DE3231443A1

DE3231443A1 - Laserdiode

Info

Publication number: DE3231443A1
Application number: DE19823231443
Authority: DE
Inventors: Masaaki Takasaki Gunma Sawai
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1981-08-24
Filing date: 1982-08-24
Publication date: 1983-03-24
Also published as: FR2511810B1; HK45786A; IT8222892A0; FR2511810A1; IT1153715B; IT8222892A1; JPS5833885A; GB2105100A; GB2105100B

Description

BESCHREIBUNG:

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserdiode.

Eine Laserdiode mit einem Doppel-Hetero-Aufbau entsprechend der Fig. 1 ist im Stand der Technik bekannt. Eine solche Laserdiode besteht entsprechend der Fig. 1 aus einer aktiven GaAs-Schicht 2, die für Laserschwingungen in einem Halbleitersubstrat 1 angeordnet ist, und aus einer Elektrode 3, die auf der Substratoberfläche angeordnet ist und ^%an der ein Au-Draht 4 befestigt ist.

Gewöhnlich ist die oben erwähnte aktive Schicht 2 in der Gestalt eines Bandes und mit einer Tiefe von etwa 2 um in der Mitte eines Substrates 1 gebildet und von einer vergrabenen, auf der Substratoberfläche befindlichen GaAlAs-Schicht 5 eingeschlossen, wie dd.es die Fig. 1 darstellt. Um hierbei die Herstellung von Drahtverbindungen zu erleichtern, wird beim Stand der Technik das Befestigen des Au-Drahtes 4 entsprechend der Fig. 1 in dem zentralen Teil der Substratoberfläche ausgeführt. Da aber ein Teil der aktiven Schicht 2 sich genau unter der Verbindungsfläche befindet, besteht das Problem, daß durch den beim Verbinden hervorgerufenen Druck die aktive GaAs-Schicht 2 oder Ga_1- Al As-Schi chte.n 6 (x bezeichnet hier den Mol-Anteil), die sich uninitl elbar unter der Anschlußfläche oder an einer darunt er] ieqenclen cirenzf lache, befinden, mechanisch bor.chä-

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digt werden, so daß die Lebensdauer drvr Laserdiode verschlechtert wird.

Eine Methode zum Verhindern der erwähnten mechanischen Be-Schädigungen sieht einen Aufbau vor, bei der äiο Laserdiode an einer unteren Fassung 7 befestigt ist, so daß die Oberfläche, die näher zu der aktiven GaAs-Schicht 2 gelegen ist, entsprechend der Fig. 2 unten liegt und bei der der Au-Draht 4 auf der Rückseite des Substrates und (mit einem Abstand von etwa 98 pm) entfernt von der aktiven GaAs-Schicht 2 befestigt ist. Obgleich mit dieser Maßnahme eine Verschlechterung der Lebensdauer der Laserdiode leicht reduziert wird, indem der thermische Widerstand in gewissem Ausmaß verbessert wird, wird doch nichts daran geändert, daß der Au-Draht 4 mit der aktiven Schicht 2 derart verbunden ist, daß eine Verschlechterung der Lebensdauer nicht vermieden werden kann, was aus einer mechanischen Beschädigung der aktiven Schicht 2 herrührt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt deirin·, die-er-' wähnten Schwierigkeiten zu beseitigen und eine Verschlechterung der Lebensdauer einer Laserdiode in großem Umfang zu verhindern und eine Laserdiode zu schaffen, die genauer und wirkungsvoller ist.

Diese Aufgabe wird mit einer im Oberbegriff der. Patentanspruches 1 angegebenen Laserdiode gelöst, die c emäß der Erfindung nach dem kennzeichnenden Teil des Pater.tanspruches 1 angegebenen Weise ausgestaltet ist.

Weitere, vorteilhaft Ausgestaltungen der Erfindung orgeben sich aus den Untcransprüchen.

Gemäß der Erfindung ist ein Aufbau vorgesehen, bei der die Lage der aktiven Schicht und die Lage der Verbindung gegen-

einander versetzt sind, d.h. bei der sich unter einem Drahtkügelchen keine aktive Schicht befindet.

