DE19945128A1

DE19945128A1 - Vertikalresonator-Laserdiode mit einer Schutzschicht auf dem Auskoppelfenster

Info

Publication number: DE19945128A1
Application number: DE1999145128
Authority: DE
Inventors: Torsten Wipiejewski; Wolfgang Huber; Tony Albrecht; Heribert Zull; Hans-Dietrich Wolf; Guenter Kristen
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1999-09-21
Filing date: 1999-09-21
Publication date: 2001-05-17

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine gegen feuchte Wärmelagerung stabilisierte Vertikalresonator-Laserdiode, bei der auf dem gesamten Bereich der in der Lichtaustrittsöffnung (7A) freiliegenden teildurchlässigen Bragg-Reflektor-Schichtenfolge (4) eine hermetisch dichte dielektrische Schutzschicht, insbesondere durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) oder durch Radiofrequenz (RF)-Sputtern aufgebrachte Schutzschicht (9) aus Si¶3¶N¶4¶ angeordnet ist, welche den durch die elektrische Kontaktschicht (7) gebildeten Randbereich der Lichtaustrittsöffnung (7A) auf seinem gesamten Umfang überdeckt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vertikalresonator-Laserdiode nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Vertikalresonator-Laserdioden (VCSELs) sollen in Verpackungen eingesetzt werden, die gegenüber der Umgebung nicht herme tisch isoliert sind. Derartige "offene" Aufbauten erlangen zunehmendes Interesse aufgrund ihrer geringen Herstellkosten und ihres platzsparenden Aufbaus. Wenn sie zur Verpackung von Bauelementen verwendet werden sollen, müssen jedoch die zu verpackenden VCSELs in ihren Zuverlässigkeitsdaten bestimmte typische Anforderungen erfüllen. Insbesondere bei der Lage rung in einer feuchten Atmosphäre bei erhöhter Temperatur (Feuchte-Wärme-Lagerung), bei z. B. einer Temperatur von 85°C und 85°C Luftfeuchtigkeit, zeigten VCSELs bisher ein instabi les Verhalten.

Demgemäß liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu grunde, eine Vertikalresonator-Laserdiode zu schaffen, die ausreichend stabil gegenüber Umgebungseinflüssen wie Wärme oder Feuchtigkeit ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

In der hier zu beschreibenden Erfindung wird auf dem gesamten Bereich der in der Lichtaustrittsöffnung freiliegenden teil durchlässigen Bragg-Reflektor-Schichtenfolge der Vertikalre sonator-Laserdiode eine Schutzschicht einem hermetisch dich ten Dielektrikum, insbesondere aus Si₃N₄, angeordnet. Vor teilhaft ist es, wenn die Schutzschicht zusätzlich den durch die elektrische Kontaktschicht gebildeten Randbereich der Lichtaustrittsöffnung auf seinem gesamten Umfang überdeckt. Die Schutzschicht kann in vorteilhafter Weise durch plasmaun terstützte chemische Dampfphasenabscheidung (PECVD) oder durch Radiofrequenz (RF)-Sputtern aufgebracht sein.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines einzigen Ausfüh rungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den epitaktischen Schichtaufbau einer erfindungsge mäßen Vertikalresonator-Laserdiode;

Fig. 2 die Steilheit als Funktion der Lagerungszeit von VCSELs ohne (A) und mit Schutzschicht aus SiN (B).

Die in der Fig. 1 dargestellte Vertikalresonator-Laserdiode (VCSEL) ist auf einem GaAs-Substrat 6 aufgebracht. Auf dem GaAs-Substrat 6 befindet sich eine erste, untere Bragg-Re flektor-Schichtenfolge 2, die aus einzelnen identischen Spie gelpaaren 22 aufgebaut ist. Die Spiegelpaare bestehen jeweils aus zwei AlGaAs-Schichten unterschiedlicher Aluminiumkonzen tration. In gleicher Weise ist eine zweite, obere Bragg-Re flektor-Schichtenfolge 4 aus entsprechenden Spiegelpaaren aufgebaut. Zwischen der unteren und der oberen Bragg-Reflek tor-Schichtenfolge ist eine aktive Schichtenfolge 3 eingebet tet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Emissionswellenlänge der Laserdiode 850 nm. Auf der oberen Oberfläche der Laserdiode befindet sich eine erste Metalli sierungsschicht 7, die für den elektrischen Anschluß der p-dotierten Seite der Laserdiode verwendet wird. Die erste Metallisierungsschicht 7 weist eine zentrale Lichtdurch trittsöffnung 7A für den Durchtritt der Laserstrahlung auf. Die n-dotierte Seite der Diode wird üblicherweise über eine am Substrat 6 kontaktierte zweite Metallisierungsschicht 8 elektrisch angeschlossen.

