DE10208463B4

DE10208463B4 - Halbleiterlaservorrichtung und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE10208463B4
Application number: DE10208463A
Authority: DE
Inventors: Dr. Schmid Wolfgang
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2002-02-27
Filing date: 2002-02-27
Publication date: 2012-04-05
Anticipated expiration: 2022-02-28
Also published as: US20040028106A1; DE10208463A1; JP4362295B2; US6947464B2; JP2003273442A

Abstract

Halbleiterlaservorrichtung mit – einem epitaktischen Halbleiterkörper (40) mit einer Wellenführungsschicht (22), die eine aktive, strahlungserzeugende Schicht (20) enthält, – einem in dem epitaktischen Halbleiterkörper (40) angeordneten laseraktiven Emitterbereich (12) mit einer Hauptrichtung (30), die der Austrittsrichtung der Laserstrahlung aus dem Emitterbereich entspricht, und – einem in dem Halbleiterkörper (40) in Hauptrichtung (30) an den Emitterbereich (12) anschließenden Verstärkerbereich (14) zum Verstärken der Laserstrahlung, wobei der Emitterbereich (12) und der Verstärkerbereich (14) aktive Bereiche in dem Halbleitermaterial bilden, und in die Wellenführungsschicht (22) beiderseits von einem oder mehreren der aktiven Bereiche (12, 14) Gräben (34) eingebracht sind, die unter einem Winkel φ zur Hauptrichtung (30) stehen und die Flanken (36) des Halbleiterkörpers (40) ausbilden, wobei zwei dieser Gräben (34) zwischen sich einen Zwischenraum (38) für die Ausbreitung der Laserstrahlung in dem Halbleiterkörper (40) definieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken (36) mit der Oberfläche (52) des...

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterlaservorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Sie betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Halbleiterlaservorrichtung.
Die Halbleiterlaservorrichtung weist einen epitaktischen Halbleiterkörper mit einer Wellenführungsschicht, die eine aktive, strahlungserzeugende Schicht enthält, einen in dem epitaktischen Halbleiterkörper angeordneten laseraktiven Emitterbereich mit einer Hauptrichtung, die der Austrittsrichtung der Laserstrahlung entspricht, und einen in dem Halbleiterkörper in Hauptrichtung an den Emitterbereich anschließenden Verstärkerbereich zum Verstärken der Laserstrahlung auf, wobei der Emitterbereich und der Verstärkerbereich aktive Bereiche in dem Halbleitermaterial bilden.
Derartige Halbleiterlaser werden als Lichtquellen hoher Brillanz eingesetzt. Wegen der hohen Intensitäten besteht dabei allerdings das Problem, daß gestreutes oder in den aktiven Bereich zurückgestreutes Licht die erwünschte Laseremission stört und/oder die Strahlqualität verschlechtert.
Mehrere Ansätze sind bekannt, um diesem Problem zu begegnen. So werden die Facetten der aktiven Bereiche entspiegelt, um unerwünschte Rückreflexionen in die aktiven Bereiche zu unterdrücken. Ein anderer bekannter Ansatz besteht darin, außerhalb der aktiven Bauelemente V-Gräben in die epitaktischen Schichten zu ätzen und diese mit absorbierendem Material zu füllen.
Die Druckschriften US 5 400 353 A , US 4 942 585 A und DE 199 63 807 A1 offenbaren Halbleiterlaservorrichtungen, wobei in der letztgenannten Druckschrift flache Grabenflanken zur Veränderung der Absorptionsstärke quer zur Längsausbreitungsrichtung angegeben werden.
Die Druckschrift EP 0 514 283 A2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Laserdiode und dessen Herstellung.
Die Druckschrift DE 199 04 307 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Strukturen, insbesondere Mikrolinsen, mittels eines Ätzprozesses.
Die Druckschrift DE 199 04 305 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Strukturkörpern mittels selektivem Ätzen.
