ES2247750T3 - Laser de semiconductor con estructura de rejilla. - Google Patents

Abstract

Láser de semiconductor con un sustrato de semiconductor, una capa de láser dispuesta sobre el sustrato de semiconductor, un puente guíaondas dispuesto a distancia de la capa láser y una estructura de rejilla en forma de tira dispuesta paralela a la capa de láser, caracterizado porque la estructura de rejilla (23) presenta dos zonas (24, 25) que están dispuestas a ambos lados del puente guiaondas (15) y formadas a distancia de la capa de láser (13) sobre una capa de aislamiento (26) por encima de la capa de láser (13).

Description

Láser de semiconductor con estructura de rejilla.

La presente invención se refiere a un láser de semiconductor con un sustrato de semiconductor, una capa de láser dispuesta sobre el sustrato de semiconductor, un puente guiaondas dispuesto a distancia de la capa de láser y una estructura de rejilla en forma de tira dispuesta paralela a la capa de láser. Además, la presente invención se refiere a un procedimiento para fabricar un láser de semiconductor de este tipo.

Los láseres de semiconductor conocidos del tipo citado anteriormente, que se designan en el lenguaje profesional también como los denominados diodos láser DFB (Distributed Feedback - realimentación distribuida), presentan una estructura de rejilla que se extiende a través de la capa de láser y que hace posible la configuración de un diodos de láser monomodo en el que, a diferencia de los diodos de láser multimodo, se emite radiación láser con un modo de láser determinado y se suprimen otros modos por la estructura de rejilla. La fabricación de los diodos de láser DFB formados de la manera conocida se muestra como extremadamente costosa debido, en particular, al procedimiento de fabricación y prueba utilizado y a la elevada cuota de rechazos unida a éste. En la fabricación de diodos de láser DFB conocidos se produce en un plano de pastilla que se basa en un sustrato de semiconductor la estructura de la pastilla de semiconductor por epitaxia sobre el sustrato de semiconductor. Para la configuración de la estructura de rejilla en la capa de láser, después de alcanzar aproximadamente la mitad de la altura de la capa de la estructura epitaxial, se interrumpe el crecimiento epitaxial y se aplica la estructura de rejilla en un procedimiento de litografía y de erosión. Seguidamente, continúa el crecimiento epitaxial. Debido a la interrupción de la epitaxis en la configuración de la capa de láser y al subsiguiente recrecimiento de la estructura de rejilla incorporada en la semicapa, se inducen defectos en la capa de láser que afectan desventajosamente a las propiedades de las capas de láser y se manifiestan, por ejemplo, en un elevado consumo de corriente o en una reducida vida útil de los diodos de láser.

Debido a la mutua influenciación entre la capa de láser y la estructura de rejilla formada en la capa de láser con respecto a las propiedades de amplificación de la pastilla de semiconductor, no pueden predeterminarse exactamente las propiedades de una pastilla de semiconductor realizada en la manera anterior. Dado que las propiedades de la pastilla de semiconductor pueden constatarse en el funcionamiento de prueba únicamente después de la terminación del crecimiento epitaxial y de la configuración completa de la capa de láser, el espectro de amplificación de la pastilla del láser de semiconductor puede constatarse también únicamente después de la configuración de la estructura de rejilla en la capa de láser, de modo que no es posible una adaptación precisa de la estructura de rejilla al espectro de amplificación de las capas de láser y, como consecuencia de ello, los diodos de láser DFB conocidos tampoco se pueden fabricar exactamente con arreglo a especificaciones definidas respecto del modo de láser deseado o de la longitud de onda deseada. Antes bien, la estructura reproducida anteriormente de los diodos de láser DFB conocidos requiere un procedimiento de fabricación en el que deben formarse diferentes estructuras de rejilla en la capa de láser de una pastilla de láser de semiconductor para detectar exactamente con posterioridad mediante la revisión de los diodos de láser individualizados y segregados de la pastilla de láser de semiconductor aquellos diodos de láser que emiten el modo de láser deseado con la deseada longitud de onda. Por eso, resulta evidente que la configuración estructural de los diodos de láser DFB conocidos hace necesaria la fabricación de una pluralidad de diodos de láser para seleccionar de esta pluralidad los diodos de láser adecuados para los fines de aplicación previstos, es decir, aquellos diodos de láser que emitieron una radiación láser con la longitud de onda deseada.

