DE102017108104A1 - Surface emitting semiconductor laser and method for its production - Google Patents
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Abstract
Es wird ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser (100) mit einem von Reflektoren (2, 6) gebildeten Vertikalresonator beschrieben, umfassend eine Halbleiterschichtenfolge (10), die eine zwischen den Reflektoren (2, 6) angeordnete aktive Schicht (4) aufweist, wobei in der Halbleiterschichtenfolge (10) in Richtung des Vertikalresonators mehrere Sacklöcher (7) ausgebildet sind, und wobei die Halbleiterschichtenfolge (10) mindestens eine Stromeinengungsschicht (9) aufweist, die oxidierte Bereiche (9a) aufweist, die sich ausgehend von den Sacklöchern (7) in die Stromeinengungsschicht (9) hinein erstrecken. Weiterhin wird ein zur Herstellung des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers (100) geeignetes Verfahren beschrieben. A surface-emitting semiconductor laser (100) with a vertical resonator formed by reflectors (2, 6) is described, comprising a semiconductor layer sequence (10) having an active layer (4) arranged between the reflectors (2, 6), wherein in the semiconductor layer sequence (10) in the direction of the vertical resonator a plurality of blind holes (7) are formed, and wherein the semiconductor layer sequence (10) has at least one Stromeinengungsschicht (9), the oxidized regions (9a) extending from the blind holes (7) in the Stromeinengungsschicht (9) extend into it. Furthermore, a method suitable for producing the surface emitting semiconductor laser (100) will be described.
Description
Es werden ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit Vertikalresonator (VCSEL, Vertical Cavity Surface Emitting Laser) und ein Verfahren zu dessen Herstellung beschrieben.A Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) surface emitting semiconductor laser and a method of making the same are described.
Ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit Vertikalresonator ist beispielsweise aus der Druckschrift
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen verbesserten oberflächenemittierenden Halbleiterlaser anzugeben, bei dem sich die Halbleiterschichtenfolge durch eine verringerte Defektdichte auszeichnet und ein Ausfallrisiko des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers verringert ist. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers angegeben werden.An object to be achieved is to specify an improved surface-emitting semiconductor laser, in which the semiconductor layer sequence is distinguished by a reduced defect density and a failure risk of the surface-emitting semiconductor laser is reduced. Furthermore, a method for producing the surface-emitting semiconductor laser is to be specified.
Diese Aufgaben werden durch einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser und ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.These objects are achieved by a surface emitting semiconductor laser and a method for the production thereof according to the independent claims. Advantageous embodiments and further developments are the subject of the dependent claims.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der oberflächenemittierende Halbleiterlaser einen von Reflektoren gebildeten Vertikalresonator auf. Insbesondere kann der oberflächenemittierende Halbleiterlaser ein VCSEL sein. Der oberflächenemittierende Halbleiterlaser umfasst eine Halbleiterschichtenfolge, die eine zwischen den Reflektoren angeordnete aktive Schicht aufweist. Der Vertikalresonator und somit die Emissionsrichtung des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers verlaufen senkrecht zu den Schichtebenen der Halbleiterschichtenfolge. Die Reflektoren sind beispielsweise in die Halbleiterschichtenfolge integriert und können insbesondere als DBR (Distributed Bragg Reflection)-Spiegel ausgebildet sein. DBR-Spiegel umfassen eine in der Regel periodische Anordnung einer Vielzahl von abwechselnden Halbleiterschichten, die sich in ihren Brechungsindices voneinander unterscheiden und bei einer von der Schichtdicke abhängigen Wellenlänge eine maximale Reflexion aufweisen.In accordance with at least one embodiment, the surface-emitting semiconductor laser has a vertical resonator formed by reflectors. In particular, the surface emitting semiconductor laser may be a VCSEL. The surface-emitting semiconductor laser comprises a semiconductor layer sequence which has an active layer arranged between the reflectors. The vertical resonator and thus the emission direction of the surface-emitting semiconductor laser are perpendicular to the layer planes of the semiconductor layer sequence. The reflectors are integrated, for example, in the semiconductor layer sequence and can be designed in particular as DBR (Distributed Bragg Reflection) mirror. DBR mirrors comprise a generally periodic arrangement of a plurality of alternating semiconductor layers which differ in their refractive indices and have maximum reflection at a wavelength dependent on the layer thickness.