Das europäische Patent EP 0 624 284 B1 zeigt und beschreibt eine Halbleiterlaser-Verstärkungsanordnung, bei der beiderseits der Anordnung schräge Gräben mit 45°-Flanken in die epitaktischen Schichten geätzt sind, die das an der Endfläche rückreflektierte Licht lateral und vertikal von dem Bauelement wegreflektieren sollen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Halbleiterlaservorrichtung so weiterzuentwickeln, daß der Anteil von in die aktiven Bereiche gestreuter oder rückgestreuter Strahlung weiter verringert und so die Strahlqualität weiter verbessert wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Halbleiterlaservorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Halbleiterlaservorrichtung ist in Anspruch 11 angegeben. Weitere Ausgestaltungen und bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Erfindungsgemäß ist bei einer Halbleiterlaservorrichtung der eingangs genannten Art die Wellenführungsschicht in Teilbereichen des Halbleiterkörpers außerhalb der aktiven Bereiche entfernt, derart, daß die Flanken des Halbleiterkörpers mit seiner Oberfläche einen flachen Winkel τ bilden. Dabei bezeichnet ein flacher Winkel im Rahmen der vorliegenden Erfindung einen Winkel kleiner als 45°.
Die Erfindung beruht dabei auf dem Gedanken, die Laserstrahlung durch die flachen Flanken allmählich und ohne störende Rückreflexion in ein unterliegendes Substrat zu beugen. Dagegen kann bei 45°-Flanken herkömmlicher Gräben Strahlung in die aktive Schicht zurückreflektiert werden, da solche Flanken die Strahlung in eine nahezu senkrechte Richtung zur Epischicht umlenken, wo sie wegen der verschiedenen Brechzahlen der epitaktischen Schichten gespiegelt und an der Flanke wieder in die aktive Schicht hineinreflektiert werden kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß in der Wellenführungsschicht beiderseits des Emitterbereichs und entlang der Hauptrichtung des Emitterbereichs verlaufende Gräben angeordnet sind, deren Flanken mit der Oberfläche des Halbleiterkörpers einen flachen Winkel τ bilden.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Wellenführungsschicht beiderseits und entlang der Hauptrichtung des Emitterbereichs entfernt ist, wobei die Flanken des Halbleiterkörpers mit seiner Oberfläche einen flachen Winkel τ bilden.
Weiter kann bei der erfindungsgemäßen Halbleiterlaservorrichtung die Wellenführungsschicht mit Vorteil beiderseits und entlang des Verstärkerbereichs entfernt sein, wobei die Flanken des Halbleiterkörpers mit seiner Oberfläche einen flachen Winkel τ bilden.
In diesem Zusammenhang ist es besonders bevorzugt, wenn der Verstärkungsbereich sich von dem Emitterbereich her konisch verbreitert. Dadurch kann sich die Laserstrahlung mit Gaußförmigem Strahlungsprofil beugungsbegrenzt verbreitern und es wird eine höhere Verstärkung vor Eintritt der Sättigung erreicht.
Insbesondere kann vorgesehen, daß die Wellenführungsschicht beiderseits sowohl des Emitterbereichs als auch des Verstärkerbereichs entfernt ist.
Weiter können alternativ oder zusätzlich zu den genannten Maßnahmen in die Wellenführungsschicht beiderseits der aktiven Bereiche Gräben eingebracht sein, die unter einem Winkel φ zur Hauptrichtung stehen und deren Flanken mit der Oberfläche des Halbleiterkörpers einen flachen Winkel τ bilden.
Bevorzugt ist dabei vorgesehen, daß zwei beiderseits der aktiven Bereiche eingebrachte und unter einem Winkel φ zur Hauptrichtung stehende Gräben zwischen sich einen schmalen Zwischenraum für die Ausbreitung der Laserstrahlung in dem Halbleiterkörper definieren.
Besonders bevorzugt ist es bei einer derartigen Ausgestaltung, wenn der Winkel φ zwischen den Gräben und der Hauptrichtung zwischen 90° und 135° liegt. Gräben der genannten Art bilden einen höchst effektiven optischen Verlustmechanismus für einen von einer Austrittsfläche des Verstärkerbereichs zurückreflektierten Anteil der Laserstrahlung.
Der Flankenwinkel τ liegt in besonders bevorzugten Ausgestaltungen zwischen 1° und 35°, insbesondere zwischen 10° und 30°.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Halbleiterlaservorrichtung ist vorgesehen, daß die Flanken des Halbleiterkörpers mit einem absorbierenden Material bedeckt sind.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer vorgenannten Halbleiterlaservorrichtung wird die Wellenführungsschicht durch Trockenätzung eines überformten Photolacks entfernt.
