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Optimierung der Prozesstechnologie und Steigerung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer von (InAlGa)N-basierten Halbleiterlaserdioden / Optimization of process technology and increase in reliability and lifetime of (InAlGa)N-based semiconductor laser diodes

Authors
  • Freier, Erik
Publication Date
May 02, 2022
Identifiers
DOI: 10.14279/depositonce-15335
OAI: oai:depositonce.tu-berlin.de:11303/16558
Source
DepositOnce
Keywords
Language
German
License
Green
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Abstract

In the present work, reliability relevant aspects of the processing of (InAlGa)N-based laser diodes with an emission wavelength of 400 nm were investigated. The aim was to increase the lifetime of the laser diodes in continuous wave operation with a high chip yield per wafer. For this purpose, individual steps of the chip processing which limit yield and reliability were examined. Optimization of the thinning technology for GaN substrates and the cleavage process for generating the laser facets were crucial for increasing the yield. To increase the lifetime, the p-contact technology was optimized and an efficient activation process of the p-conductivity was established. Then, using the advanced chip process technology, broad-area and ridge-waveguide lasers were fabricated and systematic analyzes of the degradation mechanisms were carried out. This made it possible to identify inhomogeneous p-conductivity and degradation effects of the laser facets as the main causes of the observed aging effects and to describe the processes involved. The yield of working laser chips can be limited both by material loss during the manufacturing process and by process-related total failures at the beginning of operation. During chip processing, the thinning of the GaN-substrates is the most critical step, as a breakage of the wafer leads directly to the loss of wafer material. A two-step thinning process was developed to stabilize this process step. First, the substrate is lapped with a 27 μm silicon carbide grain and a pressure of 25 g/cm2. Afterwards, another short lapping step with a 9 μm boron carbide grain reduces the extent and depth of surface near crystal damage. This process enabled the yield of break-free wafers to be increased from 35 % to 90 % while reducing the target substrate thickness from 200 μm to 150 μm. The separation of the wafer into laser bars is directly related to the thinning process. A laser scribing process was established as a substitute for diamond scribing. In addition to the laser scribed groove depth of approx. 90 μm, a homogeneous scribing depth along the groove was decisive for the later quality of the cleavage surface. This was achieved through a constant pulse overlap during the entire scribing process. Separating trenches, in which the epitaxial structure is etched away, were introduced along the specified cleaving streets to further increase the cleaving accuracy. By combining these technological developments, the yield of correctly cleaved laser bars could be increased to over 90 %. The simultaneous increase in the facet quality resulted in reduced scatter of the laser threshold current density on a wafer from 2 kA/cm2 to 0.5 kA/cm2. The electrical breakdown of the laser diodes during the first electro-optical characterization in pulse or continuous wave operation could be traced back to overhanging metal on the laser facet. The effect created an electrical shunt from the p-contact to the n-GaN. By removing the metallization from the chip edge, this problem was eliminated. Investigations of the p-contacts showed that holes in the Pd contact metal as well as voids at the Pd/p-GaN interface were created after the contact was annealed. An additional Pt covering layer on the Pd contact layer together with an optimized cleaning procedure and annealing process prevented these inhomogeneities and the specific contact resistance was reduced by an order of magnitude to around 3 x 10-3 Ωcm2. During the aging measurements, essentially two lifetime-limiting