DE60209184T2

DE60209184T2 - Integriertes Halbleiterlaser-Wellenleiter-Element

Info

Publication number: DE60209184T2
Application number: DE60209184T
Authority: DE
Inventors: Graham Michael Bury St Edmunds Berry; Wilfred Booij; Mark Ipswich Silver
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2002-06-12
Filing date: 2002-06-12
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2022-06-13
Also published as: US20040062467A1; EP1372229B1; US6937632B2; EP1372229A1; DE60209184D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen integrierten Halbleiterlaser und eine Wellenleitervorrichtung und insbesondere einen vergrabenen Heteroübergangslaser, der optisch mit einem optischen vergrabenen Wellenleiter-Elektroabsorptions-(-EA-)Modulator gekoppelt ist.
Es ist bekannt, eine integrierte Halbleitervorrichtung, die einen Laser und einen Wellenleiter-EA-Modulator aufweist, unter Verwendung eines unitären III-V-Halbleitersubstrats herzustellen. Der Modulator könnte entweder unter Verwendung eines Stegwellenleiters oder eines vergrabenen Mesa-Wellenleiters gebildet sein. Die optische Strahlungsausgabe aus dem Laser, wie z. B. sichtbare oder Infrarot-Strahlung, kann dann optisch in den EA-Modulator gekoppelt werden, die dann verwendet wird, um der optischen Strahlung, die durch den Laser erzeugt wird, eine Hochfrequenzmodulation zu verleihen. Das Herstellen eines Lasers und einer Wellenleitervorrichtung auf dem gleichen Substrat ergibt wesentliche Vorteile in Bezug auf das Sicherstellen einer Ausrichtung zwischen dem Laser und Wellenleiterkomponenten der Vorrichtung. Die Komponenten können so die gleichen epitaktisch aufgewachsenen Strombegrenzungsschichten verwenden, was eine Vereinfachung des Herstellungsverfahrens unterstützt.
Das Dokument US-A-5717710 offenbart eine derartige Vorrichtung.
Auf dem Gebiet von Sendervorrichtungen für eine faseroptische Kommunikation muss der Betrieb bei optischen Wellenlängen zwischen 1,3 und 1,6 μm stattfinden. Derartige optoelektronische Sendervorrichtungen werden deshalb üblicherweise aus einem Wafer hergestellt, der aus einem n-InP-Substrat aufgewachsen ist, auf dem eine Anzahl von Schichten aufgewachsen ist, einschließlich einer undotierten InGaAsP-Aktivschicht, die entweder ein Volumenhalbleiter oder eine Mehrfachquantenmulde oder eine Punktstruktur sein könnte, die zwischen einer oberen p-InP-Umhüllungsschicht und einer unteren n-InP-Pufferschicht angeordnet ist. Eine Maske wird auf die obere Umhüllungsschicht aufgetragen und die umgebenden Schichten werden geätzt, um eine Mesa-Struktur zu hinterlassen. Vergrabene Heterostruktur-Lichtemissionsvorrichtungen weisen üblicherweise Strombegrenzungsregionen auf, die durch Bereiche mit hohem spezifischen Widerstand definiert sind, um einen Stromfluss einzuschränken. Derartige Regionen sind aufgewachsen, um die Seiten der Mesa zu bedecken und so einen Strom zu einer optisch aktiven Schicht innerhalb der Mesa-Struktur zu kanalisieren.
Eine die Mesa definierende Maske wird dann entfernt und weitere Schichten werden bis zu einer p⁺-InGaAs-Ternär-Deckelschicht aufgewachsen. Die Ternär-Deckelschicht weist einen relativ geringen Widerstandswert und eine schmale Bandlücke auf, was einen elektrischen Kontakt erleichtert, und dient so als eine Kontaktschicht, zu der elektrische Kontakte hergestellt werden könnten.
In Vorrichtungen, die InGaAsP/InP-Materialien verwenden, wurden Strombegrenzungsregionen oft basierend auf einer in Sperrrichtung vorgespannten p-n- oder n-p-Diodenstruktur eingesetzt. Derartige Strukturen liefern einen hohen Widerstand gegenüber einem Stromfluss und niedrige Leckströme. Diese Vorrichtungen können auch direkt moduliert werden und werden weitverbreitet in faseroptischen Kommunikationssystemen über einen Bereich von Betriebstemperaturen und bei Frequenzen bis zu etwa 1 GHz eingesetzt.
In den letzten Jahren gab es einen ansteigenden Bedarf nach faseroptischen Kommunikationsverbindungen mit einer Bandbreite über 1 GHz, z. B. bis zu etwa 10 GHz. EA-Modulatoren können verwendet werden, um höhere Betriebsfrequenzen zu erzielen, weitere Einschränkungen der Betriebsfrequenz entstehen jedoch, wenn ein EA-Modulator mit dem Laser auf dem gleichen Substrat unter Verwendung der gleichen Stromblockierungsstruktur gebildet ist. Bei Betriebsfrequenzen über 1 GHz und insbesondere bei höheren Betriebstemperaturen wird die Leistung von EA-Vorrichtungen durch die Kapazität der herkömmlichen Stromblockierungsstrukturen, die durch Laser verwendet werden, eingeschränkt. Eine Struktur mit geringerer Kapazität, die es ermöglicht, dass der EA-Modulator bei einer hohen Frequenz arbeiten kann, weist unter Umständen ein schlechteres Stromblockierungsverhalten auf. Obwohl das Stromblockierungsverhalten für den EA-Modulator ausreichend sein könnte, führt der zusätzliche durch den Laser gezogene Strom zu einer höheren Betriebstemperatur. Ein Laser könnte gegenüber Wellenlängenveränderungen aufgrund von Temperaturveränderungen, wie z. B. durch die Verwendung eines verteilten Rückkopplungsgitters, stabilisiert werden, Temperaturveränderungen beeinflussen jedoch das Verhalten des EA-Modulators nachteilig. Es könnte möglich sein, derartige Temperaturveränderungen durch die Verwendung eines thermoelektrischen Kühlers einzuschränken, dies erhöht jedoch die Komplexität und Kosten der Vorrichtung.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Halbleiter-Vorrichtung bereitzustellen, die diese Probleme angeht.