Zum Entfernen der Wellenführungsschicht wird zweckmäßig

– eine Photolackschicht auf den Halbleiterkörper aufgebracht,
– der Photolack in Lösungsmittelatmosphäre und/oder durch Erhitzen des Lacks überformt, das heißt in eine Form gebracht, die zumindest teilweise in den Halbleiterkörper übertragen werden soll (scharfe Flanken eines strukturierten Photolacks werden verrundet – die Photolackschicht wird in eine langgestreckte kalottenartige Form übergeführt), und
– die Struktur der flachen Flanken des Photolacks durch Trockenätzung in den Halbleiterkörper übertragen.

Die Erfindung ist auf Halbleiterlaservorrichtung aller Materialsysteme anwendbar, beispielsweise auf Halbleiterlaservorrichtung auf Basis von GaP, GaAsP, GaAs, GaAlAs, InGaAsP, GaN oder InGaN-Halbleitermaterial.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Zeichnungen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert. Es sind jeweils nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt. Dabei zeigt
1a eine schematische Aufsicht auf einen Halbleiterlaser nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
1b eine Schnittansicht des Halbleiterlasers von 1a entlang der Linie IB-IB;
2a eine schematische Aufsicht auf einen Halbleiterlaser nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2b eine Schnittansicht des Halbleiterlasers von 2a entlang der Linie IIB-IIB;
3a eine schematische Aufsicht auf einen Halbleiterlaser nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3b eine Schnittansicht des Halbleiterlasers von 3a entlang der Linie IIIB-IIIB; und
4 in (a) bis (e) in schematischer Darstellung einen Verfahrensablauf zum Erzeugen eines flachen Flankenwinkels bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Halbleiterlasers.
Mit Bezug auf die Figuren, in denen bei sämtlichen dargestellten Ansichten einander entsprechende Elemente durch jeweils gleiche Bezugszeichen bezeichnet sind, werden zunächst die 1(a) und 1(b) besprochen, in denen ein allgemein mit 10 bezeichneter Halbleiterlaser hoher Brillanz nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist. Der Halbleiterlaser 10 weist einen laseraktiven länglichen Emitterbereich 12 und einen sich in Hauptrichtung 30 anschließenden konisch verbreiterten Verstärkerbereich 14 auf, dessen Form durch die selbst nicht gezeigten elektrischen Anschlüsse definiert ist.
Der Halbleiterkörper 40 des Halbleiterlasers 10 weist eine auf einem Substrat 26 aufgewachsene epitaktische Schichtfolge auf, die unter anderem eine aktive, strahlungsemittierende Schicht 20 enthält, die in einer Wellenführungsschicht 22 angeordnet ist. Im Ausführungsbeispiel besteht die Wellenführungsschicht aus zwei Schichten eines Materials, das gegenüber der aktiven Schicht 20 eine höhere Bandlücke und einen niedrigeren Brechungsindex aufweist. Die genaue Gestaltung der Schichtenfolge ist für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich und wird daher nicht näher beschrieben. Die Erfindung ist auf herkömmliche, dem Fachmann bekannte Schichtenfolgen für gattungsgemäße Halbleiterlaservorrichtungen anwendbar. Ebenso weist der Halbleiterkörper weitere Halbleiterschichten sowie Kontaktschichten zur Stromeinprägung in die aktive Schicht auf, die jedoch auf dem Gebiet bekannt sind und in den Figuren und der Beschreibung daher nicht dargestellt oder näher beschrieben werden.
Im Betrieb wird in dem Emitterbereich 12 Laserstrahlung erzeugt, die im Verstärkerbereich 14 verstärkt und entlang der durch den Pfeil 30 angezeigten Richtung abgestrahlt wird. Durch die konische Form des Verstärkerbereichs kann sich die Laserstrahlung mit Gaußförmigem Strahlungsprofil beugungsbegrenzt verbreitern und es wird eine höhere Verstärkung vor Eintritt der Sättigung erreicht.
Beiderseits des Emitterbereiches 12 sind parallel zur Hauptrichtung 30 zwei Gräben 16 geätzt, deren Herstellung weiter unten im Zusammenhang mit der 4 näher erläutert wird. Die Gräben 16 sind dabei so gestaltet, daß die Flanken 18 des Halbleiterkörpers einen flachen Winkel τ mit der Oberfläche 52 des Halbleiterkörpers bilden, die vorliegend parallel zu einer Haupterstreckungsrichtung der Wellenführungsschicht liegt. Dabei liegt der Winkel τ im vorliegenden Ausführungsbeispiel bei etwa 20°. Zur deutlicheren Darstellung ist die Schichtstruktur in 1(b) überhöht und nicht maßstabsgetreu dargestellt, so daß der Winkel τ steiler erscheint. Durch den flachen Flankenwinkel kann die aus der aktiven Schicht lateral nach außen laufende Strahlung allmählich, unter Umständen mittels mehrfacher Reflexionen an Epischichten und Flanke umgelenkt und in das Substrat 26 gebeugt werden. Eine Störung des aktiven Bereichs durch rückreflektierte Strahlung wird weitestgehend vermieden.
