DE68915763T2

DE68915763T2 - Verfahren zur Spiegelpassivierung bei Halbleiterlaserdioden.

Info

Publication number: DE68915763T2
Application number: DE68915763T
Authority: DE
Inventors: Marcel Gasser; Ernst Eberhard Dr Latta
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1989-09-07
Filing date: 1989-09-07
Publication date: 1994-12-08
Anticipated expiration: 2009-09-08
Also published as: US5063173A; CA2018501C; EP0416190A1; JPH03101183A; EP0416190B1; DE68915763D1; CA2018501A1

Description

TECHNISCHE BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Passivierung von Spiegeln bei Halbleiterlaserdioden, um eine Abnahme der Geräteleistung zu vermeiden, die auf eine Verschmutzung des Spiegels zurückzuführen ist. Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung, die sich sowohl auf gespaltene als auch auf geätzte Spiegelvorrichtungen anwenden läßt, wird eine Passivierungsschicht geeigneten Materials im Unterdruck auf verschmutzungsfreie Spiegelfacetten aufgetragen.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Halbleiterlaserdioden werden in vielen verschiedenen informationsbearbeitenden Systemen eingesetzt, weil sie eine kompakte Größe besitzen, und weil ihre Technologie mit der dazugehörigen elektronischen Schalttechnik kompatibel ist. Sie werden in Bereichen wie beispielsweise Datenkommunikation, optische Speicherung und optischer Druck verwendet. Am häufigsten werden Verbundmaterialien der Gruppe III/V verwendet; hier fanden insbesondere AlGaAs-Laser verstärkten Einsatz.
In der Vergangenheit wurden Spiegelfacetten durch Aufspaltung der Laserbündel hergestellt, das heißt geschichtete Strukturen, die die aktive Wellenführung des Geräts bilden. Die Aufspaltung ergibt normalerweise einzelne, qualitativ hochwertige Bauteile, die jedoch eine weitere individuelle Verarbeitung und Erprobung erfordern. In jüngster Vergangenheit läßt sich ein starker Trend zur Erhöhung des Integrationsmaßstabs verzeichnen, wodurch das Auswechseln mindestens einer gespaltenen Spiegelfacetten der Laserdioden durch einen geätzten Spiegel erforderlich ist. Da bei der Herstellung qualitativ hochwertiger geätzter Spiegel entscheidende Fortschritte erzielt wurden, erscheint diese Technologie sehr vielversprechend. Sie ermöglicht, daß Verfahren wie beispielsweise die Spiegelbeschichtung und -erprobung auf der Ebene des Wafers ausgeführt werden können, woraus die Vorteile einer kürzeren Behandlungsdauer, besserer Resultate und verminderter Herstellungs- und Erprobungskosten erwachsen.
Für beide Laserarten, das heißt, diejenigen mit gespaltenen und diejenigen mit geätzten Spiegeln, ist eines der wichtigsten Kriterien die Zuverlässigkeit und somit die maximale Lebensdauer des Bauteils, sowie auch die Ausgangsleistungen, die für die unterschiedlichen Anwendungen erforderlich sind. Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Bauteils werden durch Spiegelverschmutzung und Materialabnutzung stark beeinträchtigt, weil dadurch das Bauteil erhitzt und schließlich unbrauchbar wird.
Schon seit langer Zeit, ja seit nunmehr über einem Jahrzehnt, werden Vorschläge eingereicht und Versuche unternommen, um diese Schwierigkeiten zu beseitigen. Am erfolgreichsten erwies sich dabei eine Beschichtung der Spiegelfacetten, wobei Passivierungsschichten aufgetragen werden, um die Spiegeloberflächen während der gesamten Lebensdauer des Bauteils gegen Verschmutzung zu schützen.
Einige dieser Vorgehensweisen, die die Entwicklung der Passivierungsverfahren veranschaulichen und den derzeitigen Stand dieser Technologie darstellen, werden in den folgenden Veröffentlichungen beschrieben:
- Der Artikel "Effects of facet coatings on the degradation characteristics of GaAs-GaAlAs DH lasers", von Y. Shima et al (Appl. Phys. Lett., Vol. 31, No. 9, 1 November 1977, pp 625- 627), enthält wohl die erste Beschreibung des Einflusses der Facettenbeschichtung auf die AlGaAs-Laserqualitätsabnahme. Die Autoren erzielten drastische Verbesserungen der langsamen Qualitätsabnahmegeschwindigkeiten und der maximalen Leistungsausgaben, indem sie gespaltene Spiegel mit SO&sub2; oder Al&sub2;O&sub3; beschichteten. Für Al&sub2;O&sub3; wurde eine optimale Qualitätsminderungsgeschwindigkeit von etwa -0,001/h bei 2 mW/um Lichtleistung erzielt.
- Der Artikel "Insulating carbon coating on (AlGa)As DH laser facets", vonT. Furuse et al (Appl. Phys. Lett., Vol. 44, No. 4, 15 August 1978, pp 317-318), beschreibt eine weitere Verbesserung der Qualitätsabnahmegeschwindigkeit durch Auftragen einer Kohlebeschichtung. Die Autoren erzielten einen stabilen Laserbetrieb bei 4 mW, der sich über 6,000 Stunden lang hielt.
- Der Artikel "High-power-density single-mode operation of GaAs-GaAlAs TJS lasers utilizing Si&sub3;N&sub4; plasma deposition for facet coating", von H. Namizaki et al (J. Appl. Phys. 50(5), May 1979, pp 3743-3745), beschreibt ein Verfahren der Laserdiodenfacettenbeschichtung unter Einbeziehung einer Plasmabeschichtung mit Si&sub3;N&sub4; auf der Spiegeloberfläche. Es wurde festgestellt, daß nach 1,000 Betriebsstunden bei 4 mw/um nur wenig Änderung im Betriebsstrom auftritt. Konkrete Zahlen liegen nicht vor.
