WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 4 Конструкция и технология изготовления матриц вертикально-излучающих лазеров © Н.А. Малеев¶, А.Г. Кузьменков, А.Е. Жуков, А.П. Васильев, А.С. Шуленков, С.В. Чумак, Е.В. Никитина, С.А. Блохин, М.М. Кулагина, Е.С. Семенова, Д.А. Лившиц, М.В. Максимов, В.М. Устинов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Минский научно-исследовательский институт радиоматериалов, 220024 Минск, Белоруссия (Получена 28 июня 2004 г. Принята к печати 12 июля 2004 г.) Предложена конструкция и технология изготовления матриц вертикально-излучающих лазеров с нижним полупроводниковым AlGaAs/GaAs и верхним AlGaO/GaAs распределенными брэгговскими отражателями.

Реализованы матрицы, содержащие 8 8 лазеров с активной областью на основе двух квантовых ям InGaAs.

На индивидуальных излучающих элементах при диаметре окисленной апертуры 8–10 мкм получена лазерная генерация на длинах волн 960–965 нм в непрерывном режиме при комнатной температуре с пороговыми токами 1.0–2.5 мА, дифференциальной эффективностью до 0.4 мВт/мА и максимальной выходной мощностью более 2 мВт.

В последние годы полупроводниковые вертикально- контролировать с высокой точностью [1]. Кроме того, в излучающие лазеры (ВИЛ, VCSELs — vertical cavity конструкциях с легированными зеркалами сравнительно surface emitting lasers) находят широкое применение трудно получить малые значения паразитной емкости, в быстродействующих системах волоконно-оптической что может ограничивать частотный диапазон приборов, связи, оптических сенсорах и устройствах обработ- а большая толщина легированных РБО ухудшает отвод ки информации [1]. Основные преимущества ВИЛ по тепла от активной области прибора и усложняет процесравнению с традиционными инжекционными лазерами дуру травления изолирующей мезы.

полосковой конструкции — малая угловая расходимость В последние годы активно разрабатываются конструки симметричная диаграмма направленности выходного ции ВИЛ с непроводящими зеркалами, в которых один оптического излучения, групповая технология изготов- или оба контакта выполнены к проводящим слоям, ления и возможность тестирования приборов непо- непосредственно примыкающим к активной (излучаюсредственно на пластине. Планарная технология ВИЛ щей) области ВИЛ (intracavity-contacted VCSELs — позволяет формировать двумерные матрицы с большим ICVCSELs) [1,6]. В частности, такой подход был успешно числом излучателей индивидуальной адресации. Такие использован при создании ВИЛ с активной областью матричные излучатели рассматриваются в качестве наина основе массивов самоорганизующихся квантовых более перспективных источников для реализации опточек [7], когда требуется обеспечить минимально возтической коммутации электронных модулей в будущих можный уровень оптических потерь в микрорезонаторе.

высокопроизводительных вычислительных системах [2], Кроме того, поскольку в данном случае обе контактные создания оптических вектoрных процессоров [3] и быплощадки располагаются на лицевой стороне структуры, стродействующих многоканальных коммутаторов для ICVCSELs идеально подходят для монтажа методом пенейтронных сетей [4].

ревернутого кристалла (flip–chip) с выводом излучения В качестве зеркал ВИЛ, ограничивающих вертикальчерез подложку, широко используемого при интеграции ный микрорезонатор Фабри–Перо, используются расматричных излучателей на основе ВИЛ и цифровых пределенные брэгговские отражатели (РБО). Наиболее кремниевых интегральных схем [5]. Однако успешная широко распространена конструкция с легированными реализация ВИЛ с непроводящими эпитаксиальными полупроводниковыми РБО на основе чередующихся зеркалами возможна только при прецизионном травлечетвертьволновых слоев AlxGa1-xAs различного состании глубоких многоступенчатых меза-структур.

ва. В таких приборах инжекция носителей заряда в Новой интересной возможностью в технологии активную область обеспечивается за счет протекания ICVCSELs является использование зеркал на основе тока непосредственно через зеркала. При этом для AlGaO/GaAs, формируемых путем латерально селекпространственного ограничения активной области ВИЛ тивного окисления в парах H2O слоев AlxGa1-x As с в латеральном направлении применяются изолируювысоким содержанием AlAs x [8]. Значительное различие щая имплантация протонов или селективное окисление коэффициентов преломления материалов для РБО с скрытых слоев AlGaAs (формирование апертуры) [1,5].

окисленными слоями позволяет обеспечить необходиОднако реализация легированных РБО с низким сопромый уровень отражения в широком диапазоне длин тивлением требует использования сложных профилей волн при существенно меньшем числе пар четвертьволлегирования и состава на границах слоев, которые надо новых слоев. В то же время необходима тщательная ¶ E-mail: maleev@beam.ioffe.rssi.ru калибровка состава слоев эпитаксиальной структуры 488 Н.А. Малеев, А.Г. Кузьменков, А.Е. Жуков, А.П. Васильев, А.С. Шуленков, С.В. Чумак...