Gemäß der Erfindung wird eine Halbleiter-Vorrichtung bereitgestellt, die ein Halbleitersubstrat und eine Mehrzahl von Halbleiterschichten aufweist, die über dem Substrat aufgewachsen sind und eine Mehrzahl integrierter optischer Komponenten bilden, wobei die Komponenten eine vergrabene Heteroübergangslaserkomponente und eine Wellenleiterkomponente mit einer optisch führenden Struktur umfassen, bei der:

a) die Laserkomponente und die Wellenleiterkomponente zumindest eine aktive Schicht umfassen, wobei die Wellenleiterkomponente bei Verwendung optisch über die aktive Schicht mit einer durch die Laserkomponente erzeugten Laserstrahlung gekoppelt ist;
b) die Laserkomponente eine Laserstromleitungsregion und benachbart zu der Laserstromleitungsregion eine Laserstrombegrenzungsregion umfasst;
c) die Wellenleiterkomponente eine Wellenleiterstromleitungsregion und benachbart zu der Wellenleiterstromleitungsregion eine Wellenleiterstrombegrenzungsregion umfasst;
d) die Laserstrombegrenzungsregion eine erste Stromblockierungsstruktur, die aus aufgewachsenen Halbleiterschichten gebildet ist, aufweist; und
e) die Wellenleiterstrombegrenzungsregion eine zweite Stromblockierungsstruktur aufweist, die aus aufgewachsenen Halbleiterschichten gebildet ist, und außerdem eine Erweiterung der ersten Stromblockierungsstruktur umfasst, wobei die Erweiterung zwischen der zweiten Stromblockierungsstruktur und der Wellenleiterstromleitungsregion eingefügt ist.

Ebenso gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Bilden einer Halbleiter-Vorrichtung bereitgestellt, wobei die Vorrichtung ein Halbleitersubstrat aufweist, über dem eine Mehrzahl von Halbleiterschichten, einschließlich einer aktiven Schicht, aufgebracht ist, um eine Mehrzahl integrierter optischer Komponenten zu bilden, wobei die Komponenten eine vergrabene Heteroübergangslaserkomponente und eine Wellenleiterkomponente umfassen, wobei die Wellenleiterkomponente bei Verwendung optisch über die aktive Schicht mit einer durch den Laser erzeugten Laserstrahlung gekoppelt ist, wobei die Bildung der Laser- und der Wellenleiterkomponente aus den Halbleiterschichten folgende Schritte aufweist:

i) Bilden zumindest einer aktiven Schicht;
ii) Bilden einer Laserstromleitungsregion und einer Wellenleiterstromleitungsregion;
iii) Bilden einer ersten Stromblockierungsstruktur, die sich benachbart zu sowohl der Laserkomponente als auch der Wellenleiterkomponente erstreckt, benachbart zu der aktiven Schicht;
iv) Entfernen der ersten Stromblockierungsstruktur in der Wellenleiterkomponente, mit Ausnahme in einem Band benachbart zu der Wellenleiterstromleitungsregion; und
v) Bilden einer zweiten Stromblockierungsstruktur in der Wellenleiterkomponente, so dass das Band der ersten Stromblockierungsstruktur zwischen der zweiten Stromblockierungsstruktur und der Wellenleiterstromleitungsregion eingefügt ist.

Da jede der Komponenten durch Strombegrenzungsregionen unterschiedlicher Strukturen flankiert wird, können die resistive und die kapazitive Eigenschaft jeder der Strombegrenzungsregionen ausgewählt werden, um das Verhalten dieser Komponente für eine bestimmte Verwendung zu optimieren.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Wellenleiterkomponente ein optoelektronischer Modulator, wie z. B. ein Elektroabsorptions-(EA-)Modulator, zum Modulieren der durch den Laser erzeugten optischen Strahlung.
Durch ein Bilden der Vorrichtung aus einem Substrat, das sowohl der Laserkomponente als auch der Wellenleiterkomponente gemein ist, ist es möglich, die inhärenten Vorteile einer integrierten Vorrichtung beizubehalten, während gleichzeitig die Laserstrombegrenzungsregion mit einer ersten Stromblockierungsstruktur gebildet wird, die für eine gute Stromblockierungsfähigkeit und so einen niedrigeren Leistungsverbrauch und eine niedrigere Arbeitstemperatur optimiert ist, und ebenso in der Wellenleiterkomponente eine zweite Stromblockierungsstruktur gebildet wird, die für diese Komponente optimiert ist. Wenn z. B. die Wellenleiterkomponente ein Modulator für eine Hochfrequenzmodulation einer kontinuierlichen Laserausgabe ist, könnte die zweite Stromblockierungsstruktur für eine geringere Kapazität optimiert sein, um die Betriebsfrequenz der Vorrichtung zu erhöhen. Obwohl eine derartige zweite Stromblockierungsstruktur einen geringeren spezifischen Widerstand aufweisen könnte als die erste Stromblockierungsstruktur, und so potentiell einen höheren Leistungsverbrauch, benötigt ein Modulator, wie z. B. ein Elektroabsorptions-(EA-)Modulator, eine Treiberspannung und einen Treiberstrom, die wesentlich kleiner sind als zum Treiben eines Lasers für ein faseroptisches Laserkommunikationssystem benötigt wird.
In dem Fall eines Hochfrequenz-Wellenleitermodulators kann der Beitrag der ersten Stromblockierungsstruktur zu der Gesamtkapazität der Wellenleiterstrombegrenzung durch ein Minimieren des Ausmaßes der ersten Stromblockierungsstruktur verglichen mit dem Ausmaß der zweiten Stromblockierungsstruktur minimiert werden.