Die obere Bragg-Reflektor-Schichtenfolge 4 enthält in dem Ausführungsbeispiel ein Spiegelpaar, welches eine sogenannte Stromapertur 41 enthält. Die Stromapertur 41 sorgt für eine laterale Strombegrenzung und definiert damit die eigentliche aktive lichtemittierende Fläche in der aktiven Schichtenfolge 3. Der Stromfluß wird auf den Öffnungsbereich der Stromaper tur 41 beschränkt. Somit liegt die lichtemittierende Fläche direkt unterhalb dieses Öffnungsbereichs in der aktiven Schichtenfolge 3. Die Stromapertur 41 kann in bekannter Weise durch partielle Oxidation der AlGaAs-Schichten des be treffenden Spiegelpaares oder durch Ionen- oder Protonenim plantation hergestellt werden.

Die obere Bragg-Reflektor-Schichtenfolge 4 der Laserdiode ist in Form einer Mesa-Struktur oberhalb der aktiven Schicht 3 strukturiert. Die mesaförmige obere Bragg-Reflektor-Schich tenfolge 4 wird seitlich durch eine geeignete Passivierungs schicht 11 umschlossen.

Im Bereich der Lichtdurchtrittsöffnung 7A ist auf der oberen Bragg-Reflektor-Schichtenfolge 4 eine Schutzschicht 9 aus Si₃N₄ aufgebracht, durch die die freiliegende Oberfläche der Bragg-Reflektor-Schichtenfolge 4 passiviert und gegen Wärme- und Feuchtigkeitseinflüsse geschützt werden kann. Die Schutz schicht 9 ist im gesamten Bereich der Lichtdurchtrittsöffnung 7A aufgebracht und überlappt den durch die elektrische Kon taktschicht 7 gebildeten Rand der Lichtdurchtrittsöffnung 7A auf seinem gesamten Umfang, so daß die freiliegende Oberflä che der Bragg-Reflektor-Schichtenfolge 4 hermetisch dicht ge genüber der Umgebung abgeschlossen ist. Im Randbereich weist die Schutzschicht 9 somit eine Überhöhung auf, die in der Dicke der Dicke der elektrischen Kontaktschicht 7 entspricht.

Die Schutzschicht 9 kann durch eine in einem geringen Abstand von der Laserdiode angeordnete Maske hindurch aufgebracht werden, die eine Öffnung aufweist, die allseitig geringfügig größer als die Lichtdurchtrittsöffnung 7A ist. Dadurch wird die Überdeckung des Randbereichs mit der Schutzschicht 9 er möglicht. Auch ein ganzflächiges Auftragen der Schutzschicht auf dem Wafer mit einer anschließenden maskierten Ätzung zur Strukturierung ist möglich.

Die PECVD- bzw. RF-Sputtertechnik bewirkt eine dichte Schicht, die eine Schädigung des Lasers durch Luftfeuchtig keit verhindert, wobei eine spaltfreie Dichtung über der ge samten Aperturfensterfläche erreicht wird. Wichtig dabei ist die elektrisch isolierende Eigenschaft der Schutzschicht, die auf diese Weise die Bildung eines galvanischen Elements zwi schen der metallischen Kontaktschicht und dem Halbleiter des Lichtaustrittsfensters verhindert.

Bei ersten Versuchen zeigten Schutzschichten aus Si₃N₄ ein deutig Vorteile gegenüber beispielsweise Al₂O₃, welches durch Ionenstrahlsputtern aufgebracht wurde und mit welchem keine zufriedenstellende hermetisch dichte Passivierung der Laser dioden erreicht werden konnte.