Der oberflächenemittierende Halbleiterlaser kann insbesondere zur Emission von Laserstrahlung im roten oder infraroten Spektralbereich vorgesehen sein. Die Halbleiterschichtenfolge basiert vorzugsweise auf einem Arsenid-Verbindungshalbleiter. „Auf einem Arsenid-Verbindungshalbleiter basierend“ bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die Halbleiterschichtenfolge oder zumindest eine Schicht davon ein Arsenidverbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise AlnGamIn1-n-mAs umfasst, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, As), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.The surface-emitting semiconductor laser can be provided in particular for the emission of laser radiation in the red or infrared spectral range. The semiconductor layer sequence is preferably based on an arsenide compound semiconductor. "Based on an arsenide compound semiconductor" in the present context means that the semiconductor layer sequence or at least one layer thereof comprises an arsenide compound semiconductor material, preferably Al n Ga m In 1-nm As, where 0 ≦ n ≦ 1, 0 ≦ m ≦ 1 and n + m ≤ 1. This material does not necessarily have to have a mathematically exact composition according to the above formula. Rather, it can have one or more dopants and additional constituents. For the sake of simplicity, however, the above formula contains only the essential components of the crystal lattice (Al, Ga, In, As), even though these may be partially replaced by small amounts of other substances.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung sind bei dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser mehrere Sacklöcher in der Halbleiterschichtenfolge ausgebildet. Die Sacklöcher erstrecken sich vorteilhaft in Richtung des Vertikalresonators, also senkrecht zu den Schichtebenen der Halbleiterschichten, in die Halbleiterschichtenfolge hinein.According to at least one embodiment, a plurality of blind holes are formed in the semiconductor layer sequence in the surface-emitting semiconductor laser. The blind holes advantageously extend in the direction of the vertical resonator, ie perpendicular to the layer planes of the semiconductor layers, into the semiconductor layer sequence.
Weiterhin weist die Halbleiterschichtenfolge mindestens eine Stromeinengungsschicht auf. Die Stromeinengungsschicht weist oxidierte Bereiche auf, die sich ausgehend von den Sacklöchern vorteilhaft senkrecht zum Vertikalresonator, d.h. parallel zu den Schichtebenen der Halbleiterschichtenfolge, in die Halbleiterschichtenfolge hinein erstrecken. Die Sacklöcher weisen beispielsweise eine zylindrische Form auf, und die oxidierten Bereiche erstrecken sich ausgehend von den Sacklöchern in radialer Richtung in die Stromeinengungsschicht hinein. Die oxidierten Bereiche können insbesondere dadurch erzeugt sein, dass die Stromeinengungsschicht ausgehend von den Sacklöchern in lateraler Richtung oxidiert wird.Furthermore, the semiconductor layer sequence has at least one current narrowing layer. The current constriction layer has oxidized regions extending from the blind holes, advantageously perpendicular to the vertical resonator, i. parallel to the layer planes of the semiconductor layer sequence, extend into the semiconductor layer sequence. The blind holes have, for example, a cylindrical shape, and the oxidized areas extend from the blind holes in the radial direction into the current constriction layer. The oxidized regions can be produced in particular by oxidizing the current constriction layer in the lateral direction starting from the blind holes.
Der hierin beschriebene oberflächenemittierende Halbleiterlaser macht insbesondere von der Idee Gebrauch, die oxidierten Bereiche der Stromeinengungsschicht ausgehend von in der Halbleiterschichtenfolge erzeugten Sacklöchern auszubilden, insbesondere durch eine bereichsweise Oxidation der Stromeinengungsschicht. Diese Vorgehensweise hat im Vergleich zu der aus dem Stand der Technik bekannten Mesaätzung und nachfolgender Oxidation von der Mesaflanke aus den Vorteil, dass auf eine Mesaätzung verzichtet werden kann. The surface emitting semiconductor laser described herein makes use in particular of the idea of forming the oxidized regions of the current constricting layer starting from blind holes generated in the semiconductor layer sequence, in particular by a partial oxidation of the current constricting layer. This procedure has the advantage, in comparison to the mesa etching known from the prior art and subsequent oxidation of the mesa flank, that a mesa etching can be dispensed with.