Dies trennt den Wellenleiter von potentiell nachteiligen Kapazitiv-Effekten der Laserkomponenten-Strombegrenzungsregion. Es ist dann möglich, das Verhalten jeder Strombegrenzungsregion hauptsächlich in Bezug auf die Anforderungen der jeweiligen Komponente zu optimieren. Die Laserstrombegrenzungsregion könnte z. B. einen oder mehrere in Sperrrichtung vorgespannte p-n-Übergänge oder n-p-Übergänge umfassen, die gute Stromblockierungseigenschaften aufweisen, die jedoch eine übermäßige Kapazität für einen Hochfrequenzbetrieb eines EA-Modulators aufweisen könnten.
Deshalb könnte die erste Stromblockierungsstruktur einen höheren spezifischen Widerstand aufweisen als die zweite Stromblockierungsstruktur. Außerdem könnte eine Einheitsfläche der zweiten Stromblockierungsstruktur eine geringere Kapazität aufweisen als eine Einheitsfläche der ersten Stromblockierungsstruktur.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sie die Verwendung eines selbstjustierenden Herstellungsverfahrens erlaubt. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Wellenleiterkomponente ein vergrabener Wellenleiter ist, weist das Verfahren bei Schritt iii) folgende Schritte auf: Aufbringen einer Streifenmaske oberhalb der Laserstromleitungsregion und der Wellenleiterstromleitungsregion; Ätzen der aufgebrachten Halbleiterschichten um die Streifenmaske herum und teilweise unterhalb derselben, um eine Laser-Mesa und eine Wellenleiter-Mesa zu erzeugen; und Aufbringen der ersten Stromblockierungsstruktur gegen die Mesas und unterhalb der Streifenmaske.
Schritt iv) weist dann folgende Schritte auf: Aufbringen einer Laserkomponentenmaske oberhalb der ersten Stromblockierungsstruktur der Laserkomponente; und Ätzen der ersten Stromleitungsstruktur in Bereichen, die nicht durch die Streifenmaske oder die Laserkomponentenmaske bedeckt sind, um das Band benachbart zu der Wellenleiterstromleitungsregion zu hinterlassen.
Schritt v) weist dann den Schritt eines Aufbringens der zweiten Stromblockierungsstruktur in Bereichen, die nicht durch die Streifenmaske oder die Laserkomponentenmaske bedeckt sind, auf.
Die Mesas sind allgemein Streifen-Mesas, die dann auf jeder Seite durch jeweilige Strombegrenzungsregionen flankiert sind.
Die Erfindung könnte mit bekannten Typen einer unterschiedlichen ersten und zweiten Strombegrenzungsregion verwendet werden. Die erste Stromblockierungsstruktur und/oder die zweite Stromblockierungsstruktur könnten z. B. einen p-n-Übergang oder einen n-p-Übergang, der bei Verwendung in Sperrrichtung vorgespannt ist, umfassen.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen die Laserkomponente und die Wellenleiterkomponente jeweils einen vergrabenen Mesa-Streifen auf, der die aktive Schicht umfasst. Dies führt zu einer guten optischen Kopplung zwischen den Komponenten.
Jeder Mesa-Streifen könnte eine oder mehrere Seitenwände aufweisen, die sich über das Substrat erheben, wobei die aktive Schicht sich zu den Seitenwänden erstreckt und die aktive Schicht an den Seitenwänden durch die erste Stromblockierungsstruktur bedeckt ist. Die Mesa-Seitenwände könnten dann so geformt sein, dass sich diese seitlich weg von der aktiven Schicht neigen. In der Wellenleiterkomponente ist diese Neigung in Richtung der zweiten Stromblockierungsstruktur. Die Grenze zwischen der ersten Stromblockierungsstruktur und der zweiten Stromblockierungsstruktur kann dann eine steilere Neigung aufweisen oder könnte stärker nahezu vertikal sein. Eine Struktur wie diese unterstützt eine Reduzierung des Ausmaßes oder Volumens der ersten Stromblockierungsstruktur in der Wellenleiter-Vorrichtung und minimiert so mögliche nachteilige Effekte, die die erste Stromblockierungsstruktur für die Wellenleiter-Vorrichtung bedeuten könnte, z. B. mittels eines Erhöhens der Kapazität der Wellenleiterstrombegrenzungsregion.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine Folge gemeinsamer Verarbeitungsschritte bei der Bildung der Laserkomponente und der Wellenleiterkomponente die, dass die Halbleiterschichten, die die Laserstromleitungsregion bilden, auch eine Wellenleiterstromleitungsregion bilden, um einen elektrischen Strom zu der aktiven Schicht des Wellenleiters zu kanalisieren.
Es könnte deshalb wünschenswert sein, die elektrische Trennung der Komponenten voneinander zu verbessern, wenn einer oder mehrere Gräben quer zwischen den Komponenten geätzt werden und/oder seitlich entlang der vergrabenen Mesa-Streifen laufen. In dem Fall eines Grabens zwischen den Komponenten könnte der Graben in den Halbleiterschichten gebildet sein, die oberhalb der aktiven Schicht liegen, jedoch nicht durch die aktive Schicht selbst hindurch.
Die integrierte Natur der Vorrichtung ermöglicht die Verwendung von Verfahrensschritten, die für die verschiedenen Komponenten gleich sind. Die Laserleitungsregion und die Wellenleiterleitungsregion z. B. könnten aus der Aufbringung einer oder mehrerer gleicher Halbleiterschichten gebildet sein. Die Schichten, die die Laserstromleitungsregion bilden, könnten dann auch eine Wellenleiterstromleitungsregion bilden, um einen elektrischen Strom zu der aktiven Schicht des Wellenleiters zu kanalisieren.
Eine oder mehrere elektrische Kontaktschichten könnten dann über der Laserstromleitungsregion und/oder der Wellenleiterstromleitungsregion aufgebracht werden. Zumindest eine dieser elektrischen Kontaktschichten kann verwendet werden, um einen elektrischen Kontakt zum Liefern eines elektrischen Stroms zu der Wellenleiterkomponente bereitzustellen.
