Prozessschritte zur Herstellung von Halbleiter-Lasern - Fachbereich ...

AG Integrierte Optoelektronik und Mikrooptik
Universität Kaiserslautern
Prozessschritte zur Herstellung
von Halbleiter-Lasern im
Materialsystem AlGaInAsSb
J. O. Drumm, A. Giehl, N. Herhammer, G. Hoffmann, U. Schmittat,
C. Schwender, B. Vogelgesang, G. West
AG Fouckhardt im FB Physik
Die Herstellung von Halbleiter-Laserproben kann in vier Prozessschritte unterteilt werden.
Dazu gehören das Erstellen eines Strukturdesigns, das anschließende epitaktische Wachstum,
die mechanische Weiterverarbeitung sowie die abschließende optische Charakterisierung der
Laserprobe. In den folgenden Abschnitten wird die Beschreibung der Prozessschritte am
Beispiel optisch gepumpter Halbleiter-Laser im Materialsystem (Al z Ga 1-z ) x In 1-x As y Sb 1-y
durchgeführt, wobei der Schwerpunkt in der mechanischen Weiterverarbeitung liegt. Zu
dieser gehören das Schleifen und Polieren, das Brechen der Resonator-Fassetten und das
Bonden der Laserprobe auf den Probenhalter. Diese Teilarbeitsschritte werden detailliert
vorgestellt und es wird auf Besonderheiten bei deren Durchführung eingegangen.
1. Epitaxie des Materialsystems (Al z Ga 1-z ) x In 1-x As y Sb 1-y und Schicht-Struktur eines
HL-Lasers
Die Herstellung von HL-Schichten des beschriebenen Materialsystems erfolgt mit Hilfe der
Molekularstrahl-Epitaxie (MBE = molecular beam epitaxy). Bei diesem Verfahren werden die
als Festkörper vorliegenden Quellmaterialien (Al, Ga, In, As, Sb) in einer
Ultrahochvakuumkammer (p

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Abb. 1.1: Molekularstrahl-Epitaxie-Anlage (MBE) der Arbeitsgruppe IOE und Mikrooptik
Ein Beispiel der Schichtenabfolge eines mit der obigen Anlage hergestellten HL-Lasers ist in
Abb. 1.2 schematisch dargestellt.
AlAs0 Sb 1500nm
, 0 8 8 0 , 9 1 2
Aktive Zone 680nm
AlAs0 Sb 1500nm
, 0 8 8 0 , 9 1 2
AlSb 3,3nm
InAs 1,8nm
GaSb 2,1 nm
InAs 1,8nm
x 70
GaSb-Substrat
Abb. 1.2: Schematische Darstellung der Schichtenfolge eines HL-Lasers
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Zwischen zwei jeweils etwa 5000 Monolagen (ca. 1,5µm) dicken AlAsSb-Mantelschichten
(Cladding), welche die vertikale Führung der optischen Mode ermöglichen, ist die aktive Zone
eingebettet. Diese besteht aus 70 Perioden der Schichtenfolge AlSb-InAs-GaSb-InAs, die als so
genannte W-Struktur bezeichnet wird. Durch geeignete Wahl der Dicken und der Materialzusammensetzung
der einzelnen Schichten der W-Struktur können Emissionswellenlängen des
HL-Lasers zwischen 2µm bis 5µm (mittleres Infrarot) erreicht werden. Zwischen unterer
Mantelschicht und Substrat befindet sich noch eine Puffer-Schicht, die Unregelmäßigkeiten der
Substratoberfläche ausgleichen soll.
2. Mechanische Weiterverarbeitung
Nach dem Wachstumsprozess wird von dem Wafer-Viertel ein 12mm x 12mm großes Stück
abgeteilt, das dann weiterverarbeitet wird. Dabei muss sehr sorgfältig darauf geachtet werden,
dass die epitaktische Oberfläche nicht beschädigt bzw. zerkratzt wird. Zum Schutz dieser
Oberfläche wird im Reinraum nach einem Reinigungsprozess eine 2µm dicke Photoresist-
Schutzschicht (acetonlöslich) aufgebracht.
Die Probe besteht bzgl. ihrer Schichtabfolge aus dem 500µm dicken GaSb-Substrat und der ca.