Eine weitere Gestaltung ist in dem Ausführungsbeispiel der 2(a) und 2(b) gezeigt. Elemente, die den Elementen des Ausführungsbeispieles der 1(a) und 1(b) entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht erneut beschrieben. In dem Ausführungsbeispiel der 2 ist der epitaktische Halbleiterkörper sowohl außerhalb des Emitterbereichs 12, als auch außerhalb des Verstärkerbereichs 14 abgeätzt, um entlang beider aktiver Bereiche Flanken 32 zu bilden, die einen flachen Winkel τ, vorliegend etwa 15°, mit der Oberfläche 52 des Halbleiterkörpers 40 bilden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in den 3(a) und 3(b) dargestellt. Dort sind in den Halbleiterkörper 40 zwei Gräben 34 eingebracht, die mit der Hauptrichtung 30 jeweils unter einen Winkel φ, im Ausführungsbeispiel etwa 90°, einschließen. Auch hier bilden die Flanken 36 der Gräben 34 einen flachen Winkel τ, im Ausführungsbeispiel etwa 30°, mit der Oberfläche 52 des Halbleiterkörpers 40. Die Gräben 34 stellen einen höchst effektiven optischen Verlustmechanismus für den Anteil der Laserstrahlung dar, der von einer Austrittsfläche des Verstärkerbereichs 14 zurückreflektiert wird.
Die Gräben 34 lassen zwischen sich einen schmalen Zwischenraum 38 frei, durch den die Laserstrahlung vom Emitterbereich 12 zu dem Verstärkerbereich 14 propagieren kann. Die von der Austrittsfläche rückreflektierte Strahlung, insbesondere in höheren räumlichen Moden wird jedoch weit überwiegend von den Flanken der Gräben 34 lateral oder vertikal von den aktiven Bereichen 12, 14 weg reflektiert.
Selbstverständlich lassen sich die gezeigten Maßnahmen auch kombinieren, also beispielsweise die Gräben 34 bei der Gestaltung der 1(a) und (b) einsetzen.
Ein besonders bevorzugter Weg zur Erzeugung des flachen Winkels der Flanken ist in 4(a) bis (e) schematisch dargestellt. 4(a) zeigt den Halbleiterkörper 40, der, obwohl in der Figur nicht ausdrücklich dargestellt, bereits die gewünschte Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterlasers aufweist.
Nun wird in einem ersten Schritt durch Standardlithographieverfahren ein Sockel 42 einer Höhe h, im Ausführungsbeispiel etwa 300 nm erzeugt. Die Ränder des Sockels 42 definieren dabei die Stellen, an denen später die flachen Flanken entstehen. Während in 4 zur Erläuterung nur ein Sockel 42 gezeigt ist, versteht es sich, daß gegebenenfalls auch mehrere solcher Sockel 42 auf dem Halbleiterkörper 40 erzeugt werden, etwa zur Herstellung der Struktur von 1(b).
Nun wird, wie in 4(b) gezeigt, auf dem Sockel 42 ein Photolack 44 aufgebracht und strukturiert, so daß von Rand des Sockels zum Rand des Photolacks eine Fließstrecke s, im Ausführungsbeispiel von etwa 5 μm Ausdehnung frei bleibt.
Anschließend wird der Photolack 44 in Lösungsmittelatmosphäre und/oder durch Erhitzen des Lacks überformt. Dabei verfließt der Photolack 44 in den Randbereichen des Sockels 42 über die Fließstrecke s bis zum Rand des Halbleitersockels 42. Es entsteht eine überformte Lackstruktur 46, die an ihren Rändern einen flachen Winkel τ₀ mit der Oberfläche des Halbleiterkörpers 40 aufweist, wie in 4(c) dargestellt.