Die Erfindung wird nun lediglich beispielhaft und Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben:
1A und 1B zeigen eine Drauf- bzw. eine Querschnittsansicht eines Abschnitts eines Halbleiterwafers, auf den eine Mehrzahl von Halbleiterschichten aufgebracht wurde, einschließlich einer aktiven Schicht, und über dem eine Streifenmaske aufgebracht wurde;
2A und 2B zeigen eine Drauf- bzw. eine Querschnittsansicht des Wafers aus 1A nach einem Ätzen der aufgebrachten Halbleiterschichten, die nicht durch die Maske geschützt sind, um eine Streifen-Mesa unterhalb einer teilweise unterschnittenen Maske zu erzeugen;
3 zeigt einen Querschnitt ähnlich dem aus 2B nach der Aufbringung einer ersten Stromblockierungsstruktur benachbart zu der Streifen-Mesa;
4A zeigt eine Draufsicht des Wafers aus 3 nach einer Aufbringung einer zweiten Maske über einer Hälfte der ersten Stromblockierungsstruktur und der Streifenmaske, wobei die zweite Maske einen Abschnitt des Wafers, der eine Laserkomponente bilden soll, bedeckt, wobei die andere Hälfte eine Elektroabsorptions-Wellenleiterkomponente bilden soll;
4B und 4C sind jeweilige Querschnitte durch den Wellenleiterabschnitt und den Laserabschnitt des Wafers aus 4A;
5A und 5B zeigen eine Draufsicht des Wafers bzw. einen Querschnitt des Wellenleiterabschnitts des Wafers aus 4A nach einem Ätzen des Wellenleiterabschnitts, um einen Großteil der ersten Stromblockierungsstruktur in diesem Abschnitt zu entfernen, mit Ausnahme eines Bandes unmittelbar benachbart zu der aktiven Schicht und unterhalb der teilweise unterschnittenen Maske;
6A und 6B zeigen eine Drauf- bzw. eine Querschnittsansicht des Wafers aus 5A nach einer Aufbringung in den unmaskierten Bereichen des Wellenleiterabschnitts einer zweiten Stromblockierungsstruktur;
7A zeigt eine Draufsicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, die der Wafer aus 6A ist, nach einer Entfernung der Streifen- und der zweiten Maske und der nachfolgenden Aufbringung einer Deckelhalbleiterschicht und von Kontaktelektroden über dem Wellenleiter- und dem Laserabschnitt; und
7B und 7C sind Querschnittsansichten des Wellenleiter- bzw. des Laserabschnitts der Halbleitervorrichtung aus 7A.
Eine Halbleiter-Vorrichtung gemäß der Erfindung wird normalerweise auf einem Wafer gemeinsam mit einer Mehrzahl ähnlicher anderer derartiger Vorrichtungen hergestellt. Üblicherweise misst ein derartiger III-V-Halbleiter-Wafer etwa 32 mm im Quadrat auf einer Seite. Die 1A und 1B zeigen, nicht maßstabsgetreu, eine Draufsicht eines Abschnitts eines derartigen Wafers, der ein n-InP-Substrat 2 aufweist, das auf etwa 10¹⁹/cm³ dotiert ist, auf dem unter Verwendung bekannter MOCVD-Techniken eine Anzahl von III-V-Halbleiterlaser aufgewachsen ist. Das p-Typ-Dotiermittel ist Zink und das n-Typ-Dotiermittel ist Schwefel.
Die erste aufgewachsene Schicht ist eine 2 μm dicke n^–-InP-Pufferschicht 8, die auf etwa 10¹⁸/cm³ dotiert ist. Eine aktive Schicht 10 ist auf der Pufferschicht 8 gemäß bekannten Techniken zur Herstellung planarer aktiver Laser für eine Laserdiode oder eine Elektroabsorptions-(EA-)Modulator-Vorrichtung aufgewachsen. Die aktive Schicht könnte eine Volumenregion oder eine verspannte Mehrfach-Quantenmulden-(SMQW-)Struktur sein, der verwendete Typ aktiver Schicht ist jedoch nicht wesentlich für die Erfindung.
Bei dem vorliegenden Beispiel wird die Schicht 10 als die optoelektronisch aktive Schicht in einer vergrabenen Heteroübergangs-Laserdiodenkomponente 3 verwendet, sowie einer vergrabenen Wellenleiter-EA-Modulatorkomponente 5, wie in den 7A, 7B und 7C gezeigt ist. Aus Bequemlichkeit sind diese Wellenleiter- und Laserabschnitte 7, 9 des Wafers in den 1A und 2A durch eine gestrichelte Linie 11 unterteilt gezeigt. Die zur Erzeugung der Laserkomponente 3 verwendeten Verfahrensschritte sind in der unteren Hälfte der 1A, 2A und 4A, 5A, 6A und 7A und in den 1B, 2B, 3, 4C und 7C gezeigt. Die zur Erzeugung der Wellenleiterkomponente 5 verwendeten Verfahrensschritte sind in der oberen Hälfte der 1A bis 7A und in den 1B, 2B, 3 und 4B, 5B, 6B und 7B gezeigt.
Die aktive Schicht 10 verwendet eine Quaternär-In_xGa_1–xAs_1–yP_y-Struktur, die zwischen etwa 100 nm und 300 nm dick sein könnte. Die aktive Schicht 10 wird durch eine Umhüllungsschicht 12, die aus p⁺-InP gebildet ist, die auf eine Dicke zwischen etwa 100 nm und 1 μm aufgewachsen ist, bedeckt.
Obwohl dies nicht dargestellt ist, kann ein DFB-Gitter für die Laserdiode 3 in der n-InP-Pufferschicht 8 oder in der p-InP-Umhüllungsschicht 12 enthalten sein.
