukturen zu bilden. Bei dieser Ausführungsform werden die Quantenquellen gewöhnlich durch nicht-dotiertes AlGaAs mit einem Aluminiumanteil von ungefähr 7% gebildet. Nichts in dieser Erfindung steht der Verwendung von einer einzigen Quantenquelle oder von mehreren Quantenquellstrukturen („MQW") zur Ausbildung der aktiven Schicht 108 im Weg.
Über der aktiven Schicht 108 befindet sich eine obere AlGaAs-Mantelschicht 110, die in ihrer Struktur der unteren AlGaAs-Mantelschicht 106 mit Ausnahme der Polarität der Dotierungsmittel ähnlich ist. Diese obere Mantelschicht 110 weist einen Aluminiumanteil von ungefähr 58% auf, ist aber vom p-Typ mit einem Dotierungspegel von 1 × 10¹⁸ cm^–3 bis 4 × 10¹⁸ cm^–3. Ähnlich wie die untere AlGaAs-Manteilschicht 106 beträgt die Dicke der oberen Mantelschicht 110 ungefähr 100 nm. Diese zwei AlGaAs-Mantelschichten 106 und 110 bilden zusammen mit der aktiven Schicht 108 allgemein den optischen Hohlraum, in dem die gewünschte optische Verstärkung erhalten werden kann. Die Gesamtdicke der Schichten 106, 108 und 110 wird eingestellt, um einem ganzzahligen Vielfachen der gewünschten Wellenlänge der Laseroperation zu entsprechen.
Über der oberen AlGaAs-Mantelschicht 110 befindet sich eine Oxidationsschicht 112, die verwendet wird, um die Laseröffnung zu bilden. Die Laseröffnung steuert den Stromfluss und damit die Lasererzeugungsposition in der aktiven Schicht 108. Bei dieser Ausführungsform befindet sich die Oxidationsschicht 112 über der oberen AlGaAs-Mantelschicht 110. Nichts steht in dieser Erfindung der Platzierung der Oxidationsschicht 112 an einer anderen Position entweder weiter oben oder unter der aktiven Schicht 108 entgegen. Gewöhnlich weist die Oxidationsschicht 112 einen Aluminiumanteil von ungefähr 95% und eine Dicke von ungefähr 70 nm auf. Diese Oxidationsschicht 112 bildet gewöhnlich die erste Schicht eines oberen DBR-Spiegels und enthält ein p-Typ-Dotierungsmittel.
Nachdem die Oxidationsschicht 112 gebildet wurde, wird der Rest eines oberen DBR-Spiegels 114 aufgebracht, der ein p-Typ-Dotierungsmittel enthält. Der obere DBR-Spiegel 114 ist strukturell dem unteren DBR-Spiegel 104 mit Ausnahme der Polarität der Dotierungsmittel ähnlich. Außerdem weist die Spiegelschicht, die auf jeder Seite der aktiven Schicht am nächsten ist, allgemein einen hohen Aluminiumanteil auf. In dieser Ausführungsform ist diese Schicht mit einem hohen Aluminiumanteil auch die Oxidationsschicht 112. In dieser Ausführungsform liegt der Reflexionsgrad des oberen DBR 114 bei 98% bis 99%, weil das Licht durch die Oberfläche der Halbleiterprobe ausgekoppelt wird. Gewöhnlich werden 20 bis 25 Paare von alternierenden AlGaAs-Schichten verwendet, um diesen oberen DBR-Spiegel 114 zu bilden.
4 ist eine Draufsicht auf einen Teil einer Maske, die in einer Ausführungsform auf die Halbleiterstruktur von 3 angewendet werden kann. Zuerst wird auf herkömmliche Weise eine gleichmäßige Schicht aus Siliziumnitrid über der gesamten Halbleiterprobe aufgebracht. Dann wird eine Photoresistschicht 118 über der Siliziumnitridschicht aufgetragen und durch einen photolithographischen Prozess, der Photoresistmaterial von vier kreisförmigen Bereichen 120 entfernt, zu der in 4 gezeigten Maske geformt. Die kreisförmigen Bereiche 120 bilden ein vorbestimmtes Begrenzungsmuster, das später verwendet wird, um die resultierende Öffnung einer Laserstruktur zu definieren.