Es wurde herausgefunden, dass die Erzeugung einer Mesa in der Halbleiterschichtenfolge zu einer erhöhten Defektdichte führen kann, die sich bis in die aktive Schicht fortsetzen kann. Insbesondere können beim Mesaätzen Störstellen in den Halbleiterschichten entstehen, die beim Betrieb des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers bis in die aktive Schicht wandern können. Es hat sich herausgestellt, dass die Herstellung der oxidierten Bereiche in der Stromeinengungsschicht ausgehend von in der Halbleiterschichtenfolge erzeugten Sacklöchern weniger Störstellen erzeugt und auf diese Weise vorteilhaft das Ausfallrisiko des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers vermindert. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist der oberflächenemittierende Halbleiterlaser frei von einer Mesastruktur.It has been found that the generation of a mesa in the semiconductor layer sequence can lead to an increased defect density, which can continue into the active layer. In particular, in the case of mesa etching, impurities can form in the semiconductor layers, which can migrate into the active layer during operation of the surface-emitting semiconductor laser. It has been found that the preparation of the oxidized regions in the current constricting layer starting from in the Semiconductor layer sequence generated blind holes generated fewer impurities and thus advantageously reduces the risk of failure of the surface emitting semiconductor laser. In a preferred embodiment, the surface-emitting semiconductor laser is free of a mesa structure.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Stromeinengungsschicht eine bereichsweise oxidierte Halbleiterschicht. Die mindestens eine Stromeinengungsschicht kann insbesondere Aluminium enthalten. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Stromeinengungsschicht AlxGa1-xAs mit 0,95 ≤ x ≤ 1 auf, besonders bevorzugt AlxGa1-xAs mit 0,95 ≤ x ≤ 0,98. Das in der Stromeinengungsschicht enthaltene Aluminium kann in einem Oxidationsprozess ausgehend von den Sacklöchern oxidiert werden.In accordance with at least one embodiment, the current constriction layer is a partially oxidized semiconductor layer. The at least one current constricting layer may in particular contain aluminum. In a preferred embodiment, the current constricting layer Al x Ga 1-x As with 0.95 ≤ x ≤ 1, more preferably Al x Ga 1-x As with 0.95 ≤ x ≤ 0.98. The aluminum contained in the current constriction layer can be oxidized in an oxidation process starting from the blind holes.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung beträgt die Dicke der Stromeinengungsschicht zwischen 30 nm und 200 nm. Eine Dicke in diesem Bereich ist vorteilhaft für die Durchführung der Oxidation und zur Erzielung einer ausreichenden elektrischen Isolierung in den oxidierten Bereichen.In accordance with at least one embodiment, the thickness of the current constricting layer is between 30 nm and 200 nm. A thickness in this range is advantageous for carrying out the oxidation and for achieving sufficient electrical insulation in the oxidized regions.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung beträgt die Anzahl der Sacklöcher in der Halbleiterschichtenfolge zwischen 4 und 12. Diese Anzahl ist vorteilhaft, um den Stromfluss durch die Halbleiterschichtenfolge ausreichend einzuengen, ohne die Defektdichte signifikant zu erhöhen.According to at least one embodiment, the number of blind holes in the semiconductor layer sequence is between 4 and 12. This number is advantageous in order to sufficiently narrow the current flow through the semiconductor layer sequence without significantly increasing the defect density.
