СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНЖЕКЦИОННОГО ЛАЗЕРА Советский патент 1996 года по МПК H01S3/19 

Изобретение относится к микроэлектронике, точнее к технологии полупроводниковых инжекционных лазеров, применяемых в устройствах обработки оптической информации, ВОСПИ, измерительной медицинской и вычислительной технике.

Целью изобретения является улучшение оптических характеристик лазера.

Указанная цель достигается тем, что пеpед нанесением слоя омического контакта фоpмируют ФРМ, вытравливают мезаполоску, на всю рельефную поверхность наносят запорный контакт, удаляют его вместе с ФРМ с вершины мезаполоски методом "взрыва фоторезиста", после чего наносят слой омического контакта на всю поверхность.

Кроме того, с целью повышения надежности лазера перед напылением запорного контакта проводят анодное окисление рельефной поверхности с последующим удалением окисла селективным травлением.

Для пояснения изобретения приведены фиг.1 и 2, предложенная последовательность операций приведена на фиг.2а-ж:
а формирование полосковой фоторезистивной маски (ФРМ),
б изготовление мезаполоски методом ионно-химического травления под ФРМ,
в формирование анодного окисла (анодирование рельефной структуры),
г селективное растворение окисной пленки,
д нанесение запорного контакта,
е вскрытие "окон" селективным растворением ФРМ,
ж нанесение состава, образующего в "окнах" омический контакт.

На фиг.2а-ж изображена гетероэпитаксиальная структура 1, слой омического контакта 2, ФРМ 3, мезаполосок 4, контактный слой 5, эмиттер 6, активный слой 7, запорный контакт 8, анодный окисел 9, "окно" 10.

Как уже упоминалось выше, вытравливание мезаполосков без предварительно напыленного контакта существенно повышает точность получения мезы требуемой высоты и улучшает морфологию поверхности. Такая поверхность обеспечивает "лучшую" структуру осажденного на ней запорного контакта, особенно в тех случаях, если в его состав входят пленки типа GaAs, ZnSe, AlGaAs. Однако в любом случае гладкая поверхность предпочтительнее для формирования запорного контакта с минимальной утечкой тока. В простейшем случае запорный контакт может состоять из двухслойной пленки тугоплавких металлов, например Ti-Mo, толщиной 400 500 , т.е. в отличие от трехслойного состава (прототипа) он не содержит золота и никеля металлов, образующих наружную часть контакта и используемую для подсоединения наружных выводов.

Пленка Тi-Mo будет выполнять 3 функции: токового ограничения барьером Шоттки (Ti-AlGaAs); бокового оптического ограничения за счет резкого изменения скорости оптической волны на границе Me-Al_xGa_1-xAs; барьера для диффузии Au и ln из наружного контракта.

Боковое оптическое ограничение может быть улучшено дополнительным введением эпитаксиальной пленки высокоомного GaAs или ZnSe, а токовая изоляция усиливается тонкой пленкой окисла SiO₂ или Al₂O₃. Однако наиболее принципиальный момент для заявленной последовательности операций - обязательное включение в состав запорного слоя материала (например Mo или Тi-Mo), предотвращающего диффузию в полупроводник материалов из наружного контакта (Au и/или ln). Такая диффузия, например, Au может привести к потере изоляции даже в тех случаях, когда в состав запорного контакта входят I-GaAs или низкотемпературный SiO₂, Al₂O₃. Вскрытие окон в барьерном слое селективным растворением органической маски известный процесс (lift-оff). Успешно использованы и неорганические маски (Ga₂O₃ или Ni). Финишное напыление металлопленочной композиции приводит в заявке к образованию омических контактов в полосках и изолированному от структуpы токоподводу. Состав металлопленочной композиции в заявке упрощается, так как антидиффузионный барьер уже сформирован. Поэтому в отличие от прототипа возможно использование более простых контактов типа ТiAu или GaAu вместо пятислойного контакта в прототипе.

Наконец, предложенное анодное окисление наpушенной ионно-химическим травлением рельефной поверхности с последующим селективным удалением окисной пленки мягким жидкостным травлением направлено на повышение долговечности лазера. Дело в том, что толщина удаляемой пленки (0,12 0,15 мкм) превышает толщину нарушенного ионной бомбардиpовкой слоя. Таким образом устраняется источник диффузии точечных дефектов в активную область из нарушенного слоя, которые и приводят к медленной деградации лазеров. Хотя операции, используемые в заявке на 50% идентичны операциям прототипа, а вскрытие окон в изоляторе методом "lift-off" широко используется в микроэлектронике, предложенная последовательность нова и превосходи прототип как по простоте и меньшему количеству операций, так и по достигаемому результату.

Предложенная последовательность была успешно использована при создании инжекционных лазеров и торцевых светодиодов, работающих в диапазоне λ 0,7 1,3 мкм.