- Der Artikel "Pulsed-power performance and stability of 800 nm GaAlAs/GaAs oxide-stripe lasers", von F. Kappeler et al (IEE Proc., Vol. 129 pt.1, No. 6, December 1982, pp 256-261), berichtet über experimentelle Ergebnisse und theoretische Untersuchungen von AlGaAs/GaAs-Lasern unter Impulsleistungsbedingungen. Die Autoren verwendeten Al&sub2;O&sub3;-beschichtete Spiegel und wandten einen Argon-Ionen-Zerstäubungssprozeß an, um die Spiegelfacetten vor der Ablagerung der Passivierung vorzureinigen. Dies führte offensichtlich nicht zu einer wesentlichen Verbesserung der maximal erreichbaren Ausgabe. Tatsächlich schien die Hochenergie-Zerstäubung, die zu Oberflächenschäden führte, eine negative Auswirkung zu haben.
- Der Artikel "Novel AlGaAs Laser with High-Quality Mirror Fabricated by Ractive Ion-Beam Etching an In-Situ Passivation Using Enclosed UHV Processing System", von M. Uchida et al. (IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-34, No. 11, Nov. 1987, pp. 2378-2379), beschreibt ein weiteres Verfahren zur Passivierung geätzter Spiegelfacetten, wobei auch hier Al&sub2;O&sub3; als Passivierungsschicht verwendet wird. Diese Passivierungsschicht muß vor der Inbetriebnahme des Lasers geglüht werden.
- Der Artikel "Reactive Outdiffusion of Contaminants from (AlGa)As laser facets", von P. Tihanyi et al. (Appl. Phys. Lett., Vol. 42, No. 4, 15. Februar 1983, pp 313-315), beschreibt ein weiteres Verfahren zur Vorreiniggung der Spiegeloberfläche. Die Autoren beschichteten einen dünnen metallischen Al-Film direkt auf der Facette mit Luftspalten und behaupten, daß dieses Verfahren einen großen Teil der Oberflächenverschmutzungen, die durch den Gasaufzehrungseffekt des Aluminiums auftreten, eliminiert. Daten zur Laserleistung liegen nicht vor.
- Der Artikel "High-power 0.87 micron Channel Substrate Planar Lasers for Spacaborne Communications", von J. C. Connolly et al (SPIE 885 Free-Space Laser Communication Technologies, 1988, pp 124-130), stellt den vorliegenden Stand der AlGaAs- Hochleistungslaser dar. Dies ist ein Bericht über einen der bislang besten Laser. Die Passivierung wurde mit optimierten Al&sub2;O&sub3;-Ablagerungsverfahren erzielt, und das Gerät gestattete einen Einzelmodusbetrieb bis zu etwa 200 mW; bei diesem Wert trat eine plötzliche optische Beschädigung ein. In Lebensdauerversuchen bei 50 mW (50% Auslastung) und Raumtemperatur arbeiteten die Geräte über 5,000 Stunden bei geringer oder keiner Änderung im Antriebsstrom. Für höhere Stromwerte (die jedoch unter 200 mW liegen müssen) liegen keine Daten zur Lebensdauer vor.
Nach unserem Wissen weisen die besten Hochleistungslaser, die bislang gebaut werden oder von denen berichtet wird, noch immer zahlreiche Unzulänglichkeiten auf:
- Kontinuierliche Ausgangsleistungen oberhalb von 200 mW sind noch immer nicht über einen längeren Zeitraum hinweg möglich;
- Bei Betrieb mit etwa 50 mW kontinuierlicher Ausgangsleistung betragen die niedrigsten Leistungsabnahmeraten zwischen 10&submin;&sub5; und 10&submin;&sub6; pro Stunde, das heißt, die Lebensdauern der Geräte sind noch immer beschränkt, und
- Die Geräte durchlaufen eine "Einbrennphase", während der die Ausgangsleistung eine beträchtliche Abnahme aufweist, bis die langsame Abnahmephase nach ca. 100-stündiger Betriebsdauer erreicht ist.
Wie durch die oben angeführten Publikationen demonstriert wurde, gibt es eine ganze Reihe verschiedener Verfahren zur Passivierung der Spiegeloberflächen. Jedoch ist keine Referenz bekannt, die eine Ablagerung der Passivierungsschicht auf eine verschmutzungsfreie Spiegeloberfläche im Unterdruck beschreibt; ein Verfahren, von dem erst jetzt festgestellt wurde, daß es bessere Ergebnisse liefert und das im nachfolgend beschriebenen Verfahren eingesetzt wird.
Darüber hinaus werden Passivierungsschichten, die aus amorphem Silizium und Wasserstoff bestehen, das heißt, Si1-xH, im deutschen Patent DE-A-3 006 949 beschrieben. Die Dicke dieser Passivierungsschichten beträgt normalerweise lambda/4*m, also mehr als 200 nm.
Außerdem wurde eine Vielzahl an Materialien zur Spiegelpassivierung vorgeschlagen, jedoch ist keine Publikation bekannt, die auf die Verwendung von Si, Ge oder Sb hinweist, und die zu der unter Verwendung der vorliegenden Erfindung erreichten Verbesserung führt. Dies überrascht umsomehr, als die Verwendung von Si in der Herstellung und im Aufbau anderer Einrichtungen in der GaAs-Technologie bereits zu einem früheren Zeitpunkt beschrieben wurde. Ein Beispiel hierfür ist ein Herstellungsverfahren für einen MOS-Transistor, der im Artikel "Unpinned GaAs MOS Capacitors and Transistors", von S. Tiwary et al (IEEE Electron Device Letters, Vol. 9, No. 9, September 1988, pp 488-490) beschrieben wurde, wo in einem Verfahrenszwischenschritt eine extrem dünne MBE-gebildete Si-Deckschicht auf die GaAs-Transistorkanalfläche aufgetragen wird; in einem nachfolgenden chemischen SiO&sub2;-Ablagerungsprozeß wird die Si- Schicht im Oxidfilm aufgenommen, was für den störungsfreien Betrieb der MOS-Einrichtung erforderlich ist.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren für die Ablagerung der Passivierungsschichten zum effektiven Schutz der Laserspiegel gegen Verschmutzung bereitzustellen, wobei eine vorzeitige Leistungsabnahme der Einrichtung vermieden wird.

ZUSAMMENFASSENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung beabsichtigt gemäß den Ansprüchen eine Erfüllung dieser Ziele sowie die Beseitigung der Unzulänglichkeiten bekannter Verfahren zur Herstellung von Laserdioden. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung löst die Probleme, auf die man dabei trifft, indem eine verschmutzungsfreie Spiegel oberfläche bereitgestellt wird, auf die eine kontinuierliche isolierende oder schwach leitende Passivierungsschicht "im Unterdruck" aufgetragen wird, wobei die Passivierungsschicht aus einem Material besteht, das eine Diffusion von Materialien, die zu einer Reaktion mit der Schnittstelle der Spiegelfacette in der Lage sind, vermeidet, und das auch nicht selbst mit dem Spiegelmaterial reagiert, und das keinen Sauerstoff enthält. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird Si verwendet. Andere geeignete Materialien sind Ge und Sb.
Die wesentlichen Vorteile, die diese Erfindung bietet, sind, daß die in Übereinstimmung mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellten Halbleiterlaserdioden ein wesentlich geringeres Abnahmeverhalten aufweisen, was zu sehr leistungsstarken Lasern von höchster Zuverlässigkeit und somit mit längerer Lebensdauer führt: Darüber hinaus durchlaufen diese Laser in Betrieb nicht eine anfängliche Einbrennphase, die eine vorzeitige Leistungsabnahme zur Folge hat.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung wird nachfolgend ausführlich beschrieben, wobei auf Zeichnungen Bezug genommen wird, die eine besondere Ausführung darstellen sowie Leistungseigenschaften von Einrichtungen aufweisen, die in Übereinstimmung mit den Beschreibungen der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, und wobei folgendes gilt:
Figur 1 ist eine Perspektivansicht einer Laserleiste, die aus einer furchenartigen GRINSCH-Struktur besteht, auf die das Verfahren der vorliegenden Erfindung zur Bildung verschmutzungsfreier Spiegel, gefolgt durch die Passivierung im Unterdruck, angewandt werden kann.
Figur 2A ist eine Perspektivansicht einer Trägereinrichtung zur Halterung der Laserleiste bei Verarbeitung in einer Unterdruckkammer.
Figur 2B ist eine schematische Darstellung einer Unterdruckkammer, in der die verschmutzungsfreien Laserspiegelfacetten gebildet und passiviert werden.
Figur 3 zeigt Laserstrom-Leistungsabnahmekurven gespaltener Spiegellaser mit (1) einer Passivierung von 20 nm Si und (2) einer herkömmlichen Al&sub2;O&sub3;-Beschichtung.
Figur 4 zeigt ein Diagramm zur Lichtleistung/Betriebsdauer (bei einem Leistungspegel von etwa 300 mW) für einen Laser mit gespaltenem Spiegel mit einer Passivierung von 1 nm Si und einer zusätzlichen Si&sub3;N&sub4;-Schutzschicht; dieses wird verglichen mit Diagrammen herkömmlicher Si&sub3;N&sub4;-Einrichtungen (die bei niedrigeren Strompegeln betrieben und zerstört werden).

