DE2713298B2

DE2713298B2 - Halbleiterlaser

Info

Publication number: DE2713298B2
Application number: DE2713298A
Authority: DE
Inventors: Naoki Kokubunji Chinone; Kazuhiro Hachioji Tokio Kurata; Satoshi Hachioji Nakamura; Hisao Tokorozawa Saitama Nakashima; Yutaka Ohme Takeda
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1976-03-26
Filing date: 1977-03-25
Publication date: 1980-03-06
Also published as: CA1063215A; JPS52116185A; DE2713298C3; NL7703341A; JPS5346709B2; DE2713298A1; NL171760C; FR2345836B1; US4161701A; FR2345836A1

Description

Ein Halbleiterlaser der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung ist aus »Japanese Journal of Applied Physics« Band 13(1974) Nr. 9, Seiten 1485 und 1486 bekannt. Gewisse Eigenschaften und Nachteile dieses bekannten Halbleiterlasers sollen im folgenden anhand der Fig. la und Ib erläutert werden. Diese Figuren zeigen vertikale Querschnittsansichten des herkömmlichen Halbleiterlasers mit Mesastrcifengeometrie. Auf einem n-leilcnden GaAs-Substrat 1 sind aufeinanderfolgend eine η-leitende Gai -,AI»As-Schicht 2 (0<*<l), eine p-leitende GaAs-Schicht 3, eine p-leitende Gai-iAljAs-Schicht 4 (0<x<l) und eine p-leitende GaAs-Schicht 5 epitaxial aufgewachsen. Auf einer oder auf beiden Seiten eines Mittelbereichs 11 sind in die Oberfläche der epitaxial gewachsenen Schichten eine oder mehrere Nuten auf fotolithographischem Weg selektiv eingeätzt. Der auf diese Weise gebildete, als Stützstruktur dienende mesaförmige Bereich 12 (bzw. 12') erstreckt sich seitlich des den Strom leitenden Bereichs 11. Die gesamte Oberfläche der epitaxial gewachsenen und mil den mesaförmigen Bereichen versehenen Schichten wird dann mit SiO^ als dielektrische Schicht 6 überzogen. Als Leiter für den Betriebsstrom wird anschließend zum Unterdrücken der Slromstreuung die SiO2-Schicht 6 auf dem stromleitenden Mesabereich 11 lediglich im Mittelbcreich abgetragen, wobei, wie die Fig. la und Ib zeigen, ein Schiiltcrteil zurückbleibt. Anschließend werden eine p-leitcnde Elektrode 7 und eine η-leitende Elektrode 8 jeweils vakuumatifgedaiiipft und das sich ergebende Substrat wird durch Spalten oder Anritzen in eine Vielzahl Elemente zerteilt. Die einzelnen abgeteilten Elemente h/w PiodenchiDS worden mit Hilfe von Lötmittel 9 an einem Kupfer-Kühlkörper 10 befestigt. Bei den vorstehend erläuterten, bekannten Halbleiterlasern mit Mesastreifengeometrie bleibt die SKVSchicht 6 an der Schulter des Mesabereichs 11 zurück, womit die '> Stützmesastrukturen 12, 12' und die stromleitende Mesastruktur 11 gleiche Höhen haben. Beim Befestigen des Diodenchips am Kühlkörper mit Hilfe des Lötmittels 9 ergeben sich nachstehende Nachteile.

a) Da beim Befestigen am Kühlkörper Druck ausgeübt wird, wird der aktive Bereich der p-leitenden GaAs-Schicht 3 unter der stromleitenden Mesastruktur 11 verspannt

b) Wenn die SKVSchicht 6 auf der oberen Schulter 1, der stromleitenden Mesastruktur U verbleibt, so

werden Spannungen auf die Kante der S1O2-Schicht ausgeübt.

c) Beim Erwärmen während des Lötvorgangs wird der aktive Bereich der p-leitenden GaAs-Schicht 3 wie unter a) aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung des Kühlkörpers 10, des Lötmittels 9, der Elektrode 7 und des SiO₂-FiImS 6 verspannt.

