DE19945128A1 - Vertical resonance laser diode has a protective layer made of a hermetically sealed dielectric, especially silicon nitride applied to the whole region of a Bragg reflector layer sequence - Google Patents

Vertical resonance laser diode has a protective layer made of a hermetically sealed dielectric, especially silicon nitride applied to the whole region of a Bragg reflector layer sequence

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Abstract

A protective layer (9) made of a hermetically sealed dielectric, especially Si3N4 is applied to the whole region of the Bragg reflector layer sequence (4). Vertical resonance laser diode comprises an active layer sequence (3) for producing laser radiation between a first Bragg reflector layer sequence (2) and a second Bragg reflector layer sequence (4), each having a number of mirror pairs (22, 44). Both Bragg reflector layer sequences form a laser resonator. Both Bragg reflector layer sequences and the active layer sequences are arranged between a first and a second electrical contact layer (7, 8).One (4) of the layer sequences is partially permeable for the laser radiation produced in the active layer sequence. The electrical contact layer has a opening (7A) for light. A protective layer (9) made of a hermetically sealed dielectric, especially Si3N4 is applied to the whole region of the Bragg reflector layer sequence (4). Preferred Features: The protective layer covers the edge region of the opening formed by the electrical contact layer. The protective layer is applied by plasma-supported chemical gas phase deposition or radio frequency sputtering.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vertikalresonator-Laserdiode nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a vertical resonator laser diode the preamble of claim 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.Vertical resonator laser diodes (VCSELs) are said to be in packaging are used that are not herme to the environment table are insulated. Obtain such "open" structures increasing interest due to their low manufacturing costs and their space-saving structure. When packing for Components to be used, however, must be packaging VCSELs determined in their reliability data meet typical requirements. Especially with the location tion in a humid atmosphere at an elevated temperature (Moisture-heat storage), at z. B. a temperature of 85 ° C. and 85 ° C humidity, VCSELs have so far shown an instabi les behavior.

Demgemäß liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu­ grunde, eine Vertikalresonator-Laserdiode zu schaffen, die ausreichend stabil gegenüber Umgebungseinflüssen wie Wärme oder Feuchtigkeit ist.Accordingly, the present invention has the object reason to create a vertical resonator laser diode that sufficiently stable against environmental influences such as heat or moisture.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the features of patent claim 1 solved.

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.In the invention to be described here, a protective layer of a hermetically sealed dielectric, in particular made of Si 3 N 4 , is arranged over the entire area of the partially permeable Bragg reflector layer sequence of the vertical resonator laser diode that is exposed in the light exit opening. It is advantageous if the protective layer additionally covers the edge area of the light exit opening formed by the electrical contact layer over its entire circumference. The protective layer can advantageously be applied by plasma-assisted chemical vapor deposition (PECVD) or by radio frequency (RF) sputtering.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines einzigen Ausfüh­ rungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:In the following the invention is based on a single embodiment example explained in more detail. Show it:

Fig. 1 den epitaktischen Schichtaufbau einer erfindungsge­ mäßen Vertikalresonator-Laserdiode; Fig. 1 shows the epitaxial layer structure of a erfindungsge MAESSEN vertical resonator laser diode;

Fig. 2 die Steilheit als Funktion der Lagerungszeit von VCSELs ohne (A) und mit Schutzschicht aus SiN (B). Fig. 2 shows the slope as a function of the storage time of VCSELs without (A) and with a protective layer made of 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.The vertical resonator laser diode (VCSEL) shown in FIG. 1 is applied to a GaAs substrate 6 . On the GaAs substrate 6 there is a first, lower Bragg reflector layer sequence 2 , which is made up of individual identical mirror pairs 22 . The mirror pairs each consist of two AlGaAs layers of different aluminum concentrations. In the same way, a second, upper Bragg-Re reflector layer sequence 4 is constructed from corresponding mirror pairs. An active layer sequence 3 is embedded between the lower and the upper Bragg reflector layer sequence. In the illustrated embodiment, the emission wavelength of the laser diode is 850 nm. On the upper surface of the laser diode is a first metallization layer 7 , which is used for the electrical connection of the p-doped side of the laser diode. The first metallization layer 7 has a central light passage opening 7 A for the passage of the laser radiation. The n-doped side of the diode is usually electrically connected via a second metallization layer 8 contacted on the substrate 6 .

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.In the exemplary embodiment, the upper Bragg reflector layer sequence 4 contains a pair of mirrors which contains a so-called current aperture 41 . The current aperture 41 ensures a lateral current limitation and thus defines the actual active light-emitting surface in the active layer sequence 3 . The current flow is limited to the opening area of the Stromaper tur 41 . The light-emitting surface is thus directly below this opening area in the active layer sequence 3 . The current aperture 41 can be produced in a known manner by partial oxidation of the AlGaAs layers of the mirror pair in question or by ion or proton implantation.

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.The upper Bragg reflector layer sequence 4 of the laser diode is structured in the form of a mesa structure above the active layer 3 . The mesa-shaped upper Bragg reflector layer sequence 4 is laterally enclosed by a suitable passivation layer 11 .