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

Vor einer ausführlicheren Beschreibung werden Zweck und Grundprinzip der Erfindung kurz dargestellt, indem auf die Erfahrungen und Probleme Bezug genommen wird, auf die man unter Verwendung bekannter Verfahren und Einrichtungen stößt.
Wichtige Schritte im Herstellungsverfahren von AlGaAs-(oder einer anderen III/V-Verbindung) Laserdioden umfaßt die Vorbereitung der Spiegel, herkömmlicherweise durch Spaltung, heutzutage ebenfalls durch Ätzung und nachfolgender Passivierung. Das Standardverfahren bestand bisher darin, die Laserleiste (das heißt, die geschichtete Struktur, die die Laserwellenführung bildet) in Luft zu spalten und sie schnell in ein Unterdrucksystem zu übertragen, wo eine schützende Passivierungsschicht auf die Spiegelfacetten aufgetragen wird. Diese Schicht hat zwei Aufgaben: (1) sie soll die Spiegelflächen gegen Korrosion schützen und (2) sie soll die Anzahl der elektrischen Oberflächenschadstellen, die aus Schäden des Kristalls resultieren, reduzieren. Diese beiden Effekte werden als Ursache für den Energieverlust während des Laser-Betriebs angesehen, der in einer Spiegelabnutzung und schließlich in übermäßiger Erhitzung der Facetten resultiert und zu erheblichen Schäden der Einrichtung führt. Trotz dem Auftragen von Passivierungsschichten ist die Lebensdauer von derzeit bekannten Lasern noch immer durch diese Abnutzungsmechanismen begrenzt. Diagramme zur Anzeige eines Vergleichs zwischen der typischen Lichtausgabe und der Betriebsdauer, die bei konstantem Strom am Laser aufgezeichnet wurden, zeigen eine anfänglich schnelle Abnutzung - die sogenannte "Einbrennphase" - und eine normalerweise länger anhaltende Phase einer langsamen Abnutzungsrate mit nahezu konstantem Kurvenverlauf.
Wie oben bereits angeführt wurde, besteht die Rolle der Passivierungsschicht darin, jegliche Interaktion zwischen der umgebenden Athmosphäre und dem AlGaAs zu vermeiden, während der Laser in Betrieb ist. Es gibt jedoch keinerlei Schutz gegen solche Stoffe, die bereits an der Spiegeloberfläche vorhanden sind, wenn die Passivierungsschicht aufgetragen wird, weil der Spiegel der Luft ausgesetzt wurde. Eine Verschmutzung an der AlGaAs-Beschichtungsfläche ist dann unvermeidbar. Genau dies läßt sich durch die vorliegende Erfindung vermeiden. Ein erstes Ziel der vorliegenden Erfindung besteht also darin, eine verschmutzungsfreie Spiegelfacette bereitzustellen und die Passivierungsschicht aufzutragen, während sich der Laser noch immer in derselben Athmosphäre befindet, in der natürlich keine Oberflächenverschmutzung möglich sein darf.
Bei gespaltenen Spiegeleinrichtungen wird dies erreicht, indem die Spaltung und das nachfolgende Auftragen der Schutzschicht "im Unterdruck", das heißt, in einem Unterdrucksystem mit einem ausreichend geringen Basisdruck, durchgeführt werden.
Im Fall von geätzten Lasereinrichtungen kann dasselbe Prinzip angewandt werden. Die geätzten Spiegelfacetten werden, falls erforderlich nach einem Reinigungsprozeß, um eine verschmutzungsfreie Oberfläche zu erhalten, im Unterdruck mit der Schutzschicht beschichtet.
Bei der aufgetragenen Schutzschicht kann es sich entweder um die endgültige Passivierungsschicht oder um eine dünne Schicht handeln, die die AlGaAs-Oberfläche nur solange schützen muß, bis ein weiterer dicker Film aufgetragen wird, möglicherweise in einer anderen Umgebung.
Das zweite Ziel ist die Auswahl eines geeigneten Materials für die Passivierung. Aus anderen, teilweise unbekannten Gründen, führen die heute verwendeten Materialien, hauptsächlich SiO&sub2; und Al&sub2;O&sub3;, nicht zu den gewünschten Leistungseigenschaften der Laser. Dieser Aspekt erforderte einige Basisbetrachtungen und weitreichende Tests.
Die Passivierungsschicht muß als eine Diffusionsschranke für diejenigen Stoffe dienen, die in der Lage sind, mit AlGaAs zu reagieren und darf natürlich nicht selbst mit dem Spiegelmaterial reagieren. Da Al, Ga und As stabile Oxide bilden, darf Sauerstoff sowie OH oder H&sub2;O im Material in der Nähe des Laserspiegels nicht enthalten sein. Daher kommen Oxide nicht in Betracht. Eine weitere Anforderung besteht darin, daß die Leitfähigkeit der Passivierungsschicht ausreichend gering sein muß, um größere Ströme auf der Spiegelfacette zu vermeiden. Dadurch scheiden leitfähige Materialien wie beispielsweise Metalle aus, es sei denn, die Schichten sind sehr dünn. Andererseits muß das Material eine kontinuierliche Schicht ohne Löcher und Poren aufweisen.