Mit dem insoweit beschriebenen Aufbau ist es möglich,eine Laserdiode zu schaffen, deren aktive Schicht geringere mechanische Schäden aufweist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiole beschrieben und näher erläutert.

Fig. 1 und 2 zeigen Querschnitte durch eine Laserdiode gemäß dem Stande der Technik,

Fig. 3A zeigt in einem Querschnitt den Aufbau einer •Laserdiode nach einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3B-' 7.&xq\. eine Draufsicht auf die gleiche Laserdiode, . .

Fig. 4A zeigt in einem Querschnitt den Zustand, in dem die LaserdJode eingebettet 1st,

Fig. 4B zeigt eine entsprechende Draufsicht, 25

Fig. 5 ze·igt in einem Querschnitt den Aufbau einer Laserdiode nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,

Fig. 6A bis 6C zeigen Teile der Verfahrensschritte für den Wafer-Verfahrensschritt beim dem Herstellungsverfahren einer Laserdiode gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 7 zeigt mit einer Kennlinie die Änderung der Lichtausgangsleistung der Laserdiode in Abhängigkeit von der

Lebensdauerprüfung,

ΰ ■

Fig. 8 zeigt einen Querschnitt durch ein· weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.
5

Die Fig. 3A zeigt schomatisch einen 'Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeinpiel der Laserdiode gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem der Ort der Drahtverbindung bezüglich einer Oberflächenelektrode 20 gegenüber dem Ort der im Substrat zentral angeordneten aktiven Schicht 13 versetzt ist. Bei der Fig. 3A bezeichnet das Bezugszeichen 10 ein η-artiges GaAs-Substrat, das einen Hauptteil des Chip bildet, das Bezugszeichen 11 eine vergrabene, n-dotierte GaAlAs-Schicht und das Bezugszeichen 12 eine p-artige vergrabene GaAlAs-Schicht. Dieses Gebiet, das von den anderen Gebieten durch die vergrabenen Schichten 11 und 12 getrennt ist, umfaßt die aktive GaAs-Schicht 13 mit einer Breite von 2 bis 3 um für Laseroszillationen, eine als optische Führungsschicht dienende p-dotierte CaAlAs-Schicht 14, eine η-dotierte GaAlAu-Schicht 15, eine η-dotierte.GaAlAs- * Schicht 16 und eine Zn-diffundierte Schicht 17. Das Bezugszeichen 18 bezeichnet eine Rückseitenelektrode aus einem komplexen Film eines Metalles der Goldgruppe, das Bezugszeichen 19 einen Isolationsfilm und das Bozugszoichen 20 die Oberflächenelektrode aus einem komplexen Film eines Metalles der Goldgruppe. Der Laserdiodenchip 21 mit dem insoweit beschriebenen Aufbau ist an einen Träger 23 mittels eines Lötmittels 22 befestigt, wobei die rückseitige Elektrode 18 nach unten liegt. Ein Au-Draht 26 mit einem Durchmesser von 25 um ist mittels Thermokompression an der Oberflächenelektrode 20 befestigt, wobei er der in Form eines Bandes' durch den zentralen Teil des Chip verlaufenden aktiven Schicht 13 ausweicht. Da der Verbindungsteil eine Breite W-. von etwa 90 pm besitzt, wohingegen der Chip 21 und die aktive Schicht 13 Breiten W₁ bzw. W^ von 400 um

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bzw. von 2 bis 3 um besitzen, kann der Bonding-Prozeß ausreichend ausgeführt werden, während er von der am zentralen Teil des Chip angeordneten aktiven Schicht 13 ferngehalten wird- Fig. 3B zeigt eine Draufsicht auf den insoweit beschriebenen Aufbau.