4µm dicken epitaktischen Schicht. Um durch definiertes Brechen der Probe Resonatorspiegel
erzeugen zu können, muss diese auf eine Gesamtdicke von 100µm heruntergeschliffen und
poliert werden. Desweiteren müssen beide Probenoberflächen sehr glatt (spiegelnd und ohne
Kratzer) sein, um in einem späteren Arbeitsschritt entlang eines definierten Ritzes zu brechen.
2.1 Schleifen und Polieren:
Die Erzeugung einer 100µm dünnen Probe erfolgt in zwei Arbeitsschritten. Nach einem
Schleifprozess folgt ein Polierprozess. Beide Prozesse können mit dem selben Schleifkopf
durchgeführt werden.
Die epitaktisch beschichtete Probenseite wird mit CrystalBond (acetonlöslich) auf eine
Adapterplatte geklebt, die an den Schleifkopf montiert wird. Dieser Klebevorgang wird im
Reinraum durchgeführt, um Partikelablagerungen zwischen der Probe und dem
aufgeschmolzenen CrystalBond zu vermeiden. Beim Klebevorgang ist darauf zu achten, dass
die Probe eben auf die Adapterplatte geklebt wird, was durch Auflage von Gewichten erreicht
wird. Weiterhin muss berücksichtigt werden, dass der CrystalBond-Klebefilm mit 20µm zur
Gesamtdicke beiträgt.
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Eine Mikrometerschraube am Schleifkopf erlaubt die Einstellung einer Dicke, bis zu welcher
die Probe „gedünnt“ werden soll. Zuerst wird die Probe auf einer Grauguss-Läppscheibe auf
ca. 130µm heruntergeschliffen. Dazu wird Schleifmittel mit einer Körnung von 3µm benutzt.
Nach dem Schleifen muss die Probe und der Schleifkopf gründlich gereinigt werden, um
Schleifmittelrückstände zu vermeiden. Im zweiten Arbeitsschritt wird die Probe auf einem
Poliertuch und mit dem Poliermittel SEPP 0,3µm auf 100µm poliert (siehe Abb. 2.1).
Abb. 2.1: Schleif- und Poliermaschine mit Schleifkopf und Poliertuch
In einem Acetonbad wird die Laser-Probe mittels intensitätsschwachem Ultraschall vom
Halter gelöst und anschließend mit Aceton und Isopropanol gereinigt. Die Güte des Schleifund
Polierprozesses wird unter dem Lichtmikroskop (80x) kontrolliert. Die Dicke der Probe
kann mit einem Dickenmessgerät bestimmt werden.
2.2 Brechen der Resonatorspiegel
Vor dem Brechen der Resonatorspiegel wird die Probe auf der Substratseite (polierte Seite)
mit einem 50nm dicken Goldfilm bedampft. Die Goldbedampfung dient einerseits als
Haftvermittler zwischen der GaSb-Probe und der Indiumfolie auf dem Halter (siehe unten).
Andererseits ist der Goldfilm auch beim Brechvorgang hilfreich, da er ein sanftes Brechen
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ermöglicht, was der Qualität der Fassetten zugute kommt. In Abb. 2.2 ist die Aufdampfanlage
der Arbeitsgruppe IOE zu sehen.
Abb.2.2: Aufdampfanlage der Arbeitsgruppe IOE
Das Brechen der Laser-Proben muss in einer möglichst reinen Umgebung durchgeführt
werden, da jede Partikelablagerung an den Fassetten die Spiegelwirkung zerstört. Auf die
schonende Behandlung der epitaktischen Oberfläche muss weiter geachtet werden. Das
weitere Probenhandling erfolgt mit einer Vakuumpinzette oder mit einer mechanischen
Pinzette, die jeweils von Hand geführt werden.
Mit einem Spaltkeil wird die 12mm x 12mm große Probe in zwei gleich große Rechtecke
zerteilt. Dadurch wird eine Bruchkante entlang einer Kristallachse erzeugt, die im folgenden
als Referenz dient. In Abb. 2.3 ist das Ritzgerät der AG IOE dargestellt. Auf dem 4°
geneigten Drehtisch dieses Ritzgerätes wird die Referenzbruchkante parallel zu einer
Translations-Achse ausgerichtet. Die Probe ist mit ihrer epitaktischen Oberfläche nach oben
orientiert. Die Translations-Achse ist senkrecht zur Ritzrichtung angeordnet. Die Ritze
erfolgen somit parallel zur Kristallachse. Durch den Ritz wird eine Sollbruchstelle erzeugt,
entlang dieser der Bruch erfolgt. Die exakte Ausrichtung der Referenzkante ist wichtig, um
später Fassetten guter Qualität d.h. ohne Gitterebenenversatz (Rippen) brechen zu können.