Diese flachen Winkel werden nun in einem Trockenätzprozeß, etwa durch Ionenstrahlen 50, in den Halbleiterkörper übertragen (4(d)). Bei einer Selektivität des Ätzprozesses von 1 wird der Winkel unverändert in den Halbleiter übertragen, so daß im Halbleiter ein Flankenwinkel τ = τ₀ entsteht. Durch geeignete Wahl des Photolacks 44 und der Ätzbedingungen kann jedoch auch eine andere Selektivität erreicht werden, so daß der Winkel τ gegenüber dem Winkel τ₀ nach Wunsch vergrößert oder verkleinert werden kann.
Der Zustand nach dem Ätzen der flachen Winkel ist in 4(e) dargestellt. Die aktiven Bereiche des Halbleiterkörpers 40 weisen flache Flanken 48 auf, die in die planare Oberfläche 52 übergehen, auf der in weiteren Schritten beispielsweise elektrische Kontakte aufgebracht werden.
Die Beschreibung der Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele ist selbstverständlich nicht als eine Beschränkung der Erfindung auf diese zu verstehen.

Claims

Halbleiterlaservorrichtung mit – einem epitaktischen Halbleiterkörper (40) mit einer Wellenführungsschicht (22), die eine aktive, strahlungserzeugende Schicht (20) enthält, – einem in dem epitaktischen Halbleiterkörper (40) angeordneten laseraktiven Emitterbereich (12) mit einer Hauptrichtung (30), die der Austrittsrichtung der Laserstrahlung aus dem Emitterbereich entspricht, und – einem in dem Halbleiterkörper (40) in Hauptrichtung (30) an den Emitterbereich (12) anschließenden Verstärkerbereich (14) zum Verstärken der Laserstrahlung, wobei der Emitterbereich (12) und der Verstärkerbereich (14) aktive Bereiche in dem Halbleitermaterial bilden, und in die Wellenführungsschicht (22) beiderseits von einem oder mehreren der aktiven Bereiche (12, 14) Gräben (34) eingebracht sind, die unter einem Winkel φ zur Hauptrichtung (30) stehen und die Flanken (36) des Halbleiterkörpers (40) ausbilden, wobei zwei dieser Gräben (34) zwischen sich einen Zwischenraum (38) für die Ausbreitung der Laserstrahlung in dem Halbleiterkörper (40) definieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken (36) mit der Oberfläche (52) des Halbleiterkörpers (40) einen flachen Winkel τ bilden.
Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 1, wobei in der Wellenführungsschicht (22) beiderseits des Emitterbereichs (12) und entlang der Hauptrichtung (30) des Emitterbereichs verlaufende Gräben (16) angeordnet sind, mit denen Flanken (18) am Emitterbereich ausgebildet sind, die mit der Haupterstreckungsrichtung der Wellenführungsschicht einen flachen Winkel τ bilden.
Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Wellenführungsschicht (22) beiderseits und entlang der Hauptrichtung (30) des Emitterbereichs (12) entfernt ist, wobei die dadurch gebildeten Flanken (32) des Halbleiterkörpers (40) mit der Haupterstreckungsrichtung der Wellenführungsschicht einen flachen Winkel τ bilden.
Halbleiterlaservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wellenführungsschicht (22) beiderseits und entlang des Verstärkerbereichs (14) entfernt ist, wobei die dadurch gebildeten Flanken (32) des Halbleiterkörpers (40) mit der Oberfläche (52) des Halbleiterkörpers (40) einen flachen Winkel τ bilden.
Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 4, wobei sich der Verstärkungsbereich (14) in Richtung von dem Emitterbereich (12) weg konisch verbreitert.
Halbleiterlaservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Winkel φ zwischen den Gräben (34) und der Hauptrichtung (30) zwischen 90° und 135° liegt.
Halbleiterlaservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Flankenwinkel τ zwischen 1° und 35° liegt.
Halbleiterlaservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Flankenwinkel τ zwischen 10° und 30° liegt.
Halbleiterlaservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Flanken (18; 32; 36) des Halbleiterkörpers (40) mit einem absorbierenden Material bedeckt sind.
Verfahren zum Herstellen einer Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 1–9, bei dem die Wellenführungsschicht durch Trockenätzung eines überformten Photolacks entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem zum Entfernen der Wellenführungsschicht – eine Photolackschicht auf den Halbleiterkörper aufgebracht wird, – der Photolack in Lösungsmittelatmosphäre und/oder durch Erhitzen des Lacks überformt wird, und – die Struktur der flachen Flanken des Photolacks durch Trockenätzung in den Halbleiterkörper übertragen wird.