Sofern die :JteJIe der Verbindung gegenüber dem Chipzentrum verschoben ist, ist es notwendig, ein relativ hartes Lötmittel wie z.B. ein PbSn-Lot als Lot 22 zum Verbinden der rückseitigen Elektrode 18 des Substrates mit dem Träger 23 zu verwenden. Diese Notwendigkeit rührt daher, da die Präzision der Positionierung und der thermische Widerstand gegenüber Störungen geschützt werden müssen, die daherrühren, daß der Chip 21 sich neigt (kippt), wenn während des Verbindungsvorganges der Druck unregelmäßig auf den Chip ausgeübt wird. Demzufolge ist es möglich, eine Laserdiode mit hoher Präzision und Wirksamkeit zu liefern.

Die FLg;' 4A und 4B zeigen einen schematischen Querschnitt und eine Draufsicht auf eine Laserdiodenvorrichtung in eingekapseltem Zustand. In den Figuren bezeichnen das Bezugszeichon 21 den Laserdiodenchip, 23 den den Laserchip tragenden Träger, 26 den Golddraht, 2 5 einen zylindrischen, aus einem Isolator bestehenden RahmGn, 27 einen als Anode dienenden Leiter, 29 eine Monitor-Faser, 24 ein als Kathode dienendes leitendes Gehäuse, 28 ein mit einem eine Reflexion verhindernden filmbeschichtets Glasfenster. Um die Laserdiode in Vorwärtsrichtung vorzuspannen, wird über den Träger 23 und das Lot 22 auf die rückseitige Elektrode 18 des Chip 21 eine negative Spannung eingeprägt, während das leitende Gehäuse 24 als Kathode dient. Auf der anderen Seite ist der leitende Anodenanschluß (d.h. der Leiter) 27 an das Gehäuse 24 über einen Isolator 25 befestigt, jedoch von diesem Gehäuse 24 elektrisch isoliert, und eine positive Spannung wird von der Anode 27 über den Draht 26

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auf die Oberflächenelektrode 20 des Cl}ip 21 eingeprägt.

Dci gemäß dom Aufbau der vorliegenden Erfindung die Verbindungsstelle des Golddrahtes 26 von der aktiven Schicht ferngehalten ist, d.h. weil die aktive Schicht 13 nicht unmittelbar unter dem Kügelchen des Drahtes 26 vorhanden ist, wird der beim Verbindungsvorgang entstehende Druck nicht direkt auf die aktive Schicht 13 ausgeübt. Dementsprechend werden die aktive Schicht.13, die optischen Leiterschichten 14 und 15 oder deren Grenzflächen davor geschützt, daß sie bei dem Verbindungsvorgang durch den Druck mechanisch beschädigt werden, so daß demzufolge eine Verschlechterung der Lebensdauer in weitem Umfang vermieden wird.

Da weiterhin ein relativ hartes Lot als Lot 22 verwendet wird, ist es möglich, eine Verschlechterung der Präzision der Positionierung und des thermischen Widerstandes zu verhindern,' welche dadurch verursacht werden können, daß aufgrund einer ungleichgowichtigen Ausübung des Druckes und des Umstandes, daß di<> Verbindungsstelle nicht im zentralen Teil des Chip 21 angeordnet ist, der Chip 21 sich neigt.

Im folgenden wird ein zweites Ausführungsbeispiel einer Laserdiodenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 5 bis 6C beschrieben. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist aus der Beschreibung der eingekapselte Zustand weggelassen, weil er dergleiche ist wie bei dem ersten, in den Fig. 4A und 4B dargestellten Ausführungsbeispiel.

Fig. 5 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Laserdiode, sie entspricht der das erste Ausführungsbeispiel darstellenden Fig. 3. Bei der Fig. 5 sind die gleichen Teile wie bei der Fig. 3 mit den gleichen Bezugszeichen versehen,

ihre Erläuterung wird weggelassen.