Dann wird unter Verwendung einer bekannten Herstellungstechnologie der Wafer mit einer photolithographisch strukturierten Streifenmaske 16 beschichtet, wie in 1A gezeigt ist. Die Streifenmaske 16 könnte SiO₂ sein, das durch einen plasmagestützten chemischen Aufdampf-(PECVD-)Vorgang aufgebracht wird. Bei dem vorliegenden Beispiel betragen die Abmessungen der Streifenmaske 16 etwa eine Breite von 50 bis 75 μm und eine Länge von 400 bis 600 μm.
Nach der Aufbringung der Streifenmaske 16 werden die freiliegenden aufgebrachten Halbleiterschichten 8, 10, 12 in einem Nassätzvorgang geätzt, der die Abdeckschicht 12, die aktive Schicht 10 und alles bis auf 200 nm der Pufferschicht 8 entfernt. Der Ätzschritt hinterlässt eine Streifen-Mesa 18 unterhalb der Maske 16, die sich über das Substrat 2 erhebt und gegenüberliegende Seitenwände 20; 120 aufweist, die unterhalb der Maske 16 nahezu vertikal sind, und die sich unterhalb des Umrisses der Siliziumoxidmaske 16 in die Pufferschicht 8 nach außen neigen. Die Mesa 18 bildet in dem Wellenleiterabschnitt 7 eine Wellenleiter-Mesa 6 und in dem Laserabschnitt 9 eine Laser-Mesa 14.
Auch Bezug nehmend auf die 7B und 7C weisen die Wellenleiter-Mesa 6 und die Laser-Mesa 14 jeweils eine linke und eine rechte gegenüberliegende Seitenwand 20; 120 auf, die gemeinsam mit der Pufferschicht 8 und der Umhüllung 12 eine Stromleitungsregion 4; 104 für einen angelegten Laserstrom (I_L) 45 oder einen angelegten Wellenleiterstrom (I_G) 145 bilden, und weisen den Effekt einer Führung einer optischen Mode 25; 125 entlang der aktiven Schicht 10 von innerhalb der Laser-Mesa 14 in die Wellenleiter-Mesa 6 auf. Die Stromleitungsregionen des Lasers und des Wellenleiters 4; 104 erstrecken sich sowohl oberhalb als auch unterhalb der aktiven Schicht 10.
Wie in 3 gezeigt ist, werden dann weitere Halbleiterschichten 22, 24 auf die geätzten freiliegenden Halbleiterschichten 8, 10, 12 aufgewachsen, um eine erste Stromblockierungsstruktur 28 zu bilden, die sich nach oben bis zu in etwa der Ebene der Oxidmaskenschicht 16 erstreckt. Die erste Stromblockierungsschicht 28 umfasst eine erste p-dotierte InP-Schicht 22 unter Verwendung des Elements Zn als Dotiermittel mit einer Konzentration von zumindest etwa 1 × 10¹⁸/cm³ und über derselben eine n-dotierte InP-Schicht 24, die unter Verwendung des Elements S direkt auf die p-Typ-Schicht 22 aufgewachsen ist. Die n-dotierte InP-Schicht 24 weist vorzugsweise eine im Wesentlichen konstante Dotiermittelkonzentration auf, die zumindest so hoch ist wie die höchste Dotiermittelkonzentration in der p-Typ-Schicht 22.
Die Dicke der ersten p-dotierten Schicht 22 beträgt etwa 0,5 μm bis 1 μm, die Dicke der n-dotierten Schicht 24 beträgt etwa 0,4 μm bis 0,8 μm. Die InP-Schichten 22, 24 bilden einen p-n-Übergang, der bei Verwendung in Sperrrichtung vorgespannt ist und so isolierend ist, wenn die Leitungsregion 4 in Durchlassrichtung vorgespannt ist.
Wie in den 4A und 4C gezeigt ist, wird der Wafer wieder mit einer Oxidmaske bedeckt und strukturiert, so dass eine zweite Maskenschicht 32, die vorzugsweise aus einem ähnlichen SiO₂-Material wie die erste Maskenschicht 16 gebildet ist, aufgebracht wird, um nur den Bereich 9, der einmal die Laserkomponente 3 bilden soll, zu maskieren oder abzudecken.
Die unmaskierten Bereiche des Wellenleiterabschnitts 7 werden wieder geätzt, wie in den 5A und 5B gezeigt ist, entweder in einem Nassätz- oder einem Reaktiv-Ionen-Trockenätz-Vorgang, um einen Großteil der ersten Stromblockierstruktur 28 zu entfernen, mit Ausnahme entlang schmaler Bänder 128 an gegenüberliegenden Seitenwänden 120 der Wellenleiter-Mesa 6. Die Streifenmaske 16 bleibt während dieses Ätzvorgangs an ihrem Ort, so dass der geätzte Bereich automatisch selbst justiert mit der Bildung der ursprünglichen Mesa-Struktur 18 und der ersten Stromblockierungsstruktur 28 ist. Der Ätzvorgang wird jedoch gesteuert, um steilere Seitenwände 21 zu erzeugen und so um die Streifenmaske 16 nicht zu unterschneiden, wobei so die Bänder 128 der ersten Stromblockierungsstruktur unmittelbar benachbart zu der Wellenleiter-Mesa 6 erhalten bleiben.
Eine zweite Stromblockierungsstruktur 40 wird dann benachbart zu den Bändern der ersten Stromblockierungsstruktur 128 in dem unmaskierten Wellenleiterabschnitt 7 des Wafers aufgebracht. Die zweite Stromblockierungsstruktur 40 ist eine halb-isolierende Struktur, die einen niedrigeren spezifischen Widerstand und eine niedrigere Kapazität pro Einheitsfläche aufweist als die erste Stromblockierungsstruktur 28; 128. Die niedrigere Kapazität ermöglicht es, dass die Wellenleiterkomponente bei höheren Frequenzen arbeiten kann, wie z. B. über 10 GHz, um die optische Dauer-Strahlung 15, die durch die Laserkomponente 3 erzeugt wird, zu modulieren.