Werden in dieser Weise auf den aktiven Bereich der

2^r> p-leitenden GaAs-Schicht 3 Spannungen ausgeübt, so kann der Laser nicht zu Schwingungen angeregt werden. Selbst wenn Schwingungen möglich sind und der Laser betrieben werden kann, so ist seine Lebensdauer kurz.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Halbleiterlaser der eingangs bezeichneten Gattung derart weiterzubilden, daß seine Betriebszuverlässigkeit und Lebensdauer erhöht werden.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im

1·"' Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegeben. Danach lassen sich eine Verschlechterung des Laserbetriebs und die Lebensdauerverkürzung aufgrund der beim Befestigen des Diodenchips an einem Träger auf den ak'iven Bereich der stromleitenden Halbleiter-

-i^(| schicht ausgeübten Kräfte bzw. Spannungen verhindern. Weiterhin werden Einflüsse auf den aktiven Bereich, wie sie durch Spannungskräfte aufgrund des Abätzens der auf der stromleitenden Halblciterschicht verbleibenden dielektrischen Schicht und aufgrund unterschiedlicher

•i^r> thermischer Ausdehnungskoeffizienten des Kühlkörpers, des Lötmittels, der Elektrode und der dielektrischen Schicht beim Erwärmen während des Lötens auftreten, vermindert.

Im folgenden sollen bevorzugte Ausführungsbcispiclc

^ri() der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert werden, und zwar zeigen:

Fig. 2a und 2b vertikale Schnitlansichten des Aufbaus zweier Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Halbleiterlasers;

^r'^r> Fig. 3 eine vertikale Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterlasers; und

Fig.4, 5 und 6 vertikale Schnitlansichten anderer Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Halbleilerla-

i.ii ser.

Ausführungsbcispiel 1

Die F i g. 2a und 2b zeigen vertikale Schnittansichten von Halbleiterlasern mit Mesastreifengeometrie. Auf '■' einem n-leitcnden GuAs-Substrat 1 wurden durch Flüssig-Epitaxialwachstum aufeinanderfolgend eine n-lcilende Gai-,Al,As-Schicht 2 (0<a<0,3), eine p-leitende GaAs-Schicht 3. eine p-leitende Gai . ,AIvAs-

Schicht 4 (O < χ< 0,3) sowie eine p-!eitende GaAs-Schicht 5 gebildet. Zu beiden Seilen eines Mittelteils der gewachsenen Sciiichten wurden auf fotolithographischem Weg Stützmesastrukturen 12 und 12' durch Nuten abgeteilt. Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 2b ist lediglich eine Stützmesastruktur durch eine einzige Nut gebildet. Auf der gesamten Oberfläche des mit den Mesastrukturen, einschließlich einer stromleitenden Mesastruktur 11, versehenen Halbleiterplättchens wurde ein SiC2-Film 6 mit einer Dicke von etwa 0,5 μπι chemisch aufgedampft. Der SiO2-Film 6 wurde nachfolgend mit Hilfe fotolithographischer Verfahren nur auf dem Dachbereich der stromleitenden Mesastruktur 11 vollständig entfernt. Danach wurde eine p-leitende Elektrode 7 sowie eine η-leitende Elektrode 8 vakuumaufgedampft und das Halbleiterplättchen in Chips von 400μΐηχ400μηΊ verteilt. Jeder Chip wurde durch Lötmittel 9 an einem Kühlkörper 10 befestigt. Die auf diese Weise erhaltene stromleitende ivlesastruktur 11 ist entsprechend der Dicke des S1O2-Films 6 um etwa 0,5 μπι niedriger als die Stützmesastrukturen 12 bzw. 12'. Auf den aktiven Bereich der p-leitenden GaAs-Schicht 3 wirken demzufolge keine durch die Befestigung des Dioden-Chips am Kühlkörper hervorgerufenen Spannungskräfte ein.