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.In the area of the light passage opening 7 A, a protective layer 9 made of Si 3 N 4 is applied to the upper Bragg reflector layer sequence 4 , through which the exposed surface of the Bragg reflector layer sequence 4 can be passivated and protected against the effects of heat and moisture. The protective layer 9 is applied 7 A in the entire region of the light passage opening and overlaps the by the electrical con tact layer 7 edge formed of the light passage opening 7 A over its entire circumference, so that the exposed Oberflä surface of the Bragg reflector layer sequence 4 hermetically ge genüber the environment is complete. In the edge region, the protective layer 9 thus has an elevation which corresponds in thickness to the thickness of the electrical contact layer 7 .

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. The protective layer 9 may be applied by means disposed at a small distance from the laser diode mask which has an opening that is slightly larger on all sides than the light passage opening 7 A. As a result, the overlap of the edge region with the protective layer 9 is made possible. It is also possible to apply the protective layer over the entire surface with a subsequent masked etching for structuring.

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.The PECVD or RF sputtering technology creates a tight seal Layer that damages the laser due to humidity prevents a gap-free seal over the ge entire aperture window area is reached. The important thing here is the electrically insulating property of the protective layer, the in this way the formation of a galvanic element between the metallic contact layer and the semiconductor of the Light exit window prevented.

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.In the first experiments, protective layers made of Si 3 N 4 showed clear advantages over, for example, Al 2 O 3 , which was applied by ion beam sputtering and with which a satisfactory hermetically sealed passivation of the laser diodes could not be achieved.

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.The positive effect of the protective layer made of Si 3 N 4 is illustrated in FIG. 2. In FIG. 2, the steepness of VCSELs as a function of storage time in a damp is (humidity 85%) atmosphere shown at elevated temperature (85 ° C). The slopes of a total of 15 samples are plotted. These VCSEL components have a protective layer over the aperture window, but not a protective layer made of PECVD-Si 3 N 4 according to the present invention, but a protective layer made of Al 2 O 3 . Individual VCSELs in FIG. 2A show clear fluctuations in the slope, which is due to damage to the laser. The Al 2 O 3 deposited by ion beam sputter deposition does not appear to cause the desired hermetically sealed passivation. With these VCSEL components, edge gaps of the passivation layer on the contact ring probably occur.

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. In contrast, the slope curves of a total of 15 VCSEL components are plotted over the storage time in FIG. 2B. These VCSEL components were provided with a Si 3 N 4 passivation layer. None of the steepness curves plotted in FIG. 2B shows a significant change in the steepness after a storage time of 2000 hours. Thus, all VCSELs whose steepness curves are plotted in FIG. 2B show very stable behavior when stored in a warm, humid atmosphere. This positive passivation effect has also been demonstrated in numerous other tests.

BezugszeichenlisteReference list

22nd

erste Bragg-Reflektor-Schichtenfolge
first Bragg reflector layer sequence

33rd

aktive Schichtenfolge
active layer sequence

44th

zweite Bragg-Reflektor-Schichtenfolge
second Bragg reflector layer sequence

66

Substrat
Substrate

77

erste Metallisierungsschicht
first metallization layer

77

A Lichtdurchtrittsöffnung
A light passage opening

88th

zweite Metallisierungsschicht
second metallization layer

99

Schutzschicht
Protective layer

1111

Passivierungsschicht
Passivation layer

2222

Bragg-Reflektor-Schichtenfolge
Bragg reflector layer sequence

4141

Stromapertur
Current aperture

Claims (4)

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.
1. Vertical resonator laser diode in which
  • - An active layer sequence ( 3 ) for generating laser radiation is arranged between a first Bragg reflector layer sequence ( 2 ) and a second Bragg reflector layer sequence ( 4 ), each of which has a plurality of mirror pairs ( 22 , 44 ) is
  • the two Bragg reflector layer sequences ( 2 , 4 ) form a laser resonator,
  • the two Bragg reflector layer sequences ( 2 , 4 ) and the active layer sequence ( 3 ) are arranged between a first ( 7 ) and a second electrical contact layer ( 8 ),
  • one ( 4 ) of the two or both Bragg reflector layers follow ( 2 , 4 ) is partially transparent to the laser radiation generated in the active layer sequence ( 3 ),
  • - The first electrical contact layer ( 7 ) has a light outlet opening ( 7 A),
characterized in that
  • - On the entire area in the light exit opening ( 7 A) exposed partially transparent Bragg reflector layer sequence ( 4 ) a protective layer ( 9 ) made of a hermetically sealed dielectric, in particular of Si 3 N 4 , is brought up.
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.
2. Vertical resonator laser diode according to claim 1, characterized in that
  • - The protective layer ( 9 ) through the electrical contact layer ( 7 ) formed edge area of the light exit opening ( 7 A) covers its entire circumference.
3. Vertikalresonator-Laserdiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß 3. vertical resonator laser diode according to claim 1 or 2, characterized in that   - die Schutzschicht (9) durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) oder durch Radiofrequenz (RF)-Sputtern aufgebracht ist.- The protective layer ( 9 ) is applied by plasma-assisted chemical vapor deposition (PECVD) or by radio frequency (RF) sputtering.
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