Die zweite Stromblockierungsstruktur 40 ist aus einer ersten p-dotierten InP-Schicht 42 unter Verwendung eines der Elemente Fe, Co oder Ru als Dotiermittel mit einer Konzentration von zumindest etwa 1 × 10¹⁸/cm³ gebildet und darüber ist eine n-dotierte InP-Schicht 44 direkt auf die p-Typ-Schicht 42 aufgewachsen. Die n-dotierte InP-Schicht 44 verwendet Schwefel und weist vorzugsweise eine im Wesentlichen konstante Dotiermittelkonzentration auf, die zumindest so hoch ist wie die höchste Dotiermittelkonzentration in der p-Typ-Schicht 42.
Die Dicke der ersten p-dotierten Schicht 2 beträgt etwa 0,8 μm bis 1 μm, die Dicke der n-dotierten Schicht 44 beträgt etwa 0,4 μm bis 0,6 μm. Die InP-Schichten 42, 44 bilden einen p-n-Übergang mit niedriger Kapazität, der bei Verwendung in Sperrrichtung vorgespannt ist und so halbisolierend ist, wenn die Leitungsregion 4 in Durchlassrichtung vorgespannt ist.
In den 7A, 7B und 7C bildet die erste Stromblockierungsstruktur 28 in dem Laserabschnitt 9 der Vorrichtung eine Strombegrenzungsregion 41 für die Laserkomponente 3 und die zweite Stromblockierungsstruktur 40 und das Band der ersten Stromblockierungsstruktur 128, das zwischen der Wellenleiter-Mesa 14 und der zweiten Stromblockierungsstruktur 40 eingefügt ist, bilden gemeinsam eine Strombegrenzungsregion 141 für die Wellenleiterkomponente 5.
Nach einer Aufbringung der zweiten Stromblockierungsstruktur 40 werden die SiO₂-Maskenschichten 16, 32 in einem Nassätzvorgang entfernt, um die Umhüllungsschicht 12 des Wellenleiters und die Laser-Mesas 6, 14 freizulegen, sowie die erste Stromblockierungsstruktur 28 in dem Laserabschnitt 9 der Vorrichtung.
Eine obere Umhüllungsschicht 48, die aus mit Zn-dotiertem p⁺-InP gebildet ist, wird dann über der freiliegenden „unteren" Umhüllungsschicht 12 oberhalb der Mesas 6, 14 und oberhalb der Stromblockierungsstrukturen 28; 40, 128 auf eine Dicke von etwa 2 μm bis 3 μm aufgewachsen. Die obere Umhüllungsschicht 48 bildet eine einheitliche flache Schicht, die sich vollständig über den Wellenleiterabschnitt 7 und den Laserabschnitt 9 der Vorrichtung erstreckt.
Wahlweise könnte eine letzte 100 nm bis 200 nm dicke Ternär-Abdeckschicht (nicht gezeigt), die aus p⁺⁺GaInAs, das stark auf etwa 10¹⁹/cm³ dotiert ist, gebildet ist, auf der Umhüllungsschicht 32 aufgebracht sein, um gute ohmsche Kontakte zu ermöglichen. Als eine Alternative zu einer Ternär-Abdeckschicht ist es möglich, eine Quaternär-InGaAsP-Abdeckschicht zu verwenden, oder sowohl eine InGaAsP- als auch eine InGaAs-Schicht.
Standard-Metallschichten werden dann auf der freiliegenden oberen Umhüllungsschicht 48 vakuum-beschichtet. Die Metallbeschichtung wird dann photolithographisch unter Verwendung bekannter Techniken strukturiert, um zwei Kontaktanschlussflächen zu hinterlassen, eine 50 oberhalb der Wellenleiter-Mesa 6 und die andere 52 oberhalb der Laser-Mesa 14.
Ein elektrischer Strom 45, 145 könnte dann über elektrische Verbindungen (nicht gezeigt) an die Kontaktanschlussflächen 52, 50 geliefert werden, um die Laservorrichtung 3 zu treiben oder die EA-Wellenleiter-Vorrichtung 5 zu modulieren.
Der resultierende Wafer wird dann auf einem Standardweg auf eine Dicke von etwa 70 μm bis 100 μm gedünnt, um ein Spalten zu unterstützen. Standardmetallschichten (nicht gezeigt) werden dann durch Zerstäuben auf der Rückoberfläche des Wafers aufgebracht, so dass die Herstellung eines elektrischen Kontaktes zu der n-Seite der Vorrichtungen ermöglicht wird.
Der Wafer wird dann beschriftet und in einem herkömmlichen Verfahren zuerst quer in Balken mit einer Breite von etwa 600 bis 700 μm gespalten und dann wird jeder Balken in einzelne Vorrichtungen mit einer Breite von 200 μm gespalten. Die resultierende gespaltene Vorrichtung ist etwa 600 bis 700 μm lang (d. h. in der Richtung der Laser-Mesa 14 und des Wellenleiters 6) und etwa 200 μm breit.
Obwohl dies nicht gezeigt ist, könnte die Vorrichtung 1 nach dem Testen in ein Industriestandardgehäuse gehäust werden, mit einer optischen Einmodenfaser, die mit einer sphärischen Linse mit einer Ausgangsfacette des EA-Modulators 3 gekoppelt ist, und mit Goldbonddrähten, die auf die metallisierten Kontakte 50, 52 gelötet sind.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Laser-Mesa 14 ist aufgrund des anfänglichen Strukturierens der Oxidschicht 16, wie in 1A gezeigt ist, direkt benachbart und selbst justiert in Bezug auf die Wellenleiter-Mesa 6.
Da die Laserkomponente 3 und die EA-Komponente 5 integrierte Komponenten sind, die auf einem gemeinsamen Substrat 2 gebildet sind, vermeidet die Erfindung die Schwierigkeit dessen, zwei einzelne Vorrichtungen, die aus unterschiedlichen Substraten gebildet sind, ausrichten und miteinander verbinden zu müssen.
