Ohmsche Rückseitenkontakte für blau emittierende Laserdioden
Abb. 1: Typische Zwei-Punkt I-V-Kennlinien getesteter Kontaktsysteme nach Formierung bei verschiedenen Temperaturen.
Abb. 2: Spannungsabfall bei 90 mA gemessen in Zwei-Punkt-Geometrie nach Formierung bei 450°C. Die eingekreisten Datenpunkte gehören zu linearen I-V-Kennlinien.
Abb. 3: Leistungs-Strom-Kennlinien von RW-Laserdioden unterschiedlicher Emissionswellenlänge im cw-Betrieb.
Die Realisierung kundenspezifischer Laserdioden im violetten und blauen Spektralbereich ist einer der Schwerpunkte im Geschäftsbereich GaN-Optoelektronik des FBH. So werden beispielsweise schmalbandige und monomodige External-Cavity-Laserdioden (ECDL) für Anwendungen in der Sensorik und Bioanalytik (z.B. Fluoreszenzspektroskopie), Medizintechnik und Atomspektroskopie entwickelt. Bei der Herstellung solcher Dioden muss üblicherweise zuerst der p-Kontakt auf die epitaktische Ga-polare GaN(0001)-Oberfläche und erst danach der n-Kontakt auf die N-polare Rückseite des zuvor abgedünnten GaN-Substrats aufgebracht werden. Diese Abfolge ist häufig nicht kompatibel mit den optimalen Formierungstemperaturen, die beim p-Kontakt (z.B. Pd) unter 600°C, beim n-Kontakt (z.B. Ti/Al/Mo/Au) aber über 800°C liegen. Weiterhin können Kontakttechnologien auch nicht einfach von der Ga-polaren auf die N-polare GaN-Oberfläche übertragen werden. Unsere Untersuchungen zeigen, dass beim Betrieb einer typischen GaN-Rippenwellenleiter(RW)-Laserdiode (Chipfläche 0,4×0,6 mm2) ca. 2 V der Flussspannung am Rückseitenkontakt abfallen, wenn letzterer mit der Standardtechnologie für die Ga-polare GaN-Oberfläche hergestellt wird. Nun wurde eine Technologie ohmscher Kontakte auf der N-polaren GaN-Oberfläche entwickelt, die problemlos in die Fabrikationskette einer RW-Laserdiode integriert werden kann.
Diverse Metallschichtsysteme wurden dafür untersucht. Sie beruhen zum einen auf Literaturdaten (In/Ti/Al, Ti/W/Al, Pd/Ti/Au) und zum anderen auf langjährigen Erfahrungen des FBH mit ohmschen Kontakten (Ti/Al/Mo/Au, Ti/Al/Mo/Ti/Ni/Au/Ti/Pt). Die Kontakte wurden auf geläppte Rückseiten von GaN-Wafern aufgebracht und dann verschiedenen Temperaturbehandlungen unterworfen. Abbildung 1 zeigt entsprechende I-V-Kennlinien für unterschiedliche Formierungstemperaturen. Einige der Kontaktsysteme sind zwar schon ohne jegliche Formierung ohmsch, werden jedoch bei der Löttemperatur nahe 300°C hochohmig. Drei der untersuchten Kontaktsysteme werden dagegen bei 450 bis 500°C linear, was genau im anvisierten Bereich zwischen der Chip-Löttemperatur und der p-Kontakt-Formierungstemperatur liegt. In weiteren Experimenten wurde die Formierungszeit untersucht, wie Abbildung 2 beispielhaft zeigt. In Auswertung dieser Studien ist das Metallsystem Ti/Al/Mo/Ti/Ni/Au/Ti/Pt nun der neue Standardrückseitenkontakt in GaN-Laserdioden, die am FBH gefertigt werden. Abbildung 3 zeigt exemplarisch Kennlinien solcher Bauelemente. Emissionsleistungen von >20 mW im Wellenlängenbereich 405-440 nm können reproduzierbar demonstriert werden.
Publikation:
Luca Redaelli, Anton Muhin, Sven Einfeldt, Peter Wolter, Leonhard Weixelbaum, Michael Kneissl "Ohmic Contacts on N-face n-type GaN after Low Temperature Annealing", accepted for publication in IEEE Photonics Technology Letters.
FBH-Forschung: 30.04.2013