Die Sacklöcher weisen vorzugsweise jeweils einen Durchmesser zwischen 2 µm und 20 µm, besonders bevorzugt zwischen 2 µm und 10 µm, auf. In diesen Bereichen des Durchmessers der Sacklöcher können effektiv oxidierte Bereiche in der Stromeinengungsschicht erzeugt werden.The blind holes preferably each have a diameter between 2 .mu.m and 20 .mu.m, more preferably between 2 .mu.m and 10 .mu.m. In these areas of the diameter of the blind holes, effectively oxidized regions can be generated in the current constricting layer.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Sacklöcher in einer ringförmigen Anordnung um einen zentralen Bereich der Halbleiterschichtenfolge ausgebildet. Die ringförmige Anordnung der Sacklöcher weist vorzugsweise einen Durchmesser zwischen 20 µm und 60 µm auf. Die Mittelpunkte der Sacklöcher sind vorzugsweise auf einer Kreislinie angeordnet, besonders bevorzugt mit gleichen Winkelabständen. Die Anordnung der Sacklöcher kann insbesondere rotationssymmetrisch sein.In a preferred embodiment, the blind holes are formed in a ring-shaped arrangement around a central region of the semiconductor layer sequence. The annular arrangement of the blind holes preferably has a diameter between 20 .mu.m and 60 .mu.m. The centers of the blind holes are preferably arranged on a circular line, particularly preferably at equal angular intervals. The arrangement of the blind holes can in particular be rotationally symmetrical.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung ist ein zentraler Bereich der Stromeinengungsschicht nicht oxidiert. In dem zentralen Bereich wird auf diese Weise ein Stromfluss durch die Halbleiterschichtenfolge und die aktive Schicht ermöglicht. Der zentrale Bereich weist vorzugsweise eine laterale Ausdehnung von nicht mehr als 20 µm, besonders bevorzugt von nicht mehr als 10 µm auf. Durch die Einengung des Stromflusses auf einen derart kleinen zentralen Bereich kann insbesondere ein Single-Mode-Betrieb des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers erreicht werden. In accordance with at least one embodiment, a central region of the current constriction layer is not oxidized. In the central region, a current flow through the semiconductor layer sequence and the active layer is made possible in this way. The central region preferably has a lateral extent of not more than 20 μm, particularly preferably not more than 10 μm. By narrowing the current flow to such a small central region, in particular a single-mode operation of the surface-emitting semiconductor laser can be achieved.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung erstrecken sich die Sacklöcher nicht bis in die aktive Schicht hinein. Auf diese Weise wird die Ausbildung von Defekten in der aktiven Schicht vorteilhaft vermindert. Die oxidierten Bereiche werden insbesondere nur außerhalb der aktiven Schicht erzeugt. Beispielsweise kann die Stromeinengungsschicht zwischen einem der Reflektoren und der aktiven Schicht angeordnet sein.In a further preferred embodiment, the blind holes do not extend into the active layer. In this way, the formation of defects in the active layer is advantageously reduced. In particular, the oxidized regions are produced only outside the active layer. For example, the current constriction layer may be disposed between one of the reflectors and the active layer.
Bei einem Verfahren zur Herstellung des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers wird gemäß zumindest einer Ausführungsform zunächst eine Halbleiterschichtenfolge hergestellt, die eine zwischen Reflektoren angeordnete aktive Schicht aufweist, wobei die Reflektoren einen Vertikalresonator ausbilden. Die Halbleiterschichtenfolge kann insbesondere durch ein Epitaxieverfahren wie beispielsweise MOVPE hergestellt werden.In a method for producing the surface-emitting semiconductor laser, according to at least one embodiment, firstly a semiconductor layer sequence is produced, which has an active layer arranged between reflectors, wherein the reflectors form a vertical resonator. In particular, the semiconductor layer sequence can be produced by an epitaxial method such as MOVPE.
In einem nachfolgenden Schritt werden vorteilhaft Sacklöcher in der Halbleiterschichtenfolge ausgebildet, die sich in Richtung des Vertikalresonators in die Halbleiterschichtenfolge hinein erstrecken. Die Sacklöcher erstrecken sich also senkrecht zu den Schichtebenen der Halbleiterschichtenfolge in die Halbleiterschichtenfolge hinein.In a subsequent step, blind holes are advantageously formed in the semiconductor layer sequence, which extend in the direction of the vertical resonator into the semiconductor layer sequence. The blind holes thus extend perpendicular to the layer planes of the semiconductor layer sequence into the semiconductor layer sequence.