In den durchgeführten Tests wurden die besten Ergebnisse bei der Verwendung von Si erzielt, jedoch ergaben erste Experimente, daß Ge und Sb ebenfalls geeignete Passivierungsmaterialien sein können.
Es folgt eine ausführliche Beschreibung eines Beispiels des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, bei dem auf einer gespaltenen Spiegelfacette die Passivierungsschicht aufgetragen wird.
Als erstes wird eine Laserleiste erzeugt, das heißt, eine epitaktisch gebildete, geschichtete Struktur, die eine Wellenführung bildet, die, wenn deren zwei Enden mit einer Spiegelfacette abgeschlossen werden, als die Laservertiefung dient. Eine solche Leistenstruktur ist in Figur 1 schematisch dargestellt. Dabei kann es sich um dieselbe Struktur handeln bzw. unter Verwendung desselben Verfahrens hergestellt werden wie die in einem Artikel von C. Harder et al, mit dem Titel "High- Power Ridge-Waveguide AlGaAs GRINSCH Laser Diode", beschriebene, die veröffentlicht wurde in Electronics Letters, 25. September 1986, Band 22, Nr. 20, pp 1081-1082.
Die Abfolge der Schritte zur Erzeugung der geschichteten Struktur 10 ist folgende:
Die Schichten werden auf einem n+-dotierten GaAs-Substrat 11 (beispielsweise durch eine molekulare Strahlenepitaxie) gebildet. Zuerst wird eine n-dotierte GaAs-Pufferschicht 12 auf dem Substrat gebildet. Als nächstes folgt eine darunterliegende Überzugschicht 13 vom Typ n (0,2 um Al0,45Ga0,55As). Der Laserkern besteht aus einem gradierten Bereich 14 vom Typ n (0,2 um Al0,45Ga0,55As, das zu Al0,18Ga0,82As gradiert wurde), einem undotierten Bereich 15, der eine Quantenquelle (7 nm GaAs) bildet, und ein gradierter Bereich 16 vom Typ p (0,2 um Al0,18Ga0,82As, das zu Al0,45Ga0,55As gradiert wurde). Als nächstes folgt die obere Umhüllungsschicht 17 (Al0,45Ga0,55As), gefolgt von einer p+-GaAs-Kontaktschicht 18 mit einer Dotierschicht, die hoch genug ist, damit eine Titan- Platin-Gold-Elektrode 19A einen guten Ohm'schen Kontakt herstellt. Ein weiterer Ohm'scher Kontakt 19B an der Unterseite des Substrats 11 vom Typ n wird durch eine Legierung aus Germanium, Gold und Nickel erzielt.
Eine Furche mit einer Breite von etwa 5 um kann auf der Oberseite der Struktur (wie in Figur 1 abgebildet) gebildet werden, bevor die metallischen Kontaktelektroden angebracht werden, wenn dies zur seitlichen Wellenführung erforderlich ist. Die Furche erhält man, indem man zuerst eine Photoresist- Maske aufträgt, um die Furche zu markieren. Nachfolgend werden 1 oder 2 um der ausgesetzten oberen Schichten geätzt, wobei die Ätzung 0,2 um oberhalb des gradierten Teils der oberen Umhüllungsschicht gestoppt wird. Die weitere Verarbeitung der Laserleiste 10 wird nun mit Hilfe der schematischen Darstellungen von Figur 2 beschrieben, die eine experimentelle Anordnung darstellt. Die Leiste 10, die eine Länge von mehreren Millimetern aufweist, wird geritzt, um die zwei Rißlinien 21 bereitzustellen, die in einem Abstand von 750 um zueinander liegen, und die die Position festlegen, an der die Spaltung und die Spiegelbildung stattfinden sollen. Sie befindet sich in einem Träger 20, wie dies in Figur 2A dargestellt ist. Die Leiste 10 wird zwischen einem oberen (22) und einem unteren Teil gehalten, die (durch einen Mechanismus, der nicht dargestellt ist) einen leichten Druck ausüben, um die Leiste während der nachfolgenden Verarbeitungsschritte in ihrer Position halten.
Der Träger 20 wird bei angebrachter Laserleiste in ein Unterdrucksystem 24 eingesetzt, wie dies in Figur 2B dargestellt ist. Das System 24 umfaßt eine UHV Unterdruckkammer 25, von der nur die Außenwände dargestellt sind, und bei der zum Zweck einer einfachen Darstellung Einlässe und Auslässe, elektrische Anschlüsse usw. weggelassen wurden. In der Kammer ist der Träger 20 so angeordnet, daß von außerhalb der Kammer mechanisch auf ihn eingewirkt werden kann. Beispielsweise kann er um seine horizontale Achse gedreht werden, wie dies durch den Pfeil 26 dargestellt wird. Die Kammer ist außerdem mit einem Hebel oder einem "Umschaltstock" 27 ausgestattet, der über einen metallischen Balg 28 in die Kammer eindringt und eine mechanische Bewegung der Spitze 29 innerhalb der Unterdruckkammer ermöglicht. Bei einer relativen Position zwischen dem Hebel 27 und der Leiste 10 gemäß der Darstellung ermöglicht eine Bewegung des äußeren Arms des Hebels nach rechts, wie dies durch den Pfeil 30 dargestellt wird, daß die Spitze 29 eine Kraft auf das obere Ende der Laserleiste 10 ausüben kann.