Wie in 5 gezeigt, wird die Probe dann einem Ätzprozess unterworfen, in dem zylindrische Hohlräume 126 in der Halbleiterstruktur durch die vier freiliegenden kreisförmigen Bereiche 120 gebildet werden. Das Ätzen wird durch einen Prozess wie etwa ein reaktives Ionenätzen ausgebildet, der die Formung einer tiefen Vertiefung mit vertikalen Seitenwänden ermöglicht. Die Tiefe jedes zylindrischen Hohlraums sollte sich wie in 5 gezeigt wenigstens in die Oxidationsschicht 112 erstrecken. Nach der Ausbildung der zylindrischen Hohlräume und der Entfernung des restlichen Photoresists von der Oberfläche wird die Halbleiterprobe einer Oxidation unterworfen. Die Probe wird mit Wasserdampf in einer Stickstoffumgebung bei erhöhten Temperaturen von über 350°C oxidiert. Während des Oxidationsprozesses wird die Oxidationsschicht 112 wie durch die Pfeile 8 angegeben durch jeden zylindrischen Hohlraum der Umgebung ausgesetzt. Die Oxidationsschicht 112, die ein AlGaAs mit einem hohen Aluminiumanteil umfasst, wird von jedem Hohlraum 126 radial nach außen oxidiert, bis die oxidierten Bereiche 124 um jeden Hohlraum herum sich einander annähern und wie in 6 gezeigt überlappen. Ein kleiner nicht-oxidierter Zwischenraum zwischen den oxidierten Bereichen kann toleriert werden, solange die elektrischen und optischen Felder entsprechend begrenzt werden können. Der Querschnitt der Hohlräume wurde als zylindrisch beschrieben, wobei aber ein beliebiger geeigneter Querschnitt verwendet werden kann.
Während des Oxidationsprozesses bleiben die anderen Schichten in der Struktur im wesentlichen nicht-oxidiert, weil ihr Aluminiumanteil niedriger ist. Die Oxidationsrate von AlGaAs erhöht sich mit dem Aluminiumanteil allgemein exponentiell bei konstanter Temperatur. Die Zeitdauer des Oxidationsprozesses hängt von dem Aluminiumanteil in der Oxidationsschicht 112 und der Oxidationstemperatur ab. Eine vorteilhafte und kontrollierbare Oxidationsdauer liegt im Bereich von einigen zehn Minuten. Die oxidierte Schicht ist deshalb das AlGaAs, das einen Aluminiumanteil von beinahe 95% aufweist. Der nicht oxidiert bleibende Teil der AlGaAs-Schicht steuert den Strompfad durch die aktive Schicht 108.
6 ist eine stark vereinfachte Draufsicht auf die Oxidationsschicht 112 in 3, wobei angenommen wird, dass die darüber liegenden Schichten entfernt wurden. Der schraffierte Bereich 122 gibt die Laseröffnung in der Oxidationsschicht 112 wieder, die den Bereich der Laseremission durch die aktive Schicht 108 bestimmt. Er wird durch den Oxidationsprozess der oben beschriebenen Ausführungsform ausgebildet. Während des Oxidationsprozesses treten die Oxidationsfronten durch die Oxidationsschicht von dem Muster der vier Hohlräume 126 hervor, wobei der schraffierte Bereich 122 durch die Kreuzung der Grenzen der oxidierten Bereiche 124 gebildet wird. Die aus den zylindrischen Hohlräumen 126 hervortretenden Oxidationsfronten sind auch allgemein zylindrisch, was überlappende oxidierte Bereiche 124 zur Folge hat. Das Zentrum der überlappenden Bereiche 124 bleibt nicht-oxidiert. Dieser nicht-oxidierte Bereich bildet den schraffierten Bereich 122, der die Öffnung der Laserstruktur darstellt. Nach dem Oxidationsprozess wird ein im Folgenden beschriebener Ionenimplantationsprozess verwendet, um einen Isolationsbereich 130 zu bilden, der die Laserstruktur von der benachbarten Laserstruktur trennt.