для обеспечения заданных скоростей окисления. Это методом перевернутого кристалла это должно улучшить особенно критично в случае формирования окисленных отвод тепла от активной области ВИЛ. Кроме того, в зеркал и токовых апертур в одном процессе, а также при предложенной конструкции слои металлизации обеих реализации матриц ВИЛ, когда необходимо обеспечить контактных площадок расположены на одном уровне по высоте, что существенно облегчает монтаж методом 100-процентный выход годных приборов в пределаx кристалла матрицы. Другая серьезная проблема при кон- перевернутого кристалла. В предлагаемой конструкции отсутствует необходимость в травлении третьей (изоструировании матричных излучателей — обеспечение возможности монтажа методом перевернутого кристал- лирующей) мезы или проведения изолирующей имплантации.

ла, для чего желательно выполнить металлизацию всех Структуры ВИЛ с активными слоями на основе КЯ контактных площадок на одном уровне по высоте. Это InGaAs выращивались методом молекулярно-пучковой обусловливает повышенные требования к механической эпитаксии (МПЭ) на полуизолирующих подложках надежности зеркал с окисленными слоями.

GaAs ориентации (001) с использованием лабораторРанее нами были разработаны дискретные ВИЛ с акной установки МПЭ Riber 32P. Типичная эпитакситивной областью на основе квантовых ям (КЯ) InGaAs, альная структура состоит из верхнего нелегированного нижним полупроводниковым РБО и верхним РБО с РБО, содержащего 7 пар слоев GaAs/Al0.97Ga0.03As, окисленными слоями, в которых была реализована ланеоднородно-легированного контактного слоя p-GaAs, зерная генерация в непрерывном режиме при комверхнего апертурного слоя p-Al0.98Ga0.02As с гранатной температуре с пороговыми токами 0.5–1.5 мА, диентным изменением состава на границах, нелегидифференциальной эффективностью до 0.5 мВт/мА и рованной активной области с 2 КЯ In0.15Ga0.85As максимальной выходной мощностью до 3 мВт [9,10].

в матрице Al0.15Ga0.85As, нижнего апертурного слоя B настоящей работе представлены результаты разраn-Al0.98Ga0.02As с градиентным изменением состава на ботки конструкции и технологии изготовления матрицы границах, контактного слоя n-GaAs и нижнего РБО, ВИЛ с непроводящими зеркалами, содержащей 8 содержащего 19 пар слоев Al0.9Ga0.1As/GaAs. Толщины излучателей индивидуальной адресации.

слоев AlGaAs и GaAs в нижнем РБО, апертурных слоев Предложенная конструкция индивидуального лазернои слоев GaAs в верхнем РБО примерно соответствуго излучателя для матриц ВИЛ схематически представют 1/4 резонансной длины волны Bragg вертикального лена на рис. 1. За основу использован предложенный микрорезонатора. Толщины слоев Al0.97Ga0.03As в верхранее вариант конструкции ВИЛ с нижним нелегированнем РБО выбираются так, чтобы после окисления их ным полупроводниковым РБО AlGaAs/GaAs и верхним толщина соответствовала 1/4Bragg (с учетом изменения РБО AlGaO/GaAs [9]. Основное отличие по сравнению показателя преломления и некоторого механического с дискретным прибором состоит в размещении плосжатия слоев после окисления). Полная геометрическая щадки p-контакта непосредственно на поверхности РБО толщина резонатора Lcav примерно соответствует 5Bragg.

AlGaO/GaAs над активной областью. В случае монтажа В некоторых структурах между подложкой и нижним полупроводниковым РБО выращивались дополнительные слои Al0.9Ga0.1As и GaAs толщиной Bragg, используемые в качестве стоп-слоев при химическом травлении сквозных окон в подложке, предназначенных для вывода излучения.

Основной проблемой при эпитаксиальном выращивании структур ВИЛ является необходимость прецизионного (с точностью не хуже 1%) контроля толщины и состава слоев [1]. Использование предварительных калибровок не всегда обеспечивает необходимую точность из-за возможных флуктуаций скоростей роста и положения держателя подложки, особенно при использовании установок МПЭ лабораторного типа. Для воспроизводимого получения заданной резонансной длины волны использовалась предложенная ранее процедура [10], состоящая в прерывании роста после завершения формирования активной области, измерении спектра отражения от частично сформированной эпитаксиальной структуры в высоковакуумной камере установки МПЭ и внесении соответствующих коректировок в режимы выращивания верхнего зеркала.