mechanisms could be identified. The first effect is the coupled voltage output power degradation. In this case, the operating voltage increases in a stepwise manner in continuous wave operation with a simultaneous drop in output power. Systematic variations of individual chip processing steps and operating conditions, together with electroluminescence examinations of the active region, led to a model of this degradation mechanism. An operation-induced change in the hole current to the active region is the cause of this effect. As a result, the current-carrying area of the active region decreases. Optimized activation of the p-type conductivity in a nitrogen-oxygen atmosphere (ratio of 7:3) could increase the ratio of Mg to H concentration from 3 to 20 and thus shift this effect to higher current densities or longer operation times. A minimal ridge etching depth down to the electron blocking layer together with the use of a low-hydrogen containing SiO2 insulator further stabilized the operating voltage. In this way, ridge waveguide lasers with threshold current densities and voltages of 2.5 kA/cm2 and 5.5 V with lifetimes of several 100 hours at output powers up to 20 mW at room temperature and a stable operating voltage were achieved. Facet degradation was identified as a second aging mechanism. In a laboratory atmosphere, continuous wave operation leads to the formation of a SiOx layer on the laser facets. This effect changes the facet reflectivity. The consequence is an instability of the laser power. Since the laboratory atmosphere could be identified as the source for the deposits, hermetic enclosures for the lasers in defined atmospheres should solve this problem. The investigations and developments presented here allowed to increase the lifetime of ridge waveguide lasers from a few hours to several 100 hours and simultaneously to increase the yield of laser diodes capable of continuous wave operation. In addition, optimization potentials in epitaxy and facet technology were shown and recommendations for future developments were given. / In der vorliegenden Arbeit wurden zuverlässigkeitsrelevante Aspekte der Chipprozessierung von (InAlGa)N-basierten Rippenwellenleiterlaserdioden mit einer Emissionswellenlänge von 400 nm untersucht. Als Ziel sollte bei einer hohen Chipausbeute pro Wafer die Lebensdauer der Laserdioden im Dauerstrichbetrieb gesteigert werden. Hierfür wurden zunächst einzelne Prozessschritte hinsichtlich ausbeute- und zuverlässigkeitslimitierender Aspekte untersucht. Entscheidend für eine Erhöhung der Ausbeute waren die Optimierungen der Abdünntechnologie für GaN-Substrate sowie des Spaltprozesses zur Erzeugung der Laserfacetten. Zur Erhöhung der Lebensdauer wurde die p-Kontakttechnologie optimiert und ein effizienterer Aktivierungsprozess der p-Leitfähigkeit etabliert. Anschließend wurden mithilfe der weiterentwickelten Prozesstechnologie Breitstreifen- und Rippenwellenleiterlaser hergestellt und systematische Analysen der Degradationsmechanismen durchgeführt. Dadurch konnten eine inhomogene p-Leitfähigkeit und Degradationseffekte der Laserfacetten als Hauptursachen für die beobachteten Alterungseffekte identifiziert und die dabei ablaufenden Prozesse beschrieben werden. Die Ausbeute an betriebsfähigen Laserchips kann sowohl durch Materialverlust während des Herstellungsprozesses als auch durch prozessbedingte Totalausfälle zu Beginn des Betriebs begrenzt werden. Während der Prozessierung ist das Abdünnen der GaN-Substrate der kritischste Schritt, da ein Bruch des Wafers direkt zum Verlust von Wafermaterial führt. Zur Stabilisierung dieses Prozessschritts wurde ein zweistufiger Abdünnprozess entwickelt. Hierbei wird zunächst mit einem 27 μm großen Siliziumcarbidkorn und einem Anpressdruck von 25 g/cm2 das Substrat geläppt. Abschließend erfolgt ein weiterer kurzer Läppschritt mit einem 9 μm großen Borcarbidkorn zur Erhöhung der Oberflächengüte und Reduzierung der eingebrachten Störschichtdicke. Durch diesen Prozess konnte, bei gleichzeitiger Reduktion der Substratzieldicke von 200 μm auf 150 μm, die Ausbeute an bruchfreien