П р и м е р 1. В двойной эпитаксиальной гетероструктуре GaAs-Al_xGa_1-xAs c l 0,82 мкм в установке ионно-химической обработки вытравливались мезаполоски высотой 1,5 мкм и шириной 6 ± 0,2 мкм под фоторезистивной маской. Измеренная в растровом электронном микроскопе фактическая высота мезы составила 1,47 мкм. Отклонение от заданного значения -300 существенно лучше, чем в прототипе (600 1000 ). Затем на рельефную поверхность вначале наносилась пленка поликристаллического i-GaAs толщиной 0,3±0,05 мкм, а поверх нее двухслойная пленка Тi-Mo толщиной 500±50 . Обе пленки получены лазерным распылением в вакууме. Растворением фоторезистивной маски в диметилформамиде в трехслойной пленке i-GaAs-Тi-Mo вскрывались полосковые окна. Последующее напыление пленки состава Тi-Au (200/3000 ) и финишное вжигание обеспечивало хороший омический контакт в вершинах мезаполосок и качественную изоляцию вне полоски.

Дальнейшие операции (утоньшение пластины до 90 мкм, напыление n-контакта со стороны подложки, вжигание контактов) аналогичны операциям прототипа. Измерение лазеров, изготовленных по описанному способу показало, что возросла линейность ватт-амперной характеристики с 20 25 мВт до 30 35 мВт, т.е. на ≈ 71% всех испытанных лазеров. Этот результат объясняется высокой точностью заданной глубины травления, что и обеспечивает эффективное боковое оптическое ограничение и хорошую токовую изоляцию.

П р и м е р 2. Лазеры с λ 0,82 мкм изготавливались по описанной выше последовательности. Отличие состояло в двухступенчатом травлении мезаполосок. Вначале эпитаксиальные слои толщиной 2 мкм (до активной области) травились ионно-химическим способом на 1,43 мкм, затем пластина анодировалась, а окисел толщиной 0,15 мкм стравливался селективно в НСl. В итоге заданное расстояние до активной области 0,4 мкм получено с точностью ≈ 200 , а слой, нарушенный бомбардировкой, удален. Сравнительные ускоренные испытания лазеров в рабочем режиме пpи Т +70^oC показали, что у лазеров, изготовленных по способу примера 2, вероятность отказов уменьшилась с 2•10^-5 до 5•10^-6 по сравнению с лазерами, изготовленными по примеру 1, при длительности испытаний 15000 ч.

Кроме того, по способу, аналогичному описанному в примерах 1 и 2, были изготовлены лазеры на λ 0,78 и торцевые светодиоды на l 1,3 мкм. Отличие заключалось в конструкции запорного слоя.

В первом случае запоpный слой состоял из трехслойной пленки SiO₂-Тi-Mo, а при изготовлении торцевых светодиодов на 1,3 мкм в качестве запорного контакта кр-lnP использовалась двухслойная пленка Al-Mo.

Основной итог экспериментов по использованию предложенного способа изготовления инжекционного лазера сводится к следующему: улучшились оптические свойства лазеров, в первую очередь линейность ватт-амперной характеристики до уровня мощности 30 35 мВт (при использовании п.1 формулы изобретения) повысилась надежность лазеров (при использовании пп.1 и 2 формулы изобретения); уменьшилась трудоемкость изготовления излучателей (за счет сокращения цикла и упрощения некоторых операций) и, как следствие, вырос выход годных изделий.

Изобретение может найти широкое применение при изготовлении различных оптоэлектронных пpиборов с так называемым "гребневидным" волноводом. ЫЫЫ2

Использование: изобретение может быть использовано при изготовлении полупроводниковых инжекционных лазеров, применяемых в устройствах обработки оптической информации, измерительной, медицинской и вычислительной технике. Сущность: на гетероэпитаксиальной структуре формируют фоторезистивную маску и по ней вытравливают мезаполоску методом ионно-химического травления, проводят анодное окисление рельефной поверхности с последующим удалением окисла селективным тpавлением, наносят запорный контакт, удаляют его вместе с фоторезистивной маской с вершины мезаполоски методом "взрыва фоторезиста", после чего наносят слой омического контакта. 2 ил.

1. Способ изготовления инжекционного лазера на основе соединений А₃В₅, включающий осаждение слоя омического контакта со стороны эпитаксиальных слоев, нанесение фоторезистивной маски, формирование мезаполосков методом ионно-химического травления, удаление маски, нанесение запорного контакта вне мезаполосков и омического контакта со стороны подложки, отличающийся тем, что, с целью улучшения оптических характеристик лазера, вначале формируют фоторезистивную маску и по ней вытравливают мазаполоску, затем наносят запорный контакт и удаляют ее с вершины мезаполоски методом "взрыва фоторезиста", после чего наносят слой омического контакта. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности лазера, перед нанесением запорного контакта проводят анодное окисление рельефной поверхности с последующим удалением окисла селективным травлением.