Der positive Effekt der Schutzschicht aus Si₃N₄ wird in Fig. 2 verdeutlicht. In Fig. 2 ist die Steilheit von VCSELs als Funktion der Lagerungszeit in feuchter (Luftfeuchtigkeit 85 %) Atmosphäre bei erhöhter Temperatur (85°C) dargestellt. Es sind die Verläufe der Steilheit von insgesamt 15 Proben auf getragen. Diese VCSEL-Bauelemente besitzen eine Schutzschicht über dem Aperturfenster, jedoch nicht eine aus PECVD-Si₃N₄ hergestellte Schutzschicht gemäß der vorliegenden Erfindung, sondern eine Schutzschicht aus Al₂O₃. Einzelne VCSELs in Fig. 2A zeigen deutliche Schwankungen der Steilheit, die auf eine Schädigung des Lasers zurückzuführen ist. Das durch eine Ionenstrahl-Sputterdeposition aufgebrachte Al₂O₃ scheint nicht die gewünschte hermetisch dichte Passivierung zu bewir ken. Wahrscheinlich treten bei diesen VCSEL-Bauelementen Randspalte der Passivierungsschicht am Kontaktring auf.

In Fig. 2B sind dagegen die Steilheitsverläufe von insgesamt 15 VCSEL-Bauelementen über der Lagerungszeit aufgetragen. Diese VCSEL-Bauelemente wurden mit einer Si₃N₄-Passivie rungsschicht versehen. Keine der in Fig. 2B aufgetragenen Steilheitsverläufe zeigt eine wesentliche Änderung der Steil heit nach einer Lagerungszeit von 2000 Stunden. Somit zeigen alle VCSELs, deren Steilheitsverläufe in der Fig. 2B aufge tragen sind, ein sehr stabiles Verhalten bei der Lagerung in feuchtwarmer Atmosphäre. Dieser positive Passivierungseffekt ist auch an zahlreichen weiteren Versuchen nachgewiesen wor den.

Bezugszeichenliste

2

erste Bragg-Reflektor-Schichtenfolge

3

aktive Schichtenfolge

4

zweite Bragg-Reflektor-Schichtenfolge

6

Substrat

7

erste Metallisierungsschicht

7

A Lichtdurchtrittsöffnung

8

zweite Metallisierungsschicht

9

Schutzschicht

11

Passivierungsschicht

22

Bragg-Reflektor-Schichtenfolge

41

Stromapertur

Claims

1. Vertikalresonator-Laserdiode, bei der

- zwischen einer ersten Bragg-Reflektor-Schichtenfolge (2) und einer zweiten Bragg-Reflektor-Schichtenfolge (4), von denen jede eine Mehrzahl von Spiegelpaaren (22, 44) auf weist, eine aktive Schichtenfolge (3) zur Erzeugung von Laserstrahlung angeordnet ist,
- die beiden Bragg-Reflektor-Schichtenfolgen (2, 4) einen Laser-Resonator bilden,
- die beiden Bragg-Reflektor-Schichtenfolgen (2, 4) und die aktive Schichtenfolge (3) zwischen einer ersten (7) und einer zweiten elektrischen Kontaktschicht (8) angeordnet sind,
- eine (4) der beiden oder beide Bragg-Reflektor-Schichten folgen (2, 4) für die in der aktiven Schichtenfolge (3) erzeugte Laserstrahlung teildurchlässig ist,
- die erste elektrische Kontaktschicht (7) eine Licht austrittsöffnung (7A) aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß

- auf dem gesamten Bereich der in der Lichtaustrittsöffnung (7A) freiliegenden teildurchlässigen Bragg-Reflektor- Schichtenfolge (4) eine Schutzschicht (9) aus einem herme tisch dichten Dielektrikum, insbesondere aus Si₃N₄, aufge bracht ist.

2. Vertikalresonator-Laserdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Schutzschicht (9) den durch die elektrische Kontakt schicht (7) gebildeten Randbereich der Lichtaustrittsöff nung (7A) auf seinem gesamten Umfang überdeckt.

3. Vertikalresonator-Laserdiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Schutzschicht (9) durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) oder durch Radiofrequenz (RF)-Sputtern aufgebracht ist.