Durch die Anschrägung des Tisches ist es möglich, mit einem speziellen Ritz-Diamanten
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Ritze (vom Probenrand ausgehend) von 500µm Länge zu erzeugen. Mit einer Mikrometerschraube
(Translation) lässt sich der Abstand der Ritze einstellen, was letztendlich die
Resonatorlänge bestimmt. Typische Resonatorlängen liegen in der Größenordnung 500µm.
Abb. 2.3: Ritzgerät der AG IOE
Abb. 2.4 zeigt den Verlauf eines Ritzes, der mit einem Raster-Elektronen-Mikroskop (REM)
aufgenommen wurde.
Abb. 2.4: REM-Aufnahme eines Ritzes
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Beim Brechvorgang wird ein Mikroskop (10x) und eine mit der Schneidkante nach oben
montierte Rasierklinge benutzt. Diese Brechvorrichtung ist in Abb. 2.5 dargestellt.
Abb. 2.5: Brechvorrichtung aus Rasierklinge und Mikroskop
Die Probe wird zwischen zwei durchsichtige Folien eingespannt und mit leichtem Druck über
die Rasierklinge (geritzte Seite nach oben orientiert) gezogen, so dass die Probe entlang der
Ritze bricht. Es sei an dieser Stelle noch einmal betont, dass die Ritze nur am Probenrand
verlaufen und nicht an den Bruchkanten, aus denen später Laseremission erfolgt. Der
Vorgang wird durch das Mikroskop beobachtet. Dabei ist es wichtig, dass bei der Translation
der Probe über die Rasierklinge die Referenzkante einen rechten Winkel mit der Rasierklinge
bildet, wozu manuelles Geschick erforderlich ist. Nach dem Brechvorgang wird die Qualität
der Bruchkanten unter dem Mikroskop (80x) kontrolliert, wobei ein spezieller Halter
verwendet wird, der gewährleistet, dass die Fassetten keine Fremdberührung erfahren. In Abb.
2.6 ist eine REM-Aufnahme einer Bruchkante dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die
Bruchkante homogen, d.h. ohne Rippen verläuft.
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Abb. 2.6: REM-Aufnahme einer Bruchkante
2.3 Positionierung auf dem Halter und Bonden
Die Bearbeitungsschritte der Laserprobe sind mit dem Brechen der Fassetten abgeschlossen.
Der HL-Laser muss jetzt auf dem Grundhalter positioniert und dauerhaft befestigt werden.
Abb. 2.7 zeigt schematisch die Anordnung des HL-Lasers und weiterer Bauteile auf dem
Grundhalter.
Druckhalter
Saphirplättchen
HL-Laser
Indiumfolie
Grundhalter
Positionierhilfe
Abb. 2.7: Anordnung des HL-Lasers inkl. weiterer Bauteile auf dem Grundhalter
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Die Oberfläche des Grundhalters (Aluminium) ist ebenso wie die polierte Oberfläche des HL-
Lasers mit Gold bedampft. Zwischen Probe und Halter sorgt eine 50µm dicke Indiumfolie für
optimale Haftung und einen guten Wärmekontakt. Die Indiumfolie, deren Größe an die der
Laser-Probe angepasst ist, wird an der Halterkante auf den Grundhalter aufgewalzt. Die an
diesen montierte Positionierhilfe ermöglicht es, den HL-Laser (epitaktische Seite nach oben)
unter dem Mikroskop mit einer Pinzette an der Halterkante und parallel zu dieser
auszurichten, ohne die Fassette zu beschädigen. Ein leichtes Andrücken der Probe auf die
Indiumfolie verhindert das Wegrutschen während der folgenden Arbeitsschritte. Anschließend
wird ein Saphirplättchen (2mm x 10mm, 1mm Dicke) auf die epitaktische Probenoberseite
gelegt und mit einem Druckhalter fixiert. Das Saphirplättchen ist zur Wärmeabführung von
der Probenoberfläche bei optisch gepumpten HL-Lasern notwendig (siehe auch Kapitel 3).
Ein Querschnitt durch Halter, Probe und Saphirplättchen ist in Abb. 2.8 dargestellt. Die im
Bild schraffierte Fläche kennzeichnet den Bereich der Laser-Probe, welcher optisch gepumpt
wird.