Рис. 1. Схематическое изображение поперечного сечения К числу наиболее критичных операций в технологии индивидуального лазерного излучателя с нижним полупроВИЛ относится прецизионное травление многоступенводниковым РБО и верхним РБО с окисленными слоями, используемого в качестве базового элемента матрицы ВИЛ. чатых меза-структур и селективное окисление слоев Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Конструкция и технология изготовления матриц вертикально-излучающих лазеров апертурного слоя и верхнего зеркала приводит либо к „схлопыванию“ апертуры (т. е. полной нефункциональности прибора), либо к сильному „переокислению“ верхнего РБО. „Переокисление“ приводит к снижению коэффициента отражения зеркал из-за ухудшения морфологических характеристик, а также понижает механическую стабильность структуры из-за слишком сильного сжатия слоев [11]. Таким образом, разработка технологии матричных излучателей с РБО AlGaO/GaAs возможна только при тщательной комплексной оптимизации конструкции и параметров процесса селективного окисления.

Калибровка процесса селективного окисления проводилась с использованием как специальных тестовых структур, так и реальных структур ВИЛ, позволяющих непосредственно измерить скорости окисления для слоев РБО и апертурных слоев. На рис. 3 приведена микрофотография скола оптимизированной структуры ВИЛ, подвергнутой селективному окислению при температуре 400C в течение 30 мин. Меза-структура была протравлена с использованием маски в виде полосков шириной 60 мкм. Окисленные слои AlGaAs выглядят как более темные по сравнению с неокисленными. Толщины и состав окисляемых слоев выбраны таким образом, чтобы слои верхнего зеркала окислялись несколько медленнее (в 1.3–1.5 раза), чем апертурные слои. Поскольку в реальном приборе диаметр меза-структуры верхнего зеркала 30 мкм, а диаметр апертурной меза-структуры 55 мкм, выбранное сочетание скоростей окисления Рис. 2. Структуpа ВИЛ после формирования двухступенчаобеспечивает надежное завершение окисления верхнетой меза-структуры методом сухого травления пучком Ar+:

го зеркала за время окисления апертур до диаметра a — микрофотография поверхности; b — СЭМ-изображение 8–10 мкм. Одновременно обеспечивается не слишком поперечного скола.

большое превышение времени процесса окисления по сравнению с временем полного окисления слоев РБО (для предотвращения „переокисления“). Следует подAlGaAs. B настоящей работе за основу использовалась черкнуть, что глубина окисления зависит не только от разработанная ранее методика сухого травления в пучсостава слоев AlGaAs, но и от их толщины, что дает ке ионов Ar+, позволяющая воспроизводимо получать дополнительную степень свободы при проектировании нужную глубину травления и заданный наклон стеэпитаксиальной структуры ВИЛ [8]. В целом оптиминок меза-структур [7,10]. Применительно к технологии зированная технология селективного окисления обесматричных излучателей наиболее критичным является формирование устойчивой фоторезисторной маски, обеспечивающей надежное перекрытие непланарного рельефа, который образуется после травления первой мезы. На рис. 2 приведены микрофотографии поверхности и изображение поперечного скола меза-структуры ВИЛ, полученное методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), после травления второй мезы.

Разработанные процедуры фотолитографии и сухого травления удовлетворяют предъявляемым требованиям.

Особенность разработанного технологического процесса изготовления матриц ВИЛ состоит в одновременном формировании окисленных апертур и окислении слоев верхнего зеркала. Поскoльку диаметр апертуры должен быть существенно меньше, чем размер верхнего зеркала, необходимо тщательное согласование Рис. 3. СЭМ-изображение скола оптимизированной структускоростей окисления различных слоев эпитаксиальной ры ВИЛ после проведения тестового процесса травления и структуры. Несогласованность в скоростях окисления селективного оксидирования.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 490 Н.А. Малеев, А.Г. Кузьменков, А.Е. Жуков, А.П. Васильев, А.С. Шуленков, С.В. Чумак...

альной эффективностью до 0.4 мВт/мА и максимальной выходной мощностью до 2.5 мВт (рис. 4, a). Структуры изготовленных приборов механически стабильны. На рис. 4, b приведены вольт-амперные и ватт-амперные характеристики индивидуального излучателя с высоким пороговым напряжением и большим последовательным сопротивлением. Плохие электрические характеристики, возможно, вызваны слишком глубоким травлением второй мезы и (или) слишком слабым легированием контактного n-слоя в данном образце. Тем не менее даже при плохих электрических характеристиках ВИЛ обеспечивает уровень выходной мощности до 2 мВт в непрерывном режиме (при рассеиваемой мощности более 100 мВт), что можно объяснить наличием контактного металлического слоя непосредственно на верхнем зеркале, что улучшает теплоотвод от активной области.

Фотография кристаллов матричных излучателей представлена на рис. 5, a. Были получены образцы лазерных матриц форматом 8 8 со 100% годных излучателей при шаге между индивидуальными ВИЛ 750 мкм. Распределение выходной мощности индивидуальных ВИЛ по площади для одного из изготовленных матричных излучателей представлено на рис. 5, b.

Таким образом, в рамках настоящей работы предложены конструкция и технология изготовления матРис. 4. Вольт-амперные и мощностные характеристики индивидуальных ВИЛ: a — нормальный прибор, соответствующий проектным требованиям; b — прибор с повышенным последовательным сопротивлением.

печивает достаточную воспроизводимость параметров процесса и механическую стабильность структур ВИЛ.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.