En el documento: M. Kamp, J. Hofmann, A. Forchel, F. Schäfer y J. P. Reithmaier, "High performance laterally gain coupled InGasAs/AlGaAs DFB lasers", Conference proceedings, International conference on indium phosphide and related materials, páginas 831-834, 1998, se describe una estructura que hace posible una fabricación simplificada de diodos de láser con longitud de onda definida. La estructura divulgada utiliza una rejilla de metal definida lateralmente en el guiaondas de láser.

El problema que pretende resolver la presente invención es proponer ahora una mejora adicional de los diodos de láser descritos en el documento citado anteriormente. Asimismo, otro problema que se plantea la presente invención es proponer un procedimiento particularmente adecuado para la fabricación de un diodo de láser DFB según la invención.

Estos problemas se resuelven respectivamente por medio de un láser de semiconductor que presenta las características previstas en la reivindicación 1 y por medio de un procedimiento para la fabricación de un láser de semiconductor que presenta las características previstas en la reivindicación 5.

La solución según la invención conforme a la reivindicación 1 proporciona un diodo de láser DFB con una estructura de rejilla producida después de la terminación del crecimiento epitaxial de la capa de láser para proporcionar una pastilla de láser de semiconductor y, a continuación de la formación del puente guiaondas. Debido a esta producción posterior de la estructura de rejilla, condicionada por esta estructura, es posible determinar, antes de la elaboración de la estructura de rejilla, el espectro de amplificación individual de la capa de láser o de la pastilla de láser de semiconductor para, posteriormente, producir con exactitud el perfil de láser deseado a través de especificaciones expresas de los parámetros de la estructura de rejilla y poder fabricar así diodos de láser DFB reproducibles con longitud de onda o modo de láser exactamente definidos.

Además, la configuración estructural según la invención hace posible una conformación continua sin perturbaciones de la capa de láser en la expitaxia, de modo que ya no aparecen en absoluto defectos innecesarios que puedan perjudicar la característica de potencia de la capa de láser o de los diodos de láser DFB. Debido a la disposición de la estructura de rejilla a distancia de la capa de láser activa se excluye también un perjuicio posterior de la capa de láser. La estructura de rejilla modula periódicamente las pérdidas y la intensidad de refracción de la luz que se propaga a través del láser. Por tanto, los diodos de láser DFB según la invención hacen posible un acoplamiento complejo de la radiación láser con la estructura de rejilla con una modulación lateral de las partes real e imaginaria del índice de refracción. Por tanto, los diodos de láser según la invención presentan una elevada insensibilidad a la reflexión que hace posible una utilización sin aislador óptico, por ejemplo en aplicaciones de transmisión por fibra de vidrio.

Para poder ajustar lo más exactamente posible la distancia o la posición relativa de la estructura de rejilla con respecto a la capa de láser activa del diodo de láser DFB en la fabricación de este diodo de láser DFB, la estructura de rejilla está colocada sobre una capa de aislamiento dispuesta paralela a la capa de láser.

Para mejorar la inyección eléctrica, la estructura de rejilla metálica se aplica sobre una delgada capa aislante (por ejemplo, de óxido natural o realizado artificialmente). La capa aislante debe elegirse de modo que el índice de refracción esté próximo al índice de refracción del semiconductor y el aislamiento presente un grosor reducido (típicamente, algunos nanómetros). Esta capa sirve también para impedir una posible penetración de las capas de láser con el material de rejilla y, por tanto, sirve igualmente como capa de barrera.

Si, para formar la estructura de rejilla, se utiliza un metal, por ejemplo cromo, se materializan ampliamente los efectos ventajosos descritos anteriormente. Independientemente del material elegido para formar la estructura de rejilla, esta estructura de rejilla puede producirse también mediante una erosión de material, es decir, no mediante una aplicación de material.

Se manifiesta como especialmente ventajoso que las zonas de la estructura de rejilla estén dispuestas adyacentes a los flancos laterales del puente guiaondas. Se asegura así una influenciación lo más pequeña posible de la potencia de amplificación del láser por parte de la estructura de rejilla y, en particular, un acoplamiento eficaz entre la radiación láser y la estructura de rejilla.

Con respecto a una optimización de la superficie de inyección eléctrica y las repercusiones de la estructura de rejilla, se manifiesta también como ventajoso que en el marco de la exactitud alcanzable por el procedimiento de mecanización, los flancos del puente guiaondas estén dispuestos lo más ampliamente posible en ángulo recto con respecto al plano de extensión de la estructura de rejilla.

El procedimiento según la invención presenta las características de la reivindicación 5.