Das zweite Ausführungsbeispiel zeichnet sich durch den Umstand aus, daß die aktive Schicht 13 an einer gegenüber dem zentralen "Teil des Chip 21 entfernten Stelle angeordnet ist und daß die Verbindungsstelle des Golddrahtes 26 von der erwähnten aktiven Schicht 13 entfernt gehalten ist, d.h. sich im zentralen Teil des Chip 21 befindet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird der während des Verbindungsvorgangs für den Draht herrschende Druck auf den zentralen Teil des Chip 21 ausgeübt. Da die aktive Schicht 13 von dem zentralen Toil entfernt angeordnet is L, treten die oben erwähnten mechanischen Beschädigungen, die durch den Druck verursacht werden könnten,^ nicht auf, so daß eine Verschlechterung der Lebensdauer der Laserd Lode weitgehend vermieden wird. Da bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Verbindungsstelle im Zentrum angeordnet ist, wird der Chip • 21 auch dann daran gehindert, sich zu neigen bzw. zu kippen, wenn ein relativ weiches Lot wie z.B. Indium als Lot 22 verwendet wird.

Übrigens sehen die Chipabmessungen eine Breite W₁ von 100 μη, eine Dicke von 300 pn und eine Höhe von 100 ^m vor, während die aktive Schicht 13 eine Breite W„ und höchstens 2 μτα besitzt, so daß die Kenngrößen der Laserdiode nicht verändert werden, selbst wenn die Position der aktiven Schicht 13 bis zu etwa 100 um gegenüber dem zentralen Teil des Chip versetzt ist, an den der Au-Draht 26 befestigt werden soll.

Die Fig. 6A bis 6C zeigen einen Teil für den Herstellungsprozeß einer Laserdiode gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.

Zunächst werden ohne Änderung des Herstellungsverfahrens einer Laserdiode inJl einem vercjrabenen hotarocienon Aufbau

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gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechend der Fig. 5 folgernde Verfahrensschritte aufgeführt:

(1) Vier epitaxiale Schichten 16, 15, 13 und 14 werden nacheinander auf einem η-dotierten GaAs-Substrat (oder einem Wafer) gebildet.

(2) Die mit den vergrabenen Schichten 11 und 12 zu versehenden Gebiete werden selektiv mit einem chemischen Ätzverfahren entfernt.

(3) Die vergrabenen Schichten 11. und 12 werden durch Epitaxialwachstum gebildet,

(4) Eine Zn-Ampulle wird diffundiert, und

(5) die Oberflächen- und die Rückseitenelektroden werden sodann gebildet, so daß¹ die Laserdiode vervollständig wird.

Die in der Fig. 6A schraffierten Teile 31 zeigen die Lagen der aktiven Schicht 13 an. In diesem Zustand ist der Wafer 33 an einer weichen Platte 32 befestigt und wird von der Wafer-Seite zur Bildung von Spaltflächen 34 gespalten, die die Laufrichtung der aktiven Schichten im rechten Winkel durchsetzen. Die Fig. 6A zeigt einen Zustand., bei dem der mit den erwähnten Laserdioden versehene Wafer gespalten ist.

Sodann werden entlang den Laufrichtunqen der aktiven Schichten 31 entsprechend den strichpunktierten Linicm 35 der Fig. 6B Zerteilungsvorgänge vorgenommen. Hierbei sind die aktiven Schichten 31 entfernt von den zwischen den Zerteilungslinien 35 liegenden Zentren angeordnet- Die Fig. 6C zeigt schematisch einen Querschnitt entlang der Linie A-A der Dig. 6B. Danach werden die Chips 33 von der Platte 32 abgelöst und voneinander getrennt, und die erwähnten Spaltflächen der Chips 33 werden einer Passivation mit SiO₂ oder einem ähnlichen Material mittels eines Sputter-Prozesses unterworfen, um die Laserdiodenelemente weiter zu vervollständigen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es damit möglich, einen in Fig. 5 dargestellten Laserdiodenchip zu liefern, indem bloß die Positionen der Zerschnoidungsvorgänge verschoben werden und ohne daß der aus dem Stand der Technik bekannte Herste:llurigsprozeß der Laserdiode verändert wird.

Gemäß dem insoweit beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Lebensdauer der Laserdiode bemerkenswert verbessert.