Nach dem Oxidationsprozess werden die Bereiche 124 oxidiert, wobei der nicht-oxidierte Teil 122 die Öffnung bildet, die den Strompfad durch die aktive Schicht 108 steuert. Der Stromfluss durch diesen Teil der aktiven Schicht 108, der unter der Schicht 122 liegt, resultiert in einer injizierten Dichte von p-Typ- und n-Typ-Trägern und damit in einer optischen Verstärkung. Bei einem ausreichend hohen Stromfluss führt diese optische Verstärkung in Kombination mit der Rückkopplung von den DBR-Spiegeln 104 und 114 zu einer Laseroszillation und Emission von der aktiven Schicht in dem durch die Öffnung 122 in der Oxidationsschicht 112 definierten Bereich.
Der Isolationsbereich 130 (gezeigt in 6, 7 und 8), der unter Verwendung eines Ionenimplantations-Isolationsprozesses gebildet wird, weist einen hohen Widerstand auf. Typische Implantationsenergien in einem derartigen Prozess liegen bei 50 KeV, 100 KeV und 200 KeV. Die gewöhnliche Dosis liegt bei 3 × 10¹⁵ cm^–2 bei jedem Energiepegel. Das zum Ausbilden des Isolationsbereichs 402 verwendete Ion ist Wasserstoff.
Nach dem Isolationsprozess werden Metallkontakte 132 und 134 wie in 7, 8 und 9 gezeigt auf der oberen und unteren Fläche der Halbleiterstruktur ausgebildet, um den Laser vorzuspannen. Ein typisches für die Ausbildung der Kontakte verwendetes Material ist ein Titan/Gold-Zweischichtfilm.
9 zeigt eine Draufsicht auf eine VCSEL-Struktur gemäß einer Ausführungsform nach einem gewöhnlichen Metallisierungsprozess zum Ausbilden des oberen Kontakts 132. Ansichten in der Richtung der Schnittlinien 7-7 und 8-8 sind in 7 und 8 gezeigt. Der obere Kontakt 132 ist allgemein wie ein Schlüsselloch geformt und umfasst einen kreisrunden Teil 134 sowie einen Verlängerungsteil 136. Der kreisrunde Teil liegt innerhalb der Hohlräume 126 und über der Laseröffnung 122. Weil er nicht transparent ist, ist er ringförmig ausgebildet, damit Licht durch die zentrale Öffnung ausgekoppelt werden kann. Die Breite „W" des ringförmigen Teils 134 ist gewöhnlich durch die minimale Linienbreite begrenzt, die mit der verwendeten Verarbeitungstechnologie erzielt werden kann, wodurch eine untere Grenze für den Abstand zwischen benachbarten VCSEL-Strukturen gesetzt wird. Ein gewöhnlicher Abstand zwischen den Zentren von zwei benachbarten VCSEL-Öffnungen 122 ist deshalb gleich 4W. Wenn jedoch ein transparenter Leiter verwendet wird, sollte der Abstand zwischen benachbarten VCSEL-Strukturen weiter reduziert werden, weil der obere Kontakt die Laseröffnung 122 überlagern könnte. Der Abstand kann also wie in 9 gezeigt auf die Größenordnung 2W reduziert werden. Ein typischer transparenter Leiter ist Indiumzinnoxid („ITO"), das mittels eines Zerstäubungsprozesses aufgetragen werden kann. Eine alternative Ausführungsform des oberen Kontakts ist in 10 gezeigt und wird durch das Bezugszeichen 138 identifiziert. Sie umfasst einen transparenten leitenden Kontaktfinger 140 und einen Kontakthügel 142, wobei der Kontaktfinger die Laseröffnung 122 überlagert. Nach der Ausbildung eines elektrischen Kontakts auf der Oberfläche wird die untere Elektrode 134 durch das Auftragen von Metall auf die untere Fläche des Substrats 100 ausgebildet.