Wahlweise, wie in 7A in gestrichelten Linien gezeigt ist, können einer oder mehrere Gräben 60, 61, 62 in die obere Umhüllungsschicht 32 geätzt werden, entweder ein Quergraben 62 zwischen der Wellenleiterkomponente 5 und der Laserkomponente 3 oder parallel laufend 60, 61 zu dem Wellenleiter und den Laser-Mesas 6, 14, um eine erhöhte elektrische Trennung zwischen den beiden Komponenten 3, 5 bereitzustellen. Obwohl die parallelen Gräben 60, 61 in den Halbleiterschichten 2, 8, 42, 44, 48 gebildet sein könnten, die sowohl oberhalb als auch unterhalb der aktiven Schicht 10 liegen, sollte sich der Quergraben 62 nur in den Halbleiterschichten oberhalb der aktiven Schicht 10 erstrecken und nicht bis zu der aktiven Schicht selbst hindurch.
Die InGaAsP/InP-Komponenten 3, 5, die oben beschrieben sind, beinhalten deshalb unterschiedliche Stromblockierungsstrukturen. Die Schichten, die zum Bilden der Laserstrombegrenzungsregion 28 benachbart zu der Laserkomponente 3 verwendet werden, tragen nicht wesentlich zu der Kapazität der Wellenleiterstrombegrenzungsregion 141 bei. Dies ermöglicht es, dass jede Strombegrenzungsregion 41, 141 gemäß den Anforderungen jeder entsprechenden Komponente 3, 5 optimiert werden kann. Deshalb schafft die Erfindung eine Strombegrenzungsregion 28 mit hohem spezifischem Widerstand benachbart zu der Laser-Mesa 14, die niedrige Leckströme über einen breiten Bereich von Betriebstemperaturen aufweist, sowie eine Strombegrenzungsregion 141 mit relativ niedriger Kapazität benachbart zu der EA-Wellenleiter-Mesa 6. Die Erfindung erlaubt außerdem die Verwendung höherer Treiberspannungen in dem Wellenleiter 5, was nützlich beim Erzielen eines Hochgeschwindigkeitsbetriebs ist.
Halbleiter-Vorrichtungen gemäß der Erfindung liefern eine hohe Betriebsbandbreite und gute Lebensdauer-Charakteristika. Die beinhalteten Verfahrensschritte könnten anderen Standardschritten, die bei der Herstellung derartiger Vorrichtungen verwendet werden, ähneln. Es besteht kein Bedarf nach zusätzlicher teurer Verarbeitungsausrüstung.
Die Erfindung ist deshalb besonders nützlich für eine vergrabene Heterostruktur-Laserdiode, kombiniert mit einem EA-Modulator, geeignet zur Verwendung als ein Sender in einer faseroptischen Hochgeschwindigkeitsverbindung, die mit 10 Gbit pro Sekunde oder mehr bei einer Wellenlänge zwischen 1,27 und 1,6 μm arbeitet.
Obwohl die vorliegende Erfindung insbesondere für das Beispiel einer Laserdiode und eines EA-Modulators beschrieben wurde, ist die Erfindung auf alle integrierten optoelektronischen Halbleiter-Vorrichtungen anwendbar, bei denen unterschiedliche Stromblockierungsregionen benötigt werden, um die Kanalisierung eines Stroms zu unterschiedlichen Komponenten zu unterstützen. Beispiele umfassen Stegwellenleiter-Typ-Laser, Pumplaser, Kantenemissions-Leuchtdioden, Oberflächenemissionslaser und Leuchtdioden. Ein weiteres Beispiel ist ein optischer Wellenleiter mit einer Aufteilung in zwei Wellenleiter an einem Y-Übergang. Dies könnte elektrisch getriebene oder modulierte aktive optische Regionen in zwei oder drei der Arme des „Y" aufweisen, z. B. einen optischen Verstärker oder Modulator. Dann könnte es erwünscht sein, eine Stromblockierungsregion an dem Übergang der drei Arme bereitzustellen, wo es drei separate Leitungsregionen geben könnte.
Die oben beschriebene Erfindung wurde für eine Vorrichtung beschrieben, die auf einem n-InP-Substrat basiert, die eine erste Stromblockierungsstruktur aufweist, die aus einem in Sperrrichtung vorgespannten p-n-Übergang in einem lateral benachbarten Kontakt zu der Aktivschichtstruktur gebildet ist. Es soll jedoch zu erkennen sein, dass die Erfindung auch auf andere Typen von Vorrichtungen angewendet werden kann, wie z. B. diejenigen, die auf einem p-InP-Substrat basieren.

Claims

Eine Halbleitervorrichtung, die ein Halbleitersubstrat (2) und eine Mehrzahl von Halbleiterschichten aufweist, die über dem Substrat aufgewachsen sind und eine Mehrzahl integrierter optischer Komponenten (3, 5) bilden, wobei die Komponenten eine vergrabene Heteroübergangslaserkomponente (3) und eine Wellenleiterkomponente (5) mit einer optisch führenden Struktur (6) umfassen, bei der: a) die Laserkomponente (3) und die Wellenleiterkomponente (5) zumindest eine aktive Schicht (10) umfassen, wobei die Wellenleiterkomponente (5) bei Verwendung optisch über die aktive Schicht (10) mit einer Laser-Strahlung (25), die durch die Laserkomponente (3) erzeugt wird, gekoppelt ist; b) die Laserkomponente (3) eine Laserstromleitungsregion (4) und benachbart zu der Laserstromleitungsregion eine Laserstrombegrenzungsregion (41) umfasst; c) die Wellenleiterkomponente (5) eine Wellenleiterstromleitungsregion (104) und benachbart zu der Wellenleiterstromleitungsregion eine Wellenleiterstrombegrenzungsregion (141) umfasst; d) die Laserstrombegrenzungsregion (41) eine erste Stromblockierungsstruktur (28) aufweist, die aus aufgewachsenen Halbleiterschichten (22, 24) gebildet ist; und gekennzeichnet durch: e) eine Wellenleiterstrombegrenzungsregion (141), die eine zweite Stromblockierungsstruktur (40) aufweist, die aus aufgewachsenen Halbleiterschichten (42, 44) gebildet ist, und auch eine Erweiterung (128) der ersten Stromblockierungsstruktur (28) umfasst, wobei die Erweiterung (128) zwischen der zweiten Stromblockierungsstruktur (40) und der Wellenleiterstromleitungsregion (104) eingefügt ist.