In der Kammer 25 wird des weiteren zur Si-Beschichtung eine E- Strahl Verdampfungsquelle 31 sowie ein Quarzkristall-Oszillator 32 bereitgestellt, der die Dicke der aufgetragenen Schicht während der E-Strahl-Verdampfung mißt. Der Betrieb des Unterdrucksystems, der Verdampfungsquelle und des Kristalloszillators werden nicht ausführlich beschrieben, da sie in der Technologie bekannt sind. Es wird auf das "Handbook of Thin Film Technology" verwiesen, das von L.I. Maissel und R. Glang (McGraw-Hill, 1970) herausgegeben wurde.
Bei dem in Figur 2B dargestellten System ist die Abfolge der erforderlichen Verfahrensschritte zur Spaltung und Passivierung wie folgt:
- Nachdem der Träger 20 mit der Laserleiste 10 in die Kammer 25 eingesetzt wurde, wird der Kammerdruck auf ungefähr 5 * 10&supmin; &sup8; Pa reduziert. Die folgenden Verfahrensschritte können bei Raumtemperatur ausgeführt werden.
- Durch Bewegung des Endes des Hebels 27, der sich außerhalb der Kammer auf der rechten Seite befindet, wird die Spitze 29, die sich beim oberen Ende der Laserleiste 10 befindet, nach links bewegt; dadurch bricht das Ende der Leiste an der entsprechenden Rißlinie 21 ab, was die erste Spiegelfacette bildet.
- Nach der Drehung des Trägers 20 um 180º um seine horizontale Achse wird erselbe Prozeß wiederholt, wobei das zweite Laserleistenende an der entsprechenden Rißlinie abbricht, wodurch die zweite Spiegelfacette gebildet wird.
- Eine Aktivierung der e-Strahl-Verdampfungsquelle 31 bewirkt die Beschichtung einer amorphen Siliziumschicht auf der freiliegenden Spiegelfacette, die der Quelle gegenüberliegt. Der Verdampfungsprozeß ist abgeschlossen, sobald die Dicke der Schicht, die vom Kristalloszillator 32 gemessen wird, den gewünschten Wert erreicht, beispielsweise 20 nm. Durch Änderung der Elektronenbeschleunigungsspannung kann die Verdampfungsgeschwindigkeit so eingestellt werden, daß der Beschichtungsprozeß ungefähr 1 Minute dauert.
- Nachdem der Träger 20 erneut um 180º gedreht wurde, wird derselbe Verdampfungsprozeß wiederholt, wodurch auf der zweiten Spiegelfacette eine Siliziumschicht abgelagert wird.
Mit diesem letzten Prozeßschritt ist die Passivierungsbeschichtung abgeschlossen, und nach der Verpackung ist das Laserelement gebrauchsfertig.
Das Diagramm von Figur 3 stellt für einen Laser, der unter Verwendung des soeben beschriebenen Verfahrens (Kurve 35) erzeugt wurde, beispielsweise einen Laser mit einer Si-Passivierungsschicht von 20 nm Dicke dar, und für einen herkömmlichen Al&sub2;O&sub3;-beschichteten Laser (Kurve 36), der den aktuellen Stand der Technik wiedergibt, wie die Laserleistung mit fortschreitender Lebensdauer abnimmt.
Die Kurve 35 zeigt für den Si-passivierten Laser die Ausgangsleistung, die man beim Anlegen eines konstanten Laserstroms (168 mA) über einen Zeitraum von 500 Stunden bei Raumtemperatur erhält. Die Kurve 36 im selben Diagramm stellt die entsprechende Messung eines praktisch identischen Lasers dar, außer daß eine herkömmliche Al&sub2;O&sub3;-Beschichtung anstelle der Si-Passivierung aufgetragen wurde.
Das Diagramm zeigt das Verhalten während der ersten 500 Stunden Dauerbetrieb. Die höhere Leistung der Si-beschichteten Vorrichtung, die durch die Kurve 35 dargestellt wird, ist offensichtlich: (1) es gibt praktisch keine Einbrennphase, d.h. der Laser ist sofort nach seiner Herstellung einsatzbereit, und (2) die Leistungsabnahmerate wurde mit 8,4 x 10&submin; &sub7;/Stunde gemessen, was sehr niedrig ist. Der Test der Einrichtung lief über 500 Stunden Dauerbetrieb und hat ergeben, daß die Leistungsabnahmerate praktisch unverändert niedrig blieb.
Insbesondere bei Hochleistungs-Einrichtungen erwies es sich als besonders hilfreich, die Dicke des Si-Films auf beispielsweise 1 nm zu reduzieren, wodurch jedoch eine zusätzliche dicke Schutzschicht erforderlich ist, die beispielsweise aus Si&sub3;N&sub4; bestehen kann.
Für solche Laser wurden extrem hohe Lichtausgangsleistungen erzielt, wie im Diagramm von Figur 4 zur Darstellung der Lichtleistung und der Betriebsdauer ersichtlich ist. Die Kurve 41 stellt die Leistung eines furchenartigen 5 um GRINSCH Lasers (wie im oben angeführten Artikel von C. Harder et al. beschrieben) mit einer Passivierungsbeschichtung von 1 nm Si/140 nm Si&sub3;N&sub4;. Ein 300 mW Ausgangsstrahl wurde während 300 Stunden aufrechterhalten, ohne daß sich dabei eine meßbare Abnahme ergab.
Im selben Diagramm stellen die Kurven 42 und 43 zwei Lasereinrichtungen dar, die auf demselben Wafer hergestellt wurden und identisch mit dem von Kurve 41 sind, außer daß ihre Passivierung nicht das "im Unterdruck" beschichtete Si enthielten. Sie wurden durch Anlegen von Laserströmen betrieben, die anfänglich in einer Lichtausgangsleistung von 220 bzw. 180 mW resultierten, nahmen jedoch in ihrer Leistung sehr schnell ab, und nach einer kurzen Betriebsdauer war eine schwerwiegende optische Beschädigung die Folge.