11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 und 18 zeigen alternative Packungsanordnungen zum Ausbilden einer Array von Lasern in anderen Ausführungsformen. In der Laservorrichtung von 11 und in einer Array aus derartigen Vorrichtungen in 12 umfasst jede Laserstruktur eine Öffnung 222, die durch oxidierte Bereiche 224 um ein Begrenzungsmuster aus drei zylindrischen Hohlräumen 226 an den Scheiteln eines gleichseitigen Dreiecks herum definiert wird. Der Abstand zwischen den Zentren von jeweils zwei benachbarten Hohlräumen ist gleich „S". Wie zuvor genannt wird während des Oxidationsprozesses eine eingebettete AlGaAs-Schicht mit einem hohen Aluminiumanteil von den zylindrischen Hohlräumen 226 radial nach außen oxidiert, bis die oxidierten Bereiche 224 einander überlappen, um die nicht-oxidierte Laseröffnung 222 zu bilden. Die in 11 gezeigte Packungsanordnung kann wiederholt werden, um eine Laserarray wie in 12 gezeigt zu bilden. Wenn der Abstand zwischen den Zentren von zwei zylindrischen Hohlräumen gleich S ist, ist ein typsicher linearer Abstand L zwischen zwei Laseröffnungen ungefähr gleich S/2.
In der Laservorrichtung von 13 und in den Arrays von 14 und 15 ist ein quadratisches Begrenzungsmuster aus zylindrischen Hohlräumen 126 gezeigt. Die oxidierten Bereiche 124 überlappen einander, um die nicht-oxidierte Laseröffnung 122 zu bilden. Diese in 13 gezeigte Packungsanordnung kann wiederholt werden, um eine Laserarray wie in 14 oder 15 gezeigt zu bilden. Wenn eine Packungsanordnung wie in 14 gezeigt verwendet wird und der Abstand zwischen den Zentren von zwei benachbarten zylindrischen Hohlräumen gleich S ist, ist ein typischer linearer Abstand L zwischen zwei Laseröffnungen ungefähr gleich S/2. Wenn eine Anordnung wie in 15 verwendet wird und der Abstand zwischen den Zentren von zwei zylindrischen Vertiefungen gleich S ist, ist ein typischer linearer Abstand L zwischen zwei Laseröffnungen ungefähr gleich √2×S.
In der Laservorrichtung von 16 und den Arrays von 17 und 18 ist ein hexagonales Begrenzungsmuster aus zylindrischen Hohlräumen gezeigt. Es ist zu beachten, dass die Hohlräume 326 auch an den Scheiteln eines beliebigen anderen Polygons angeordnet sein können. Wie in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen wird die Laseröffnung durch den nicht-oxidierten Bereich 322 gebildet der durch die oxidierten Bereiche 324 definiert wird. Die in 16 gezeigte Packungsanordnung kann wiederholt werden, um eine Laserarray wie in 17 oder 18 gezeigt zu bilden. Wenn eine Anordnung wie in 17 verwendet wird und der Abstand zwischen den Zentren von zwei benachbarten zylindrischen Hohlräumen gleich S ist, ist ein typischer linearer Abstand L zwischen zwei Laseröffnungen ungefähr gleich 1,5S. Wenn eine Anordnung wie in 18 verwendet wird, ist der kleinste lineare Abstand L zwischen zwei Laseröffnungen ungefähr gleich √3×0,5S.
Die vorstehend genannten Zusammensetzungen, Dotierungsmittel, Dotierungspegel und Dimensionen sind lediglich beispielhaft, wobei Variationen an diesen Parametern möglich sind. Außerdem können andere Schichten zusätzlich zu den in den Figuren gezeigten vorgesehen sein. Weiterhin sind Variationen an den Textbedingungen wie etwa der Temperatur und der Zeit möglich. Schließlich können anstelle von GaAs und GaAlAs auch andere Halbleitermaterialien wie GaAlSb, InAlGaP oder andere III-V-Legierungen verwendet werden.