Ausführungsbeispiel 2

F i g. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Auf einem η-leitenden GaAs-Substrat 1 wurden durch Flüssig-Epitaxialwachstum aufeinanderfolgend eine η-leitende Gai_, Al, As-Schicht 2 (0<v<0,3), eine p-leitende GaAs-Schicht 3, eine p-leitcnde Gai_,Al,As-Schicht 4 (0<a<0,3) und eine p-leitende GaAs-Schicht 5 gebildet. Mit Hilfe fotolithographischer Verfahren wurden Stützmesastrukturen 12 und 12' sowie eine stromlciiende Mesastruktur Il gebildet. Anschließend wurde, wie in F i g. 3 dargestellt, ein Teil oder die gesamte Höhe lediglich der stromleitenden Mesastruktur 11 mit Hilfe eines bekannten, Phosphorsäure enthaltenden Ätzmittels photolithographisch abgeälzt. Mit Hilfe eines chemischen Aufdampfverfahrens wurde dann auf der gesamten, die Mesastruktur bildenden Oberfläche ein SiO2-Film 6 mit etwa 0,5 μιιι Dicke aufgebracht. Ausschließlich auf der Dachfläche der stromleitenden Mesastruktur 11 wurde der SiO₂-FiIm 6 anschließend auf fotolithographischem Weg vollständig wieder entfernt. Schließlich wurden eine p-leitende Elektrode 7 sowie eine η-leitende Elektrode 8 aufgebracht und das Substrat in Diodenchips von 400μηΊχ400μιη zerteilt. Jeder Diodenchip wurde durch Lötmittel 9 an einem Kühlkörper 10 befestigt. Die auf diese Weise erhaltene Höhe der stromleitenden Mesaslruktur 11 ist um die Summe aus etwa 0,5 μιτι, entsprechend der Dicke des S1O2 Films 6 und dem geätzten Bestandteil der Mesastruktur U kleiner als die Höhe der Stützmesastrukturen 12,12'.

Bei den in di'n F i g. 2a, 2b und 3 dargestellten Ausführungsbeispielcn ist die Höhe der stromleitenden Mesastruktur kleiner als die Höhe der Stützmesastrukturen 12, 12'. Dadurch werden sämtliche Spannungskriifte beim Aufsetzen des Chips auf den Kühlkörper auf die Slüt/.mesastruktiiren 12, 12' abgeleitet, während die stromleitcndc Mesastrukuir U frei von Spannungskräften bleibt. Da der SiOi-FiIm b der slromleitendcn Mesastruktur 11 vollständig entfernt ist, werden auch die aufgrund von Unterschieden der thermischen Ausdehnung von Metall. SiO? und Halbleiter beim Aufheizen während des Anlötens des Diodenchips am Kühlkörper auftretenden Spannungen verringert. Auf diese Weise kann der aktive Teil der p-leitenden GaAs-Schicht 3 weitgehend von Spannungskräfter. ϊ entlastet werden. Dies führt zu einer Verringerung der durch die Spannungen in der aktiven Schicht hervorgerufenen Dunkellinienfehler und Dunkelfleckfehler. Weiterhin wird die Ausbeute an Halbleiterlasern, die zu Schwingungen angeregt werden können, um 40%

to verbessert und die Elemente können zuverlässig mit einer Lebensdauer von mehr als 5000 Stunden hergestellt werden. Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 sind übermäßige Ätztiefen des die stromleitende Mesastruktur bildenden Kristalls unter dem Gesichts-

ΐί punkt thermischer Leitfähigkeit unerwünscht Durch Experimente wurde festgestellt, daß sich beim Erstarren des Lötmittels zwischen dem Kühlkörper und der stromleitenden Mesastruktur ein Spalt bildet, wenn die Ätztiefe über einen gewissen Wert hinaus zunimmt. Der Spalt verschlechtert die thermische Leitfähigkeit. Der fehlende Kontakt zwischen dem Lötmittel auf dem Kühlkörper und der stromleitenden Mesastruktur ist zwar von der thermischen Leitfähigkeit her gesehen nachteilig, er ist jedoch unter dem Gesichtspunkt der

2^r> Spannungskräfte in dem Element vorteilhaft, da auf den aktiven Laserbereich beim Befestigen des Halbleiterl.iser-Chips auf dem Kühlkörper keine Kräfte ausgeübt werden. Bei manchen Anwendungsfällen können deshalb derartige Hilfsmittel von Nutzen sein. Im