Abb.2.8: Querschnitt durch Halter, Probe und Saphirplättchen
In Abb. 2.9 ist die Seitenansicht von Justierhilfe, Grundhalter, Saphirplättchen und
Druckhalter mit Feder zu sehen.
Abb. 2.9: Seitenansicht des Probenhalters in Einzelteilen
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Nach dem Positionieren der Laser-Probe auf dem Halter findet das eigentliche Bonden statt.
Durch Schmelzen der Indiumfolie (200°C) in einer Vakuumkammer (N 2 geflutet) wird ein
dauerhafter Kontakt zwischen Probe und Halter erzeugt. Die Stickstoff-Atmosphäre ist
notwendig, um Oxidation der Al-haltigen Schichten des HL-Lasers zu verhindern, was im
schlimmsten Fall zur Schichtablösung führen kann. Die Vakuumkammer mit eingebauter
Probe auf ihrem Halter ist in Abb. 2.10 dargestellt. Nach dem Bonden wird die
Positionierhilfe abgenommen.
Abb. 2.10: Vakuumkammer mit Halter und Probe
3. Optische Charakterisierung
Nach der mechanischen Bearbeitung erfolgt die optische Charakterisierung des HL-Lasers.
Dazu gehören die Leistungskennlinie und das Emissionsspektrum. In dieser Arbeitsgruppe
werden die HL-Laser mit einem Nd:YAG-Laser (1064nm) optisch gepumpt (siehe dazu auch
Abb. 2.8). Der Laserstrahl des Pumplasers wird mit zwei Zylinderlinsen zu einem 50µm x
500µm breiten Pumpstrahlstreifen auf die HL-Laser-Oberfläche fokussiert. Die Emission der
HL-Laserstrahlung erfolgt aus der Probenkante (Fassette). Das Funktionsprinzip des
optischen Pumpens ist in Abb. 3.1 ersichtlich.
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Nd-YAG Pumpstrahl
Kantenemission
MIR-Laserstrahlung
50µm
100µm
GaSb-Substrat
Fassette
500µm
Abb. 3.1: Funktionsprinzip des optischen Pumpens
Die elektronischen Eigenschaften des oben beschriebenen HL-Materialsystems erlauben für
nicht optimierte Strukturen nur tiefe Betriebstemperaturen. Aus diesem Grund werden die
HL-Laser in einen Cryostaten eingebaut, der die Probe mittels flüssigem Stickstoff auf 77K
kühlt. Diese experimentelle Anordnung ist in Abb. 3.2 und Abb. 3.3 zu sehen.
Abb. 3.2 HL-Laser im LN 2 -Cryostaten
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Abb. 3.3: LN 2 -Cryostat (Großaufnahme) mit Pumpstrahl-Fokussieroptik
Die mit der oben vorgestellten Versuchsanordnung charakterisierten HL-Laser liefern
typischerweise die in Abb. 3.4 gezeigte Kennlinie bzw. das in Abb. 3.5 dargestellte Spektrum.
Laserkennlinie
140
Laserleistung am Powermeter [µW]
120
100
80
60
40
20
0
Probe 296
Nd:YAG gepumpt :
1064 nm, CW
Resonatorlänge 500 µm
T = 77 K
200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700
Pumpleistung vor Fokussieroptik [mW]
Abb. 3.4: Laserkennlinie der Probe 296 – Pumpleistung gegen Ausgangsleistung
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Photolumineszenz- und Laserspektrum
1,5
Probe 296
Laser @ 77 K
Intensität [a.u.]
1,0
0,5
PL @ 70 K
0,0
2600 2700 2800 2900 3000 3100 3200 3300 3400 3500 3600 3700 3800
Wellenlänge [nm]
Abb. 3.5: Photolumineszenz- und Laser-Spektrum der Probe 296
In Abb. 3.4 ist die auf die Probenoberfläche fokussierte Pumpleistung gegenüber der
gemessenen Ausgangsleistung aufgetragen. Es ist zu erkennen, dass die Lasertätigkeit bei
einer Pumpleistung von 350mW einsetzt. Das Laser-Spektrum ist in Abb. 3.5 dem
Photolumineszenz-Spektrum (Spektrum unterhalb der Laserschwelle) gegenübergestellt. Mit
Einsetzen der Lasertätigkeit findet eine Einengung des Emissionsspektrums statt.
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