Es wurden Ausführungsformen beschrieben, in denen nicht-leitende Bereiche aufeinander treffen oder einander geringfügig überlappen. Wie zuvor genannt können jedoch nicht-oxidierte Zwischenräume zwischen nicht-leitenden Bereichen vorhanden sein. Es ist lediglich erforderlich, dass die nicht-leitenden Bereiche im wesentlichen an einen leitenden Bereich grenzen, sodass die elektrischen und optischen Felder entsprechend begrenzt werden, damit der leitende Bereich als Laserhohlraum dienen kann.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer oberflächenemittierenden Laservorrichtung, mit folgendem Schritt: (A) Ausbilden einer Reihe von Schichten auf einem Substrat (100), wobei die Reihe eine aktive Schicht (108) und eine Stromsteuerschicht (112) zum Steuern des Stromflusses in der aktiven Schicht (108) umfasst, wobei die aktive Schicht (108) und die Stromsteuerschicht (112) jeweils Halbleitermaterial enthalten, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (A) folgende Teilschritte umfasst: (A1) Ausbilden von Sätzen von Hohlräumen (126; 226; 326), die sich wenigstens in der Stromsteuerschicht (112) erstrecken, (A2) Ausbilden von einem nicht-leitenden Bereichen (124; 224; 324) um jeden der Hohlräume (126; 226; 326) herum in der Stromsteuerschicht (112), wobei der nicht-leitende Bereich (124; 224; 324) jedes Satzes von Hohlräumen (126; 226; 326) im wesentlichen an einen leitenden Öffnungsbereich (122; 222; 322) in der Stromsteuerschicht (112) grenzt, wobei der Öffnungsbereich (122; 222; 322) dazu dient, den durch einen aktiven Bereich in der aktiven Schicht (108) fließenden Strom zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Teilschritt (A2) das Vorsehen einer Oxidierungsumgebung durch die Hohlräume (126; 226; 326) umfasst, um die nicht-leitenden Bereiche (124; 224; 324) durch eine Oxidation auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Oxidierungsumgebung für eine Zeitdauer vorgesehen wird, die ausreicht, damit die nicht-leitenden Bereiche (124; 224; 324) an den leitenden Öffnungsbereich grenzen.
Oberflächenemittierende Laservorrichtung, mit: einem Substrat (100), einer Reihe von Schichten, die auf dem Substrat (100) ausgebildet sind und eine aktive Schicht (108) und eine Stromsteuerschicht (112) zum Steuern des Stromflusses in der aktiven Schicht (108) umfassen, wobei die aktive Schicht (108) und die Stromsteuerschicht (112) jeweils Halbleitermaterial enthalten, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Sätze von Hohlräumen (126; 226, 326) enthält, die sich wenigstens in der Stromsteuerschicht (112) erstrecken, und dass jeder der Hohlräume (126; 226; 326) durch einen nicht-leitenden Bereich (124; 224; 324) in der Stromsteuerschicht (112) umgeben ist, wobei die nicht-leitenden Bereiche (124; 224; 324) jedes aus dem Satz der Hohlräume (126, 226, 326) im wesentlichen an einen leitenden Öffnungsbereich (122; 222, 322) in der Stromsteuerschicht (112) grenzt, wobei der Öffnungsbereich (122; 222; 322) dazu dient, den durch einen aktiven Bereich in der aktiven Schicht (108) fließenden Strom zu steuern.
Oberflächenemittierende Laservorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Stromsteuerschicht (112) eine Oxidationsschicht ist, wobei der leitende Bereich (122; 222; 322) ein nicht-oxidierter Teil der Oxidationsschicht ist und wobei die nicht-leitenden Bereiche (124; 224; 324) oxidierte Teile der Oxidationsschicht sind.
Oberflächenemittierende Laservorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Oxidationsschicht (112) eine Aluminium enthaltende Halbleiterschicht ist.
Oberflächenemittierende Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Reihe von Schichten ein Arsenidmaterial der Gruppe III-V enthält.
Oberflächenemittierende Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei der Satz von Hohlräumen (126; 226; 326) in einem gleichseitigen dreieckigen Begrenzungsmuster, einem quadratischen Begrenzungsmuster oder einem regelmäßigen hexagonalen Begrenzungsmuster angeordnet ist.
Array aus oberflächenemittierenden Lasern, wobei jeder der oberflächenemittierenden Laser eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8 umfasst.