Según el procedimiento conforme a la invención, basándose en un sustrato de semiconductor, la fabricación de una estructura de láser de semiconductor completa se realiza en un procedimiento de epitaxia con la producción subsiguiente de un puente guiaondas por solicitación de la estructura de láser de semiconductor con un procedimiento de erosión de material para formar superficies portadoras dispuestas a ambos lados del puente guiaondas, así como con la aplicación subsiguiente de una estructura de rejilla sobre las superficies portadoras.

Independientemente del material elegido para la formación de la estructura de rejilla, esta estructura de rejilla puede producirse también por una erosión de material, es decir, no sólo por una aplicación de material.

Por tanto, el procedimiento según la invención hace posible, en una primera fase del mismo, la fabricación de diodos de láser funcionales, con lo que es posible una revisión y detección precisas de las propiedades eléctricas y ópticas, es decir, por ejemplo, una detección del espectro de amplificación individual de la pastilla de semiconductor utilizada para la fabricación del láser. Solamente a continuación, en una segunda fase del procedimiento, los diodos de láser originariamente multimodo se transforman por la producción de estructuras de rejilla definidas en sus parámetros a lo largo del puente guiaondas, en diodos de láser DFB monomodo con las respectivas propiedades definidas en función de los parámetros de las estructuras de rejilla.

Antes de la aplicación de la estructura de rejilla, se forma una capa de aislamiento sobre las superficies portadoras.

En caso de producir la estructura de rejilla aplicando una estructura de rejilla sobre las superficies portadoras, se manifiesta como especialmente ventajosa la utilización de un procedimiento litográfico, en particular la utilización de un procedimiento de litografía por haz de electrones, con metalización subsiguiente de la estructura litográfica.

A continuación, se explican con detalle y con ayuda de los dibujos la estructura de una forma de realización de un diodo de láser DFB según la invención y un posible procedimiento para su fabricación. En los dibujos las figuras muestran:

Las figuras 1a a 1c, diferentes estadios en la fabricación de un diodo de láser DFB con estructura de rejilla lateral;

La figura 2, una fotografía electrónica tramada con representación de una vista en planta de la estructura de rejilla dispuesta a ambos lados de un guíaondas;

La figura 3, una representación diagramática de un espectro de amplificación posible del diodo de láser representado en la figura 1c; y

La figura 4, una representación gráfica de la dependencia entre el espectro de amplificación o la longitud de onda de la radiación emitida por el diodo de láser y la constante de rejilla de la estructura de
rejilla.

La figura 1a muestra un láser de semiconductor o un diodo de láser base 10 con un sustrato de semiconductor 11 y una capa epitaxial 12 crecida sobre éste, en representación simplificada y en vista en perspectiva. Parte de la estructura epitaxial 12 es una capa de láser 13 que está dispuesta sobre una capa de amortiguación y de contacto 31 y que está cubierta hacia arriba por una capa de cubierta 14.

El láser de diodo base 10 representado en la figura 1a presenta una configuración de paralelepípedo con una superficie de diodo plana 16. Partiendo del diodo de láser base 10 representado en la figura 1a se obtiene la forma de realización representada en la figura 1c, de un diodo de láser DFB 22 según la invención en dos fases de procedimiento esenciales, representando la figura 1b, como una forma de transición después de la realización de una primera fase del procedimiento, un diodo guiaondas 17 en el que las superficie 16 del mismo ha sido solicitada con un procedimiento de erosión de material, como, por ejemplo, un procedimiento de corrosión en seco, para producir la configuración superficial escalonada representada con un puente guiaondas 15 que discurre en la dirección longitudinal del diodo guiaondas 17. Mediante el procedimiento de erosión de material antes citado, se producen superficies formadas a ambos lados de los flancos 18, 19 del guiaondas 15, las cuales se designan a continuación como superficies portadoras 20 y 21, estando cubiertas las superficies portadoras por una delgada capa de aislamiento 26.

Partiendo del diodo guiaondas 17 representado en la figura 1b se obtiene la forma de realización, representada en la figura 1c, de un diodo de láser DFB 22 por la producción de una estructura de rejilla metálica 23 con dos zonas 24 y 25 que están dispuestas respectivamente en las superficies portadoras 20 y 21, y por la solicitación de las superficies portadoras 20 y 21 con un procedimiento de litografía por haz de electrones y un procedimiento de metalización subsiguiente no descrito aquí con detalle. El resultado de esta segunda fase de procedimiento es el diodo de láser DFB 22 representado en la figura 1c con la estructura de rejilla metálica 23 dispuesta en las superficies portadoras 20 y 21 por encima de la capa de láser 13. Para poder definir exactamente la posición relativa de las zonas 24 y 25 de la estructura de rejilla metálica 23 dispuestas a ambos lados del puente guiaondas 15 en la estructura epitaxial 12, con respecto a la capa de láser 13, está prevista en la estructura epitaxial por encima de la capa de láser 13 la capa de aislamiento 26 formada, por ejemplo, como capa de detención de la corrosión, la cual delimita la profundidad de una estructura litográfica producida utilizando un procedimiento de corrosión en la estructura epitaxial 12 y, por tanto, define la posición relativa de la estructura de rejilla metálica 23 con respecto a la capa de
láser 13.