)i) Ausführungsbeispiel nach F i g. 2b ist lediglich auf einer Seite des durch die Mesastruktur gebildeten aktiven Bereichs eine Stützmesastruktur vorgesehen. In den Ausführungsbeispielen der F i g. 2a und 3 sind zu beiden Seiten des die Mesastruktur bildenden aktiven Bereichs

i^r> Stützmesastrukturen angeordnet. Die Anzahl der Stützmesastrukturen kann jedoch weiter erhöht werden und auch die Anordnungsweise der Stüizmesastrukturen kann verändert werden. Die vorstehend erläuterien Ausführungsbeispiele befassen sich mit Halbleiterlasern

■"> eines GaAs-GaAIAs-Systems. In bekannter Weise kann die aktive GaAs-Schicht auch sehr geringe Mengen Al enthalten.

Ausführungsbeispiel 3

•r> Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Halbleiterlaser, bei dem der den Strom führende Bereich planar ausgebildet ist und durch Diffusionsverfahren hergestellt wurde.

Nach der Ätzreinigung der Oberfläche eines n-leiten-

">» den GaAs-Substrats 1 wurden in nachstehender Reihenfolge eine Sn-dotierte, η-leitende Gai ,Al_xAs-Schicht 2' (a —0,3), eine p-leitende GaAs-Schicht 3, eine Ge-dotierte, p-leitende Ga,. ,Al,As-Schicht 4 (v-0,3) und eine Sn-dotierle, η-leitende GaAs-Schicht 5

■"<> epitaxial auf dem Substrat aufgewachsen. Durch ein chemisches Aufdampfverfahren wurde anschließend auf dem erhaltenen Plättchen ein Oxidfilm (SiO₂ oder Al₂Oj) aufgebracht. Auf fotolilhographischem Weg wurde der Oxidfilm für ein Diffusionsfenster teilweise entfernt.

<■"> Durch Eindiffundieren von Zn wurde ein Diffusionsbereich 13 gebildet. Die Diffusion erfolgte bei 700⁰C während 15 Minuten. Durch nachfolgendes fotulithographisches Ätzen wurden Nuten 14, 14', 15 und 15' gebildet. Durch ein chemisches Aufdampfverfahren

··> wurden schließlich auf der Oberfläche der Stützmesastrukturen 12, 12' (100 μηι breit und 5 μιη hoch), einem den Planar-Halblcitcrlascr bildenden Bereich 16 (300 um breit und 5 um hoch) sowie den durch die

Ätznuten und Defektstellen gebildeten Slützmcsaslrukturen bzw. Bereichen ein Oxidfilm 6 aus S1O2 oder AI2O3 aufgebracht. Auf fotolithographischciii Weg wurde der Oxidfilm lediglich auf der Dachseite des den Planar-Halbleiterlaser 16 bildenden Bereichs abgetragen. Die Dachseite, von der der Oxidfilm abgetragen wurde, ist also etwas (1 bis 5 μιη) zurückgeätzt. Auf ihr wurde durch Vakuumaufdampfen eine p-leitende Elektrode 7 aus Cr-Au aufgebracht. Das an den anderen Stellen abgelagerte Elektrodenmaterial wurde durch Ätzen entfernt. Die untere Oberfläche des GaAs-Substrats 1 wurde poliert und auf eine Gesamtdicke des Substrats von 100 bis 150 μιη zurückgeätzt. Anschließend wurde auf ihr eine Au-Ge-Ni-Schicht als η-leitende Elektrode 8 vakuumaufgedampft.

Das Halbleiterlaserplättchen wurde schließlich entlang der Nuten 15,15' sowie orthogonal dazu gespalten und in Chips von 600μιτιχ400μιη zerteilt. Der Chip wird mit Lötmittel 9 an einem Kühlkörper 10 befestigt. Der Bereich des Halbleiterlasers 16 ist um die beim Ätzen abgetragene Höhe (1 bis 5 μιη) und die Dicke des auf den Stützmesasirukturen 12, 12' aufgebrachten Oxidfilms niedriger als die Stützmesastrukluren 12, 12'. Der beim Befestigen des Chips auf dem Kühlkörper aufgebrachte Druck wird somit vollständig in die Stützmesastrukturen 12,12' abgeleitet. Auf den Bereich des Planar-Halbleiterlasers 16 wirken somit keine Spannungskräfte ein und es werden zuverlässige Elemente hoher Lebensdauer erhalten.