In einem weiteren Schritt wird bei dem Verfahren vorteilhaft ein Oxidationsprozess durchgeführt, bei dem ausgehend von den Sacklöchern zumindest eine Stromeinengungsschicht bereichsweise oxidiert wird. Die teilweise Oxidation der Stromeinengungsschicht kann beispielsweise derart durchgeführt werden, dass sich oxidierte Bereiche ausgehend von den Sacklöchern etwa 2 µm bis 20 µm in lateraler Richtung in die Stromeinengungsschicht hinein erstrecken.In a further step, an oxidation process is advantageously carried out in the method in which, starting from the blind holes, at least one current constriction layer is oxidized in regions. The partial oxidation of the current constricting layer can be carried out, for example, in such a way that oxidized regions extend from the blind holes approximately 2 μm to 20 μm in the lateral direction into the current constriction layer.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden die Sacklöcher mittels eines Ätzprozesses ausgebildet. Die Ätztiefe wird bei dem Ätzprozess vorteilhaft derart eingestellt, dass die Sacklöcher die aktive Schicht nicht durchdringen. Auf diese Weise wird das Risiko umgangen, dass sich durch das Herstellen der Sacklöcher Störstellen in der aktiven Schicht ausbilden.In a preferred embodiment of the method, the blind holes are formed by means of an etching process. The etching depth is advantageously set in the etching process such that the blind holes do not penetrate the active layer. In this way, the risk is bypassed that form by the production of blind holes defects in the active layer.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus der vorherigen Beschreibung des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers und umgekehrt.Further advantageous embodiments of the method will become apparent from the previous description of the surface emitting semiconductor laser and vice versa.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den
Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser gemäß einem Ausführungsbeispiel, und -
2A bis2E eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers anhand von Zwischenschritten.
-
1 a schematic representation of a cross section through a surface emitting semiconductor laser according to an embodiment, and -
2A to2E a schematic representation of a method for producing the surface emitting semiconductor laser based on intermediate steps.
Gleiche oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Größen der einzelnen Elemente sowie die Größenverhältnisse der Elemente untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.Identical or equivalent elements are provided in the figures with the same reference numerals. The sizes of the individual elements and the size ratios of the elements with each other are not to be regarded as true to scale.
Der in
Die Halbleiterschichtenfolge
Bei dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser
Zur elektrischen Kontaktierung sind bei dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser
Die n-Kontaktschicht 12 ist bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel als Ringkontakt ausgeführt, in dem ein zentraler Bereich als Strahlungsaustrittsfläche des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers ausgespart ist. Die von dem Ringkontakt ausgesparte Lichtaustrittsfläche ist vorzugsweise mit einer reflexionsmindernden Beschichtung
Die Halbleiterschichtenfolge
Die oxidierten Bereiche
Da die oxidierten Bereiche
Die Herstellung der oxidierten Bereiche
Der hier beschriebene oberflächenemittierende Halbleiterlaser
Oberflächenemittierende Halbleiterlaser
In den folgenden
Wie in
In
Nach der Durchführung der Temperaturbehandlung kann der oberflächenemittierende Halbleiterlaser
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.The invention is not limited by the description with reference to the embodiments. Rather, the invention encompasses any novel feature as well as any combination of features, which in particular includes any combination of features in the claims, even if this feature or combination itself is not explicitly stated in the patent claims or exemplary embodiments.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Substratsubstratum
- 22
- erster Reflektorfirst reflector
- 33
- n-Typ Halbleiterbereichn-type semiconductor region
- 44
- aktive Schichtactive layer
- 55
- p-Typ Halbleiterbereichp-type semiconductor region
- 66
- zweiter Reflektorsecond reflector
- 77
- Sacklochblind
- 88th
- Hauptabstrahlrichtungmain radiation
- 99
- StromeinengungsschichtCurrent confinement layer
- 9a9a
- oxidierter Bereichoxidized area
- 9b9b
- nicht oxidierter Bereichnon-oxidized area
- 1010
- HalbleiterschichtenfolgeSemiconductor layer sequence
- 1111
- p-Kontaktschichtp-contact layer
- 1212
- n-Kontaktschichtn-contact layer
- 1313
- reflexionsmindernde Beschichtungreflection-reducing coating
- 1414
- Maskenschichtmask layer
- 100100
- oberflächenemittierender Halbleiterlasersurface-emitting semiconductor laser
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- WO 02/063733 A2 [0002]WO 02/063733 A2 [0002]
Claims (15)
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Applications Claiming Priority (1)
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ID=63678741
Family Applications (1)
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2017
- 2017-04-13 DE DE102017108104.6A patent/DE102017108104A1/en not_active Withdrawn
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