Die Fig. 7 stellt die Testergebnisse für die Lebensdauer einer Laserdiode gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Wenn die Screening-Tests (d.h. die Tests für einen kontinuierlichen Betrieb bei hoher Temperatur über 20 Stunden) der jeweiligen Laserdiodenvorrichtungen nach dem Bonding-Vorgang ausgelührt werden, so ist bei 2 bis 3 % der gemäß dem Stand der Technik ausgestalteten Vorrichtungen die Lichtausgangsleistung aufgrund von mechanischen Beschädigungen ■ abrupt verschlechtert, wie dies durch die Kurve B in der Fig. 7 angedeutet ist.' Demgegenüber zeigen die meisten, gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestalteten Laserdi'odenvorrichtungen Lichtausgangsleistungen, die durch die Kurve A in derFig. 7 gegeben sind, und nur wenig von ihnen sind abrupt vorschlochtert. Dies erkLärt sich daraus, daß es möglich ist, den Ort der aktiven Schicht und den Ort der Drahtverbindung gegeneinander zu verschieben und zu verhindern, daß die aktive Schicht oder ähnliche Schichten mechanisch durch den beim Verbindungsvorgang auftretenden Druck beschädigt werden.

Da weiterhin während des Verbindungsvorganges die Verbindungsstelle im Chipzentrum angeordnet ist, wird die Kraft im Mittel auf den ganzen Aufbau des Chip übertragen. Demzufolcfe wird verhindert, daß der Chip 21 sich neigt, wodurch Veaschlechterungen des thormischen Widerstandes und der Präzision der Positionierung ausgeschaltet werden.

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Übrigens könnon al.ηIiehe Effekte selbst dann er/.ielt werden, wenn In, Au, Sn oder ähnliche Materialien .ils Lot in der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden.

Da weiterhin weder eine mechanische Beschädigung noch eine Neigung des Chip auftritt, kann die bei dem Verbindungsvorgang herrschende Last vergrößert werden. Demzufolge kann die Verbindung eines Au-Drahtes in ihrer Zuverlässigkeit verbessert werden. Auf der anderen Seite kann die Zeitdauer für den Verbindungsvorgang abgekürzt werden, so daß die Bearbeitbarkeit verbessert wird.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die bislang beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann in verschiedener Weise abgeändert werden.

Die Fig. 8 zeigt eine Abwandlung einer Laserdiod-e mit einem vergrabenen Heteroaufbau, bei dem das zweite Am;führungsbeispiel so modifiziert ist, daß der. Laserdiodenchip uragekehrt auf dem Träger befestigt ist. Bei dieser Abwand·" lung ist ebenfalls die Position der aktiven Schicht 13 gegenüber dem zentralen Teil des Chip 21 in einem solchen Umfang versetzt, wie dies- durch die Charakteristika ermöglicht ist und der Golddraht 26 ist an den zentralen Teil 5 des Chip 21 befestigt. Daher treten bei dieser Abwandlung die gleichen günstigen Effekte auf wie bei dem voranbeschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel.

Claims

3!ΪΟΌ.::! 323 Η43

STREHL SCHUBEL-HOPF SCHULZ

WIDKNMAYERvSTRASSIi 17, D-HOOOMUNCHICN 22

HITACIiI, LTD.

DEA-2¹ 750 24. August 1982

LASERDIODE

PATENTANSPRÜCHE

π.) L£iserdiode mit einer aktiven Schicht (13) für Laseroszillationen, die in'einem Tex L des Halbleitersubstrates (10) angeordnet ist, und mit einem Anschlußdraht (26), der an einer auf dem Substrat (10) gebildeten Elektrode (20) befestigt ist, dadurch¹ gekennzeichnet , daß die Verbindungsstelle des Anschlußdrahtes (26) von der aktiven Schicht (13) angeordnet

ist.
2. LaserdJode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die aktive Schicht (13) entfernt von d«;m Zentrum des Substrates angeordnet ist und daß die Drahtverbindungsstelle seitlich von der aktiven Schicht (13) angeordnet ist.
3. Laserdiode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Drahtanschlußstelle im Zentrum des Substrates (10) oder in dessen Nachbarschaft angeordnet ist.

^:Τ·ϋΟΌ.:: 323ΗΑ3
4. Laserdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Drahverbxndungsvorgang mit einem Thermokompressionsverbindungsverfahren ausgeführt wird.