Dieser Vergleich zeigt die überlegene Leistung von im Unterdruck Si-passivierten Einrichtungen: Sie ermöglichen einen langandauernden kontinuierlichen Betrieb bei 300 mW und mehr, während die obere Leistungsgrenze für herkömmliche Einrichtungen weit unter 150 mW liegt.
Erste Erfahrungen haben ergeben, daß Laser mit Spiegeln, die durch Ge- oder Sb-Schichten anstelle von Si-Schichten geschützt sind, ebenfalls ein Leistungsabnahmeverhalten aufweisen, das mit dem von Si-passivierten Einrichtungen vergleichbar ist, wenn die Schichten auf verschmutzungsfreien Spiegelfacetten aufgetragen werden.
Die Anwendung des neuen Si-Passivierungsverfahrens ist nicht auf gespaltene Spiegeleinrichtungen beschränkt. Jede verschmutzungsfreie und stöchiometrische Spiegelfläche läßt sich schützen. Ein Beispiel hierfür sind trockengeätzte Spiegellaser, die vermutlich zunehmend an Bedeutung gewinnen werden, weil sie eine vollständige Wafer-Verarbeitung und - Überprüfung ermöglichen, d.h., Passivierungsschichten können gleichzeitig auf allen Einrichtungen, die auf einem Wafer gebildet werden, aufgetragen werden.
Ein Verfahren zur Herstellung leistungsstarker geätzter Spiegellaser mit einer Si-Passivierungsschicht gemäß der vorliegenden Erfindung kann die folgenden Verfahrensschritte umfassen:
- Herstellung der grundlegenden geschichteten Laserstruktur (gemäß Beschreibung in dem oben angeführten Artikel von C. Harder et al.);
- Trockenätzung zur Erzeugung der geätzten Spiegelfacetten (gemäß Beschreibung in der europäischen Patentanmeldung 88.810613.5, eingereicht am 12. September 1988 und erteilt an denselben Erfinder wie für die vorliegende Patentanmeldung);
- Sputterreinigung der geätzten Facetten zur Entfernung von Reststoffen aus dem Ätzverfahren, beispielsweise mit Stickstoff-/Wasserstoffionen, bei 800 V und einem Druck von 0,4 Pa, gefolgt von einem Warmglühverfahren zur Beseitigung von Oberflächenschäden;
- e-Strahl-Verdampfung im Unterdruck, d.h., ohne den Unterdruck im System zu ändern, eines 1 nm-Si-Passivierungsfilms, und
- Sputterablagerung eines Si&sub3;N&sub4;-Films unterschiedlicher Dicke auf die Spiegel an beiden Enden der Laserwellenführung, wodurch Beschichtungen von hoher bzw. niedriger Reflektivität bereitgestellt werden.
Die Erfindung wurde ausführlich so beschrieben, wie sie zur Herstellung spezieller furchenartiger AlGaAs-Diodenlaser entweder mit gespaltenen oder geätzten Spiegeln angewandt wurde. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß dieses Verfahren auch auf andere Laserdiodenstrukturen und auf Einrichtungen, die aus Halbleiterverbindungen bestehen, bei denen es sich nicht um AlGaAs handelt, angewandt werden kann. Auch können Verfahren und Einrichtungsparameter von denen, die in dieser Beschreibung angegeben wurden, abweichen. Beispielsweise können die Si-Schichten epitaktisch unter Verwendung eines MBE-Verfahrens gebildet werden, wobei diese Schichten dann kristallin und nicht amorph sind; weitere oder andere Beschichtungen (als Si&sub3;N&sub4;) können auf die Si-(oder Ge-, Sb- )Schicht aufgetragen werden, die als erste auf die Spiegeloberfläche aufgetragen wird.
Die wichtigsten Punkte dieser Erfindung lassen sich wie folgt zusammenfassen:
- Das Verfahren zur Bildung einer verschmutzungsfreien Spiegeloberfläche entweder durch Spaltung oder durch Reinigung geätzter Spiegeloberflächen und die anschließende Spiegelpassivierung werden im Unterdruck in einer Umgebung durchgeführt, in der keine Spiegelverschmutzung möglich ist.
- Die Passivierungsschicht muß kontinuierlich, entweder isolierend oder von geringer Leitfähigkeit, sein, und aus einem Material bestehen, das als Diffusionssperre für Stoffe dient, die in der Lage sind, mit der Spiegeloberfläche eine Reaktion einzugehen, und darf selbst nicht mit dem Spiegelmaterial reagieren. Geeignete Passivierungsmaterialien sind Si, Ge und Sb.
- Laserdiodeneinrichtungen, die in Übereinstimmung mit dem beschriebenen Verfahren hergestellt werden, sind von der Einbrennphase nur gering beeinflußt; hierdurch entsteht eine beträchtliche Verlängerung der extrapolierten Lebensdauer, und, was für zahlreiche Anwendungen von hoher Bedeutung ist, sie ermöglichen einen kontinuierlichen Betrieb bei wesentlich höheren Ausgangsleistungen von über 300 mW in Raumtemperatur.