Wafern von 35 % auf 90 % gesteigert werden. In direktem Zusammenhang mit dem Abdünnprozess steht das Vereinzeln des Wafers in Laserriegel. Hierfür wurde anstelle des Diamantritzprozesses ein Laserritzprozess etabliert. Entscheidend für die spätere Spaltqualität war neben der absoluten Ritztiefe von ca. 90 μm deren Homogenität entlang des Ritzgrabens. Diese wurde durch einen konstanten Pulsüberlapp während des gesamten Ritzprozesses erzielt. Zur zusätzlichen Erhöhung der Spalttreue wurden Trenngräben, in denen die Epitaxiestruktur weggeätzt wird, entlang der vorgegebenen Ritzstraßen eingeführt. Durch die Kombination dieser Technologieentwicklungen konnte die Ausbeute an korrekt gespaltenen Laserriegeln auf über 90 % erhöht werden. Die gleichzeitige Erhöhung der Facettenqualität spiegelte sich in der reduzierten Streuung der Laserschwellenstromdichte auf einem Wafer von 2 kA/cm2 auf 0,5 kA/cm2 wider. Das elektrische Durchbrechen der Laserdioden bei der ersten elektro-optischen Charakterisierung im Puls- oder Dauerstrichbetrieb ließ sich auf Metallüberhänge an der Laserfacette zurückführen. Diese erzeugten einen elektrischen Nebenschluss vom p-Kontakt zum n-GaN. Durch das Zurückziehen der Metallisierung von der Chipkante konnte dieses Problem vollständig beseitigt werden. Untersuchungen der p-Kontakte ergaben, dass Löcher im Pd-Kontaktmetall sowie Hohl-räume an der Pd/p-GaN-Grenzfläche nach der Formierung des Kontakts entstanden. Durch eine zusätzliche Pt-Schicht oberhalb der Pd-Kontaktschicht zusammen mit einer optimierten Reinigungsprozedur und Formierung konnten diese Inhomogenitäten verhindert und der spezifische Kontaktwiderstand um eine Größenordnung auf etwa 3 x 10-3 Ωcm2 redu-ziert werden. Im Rahmen der Alterungsuntersuchungen konnten im Wesentlichen zwei lebensdauerbegrenzende Mechanismen identifiziert werden. Der erste Effekt ist die gekoppelte Spannung-Lichtleistungsdegradation. Hierbei steigt im Dauerstrichbetrieb bei gleichzeitigem Abfall der Lichtleistung die Betriebsspannung stufenförmig an. Systematische Variationen von einzelnen Prozessschritten und Betriebsbedingungen führten zusammen mit Elektro-lumineszenzuntersuchungen der aktiven Zone zu einem Modell dieses Degradationsmechanismus. So ist eine betriebsinduzierte Veränderung des Löcherstroms zur aktiven Zone, wodurch die stromdurchflossene Fläche und somit der gepumpte Bereich innerhalb der aktiven Zone verringert werden, ursächlich für diesen Effekt. Eine optimierte Aktivierung der p-Leitfähigkeit unter Stickstoff-Sauerstoffatmosphäre (Verhältnis 7:3) konnte das Verhältnis von Mg- zu H-Konzentration von 3 auf 20 erhöhen und somit diesen Effekt zu höheren Stromdichten bzw. größeren Alterungsdauern verschieben. Eine minimale Rip-penätztiefe bis in die Elektronenblockierschicht zusammen mit der Verwendung eines wasserstoffarmen SiO2-Isolators führten zu einer weiteren Stabilisierung der Betriebsspannung. So konnten Rippenwellenleiterlaser mit Schwellenstromdichten und -spannungen von 2,5 kA/cm2 und 5,5 V hergestellt werden, welche bei Raumtemperatur und Ausgangsleistungen bis ca. 20 mW Lebensdauern von mehreren 100 h bei stabiler Betriebsspannung aufwiesen. Als zweiter Alterungsmechanismus wurde die Facettendegradation identifiziert. So führt unter Laboratmosphäre der Dauerstrichbetrieb zur Bildung einer SiOx-Schicht auf den Laserfacetten. Dies sorgt für eine Modulation der Facettenreflektivität. Die Folge sind Instabilitäten der Laserleistung. Da als Quelle für die Ablagerungen die Laboratmosphäre identifiziert werden konnte, sollten hermetische Einhausungen der Laser in definierten Atmosphären dieses Problem lösen. Die hier vorgestellten Untersuchungen und Weiterentwicklungen führten zu einer Erhöhung der Lebensdauer von Rippenwellenleiterlasern von wenigen Stunden auf mehrere 100 h bei einer gleichzeitig deutlich gestiegenen Ausbeute an dauerstrichfähigen Laserdioden. Zusätzlich konnten Optimierungspotenziale in der Epitaxie und Facettentechnologie aufgezeigt und Empfehlungen für zukünftige Entwicklungen gegeben werden.

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