Ausführungsbeispiel 4

F i g. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Halbleiterlasers vom lonenimplantationstyp, bei dem die nicht zum Stromweg gehörenden Bereiche durch Ionenimplantation in Bereiche mit hohem Widerstand überführt sind.

Das Epitaxialaufwachsen auf dem GaAs-Substrat 1 wird wie beim Ausführungsbeispiel 3 durchgeführt, wobei jedoch als letzte Schicht eine Ge-dotierte. p-leitende GaAs-Sehicht 5' aufgewachsen wird. Aul dieser epitaxial aufgewachsenen Schicht wird als Schutzfilm für die Implantation von Protonen eine Au-Schicht von 2 bis 3 μιη aufgebracht. Durch Protonenimplantation wird in bekannter Weise ein Bereich 17 mit hohem Widerstand gebildet. Wie bereits im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel 3 beschrieben, werden die epitaxial aufgewachsenen Schichten mit Nuten 14, 14' und 15, 15' versehen. Es entstehen Stützmesastrukturen 12, 12' sowie ein Halbleiterlaserbereich 16 vom Planartyp. Ähnlich dem Ausführungsbeispiel 3 wird die Dachseite des Planar-Halbleiterlaserbereichs 16 etwas (1 bis 5 μιη) abgeätzi und es wird durch Vakuumaufdampfen eine p-leitendc Elektrode 8 sowie durch ein chemisches Aufdampfverfahrer, ein Oxidfilm aufgebracht. Der Kristall wird ir Chips von 600 μιη χ 400 μιη zerteilt und der Chip wire mit Lötmittel 9 an einem Kühlkörper befestigt. Wie beim Ausführungsbeispiel 3 ist die Höhe des planarer Halbleiterlaserbereichs 16 kleiner als die Höhe dei Stützmesastrukturen 12, 12'. Auf den planaren Halb Ieiterlaserbereich 16 wirken also ebenfalls keim Zugkräfte und es werden wiederum zuverlässige Elemente mit langer Lebensdauer erhalten.

Ausführungsbeispiel 5

Fig. 6 zeigt einen Halbleiterlaser vom Planartyp mi einem InP-GalnAsP-lnP-System.
Auf einem η-leitenden InP-Substrat 1 werder

JO aufeinanderfolgend eine Ga,lni_,As_rPi-^Schicht 3 (*=0.12, y=0,23) und eine p-leitenden InP-Schicht 4 epitaxial aufgewachsen. Das gewachsene Kristallplätt chen wird mit den Methoden gemäß Ausführungsbei spiel 3 behandelt und der Chip wird an einen

J5 Kühlkörper 10 angelötet. Wie beim Ausführungsbeispie 3 wirken auf den planaren Halbleiterlaserbereich H keine Spannungskräfte ein und man erhält ein Elemen langer Lebensdauer.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiterlaser mit einem Halbleiterplättchen, an dessen einer Hauptoberfläche eine erste Elektrode angeordnet ist, einem auf der Seite der anderen Hauptoberfläche des Halbleiterplättchens vorgesehenen pn-Übergang, einer an den pn-übergang unmittelbar anschließenden aktiven Schicht, mindestens einer auf der vom Halbleiterplättchen abgewandeten Hauptoberfläche der aktiven Schicht angeordneten weiteren Halbleiterschicht, die durch mindestens eine Nut in einen die aktive Schicht umfassenden stromleitenden Bereich und einen als Stützstruktur dienenden mesaförmigen Bereich unterteilt ist, einer die oberste Schicht des mesaförmigen Bereichs und der Nut bildenden dielektrischen Schicht, einer auf dem stromleitenden Bereich und der dielektrischen Schicht angeordneten zweiten Elektrode und einem auf der zweiten Elektrode angeordneten Kühlkörper, dadurch gekennzeichnet, daß der mesaförmige Bereich (12,12') höher ist als der stromleitende Bereich (11; 16).

2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (7; 8) die gesamte Hauptoberfläche des stromleitenden Bereichs (11; 16) bedeckt.

3. Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der stromleitende Bereich (16) planar ausgebildet ist.