Como muestra la fotografía con microscopio electrónico, reproducida en la figura 2, de una vista en planta de la estructura de rejilla metálica 23 representada esquemáticamente en la figura 1c, las zonas 24 y 25 de la estructura constituidas por puentes de rejilla 27 dispuestos desde aquí equidistantes uno de otro se extienden hasta los flancos 18 y 19 del guíaondas 15. La característica de la estructura de rejilla metálica 23 viene determinada, por una parte, por la distancia entre los puentes de rejilla 27 o bien por la constante de rejilla d, la geometría de los puentes de rejilla 27 y el metal utilizado para la estructura de rejilla metálica 23.

La figura 3 explica claramente el efecto de filtro conseguido por la estructura de rejilla metálica 23, dado que, como se puede apreciar en la figura 3, se suprimen eficazmente modos secundarios de la radiación láser emitida y sustancialmente sólo se admite la emisión de un modo de láser con longitud de onda exactamente definida.

La figura 4 muestra las repercusiones de modificaciones de la constante de rejilla d (figura 1c) sobre la longitud de onda. La figura 4 explica claramente que, por la modificación de la constante de rejilla d, es posible una sintonización fina muy exacta de la longitud de onda, de modo que, partiendo de un espectro de amplificación individual prefijado de un diodo de láser base 10 representado como ejemplo en la figura 1a, se puede obtener mediante una selección deliberada de los parámetros de la estructura de rejilla, es decir, por ejemplo, la constante de rejilla, un ajuste muy exacto de la longitud de onda para el caso de utilización previsto del diodo de láser en cuestión. Por ejemplo, eligiendo el metal para la estructura de rejilla metálica 23 puede ajustarse también dentro de amplios límites el complejo acoplamiento entre la radiación láser y la estructura de rejilla, es decir, por ejemplo, la magnitud absoluta y la proporción relativa de las partes real e imaginaria del índice de refracción y, por tanto, la proporción de acoplamiento del índice de refracción y de acoplamiento de absorción. Asimismo, se ajusta también la denominada "relación de manipulación" de la estructura de rejilla, es decir, la relación de la anchura de los puentes de la rejilla a la constante de esta última, o sea, una magnitud de optimización.

Claims (6)

1. Láser de semiconductor con un sustrato de semiconductor, una capa de láser dispuesta sobre el sustrato de semiconductor, un puente guíaondas dispuesto a distancia de la capa láser y una estructura de rejilla en forma de tira dispuesta paralela a la capa de láser, caracterizado porque la estructura de rejilla (23) presenta dos zonas (24, 25) que están dispuestas a ambos lados del puente guiaondas (15) y formadas a distancia de la capa de láser (13) sobre una capa de aislamiento (26) por encima de la capa de láser (13).

2. Láser de semiconductor según la reivindicación 1, caracterizado porque la estructura de rejilla (23) está realizada en metal.

3. Láser de semiconductor según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la estructura de rejilla (23) está realizada en cromo o en una aleación de cromo.

4. Láser de semiconductor según una o más de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los flancos (18, 19) del puente guiaondas (15) están dispuestos sustancialmente en ángulo recto con respecto al plano de extensión de la estructura de rejilla (23).

5. Procedimiento para la fabricación de un láser de semiconductor que se basa en un sustrato de semiconductor con una capa de láser dispuesta sobre el sustrato de semiconductor y una estructura de rejilla en forma de tira, caracterizado porque comprende las etapas siguientes:

- producir una estructura de láser de semiconductor completa en un procedimiento de epitaxia;

- producir un puente guiaondas (15) por solicitación de la estructura de láser de semiconductor con un procedimiento de erosión de material para la formación de superficies portadoras (20, 21) dispuestas a ambos lados del puente guiaondas (15);

- formar una capa de asilamiento (26) sobre las superficies portadoras (20, 21); y

- aplicar la estructura de rejilla (23) sobre la capa de aislamiento.

6. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado porque para aplicar una estructura de rejilla (23) de metal, se utiliza un procedimiento de litografía con metalización subsiguiente de la estructura litográfica.