Claims

1. Verfahren zur Spiegelpassivierung bei Halbleiterlaserdioden, bestehend aus folgenden Schritten:

-Bereitstellung einer geschichteten Halbleiterstruktur, die die aktive Wellenführung der Laserdiode bildet,

- Verarbeitung der genannten geschichteten Struktur, um verschmutzungsfreie Spiegelfacetten bereitzustellen die diese aktive Wellenführung beenden und die Länge der Laserdiodengrube bestimmen, und

-Auftragen einer Passivierungsschicht im Unterdruck, das heißt, in derselben Umgebung, in der die Bildung der verschmutzungsfreien Laserfacetten stattgefunden hat, auf die genannten verschmutzungsfreien Spiegelfacetten, wobei diese Passivierungsschicht kontinuierlich, frei von jeglichen Vertiefungen und entweder isolierend oder von geringer Leitfähigkeit ist, um so einen Stromfluß auf der Spiegelfacette zu vermeiden, und bestehend aus einem Material, das

a) die Diffusion von Stoffen verhindert, die mit der Schnittstelle der Spiegelfacette reagieren können,

b) selbst nicht mit der Schnittstelle der Spiegelfacette reagiert, und

c) keinen Sauerstoff enthält.

2. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die genannte Passivierungsschicht aus einem Material der Gruppe, die Silizium, Germanium und Antimon umfaßt, besteht, wobei die genannte Haibleiterlaserdiode AlGaAs umfaßt.

3. Ein Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem die genannte Passivierungsschicht aus Silizium besteht.

4. Ein Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem die genannte Passivierungsschicht aus amorphem Silizium besteht.

5. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Dicke der Passivierungsschicht zwischen 10 und 100 nm liegt.

6. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die genannte Passivierungsschicht aus einer ersten dünnen Schicht mit einer Dicke zwischen 0,5 nm und 5 nm und aus einer zweiten dickeren Schicht aus einem anderen Material mit einer Dicke von 100 nm oder mehr besteht.

7. Ein Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem die genannte erste Schicht aus Si und die genannte zweite, dickere Schicht aus Si&sub3;N&sub4; besteht.

8. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die genannten verschmutzungsfreien Spiegelfacetten durch Spaltung der genannten geschichteten Struktur in einer Umgebung erzielt werden, in der keine Facettenverschmutzung möglich ist.

9. Ein Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem die genannte Passivierungsschicht auf die gespaltenen, verschmutzungsfreien Spiegelfacetten abgelagert wird, während sich die Laserdiodenstruktur noch immer in derselben Umgebung befindet, in der die Spaltung stattgefunden hat.

10. Ein Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, bei dem es sich bei der genannten Umgebung um eine Unterdruckumgebung mit einem Druck von weniger als 10&supmin;&sup6; Pa handelt.

11. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die verschmutzungsfreien Spiegelfacetten durch Anwendung eines Trockenätzungsverfahrens, gefolgt von einer Plasmareinigung in einer Umgebung, in der keine Facettenverschmutzung möglich ist, erzielt werden.

12. Ein Verfahren gemäß Anspruch 11, bei dem die genannte Passivierungsschicht auf die gereinigten, verschmutzungsfreien Spiegelfacetten abgelagert wird, während sich die Laserdiodenstruktur noch immer in derselben Umgebung befindet, in der die Plasmareinigung stattgefunden hat.

13. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die verschmutzungsfreien Spiegelfacetten durch Anwendung eines Trockenätzungsverfahrens erzielt werden, und bei dem die genannte Passivierungsschicht auf die geätzten, verschmutzungsfreien Spiegelfacetten aufgetragen wird, während sich die Laserdiodenstruktur noch immer in derselben Umgebung befindet, in der die Ätzung stattgefunden hat.

14. Ein Verfahren gemäß Anspruch 11, bei dem die genannte Plasmareinigung von einem Warmglühverfahren zur Beseitigung von Facettenoberflächenschäden gefolgt wird.