Eine Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die erste Stromblockierungsstruktur (28, 128) einen höheren spezifischen Widerstand aufweist als die zweite Stromblockierungsstruktur (40).
Eine Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der eine Einheitsfläche der zweiten Stromblockierungsstruktur (40) eine geringere Kapazität aufweist als eine Einheitsfläche der ersten Stromblockierungsstruktur (28, 128).
Eine Halbleitervorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die erste Stromblockierungsstruktur (28, 128) und/oder die zweite Stromblockierungsstruktur (40) einen p-n-Übergang oder einen n-p-Übergang umfassen, der bei Verwendung in Sperrrichtung vorgespannt ist.
Eine Halbleitervorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Laserkomponente (3) und die Wellenleiterkomponente (5) jeweils einen vergrabenen Mesa-Streifen (6, 14) aufweisen, der die aktive Schicht (10) umfasst.
Eine Halbleitervorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der jeder Mesa-Streifen (6; 14) eine oder mehrere Seitenwände (20; 120) aufweist, die sich über das Substrat (2) erheben, wobei sich die aktive Schicht (10) zu den Seitenwänden (20; 120) erstreckt und die aktive Schicht (10) an den Seitenwänden (20; 120) durch die erste Stromblockierungsstruktur (28; 128) bedeckt ist.
Eine Halbleitervorrichtung (1) gemäß Anspruch 6, bei der die Mesa-Seitenwände (20; 120) sich lateral weg von der aktiven Schicht (10) neigen.
Eine Halbleitervorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Wellenleiterkomponente (5) ein optoelektronischer Modulator zum Modulieren der optischen Strahlung (25), die durch die Laserkomponente (3) erzeugt wird, ist.
Eine Halbleitervorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Halbleiterschichten (8, 12, 48), die die Laserstromleitungsregion (4) bilden, auch eine Wellenleiterstromleitungsregion (104) bilden, um einen elektrischen Strom (50) zu der aktiven Schicht (10) des Wellenleiters (5) zu kanalisieren.
Eine Halbleitervorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der ein Graben (62) zwischen der Wellenleiterkomponente (5) und der Laserkomponente (3) liegt, wobei der Graben (62) in den Halbleiterschichten gebildet ist, die oberhalb der aktiven Schicht (10) liegen, jedoch nicht durch die aktive Schicht selbst hindurch.
Ein Verfahren zum Bilden einer Halbleitervorrichtung, wobei die Vorrichtung ein Halbleitersubstrat (2) aufweist, über dem eine Mehrzahl von Halbleiterschichten, die eine aktive Schicht (10) umfassen, aufgebracht ist, um eine Mehrzahl integrierter optischer Komponenten zu bilden, wobei die Komponenten eine vergrabene Heteroübergangslaserkomponente (3) und eine Wellenlei terkomponente (5) umfassen, wobei die Wellenleiterkomponente (5) bei Verwendung optisch über die aktive Schicht (10) mit einer Laserstrahlung (25), die durch den Laser (10) erzeugt wird, gekoppelt ist, wobei die Bildung des Lasers (3) und der Wellenleiterkomponente (5) aus den Halbleiterschichten folgende Schritte aufweist: i) Bilden zumindest einer aktiven Schicht (10); ii) Bilden einer Laserstromleitungsregion (4) und einer Wellenleiterstromleitungsregion (104); iii) Bilden einer ersten Stromblockierungsstruktur (28), die sich benachbart zu sowohl der Laserkomponente (3) als auch der Wellenleiterkomponente (5) erstreckt, benachbart zu der aktiven Schicht (10); iv) Entfernen der ersten Stromblockierungsstruktur in der Wellenleiterkomponente (5), mit Ausnahme in einem Band (128) benachbart zu der Wellenleiterstromleitungsregion (104); und v) Bilden einer zweiten Stromblockierungsstruktur (40) in der Wellenleiterkomponente (5), so dass das Band (128) der ersten Stromblockierungsstruktur zwischen der zweiten Stromblockierungsstruktur (40) und der Wellenleiterstromleitungsregion (104) eingefügt ist.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 11, bei dem Schritt iii) folgende Schritte aufweist: vi) Aufbringen einer Streifenmaske (16) über der Laserstromleitungsregion (4) und der Wellenleiterstromleitungsregion (104); vii) Ätzen der aufgebrachten Halbleiterschichten (22, 24) um die und teilweise unter der Streifenmaske (16), um eine Laser-Mesa (6) und eine Wellenleiter-Mesa (14) zu erzeugen; viii) Aufbringen der ersten Stromblockierungsstruktur (28) gegen die Mesas und unterhalb der Maske (16); wobei Schritt iv) dann folgende Schritte aufweist: ix) Aufbringen einer Laserkomponentenmaske (32) über der ersten Stromblockierungsstruktur (28) der Laserkomponente (3); x) Ätzen der ersten Stromleitungsstruktur (28) in Bereichen, die nicht durch die Streifenmaske (16) oder die Laserkomponentenmaske (32) bedeckt sind, um das Band (128) benachbart zu der Wellenleiterstromleitungsregion (104) zu hinterlassen; wobei Schritt v) dann folgenden Schritt aufweist: xi) Aufbringen der zweiten Stromblockierungsstruktur (40) in Bereichen, die nicht durch die Streifenmaske (16) oder die Laserkomponentenmaske (32) bedeckt sind.